luận văn ứng dụng simulink khảo sát dao động của phần tử cơ cấu treo ô tô

Bên cạnh quá trình thiết kế, để đánh giá hệ thống treo thì việc đánh giá chất lượng dao động của hệ thống treo cũng góp phần không nhỏ trong quá trình kiểm định thiết kế cũng như đánh gi

- - -   

-Luận Văn

Ứng dụng Simulink khảo sát dao động của phần tử

cơ cấu treo ô tô

LỜI NÓI ĐẦU

Ô tô là phương tiện vận tải có vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, có tính cơ động cao, được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực dân sự cũng như quốc phòng Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, nền công nghiệp ô tô trên thế giới phát triển ngày càng cao, cho ra đời nhiều loại xe hiện đại và tiện nghi Việc thiết kế các hệ thống, cụm chi tiết trên ôtô, đánh giá chất lượng làm việc của chúng ngày càng được quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng của ôtô.

Hệ thống treo trên ôtô rất đa dạng và có vai trò hết sức quan trọng, nó góp phần nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động của ôtô Bên cạnh quá trình thiết kế, để đánh giá hệ thống treo thì việc đánh giá chất lượng dao động của hệ thống treo cũng góp phần không nhỏ trong quá trình kiểm định thiết kế cũng như đánh giá sự phù hợp giữa thông số cơ bản, thông số kết cấu và điều kiện chuyển động thực tế của ôtô trên đường.

Hiện nay phương pháp mô phỏng số đang được sử dụng rộng rãi để nghiên

cứu các cơ hệ đặc biệt là hệ dao động của ô tô Thực tế đã cho thấy

Matlab-Simulink là một trong những phần mềm có khả năng ứng dụng rất cao trong việc

giải các bài toán kỹ thuật bằng cách lập trình, xử lý số và đồ hoạ để mô phỏng, phân tích một hệ thống động học, giải các bài toán vi phân và phương trình bậc cao

Xuất phát từ những yêu cầu trên, em đã lựa chọn đề tài: “Ứng dụng

Simulink khảo sát dao động của phần tử cơ cấu treo ô tô” Đề tài đã tập trung

vào tìm hiểu hệ thống treo cho xe du lịch và sử dụng phần mềm Matlab-Simulink 7.0 để nghiên cứu mô phỏng hệ dao động của xe

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Ngọc Quế cùng các thầy cô trong bộ môn Động Lực, khoa Cơ Điện, Đại học Nông Nghiệp

Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ cho em trong quá trình thực hiện và hoàn thành đồ án này.

Em xin trân trọng cảm ơn !

Sinh viên: Nguyễn Tiến Dũng

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 4

TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.1.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.1.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài 4

1.2 Tổng quan về hệ thống treo 4

1.2.1 Công dụng và yêu cầu của hệ thống treo 5

1.2.2 Các bộ phận chính của hệ thống treo 5

1.2.2.1 Bộ phận đàn hồi 6

a Nhíp lá: 6

b Thanh xoắn: 7

c Lò xo: 7

d Phần tử đàn hồi loại khí: 8

1.2.2.2 Bộ phận giảm chấn: 9

a Giảm chấn hai lớp vỏ: 10

b Giảm chấn một lớp vỏ: 11

e Ống nhún Vario: 13

f Ống nhún loại 2 ống với hơi áp lực 13

-g Ống nhún hơi

h Ống nhún Khí Thủy lực : 15

1.2.2.3 Thanh ổn định và các đòn dẫn hướng 16

1.2.2.4 Các chi tiết phụ 17

1.2.3 Phân loại hệ thống treo 18

1.2.3.1 Hệ thống treo phụ thuộc: 19

1.2.3.2 Hệ thống treo độc lập: 20

a Dạng treo 2 đòn ngang: 20

b Dạng treo Mc.Pherson: 21

c Hệ treo 2 đòn dọc: 22

d Hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết: 23

e Hệ treo đòn chéo: 24

CHƯƠNG 2 26

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Nội dung nghiên cứu 26

2.1.1 Nghiên cứu hệ dao động một phần tử khối lượng 26

2.1.2 Nghiên cứu hệ dao động hai phần tử khối lượng 26

2.1.3 Khảo sát dao động của ô tô thông qua mô hình dao động liên kết 26

2.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 26

2.3 Các chỉ tiêu và mô hình nghiên cứu dao động ô tô 27

2.3.1 Các chỉ tiêu đánh giá độ dao động 27

2.3.1.1 Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động: 28

a.Chỉ tiêu về tần số: 29

b.Chỉ tiêu về gia tốc dao động 29

2.3.1.2.Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền đường 29

2.3.3 Mô hình dao động 31

a Mô hình ¼ : 31

b Mô hình dao động liên kết : 32

c Mô hình 1/2 33

d Mô hình không gian xe con 33

2.3.4 Hàm kích động 34

CHƯƠNG 3 36

ỨNG DỤNG SIMULINK MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG 36

CỦA PHẦN TỬ KHỐI LƯỢNG CỦA CƠ CẤU TREO 36

3.1 Giới thiệu phần mền MatlabSimulink 7.0 36

3.1.1 Các khối chức năng có sẵn thường dùng trong phần mềm MatlabSimulink 39

Thư viện Commomly used blocks: 39

Thư viện Continuous 44

Thư viện Discrete 45

Thư viện Discontinuities 47

Thư viện Math Operations 49

Thư viện Ports & Subsystems 51

Thư viện Sources 53

Thư viện Sinks 55

Thư viện Signal Routing 56

Thư viện UserDefined Functions 57

Thư viện LookUp Tables 58

3.1.2 Tạo mới một khối để mô phỏng trong Matlab Simulink 59

3.1.3 Mô phỏng một khối trong Matlab Simulink 61

3.1.4 Ứng dụng của Matlab Simulink 63

3.2 Mô hình dao động 63

3.2.1 Các giả thiết 63

3.2.2 Thiết lập mô hình 64

3.2.2.1 Mô hình dao động một phần tử khối lượng 64

3.2.2.2 Mô hình dao động hai phần tử 65

3.2.2.3 Mô hình dao động liên kết 67

3.3 Một số kết quả khảo sát mô hình 72

3.3.1 Khảo sát đặc tính dao động của phần tử của hệ thống treo 72

3.3.2 Khảo sát đặc tính dao động của hệ hai phần tử trong cơ cấu treo 74

-3.3.3 Khảo sát đặc tính dao động của phần tử của hệ thống treo trong mô hình dao động liên kết 75

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 80 4.1.Kết luận chung - 80 -

4.2 Hướng phát triển của đề tài 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

-CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.1.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống treo dùng trên xe hai cầu mà chủ yếu

là hệ thống treo có bộ phận đàn hồi là lò xo xoắn trụ hoặc nhíp lá và bộ phậngiảm chấn kiểu ống thủy lực Trên cơ xở ứng dụng MATLAB SIMULINK

mô phỏng dao động của phần tử của hệ thống treo để khảo sát sự ảnh hưởngcủa các thông số đặc trưng về kết cấu như độ nhớt của dầu thông qua hệ sốcản c, độ cứng của lò xo k đến biên độ dao động cực đại, gia tốc cực đại, thờigian ổn định của hệ…ngoài ra cũng có thể khảo sát ảnh hưởng của điều kiệnchuyển động thông qua việc thay đổi tần số và biên độ kích thích đầu vào.Mặt khác đề tài cũng khảo sát mô hình dao động liên kết thông qua mô hìnhphẳng nhằm khảo sát ảnh hưởng của đường và phân bổ tải trọng của xe

1.1.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài đã giải quyết những vấn đề sau :

Tìm hiểu Simulink toolbox trong Matlab

Mô phỏng dao động của phần tử khối lượng bằng Matlab SimulinkChạy mô phỏng đưa ra kết quả và kết luận

1.2 Tổng quan về hệ thống treo

Hình1.1-Hệ thống treo và bố trí chung trên xe

1.2.1 Công dụng và yêu cầu của hệ thống treo

Hệ thống treo ở đây được hiểu là hệ thống liên kết mềm giữa bánh xe

và khung xe hoặc vỏ xe Mối liên kết treo của xe là mối liên kết đàn hồi cóchức năng chính sau đây:

+ Tạo điều kiện cho bánh xe thực hiện chuyển động tương đối theophương thẳng đứng đối với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động “êmdịu”, hạn chế tới mức có thể chấp nhận được những chuyển động khôngmuốn có khác của bánh xe như lắc ngang, lắc dọc

+ Truyền lực giữa bánh xe và khung xe bao gồm lực thẳng đứng, lựcdọc và lực bên

Trên hệ thống treo, sự liên kết giữa bánh xe và khung vỏ cần thiết phảimềm nhưng cũng phải đủ khả năng để truyền lực, quan hệ này được thể hiện

ở các yêu cầu chính sau đây:

+ Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹthuật của xe (xe chạy trên đường tốt hay xe chạy trên các loại đường khácnhau, hay đường đồi núi, xe du lịch hay chở hàng, chở vật liệu…)

+ Bánh xe có thể chuyển dịch trong một giới hạn nhất định

+ Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý thoả mãn mục đích chínhcủa hệ thống treo là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng không pháhỏng các quan hệ động học và động lực học của chuyển động bánh xe

+ Không gây nên tải trọng lớn tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ.+ Có độ tin cậy lớn, độ bền cao và không gặp hư hỏng bất thường.+ Giá thành thấp và độ phức tạp của hệ thống treo không quá lớn.+ Có khả năng chống rung và chống ồn truyền từ bánh xe lên khung,

vỏ xe tốt

+ Đảm bảo tính ổn định và tính điều khiển chuyển động của ô tô ở tốc

độ cao, ô tô điều khiển nhẹ nhàng

1.2.2 Các bộ phận chính của hệ thống treo

Hình 1.2- Cơ cấu treo trước và các bộ phận chính

Bộ phận đàn hồi có các phần tử đàn hồi thường gặp là:

a Nhíp lá

Hình 1.3- Cơ cấu treo phụ thuộc dùng nhíp lá

Bó nhíp được làm từ các lá thép cong, gọi là lá nhíp, sắp xếp lại vớinhau theo thứ tự từ ngắn đến dài Đặc tính làm việc của nhíp là khi tải trọngtác dụng lên nhíp tăng thì biến dạng của nhíp cũng tăng theo quy luật tuyếntính

Trong hệ thống treo nó không chỉ có nhiệm vụ làm êm dịu chuyểnđộng mà còn đồng thời làm nhiệm vụ của bộ phận dẫn hướng và ma sát giữacác lá nhíp góp phần làm tắt dao động.

Ưu điểm của kiểu treo này là không cần thanh ổn định, đơn giản rẻtiền, dễ chăm sóc bảo dưỡng nhưng lại có nhược điểm là khối lượng lớn,thùng xe ở trên cao nên chiều cao trọng tâm xe sẽ lớn ảnh hưởng đến tốc độ

và sự ổn định khi xe chuyển động, mặt khác vết bánh sẽ thay đổi khi mộtbánh bị nâng lên làm phát sinh lực ngang và tính chất bám đường kém và dễ

bị trượt ngang

b Thanh xoắn

Thanh xoắn là một thanh bằng thép lò xo, dùng tính đàn hồi xoắn của

nó để cản lại sự dao động Một đầu thanh xoắn được ngàm vào khung haymột dầm nào đó của xe, đầu kia gắn vào kết cấu chịu tải xoắn của hệ thốngtreo Trên một số ô tô để dành chỗ cho việc lắp bán trục cầu chủ động người

ta dùng thanh xoắn thường được gây tải trước (có ứng suất dư) do đó nó chỉthích hợp cho một chiều làm việc Trên các thanh xoắn ở hai phía đều phảiđánh dấu để tránh nhầm lẫn khi lắp ráp

Sử dụng thanh xoắn có các đặc điểm sau:

+ Chiếm ít không gian, có thể bố trí để điều chỉnh chiều cao thân xe.+ Trọng lượng nhỏ, Đơn giản, gọn, giá thành rẻ và dễ chế tạo

+ Thanh xoắn không có nội ma sát nên thường phải lắp kèm giảmchấn để dập tắt nhanh dao động

Trên xe con và xe minibus bộ phận đàn hồi là thanh xoắn được sử dụngphổ biến chỉ sau lò xo

Lò xo có các đặc điểm chính sau:

 Ưu điểm

- Kết cấu rất gọn gàng nhất là khi được bố trí lồng vào giảm chấn

- Nếu cùng độ cứng và độ bền với nhíp thì lò xo trụ có khối lượng nhỏhơn nhíp và tuổi thọ cao hơn nhíp, kết cấu gọn nên tiết kiệm không gian vàcho phép hạ thấp trọng tâm xe nhằm nâng cao tốc độ

Hình 1.3 Cấu tạo một số dạng lò xo.

d Phần tử đàn hồi loại khí

Hình 1.4-bộ phận đàn hồi loại khí

Phần tử đàn hồi sử dụng đệm khí dựa trên nguyên tắc không khí cótính đàn hồi khi bị nén Hệ thống treo loại khí được sử dụng tốt ở các ôtô cótrọng lượng phần lớn được thay đổi khá lớn như ở ôtô trở khách, ô tô vận tải

và đoàn xe Loại này có thể tự động thay đổi độ cứng của hệ thống treo bằngcách thay đổi áp suất không khí bên trong phần tử đàn hồi Giảm độ cứngcủa hệ thống treo sẽ làm cho độ êm dịu chuyển động tốt hơn

Hệ thống treo khí không có ma sát trong phần tử đàn hồi, trọng lượngnhỏ và giảm được chấn động cũng như giảm được tiếng ồn từ bánh xe truyềnlên buồng lái và hành khách Nhưng hệ thống này có kết cấu phức tạp hơn vìphải có bộ phận dẫn hướng riêng và trang thiết bị cung cấp khí, bộ điềuchỉnh áp suất, lọc, các van v v điều chỉnh độ cứng một cách chủ động

Hình 1.5-Hệ thống treo có bộ phận đàn hồi loại túi khí cao su (airbag suspension)

Hiện nay bộ phận đàn hồi được làm có xu hướng “mềm mại” hơnnhằm tạo điều kiện cho bánh xe lăn “êm” trên mặt đường Đồng thời người

ta dùng các bộ phận đàn hồi có khả năng thay đổi độ cứng trong một giớihạn rộng Khi xe chạy ít tải, độ cứng cần thiết có giá trị nhỏ, khi tăng tải thì

độ cứng cần phải có giá trị lớn Chính vì vậy mà cần phải có thêm các bộphận đàn hồi phụ như: nhíp phụ, vấu tỳ bằng cao su biến dạng, đặc biệt là

các bộ phận đàn hồi có khả năng thay đổi tự động độ cứng theo tải trọng kếthợp với các bộ phận thay đổi chiều cao trọng tâm của xe.

1.2.2.2 Bộ phận giảm chấn

Trên xe ôtô giảm chấn được sử dụng với các mục đích sau:

+ Giảm và dập tắt các va đập truyền lên khung khi bánh xe lăn trênnền đường không bằng phẳng nhằm bảo vệ được bộ phận đàn hồi và tăngtính tiện nghi cho người sử dụng

+ Đảm bảo dao động của phần không treo (unsprung) ở mức độ nhỏnhất, nhằm làm tốt sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường đảm bảo tính nănglái và tăng tốc cũng như chuyển động an toàn

+ Nâng cao các tính chất chuyển động của xe như khả năng tăng tốc,khả năng an toàn khi chuyển động

Để dập tắt các dao động của xe khi chuyển động giảm chấn sẽ biến đổi

cơ năng thành nhiệt năng nhờ ma sát giữa chất lỏng và các van tiết lưu Trên ôtô hiện nay chủ yếu sử dụng là giảm chấn ống thuỷ lực có tácdụng hai chiều ở cấu trúc hai lớp

a Giảm chấn hai lớp vỏ

Giảm chấn hai lớp vỏ ra đời vào năm 1938, đây là một loại giảm chấnquen thuộc và được dùng phổ biến cho đến nay Trong giảm chấn, piston dichuyển trong xy lanh chứa đầy dầu, chia không gian trong thành hai buồng A

và B ở đuôi của xy lanh thuỷ lực có một cụm van bù Bao ngoài vỏ trong làmột lớp vỏ ngoài, không gian giữa hai lớp vỏ là buồng bù thể tích chất lỏng

và liên hệ với B qua các cụm van một chiều (III, IV) Buồng C được gọi làbuồng bù chất lỏng, trong C chỉ điền đầy một nửa bên trong là chất lỏng,không gian còn lại chứa không khí có áp suất bằng áp suất khí quyển

Các van (I) và (IV) lần lượt là các van nén mạnh và nén nhẹ, còn cácvan (II) và (III) lần lượt là các van trả mạnh và trả nhẹ của giảm chấn

Giảm chấn hai lớp vỏ có cấu tạo như sau:

ở hành trình trả bánh xe đi xa khung xe, thể tích buồng B tăng do đó

áp suất giảm, chất lỏng qua van (II, III) vào B, không khí ở buồng bù giãn ra,đẩy chất lỏng nhanh chóng điền đầy vào khoang B

Trong quá trình làm việc của giảm chấn để tránh bó cứng bao giờcũng có các lỗ van lưu thông thường xuyên Cấu trúc của nó tuỳ thuộc vàokết cấu cụ thể Van trả, van nén của hai cụm van nằm ở piston và xylanhtrong cụm van bù có kết cấu mở theo hai chế độ, hoặc các lỗ van riêng biệt

để tạo nên lực cản giảm chấn tương ứng khi nén mạnh, nén nhẹ, trả mạnh, trảnhẹ

Khi chất lỏng chảy qua lỗ van có tiết diện rất nhỏ tạo nên lực ma sátlàm cho nóng giảm chấn lên Nhiệt sinh ra truyền qua vỏ ngoài (8) và truyềnvào không khí để cân bằng năng lượng

+ Ưu điểm của giảm chấn hai lớp có độ bền cao, giá thành hạ làm việctin cậy ở cả hai hành trình, trọng lượng nhẹ

+ Nhược điểm là khi làm việc ở tần số cao có thể xảy ra hiện tượngkhông khí lẫn vào chất lỏng làm giảm hiệu quả của giảm chấn Hơn nữa việclắp đòi hỏi chính xác, tản nhiệt chậm hơn…

Khi piston dịch chuyển xuống dưới tạo nên sự chênh áp, dẫn đến mởvan 1, chất lỏng chảy nên phía trên của piston Khi piston đi lên làm mở van

7, chất lỏng chảy xuống khoang dưới piston, áp suất trong giảm chấn sẽ thayđổi không lớn và dao động xung quanh vị trí cân bằng với giá trị áp suất tĩnhnạp ban đầu, nhờ vậy mà tránh được hiện tượng tạo bọt khí, là một trạng tháikhông an toàn cho sự làm việc của giảm chấn Trong quá trình làm việc do

áp lực dầu chỉ có thể nén lên khí mà piston ngăn cách 4 di chuyển để tạo nên

sự cân bằng giữa chất lỏng và chất khí do đó áp suất không bị hạ xuống dướigiá trị nguy hiểm

Giảm chấn này có độ nhạy cao kể cả khi piston dịch chuyển rất nhỏ,tránh được hiện tượng cưỡng bức chảy dầu khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm cho

áp suất thay đổi

* So sánh giữa hai loại giảm chấn

Hình 1.8- Cấu tạo giảm chấn 2 lớp vỏ (a) và giảm chấn 1 lớp vỏ (b)

So sánh với loại giảm chấn hai lớp vỏ, giảm chấn một lớp vỏ có các

ưu điểm sau:

+ Khi có cùng đường kính ngoài, đường kính của cần piston có thểlàm lớn hơn mà sự biến động tương đối của áp suất chất lỏng sẽ nhỏ hơn

+ Điều kiện toả nhiệt tốt hơn do không có “áo dầu”

+ Giảm chấn có piston ngăn cách có thể làm việc ở bất kỳ góc nghiêng

bố trí nào

+ Cùng một tác động bên ngoài thì nó dập tắt dao động nhanh hơn

- Nhược điểm của loại giảm chấn một lớp vỏ là:

+ Làm việc kém tin cậy, có thể bị bó kẹt trong các hành trình nén hoặctrả mạnh

+ Chế tạo phức tạp và giá thành đắt hơn

e Ống nhún Vario

Với một kết cấu có nét tương tự như ống nhún loại hai ống, Ống nhún Vario nổi lên đặc điểm là thích nghi nghi được với tình trạng dằng xóc khác nhau để có thể thay đổi đặc tính giảm chấn :

Hình 1.9- Ống nhún vario

Khi xe có tải trọng nhẹ, vị trí của Piston nằm ở vùng trên của ống dầu,nơi đó được thiết kế những khe nhỏ bên vách để tạo điều kiện cho dầu dichuyển xuống vùng dưới một cách tương đối dễ dàng, trở lực trên Pistongiảm nhỏ, hiệu ứng giảm chấn vì vậy cũng thấp Khi xe chở nặng, vị trí cânbằng của Piston chìm xuống thấp, khi đó dầu từ ngăn trên không dễ dàngtràn xuống ngăn dưới và ngược lại như trường hợp trên, chúng bắt buộc phảichạy qua van tiết lưu trên piston chứ không có khe hở bên hông Piston đểlưu thông nữa Trở lực chuyển động trên làm tăng khả năng dập tắt giaođộng của của ống nhún, phần dầu dư do áp lực cao cũng được dẫn qua vandưới đáy để vô khoang bù trừ như các truờng hợp trên

f Ống nhún loại 2 ống với hơi áp lực

Hình 1.10- loại 2 ống với hơi áp lực(a) và loại hơi (b)

Loại ống nhún Dầu-Khí kết hợp hoạt động theo nguyên tắc kết hợptính ưu việt của loại hai ống và loại một ống ở trên Điểm cần lưu ý của loạinày là trong trạng thái đứng yên của xe thì phần dưới ống nhún không phải

chứa đầy dầu, mà 1/3 thể tích trong đó là khí nén (6-7bar) Như vậy, quá

trình nhún và giãn bao giờ cũng có sự hỗ trợ đàn hồi của buồng khí, lưuchuyển từ ngăn trên xuống dưới và ngược lại và như đã trình bày ở các loạitrên, sự tham gia đàn hồi ngược chiều của các lớp khí giúp cho việc dập tắtdao động nhanh chóng hơn, loại ống nhún này đặc biệt thích hợp cho cáclọai xe đi địa hình xấu, rung xóc tần số cao, mạnh và đột ngột Với yêu cầu chế tạo chính xác cao, đòi hỏi kiểm tra bảo dưỡng gắt gao,loại ống giảm chấn trên chỉ dùng cho những xe có yêu cầu đặc biệt, đôi khicũng được sử dụng trong bộ bánh xe hạ cánh của những máy bay cánh quạtthể thao loại nhỏ

mà độ đàn hồi của lò xo khí thay đổi được, tạo ra sự chủ động trong việc thay đổi khoảng làm việc cũng như hiệu quả tôt nhất cho cả bộ Giảm xóc-Khử dao động Tuy nhiên, lò xo khí thường được kết hợp thêm một lò xo cơ khí khác nhằm mục đích giới hạn việc hoạt động của lò xo khí trong phạm viđiều chỉnh độ cao gầm xe cũng như tăng giảm hệ số đàn hồi khi xe có tải trọng thay đổi lớn chứ không đảm đương hoàn toàn tải trọng của xe

Bất tiện là loại ống hơi này chỉ hoạt động khi máy đã nổ, nếu vô ý tắt máy ở những chỗ có gờ cao thì đôi khi xe hạ xuống làm hư hại vỏ xe, do đó người ta đã phải lắp thêm bộ phận cảnh báo khi mở và tắt máy

h Ống nhún Khí- Thủy lực

Hình 1.11- ống nhún khí-thủy lực

Đây là tổng hợp của lò xo đàn hồi có giảm chấn cùng với lò xo khí thủy lực, trong hệ thống này, Piston của phần đàn hồi cũng như trục của nó đồng thời là trục của bộ giảm chấn Phần lò xo khí nằm trong một khối cầu bao bọc bởi một màng cao su đặc biệt Phần tích trữ khí cùng với không gianmặt trên của Piston được nối với nhau bởi 1 đường ống thủy lực

Khi ống nhún và lò xo bị đè xuống, dầu bị ép chạy theo ống nối chạy sang buồng khí nén, khí bị nén mạnh, tăng áp suất làm tăng thêm sức đàn hồicủa lò xo khí, lò xo này cùng với lò xo kim loại tác động trực tiếp lên khung

xe, tạo sức đàn hồi tổng hợp thay đổi được theo tải trọng Không những thế, trên đường ống dẫn dầu và khí về để ép túi khí, người ta còn bố trí thêm van điều khiển nhằm chủ động thay đổi mức tác động của dầu và khí nén lên túi khí, đưa đến việc thay đổi độ cứng đàn hồi tổng hợp của cả hệ thống nhún Cũng nhờ cơ chế hồi tiếp như vậy, mà khỏang cách giữa trục bánh xe và khung xe gần như được giữ nguyên bất chấp tải trọng, khi xe nặng dầu ép mạnh làm túi khí đội lên mạnh hơn, khi xe nhẹ áp lực dầu giảm túi khí mềm đi giảm bớt tác động lên khung xe Tài xế có thể tự điều chỉnh van

điều khiển cho phù hợp tình trạng tải trọng và đường xá

Loại ống nhún giảm chấn trên đây giá thành cao, vận hành phức tạp, lạithêm hệ thống nén khí cao áp rất đắt đỏ, nên hầu như không được phổ biến

1.2.2.3 Thanh ổn định và các đòn dẫn hướng

Hình 1.12- Thanh ổn định trong cơ cấu treo

Trên các loại xe con ngày nay thanh ổn định hầu như đều có Trongtrường hợp xe chạy trên nền đường không bằng phẳng hoặc quay vòng, dướitác dụng của lực li tâm phản lực thẳng đứng của 2 bánh xe trên một cầu thayđổi sẽ làm cho tăng độ nghiêng thùng xe và làm giảm khả năng truyền lựcdọc, lực bên của bánh xe với mặt đường Thanh ổn định có tác dụng khi xuấthiện sự chênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên bánh xe nhằm san bớt tảitrọng từ bên cầu chịu tải nhiều sang bên cầu chịu tải ít hơn Cấu tạo chungcủa nó có dạng chữ U, một đầu chữ U được nối với phần không được treo,còn đâu kia được nối với thân vỏ xe, các đầu nối này dùng ổ đỡ bằng cao su

Bộ phận dẫn hướng có nhiệm vụ truyền các lực dọc, lực ngang và các mômen từ bánh xe lên khung hoặc thân xe Nó có thể có những chi tiết khác nhau tùy thuộc hệ thống treo phụ thuộc hay độc lập, phần tử đàn hồi là nhíp, lò xo hay thanh xoắn Quan hệ của bánh xe với khung xe khi thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng được gọi là quan hệ động học Khả năng truyền lực ở mỗi vị trí được gọi là quan hệ động lực học của hệ treo

Hình1.13- Các đòn liên kết và dẫn hướng, kết cấu lắp giáp cụm treo độc lập

1.2.2.4 Các chi tiết phụ

Trên xe con các vấu cao su thường được đặt kết hợp trong vỏ của giảmchấn vừa tăng cứng vừa hạn chế hành trình của piston nhằm hạn chế hànhtrình làm việc của bánh xe Ngoài ra còn có đệm cao su cũng có tác dụnggiảm chấn Vấu cao su có những ưu điểm sau:

+ Có thể được làm dưới mọi hình dạng khác nhau

+ Không có tiếng ồn khi làm việc, không phải bôi trơn

Hình 1.14- Các đệm cao su

1.2.3 Phân loại hệ thống treo

Có nhiều cách phân loại hệ thông treo như:

- phân loại theo bộ phận đàn hồi chia ra: loại sử dụng bộ phận đàn hồibằng kim loại (nhíp lá, lò xo xoắn…); loại khí; loại thủy lực; cao su…

- phân loại theo sơ đồ bộ phận dẫn hướng chia ra: cơ cấu treo phụ thuộcvới cầu liền; loại độc lập với cầu cắt

- phân loại theo phương pháp dập tắt chấn động: loại dùng giảm chấnthủy lực; loại giảm chấn nhờ ma sát cơ (ma sát trong bộ phận đàn hồi hoặc

bộ phận dẫn hướng)

Nhưng khi phân loại người ta chủ yếu dựa vào sơ đồ bộ phận dẫnhướng và chia ra 2 nhóm chính là hệ thống treo độc lập và hệ thống treo phụthuộc:

Hình 1.15- Sơ đồ hệ thống treo a) Hệ thống treo phụ thuộc; b) Hệ thống treo độc lập.

1- Thùng xe; 2- Bộ phận đàn hồi; 3- Bộ phận giảm chấn;

4- Dầm cầu; 5 - Các đòn liên kết của hệ treo.

Đặc trưng của hệ thống treo phụ thuộc là các bánh xe lắp trên mộtdầm cầu cứng Trong trường hợp cầu xe là bị động thì dầm đó là một thanhthép định hình, còn trường hợp là cầu chủ động thì dầm là phần vỏ cầu trong

đó có một phần của hệ thống truyền lực

+ Trong hệ treo phụ thuộc có phần tử đàn hồi là nhíp thì nó vừa

là phần tử đàn hồi đồng thời làm luôn bộ phận dẫn hướng Vì nhíp làm bộphận hướng nên trong hệ treo này sẽ không cần đến các thanh giằng đểtruyền lực dọc hay lực ngang nữa

+ Đối với hệ treo phụ thuộc dùng lò xo xoắn thì phải dùng thêm haiđòn dọc dưới được nối với cầu và khung Để đảm bảo truyền được lực ngang

và ổn định vị trí khung xe so với cầu người ta cũng phải dùng thêm đòn chéomột đầu nối với cầu còn đầu kia nối với khung xe

- Hai bánh xe không lắp trên một dầm cứng mà là lắp trên loại cầu rời,

sự chuyển dịch của 2 bánh xe độc lập tương đối với nhau

- Khối lượng phần không được treo nhỏ nên mô men quán tính nhỏ,

do đó xe chuyển động êm dịu, khả năng bám đường cao

- Hệ treo này không cần dầm ngang (với kết cấu thân vỏ kiểu unibody)

nên khoảng không gian cho nó dịch chuyển chủ yếu là khoảng không gian 2bên sườn xe như vậy sẽ hạ thấp được trọng tâm của xe và sẽ nâng cao đượcvận tốc của xe

* Trong hệ thống treo độc lập còn được phân ra các loại sau :

a Dạng treo 2 đòn ngang

Cấu tạo của hệ treo 2 đòn ngang bao gồm 1 đòn ngang trên, một đònngang dưới Mỗi đòn không phải chỉ là 1 thanh mà thường có cấu tạo hìnhtam giác (chữ A) hoặc hình thang Cấu tạo như vậy cho phép các đòn nganglàm được chức năng của bộ phận hướng, kết cấu chắc chắn đảm bảo truyềnlực tốt

Hình 1.17- Sơ đồ nguyên lý của hệ treo 2 đòn ngang.

Các đầu trong được liên kết với khung, vỏ bằng khớp trụ Các đầungoài được liên kết bằng khớp cầu với đòn đứng để có thể xoay được Đònđứng có ổ bi lắp với trục bánh xe Bộ phận đàn hồi có thể nối giữa khung vớiđòn trên hoặc đòn dưới Giảm chấn cũng đặt giữa khung với đòn trên hoặcđòn dưới hoặc lồng bởi lò xo trụ cho gọn Hai bên bánh xe đều dùng hệ treonày và được đặt đối xứng qua mặt phẳng dọc giữa xe

b Dạng treo Mc.Pherson

Hệ treo này chính là biến thể của hệ treo 2 đòn ngang, ở đây đònngang chữ A phía trên thay bằng lò xo cùng ống nhún lồng nhau Chính nhờcấu trúc này mà ta có thể có được khoảng không gian phía trong xe rộng hơn

để bố trí hệ thống truyền lực hoặc khoang hành lý Giảm chấn đặt theophương thẳng đứng làm nhiệm vụ của trụ xoay đứng

Hình 1.18- Sơ đồ cấu tạo hệ treo Mc.Pherson.

Nếu ta so sánh với hệ treo 2 đòn ngang thì hệ treo Mc.Pherson kết cấu

ít chi tiết hơn, không chiếm nhiều khoảng không và có thể giảm nhẹ đượctrọng lượng kết cấu Nhưng nhược điểm chủ yếu của hệ treo Mc.Pherson là

do giảm chấn vừa phải làm chức năng của giảm chấn lại vừa làm nhiệm vụcủa trụ đứng cơ cấu lái nên trục giảm chấn chịu tải lớn nên giảm chấn cầnphải có độ cứng vững và độ bền cao hơn do đó kết cấu của giảm chấn phải

có những thay đổi cần thiết và cần thêm đòn dẫn hướng

Hình 1.19 - Mối quan hệ động học của hệ treo Mc.Pherson.

Trong hệ thống treo nói chung, và hệ treo của cầu dẫn hướng nói riêngcác góc đặt bánh xe có một ý nghĩa vô cùng quan trọng Chúng phải đảm bảocho việc điều khiển nhẹ nhàng, chính xác, không gây lực cản lớn cũng nhưlàm mòn lốp quá nhanh.

Trong quá trình chuyển động bánh xe luôn luôn dao động theo phươngthẳng đứng, sự dao động này kéo theo sự thay đổi góc nghiêng ngang củabánh xe, trụ xoay dẫn hướng và khoảng cách giữa hai vết bánh xe hình1.18a, góc nghiêng dọc của trụ xoay đứng hình 1.18-b và độ chụm trước củabánh xe hình 1.18-c Các quan hệ giữa các thông số đó phụ thuộc vào sựchuyển vị của bánh xe theo phương thẳng đứng khi gặp kích thích từ mặtđường hoặc khi phanh, cua, gia tốc đó là mối quan hệ động học của hệ treo

Đồng thời đòn dọc đòi hỏi cần phải có độ cứng vững lớn, nhằm mụcđích chịu được các lực dọc, lực bên và chịu mômen phanh lớn Do có kết cấunhư vậy, nên hệ treo này chiếm ít không gian và đơn giản về kết cấu, giá

thành hạ Hệ treo này thường được bố trí cho cầu sau bị động, khi máy đặt ởphía trước, cầu trước là cầu chủ động.

d Hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết

Hệ treo đòn dọc có thanh liên kết xuất hiện trên xe con vào nhữngnăm 70 cùng với sự hoàn thiện kết cấu cho các xe có động cơ và cầu trướcchủ động Theo cấu trúc của nó có thể phân chia thành loại treo nửa độc lập

và treo nửa phụ thuộc Theo khả năng làm việc của hệ treo, tuỳ thuộc vào độcứng vững của đòn liên kết mà có thể xếp là loại phụ thuộc hay độc lập Ở

đây hệ treo được phân loại là treo độc lập tức là đòn liên kết có độ cứng nhỏ hơn nhiều so với độ cứng của dầm cầu phụ thuộc.

Hình 1.21 - Sơ đồ nguyên lý hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết.

Hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết, có đặc điểm là hai đòn dọcđược nối cứng với nhau bởi một thanh ngang Thanh ngang liên kết đóng vaitrò như một thanh ổn định như đối với các hệ treo độc lập khác Bộ phận đànhồi của nó có thể là lò xo trụ xoắn được đặt giữa khung và đòn dọc

e Hệ treo đòn chéo:

Hệ thống treo trên đòn chéo là cấu trúc mang tính trung gian giữa hệ treo đòn ngang và hệ treo đòn dọc Bởi vậy sử dụng hệ treo này cho ta tận dụng được ưu điển của hai hệ treo trên và khắc phục được một số nhược điểm của chúng Đặc điểm của hệ treo này là đòn đỡ bánh xe quay trên đường trục chéo và tạo nên đòn chéo trên bánh xe.

1-Dầm cầu; 2- Đòn chéo; 3-truyền lực chính

Hình 1.22 - Sơ đồ hệ treo đòn chéo.

Trong hệ treo đòn chéo hình vẽ 1.22 chi tiết đàn hồi phần lớn là lò xoxoắn ốc Ngoài ra đối với hệ treo này, người ta còn hay dùng thêm thanh ổnđịnh để làm tăng sự êm dịu trong quá trình chuyển động

So với các hệ treo xét ở trên thì hệ treo đòn chéo có đặc điểm nổi bật ởchỗ khi bánh xe dao động theo phương thẳng đứng thì cũng kéo theo sự thayđổi khoảng cách giữa hai vết bánh xe, góc nghiêng ngang, nhưng sự thay đổi

đó nhỏ hơn các loại đã xét ở trên Riêng độ chụm trước cửa bánh xe thì thayđổi không đáng kể

Hiện nay, đối với ôtô con hiện đại người ta thường hay sử dụng cácloại hệ thống treo độc lập cho hệ treo trước như: hệ thống treo hai đònngang, hệ thống treo Mc.Pherson, hệ thống treo đòn dọc, đòn chéo lànhững loại có cấu tạo đơn giản, ít số chi tiết, khối lượng phần không đượctreo nhỏ, giá thành hạ, dễ tháo lắp sửa chữa và bảo dưỡng Còn treo sau thì

đa số là dùng hệ treo phụ thuộc cho xe tải và xe SUV, xe pickup và dùng hệthống treo độc lập cho xe con

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nội dung nghiên cứu

2.1.1 Nghiên cứu hệ dao động một phần tử khối lượng

Mô hình hóa dao động của một phần tử (một khối lượng) của hệ thốngtreo 1 bậc tự do (phương thẳng đứng) Trên cơ xở mô hình trên có thể khảosát ảnh hưởng của các thông số đặc trưng về kết cấu như độ cứng k của lò

xo, hệ số cản c của giảm chấn đến biên độ dao động cực đại, gia tốc cực đại,thời gian ổn định của hệ…Ngoài ra cũng có thể khảo sát ảnh hưởng của điềukiện chuyển động thông qua việc thay đổi tần số, biên độ kích thích đầu vào

2.1.2 Nghiên cứu hệ dao động hai phần tử khối lượng

Khảo sát tính chất dao động của ô tô, với tư cách là một hệ hai khốilượng: phần khối lượng được treo gồm khối lượng khung, gầm, động cơ vàngười ngồi trên xe; phần khối lượng không được treo gồm khối lượng cầu

xe, bánh xe, cụm moay ơ và đĩa phanh Trong thực tế ảnh hưởng tương tácgiữa các phần tử dao động là rất phức tạp, việc xây dựng mô hình toán vớivài giả thuyết nhất định sẽ rất thuận lợi cho việc nghiên cứu ảnh hưởng củađơn yếu tố hoặc đa yếu tố trong bài toán dao động xe ô tô, làm cơ xở khoahọc cho chẩn đoán kỹ thuật hệ thống treo và các bánh xe

2.1.3 Khảo sát dao động của ô tô thông qua mô hình dao động liên kết

Khảo sát dao động của ô tô thông qua mô hình dao động liên kết (môhình phẳng) nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của kích thích của đường tới chuyểnđộng của ô tô và sự phân bố khối lượng của xe khi phanh hoặc tăng tốc

2.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu dao động của ô tô liên quan đến việc tìm các quan hệ độnghọc, động lực học của các khối lượng dao động (khối lượng cầu xe và thân

xe phân bố trên các bánh xe) với các thông số đặc trưng của các phần tử hệthống treo khi chịu kích thích từ mặt đường Như vậy bài toán phải đi xây

dựng mô hình dao động của ô tô khi chịu kích thích chỉ cho một bánh xe vàcho hai bánh xe cùng bên.

Nội dung của mô hình thực chất là các phương trình vi phân dao độngdiễn tả mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và các thông số đặc trưng củadao động Các hệ phương trình vi phân này và các điều kiện giới hạn đượccoi là mô hình toán của hệ thống Từ mô hình toán đi xây dựng mô hìnhbằng Matlab Simulink để thuận tiện cho việc mô phỏng động học và cónhững kết luận sau khi chạy mô phỏng

2.3 Các chỉ tiêu và mô hình nghiên cứu dao động ô tô

2.3.1 Các chỉ tiêu đánh giá độ dao động

Khi ô tô chuyển động trên đường dao động xuất hiện trong toàn bộ hệthống của xe dưới tác động kích thích của các mấp mô biên dạng đường.Dao động của ô tô ảnh hưởng đến bản thân người lái và hành khách, hànghoá chuyên chở trên xe, độ bền, tuổi thọ của các kết cấu ô tô Nghĩa là trongquá trình chuyển động ô tô luôn bị dao động, với thời gian kéo dài sẽ gây ramệt mỏi với người lái và hành khách, làm giảm hiệu suất công việc, có thểgây ra nguy cơ mắc bệnh thần kinh và não dẫn đến mất phản ứng linh hoạt

và điều khiển chính xác gây ra tai nạn giao thông

Vì vậy khi nói đến dao động của ô tô theo quan điểm của chế độ sửdụng thì độ êm dịu chuyển động của ô tô có thể hiểu là tập hợp các tính chấtđảm bảo hạn chế các tác động của dao động có ảnh hưởng xấu tới con người,hàng hoá và các kết cấu của ô tô

Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì dao động của ô tô gây ra

sự thay đổi giá trị phản lực pháp tuyến giữa bề mặt tiếp xúc của bánh xe vớimặt đường Nếu giá trị phản lực pháp tuyến giảm so với trường hợp tải trọngtĩnh thì sẽ làm giảm khả năng tiếp nhận các lực dọc, ngang (Lực kéo, lựcphanh, lực bám ngang), dẫn đến hiện tượng tách bánh khỏi đường gây mất

an toàn khi xe chuyển động, phanh và quay vòng còn khi giá trị phản lựcnày tăng thì sẽ làm tăng tải trọng động tác dụng xuống nền đường và tácđộng ngược lại đối với các kết cấu của xe

Từ các khái niệm trên để có thể đánh giá chất lượng xe một cáchkhách quan, chính xác cần phải nghiên cứu và phát triển lý thuyết dao độngtrong tất cả lĩnh vực liên quan Nghiên cứu tổng quát về dao động xe đó làgiải quyết mối quan hệ “Đường-Xe-Người”.

Các tính chất dao động của ô tô thường đánh giá theo 2 quan điểm:

- Quan điểm về độ êm dịu chuyển động mà thông số gia tốc dao động

có tính chất quyết định vì nó tác dụng lên lái xe và hành khách

- Quan điểm về độ an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuốngnền thì giá trị tải trọng động giữa bánh xe và nền đường là thông số mangtính chất quyết định

2.3.1.1 Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động:

Để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, các nước có nền côngnghiệp ô tô phát triển hàng đầu trên thế giới đã đưa ra các chỉ tiêu đánh giá

độ êm dịu khác nhau Dựa vào các công trình nghiên cứu của nước ngoài vàcác tài liệu của viện khoa học kĩ thuật bảo hộ lao động Việt Nam, đưa ra một

số chỉ tiêu đặc trưng cho độ êm dịu chuyển động của ô tô như sau:

a.Chỉ tiêu về tần số:

Con người khi tham gia vào giao thông cũng là một hệ dao động, dichuyển là hoạt động thường xuyên của con người đã trở thành một thói quen.Khi con người di chuyển tương đương với hệ thực hiện dao động, số lầnbước trong một phút thường trong khoảng 60-85 bước, tương ứng với tần sốdao động khoảng 1-1,5Hz Vậy nên từ thói quen đó con người chịu dao độnghợp lý trong khoảng tần số vừa nêu trên Khi đánh giá độ êm dịu chuyểnđộng của ô tô với các điều kiện mặt đường cũng như kết cấu cụ thể thì tần sốdao động của ô tô phải nằm trong giới hạn 1-1,5 Hz, thường lấy chuẩn đểđánh giá dao động của ô tô như sau:

- Đối với xe du lịch n = 60-85 (dđ/ph)

- Đối với xe vận tải n = 85-120 (dđ/ph)

b.Chỉ tiêu về gia tốc dao động.

Các thí nghiệm káo dài trong 8 giờ liền cho thấy nhạy cảm hơn cả đốivới người là dải tần 4-8 Hz Trong dải tần số này các giá trị cho phép củatoàn phương gia tốc như sau [1]

Dễ chịu : 0,1 (m/s2)

Gây mệt mỏi : 0,315 (m/s2)

Gây ảnh hưởng tới sức khỏe : 0,63 (m/s2)

Các số liệu trên có thể xem là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyểnđộng của ô tô, bởi vì nó dựa trên cơ sở số liệu thống kê Mặt khác, điều quantrọng hơn là dao động ô tô truyền cho con người thực chất là tác động ngẫunhiên với dải tần số rộng và phức tạp cả theo hướng tác dụng Ngoài ra theomột số tài liệu tham khảo các tác giả còn đưa ra một số chỉ tiêu khác đánhgiá độ êm dịu chuyển động của ô tô như chỉ tiêu tính êm dịu chuyển độngdựa vào gia tốc dao động và thời gian tác động của nó

2.3.1.2 Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền

Theo quan điểm về an toàn chuyển động(xét theo khía cạnh về tínhđiều khiển) và tải trọng tác dụng xuống nền đường thì trị số lực tác dụngthẳng đứng giữa bánh xe với đường cũng là thông số quan trọng để đánh giá.Lực động xác định phức tạp hơn vì nó phụ thuộc vào tính chất daođộng của ô tô, vận tốc chuyển động và độ mấp mô biên dạng đường.

Theo quan điểm về tải trọng tác dụng xuống nền đường thì sẽ dựa vàotrị số lớn nhất của tải trọng bánh xe, nghĩa là tương ứng với giá trị dương của

để đánh giá, nếu càng lớn thì sự ảnh hưởng do lực tác động tớilốp xe và các bộ phận chi tiết của xe và nền đường càng bị tác động xấunhiều hơn Mặt khác để giảm sự ảnh hưởng của thì trong trường hợpgiảm tải trọng bánh xe so với giá trị tải trọng tĩnh, nghĩa là làm giảm khảnăng tiếp nhận lực tiếp tuyến(nhất là khi phanh) và lực ngang(quan trọng khiquay vòng) Trong trường hợp đặc biệt bánh xe bị nảy khỏi mặt đường khi

đó lực tác dụng từ đường lên bánh xe sẽ bằng 0 và ô tô sẽ mất tính điềukhiển Để đánh giá tính chất dao động của ô tô theo quan điểm về an toànchuyển động cần xác định tỉ số giữa lực tác động và tải trọng tĩnh củabánh xe là :

Khảo sát dao động của ô tô người ta quan tâm đến sự bám của lốp vớimặt đường, nhằm đảm bảo dao động của ô tô thoả mãn các chỉ tiêu về độ êmdịu nhưng bánh xe vẫn phải bám đường, nếu không đạt 2 chỉ tiêu đó sẽ dẫnđến làm mất tính ổn định khi điều khiển xe, làm tăng tiêu hao nhiên liệu

Giá trị gần đúng của lực tác dụng xuống nền đường có thể xác địnhnhư sau:

Trong đó: : độ cứng của lốp

: chuyển dịch của bánh xe theo phương thẳng đứng

q : chiều cao mấp mô biên dạng đường.

Có thể xác định giá trị là giá trị cực đại của chuyển dịch tương đối củabánh xe với đường theo biểu thức:

Giá trị cũng có thể làm cơ sở đánh giá khả năng bám của lốp vớiđường

2.3.3 Mô hình dao động.

Ôtô thuộc hệ cơ học nhiều vật, dao động với dải tần số thấp không vượtquá 50Hz Việc lập và chọn mô hình dao động phải theo 3 tiêu chí sau:

- Mục tiêu nghiên cứu (đề tài này khảo sát theo mục đích chẩn đoán)

- Cấu trúc riêng của đối tượng nghiên cứu

- Khả năng tính toán và phương tiện tính toán

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật khả năng tính toánhầu như không bị hạn chế (có nhiều phần mềm rất mạnh hỗ trợ tính toán),nên chủ yếu khi chọn và lập mô hình thường căn cứ vào mục tiêu và đặcđiểm kết cấu của đối tượng

Về mục tiêu nghiên cứu có thể bao hàm các vấn đề sau:

1 Nghiên cứu tối ưu hệ treo, kể cả hệ treo tích cực Đối với mục tiêu

này thì chỉ cần khảo sát mô hình ¼ (một trong 4 bánh).

2 Nghiên cứu về dao động liên kết, thường dùng mô hình phẳng; môhình phẳng cũng còn dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của đường

3 Nghiên cứu sự trượt và lật dưới tác động của ngoại lực như đường

mấp mô, gió bên nên thường sử dụng mô hình ½ hoặc mô hình full.

a Mô hình ¼

Mô hình ¼ bao gồm hai khối lượng được treo (thay thế cho khối

lượng thân xe) và khối lượng không được treo (thay thế cho khối lượng bánh

xe, cầu xe và các thành phần liên kết) Phần treo và không được treo liên kếtvới nhau thông qua các phần tử đàn hồi của treo và giảm chấn, có độ cứng là

k, hệ số cản giảm chấn c như thể hiện trong hình 2.2

Để có thể chuyển mô hình vật lý thành mô hình động lực học hệ daođộng ô tô, cần phải có một số giả thiết nhằm đơn giản cho việc tính toánnhưng vẫn đảm bảo tính đúng đắn của kết quả Quá trình nghiên cứu trong

mô hình ¼ chỉ xét dao động của một trong bốn bánh xe, dao động của hệ là nhỏ, tuyến tính, xung quanh vị trí cân bằng tĩnh, bánh xe lăn không trượt và luôn tiếp xúc với đường

Mô hình 1/4 có thể dùng để chọn

tối ưu các thông số như độ cứng lốp,

khối lượng không được treo m, độ

cứng c và hệ số cản giảm chấn k

theo các hàm mục tiêu vừa nêu trên

Việc này có ý nghĩa trong bài

toán điều khiển, tối ưu hệ treo

Hình 2.2 - Mô hình 1/4

b Mô hình dao động liên kết

Mô hình động lực học này biểu thị dao động liên kết ô tô 2 cầu ở dạng

mô hình phẳng, có nghĩa là ô tô được giả thiết đối xứng qua trục dọc của xe

và xem độ mấp mô của biên dạng đường ở dưới bánh xe trái và phải là nhưnhau Khối lượng treo được qui dẫn về trọng tâm phần treo biểu thị qua giátrị khối lượng m3 (đại diện cho khối lượng được treo là thân xe) và m1, m2

(đại diện cho khối lượng không được treo là cầu xe) với 4 bậc tự do là Z 3 , ,

Z 1 , Z 2

Hình 2.3 - Mô hình phẳng dao động ô tô 2 cầu

Mô hình này hiệu quả với bài toán bố trí chung, và là mô hình đơngiản khi nghiên cứu về đường và phân bổ tải khi phanh

c Mô hình không gian xe con

Mô hình không gian xe hai cầu được đưa ra như trong hình 2.5 [7] Xe

con có khối lượng bé nhưng lại có yếu tố phi tuyến hình học và vật lý lớnnên không thể bỏ qua khi lập mô hình Đặc điểm kết cấu là vỏ chịu lực

(unibody),hệ treo độc lập có yếu tố phi tuyến hình học cao Trong phạm vi

đề tài này do hạn chế về mặt thời gian, kỹ thuật nên chỉ đưa ra mô hình mangtính tham khảo chứ chưa khảo sát được mô hình không gian này

Hình 2.4 - Mô hình không gian xe con

2.3.4 Hàm kích động

Chuyển động của ô tô trên mặt đường không bằng phẳng sẽ sinh racác dao động của khối lượng phần không được treo và khối lượng phần đượctreo của ô tô Độ mấp mô của mặt đường là nguồn kích thích chính cho ô tôdao động Khi nghiên cứu mô hình dao động của ô tô cần thiết phải mô tảtoán học biên dạng của mặt đường, vì chiều cao mấp mô của biên dạngđường tại vị trí tiếp xúc của bánh xe với đường sẽ tham gia vào phương trình

vi phân mô tả chuyển động của hệ Hàm kích động là một yếu tố thuộc môhình dao động, mô tả những yếu tố gây dao động, và thường được mô tảdưới dạng các hàm biên dạng sau:

- Kích thích dạng bậc với biên độ ho

- Hàm xung:

- Hàm dao động ngẫu nhiên:

Với mf: giá trị trung bình

Rf: Hàm quan hệ

: Thời gian tương quan

Việc chọn loại kích động nào thì phụ thuộc cụ thể vào từng mục tiêunghiên cứu Nếu nghiên cứu về ảnh hưởng của đường thì buộc phải dùnghàm kích động ngẫu nhiên Còn nếu tối ưu hệ treo thì dùng hàm sin và hàmxung là đủ Trong phạm vi đề tài này chỉ khảo sát hệ dao động một phần tửkhối luợng, hệ dao động hai phần tử khối lượng va hệ dao động liên kết; do

đó chỉ dùng hàm sin và dạng kích thích bậc thang

Ngoài mấp mô của đường là yếu tố gây dao động, còn có các yếu tốgây dao động khác mà ta có thể kể ra như sau: Gió nhất là gió ngang; Giódọc; Góc quay vô lăng, đặc trưng qua gia tốc ngang với ngoại lực là lực quántính li tâm khi vào cua

Như vậy có tất cả 4 yếu tố gây ảnh hưởng đến dao động ôtô mà trongkhi nghiên cứu cũng phải đề cập, hoặc là riêng về từng yếu tố một, hoặcđồng thời một số yếu tố kết hợp Trong phạm vi đề tài này chỉ tập trungnghiên cứu kích động từ mặt đường dạng bậc hoặc theo hình sin

CHƯƠNG 3

ỨNG DỤNG SIMULINK MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG CỦA PHẦN TỬ KHỐI LƯỢNG CỦA CƠ CẤU TREO

3.1 Giới thiệu phần mền Matlab-Simulink 7.0

Matlab (MATric LABoratory) là một công cụ phần mềm củaMathWork với giao diện cực mạnh cùng lợi thế trong kĩ thuật lập trình đápứng được những vấn đề hết sức đa dạng: từ các lĩnh vực kỹ thuật chuyênngành như điện, điện tử, điều khiển tự động, rôbôt công nghiệp, vật lý hạtnhân cho đến các ngành xử lý toán chuyên dụng như thống kê, kế toán Matlab có bộ lệnh rất mạnh giúp nó có thể giải quyết các loại bài toán khácnhau, đặc biệt là các hệ phương trình tuyến tính, phi tuyến hay các ma trậnvới kết quả nhanh chóng và chính xác Bộ lệnh này lên tới hàng trăm vàngày càng được mở rộng thông qua các hàm ứng dụng được bởi người sửdụng hay thông qua thư viện trợ giúp Bên cạnh đó Matlab cho phép xử lý

dữ liệu, biểu diễn đồ họa một cách mềm dẻo, đơn giản và chính xác trongkhông gian hai chiều cũng như ba chiều giúp người sử dụng có thể quan sátmột cách trực quan và đưa ra phương pháp giải tốt nhất Phần cốt lõi củachương trình bao gồm một số hàm toán, chức năng nhập/xuất cũng như khảnăng điều khiển chu trình mà nhờ đó ta có thể dựng nên các Scripts Thêm

vào đó là bộ công cụ (Toolbox) có thể bổ sung các chức năng chuyên dụng Thường hay sử dụng các Toolbox như: Control System Toolbox, Signal

Processing Toolbox, Optimization Toolbox, Stateflow Blockset, Power System Blockset, Real-time Workshop và Simulink Simulink là một Toolbox

có vai trò đặc biệt quan trọng: Vai trò của một công cụ mạnh phục vụ mô

hình hoá và mô phỏng các hệ thống Kỹ thuật - Vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu

trúc dạng khối

Simulink là phần chương trình mở rộng của Matlab nhằm mục đích

mô hình hoá, mô phỏng và khoả sát các hệ thống động học Giao diện đồ hoạtrên màn hình Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệuvới các khối chức năng quen thuộc Simulink cung cấp cho người sử dụng

một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng chocác hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn Hơn thế, người sử dụng có thể tạokhối cho riêng mình Một tính năng đặc biệt khác của Simulink là có thểnhận tín hiệu trực tiếp từ các phần mềm khác giống như nhận tín hiệu từ bênngoài vào để xử lý của một số phần mềm Dasylab sau khi xử lý nó có thểphản hồi tín hiệu trở lại để điều khiển đối tượng đó.

Trên hình 3.1 thể hiện màn hình làm việc của Matlab, đây là màn hình

chính điều khiển toàn bộ tất cả các quá trình diễn ra ở Matlab

Hình 3.1: Màn hình Matlab

Trên hình 3.2 thể hiện màn hình của Simulink Library Brower, màn hình

có chứa tất cả các phần tử có sẵn của Simulink để có thể sử dụng

Hình 3.2- Cửa sổ tra cứu các khối trong thư viện

Trên hình 3.3 biểu diễn một màn hình mới chuẩn bị cho quá trình lậptrình với các phần tử có sẵn trong Matlab-Simulink

Hình 3.3- Màn hình xây dựng sơ đồ khối (New model window)

3.1.1 Các khối chức năng có sẵn thường dùng trong phần mềm Matlab-Simulink

Tất cả các khối chức năng đều được xây dựng theo một mẫu giốngnhau Mỗi khối có một hay nhiều đầu vào/ra (trừ trường hợp ngoại lệ: các

khối thuộc thư viện Sources và Sinks chỉ có đầu vào hoặc đầu ra), có tên và ở

trung tâm hình khối hình chữ nhật có biểu tượng (hàm truyền đạt, đồ thị đặctính hay tên files…) thể hiện đặc điểm riêng của khối Người sử dụng có thểtùy ý thay đổi tên của khối, tuy nhiên mỗi tên chỉ được dùng một lần duynhất trong phạm vi cửa sổ của màn hình mô phỏng Khi nháy kép phímchuột trái trực tiếp vào khối ta sẽ mở cửa sổ tham số Block Parameters (trừcác khối Scope, Slider Gain, Subsystem) và có thể nhập thủ công các tham

số đặc trưng của khối Nếu muốn định dạng lại khối ta click chuột phải vàokhối format xoay khối, ẩn hoặc hiện tên khối, tạo bóng mờ, đảo chiềukhối; hoặc thay đổi font chữ, mầu nền hay mầu của khối

Simulink phân biệt (không phụ thuộc vào thư viện con) hai loại thuộc

khối chức năng: Khối ảo (virtual) và khối thực (not virtual) Các khối thực

đóng vai trò quyết định khi chạy mô phỏng mô hình Simulink Việc thêm bớtmột khối thực sẽ làm thay đổi đặc tính động học của hệ thống đang được mô

hình Simulink mô tả (ví dụ như khối tích phân Intergrator hay hàm truyền đạt Transfer F cn của thư viện Continuous, khối Sum hay khối Product của thư viện con Math) Ngược lại, khối ảo không có khả năng thay đổi đặc tính

của hệ thống, chúng chỉ làm thay đổi diện mạo của mô hình Simulink (khối

Mux, Demux hay enable thuộc thư viện Signal Routing và Ports & Subsystems)

Sau đây là một vài các khối chức năng có sẵn và hay sử dụng trong thư việncủa Matlab Simulink:

a.Thư viện Commomly used blocks:

Thư viện này bao gồm các khối thường dùng trong việc xây dựng môhình, thiết lập thông số đàu vào và đầu ra, phục vụ mô phỏng

Hình 3.4 – các khối của thư viện Commomly Used Blocks

Khối Bus selector: Ta có thể sử dụng khối Bus Selector để tái tạo lại

các tín hiệu từ một Bus tín hiệu, đồng thời gom chúng lại thành các tín hiệuriêng rẽ ban đầu

Khối constant: Khối constant tạo nên một hằng số (không phụ thuộc

vào thời gian) thực hoặc phức Hằng số có thể là scalar, vector hay ma trận,

tùy theo cách khai báo tham số Constant Value và ô Interpret vector

parameter as 1-D có được chọn không Nếu ô đó được chọn, ta có thể khai

báo tham số Constant Value là vector hàng hay cột với kích cỡ [1 n] hay

[n 1] dưới dạng ma trận Nếu ô đó không được chọn, các vector hàng hay cột đó chỉ được sử dụng như vector với chiều dài n, tức là tín hiệu 1-D

Khối Data type Conversion

Khối Demux: Khối Demux có tác dụng ngược lại với Mux: tách tín

hiệu được chập lại từ nhiều tín hiệu riêng rẽ trở lại thành tín hiệu riêng rẽ mới.Khối Demux làm việc theo chế độ vector (Bus selection mode = off) hay chế

độ Bus (Bus selection mode = on)

Khối Discrete-Time integrator: Khối Discrete – Time Integrator (tích

phân gián đoạn) về cơ bản cũng như khối Integrator (tích phân liên tục) Bên