báo cáo thiết kế hệ thống treo

- Bao gồm các bộ phận chính: + Bộ phận dẫn hướng: xác định động học và tính chất dịch chuyển của cácbánh xe dẫn hướng so với khung, vỏ ô tô đồng thời để truyền các lực kéo, phanh, lực bê

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Toàn bộ nội dung đề tài tập trung nghiên cứu tương tác động lực học giữa cầu vàphương tiện đi trên nó, cùng với việc dựa trên các chỉ tiêu về dao động của cầu và ô tô

để thiết kế ra một hệ thống treo vừa thân thiện với cầu, vừa nâng cao tính êm dịu cho

xe Việc này được giải quyết theo hướng làm giảm thiểu phản lực của cầu tác dụng lên thân xe và ngược lại Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn hệ thống treo bán tích cực với luật điều khiển Skyhook để điều khiển các giảm chấn tích cực trong hệ thống treo tạo ra lựcgiảm chấn tối ưu nhất trong từng điều kiện khai thác và cuối cùng là mô phỏng sự tương tác giữa cầu và xe khi sử dụng hệ thống treo đó nhờ Matlab Simulink

Quá trình nghiên cứu đã rút ra kết luận: Việc giảm thiểu phản lực do cầu tác dụng lên xe bằng cách điều khiển các thông số của hệ thống treo là hoàn toàn khả thi

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TREO

- Nhiệm vụ: nối đàn hồi giữa khung, vỏ xe với các cầu (các bánh xe) của ôtô, giảm các tải trọng động, và dập tắt các dao động của các bộ phận được treo khi xe đi trên đường không bằng phẳng Dùng để truyền các lực và moomen tác động giữa bánh

xe và khung xe (vỏ xe)

- Bao gồm các bộ phận chính:

+ Bộ phận dẫn hướng: xác định động học và tính chất dịch chuyển của cácbánh xe dẫn hướng so với khung, vỏ ô tô đồng thời để truyền các lực kéo, phanh, lực bên và các moomen phản lực của chúng lên khung hoặc vỏ xe.+ Bộ phận đàn hồi: nhận và truyền lên khung các lực thẳng đứng của đường, giảm tải trọng động khu xe chạy trên đường không bằng phẳng, đảm bảo tính năng êm dịu của ô tô

+ Bộ phận giảm chấn: cùng với ma sát bên trong của hệ thống treo, bộ phận giảm chấn hấp thụ những năng lượng của thân xe (vỏ xe) và bánh xetrên cơ sở biến cơ năng thành nhiệt năng

- Yêu cầu:

+ Đảm bảo cho ô tô có tính năng êm dịu tốt khi chạy trên đường cứng và bằng phẳng

+ Đảm bảo cho ô tô chạy với tốc độ giới hạn khi xe chạy trên đường mà không có các va đập lên các ụ đỡ.

+ Đảm bảo động học đúng của các bánh xe dẫn hướng khi chúng dạo động trong mặt phẳng thẳng đứng

+ Dập tắt nhanh các dao động của thùng xe và vỏ xe

+ Giảm độ nghiêng bên của thùng xe khi quay vòng

1.2 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ

Hiện nay có nhiều chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, các nước cónền công nghiệp ô tô phát triển đưa ra các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển độngkhác nhau Các công trình trong và ngoài nước đã đưa ra một số chỉ tiêu đánh giá độ

êm dịu chuyển động của ô tô như sau:

số dao động của ô tô nằm trong giới hạn sau: [4]

- Đối với xe con: nk = 60÷90 lần/phút (1÷1.5Hz);

- Đối với ô tô tải: nk = 100 ÷ 120 lần/phút (1.6÷2 Hz)

Ở Việt Nam, chỉ số này được đề nghị là nhỏ hơn 2.5Hz đối với các ô tô sản xuấtlắp ráp trong nước

/ 5

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 chấtngẫu 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 theocông thức:

) ( 01

0 1

) ( 18 01

0 1

5 12

RMS

0

2 ( )

1 ) (   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 người kích thích, khi ngồi lâu trên xe giá trị giới hạn (K) = 10 ÷25; khi đi ngắn [K] = 25 ÷ 63 [31]

Trong thực tế đối với ô tô, dạng điển hình dao động là ngẫu nhiên, khi đó nhờphân tích phổ dao động, giá trị hệ số K được xác định theo công thức:







n i i

K K

1 2

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 độngphụ thuộc vào công suất dao động truyền cho con người Công suất trung bình truyềnđến con người được xác định theo công thức:

( 1

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

V(t) – vận tốc dao độngCon người có thể xem là một hệ dao động và cảm giác con người phụ thuộc vàotần số dao động, do đó con ta có thể đưa vào hệ số hấp thụ Ky có tính đến ảnh hưởngcủa tần số lực kích động và hướng tác động của nó Khi tác động n thành phần với cácgiá trị bình phương trung bình của gia tốc RMS (ai) thì công suất dao động có thể xácđịnh theo công thức:

2

1 ( )

) ( ).

bình gia tốc theo phương dọc, RMS(Y ) – giá trị bình phương trung bình gia tốc theophương ngang Công suất tổng cộng truyền đến con người được xác định theo côngthức sau:

i yi

i xi

gi zgi

2

) (

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

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

[Nc] = 6 ÷ 10 (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 nhữngtác động truyền qua ghế ngồi vì trong tư thế đứng tác động của dao động yếu đi bởi cáckhớp xương của chân Các dao động con người chịu trong tư thế ngồi sẽ làm tổnthương 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 hóa ISO đưa ra năm 1969 cho phép đánh giá tácdụng 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 tiêuchuẩn khác ở chỗ có tính đến thời gian tác động của dao động Để đánh giá cảm giácngười ta sử dụng dao động thẳng đứng điều hòa tác dụng lên người ngồi và ngườiđứng trong 8 giờ Nếu tần số tác động ở trong giới hạn nhạy cảm nhất với dao độngcủa con người (4÷8 Hz) thì bình phương gia tốc trung bình đối với các giới hạn: -

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

1.3 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG CỦA CẦU

Công trình cầu được thiết kế để tránh được những hiệu ứng không mong muốn về kết cầu và tâm lý do biến dạng gây nên Khi giới hạn về độ võng và chiều cao đã được lựa chọn thì trừ các bản mặt cầu trực hướng, bất cứ sự thay

đổi nào đã được xem xét cẩn thận trước đó về độ mảnh và độ võng đều phải được đối chiếu với thiết kế để xác định xem có hòan thiện không.

Các tiêu chuẩn ở phần này, ngoài các quy định cho mặt cầu trục hướng, được xem như là tùy chọn Các quy định cho mặt cầu trục hướng được coi là bắtbuộc

Trong khi áp dụng các tiêu chuẩn này, tải trọng xe cần bao gồm các lực xung kích Nếu muốn kiểm tra độ võng thì tiến hành theo các bước sau:

- Khi nghiên cứu độ võng tuyệt đối lớn nhất, tất cả các làn xe thiết kế phải được đặt tải và tất cả các cấu kiện chịu lực cần coi võng lớn như nhau

- Về thiết kế cầu lien hợp, mặt cắt ngang thiết kế phải bao gồm tòan bộ chiều rộng của đường và những bộ phận liên tục về kết cấu của lan can, đường người đi và rào chắn ở giữa

- Khi nghiên cứu chuyển vị tương đối lớn nhất, số lượng và vị trí của các làn đặt tải phải chọn để cho hiệu ứng chênh lệch bất lợi nhất

- Phải dùng họat tải của tổ hợp tải trọng kể cả lực xung kích IM

- Đối với cầu chéo có thể dùng mặt cắt ngang thẳng góc, với cầu cong và vừa cong vừa chéo có thể dùng mặt cắt ngang xuyên tâm Trong khi thiếu các tiêuchuẩn khác, các giới hạn về độ võng sau đây có thể xem xét cho kết cấu thép,nhôm và bê tông

+ Tải trọng xe và/ hoặc người đi bộ: L/1000

Các quy định sau đây được dung cho mặt cầu bản trực hướng:

+ Tải trọng xe trên sườn của mặt cầu thép trực hướng: L/1000

+ Tải trọng xe trên sườn của mặt cầu thép trực hướng (độ võng tương đối lớn nhất giữa 2 sườn cạnh nhau): 2,5 mm

- Biến dạng do tải trọng khai thác có thể làm hư hỏng lớp áo đường và gây các vết nứt cục bộ trong bản mặt cầu Độ võng thẳng đứng và dao động do hoạt tải có thể gây không an toàn cho lái xe Để hạn chế các hiệu ứng này, đã kiếnnghị các tiêu chuẩn độ võng không bắt buộc như sau:

+ Độ võng do hoạt tải của dầm và bản đơn giản bằng 1/800 nhịp+ Độ võng do hoạt tải của cầu dầm hẫng bằng 1/300 nhịp

Trong đó, họat tải bao gồm cả lực xung kích, IM và hệ số làn xe m

- Khi tính đến hệ số do họat tải cần lấy trị số lớn hơn của xe tải đơn hoặc tổ hợp của 25% xe tải cùng với tải trọng làn.Tất cả các làn thiết kế đều chất tải

và tất cả dầm đều giả thiết cùng chịu tải trọng bằng nhau.Điều này giống như

hệ số phân bố độ võng g bằng số làn chia cho số dầm chủ

- Độ võng tính toán của cầu rất khó kiểm tra ngoài hiện trường vì các độ cứng phụ do lan can, đường người đi, dải phân cách giữa thường không được tính đếntrong thiết kế Do đó khi tính độ võng tức thời có thể dùng mô đun đàn hồi Ec theo phương trình ở dưới và mômen quán tính tiết diện nguyên Ig và mômen quán tính nứt Icr

- Độ võng lâu dàu có thể lấy đơn giản bằng 4 lần độ võng tức thời:

, 1,5

1.4 TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Cầu cao tốc thường bị xuống cấp nghiêm trọng trong thời gian sử dụng, nguyênnhân chính là do tần suất hoạt động của xe tải hạng nặng thường vượt quá dự đoáncủa nhà thiết kế Kết quả là nhiều cây cầu đã phải ngưng hoạt động khi vẫn còn hạn sửdụng Những cây cầu này cần được cấp thiết thay thế hoặc sửa chữa, nếu không, giảipháp duy nhất để đưa những cây cầu này trở lại hoạt động là giảm tần suất hoạt động

của những chiếc xe tải hạng nặng Do vậy, việc dự đoán chính xác phản lực của cầu

và ô tô là rất quan trọng, nhờ vào việc dự đoán này chúng ta sẽ xây dựng được hệthống treo bán chủ động hiệu quả, giúp làm giảm sự xuống cấp nhanh chóng củanhững cây cầu

Nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ cho các cây cầu, một số giải pháp đã được đưanhằm giảm bớt rung động của cầu, chúng tôi muốn các bạn cùng tìm hiểu một phátminh tương tự về “hệ thống treo thông minh” dành cho “những chiếc xe thân thiện vớicầu” Hệ thống treo của những chiếc xe này có thể điều chỉnh để giảm thiểu lực tácđộng lên cầu

CHƯƠNG II: MỘT SỐ GIẢM CHẤN TÍCH CỰC

Giảm chấn trong hệ thống treo có tác dụng dập tắt dao động của khối lượng đượctreo và khối lượng không được treo Có hai loại giảm chấn là giảm chấn tích cực vàgiảm chấn bị động Với loại giảm chấn tích cực (hệ số cản của giảm chấn có thể thayđổi được), lực giảm chấn được thay đổi tùy theo điều kiện làm việc của xe

Về đặc tính, giảm chấn tích cực được chia thành hai loại cơ bản: loại hệ số cảncủa giảm chấn có thể thay đổi liên tục và loại hệ số cản của giảm chấn thay đổi kiểu

“On-Off” Về mặt kết cấu giảm chấn tích cực được chia thành 4 loại: giảm chấn thủylực có van tiết lưu thay đổi; giảm chấn điện hóa; giảm chấn thủy lực có van tiết lưuthay đổi; giảm chấn điện hóa; giảm chấn từ hóa và loại giảm chấn ma sát tích cực

2.1 Giảm chấn thủy lực có van tiết lưu thay đổi

2.1.1 Giảm thủy lực có van tiết lưu thay đổi kiểu “On-Off”

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của giảm chấn thủy lực có van tiết lưu thay đổikiểu “on-Off” về cơ bản giống như giảm chấn bị động, chỉ khác ở chỗ lực giảm chấn

có thể điều chỉnh được bằng cách đóng mở các lỗ tiết lưu phụ Trên hình 2.1a là kếtcấu giảm chấn tích cực của hãng TOYOTA [10] Giảm chấn có ba cặp lỗ tiết lưu trongvan quay, các van này gắn liền với cần điều khiển và nó được dẫn động bởi bộ chấp

hành điều khiển giảm chấn, cần piston cũng có ba lỗ Van quay quay bên trong cầnpiston và đóng mở các lỗ làm thay đổi lượng dầu đi qua Cần Piston và van quay(chúng quay cùng một cụm với cần điều khiển) có các lỗ tiết lưu ở ba trạng thái (hình2.1b) Khi van quay quay (chúng quay cùng một cụm với cần điều khiển) có các lỗ tiếtlưu ở ba trạng thái (hình 2.1b) Khi van quay quay, các lỗ tiết lưu được mở hoặc đống.Đường đặc tính của giảm chấn ở 3 chế độ: cứng, trung bình và mềm thể hiện trên hình2.1c.

Hình 2.1:Giảm chấn thủy lực có van tiết lưu thay đổi liên tục kiểu “on-off”

a) kết cấu ; b) các chế độ giảm chấn; c) đường đặc tính;

1-nắp; 2,3- vòng chắn dầu; 4- lò xo; 5- ống dẫn hướng; 6- vỏ ngoài; 7- xi lanh; 8-cần điều khiển; 9-cần piston; 10- van quay; 11-piston; 12,13,14- lỗ tiết lưu; 16-đế van; 17-lò xo; 19-van giảm tải; 20- tai nối; 21-van nạp;

2.1.2 Giảm chấn thủy lực có van tiết lưu thay đổi liên tục

Giảm thủy lực có van tiết lưu thay đổi [14] thường được sử dụng trên các ô tô cótải trọng lớn Kết cầu gần giống như giảm chấn bị động thông thường, sự khác biệtchính của giảm chấn này la diện tích lỗ van tiết lưu có thể thay đổi để thay đổi hệ sốcản Giảm chấn này có ưu điểm là hệ số cản thay đổi với đáp ứng

nhanh, chính xác, van tiết lưu có thể hoạt động với tần số đóng mở từ 0÷100Hz Trênhình 2.2 thể hiện kết cấu của giảm chấn thủy lực có van tiết lưu thay đổi liên tục

(b) (a)

Hình 2.2: Giảm chấn thủy lực có van tiết lưu thay đổi liên tục

a) sơ đồ thủy lực; b) mặt cắt ngang giảm chấn (bình điều áp, lọc dầu, và van một chiều không thể hiện ); 1-van trượt; 2- nam châm điện; 3- bộ biến đổi vị trí; 4- piston van một chiều

Kết cấu van tiết lưu (hình 2.3) bao gồm bốn thành phần chủ yếu: bộ khuyếch đạinăng lượng; nam châm điện; van trượt và bộ biến đổi vị trí

Bộ khuyếch đại năng lượng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển thành dòngđiện cảm ứng Nam châm điện dùng để tạo ra lực điện từ từ dòng cảm ứng tác động lênthanh trượt của van Bộ biến đổi vị trí được xem như khâu tuyến tính không trễ trongkhoảng tần số 0 ÷100Hz

Hình 2.3:1-van trượt; 2- nam chân điện; 3- bộ biến đổi vị trí

Đường đặc tính của giảm chấn thể hiện trên hình 2.4, mỗi đường cong phụ thuộcvào vận tốc của piston và độ mở của mặt cắt tiết diện nơi dầu đi qua từ khoang này đếnkhoang khác trong thân của giảm chấn

vận tốc piston[m/s]

Hình 2.4: Đường đặc tính của giảm chấn

2.2 Giảm chấn từ hóa MR (Magneto-Rheological)

Chất từ hóa là chất liệu có đặc trưng bởi sự thay đổi trong thuộc tính từ học (độ

co giãn, độ dẻo, hay độ nhớt) dưới tác dụng của điện tử Chất lỏng từ hóa gồm các hạtnhiễm từ dư trong lòng chất lỏng mang nó Các hạt nhiễm từ này thường là các hạt gốcCacbonyl Các loại dung môi chứa các hạt nhiễm từ như dầu silicone, dầu lửa, dầutổng hợp có thể được sử dụng cho chất lỏng từ hóa Chất lỏng này phải được chọn đểthích nghi với nhiệt độ cao Chất lỏng phải liên kết với các hạt nhiễm từ, không đượcthay đổi tính chất không mong muốn và mất chất lượng Chất lỏng từ hóa phải chứacác chất phụ gia để ngăn không cho đóng cặn và phân tán của các hạt nhiễm từ Kếtcấu giảm chấn MR thể hiện trên hình 2.5 [26]

Hình 2.5: a)kết cấu; b) các phẩn tử;

1-piston phản ứng; 2- đế piston; 3- cán piston; 5-khoang chứa Nitơ; 6- dây dẫn; 7- thân giảm chấn; 8- chất lỏng MR

Nguyên lý làm việc thể hiện trên hình 2.6 Ở trạng thái trả (hình 2.6c), chất lỏng

MR di chuyển từ phía trên piston xuống dưới qua van tiết lưu MR, piston phản ứng dichuyển lên trên bù vào lượng chất lỏng MR do cần piston chiếm chỗ Trạng thái nén(hình 2.6b), chất lỏng MR di chuyển từ phía dưới piston lên phía trên qua van tiết lưu

MR, piston phản ứng dịch chuyển xuống dưới tạo không gian cho piston giảm chấn.Van tiết lưu MR là lỗ có kích thước đã định có khả năng cung cấp từ trường, sử dụngnam châm điện để điều chỉnh lỗ Tư trường này làm thay đổi tính nhớt của chất lỏng

MR, là nguyên nhân gây thay đổi áp lực của dòng chất lỏng qua lỗ tiết lưu Áp lực thayđổi tỷ lệ trực tiếp với lực cần thiết để dịch chuyển cần piston Hiểu theo cách thôngthường, đặc tính của giảm chất MR là hàm của dòng điện chạy vào cuộn dây namchâm điện Nhờ mối quan hệ này hệ số cản của giảm chất MR dễ dàng điều khiển đượctheo thời gian thực Đường đặc tính thể hiện trên hình 2.7

Hình 2.6: Nguyên lý động lực học giảm chấn MR a- sơ đồ nguyên lý; b- trạng thái nén; c- trạng thái trả.

hai phần tử chuyển động tương đối với nhau Loại giảm chấn này có thể sử dụng trongmôi trường khắc nghiệt và môi trường chân không, những nơi mà giảm chấn thủy lực

bị hạn chế

Trái ngược với các giảm chấn sử dụng chất lỏng, giảm chấn ma sát có thể cách

ly dao động rất tốt khi lực truyền qua giảm chấn ma sát có giới hạn Với hệ thống điềukhiển phản hồi dải tần thấp, giảm chấn này có thể triệt tiêu dao động, duy trì khả năngcách ly dao động rất tốt Giảm chấn ma sát tích cực có thể sinh ra lực giảm chấn đáng

kể khi có chuyển động tương đối giữa hai đầu giảm chấn nhỏ, điều này không thể cóđối với các giảm chấn sử dụng chất lỏng

Hình 2.8 :Giảm chấn ma sát tích cực 1-vỏ ngoài; 2- gia tốc kế; 3- vật liệu tích cực (cung cấp lực ma sát biến đổi ); 4-

lò xo bị động.