Thử nghiệm độ bền cơ học kính chắn gió ô tô

Từ khóa: Chùy thử, kính chắn gió, thử nghiệm độ bền cơ học.

Abstract: Windscreen is a component that is used to almost of automobiles. In addition to ensure visibility, resistant to the effects of temperature, humidity, chemical, abrasion, windscreen must ensure mechanical strength. This paper presents the research methodology headform test.
Keywords: Headform, windscreen, mechanical strength test.

1. Đặt vấn đề

Kính chắn gió là một linh kiện quan trọng trên xe cơ giới, ngoài việc đảm bảo tầm nhìn, khả năng chịu tác động của nhiệt độ, độ ẩm, hóa chất, chịu mài mòn, kính còn phải đảm bảo độ bền cơ học. Ngày nay, kính chắn gió thường có nhiều lớp, lớp trung gian sử dụng hợp chất polyvinyl butyral (PVB) để kết dính các tấm kính đồng thời đảm bảo độ truyền sáng. Để đánh giá độ bền cơ học kính chắn gió [5], [6], người ta thường sử dụng thiết bị như Hình 2.1. Đó là hệ thống thiết bị sử dụng cụm chùy thử (có kết cấu và khối lượng theo qui định) được nâng lên độ cao theo yêu cầu và cho rơi va chạm với kính cần thử. Sau va chạm, người ta đánh giá các vết nứt theo quy chuẩn kỹ thuật. Ở các nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Nhật, châu Âu thì kính chắn gió ô tô là đối tượng bắt buộc phải kiểm tra, thử nghiệm trước khi lắp lên phương tiện bán ra thị trường. Tại Việt Nam, công tác thử nghiệm kính ô tô đã được tiến hành theo lộ trình trong quy chuẩn QCVN 32:2011/BGTVT.

Thiết bị thử nghiệm độ bền cơ học kính chắn gió ô tô bằng chùy thử (sau đây gọi tắt là thiết bị) đã được nghiên cứu, chế tạo ở các nước phát triển, nhưng giá thành rất cao. Nhằm giải mã các thiết bị, nghiên cứu ứng dụng các công nghệ tự động hóa, đo lường điều khiển, đồng thời giảm chi phí nhập khẩu thiết bị, việc nghiên cứu thiết bị thử nghiệm độ bền cơ học kính chắn gió ô tô bằng chùy thử là rất cần thiết. Năm 2013, Cục Đăng kiểm Việt Nam đã được Bộ GTVT giao nhiệm vụ thực hiện đề tài “Nghiên cứu, chế tạo thiết bị thử nghiệm độ bền cơ học kính chắn gió ô tô bằng chùy thử theo quy định tại quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 32:2011/BGTVT” – Mã số DT133014 trong 24 tháng.

2. Nguyên lý, cấu tạo thiết bị

Thiết bị có cấu tạo như Hình 2.1, cơ bản gồm các phần: Khung thiết bị, cụm chùy thử, động cơ kéo chùy, cụm giá đỡ mẫu thử và hệ thống điều khiển.

1 – Khung thiết bị; 2 – Cụm chùy thử; 3 – Động cơ kéo chùy; 4 – Cụm giá đỡ mẫu thử, 5 – Hệ thống điều khiển
Hình 2.1: Thiết bị thử nghiệm độ bền cơ học kính chắn gió ô tô bằng chùy thử

2.1. Phần khung thiết bị và cụm chùy thử

Với phương án lựa chọn sử dụng phương án chùy không đo sự giảm tốc và rơi tự do, nhóm nghiên cứu thiết kế cụm chùy thử được các thanh dẫn hướng chạy dọc theo 2 dây cáp căng 2 bên khung thiết bị cho phép thực hiện việc kéo và thả chùy.

Cơ cấu thả chùy dạng cóc hãm, dẫn động bởi một động cơ điện một chiều 24V – 15W, 140rpm, điều khiển bằng điện từ tủ điều khiển hoặc tay điều khiển nối dài. Việc điều khiển thả chùy an toàn và linh hoạt. Kết cấu của cụm chùy thử như Hình 2.2.

Hình 2.2: Cụm chùy thử

Chùy thử được thiết kế, chế tạo theo yêu cầu của QCVN 32:2011/BGTVT có chiều dài toàn bộ là 860mm, tổng khối lượng là 10kg ± 0,2kg. Chùy thử có đầu hình cầu bán kính 95mm, làm bằng gỗ cứng, bọc một lớp nỉ được thay ra sau 12 lần thử nghiệm, phía trên lắp một cán gỗ dài 500mm móc được vào cơ cấu thả chùy [2], [3].

2.2. Động cơ kéo chùy

Để thực hiện việc kéo chùy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một động cơ điện 3 pha (kèm theo hộp giảm tốc) công suất 5kW có thể thay đổi tốc từ 0 đến 240rpm thông qua biến tần. Vị trí lắp động cơ như Hình 2.3.

Hình 2.3: Động cơ kéo chũy

2.3. Hệ thống điều khiển
2.3.1. Kết cấu hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ điều khiển thiết bị theo chương trình được lập trình trước, ứng dụng công nghệ lập trình điều khiển PLC – Inverter – Motor. Hệ thống điều khiển bao gồm:
- Thiết bị điều khiển kéo chùy: Biến tần và PLC;
- Thiết bị điều khiển thả chùy: Nút bấm trên tủ điều khiển, tay điều khiển nối dài;
- Thiết bị bảo vệ: Công tắc hành trình, aptomat, rơ le, cầu chì;
- Encoder;
- Bộ phận hiển thị: Nhiệt độ, độ ẩm, chiều cao rơi.
Tất cả được kết nối trong mạch điều khiển và được bố trí trên panel tủ điều khiển như Hình 2.4:

Hình 2.4: Tủ điều khiển

Biến tần được sử dụng để thay đổi tốc độ động cơ kéo chùy thông qua việc thay đổi tần số dòng điện cấp vào. PLC là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình với nhiều ưu điểm như: Lập trình dễ dàng, gọn nhẹ, dễ bảo quản, dễ sửa chữa; dung lượng bộ nhớ lớn có thể chứa được những chương trình lớn, phức tạp; giao tiếp được với nhiều thiết bị khác như máy tính, thiết bị nối mạng và các modul mở rộng. Việc điều khiển chùy sau đó sẽ được thực hiện thông qua các nút bấm trong đó đã có các chương trình được lập trình trước như chế độ kéo chùy ở 1,5m và 4m.
Trong quá trình thử nghiệm, việc đảm bảo an toàn cho thiết bị và người sử dụng rất quan trọng. Khi nghiên cứu, thiết kế nhóm nghiên cứu đã chú trọng việc lắp đặt các thiết bị bảo vệ. Trong trường hợp chùy thử (hoặc đồ gá chùy) có vấn đề làm động cơ vẫn hoạt động ngay cả khi đi hết hành trình, khi đó cụm chùy thử sẽ gạt công tắc hành trình, cùng lúc này toàn bộ hệ thống điện của thiết bị sẽ được ngắt ngay lập tức. Aptomat, rơ le và cầu chì có nhiệm vụ bảo vệ thiết bị trong trường hợp hệ thống điện bị quá tải. Trong trường hợp khẩn cấp, người sử dụng có thể tắt thiết bị thông qua nút tắt khẩn cấp EMERGENCY trên tủ điều khiển.

Một bộ phận quan trọng khác của thiết bị là panel hiện thị tủ điều khiển. Bộ phận hiển thị nhận tín hiệu dạng analog từ cảm biến và hiển thị kết quả trên tủ điều khiển.

2.3.2. Sơ đồ điều khiển hệ thống kéo chùy

Sơ đồ điều khiển hệ thống kéo chùy được kết nối như Hình 2.5.

Hình 2.5: : Sơ đồ hệ thống kéo chùy

Trong đó:
- PLC (Program Logic Control): Được sử dụng để xác định vị trí hiện tại của chùy. Đồng thời cho phép người sử dụng thực hiện điều khiển các chế độ đi lên, đi xuống, chọn vị trí gốc và vị trí cần di chuyển đến;
- Biến tần và động cơ: Biến tần được sử dụng để trực tiếp điều khiển động cơ về mô men, tốc độ và chiều quay thông qua chương trình điều khiển từ PLC. Động cơ ba pha được bảo vệ không bị quá áp, quá dòng và bó cứng khi sử dụng biến tần trực tiếp điều khiển. Đồng thời các ứng dụng về tốc độ, chiều quay được thực hiện một cách linh hoạt và an toàn;
- Bộ mã hóa vòng quay (Encoder): Được sử dụng để phản hồi vị trí, hướng di chuyển của chùy về PLC và gửi tín hiệu về bộ hiển thị để hiển thị chiều cao rơi.
2.3.3. Thuật toán điều khiển
Thuật toán điều khiển để lập trình cho PLC như Hình 2.6 được thực hiện với các nội dung chính sau:

Hình 2.6: Thuật toán điều khiển

- Nạp thước đo: Cảm biến được sử dụng là bộ mã hóa vòng quay (Encoder) có độ phân giải 2500 xung/vòng (nghĩa là 1 vòng quay của bộ encoder này có 2500 xung ứng với 3600). Kết hợp với thông số chu vi (tính theo mm) của puly được gắn đồng trục với encoder, thiết bị PLC được lập trình để xác định 1mm chiều cao tương đương với một số lượng xung nhất định tùy theo lựa chọn của người sử dụng;
- Cập nhật vị trí hiện tại, điều này có nghĩa là khi nguồn điện được cấp trở lại PLC phải xác định được vị trí hiện tại;
- Xác định điểm gốc (PLC coi vị trí đó là 0). Thông qua nút Reset cho phép người vận hành thay đổi điểm gốc, đồng thời cũng dừng các chuyển động lên hay xuống;
- Công việc tiếp theo là chương trình PLC liên tục thực hiện các vòng quét kiểm tra các tín hiệu điều khiển của người sử dụng như nhấn lên, xuống, chọn chế độ 1,5m hay 4m để đưa ra các tín hiệu đầu ra điều khiển cho biến tần.

Từ thuật toán điều khiển trên, nhóm nghiên cứu đã xây dựng 2 chương trình điều khiển là: Kéo chùy tự động lên chiều cao rơi 1,5m và 4m theo yêu cầu của QCVN 32:2011/BGTVT.

3. Quy trình kiểm tra, thử nghiệm
3.1. Mẫu thử

Phép thử được thự hiện trên 10 mẫu kính chắn gió ô tô thông dụng, gồm cả kính nguyên dạng và kính phẳng.

3.2. Điều kiện thử

Các thử nghiệm phải được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ môi trường 230C ± 50C, độ ẩm 60% ± 20%, áp suất 860mbar – 1060mbar.

3.3. Các bước tiến hành

Quy trình thử nghiệm độ bền cơ học kính chắn gió ô tô bằng chùy thử như sơ đồ Hình 2.7 gồm các bước cơ bản sau:
- Chuẩn vị mẫu thử: Kiểm tra tổng quan, xác định các thông số cơ quản của mẫu thử;
- Lắp đặt mẫu thử và cơ cấu an toàn;
- Thực hiện thử nghiệm: Kéo và thả chùy;
- Tháo mẫu thử và kết thúc thử nghiệm.

Hình 2.7: Quy trình thử nghiệm

3.4. Kết quả thử nghiệm

Hình 2.8: Kết quả thử nghiệm

Kết thúc quá trình thử nghiệm, mẫu thử được tháo ra. Việc đánh giá kết quả thử nghiệm dựa trên vết nứt, vỡ của kính theo các yêu cầu của quy chuẩn QCVN 32:2011/BGTVT, được nêu cụ thể trong mục 3.3.

3.5. Đánh giá

Mẫu thử được coi là đạt khi đáp ứng các yêu cầu sau [2]:

3.5.1. Đối với kính nguyên dạng

- Mẫu thử rạn nứt thành nhiều hình tròn tâm nằm gần sát với điểm va đập, khoảng cách từ điểm va đập đến các mảnh rạn nứt gần nhất không lớn hơn 80mm.
- Các lớp kính vẫn còn dính vào lớp trung gian làm bằng vật liệu dẻo. Cho phép có một hoặc nhiều phân tách cục bộ khỏi lớp trung gian với khe hở phân tách nhỏ hơn 4mm, ở cả hai bên của rạn nứt và bên ngoài vòng tròn đường kính 60mm, có tâm là điểm va đập.
- Tại vị trí va đập: Diện tích hở ra của lớp trung gian không lớn hơn 20cm2. Cho phép có vết rách dài tới 35mm trên lớp trung gian.
- Một bộ mẫu thử được coi như đạt yêu cầu thử bằng chuỳ thử nếu một trong 2 điều kiện sau được đáp ứng:
+ Tất cả các lần thử cho kết quả đạt yêu cầu, hoặc;
+ Một lần thử cho kết quả không đạt yêu cầu, nhưng một loạt các phép thử tiếp theo thực hiện trên bộ mẫu mới cho kết quả đạt yêu cầu.

3.5.2. Đối với kính phẳng

- Mẫu thử bị cong và vỡ, xuất hiện nhiều mảnh vỡ tròn tập trung ở gần điểm va đập.
- Cho phép có vết rách ở lớp trung gian với điều kiện là đầu chùy thử không xuyên qua mẫu thử.
- Không có mảnh vỡ lớn nào tách ra khỏi lớp trung gian.
- Bộ mẫu thử được coi là đáp ứng yêu cầu thử bằng chuỳ thử nếu một trong hai điều kiện sau được đáp ứng:
+ Tất cả các phép thử cho kết quả đạt yêu cầu;
+ Một lần thử cho kết quả không đạt yêu cầu nhưng một loạt các phép thử tiếp theo trên nhóm mẫu mới cho kết quả đạt yêu cầu.

4. Phạm vi sử dụng của thiết bị và khả năng mở rộng

Thiết bị có thể ứng dụng để kiểm tra nhiều loại kính khác nhau như:
- Kính chắn gió: Kính độ bền cao, kính nhiều lớp thông thường, kính nhiều lớp được xử lý, kính thủy tinh – vật liệu dẻo.
- Kính không phải kinh chắn gió: Kính nhiều lớp, kính thủy tinh – vật liệu dẻo.
Đây là những loại kính rất quan trọng đối với xe. Ngoài ra thiết bị có thể sử dụng để kiểm tra các loại kính khác cần độ bền cơ học cao dùng trong xây dựng.

5. Kết luận

Nghiên cứu thiết bị thử độ bền cơ học kính chắn gió ô tô bằng chùy thử là một nhiệm vụ khó khăn nhưng cần thiết.
Thiết bị được nhóm nghiên cứ chế tạo thành ông và đã được Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng cấp giấy hiệu chuẩn theo giấy chứng nhận số 01863-LC.18.14 ngày 12/11/2014.
Thiết bị thử ứng dụng những công nghệ tự động hóa, sử dụng các linh kiện đo lường hiện đại hoàn toàn đáp ứng được những yêu cầu thử nghiệm của quy chuẩn QCVN 32:2011/BGTVT (tương đương với ECE 43) cho kết quả kiểm tra, thử nghiệm có độ chính xác, tin cậy.
Việc nghiên cứu, chế tạo thành công thiết bị thử độ bền cơ học kính chắn gió ô tô bằng chùy thử, góp phần kiểm soát chất lượng kính chắn gió trước khi lắp lên xe. Ngoài ra, thiết bị còn phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học, nghiên cứu phát triển sản phẩm kính ô tô 

Tài liệu tham khảo
[1]. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, (1998), Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí, NXB Giáo dục.
[2]. QCVN 32:2011/BGTVT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về kính an toàn của xe ô tô.
[3]. ECE R43, Uniform provisions concerning the approval of safety glazing materials and their installation on vehicles.
[4]. ISO 3537, Road vehicles – Safety glazing materials – Mechanical tests.
[5]. Stephen A. Batzer, Chandra K. Thorbole, G. Grant Herndon, David Beltran, Injury analysis of laminated and tempered side glazing, The Engineering Institute United States.
[6]. Hassan, A. M., M. Mackay, J-Y. Foret-Bruno, JF. Huere, and K. Langwieder, 200, Laminated Side Glazing Implications for Vehicle Occupant Safety, IRCOBI Conference, Isle of Man (UK), 283-29.