CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG TRÊN Ô TÔ

Tài liệu này được biên soạn nhằm mục đích sử dụng cho học viên chuyên ngành xe thuộc hệ đào tạo kỹ sư và đào tạo cao học khi nghiên cứu khảo sát mô hình dao động ô tô hoặc khi thiết kế ô tô. Tài liệu trình bày các phương pháp chính khi nghiên cứu các mô hình hệ dao động tương đương của ô tô với kích thích là độ mấp mô biên dạng bề mặt đường và các thuật toán giải các mô hình toán hệ dao động. Đồng thời tài liệu trình bày một số phương pháp đo ghi biên dạng bề mặt đường và các phương pháp có thể áp dụng để biểu diễn toán học độ mấp mô của biến dạng đường, đưa ra cơ sở hoàn thiện mô hình hệ dao động và kết cấu hệ thống treo trên các ô tô hiện đại.Vì là tại liệu biên soạn lần đầu cho lên không trách khỏi sai sót tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp của các đồng nghiệp và toàn thể bạn đọc.

Hµ néi 11/2006

Mục lục

Mục lục 1

Mở đầu 3

Chương 1 Tổng quan 4

1.1 Các hướng nghiên cứu dao động trên ô tô 4

1.2 Các thông số và chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô 7

1.2.1 Tần số dao động riêng và hệ số dập tắt dao động 7

1.2.2 Gia tốc dao động 8

1.2.3 Hệ số êm dịu chuyển động (K) 8

1.2.4 Đánh giá cảm giác theo công suất dao động 9

1.2.5 Đánh giá cảm giác theo gia tốc dao động và thời gian tác động của chúng 10

1.3 Phần mềm matlab/simulink 10

1.4 Mục đích và phạm vi nghiên cứu 13

Chương II Các phần tử trong mô hình dao động ô tô 14

2.1 Phần tử lốp đàn hồi 14

4.1.1 Mô hình tếp xúc điểm 14

2.1.2 Mô hình đai cứng 17

2.1.3 Mô hình tiếp xúc vết cố định 18

2.1.4 Mô hình tiếp xúc vết thích ứng 19

2.2 khối lượng không được treo 20

2.2.1 Mô hình khối lượng không được treo một bậc tự do 20

2.2.2 Mô hình khối lượng không được treo hai bậc tự do 22

2.3 Phần tử hệ thống treo 23

2.3.1 Mô hình hệ thống treo đơn 25

2.3.2 Mô hình hệ thống treo thăng bằng 27

2.4 Khối lượng được treo 29

2.4.1 Mô hình một bậc tự do 29

2.4.2 Mô hình hai bậc tự do 31

2.4.2 Mô hình khối lượng được treo ba bậc tự do 34

Chương III Xây dựng một số mô hình dao động ô tô điển hình 37

3.1 Mô hình 1/4 xe 37

3.2 Mô hình dao động trong mặt phẳng ngang 39

3.3 Mô hình phẳng dọc dao động tương đương ô tô 2 trục 41

3.4 Mô hình phẳng dọc dao động tương đương ô tô 3 trục 42

3.5 Mô hình phẳng dọc dao động tương đương đoàn ô tô 44

3.5 Mô hình không gian dao động tương đương ô tô 2 trục 46

3.6 Một số kết quả tính toán 49

Kết luận 53

Tài liệu tham khảo 54

Mở đầu

Nhà nước ta đã chủ trương phát triển các ngành công nghiệp nặng, ngành công nghiệp ô tô ở nước ta vì vậy được đặc biệt chú trọng với việc thành lập hàng loạt các công ty liên doanh, quốc doanh và tư nhân hoạt động trong lĩnh vực sản xuất lắp ráp ô tô Ngành công nghiệp ô tô ở nước ta có đủ điều kiện về chính sách,

điều kiện xã hội để phát triển Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp Ôtô của Việt Nam có những bước phát triển nhảy vọt Ngày 03 tháng 12 năm 2002 Thủ tướng chính phủ có quyết định số 177/2004/QĐ-TTg về việc phê duyệt quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt nam đến năm 2010, tần nhìn đến năm

2020 Theo quy hoạch của chính phủ bước đầu hình thành 4 tổng công ty làm nòng cốt cho ngành công nghiệp ô tô trong nước: VINAMOTOR, VEAM, VINACOAL và tổng công ty cơ khí giao thông Sài Gòn Để đáp ứng nhu cầu nhân lực có chất lượng cao đáp ứng được sự phát triển của ngành, trường Đại học Giao thông Vận tải có điều chỉnh đưa một số môn học mới vào chương trình đào tạo kỹ

sư Cơ khí Ôtô trong đó có môn học “ứng dụng tin học trong tính toán thiết kế và sử dụng ô tô”

Trên ô tô tồn tại hai dạng dao động: dao động theo phương thẳng đứng chủ yếu do kích thích từ mặt đường và dao động động xoắn trong hệ thống truyền lực chủ yếu do kích thích từ động cơ và từ mặt đường Bài khảo sát dao động theo phương thẳng đứng có ý nghĩa quan trọng cho việc hoàn thiện kết cấu hệ thống treo Bài toán dao động xoắn trong hệ thống truyền lực có ý nghĩa cho việc hoàn thiện kết cấu của của ly hợp, của bộ đồng tốc trong hộp số

Trước đây các bài toán dao động trên ô tô đã được thực hiện với nhiều phương pháp khác nhau, tuy nhiên mô hình tính toán còn rất đơn giản và còn nhiều giả thiết làm mất độ chính xác của bài toán Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của công nghệ tin học và phương pháp tính, các bài toán dao động trên

ô tô có thể giải được với các mô hình phức tạp hơn, tính toán nhanh hơn và đảm bảo độ chính xác

Với mục tiêu làm tài tiệu tham khảo cho việc giảng dạy và viết bài giảng, đề tài

“ứng dụng máy tính giải các bài toán về dao động trên ô tô ” đưa ra phương pháp

tổng quát xây dựng mô hình toán học cho các dạng bài toán dao động trên ô tô

bằng phần mền MATLAB/Simulink

Chương 1 Tổng quan

1.1 Các hướng nghiên cứu dao động trên ô tô

Theo phương thẳng đứng, ô tô là hệ thống dao động trong mối quan hệ chặt chẽ với đường - hành khách - lái xe (hệ thống quan hệ “Đường - Ô tô - Con người”) Có ba hướng nghiên cứu về hệ thống quan hệ trên: nghiên cứu về bề mặt

đường; nghiên cứu dao động của ô tô; nghiên cứu cảm giác và sức chịu đựng của con người

Hướng nghiên cứu thứ nhất, thực hiện bằng cả thực nghiệm và lý thuyết nhằm mục đích xác định quy luật kích thích dao động ô tô Bằng các phương pháp

đo ghi biên dạng đường khác nhau, tiến hành xử lý các kết quả nhận được Dao

động của ô tô khi chuyển động là dao động cưỡng bức với nguồn kích thích là mấp mô của mặt đường Mấp mô mặt đường thường không có quy luật (mấp mô mặt

đường ngẫu nhiên), để mô tả toán học biên dạng đường dùng các đặc trưng thống

kê gồm: kỳ vọng toán học, phương sai và mật độ phổ năng lượng của chiều cao mấp mô mặt đường Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu về việc mô tả toán học độ mấp mô bề mặt đường

Hướng nghiên cứu thứ hai, nghiên cứu dao động ô tô với mục đích cải thiện

độ êm dịu chuyển động, chất lượng kéo, tính kinh tế, tính dẫn hướng, độ ổn định chuyển động, độ bền và độ tin cậy Vì vậy, nghiên cứu dao động ô tô là nghiên cứu mối quan hệ giữa dao động của ô tô với các chỉ tiêu của các chất lượng khai thác kể trên

Nghiên cứu lý thuyết dao động của ô tô hoặc các bộ phận của nó thường

Một trong những bài toán cơ bản khi nghiên cứu dao động ô tô là làm rõ ảnh hưởng các thông số của hệ đến dao động Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm, có thể đưa bài toán phân tích về bài toán tối ưu các thông số của hệ thống

Hướng nghiên cứu thứ ba, nghiên cứu cảm giác của con người trên ô tô Hướng nghiên cứu này thực hiện rất khó Khi đi ô tô con người sẽ cảm thấy mệt mỏi về thể xác, căng thẳng về thần kinh Nghiên cứu sức chịu đựng của con người

là đưa ra các chỉ tiêu đánh giá về sức chịu đựng của con người theo từng nhóm người, từng lứa tuổi Ngoài ra phải nghiên cứu sự phản ứng của các bộ phận, cơ quan trên cơ thể con người liên quan đến việc điều khiển xe

Hiện nay người ta tập trung vào hai hướng nghiên cứu con người là người

điều khiển ô tô (lái xe) và người chịu dao động (hành khách) Việc nghiên cứu cả hai hướng trên cần được hoàn thiện vì dao động ô tô làm con người mệt mỏi dẫn

đến phản ứng mất linh hoạt và điều khiển mất chính xác gây tai nạn giao thông

Để có thể chế tạo ra một hệ thống dao động có chất lượng tốt cần thiết phải nghiên cứu dao động ô tô trong mối quan hệ tổng thể “Đường -Ô tô - Con người” Các kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng thiết kế chế tạo ô tô góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng và năng suất vận chuyển của ô tô trong nền kinh

tế quốc dân Sơ đồ cấu trúc của hệ thống “Đường - Ô tô - Con người” trong nghiên cứu dao động ô tô thể hiện trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống “Đường - ô tô - con người” trong nghiên cứu dao

Nghiên cứu thực nghiệm:

- Đo nghi biên dạng đường;

Liên hệ với các chất lượng khai thác: độ êm dịu, chất lượng kéo, tính năng thông qua, tính

ổn định, tính dẫn hướng, tính kinh tế, độ tin cậy

Khả năng chịu đựng của lái xe:

- Chỉ tiêu đánh giá;

- Yêu cầu đối với lái xe

Các cơ quan của con người khi

1.2 các thông số và chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô

Khi nghiên cứu dao động ô tô và chất lượng hệ thống treo cần phải quan tâm

đến các thông số dao động tự do và thông số dao động cưỡng bức dưới tác dụng

của kích thích có chu kỳ hoặc kích thích ngẫu nhiên Trong trường hợp kích thích là

hàm điều hoà có thể đánh giá dao động theo đặc tính biên độ tần số, kích thích là

hàm ngẫu nhiên cần đánh giá theo trị số bình phương trung bình của các dịch

chuyển hoặc gia tốc

Để tính toán các thông số dao động cần sử dụng rất nhiều đại lượng, thông

thường các đại lượng này được chia thành 2 nhóm:

- Các thông số kết cấu, gồm: các khối lượng được treo và không được treo;

chiều dài cơ sở của ô tô; toạ độ trọng tâm của khối lượng được treo; độ cứng của

phần tử đàn hồi hệ trong hệ thống treo; độ cứng của lốp; hệ số cản giảm chấn; hệ

số cản của lốp; lực ma sát trong hệ thống treo

- Các thông số dao động bao gồm: tần số dao động riêng; hệ số dập tắt dao

động; dịch chuyển và gia tốc khối lượng được treo

1.2.1 Tần số dao động riêng và hệ số dập tắt dao động

Trong trường hợp dao động tự do không có cản, tần số dao động riêng của

khối lượng được treo trên 1 trục có thể xác định gần đúng biểu thức (1.1) và tần số

dao động riêng của khối lượng không được treo trên một trục được xác định theo

biểu thức (1.2):

)CC(m

C.Cm

C

t s s

t s

Trong đó: mu - khối lượng không được treo

Tần số dao động của ô tô nằm trong giới hạn sau:[6]

Đối với xe con: Ω0= 1ữ1.5 Hz (60 ữ 90 lần/phút);

Đối với ô tô tải: Ω = 1.6ữ2 Hz (100 ữ 120 lần/phút)

ở Việt Nam, chỉ số này đang được đề nghị là nhỏ hơn 2.5 Hz đối với các ô tô

sản xuất lắp ráp trong nước

1.2.2 Gia tốc dao động

Gia tốc dao động là thông số quan trọng đánh giá độ êm dịu chuyển động

Giá trị gia tốc giới hạn theo các phương Ox (phương dọc xe), OY (phương ngang

xe), OZ (phương thẳng đứng) được xác định bằng thực nghiệm như sau:[16]

Z&& < 2.5 m/s2 (1.3a)

Y&& < 0.7 m/s2

(1.3b) X&& < 1.0 m/s2 (1.3c)

Các số liệu trên có thể coi là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyển động

của ô tô, vì đó là số liệu thống kê, hơn nữa do động ô tô truyền cho con người

mang tính chất ngẫu nhiên ở dải tần số rộng

1.2.3 Hệ số êm dịu chuyển động (K)

Hệ số êm dịu chuyển động K phụ thuộc vào tần số dao động, gia tốc dao

động, vận tốc dao động, phương dao động và thời gian tác dụng của nó đến con

người Nếu K là hằng số thì cảm giác khi dao động sẽ không thay đổi Hệ số K

được xác định theo công thức:

)Z(RMS.K01

.01

)Z(RMS.1801

.01

Z5.12

2 2

&&

&&

&&

=ω+

=ω+

2dt)t(ZT

1)Z( RMS && && (T - thời gian tác dụng)

Nếu con người chịu dao động ngang ở tư thế nằm thì hệ số Ky giảm đi một

nửa Hệ số K càng nhỏ thì con người càng dễ chịu đựng dao động và độ êm dịu

càng cao K = 0.1 tương ứng với ngưỡng kích thích, khi ngồi lâu trên xe giá trị giới

hạn [K] = 10 ữ 25; khi đi ngắn [K] = 25 ữ 63.[6]

Trong thực tế đối với ô tô, dạng điển hình dao động là ngẫu nhiên, khi đó nhờ

phân tích phổ dao động, giá trị hệ số K được xác định theo công thức:

Trong đó: Ki - hệ số êm dịu của thành phần tần số thứ i;

n - số thành phần tần số của hàm ngẫu nhiên

Giá trị K có thể xác định bằng tính toán lý thuyết hoặc bằng thực nghiệm

1.2.4 Đánh giá cảm giác theo công suất dao động

Chỉ tiêu này được dựa trên giả thiết, cảm giác của con người khi chịu dao

động phụ thuộc vào công suất dao động truyền cho con người Công suất trung

bình truyền đến con người được xác định theo công thức:

T

1lim

Trong đó: P(t) - lực tác động lên con người khi dao động;

V(t) - vận tốc dao động

Con người có thể xem là một hệ dao động và cảm giác con người phụ thuộc

vào tần số dao động, do đó ta có thể đưa vào hệ số hấp thụ Ky có tính đến ảnh

hưởng của tần số lực kích động và hướng tác động của nó Khi tác động n thành

phần với các giá trị bình phương trung bình của gia tốc RMS(a&& ) thì công suất dao i

động có thể xác định theo công thức:

2 i n

Ưu điểm của chỉ tiêu này cho phép cộng các tác dụng của các dao động với

các tần số khác nhau theo các phương khác nhau Ví dụ ghế ngồi của con người

trên xe chịu dao động với bốn thành phần: RMS &(Z& - giá trị bình phương trung bình )

gia tốc dao động thẳng đứng truyền qua chân, RMS(Z&& - giá trị bình phương trung g)

bình gia tốc giao động thẳng đứng truyền qua ghế ngồi, RMS &(X& - giá trị bình )

phương trung bình gia tốc theo phương dọc, RMS &(Y& - giá trị bình phương trung )

bình gia tốc theo phương ngang Công suất tổng cộng truyền đến con người được

xác định theo công thức sau:

Theo thực nghiệm, trị số cho phép [Nc] như sau:[6]

[Nc] = 0,2 ữ 0,3 (W) - tương ứng với cảm giác thoải mái;

[Nc] = 6 ữ10 (W) - giới hạn cho phép đối với ô tô có tính cơ động cao

Các nghiên cứu chỉ ra, những tác động phụ truyền qua chân không lớn như những tác động truyền qua ghế ngồi vì trong tư thế đứng tác động của dao động bị yếu đi bởi các khớp xương của chân Các dao động con người chịu trong tư thế ngồi sẽ làm tổn thương cột sống

1.2.5 Đánh giá cảm giác theo gia tốc dao động và thời gian tác động của chúng

Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hoá ISO đưa ra năm 1969 cho phép đánh giá tác dụng của dao động lên con người khi đi trên xe Cảm giác được đánh giá theo

ba mức: thoải mái, mệt mỏi và mức giới hạn Sự khác nhau của tiêu chuẩn ISO so với tiêu chuẩn khác ở chỗ có tính đến thời gian tác động của dao động Để đánh giá cảm giác người ta sử dụng dao động thẳng đứng điều hoà tác dụng lên người ngồi và người đứng trong 8 giờ Nếu tần số tác động ở trong giới hạn nhạy cảm nhất với dao động của con người (4ữ8 Hz) thì bình phương gia tốc trung bình đối với các giới hạn:[6]

Mệt mỏi cho phép: 0.315 m/s2

Mệt mỏi ở trong giới hạn cho phép: 0.63 m/s2

1.3 phần mềm matlab/simulink

MATLAB là chữ viết tắt của MATrix LABoratory, là một công cụ để giải các

bài toán kỹ thuật, được viết bằng ngôn ngữ lập trình C, là sản phẩm của hãng

Math Wotks MATLAB được tạo trên cơ sở những phần mềm do các nhà lập trình

của các dự án LINPACK và EISPACK viết bằng ngôn ngữ Fortran

MATLAB cho phép giải các bài toán xử lý số liệu, các phép toán trên ma trận,

xử lý tín hiệu, mô phỏng và đồ hoạ MATLAB rất dễ sử dụng, không cần khai báo biến, các câu lệnh được viết rất gần với ngôn ngữ tự nhiên, tiết kiệm rất nhiều thời

gian cho việc lập trình Đặc điểm nổi bật của MATLAB là người sử dụng có thể phát triển thêm các hàm và cài đặt vào thư viện chương trình sử dụng giải các bài toán trong lĩnh vực chuyên ngành của mình

Simulink là một công cụ mở rộng của MATLAB Simulink là một công cụ mạnh để mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động Simulink cho có

thể mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong thời gian thực

Để mô hình hóa Simulink cung cấp một giao diện đồ họa để xây dựng mô

hình như là một sơ đồ khối sử dụng thao tác “nhấn” và “kéo” chuột Với giao diện này bạn có thể xây dựng mô hình như là xây dựng trên giấy Đây là sự khác xa các phần mềm mô phỏng trước nó mà ở đó người sử dụng phải đưa vào các phương trình vi phân và các phương trình sai phân bằng một ngôn ngữ lập trình

Việc lập trình trên Simulink sử dụng các đối tượng đồ họa gọi là Graphic Programming Unit Nó được xây dựng dựa trên cơ sở của các ngôn ngữ lập trình

hướng đối tượng, tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho việc thay đổi giá trị các thuộc tính trong những khối thành phần Loại hình lập trình này có su thế được sử dụng nhiều trong kỹ thuật bởi ưu điểm lớn nhất của nó là tính trực quan, dễ hiều, dễ viết

Thư viện khối chức năng của Simulink rất phong phú, gồm các khối chức

năng được phân chia thành các nhóm khối chức năng (hình 1.1, hình 1.2) Các

khối chức năng của Simulink được xây dựng theo một mẫu giống nhau: mỗi khối

có một hay nhiều đầu vào/ra (trừ các khối nguồn chỉ có đầu ra và các khối hiển thị, lưu trữ số liệu chỉ có đầu vào)

Sau khi tạo lập ra được một mô hình, người sử dụng có thể mô phỏng nó

trong Simulink bằng cách nhập lệnh trong cửa sổ lệnh của MATLAB hay sử dụng

các menu có sẵn Việc sử dụng các menu đặc biệt thích hợp cho các công việc có

sự tác động qua lại lẫn nhau, còn sử dụng dòng lệnh thường hay được dùng khi chạy nhiều các mô phỏng theo một kịch bản nhất định

H×nh 1.1 Th− viÖn c¸c nhãm chøc n¨ng cña Simulink

H×nh 1.2 Cña sæ tra cøu th− viÖn cña Simulink

1.4 mục đích và phạm vi nghiên cứu

Đề tài “ứng dụng máy tính giải các bài toán dao động trên ô tô” xây dựng thư

viện các khối chức năng cho các phần tử trong mô hình dao động của ô tô và sử dụng các khối chức năng đó xây dựng một số mô hình dao động tương đương ô tô

từ đơn giản đến phức tạp Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sử dụng để biên soạn bài giảng, viết giáo trình, làm tài liệu tham khảo cho việc giảng dạy môn học

“ứng dụng tin học trong tính toán thiết kế và sử dụng ô tô” đồng thời cũng rất có ích

cho các nghiên cứu về dao động ô tô

Đề tài chỉ giới hạn trong phân vi ứng dụng Simulink để giải các bài toán dao

động theo phương thẳng đứng của ô tô với nguồn kích thích duy nhất từ mấp mô biên dạng đường

Chương II Các phần tử trong mô hình dao động ô tô

2.1 Phần tử lốp đàn hồi

Lốp ô tô có tác dụng thu nhận, giảm bớt các va đập nhỏ khi xe chạy trên

đường không bằng phẳng nhờ áp suất hơi và độ đàn hồi của lốp Ngày nay kết cấu của lốp đã thay đổi, nhiều tính năng được cải thiện để nâng cao chất lượng chuyển

động của ô tô Khi xây dựng mô hình động lực phần tử bánh xe dựa trên các giả thiết sau:

- Mặt đường cứng tuyệt đối;

- Xét động lực theo phương thẳng đứng, không kể đến phản lực dọc và ngang giữa vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường khi kéo, phanh và quay vòng;

- Khối lượng của bánh xe được coi là khối lượng không được treo và được tập trung tại trục xe Như vậy khi xét phần tử lốp có thể coi như phần tử không khối lượng

Có 4 mô hình động lực học bánh xe [12]: mô hình tiếp xúc điểm; mô hình đai cứng; mô hình tiếp xúc vết cố định và mô hình tiếp xúc vết thích ứng

4.1.1 Mô hình tếp xúc điểm

Điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường được coi là điểm nằm trên đường đối xứng giữa hai phần tử đàn hồi và phần tử cản và là nơi tiếp nhận phản lực từ mặt

đường lên ô tô Độ cứng của phần tử đàn hồi phụ thuộc áp lực hơi lốp và đàn hồi

vỏ lốp, phần tử cản dùng để đánh giá năng lượng tiêu tán do biến dạng của lốp (hình 2.1)

0

Z q

0 t

CF

q - chiều cao mấp mô mặt đường;

Zu - dịch chuyển thẳng đứng của trục xe;

uZ ,

q && - đạo hàm của các đại lượng theo thời gian;

Khi coi phần tử đàn hồi có độ cứng không phụ thuộc vào biến dạng của lốp

và hệ số cản của lốp không phụ thuộc vào vận tốc biến dạng của lốp, khi đó

phương trình (2.1) có thể biến đổi thành:

)Zq(K)Zq(CG

Trong đó: V - vận tốc chuyển động của ô tô, V=dx/dt;

dq/dx - độ dốc của bặt đường tại điểm tiếp xúc

Phản lực thẳng đứng tác dụng từ mặt đường lên ô tô Ft bằng F khi bánh xe

tiếp xúc với mặt đường (F> 0) và bằng không khi bánh xe tách khỏi mặt đường (Ft

0

F

0F khi

h t

dx

dqFFdx

Sơ đồ mô phỏng động lực học của bánh xe đàn hồi theo mô hình tiếp xúc

điểm bằng phần mềm MATLAB/Simulink thể hiện trên hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ Simulink mô phỏng động lực học bánh xe theo mô hình tiếp xúc

điểm

Hình 2.3 Hộp thoại nhập các thông số của mô hình

2.1.2 Mô hình đai cứng

Sơ đồ của mô hình đai cứng thể hiện trên hình 2.4 Tương tự mô hình tiếp xúc

điểm với biên dạng đường hiệu chỉnh q(x)được xác định đến tâm của đai cứng

Bởi vậy, phân tích và xây dựng biểu thức phản lực thẳng đứng hoàn toàn tương tự

như mô hình tiếp xúc điể, và việc quan trọng ở đây là tìm quan hệ giữa biên dạng

đường hiệu chỉnh q(x) với biên dạng đường gốc q(x) và bán kính đai cứng r

)

x

(

Cơ sở để xác định x là độ dốc của đai cứng và biên dạng đường tại điểm tiếp

xúc phải bằng nhau, như vậy:

xd

)xr(dx

d

))xx

)xr)xx(q

(

Trong trường hợp tổng quát phương trình (2.9) có hai nghiệm trái dấu Theo

bản chất vật lý thì điểm tiếp xúc chỉ có thể ở nửa dưới của đai cứng

Sơ đồ mô phỏng động lực học của bánh xe đàn hồi theo mô hình đai cứng

bằng phần mềm MATLAB/Simulink hoàn toàn tương tự như mô hình tiếp xúc điểm

nhưng biên dạng đường q(x) được thay thế bởi biên dạng đường hiệu chỉnh q(x)xác định theo biểu thức (2.7)

ddzCF

2 / L

2 / L

Z ) x ( q

0 t

0 t

u u

′+

Trong đó: C′, K′t - độ cứng của phần tử đàn hồi và hệ số cản của lốp;

L - chiều dài vết tiếp xúc;

)x(

q - chiều cao mấp mô mặt đường tại toạ độ cục bộ x (-L/2≥ x ≤ L/2);

Zu - dịch chuyển thẳng đứng của trục xe;

uZ ),x(

q& & - đạo hàm của các đại lượng theo thời gian;

)x(dq.V)x(

Khi coi độ cứng của các phần tử đàn hồi không phụ thuộc vào độ biến dạng

của lốp và hệ số cản của lốp không phụ thuộc vào vận tốc Khi biểu thức (2.10)

biến đổi thành

xd)Z)x(q(Kxd)Z)x(q(CG

F

2 / L

2 / L

u t

2 / L

2 / L

u t

ư

′+

Tương tự mục 2.1.1, phản lực thẳng đứng tác dụng từ mặt đường lên ô tô Ft

bằng F khi bánh xe tiếp xúc với mặt đường (F> 0) và bằng không khi bánh xe tách

0

F

0F khi

h t

dx

dqFFdx

Mô hình vết thích ứng thể hiện trên hình 2.6, trong hình vẽ chỉ thể hiện một

phần tử đàn hồi-giảm chấn Phương và giá trị của phản lực từ đường tác dụng lên

bánh xe phụ thuộc vào áp xuất hơi lốp và các phần tử đàn hồi C ′′ và giảm chấn

K ′′ được phân bổ phi tuyến hướng kính

Hình 2.6 Mô hình tiếp xúc vết thích ứng

So sánh bốn mô hình động học lốp ta thấy mô hình tiếp xúc điểm mang ý nghĩa quan trọng khi khảo sát ở tần số cao [12] Với mô hình mặt lốp dải cứng, và vết cố định sẽ làm giảm số lần tách bánh, việc xây dựng mô hình vết thích ứng sẽ mang lại nhiều ưu điểm hơn khi ta xây dựng mật độ phổ lực động lốp xe xuống

đường cũng như có thể lọc được các điểm bất thường của nền ở tần số cao Tuy nhiên việc xây dựng mô hình hết sức khó khăn và phức tạp Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường với mục tiêu phục vụ cho giảng dạy, tác giả chỉ

xây dựng sơ đồ Simulink cho mô hình tiếp xúc điểm

2.2 khối lượng không được treo

Khối lượng không được treo bao gồm những cụm, chi tiết mà trọng lượng của chúng không tác dụng lên hệ thống treo Đó là trục xe, hệ thống chuyển động, một phần các đăng và một phần khối lượng hệ thống treo Trên thực tế bản thân các cụm và chi tiết không phải cứng tuyệt đối mà có sự đàn hồi, biến dạng riêng, nhưng so với biến dạng của hệ thống treo thì rất nhỏ Trong hệ dao động tương

đương của khối lượng không được treo được xem như là một vật thể đồng nhất, cứng hoàn toàn có khối lượng mu Số bậc tự do của khối lượng không được treo là

số toạ độ đủ để xác định vị trí của nó trong không gian Tuỳ thuộc loại hệ thống treo và mô hình dao động, số bậc tự do của khối lượng không được treo có thể là một (đối với hệ thống treo độc lập hoặc trong mô hình dao động phẳng dọc) hoặc

2 đối với hệ thống treo phụ thuộc trong mô hình dao động phẳng ngang, mô hình dao động trong không gian

2.2.1 Mô hình khối lượng không được treo một bậc tự do

Khối lượng không được treo trong mô hình phẳng dọc (hoặc của hệ thống treo độc lập) đơn giảm chỉ là khối lượng có một bậc tự do dịch chuyển theo phương thẳng đứng Zu Chọn gốc toạ độ của Zu ở vị trí ứng với trạng thái cân bằng tĩnh và chiều dương hướng lên trên (hình 4.4)

Hình 2.7 Mô hình động lực học khối lượng không được treo một bậc tự do

Các ngoại lực tác dụng lên khối lượng không được treo mu gồm lực tương tác

với lốp (Ft) và lực tương tác với hệ thống treo (Fs) phương trình động học của khối

lượng không được treo:

s t u

2.2.2 Mô hình khối lượng không được treo hai bậc tự do

Mô hình khối lượng không được treo 2 bậc tự do thể hiện trên hình 2.10 Hai

bậc tự do của khối lượng không được treo là dao động theo phương thẳng đứng Zu

và dao động lắc ngang ϕu Quy ước chiều dương của Zu và ϕu như trên hình vẽ

(hình 2.10), gốc tạo độ ứng với trạng thái cân bằng tĩnh

Hình 2.10 Mô hình khối lượng không được treo hai bậc tự do

F SL , F SR – phản lực tại các điểm nối với hệ thống treo bên trái, bên phải trên

trục; 2d – khoảng cách giữu hai hệ thống treo trên trục; F TL , F TR – phản lực

tương tác vối lốp bên trái và bên phải trên trục; 2d p – khoảng tâm vết bánh xe; I u

– mô men quán tính của khối lượng không được treo; m u – khối lượng không

Hình 2.11 Sơ đồ mô Simulink mô phỏng động lực học khối lượng được treo 2 bậc

tự do

Hình 2.12 Hộp thoại nhập thông số của mô hình

2.3 Phần tử hệ thống treo

Hệ thống treo trên ô tô có nhiệm vụ nối đàn hồi giữa hai khối lượng gồm: trục

xe, bánh xe (khối lượng không được treo) và thân xe (khối lượng được treo) tạo thành một hệ thống dao động

Cấu tạo hệ thống treo bao gồm: phần tử giảm chấn; phần tử đàn hồi và phần

tử dẫn hướng Mỗi phần tử có các nhiệm vụ khác nhau:

- Phần tử giảm chấn: dùng để dập tắt dao động thẳng đứng của của phần

được treo và không đựơc treo

- Phần tử đàn hồi nhận và truyền lên khung vỏ các lực thẳng đứng của

đường, làm giảm nhẹ các tải trọng tác động từ bánh xe lên thân xe và đảm bảo tính êm dịu chuyển động của ô tô (tạo ra tần số dao động phù hợp với con người)

- Phần tử dẫn hướng có nhiệm vụ truyền lực dọc, lực ngang bánh xe lên thân

xe và xác định động học của bánh xe

Trong sơ đồ dao động tương đương của ô tô thì phần tử đàn hồi của hệ thống treo được biểu diễn như một lò xo có độ cứng Cs và phần tử giảm chấn với đại lượng đặc trưng là hệ số cản giảm chấn ký hiệu là Ks

Hệ thống treo trên ô tô được phân loại theo sơ đồ bố trí bộ phận dẫn hướng, gồm: loại treo phụ thuộc với trục liền (loại đơn giảm và loại thăng bằng); loại treo

độc lập với trục cắt (các loại bánh xe dịch chuyển trong mặt phẳng dọc, trong mặt phẳng ngang, trong hai mặt phẳng và loại nến) Theo phần tử đàn hồi, gồm: phần

tử đàn hồi bằng kim loại (nhíp lá, lò xo xoằn, thanh xoắn); loại khí (bầu cao su sợi, bầu màng, loại ống); loại thuỷ lực, thuỷ khí; loại cao su (nén, xoắn) Theo phần tử giảm chấn: loại giảm chấn thuỷ lực (tác dụng một chiều, hai chiều); loại giảm chấn

ma sát và loại giảm chấn điện từ

Trong nghiên cứu dao động ô tô có thể phân loại hệ thống treo thành hai loại:

- Hệ thống treo đơn được bố trí chủ yếu là trên các trục đơn

- Hệ thống treo kép là hệ thống treo được bố trí trên trục kép: 2 trục (hình 2.13 a, b, c, d, e) hoặc 3 trục (hình 2.13f, g)

Hình 2.13 Hệ thống treo kép

a, b, c, d, e – hệ thống treo có 2 trục; f, g – hệ thống treo có 3 trục

Trên ô tô phổ biến nhất là hệ thống treo đơn và hệ thống treo kép loại thăng bằng (hình 2.13 a, b, e), trong khuôn khổ đề tài tác giả tập trung đi xây dựng mô hình cho hai hệ thống treo phổ biến trên

2.3.1 Mô hình hệ thống treo đơn

Với giả thiết khối l−ợng của hệ thống treo đ−ợc chia đều cho phần khối l−ợng

đ−ợc treo và phần khối l−ợng không đ−ợc treo, mô hình động lực học của hệ thống treo đơn chỉ gồm phần tử đàn hồi (Cs) và phần tử giảm chấn (Ks) thể hiện trên hình 2.14

Hình 2.14 mô hình hệ thống treo đơn

Điểm A là điểm nối với khung xe và điểm B là điểm nối với trục xe

Phương trình động lực học của hệ thống:

)ZZ(K)ZZ(C

Fs = s u ư s + s & ưu &s (2.17) Trong đó: Zs, Z&s- độ dịch chuyển, tốc độ dịch chuyển của điểm liên kết với khối lượng được treo;

Zu, Z& - độ dịch chuyển, tốc độ dịch chuyển của điểm liên kết với ukhối lượng không được treo;

Hình 2.16 Hộp thoại nhập số liệu cho mô hình

2.3.2 Mô hình hệ thống treo thăng bằng

Cũng với giả thiết khối lượng của hệ thống treo được chia đều cho phần khối lượng được treo và phần khối lượng không được treo (của trục giữa và trục sau), mô hình động lực học của hệ thống treo thăng bằng chỉ gồm phần tử đàn hồi (Cs)

và phần tử giảm chấn Ks (gồm cản giảm chấn trên trục giũa, trục sau và cản ma sát trong phần tử dẫn hướng quy dẫn) thể hiện trên hình 2.18, điểm A là điểm nối với khung xe tại vị trí trục thăng bằng, điểm B là điểm nối với trục giữa và điểm C là

điểm nối với trục sau Đoạn BC được coi là thanh cứng tuyệt đối không khối lượng

Mk là tổng mô men cản ma sát trong phần tử dẫn hướng và mô men cản nhớt do các phần tử giảm chấn đặt tại các trục giữa và trục sau

Hình 2.17 Kết cấu hệ thống treo thăng bằng cho 2 trục sau