HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN TRONG HỆ THỐNG ĐỘNG TRUYỀN LỰC XE XÍCH QUÂN SỰ Phạm Trung Kiên1, Nguyễn Đình Tuấn2, Phan Chánh Hiền3, Nguyễn Xuân Dương4 Bộ môn Tăng thiết giáp Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân Email: Kienpt.hvkt@mta.edu.vn / Kienpt.hvkt@gmail.com Bộ môn Tăng thiết giáp Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân Email: tuanduyen6162@gmail.com Công ty TNHH Công nghệ Things Changing Email:hien.phan@thingschanging.com Bộ môn Tăng thiết giáp Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân Email: Xuanduong.mta@gmail.com TÓM TẮT: Hiện nay, thực nghiệm khảo sát động lực học xe xích quân (XXQS) tiến hành đo thông số “động học” (vận tốc, quãng đường, thời gian) mà chưa đo thông số “lực học” (mô men xoắn, lực kéo) [3], [4] Đo mô men xoắn động dòng lực cơng việc khó khăn cần thiết để đánh giá chất lượng động lực học XXQS Bài báo trình bày kết nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị đo mơ men xoắn thu phát tín hiệu khơng dây phù hợp với bố trí chung khoảng giá trị mô men xoắn hệ thống động truyền lực (HTĐTL) XXQS Bộ thiết bị ứng dụng để đo mô men xoắn trục quay khác Từ khóa: mơ men xoắn; động lực học; thực nghiệm Đặt vấn đề Để đo mô men xoắn HTĐTL XXQS cảm biến đo phải tham gia vào dòng truyền lực từ động đến bánh chủ động [1] Trên loại XXQS có, việc đặt cảm biến đo mô men xoắn tiêu chuẩn khơng thể thực bố trí chung sít khoảng giá trị cần đo lớn (khoảng 32 kN.m) [12], [13] Vì vậy, cần phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cảm biến đáp ứng yêu cầu kỹ thuật riêng XXQS[8], [9] trục quay sử dụng cảm biến biến dạng (strain gauge) Dán cảm biến biến dạng lên trục cần đo chuyển tín hiệu đo thành tín hiệu điện [11], [15] Độ xác phép đo phụ thuộc vào yếu tố sau: lựa chọn vị trí đặt strain gauge, tính tốn biến dạng trục đo để lựa chọn strain gauge phù hợp với khoảng giá trị mô men xoắn làm việc XXQS, lựa chọn phương án đưa tín hiệu đo vào máy tính để calib, xử lý hiển thị giá trị đo [5], [8], [17] Phương pháp chung đo mô men xoắn Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị đo mơ men xoắn 2.1 Xác định vị trí đo, tính toán biến dạng chi tiết đo HTĐTL xe tăng T54b Trên sở phân tích kết cấu tính tốn dòng lực từ động đến bánh chủ động xe tăng họ T54/T55, lựa chọn vị trí đo mô men xoắn khớp nối trục bị động hộp số trục chủ động cấu quay vòng sơ đồ HTĐTL họ xe tăng T54/T55 trình bày Hình 1[1] Trang 351 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Vị trí đo mô men xoắn hệ thống động truyền lực họ xe tăng T54/T55 Tính tốn độ biến dạng khớp nối để lựa chọn strain gauge phù hợp [16] Trên sở nghiên cứu kết cấu khớp nối, thiết kế chi tiết 3D, xác định vật liệu chế tạo khớp nối, sử dụng phần mềm ANSYS để tính biến dạng khớp nối chịu mô men xoắn Mô men xoắn tác động lên khớp nối tính từ mơ men xoắn động qua hộp truyền lực ghi ta đến đầu trục bị động hộp số Giá trị mô men xoắn tác động lên khớp nối số truyền hộp số đầu vào cho q trình tính tốn biến dạng phần mềm trình bày Bảng Bảng Giá trị mô men xoắn tác động lên khớp nối Mz(N.m) Biến dạng (mm) TT Số truyền Số truyền 4830 10,755.10 -2 Số truyền 2254 5,0144.10 -2 Số truyền 1610 3,5784.10 -2 Số truyền 1151,15 2,5685.10 -2 Số truyền 724,5 1,6211.10 -2 Giá trị mô đun đàn hồi xoắn G: 8,11538 x 10^10 Pa, giá trị Jp: 43396937,339 mm^4 tra theo tài liệu [16] Kết cho thấy tính khả thi phương án đo biến dạng khớp nối Hình trình bày kết tính tốn biến dạng khớp nối Hình Kết tính toán biến dạng khớp nối trục bị động hộp số trục chủ động cấu quay vòng xe xích quân số truyền Trang 352 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM 2.2 Lựa chọn Strain gauge xoắn; Jp: Mơ đun qn tính độc cực Các phương pháp đo giá trị mô men xoắn trục quay thường xác định qua biến dạng trục quay chịu mô men xoắn, thông số đặc trưng cho biến dạng trục quay giá trị góc xoắn tương đối trục quay θ Mơ men xoắn Mz trục quay xác định công thức (1) [2], [6] Giá trị (G.Jp) xác định từ mác vật liệu chế tạo kích thước trục quay cụ thể Sử dụng strain gauge để tích hợp thành cầu đủ cân (fullbrigde) dán lên trục quay đo góc xoắn tương đối θ [7], [15], [16], qua ta xác định mơ men xoắn Mz Mz = θ.(G.Jp) (1) Trên sở tính toán biến dạng, lựa chọn strain gauge cầu đủ, cân có sơ đồ Hình [11] đó: Mz : Mơ men xoắn; G: Mơ đun đàn hồi Hình Sơ đồ mạch cầu Full-Bridge Điện áp Vo tính theo cơng thức: V o  R * R V ex (2) đó: Vo điện áp ra, Vex (excitation voltage) điện áp nguồn nuôi [7] Khi tiến hành calib ứng với mơ men xoắn tác dụng lên trục ta có giá trị V0 Nguồn điện áp ni thường có giá trị khoảng 2,5V đến 15V Nếu điện áp lớn dòng điện chạy qua strain gauge nhánh lớn, làm ảnh hưởng đến điện trở strain gauge ảnh hưởng nhiệt độ thân strain gauge sinh (self- heating) Nhóm tác giả sử dụng nguồn ni tiêu chuẩn phổ biến cho strain gauge 3,3V [10], [11] Lựa chọn cho 02 cặp strain gauge cầu 1/2 (1/2 Brigde) có điện trở 120Ω để kết nối thành mạch cầu đủ, cân (Hai mạch 1/2 Brigde dán đối xứng qua đường tâm trục thành cầu đủ cân bằng) Strain gauge lựa chọn có ký hiệu FCA-3-11, có thơng số kỹ thuật nêu Bảng Bảng Các thông số strain gauge [15] TT Tên thông số Giá trị o o o o Dải nhiệt độ làm việc -20 C đến +80 C Dải nhiệt độ bù +10 C đến +80 C Điện trở Thành phần Cu-Ni Strain Limits 5% Chiều dài Gauge Chiều rộng Gauge 120±0,5Ω mm 1,7 mm Trang 353 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Để dán strain gauge lên trục cần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật dán strain gauge độ bóng bề mặt trục phải đạt R0,63; có dung dịch làm sạch, keo dán chuyên dùng… [11] ADC chuyển đổi tín hiệu tương tự (analog) sang tín hiệu số (digital) Bộ thu gồm khối thu tín hiệu, khối chuyển đổi DAC,… 2.3 Thiết kế thu phát tín hiệu khơng dây 2.3.1.1 Bộ khuếch đại Loadcell Amplifier Để truyền tín hiệu từ cảm biến đo biến dạng đến xử lý tín hiệu hiển thị có nhiều phương pháp, phạm vi nghiên cứu nhóm tác giả sử dụng thu phát tín hiệu khơng dây gồm phát thu Bộ phát gồm nguồn nuôi, khối khuếch đại tín hiệu Loadcell Amplifier, khối Tín hiệu điện áp Vo khỏi mạch cầu FullBrigde có giá trị nhỏ nên cần có mạch khuếch đại tín hiệu điện áp với hệ số khuếch đại 32; 64; 128 Bộ khuếch đại Loadcell Amplifier đo biến dạng có tính chuyển đổi analog sang digital trình bày Hình [8], [17] 2.3.1 Bộ phát tín hiệu Hình Sơ đồ mạch khuếch đại mạch khuếch đại Loadcell Amplifier 2.3.1.2 Ghép nối phát tín hiệu khơng dây Bộ ghép phát tín hiệu thu đo giá trị strain gauge ghép nối từ mạch khuếch đại Loadcell Amplifier, mạch vi xử lý tín hiệu, mạch phát sóng RF nguồn ni 5V Trên Hình phát tín hiệu khơng dây với yêu cầu quan trọng nguồn nuôi phải đảm bảo trì ổn định 5V Theo cơng thức (2), giá trị Vex thay đổi, khơng ổn định giá trị điện áp Vo không ổn định theo Do vậy, giá trị Vo biến đổi theo giá trị điện trở strain gauge Hình Bộ phát tín hiệu khơng dây 2.3.2 Bộ thu tín hiệu khơng dây Bộ thu tín hiệu khơng dây (Hình 6) thiết kế ghép nối mạch: Mạch thu sóng RF, mạch biến đổi DAC, xử lý tín hiệu, nguồn ni 9V, có đầu kết nối với máy tính đầu giá trị điện Trang 354 áp (đã qua khuếch đại) strain gauge Yêu cầu kỹ thuật thu đảm bảo giá trị tín hiệu phát, lọc nhiễu, có hệ số khuếch đại,… HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Bộ thu tín hiệu khơng dây 2.3.3 Nạp chương trình chạy cho thu phát tín hiệu không dây Sử dụng phần cứng Arduino nên phần mềm điều khiển lựa chọn phần mềm Arduino [17] Phần mềm Arduino phần mềm phát triển tích hợp mã nguồn mở, cho phép người dùng dễ dàng viết code tải lên bo mạch Mơi trường phát triển viết Java dựa ngôn ngữ lập trình xử lý phần mềm mã nguồn mở khác Phần mềm sử dụng với bo mạch Arduino Bộ thu phát khơng dây kết nối với máy tính thơng qua cổng COM nạp chương trình chạy thơng qua đoạn mã code Tín hiệu vào máy tính có hai dạng dạng số (thông qua cổng COM trực tiếp vào máy tính) dạng tương tự (tín hiệu xử lý thông qua thu thập liệu DAQ trước vào máy tính) Hiển thị giá trị mô men xoắn Worksheet lập phần mềm chuyên dùng (DasyLab LabView…) [10] 2.4 Kết nối thiết bị kiểm tra, hiệu chỉnh Kết nối thiết bị đo mô men xoắn đồng sử dụng chương trình lập phần mềm Arduino để kiểm tra, so sánh sai số hai giá trị tín hiệu điện áp vào (Analog Input) tín hiệu (Analog Out) máy tính thơng qua cổng COM (đây trình kiểm tra sai số, loại trừ nhiễu, độ nhậy thu phát…) Kết so sánh hai giá trị Analog Input Analog Out nhiều điểm cho thấy thiết bị thu phát tín hiệu khơng dây có sai số nhỏ (khoảng 0,00017 mV/3V) Bộ thiết bị đo mô men xoắn thiết kế, chế tạo thiết bị đo bản, sử dụng đo mơ men xoắn nhiều trục quay Nếu muốn đo trục quay thực việc dán strain gauge calib tín hiệu điện áp - mơ men trục quay (strain gauge dán vào trục mà trục tham gia vào dòng lực, chịu mơ men xoắn) Calib thiết bị đo mô men xoắn với khớp nối Các tác giả tiến hành kiểm tra, kết nối thiết bị khớp nối dán strain gauge Việc calib tín hiệu điện áp – mơ men xoắn (calib vật lý) thực theo sơ đồ ngun lý Hình Ta có mơ men xoắn Mz tính cơng thức: Mz= F.L (3) đó: F (N) lực tạo cân có khối lượng chuẩn, L(m): khoảng cách từ tâm trục quay đến điểm đặt lực Trang 355 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Sơ đồ nguyên lý để calib mô men xoắn khớp nối trục hộp số cấu quay vòng xe xích qn Hình trình bày nội dung dán strain gauge kiểm tra tín hiệu thiết bị đo mơ men xoắn có tác động lực Hình Khớp nối dán strain gauge kiểm tra tín hiệu máy tính Calib giá trị mơ men tĩnh tiến hành Phòng Thí nghiệm Khoa Động lực-Học viện KTQS Ở giá trị mô men xoắn gây lực F ta có giá trị điện áp thu tín hiệu Giá trị lực F tạo khối lượng chuẩn (20 kg/quả) thiết bị tạo lực với đo loadcell đo lực Trang 356 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Kết luận - Bộ thiết bị gồm cảm biến đo mơ men, thu phát tín hiệu khơng dây tích hợp khớp nối hộp số cấu quay vòng cho phép đo mơ men HTĐTL xe tăng T54/55 với dải đo lớn (dải đo phụ thuộc vào việc lựa chọn strain gauge phù hợp với dải mô men làm việc) - Bộ thu phát khơng dây có kích thước nhỏ gọn nên áp dụng đo mô men xoắn cho nhiều trục quay khác nhau, trục quay bố trí khơng gian chật hẹp - Ưu điểm lớn phương án sử dụng khớp nối hộp số cấu quay vòng để tích hợp thiết bị đo mô men đơn giản lắp đặt khó khăn (phải tháo rời hộp số cấu quay vòng) khoảng đo khơng phủ hết dải biến đổi mô men xoắn, cần nghiên cứu thêm phương án (ví dụ tạo đồ gá lòng trục bánh chủ động) để nâng cao độ xác phép đo - Bộ thiết bị đo cần calib thực nghiệm đo xe xích quân đảm bảo yêu cầu theo quy định khai thác sử dụng trang bị khí tài qn Kết q trình calib tính giá trị mô men xoắn bệ thực nghiệm đo mơ men xoắn xe xích qn tác giả công bố nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xerghêiev L V, Lý thuyết xe tăng (tài liệu dịch), Học viện KTQS, Hà Nội-1990 [2] Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vượng, Sức bền vật liệu, Nxb Giáo dục [3] Nguyễn Đình Tuấn, Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ kỹ thuật cấp Tổng cục Kỹ thuật/BQP, “Đánh giá chất lượng động lực học xe tăng sau sửa chữa lớn”, 2014 [4] Phạm Trung Kiên, Nguyễn Đình Tuấn, Nguyễn Hồng Vũ, Vũ Văn Thế, “Xây dựng hệ thống thí nghiệm đánh giá chất lượng động lực học chuyển động thẳng xe tăng”, Tạp chí Kỹ thuật & Trang by Practical Experiments, Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh, Germany, 1986 [8] M Hilal Muftah and S M Haris “A strain Gauge Based Torque Transducer (Sensor) for Measuring Dynamical Load In-Rotation” ISBN: 978-960-474253-0 [9] Zdeněk Folta and Milena Hrudičková “Experience with Torque Measurement on Rotating Shaft” Transactions on Electrical Engineering, Vol (2013), No bị, TCKT/BQP số 161, 2/2014 [5] Analog Devices, “Wide Bandwidth Strain Gauge [10] http://www.dasylab.com/ [11] http://www.ni.com/en-vn/support.html [12] htps://www.km.kongsberg.com/ [13] htps://www.kmt-telemety.com Signal Conditioner- 1B31”, USA, 1996 [6] Case, John, Lord and Ross, T F Carl, “Strength of Materials and Structures with an Introduction to Finite element Methods”, 3rd edition, Edward Arnold, [14] htps://www.jrc.ec.europa.eu [15]https://dms-technik.de/files/kataloge/ STRAIN_GAUGES.pdf [16]http://metallicheckiy-portal.ru/ Great Britain, 1993 [7] K Hoffmann, “An Introduction to Strain Gauge Tech” marki_metallov/stk/20X2H4A [17] https://www.arduino.cc Trang 357 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE OF TORQUE MEASURING DEVICE IN DYNAMIC TRANSMISSION SYSTEM OF TANK - AMORED VEHICLES ABSTRACT: At present, the experimental study on dynamics of tank-armored vehicle only measures "kinematics" (velocity, distance, time) and does not measure parameters "force" (torque, traction force) yet [3], [4] Measurement of dynamic torque on the force flow of the tank-armored vehicles is a measuring device and wireless signal transducer sets in accordance with general layout, torque value range in dynamic transmission system of tank-armored vehicles This kit combines with other measuring equipment for experimental research linear motion dynamics of tank-armored very difficult but essential work to assess the dynamics This paper presents the results of research, design and manufacture of torque Keywords: torque; motion dynamics; experimental vehicles as well as torque measurements on other rotary shafts Trang 358 ... thấy thiết bị thu phát tín hiệu khơng dây có sai số nhỏ (khoảng 0,00017 mV/3V) Bộ thiết bị đo mô men xoắn thiết kế, chế tạo thiết bị đo bản, sử dụng đo mơ men xoắn nhiều trục quay Nếu muốn đo trục... áp - mơ men trục quay (strain gauge dán vào trục mà trục tham gia vào dòng lực, chịu mơ men xoắn) Calib thiết bị đo mô men xoắn với khớp nối Các tác giả tiến hành kiểm tra, kết nối thiết bị khớp... nghiệm Khoa Động lực- Học viện KTQS Ở giá trị mô men xoắn gây lực F ta có giá trị điện áp thu tín hiệu Giá trị lực F tạo khối lượng chuẩn (20 kg/quả) thiết bị tạo lực với đo loadcell đo lực Trang