Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị kiểm tra thông số độ bền cầu sau chủ động ô tô theo nguyên lý thu phát wireless

re rotating on the 
 axle, these tools are specially constructed and often have to be cut off in order to 
 assemble the device. A wireless transceiver application solution is used to fabricate 
 signals on rotating parts of automotive systems. This article presents the results of 
 designing and manufacturing wireless transceiver used in the test equipments for 
 automotive rear axle reliability. The transmitter operates according to the principle 
 that voltage signals from the tenzo deformation mounted on the rotary axis will be 
 transferred to the receiver, and processed into electromagnetic waves to be emitted 
 into space. A receiver installed on a computer will receive the signals and convert 
 them into digital signals processed by the software. Performing the calibration of 
 measurement data according to the stress signal and the deformation will result in the 
 evaluation results of the reliability of the components. 
 Ngày nhận bài: 29/6/2018 
 Ngày nhận bài sửa: 12/9/2018 
 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 
 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 
1. GIỚI THIỆU 
 Xe ô tô chuyển động gây ra tải tác dụng lên hệ thống truyên lực (HTTL) và cầu sau với các 
ứng suất khác nhau như ứng suất uốn, ứng suất cắt và ứng suất nén. Ngoài những ứng suất trên, 
cácchi tiết cũng chịu sự rung động do sự mất cân bằng lốp xe hoặc bánh xe và sự không tròn của 
lốp xe hoặc bánh xe, hoặc một vành xe bị gập nên rất dễ bị mòn hoặc hư hỏng, ảnh hưởng trực 
tiếp đến độ bền của HTTL và cụm cầu sau chủ động. Việc xác định được giá trị các thông số tải 
khi ô tô di chuyển và các trục đang quay rất phức tạp và thường sử dụng phương pháp phá hủy 
trong phòng thí nghiệm để thực hiện. 
 Sử dụng tín hiệu điện từ thu được từ chi tiết đang chuyển động, truyền tín hiệu đó vào 
không gian và tìm cách thu nhận, chuyển đổi thành dữ liệu đo được sẽ đảm bảo được tính trung 
thực của mô hình nghiên cứu, phương pháp này là phương pháp không phá hủy. 
 Thiết bị thực hiện nhiệm vụ này là bộ thu phát wireless. Thiết bị có thể thu nhận tín hiệu 
trong khoảng cách trên 100 m. Thiết bị gắn trên cầu chủ động hoặc trục quay làm nhiệm vụ nhận 
thông số đo, chuyển đổi thành sóng điệ từ phát vào không gian. Trên máy tính gắn ăng ten và 
mạch thu tại cổng USB hoặc cổng COM để nhận tín hiệu và chuyển đổi lại thành tín hiệu số đọc 
được trên giao diện phần mềm để lấy kết quả [1]. 
 Sử dụng bộ thu phát wireless ta có thể truyền nhận tín hiệu được xa hơn mà không bị hạn 
chế do dây dẫn. Để chế tạo thiết bị ta sử dụng các mô đun sẵn có trên thị trường kết hợp với chế 
tạo mạch, lắp ghép và hiệu chỉnh để có được bộ thiết bị với cấp chính xác, tính ổn định và độ tin 
cậy theo yêu cầu. Các đầu cảm biến kèm theo thiết bị gồm cảm biến đo biến dạng bằng strain 
gauge, đo vận tốc. Sử dụng vi điều khiển Arduino và được lập trình thu nhận tín hiệu trong phần 
mềm Visual Studio C#. 
2. CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ THU PHÁT WIRELESS 
2.1. Xây dựng sơ đồ khối của thiết bị 
 Tín hiệu từ tenzo đo biến dạng trên chi tiết được bộ chuyển đổi ADC 24bit Loadcell 
HX711 thành tín hiệu điện áp đưa vào vi điều khiển ATmega328P trên Arduino Promini. Tín 
hiệu vận tốc (số vòng quay) được thu nhận từ cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở và IC 
LM393 tạo thành dữ liệu cùng đưa vào vi điều khiển ATmega328P trên Arduino Promini. Sau 
đó, tín hiệu sau khi xử lí sẽ được gửi đến mô đun phát sóng RF Zigbee UART CC2530 để truyền 
không dây đến mô đun nhận tín hiệu (cùng loại RF Zigbee UART CC2530) đã kết nối với máy 
tính sẽ thu nhận và xử lí dữ liệu thu được. Dữ liệu sau khi xử lí sẽ được tính toán, lưu trữ và thể 
hiện bằng phần mềm chuyên biệt được thiết kế và lập trình bởi Visual Studio để dễ dàng quan sát 
và nghiên cứu [2]. Sơ đồ khối của thiết bị nêu trên hình 1. 
 Hình 1. Sơ đồ khối của thiết bị 
 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 
2.2. Thiết kế sơ đồ mạch của thiết bị 
 Bộ thu phát wireless được thiết kế trên cơ sở các mô đun: Mô đun chuyển đổi ADC 24bit 
Loadcell HX711, dùng để chuyển đổi tín hiệu analog sang digital 24-bit và ứng dụng điều khiển 
công nghiệp để giao tiếp trực tiếp với cảm biến cầu điện trở (Strain gauge), gửi dữ liệu cho vi 
điều khiển/Arduino; Mô đun cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở và IC LM393, độ nhạy có thể 
tùy chỉnh để đo vận tốc qua việc truyền tải dữ liệu bằng thu nhận xung laser; Mạch thu phát RF 
Zigbee UART CC2530 sử dụng IC CC2530 từ TI, mạch được lập trình sẵn firmware để có thể dễ 
dàng sử dụng truyền nhận dữ liệu chuẩn Zigbee với giao tiếp UART dễ kết nối với vi điều 
khiển/Arduino với các bước lập trình tạo config. Mạch thu phát RF UART CC2530 có khoảng 
cách truyền nhận xa, chuẩn truyền sóng Zigbee 2,4 GHz chuẩn công nghiệp có độ ổn định cao 
nên được sử dụng để truyền nhận dữ liệu từ mô đun đo biến dạng, vận tốc sau đó kết nối với máy 
tính để xử lí dữ liệu thu được; AMS1117 - IC ổn áp 3,3V; AMS1117-3,3V là IC chuyên dụng để 
ổn định điện áp tuyến tính với độ sụt áp thấp. Điện áp đầu ra 3.3V, dòng điện đầu ra 1A dùng để 
tạo điện áp 3,3V cung cấp cho mô đun Wireless UART (mạch thu phát RF Zigbee UART 
CC2530) [3], [5]. 
 Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 có chức năng tích hợp cao, phản ứng nhanh, 
khả năng chống nhiễu, độ tin cậy cao và thông số kỹ thuật của gồm: Điện áp hoạt động: 2,7V -
5V; Dòng tiêu thụ: < 1,5mA; Tốc độ lấy mẫu: 10 - 80 SPS (tùy chỉnh); Độ phân giải: 24 bit 
ADC; Độ phân giải điện áp: 40mV; Kích thước: 38 x 21 x 10 mm. Sơ đồ thiết kế tổng thể 
chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 trên hình 2 [4]. 
 Hình 2. Sơ đồ thiết kế mạch tổng thể của mô đun chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 
2.3. Phân tích chế độ làm việc của thiết bị 
 Chế độ làm việc của thiết bị được phân tích trên sơ đồ khối hình 3. Khi khởi động bộ thu 
phát wireless (1), lập tức tiến hành khởi tạo ngoại vi (2) các giá trị ban đầu (tín hiệu từ các mô 
đun cảm biến) sẽ được scale lại về giá trị gốc. Sau đó sẽ chờ lệnh từ máy tính (data) gửi xuống 
khối nhận dữ liệu (3) để quyết định lựa chọn thực hiện chương trình. Nếu data là "0" (4), chương 
trình sẽ dừng và không thực hiện và sẽ quay lại tiếp tục chờ lệnh. Nếu data là "2" (5), chương 
trình sẽ reset lại, toàn bộ dữ liệu được xử lí lại từ đầu và tiếp tục chờ lệnh. Nếu data là "1" (6), 
chương trình sẽ được khởi chạy, đầu tiên (8) thời gian thực sẽ được gửi liên tục cùng với dữ liệu 
từ các cảm biến. Sau đó chương trình xử lí tín hiệu và gửi dữ liệu về tốc độ và biến dạng sẽ tuần 
tự được thực hiện như sau: xử lí tín hiệu và gửi dữ liệu biến dạng ở điểm thứ 1 (9), xử lí tín hiệu 
và gửi dữ liệu vận tốc ở điểm thứ 1 (10); xử lí tín hiệu và gửi dữ liệu biến dạng ở điểm thứ 2 
(11); muốn lấy thêm một vài điểm đo khác thì sẽ thêm một vài bước tương ứng và chương trình 
cứ thế lặp lại để chạy. 
 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 
 Hình 3. Lưu đồ chế độ làm việc của thiết bị 
3. CHẾ TẠO, LẮP ĐẶT VÀ HIỆU CHUẨN THIẾT BỊ 
 Vị trí lắp tenzo theo nguyên lý mạch cầu Wheatstone. Mạch cầu Wheatstone bao gồm 4 
điện trở biến dạng (tenzo hoặc strain gage) dán bằng keo đặc biệt trên bán trục, hình 4 [6]. 
 Hình 4. Mạch cầu Wheatstone và dán tenzo lên bán trục cầu sau 
 Điện áp đo Vout gần như tỷ lệ thuận với biến dạng của trục, biến dạng này lại tỷ lệ thuận với 
mô men xoắn trên trục Mt, nên thiết bị đo có thể coi là tuyến tính theo (1). 
 Vout k.Mt (1) 
 Trong đó k là hệ số tỷ lệ, Mt là mô men xoắn trên trục. 
 Các mạch của bộ thu phát tín hiệu wireless được chế tạo và đóng vỏ dạng hộp đảm bảo các 
yêu cầu gọn nhẹ, đủ bền, dễ tháo lắp, làm việc ổn định và lắp đặt, bảo quản thuận lợi trong quá 
trình thí nghiệm. Hình ảnh bộ thu phát wireless chế tạo trình bày trên hình 5.a. Giao diện phần 
mềm xây dựng có các cửa hiển thị thông số biên dạng và vận tốc góc các trục quay, hình 5.b với 
4 cửa tương ứng với 4 vị trí đo. Số lượng cửa hiển thị kết quả có thể tăng lên tuỳtheo yêu cầu thí 
nghiệm và vị trí cần đo. Thiết bị có thể kết nối với máy tính bằng cổng USB hoặc cổng COM. 
 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 
 Thiết bị thu phát wireless lắp ráp trên cầu chủ động theo yêu cầu thí nghiệm. Khi đo mô 
men xoắn và biến dạng trên các bán trục đang quay, các tenzo được dán lên trên trục dạng cầu 
Wheatstone truyền tín hiệu điện áp e về mạch HX711 và chuyển đổi thành tín hiệu wirless 
truyền vào không gian. 
 a) Bộ thu phát wireless chế tạo b) Giao diện phần mềm hiển thị tín hiệu 
 Hình 5. Thiết bị wireless đã được chế tạo 
 a) Bộ wireless lắp trên bán trục cầu sau b) Bệ thử cầu sau 
 Hình 6. Lắp đặt thiết bị wireless trên cầu sau thử nghiệm 
 Hiệu chuẩn thiết bị được thực hiện hai calip trên máy chuyên dùng cùng với bộ thu phát 
wireless để phát và nhận tín hiệu. 
 Calip 1: Hiệu chuẩn tín hiệu tải trọng là mô men xoắn calip Mxcl trên trục có dán các tenzo 
điện trở bằng cách treo vật nặng Pt lên đầu tay đòn có chiều dài LCL = 1000 mm trạng thái tĩnh 
với các trọng lượng lần lượt tăng dần Pt = 0 kg, 10 kg, 20 kg,..., 100 kg theo công thức (2). 
 MPLCL t CL (2) 
 Điện áp đo Δe (mV) và mô men xoắn trên trục MCL (Nm) là tuyến tính, gần đúng theo công 
thức (3). 
 e k M M CL (3) 
 Trong đó: kM là hệ số tỷ lệ, MCL là mô men xoắn calip trên trục. 
 Kết quả đã xác định được hệ số calip mô men xoắn là kM = 25 kg.m/10mV. 
 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 
 Calip 2: Hiệu chuẩn tín hiệu mô men xoắn và biến dạng. Tín hiệu mô men xoắn đã thu 
được từ thí nghiệm với bộ thu phát wireless và được hiệu chuẩn theo mức điện áp đo được. Sử 
dụng giá trị tải trọng là mô men xoắn tiến hành calip trên thiết bị kéo nén, trong đó tenzo loại 
FCA-3-11: 360kHZ chiều dài 3 mm dán lên mảnh kim loại của chi tiết cầu sau đã thử nghiệm 
trên bệ thử. Các thông số calip được xác định bởi các phương trình (4), (5) và (6), [7]. 
 Từ công thức xác định biến dạng của điện trở (4). 
 l R / R
  (μm) (4) 
 l K CL
 Ta xác định hệ số calip biến dạng theo mô men xoắn (5) 
 P/PM/MCL CL CL CL
 KCL (5) 
 CL1000*  CL
 Biến dạng trên chi tiết được xác định là biến tương đối thực tế trên cầu điện trở được xác 
định từ công thức (6). 
 UK 
 V CL     (mV) (6) 
 UV 4 1 2 3 4
 Và viết lại theo công thức (7). 
 UV 1
 1  2  3  4 4 (μm) (7) 
 UKV CL
 Trong đó: (ε1-ε2+ε3-ε4) - Biến dạng tương đối thực tế trên cầu điện trở; Δl - Độ dãn dài của 
điện trở; ΔR - Lượng thay đổi điện trở; ΔUv - Lượng thay đổi điện áp; UV - Điện áp cầu đo; PCL - 
Tải kéo trên máy kéo nén; ΔMCL - Lượng thay đổi của mô men tải; MCL - Mô men calip; CL - 
Lượng biến dạng đo được trên máy kéo nén; Chỉ số 1000 tương ứng với cánh tay đòn 1000 mm 
trong calip 1 về mô men. 
4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 
 Thí nghiệm thực hiện trên bệ thử cầu sau, hình 6 ở trên. Thông số xe và cầu sau chủ động 
bao gồm: Trọng lượng bản thân của xe 4230 kg; tải trọng xe 2980 kg; tổng trọng lượng toàn bộ 
xe 7405 kg; công suất cực đại của động cơ tại 3000 v/ph 81 kW; mô men xoắn cực đại tại 2000 - 
2200 v/ph 320 Nm; tỷ số truyền cầu sau 6,75. Tiến hành thí nghiệm ở các chế độ tải khác nhau 
trên bệ thử, ghi các kết quả đo và lưu những file quản lý. Thực hiện calip 1 xác định được hệ số 
calip giữa giá trị điện áp đo được và mô men xoắn, kM = 25 kg.m/10mV. Tiếp theo thực hiện 
calip 2 xác định hệ số calip giữa tải trọng (mô men xoắn) và biến dạng dài trên chi tiết KCL. 
Trong thí nghiệm và các phép calip đều sử dụng bộ thu phát wireless chế tạo. 
 Các kết quả theo các chế độ tải ương ứng, biến dạng trên chi tiết tại các vị trí khác nhau 
đều xác định cụ thể và được trình bày trên hình 7. Hình 7.a tương ứng với số vòng quay 1600 
v/ph của trục dẫn động, hình 7.b tương ứng với số vòng quay 2000 v/ph của trục dẫn động. Hình 
7.c tương ứng cùng số vòng quay 1600 v/ph của trục dẫn động và hình 7.d tương ứng với số 
vòng quay 2000 v/ph của trục dẫn động khi sử dụng bộ thiết bị wireless chuẩn RTS 5600 của 
hãng KMT Cộng hòa Liên bang Đức chế tạo [8] (hiện nay trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam 
 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 
quản lý và sử dụng). Đây là các chế độ tương ứng ở tay số 3 với chế độ mô men cực đại của 
động cơ. 
 a) b) 
 c) d) 
 Hình 7. Các kết quả thí nghiệm trên bộ thu phát wireless 
5. KẾT LUẬN 
 Sử dụng phương pháp không phá hủy để đo các thông số đánh giá độ bền cầu chủ động ô 
tô gồm có mô men xoắn, biến dạng trên các chi tiết quay có ưu điểm đảm bảo tính ổn định của 
kết cấu nhưng rất phức tạp. Chế tạo thiết bị theo nguyên lý thu phát wireless đã giải quyết được 
việc lấy các tín hiệu ra trong khi các chi tiết và hệ thống ở trạng thái đang làm việc ở những chế 
độ thí nghiệm theo yêu cầu. 
 Thiết bị đã được thiết kế chế tạo trên cơ sở các mô đun tích hợp kết hợp với giao diện phần 
mềm lập trình Arduino thu thập và xử lý các tín hiệu đo được. Khi thí nghiệm đo mô men xoắn 
trên các chi tiết quay của cầu chủ động, thông số đo được thực hiện calip 1 theo mô men tải. Khi 
thí nghiệm xác định biến dạng trên chi tiết, thông số đo sẽ được thực hiện calip 2 xác định hệ số 
của mối quan hệ giữa mô men tải. Thiết bị đo gồm những mạch điều khiển có tính ổn định cao 
và giá thành hợp lý nên có thể chủ động thí nghiệm và phát triển ứng dụng với những thí nghiệm 
khác trên ô tô. 
 So sánh kết quả thí nghiêm đo biến dạng trên chi tiết khi sử dụng bộ thu phát wireless chế 
tạo (hình 7.a,b) với bộ thu phát wireless chuẩn RTS 5600 của hãng KMT Cộng hòa Liên bang 
Đức chế tạo (hình 7.c,d), sai khác nhau 1,5 - 3% cho thấy thiết bị thu phát wireless chế tạo đáng 
tin cậy. 
 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 [1]. Vũ Đình Thành. (2013). Lý thuyết cơ sở Kỹ thuật siêu cao tần. Nhà xuất bản Đại học 
Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. 
 [2]. Vũ Văn Tác, Trần Tiến Phức , Quách Đức Cường. (2014). Thiết kế và thực hiện hệ 
thống thu thập dữ liệu môi trường từ xa qua mạng Zigbee wireless cho bảo tàng viện hải dương 
học. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển; Tập 14, Số 3; 2014: 289-298 DOI: 10.15625/1859-
3097/14/3/5163  
 [3]. Ajay Bharadwaj, Applications Engineer Senior, and Balaji Mamidala, Applications 
Engineer. (2011). Integrated sensor nodes with GSM modems: simplifying the task of wireless 
data acquisition. Cypress Perform, Cypress Semiconductor Corp. 
 [4]. HX711. 24-Bit Analog-to-Digital Converter (ADC) for Weigh Scales. 
 [5]. GL55 Series, CdS Photoresistor Manual, Shenzhen Senba Optical & Electronic Co., 
Ltd. www.sbcds.com.cn 
 [6]. Nguyễn Thanh Quang, Hoàng Việt, Lê Hoàng Anh. (2017). Thí nghiệm đo mô men 
xoắn trên cầu sau ô tô tải nhỏ. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, tập 11, số 4, 07-2017, 
trang 75. 
 [7]. TML. Strain Gauge Users’ Guide. Tokyo Sokki Kenkyujo Co., Ltd Japan. www.tlm.jp 
 [8]. https://www.kmt-telemetry.com/telemetry/1-channel-telemetry/