Đồ án dao động và tiếng ồn trên ô tô

Tài liệu do sinh viên thuộc bộ môn công nghệ kỹ thuật ô tô, đại học Nông Lâm TP.HCM thực hiện. Tài liệu giới thiệu qua mô hình và phương trình mấp mô thể hiện giữa xe và mặt đường, và đồng thời xây dựng quy trình thử một hệ thống treo của xe với bộ thông số cho sẵn bằng chương trình LabVIEW.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH

PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ–CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

THUYẾT MINH

ĐỒ ÁN DAO ĐỘNG VÀ TIẾNG ỒN TRÊN Ô TÔ

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN VÀ THỬ NGHIỆM

Mục Lục

Giới Thiệu 2

Các Thông Số Đã Biết 2

CHƯƠNG I MÔ TẢ MẤP MÔ-KÍCH THÍCH MẶT ĐƯỜNG 3

1 Phân tích mô hình kích thích 3

2 Lựa chọn và thiết lập các thông số điều kiện 3

3 Mô tả đồ thị kích thích 3

CHƯƠNG II GIẢI MÔ HÌNH TRÊN MIỀN THỜI GIAN 8

1 Phân tích mô hình kích thích 8

2 Lựa chọn và thiết lập các thông số điều kiện 8

3 Mô tả đồ thị kích thích 9

CHƯƠNG III THIẾT LẬP HÀM TRUYỀN VÀ DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍN TẦN SỐ BIÊN ĐỘ 15

1 Thiết lập hàm truyền 15

2 Dựng đường đặc tính tần số biên độ 16

3 Thử lại trong đồ thị kích thích ban đầu 20

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN-ĐỀ NGHỊ CHO HỆ THỐNG TREO 22

1 Kết luận cho đồ án 22

2 Đề nghị cho hệ thống treo 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

Giới Thiệu

Mô Tả Bài Toán Dao Động

Môn học dao động và tiếng ồn trên ôtô là cơ sở để ứng dụng cho hệ thống treo trên xe Dựa vào các tính toán trên giấy và trên máy tính, người ta sẽ đưa các số liệu tính được cùng với thông số xe đã biết trước vào hệ thống treo để tính toán nên bộ số liệu mà dựa vào đó hệ thống treo hoạt động một cách tối ưu và hợp lý nhất với xe, từ đó đảm bảo xe có được sự êm dịu trong quá trình di chuyển nhiều nhất

Việc giải bài toán dao động là bước cơ sở cần thiết trước khi hệ thống treo được thiết kế cho một loại xe nhất định Mục tiêu cho bài toán này là dựa vào bộ số liệu đã được giáo viên hướng dẫn cho trước (sẽ nói đến ở phần sau) để dựng lên các đồ thị biểu thị dao động trên xe

và mấp mô mặt đường, và đồng thời xác định mối quan hệ giữa các thông số qua việc giải

phương trình vi phân Từ những biểu hiện trên đồ thị và tính toán trong phương trình, bộ thông

số dùng để thiết kế hệ thống treo cho một loại xe nhất định sẽ được thiết lập Tuy nhiên, xét đến điều kiện thực tế và sự an toàn trong việc di chuyển thì sẽ có những điều kiện nhất định cho các thông số trong quá trình thay đổi giá trị của chúng để thử cho hệ thống treo, và đây được xem là tính khả thi của hệ thống treo trên xe Sau khi xem xét và kiểm nghiệm bộ thông

số đã được điều chỉnh lại từ những giá trị đã cho thì việc hệ thống treo được thiết kế có khả thi hay không sẽ được làm rõ

Trong quá trình dựng đồ thị và tính toán kiểm nghiệm, phần mềm máy tính được dùng là Labview 2015 Thông qua phần mềm này việc thiết kế hệ thống treo trên máy tính sẽ dễ dàng hơn vì phần mềm này có thể quản lý số liệu đã cho ban đầu và cho phép thay đổi chúng một cách tự do để đồ thị biểu hiện trong đó cho kết quả như mong đơi

Cuốn đồ án này là để trình bày cách các đồ thị dao động được dựng, cách phán đoán kết quả thông qua biểu hiện trong đồ thị và cách xây dựng mối quan hệ cho các thông số cũng như quá trình thay đổi các thông số từ giá trị ban đầu được biết để từ đó có thể ra được kết luận có thể thiết kế hệ thống treo trên xe với bộ thông số mới đó không

Các Thông Số Đã Biết

(Được cấp bởi GVHD)

Khối lượng phần thân treo của xe cùng với khối lượng người ngồi trên xe: M=3356kg

Khối lượng phần thân không treo của xe (gồm bánh xe, lò xo, gầm xe và giảm chấn): m=1038kg

Hệ số êm dịu của lốp xe: k1=41393N.s/m

Hệ số êm dịu của lò xo treo giảm chấn: k2=44980N.s/m

Dựa theo bảng số liệu được cấp bởi GVHD như sau:

Cấp đường Quy đổi cấp tương đương Biên độ (m)

ra z2 (gọi là nảy thân trên)

Thông qua phần mềm Labview, đồ thị được thiết kế qua sơ đồ mạch kèm theo giải thích như

sau:

Sơ đồ mạch thiết kế đường biểu diễn trong Labview

Công tắc boolean được dùng để điều khiển hiển thị qua lại giữa 2 dạng sóng hình sine và sóng xung (pulse) Các thông số được gán với các giá trị đã cho trước để ra hiển thị

Thiết lập hệ chương mình mô phỏng cho đồ thị

Vì đây là thiết kế hệ thống treo trên xe ôtô, nghĩa là mô hình thuộc ngành ôtô, thiết lập cho khung Control & Simulation Loop sẽ chọn ODE Solver là Runge-Kutta 4

Thiết lập các thông số cần thiết cho đồ thị sóng hình sine

Chọn thiết lập cho đồ thị sóng hình sine và nhập các thông số biên độ (amplitude) và tần số (frequency) như đã xác định Pha của đồ thị (phase) có thể chọn lệch ¾ đường tròn (nhập phase 270) hay không cho lệch pha (như thể hiện trong hình), trong đó độ lệch pha 270o sẽ cho ra đường biểu diễn có tung độ hoàn toàn là giá trị dương (với điều kiện khoảng bù offset được đặt cho cùng giá trị với một nửa giá trị biên độ là 0.35 để đảm bảo biên độ tối đa của đồ thị trên trục tung là 0.7 như giá trị được cho trước) và pha không lệch sẽ cho ra đường biểu diễn có tung độ nằm ở các giá trị âm và dương đối xứng nhau như biểu diễn trong hình trên

Thiết lập các thông số cần thiết cho đồ thị sóng xung

Chọn thiết lập cho đồ thị sóng xung và chọn thời gian bắt đầu sinh xung (start time) là 0.75 và biên độ là 1/10 của biên độ trong đồ thị sóng hình sine (là 0.07)

Sau khi đã thiết lập hết các thông số cần thiết, qua cửa sổ Front Panel của Labview và cho chạy chương trình sẽ thu được kết quả, là tác dụng của mặt đường lên hệ thống treo qua khoảng nảy z0, kèm nhận xét như sau:

Biểu diễn đồ thị sóng xung

Thời gian sinh xung đúng 0.75s trên trục thời gian (time) như đã thiết lập, và biên độ xung là 0.07m Mỗi chu kỳ như vậy cách nhau 2s (tính từ thời điểm bắt đầu có xung đến khi kết thúc xung là 1 chu kỳ)

Biểu diễn đồ thị sóng sine

Với tần số như đã thiết lập, sóng sine cho biên độ 0.7m cả trên và dưới điểm 0 trên trục biên

độ Vào thời điểm 0.5s dao động đầu tiên sinh ra, và nó kéo dài trong khoảng 2s trước khi sang chu kỳ dao động mới

CHƯƠNG II GIẢI MÔ HÌNH TRÊN MIỀN THỜI GIAN

1 Phân tích mô hình kích thích

2 Lựa chọn và thiết lập các thông số điều kiện

Nhiệm vụ trong chương này là thiết kế mô hình mạch trong Labview để có thể tính các z đã liệt

kê ở mục 1

Điều kiện được đặt ra là đường biểu diễn của z2’’ (sẽ biểu thị ở mục sau) không vượt quá 2.5m/s2 trên trục biên độ Đây được xem là giới hạn cho độ êm dịu của người ngồi trên xe

Minh họa cho kích thích mặt đường lên hệ thống treo trên xe

Từ đây thông số biến cần tính sẽ được đổi thành biến ngẫu nhiên, không còn mang số cố định như ban đầu Trong Labview thanh trượt giá trị được dùng để thực hiện điều này

Dựa theo sơ đồ, đã biết mặt đường tác dụng z0 lên hệ thống Cùng với khoảng nảy đó, vận tốc và gia tốc

đi qua m lần lượt là z1’ và z1’’ và qua M là z2’ và z2’’ được sinh ra

Biến cần tính được thể hiện dưới dạng thanh trượt giá trị trong Labview

Trong đó: (1) xuất phát từ phương trình cân bằng lực thân treo: −𝑀 ∗ 𝑧2′′− 𝐹𝑐2 − 𝐹𝑘2 = 0 (với

Fc2 là lực đàn hồi lò xo giữa thân treo và thân không treo; Fk2 là lực cản của giảm chấn giữa thân treo và thân treo)

(2) xuất phát từ phương trình cân bằng lực thân không treo: −𝑚 ∗ 𝑧1′′+ 𝐹𝑐2 + 𝐹𝑘2 −

𝐹𝑐1 − 𝐹𝑘1 = 0 (với Fc1 là lực đàn hồi lốp; Fk1 là lực giảm chấn của lốp)

Từ mối quan hệ tham số trong hệ phương trình trên, sơ đồ khối cho đồ thị kích thích được dựng lên như sau:

Sơ đồ khối mô tả kích thích mặt đường và chuyển dịch vi phân theo thời gian

Thông qua phần mềm Labview, đồ thị được thiết kế qua sơ đồ mạch kèm theo giải thích như sau:

Mô hình mạch Labview điều khiển đường biểu diễn đặc trưng dao động

(Vì đây là mạch được xây dựng phát triển từ mạch ở chương trước, chỉ những phần tử cần thiết mới được đưa vào đây.)

Sau khi đã thiết lập hết các thông số và sơ đồ cần thiết, qua cửa sổ Front Panel của Labview và cho chạy chương trình sẽ thu được kết quả, là đường biểu diễn của các z tác dụng lên M và m, kèm nhận xét như sau:

Biểu diễn đồ thị kích thích sóng xung tại biến 0

Biểu diễn đồ thị kích thích sóng sine tại biến 0

Ngoài các thông số đã có từ trước, 2 ô giá trị z1; z1’; z1’’ và z2; z2’; z2’’ được thiết lập để phục vụ việc tính toán các z Theo sơ đồ ở trên, các thông số qua bộ lấy đạo hàm (Derivative) và các phép tính kết hợp lại với nhau để được tống hợp tại vòng tròn tổng

(Summation) trước khi đến bộ lấy tích phân (Integrator), các đồ thị sẽ biến đổi cho tương thích với các biến đổi đó để cho ra đường biểu diễn

Vì M là biến thay đổi tự do (biến 1), giá trị của M sẽ được quyết định bởi thanh trượt như trong hình trên, và theo đó các đồ thị sẽ cho đường biểu diễn tương ứng Qua sự điều khiển của công tắc boolean, các đồ thị sẽ cho đường biểu diễn dạng sóng sine hay sóng xung

Trong đồ thị bên trái là đường biểu thị như của chương trước và đồ thị bên phải (Waveform Chart 2) là đường biểu thị cho các giá trị z cần quan tâm, trong đó đường màu đỏ có sẵn là đường z1

Ban đầu khi M chưa có (M=0) thì đồ thị chỉ cho các đường biểu diễn đơn điệu, và các ô z1 và z2 vẫn chưa thể tính được (hiển thị NaN) Vì vậy thời điểm này chưa kết luận được gì

Biểu diễn đồ thị kích thích sóng xung tại biến có giá trị như đã cho

Biểu diễn đồ thị kích thích sóng sine tại biến có giá trị như đã cho

Khi thay đổi giá trị M cho bằng giá trị ban đầu đã cho thì trên đồ thị bên phải xuất hiện thêm đường biểu diễn màu xanh dương, và đây là đường của giá trị z2’’ cần so sánh điều kiện

Ngoài ra trong đồ thị cũng xuất hiện thêm đường biểu diễn màu xanh lá z2, nhưng trong quá trình xét điều kiện chỉ cần z2’’, nên đường biêu diễn này sẽ không cần quan tâm ở đây 2 ô z1

và z2 do thay đổi giá trị M trên thanh trượt đã sinh kết quả Nhìn chung ở cả 2 dạng sóng thì đường z2’’ đều có biên độ vượt 2.5m/s2 (giá trị điều kiện để đảm bảo mức êm dịu vừa phải) trên khắp miền thời gian Như vậy với M=3356kg như đã cho ban đầu thì độ êm dịu cần thiết trên xe sẽ không được đảm bảo

Tiếp tục tăng dần giá trị biến M trên thanh trượt (với thanh trượt lấy giá trị giả sử tối đa là 100000kg) thì nhận thấy M càng tăng cao thì biên độ của đường z2’’ càng giảm, nghĩa là độ

êm dịu càng tăng lên

Biểu diễn đồ thị kích thích sóng xung tại biến có giá trị nhất định thỏa điều kiện

Biểu diễn đồ thị kích thích sóng sine tại biến có giá trị nhất định thỏa điều kiện

Khi di chuyển thanh trượt M đến giá trị 40000kg thì trên cả 2 sóng đồ thị bắt đầu cho biên độ thể hiện sự êm dịu (nghĩa là z2’’ lọt vào khoảng biên độ 2.5m/s2 trong đồ thị sine) trên khắp miền thời gian

Càng kéo giá trị M lên cao thì độ êm dịu càng gia tăng (nghĩa là biên độ z2’’ càng giảm) Kết luận, với các thông số đã cho ban đầu được dùng, khi thay đổi biến tự do là M thì từ khoảng M=40000kg trở lên xe sẽ đảm bảo sự êm dịu trong di chuyển

CHƯƠNG III THIẾT LẬP HÀM TRUYỀN VÀ DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍN TẦN SỐ

BIÊN ĐỘ

1 Thiết lập hàm truyền

Sau khi đã thiết lập sự ràng buộc lẫn nhau giữa các thông số và dựng đường biểu diễn qua sơ đồ mạch trong Labview, việc tiếp theo cần làm là dựng thiết lập hàm truyền để thể hiện các ràng buộc trên qua mặt số học để từ đó cơ sở tính toán dao động và rung lắc trên xe và xây dựng đồ thị cho việc đó

Hàm truyền được lập từ việc lập nên hệ phương trình như sau:

{ 𝑧2(𝑝) ∗ (𝑀 ∗ 𝑝2+ 𝑘2∗ 𝑝 + 𝑐2) − 𝑧1(𝑝) ∗ (𝑘2∗ 𝑝 + 𝑐2) = 0 (𝟏)

−𝑧2 (𝑝) ∗ (𝑐2+ 𝑘2∗ 𝑝) + 𝑧1(𝑝) ∗ (𝑚 ∗ 𝑝2+ 𝑘2∗ 𝑝 + 𝑐2+ 𝑐1+ 𝑝 ∗ 𝑘1) = (𝑐1+ 𝑘1∗ 𝑝) ∗ 𝑧0(𝑝) (𝟐)(∗) Trong đó toán tử 𝑝 = 𝑑

𝑑𝑡= 𝑗 ∗ 𝜔 được xem là biến cho (*)

Đồng thời từ các z trong (1) biết được: z2=z2(p); z2’=p* z2(p); z2’’=p2* z2(p)

 𝑧2(𝑝) ∗ (𝑀 ∗ 𝑝2 + 𝑘2∗ 𝑝 + 𝑐2) ∗ (𝑚 ∗ 𝑝2 + 𝑘2∗ 𝑝 + 𝑐2+ 𝑐1+ 𝑝 ∗ 𝑘1) − 𝑧2 (𝑝) ∗ (𝑐2+ 𝑘2∗ 𝑝) ∗(𝑐2+ 𝑘2∗ 𝑝) = (𝑐2+ 𝑘2∗ 𝑝) ∗ (𝑐1+ 𝑘1∗ 𝑝) ∗ 𝑧0(𝑝)

Thông qua phần mềm Labview, đồ thị tần số biên độ được thiết kế qua sơ đồ mạch kèm theo giải thích như sau:

Sơ đồ mạch biểu diễn đồ thị tần số biên độ trong Labview

Các thông số đã biết (bao gồm cả biến) được chuyển đổi thành các thanh trượt giá trị để có thể lượng giá đường biểu diễn tần số biên độ cho hệ thống treo nhằm cho ra bộ số liệu tốt nhất phục

vụ việc thiết kế một hệ thống treo trên xe phù hợp

Như minh họa ở trên, các biến (variable) đều tham gia làm nguyên liệu (input) cho công cụ thiết lập quan hệ số (formula) trong vòng lặp điều kiện (for loop) với số vòng lặp (N) là =100 để ra kết quả là biểu đồ biên độ tần số (waveform graph) nằm bên ngoài vùng vòng lặp bằng hàm truyền tương ứng như đã giải ở trên

Quan hệ số giữa các biến trong công cụ công thức được nhập từ hàm truyền ở trên như sau:

Hàm truyền trong Configure Formula thể hiện mối quan hệ giữa các giá trị

Với mối quan hệ số trong công cụ formula, đồ thị tần số biên độ khi xuất ra sẽ thay đổi dựa theo sự thay đổi của các tham số thành phần

Trong màn hình Front Panel, các tham số được trình bày dưới dạng các thanh trượt để điều khiển đồ thị tần số biên độ như sau:

Màn hình Labview thể hiện đồ thị theo các thanh trượt tham số

Đồ thị này mô phỏng quá trình giựt nảy của xe trong quá trình di chuyển Nó sẽ được điều chỉnh trên cơ sở các tham số thay đổi với lượng không quá 50% so với giá trị ban đầu do

GVHD cung cấp

Biểu diễn lại các giá trị ban đầu, đồ thị tần số biên độ nhìn như sau:

Đồ thị tần số biên độ với bộ số liệu ban đầu được cấp

Với bộ số liệu ban đầu được cấp bởi GVHD, đồ thị tần số biên độ không cho ra kết quả mong muốn vì đường biểu diễn cho thấy biên độ giựt nảy của xe tăng dần theo thời gian, nghĩa là xe càng lúc càng rung lắc nhiều trong quá trình di chuyển

Để hiểu rõ khái niệm về đồ thị, một ví dụ lý tưởng được cung cấp như sau để có thể biết điều kiện cần thiết cho đồ thị tấn số biên độ:

Đồ thị tần số biên độ lý tưởng

Trong đồ thị lý tưởng này, chỉ có một đỉnh cực đại ở đầu miền thời gian, sau đó không còn xảy

ra một biến động nào trong tung độ đồ thị nữa Điều này thể hiện khi xe di chuyển qua một gò đất hay ổ dằn, xe chỉ phải chịu dao động tại thời điểm xe di chuyển qua nó (đầu miền thời gian xét) và sau đó không phải chịu thêm dao động nữa Thời điểm xảy ra dao động lý tưởng khi xe

di chuyển qua chướng ngại vật là trong khoảng thời gian 2.5s (thể hiện trên trục time) đổ lại Sau khi tìm hiểu và quan sát mối quan hệ các tham số trong hàm truyền và đồ thị tần số biên

độ, kết luận sau được rút ra:

• M làm thay đổi tung độ đỉnh cực đại và thời điểm xảy ra giựt nảy M càng cao thì tung

độ đỉnh càng thấp và thời điểm xảy ra giựt nảy càng sớm

• m làm thay đổi biên độ và thời điểm xảy ra giựt nảy sau khi M giựt nảy trước khi xe lấy lại ổn định trong chuyển động, dẫn đến thay đổi biên độ dao động ổn đinh m càng cao thì thời điểm xảy ra điểm giựt nảy sau càng sát với thời điểm giựt nảy của M, và biên

độ của điểm giựt nảy này càng thấp

• k1 làm thay đổi biên độ của khoảng dao động ổn định sau khi m giựt nảy k1 càng cao thì biên độ này càng cao

• k2 làm thay đổi khoảng thời gian giựt nảy m chuyển sang dao động bởi k1 k2 càng cao thì dư âm của giựt nảy m càng lâu

• c1 làm thay đổi chủ yếu tung độ giựt nảy M cùng với sự chuyển tiếp giữa giựt nảy M và giựt nảy m, và một phần thay đổi thời điểm xảy ra giựt nảy M c1 càng cao thì tung độ giựt nảy M càng cao, dẫn đến thời điểm xảy ra giựt nảy này càng trễ, và chuyển tiếp giữa giựt nảy M và giựt nảy m càng lâu

• c2 làm thay đổi tung độ giựt nảy M trong khoảng thời gian trước giựt nảy m c2 càng cao thì đỉnh giựt nảy M càng cao

Từ cơ sở trên, đồ thị tần số biên độ tiến gần đến đồ thị lý tưởng (nghĩa là xe ổn định khi di chuyển qua chướng ngại vật) khi M tăng, m tăng, k1 giảm, k2 giảm, c1 giảm, và c2 tăng

Áp dụng khoảng thay đổi 50% giá trị đầu được đề xuất bởi GVHD, các tham số ban đầu thay đổi và chọn lại như sau:

𝑀′ = 𝑀 + 50%𝑀 = 3356 +3356

2 = 5034𝑘𝑔 → 5100𝑘𝑔 𝑚′ = 𝑚 + 50%𝑚 = 1038 +1038

2 = 1557𝑘𝑔 → 1600𝑘𝑔 𝑘1′ = 𝑘1 − 50%𝑘1 = 41393 −41393

2 = 20696.5 → 20500𝑁/𝑚 𝑘2′ = 𝑘2 − 50%𝑘2 = 44980 −44980

2 = 22490 → 22000𝑁/𝑚 𝑐1′ = 𝑐1 − 50%𝑐1 = 242399 −242399

2 = 121199.5 → 121100𝑁 𝑠/𝑚 𝑐2′ = 𝑐2 + 50%𝑐2 = 47672 +47672

2 = 71508 → 72000𝑁 𝑠/𝑚

Áp dụng các số liệu đã được chọn lại như trên vào các thanh trượt giá trị trong Labview thu được đồ thị tần số biên độ như sau:

Đồ thị tần số biên độ sau khi thử lại số

Với bộ số liệu mới, đồ thị hiển thị ra chưa đạt điều kiện thỏa mãn cho một hệ thống treo lý tưởng trên xe

3 Thử lại trong đồ thị kích thích ban đầu