Cảm Biến Lực Và Momen Xoắn Đa Trục của Kistler trong thử nghiệm NVH

Trong số các nhà sản xuất có giải pháp chuyên sâu cho lĩnh vực này, Kistler là thương hiệu được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống đo lực động và thử nghiệm ô tô.

1. Vì sao đo rung động chưa đủ để tìm ra nguyên nhân “rung”

Ví dụ, khi chạy xe ở tốc độ khoảng 80 km/h, người lái cảm thấy vô lăng rung. Kỹ sư đặt cảm biến gia tốc lên vô lăng và thu được một đỉnh rung rõ rệt ở một dải tần nhất định.

Tuy nhiên nếu muốn xác định chính xác nguồn kích thích và mức độ đóng góp của từng đường truyền, kỹ sư cần đo được lực và momen xoắn thực tế truyền qua từng điểm kết nối trong hệ thống - chân động cơ, khớp trục cardan, bạc lót hệ thống treo, hoặc điểm tiếp xúc giữa lốp và mặt đường.

Cảm biến lực và mô men xoắn sẽ giúp chúng ta trả lời các câu hỏi:

• Lực truyền qua chân động cơ là bao nhiêu?
• Lực tác động lên bạc lót hệ thống treo theo từng phương như thế nào?
• Tải trọng giữa bánh xe và mặt đường thay đổi ra sao?
• Mô men xoắn xuất hiện tại điểm liên kết ở mức nào?
• Đường truyền nào đóng góp nhiều nhất vào rung động tại cabin?

Khi cần đo nhiều thành phần lực và mô men đồng thời tại một điểm, cảm biến lực và momen xoắn đa trục trở thành một phần quan trọng của hệ thống đo.

Một cảm biến sáu trục có thể đo: Lực theo trục X, lực theo trục Y, lực theo trục Z, Momen quanh trục X, Momen quanh trục Y, Momen quanh trục Z. Nhờ đó, kỹ sư có thể xác định trạng thái tải đầy đủ hơn thay vì chỉ biết một giá trị lực đơn lẻ.

Đây là điểm đặc biệt quan trọng trong thử nghiệm ô tô, bởi tải trọng thực tế tại động cơ, hệ thống treo hoặc bánh xe thường không tác động theo một hướng duy nhất.

2. Nguyên Lý Hoạt Động

Phần lớn cảm biến lực - momen đa trục dùng trong thử nghiệm NVH sử dụng công nghệ áp điện dựa trên tinh thể thạch anh, nhờ độ cứng cơ học cao và tần số tự nhiên lớn - yếu tố then chốt cho phép đo động ở tần số cao:

• Cảm biến áp điện đa trục: Nhiều đĩa thạch anh được xếp lớp và định hướng theo các trục khác nhau bên trong một khối cảm biến duy nhất. Khi có lực hoặc momen tác động, mỗi lớp thạch anh sinh ra điện tích tỷ lệ với thành phần lực dọc theo trục nhạy của nó. Tín hiệu điện tích được truyền qua các đầu nối riêng biệt cho từng nhóm lực và momen
• Cảm biến biến dạng đa trục: Sử dụng nhiều cầu điện trở bố trí tại các vị trí và góc khác nhau, phù hợp cho các phép đo tĩnh hoặc bán động với chi phí thấp hơn

Việc tách tín hiệu chính xác giữa các trục đòi hỏi thiết kế cơ khí đối xứng cao và hiệu chuẩn nhiễu chéo nghiêm ngặt tại nhà máy - đây là điểm khác biệt kỹ thuật rõ rệt giữa cảm biến cao cấp và cảm biến phổ thông.

3. Các Thông Số Kỹ Thuật Cần Quan Tâm

• Số trục đo (3 trục hay 6 trục): Cảm biến 3 trục chỉ đo lực Fx, Fy, Fz; cảm biến 6 trục đo đầy đủ cả lực và momen (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) - cần thiết cho phân tích tải trọng phức tạp trong NVH
• Dải đo lực và momen: Phải phù hợp với tải trọng thực tế tại điểm đo - ví dụ cảm biến cho chân động cơ có dải đo khác hoàn toàn so với cảm biến cho bạc lót thanh cân bằng hoặc điểm tiếp xúc lốp - đường
• Độ cứng cảm biến: Cảm biến quá mềm so với kết cấu gốc sẽ làm thay đổi đặc tính động học tại điểm lắp đặt, gây sai lệch dữ liệu đo - tương tự hiệu ứng tải khối lượng ở cảm biến gia tốc
• Nhiễu chéo giữa các trục: Tỷ lệ phần trăm sai số khi mức độ tín hiệu đo trên một tục ảnh hưởng đến kết quả đo của các trục khác - cảm biến áp điện chất lượng cao của Kistler thường đạt tỉ lệ nhiễu chéo giữa các trục  dưới ±3,5%
• Tần số tự nhiên: Cần đủ cao để không gây méo tín hiệu khi đo lực động tần số cao - đây là lý do cảm biến áp điện thạch anh được ưu tiên trong NVH và thử nghiệm va chạm hơn cảm biến biến dạng truyền thống

4. Ứng Dụng của cảm biến lực và momen xoắn đa trục trong thử nghiệm NVH

5. Vai Trò Trong Phân Tích Đường Truyền NVH

Cảm biến lực - momen đa trục đóng vai trò trung tâm trong kỹ thuật phân tích đường truyền (Transfer Path Analysis - TPA) - phương pháp xác định lực kích thích tại nguồn (ví dụ chân động cơ) truyền qua kết cấu đến điểm cảm nhận (ví dụ vô lăng hoặc sàn xe) theo tỷ lệ đóng góp của từng đường truyền.

Kết hợp dữ liệu lực - momen tại điểm nguồn với hàm truyền đo được giữa các điểm, kỹ sư có thể xác định đường truyền nào đóng góp nhiều nhất vào rung động cảm nhận cuối cùng, so sánh hiệu quả của các phương án thiết kế bạc lót hoặc chân máy khác nhau trước khi chế tạo mẫu thử thực tế, và dự đoán ảnh hưởng khi thay đổi một thành phần trong hệ thống truyền động mà không cần thử nghiệm lại toàn bộ xe.

6. Các Dòng Sản Phẩm Cảm Biến Lực - Momen Đa Trục nổi bật Của Kistler

Kistler (Thụy Sĩ) là một trong những thương hiệu dẫn đầu thế giới về cảm biến áp điện đo lực, momen xoắn và gia tốc, được ứng dụng rộng rãi trong phát triển và thử nghiệm ô tô, bao gồm NVH, độ bền, động lực học xe và thử nghiệm va chạm. Dưới đây là các dòng sản phẩm tiêu biểu liên quan đến đo lực - momen đa trục:

Kistler Type 9306A - Cảm biến lực/momen 6 trục

Đây là dòng cảm biến áp điện 6 thành phần (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) tích hợp trong một khối duy nhất.

Các thông số kỹ thuật nổi bật:

• Dải đo lực Fz từ −5 đến 10 kN, lực cắt Fx/Fy từ −5 đến 5 kN
• Momen đến ±200 N·m
• Tần số tự nhiên đo lực đạt khoảng 18 kHz
• Nhiễu chéo giữa các trục thấp hơn ±3,5%
• Kích thước nhỏ gọn (đường kính 62 mm, cao 90 mm) và đã được hiệu chuẩn sẵn, sử dụng ngay không cần căn chỉnh lại.

Biến thể nhỏ hơn 9306A31 phù hợp cho không gian lắp đặt hạn chế.

Kistler Type 9347C (dòng 9317C/9327C/9347C/9367C/9377C) - Force link 3 thành phần

Dòng cảm biến lực dạng khối (force link) đo 3 thành phần lực trực giao Fx, Fy, Fz tại một điểm tác động bất kỳ.

Ví dụ Type 9347C có dải đo Fz từ −30 đến 30 kN, Fx/Fy từ −15 đến 15 kN, tần số tự nhiên theo trục Fz đạt khoảng 10 kHz, độ cứng cz khoảng 1.300 N/µm - phù hợp cho các bài thử cần độ đáp ứng động cao như phân tích tải trọng chân máy hoặc bệ thử kết cấu.

Kistler RoaDyn Integra Series - Wheel force transducer (cảm biến lực bánh xe 6 thành phần)

Dòng cảm biến chuyên dụng lắp trực tiếp trên bánh xe để đo lực và momen truyền qua điểm tiếp xúc lốp - mặt đường trong điều kiện vận hành thực tế, phục vụ thu thập dữ liệu tải trọng đường (Road Load Data Acquisition - RLDA), thử nghiệm động lực học xe và độ bền. Ba phiên bản Integra 4, 5, 6 đo lực từ 25 đến 65 kN và momen từ 4 đến 12 kN·m, lắp được trên vành xe từ 15 đến 22 inch, phù hợp từ xe con đến SUV và xe thương mại.

Kistler Type 9350B - SmartCrash (cảm biến lực tích hợp điện tử cho thử nghiệm va chạm)

Phần tử đo lực áp điện tích hợp sẵn mạch xử lý tín hiệu, đo 3 thành phần lực trực giao Fx, Fy, Fz với dải đo rất rộng (Fx đến 500 kN; Fy, Fz đến 100 kN), có chức năng TEDS (lưu dữ liệu hiệu chuẩn và nhận diện cảm biến), được thiết kế chuyên biệt cho đo lực va đập tần số cao trong thử nghiệm va chạm ô tô.

7. Những Lỗi Thường Gặp Khi Sử Dụng Cảm Biến Lực - Momen Đa Trục

• Bỏ qua ma trận hiệu chuẩn chéo: Dùng cảm biến mà không xác nhận đúng dữ liệu hiệu chuẩn nhiễu chéo giữa các trục theo cấu hình lắp đặt thực tế sẽ gây sai số tích lũy giữa các trục
• Lắp đặt làm thay đổi độ cứng hệ thống: Cảm biến quá cứng hoặc quá mềm so với chi tiết gốc làm thay đổi đặc tính động học tại điểm đo, khiến kết quả không phản ánh đúng hệ thống thật
• Chọn dải đo không phù hợp: Dải đo quá lớn so với tải trọng thực tế làm giảm độ phân giải tín hiệu, trong khi dải đo quá nhỏ dễ gây quá tải và hỏng cảm biến
• Không đồng bộ tín hiệu với cảm biến gia tốc: Trong phân tích TPA, lực và gia tốc cần được đo đồng bộ theo thời gian - lệch pha dù nhỏ cũng làm sai lệch kết quả phân tích đường truyền

Chọn đúng cảm biến lực - momen đa trục - từ số trục đo, dải tải trọng, đến độ cứng phù hợp với hệ thống thật - đòi hỏi hiểu sâu cả về thiết bị và bài toán kỹ thuật cụ thể của khách hàng. GPower Vietnam đồng hành cùng khách hàng trong toàn bộ quá trình này: Tư vấn lựa chọn cảm biến, tư vấn nhà cung cấp, tư vấn giải pháp tích hợp, hiệu chuẩn, bảo hành, bảo trì.

Liên hệ ngay chúng tôi để được tư vấn giải pháp cảm biến lực và momen xoắn Kistler phù hợp nhất cho phòng thử nghiệm NVH của bạn - Hotline: 0936093289 | Email: info@gpower.com.vn