Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến dao động ô tô minibus đóng tại việt nam

Tuy nhiên do tính chất phức tạp của vấn đề nên phần lớn các tác giả đều phải sử dụng các giả thiết để đơn giản hoá mô hình như: Chỉ nghiên cứu mô hình phẳng, hệ dao động thực tế được chu

Trường đại học bách khoa hà nội

***************************

NGUYỄN ANH NGỌC

NGHIấN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THễNG

SỐ KẾT CẤU ĐẾN DAO ĐỘNG ễ Tễ MINIBUS

ĐểNG TẠI VIỆT NAM

Chuyờn ngành: ễ tụ

Mó số :

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà nội 2008

lêi nãi §Çu

Ô tô là phương tiện vận tải có vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh tế

quốc dân, vì nó có những ưu điểm đặc hẳn các loại phương tiện vận tải khác như:

thông dụng, đơn giản, dễ sử dụng và 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, đã cho ra đời nhiều loại ô tô hiện đại phục vụ cho nhu cầu và mục đích sử dụng

của con người Việc thiết kế các hệ thống, các cụm chi tiết trên ôtô, cũng như đánh

giá chất lượng làm việc của chúng ngày càng được quan tâm nghiên cứu nhằm nâng

cao chất lượng của ôtô

Dao động của ô tô là một vấn đề hiện đang rất cần được quan tâm nghiên cứu

để nâng cao chất lượng khai thác ô tô Hiện nay các phương pháp mô phỏng số đang

được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các cơ hệ, đặc biệt quá trình mô phỏng đã thể

hiện được tính ưu việt cao và nó có thể miêu tả được cả các hệ phi tuyến khi áp

dụng vào mô phỏng hệ dao động của ô tô

Trong thời gian vừa qua đã có rất nhiều tác giả đề cập tới vấn đề nghiên cứu

dao động của ô tô Tuy nhiên do tính chất phức tạp của vấn đề nên phần lớn các tác

giả đều phải sử dụng các giả thiết để đơn giản hoá mô hình như: Chỉ nghiên cứu mô

hình phẳng, hệ dao động thực tế được chuyển thành hệ tuyến tính hoặc phi tuyến

yếu… dẫn tới các kết quả nghiên cứu còn rất nhiều hạn chế Bên cạnh đó, các xe

đóng tại Việt nam đặc biệt là xe chở khách chưa được nghiên cứu sâu về dao động

Xuất phát từ những yêu cầu trên, tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh

hưởng của các thông số kết cấu đến dao động của ô tô minibus đóng tại Việt

nam” Đề tài đã tập trung vào nghiên cứu mô phỏng hệ dao động của ô tô có xét

đến các yếu tố phi tuyến từ đó làm cơ sở cho việc chọn các thông số kết cấu hợp lý

đảm bảo độ êm dịu chuyển động cho xe Đây là những công việc hữu ích và vô

cùng quan trọng cho việc nghiên cứu dao động của ô tô ở những quá trình thử

nghiệm ban đầu nhằm tiết kiệm thời gian, khối lượng tính toán và giảm chi phí cho

các thí nghiệm đo đạc trên các sản phẩm thử nghiệm trong thực tế

Trong quá trình thực hiện luận văn , tôi đã được PGS_TS.Lưu Văn Tuấn

cùng tập thể cán bộ giảng dạy của bộ môn Ôtô Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

và các bạn đồng nghiệp tận tình giúp đỡ và chỉ bảo Tôi xin được bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc đối với PGS_TS.Lưu Văn Tuấn và các thày giáo của bộ môn Ôtô và Xe

chuyên dụng Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để

tôi hoàn thành đề tài này

Mặc dù đề tài đã đạt được một số kết quả nhất định, tuy nhiên do khả năng

và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn đã không tránh khỏi những sai sót Rất

mong được sự đóng góp ý kiến chân thành của các Thày giáo, các nhà khoa học,

đồng nghiệp và bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội ngày 10 tháng 11 năm 2008

Học viên

Nguyễn Anh Ngọc

CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA XE

Fqt1T,

Fqt1P N Lực quán tính của khối lượng không được treo trước trái, phải

Ftl1T, Ftl1P N Trọng lực của khối lượng không được treo trước trái, phải

FC1T, FC1P N Lực đàn hồi của hệ thống treo trước trái, phải

FK1T, FK1P N Lực cản giảm chấn của hệ thống treo trước trái, phải

Lực cản giảm chấn của bánh xe trước trái, phải

FK2T, FK2P N Lực cản giảm chấn của hệ thống treo sau trái, phải

FCL2T,

FCL2P N Lực đàn hồi của bánh xe sau trái, phải

FKL2T,

FKL2P N Lực cản giảm chấn của bánh xe sau trái, phải

FL1T, FL1P N Lực truyền từ lốp lên cầu trước trái, phải

phải

FL2T, FL2P N Lực truyền từ lốp lên hệ thống treo sau trái, phải

Jx 578 Nms2 Mô men quán tính khối lượng được treo theo trục quay x

Jy 1915 Nms2 Mô men quán tính khối lượng được treo theo trục quay y

theo trục quay x

K1tn 1297,5 Ns/m Hệ số cản của giảm chấn trước khi trả nhẹ

K2nm 210 Ns/m Hệ số cản của giảm chấn sau khi nén mạnh

thống treo trước, sau

M1T, M1P Nm Mô men tác truyền từ hệ thống treo trước trái, phải

M2T, M2P Nm Mô men tác truyền từ hệ thống treo sau trái, phải

MT, MP Nm Mô men tác dụng lên thân xe được truyền từ hệ thống treo phía trái, phải

q1T, q1P m Kích động của mặt đường tác động lên lốp trước trái, phải

q2T, q2P m Kích động của mặt đường tác động lên lốp sau trái, phải

t s Thời gian dao động

Z m Toạ độ suy rộng của trọng tâm thân xe theo phương thẳng đứng

Z1T, Z1P m Toạ độ điểm treo trước trái, phải với khung xe

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Sự phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt nam

1.1.1 Tình hình phát triển, quan điểm phát triển trong tương lai

Từ khi thực hiện chính sách đổi mới, mở cửa nền kinh tế Việt nam đã có sự

tăng trưởng mạnh mẽ của các ngành kinh tế, đời sống của nhân dân được nâng cao

Trong xu thế phát triển chung đó ngành công nghiệp ôtô Việt nam cũng không

ngừng phát triển trở thành một trong những ngành kinh tế mũi nhọn Trong thực tế

ngành công nghiệp ôtô Việt nam đã có từ khá lâu nhưng thực sự mới phát triển

trong vòng 20 năm trở lại đây và phát triển trên cơ sở nội lực liên doanh liên kết

Hiện nay, nền công nghiệp ôtô Việt nam cơ bản gồm có 3 thành phần:

+ Các công ty liên doanh ôtô: Bao gồm các liên doanh của các công ty ôtô

nổi tiếng thế giới như: Liên doanh Toyota Việt nam, Ford Việt nam, Vidamco,

Nissan tính đến năm 2000 có 11 công ty liên doanh Đầu năm 2005 ra đời liên

doanh thứ 12 của hãng Honda xuất hiện với dòng xe CIVIC đã được ưa chuộng trên

thế giới

+ Các doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ôtô phát triển trên cơ sở các công ty cơ

khí quốc doanh: Công ty ôtô Hoà Bình, công ty ôtô 1-5, công ty ôtô 3-2

+ Các doanh nghiệp tư nhân: Doanh nghiệp tư nhân Xuân Kiên, Công ty ôtô

Trường Hải, công ty TNHH ôtô Chiến Thắng, MêKông ô tô…

Trong đó có gần 20 cơ sở lắp ráp ôtô, gần 20 cơ sở sản xuất thân xe, rơmooc và hơn

60 cơ sở sản xuất phụ tùng xe

Trong những năm gần đây nền công nghiệp ôtô Việt nam có những chuyển

biến tích cực đó là việc tham gia ngày càng nhiều của các công ty tư doanh, họ cũng

rất mạnh dạn trong việc đầu tư không chỉ trong lĩnh vực lắp ráp mà còn đầu tư trong

việc mua dây chuyền công nghệ của các nước khác như Nhật Bản, Trung Quốc,

Hàn Quốc, như công ty Xuân Kiên, công ty ôtô Chiến Thắng Đồng thời có sự tăng

trưởng mạnh mẽ các nhà máy sản xuất phụ tùng ôtô cung cấp cho các nhà máy lắp

ráp ôtô trong nước và tiến tới xuất khẩu ra thị trường trong khu vực

Mặc dù đã có sự phát triển nhưng cho đến nay thực tế sự phát triển của nền

công nghiệp ôtô Việt nam vẫn là trong lĩnh vực lắp ráp thuần tuý Trong khi đó thì

chất lượng ôtô lại chỉ ở mức trung bình, tỷ lệ nội địa hoá chưa đạt, công nghệ vẫn

còn rất hạn chế Ngoài ra, do nền kinh tế của đất nước đang trên đà phát triển, cơ sở

hạ tầng giao thông ngày càng được cải thiện đáng kể, đời sống của nhân dân càng

ngày càng được nâng cao thì nhu cầu sử dụng ôtô của thị trường trong nước ngày

càng tăng Số lượng xe ôtô đưa vào sử dụng trong những năm qua ngày càng tăng

mạnh tuy nhiên vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu của thị trường trong nước

Sau nhiều năm Chính Phủ đã định hình được ở Việt nam có 4 tổng công ty

đầu mối về sản xuất ôtô đó là: VINAMOTOR, VEAM, VINACOAL và

SAIGONMOTOR bao quát tất cả những loại xe cần thiết Để định hướng cho nền

công nghiệp ôtô Việt nam phát triển trong những năm tới Chính Phủ và đặc biệt là

Bộ Công Thương và một số ngành có liên quan đã đưa ra những chính sách, giải

pháp để phấn đấu đến năm 2020 công nghiệp ô tô Việt nam sẽ trở thành một ngành

công nghiệp quan trọng của đất nước có khả năng đáp ứng ở mức cao nhất nhu cầu

của thị trường trong nước, tham gia vào thị trường khu vực và thế giới

1.1.2 Chính sánh nội địa hoá và phát triển công nghiệp ô tô trong nước

a Quan điểm cơ bản về phát triển ngành công nghiệp ôtô:

- Công nghiệp ôtô là ngành công nghiệp quan trọng, cần được ưu tiên phát

triển để phục vụ có hiệu quả trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và củng

cố an ninh quốc phòng của đất nước

- Phát triển ngành công nghiệp ôtô Việt nam nhằm đáp ứng nhu cầu trong

nước đồng thời tạo động lực cho các ngành công nghiệp hỗ trợ khác phát triển, từng

bước nâng cao khả năng xuất khẩu phụ tùng ôtô sang các nước trong khu vực và thế

giới

- Phát triển ngành công nghiệp ôtô trên cơ sở đẩy mạnh quá trình liên doanh,

liên kết trong nước và phân công hợp tác quốc tế Tổ chức sản xuất theo hướng

chuyên môn hóa cao trên cơ sở hình thành các khu công nghiệp phụ trợ làm vệ tinh

cho các doanh nghiệp lớn sản xuất và lắp ráp ôtô

- Phát triển ngành công nghiệp ôtô với phương châm đi tắt đón đầu trên cơ

sở tiếp thu công nghệ tiên tiến của thế giới kết hợp với việc đẩy mạnh hoạt động

nghiên cứu phát triển trong nước và tận dụng có hiệu quả cơ sở vật chất, trang thiết

bị sẵn có nhằm nhanh chóng đáp ứng nhu cầu trong nước

- Phát triển ngành công nghiệp ôtô phải phù hợp với chính sách tiêu dùng của

đất nước và phải đồng bộ với việc phát triển hệ thống hạ tầng giao thông, các yêu

cầu về bảo vệ và cải thiện môi trường

Để đẩy nhanh quá trình phát triển nền công nghiệp ôtô Việt nam, đồng thời tạo

động lực cho các ngành công nghiệp hỗ trợ khác phát triển thì Bộ Công Nghiệp đã

có những định hướng phát triển cụ thể trong giai đoạn từ nay đến năm 2010 như:

- Tập trung sản xuất các loại ôtô thông dụng và ôtô chuyên dùng hiện đại

đang có nhu cầu lớn trong nước

- Ưu tiên đầu tư vào lĩnh vực sản xuất phụ tùng ôtô, khuyến khích phát triển

những ngành công nghiệp hỗ trợ nhằm phục vụ hiệu quả nhu cầu trong nước và

xuất khẩu phụ tùng ôtô ra nước ngoài

- Các dự án sản xuất động cơ ôtô thuộc chương trình cơ khí trọng điểm sẽ

được giao cho các doanh nghiệp nhà nước để đảm bảo tập trung nguồn lực, tránh

phân tán, tạo thuận lợi cho khả năng cung cấp cho thị trường

- Kết hợp phương thức sản xuất lắp ráp ban đầu với việc từng bước nâng cao

khả năng chế tạo trong công nghiệp ôtô Việt nam Khuyến khích tăng tỷ lệ nội địa

hóa trong công nghiệp phụ tùng ôtô

- Trước mắt không phát triển thêm các doanh nghiệp sản xuất ôtô cao cấp

Các doanh nghiệp trong nước sản xuất và lắp ráp ôtô khi xây dựng các dự án đầu tư

mới đều phải thực hiện đầy đủ các nguyên tắc lựa chọn các dự án đầu tư đã được

xác lập trong Quy hoạch phát triển công nghiệp ôtô 2005, tầm nhìn 2010

- Coi trọng đầu tư vào khâu tư vấn thiết kế và chuyển giao công nghệ trong

công nghiệp ôtô nhằm nâng cao năng lực cho ngành, đẩy mạnh công tác xúc tiến

thương mại để hỗ trợ và khuyến khích các doanh nghiệp xuất khẩu phụ tùng ôtô

b Mục tiêu phát triển:

Phát triển ngành công nghiệp ôtô Việt nam trên cơ sở tiếp thu và ứng dụng

công nghệ tiên tiến của thế giới kết hợp khai thác và từng bước nâng cao công nghệ

và thiết bị hiện có, đáp ứng phần lớn nhu cầu thị trường về phụ tùng và ôtô trong

nước, hướng tới xuất khẩu phụ tùng và ôtô

- Về các loại xe thông dụng (xe tải nhỏ, xe khách, xe con…): Đạt tỷ lệ nội

địa hoá 60% và đáp ứng trên 80% nhu cầu trong nước về số lượng vào năm 2010

(riêng phần động cơ phấn đấu đạt tỷ lệ nội địa hoá 50% và hộp số đạt 90%)

- Về các loại xe chuyên dùng: Đạt tỷ lệ 60% tỷ lệ nội địa hoá và đáp ứng

khoảng 60% nhu cầu trong nước về số lượng

- Các loại xe du lịch do liên doanh hoặc doanh nghiệp trong nước sản xuất

đạt tỷ lệ nội địa hoá là 40-45% vào năm 2010

- Các loại xe xe tải, xe khách cao cấp đạt tỷ lệ nội địa hoá 35-40% và đáp

ứng 80% nhu cầu thị trường trong nước vào năm 2010

- Đồng thời phấn đấu xuất khẩu phụ tùng ôtô đạt 5-10% giá trị tổng sản

lượng của ngành vào năm 2010 và nâng dần giá trị kim ngạch xuất khẩu cho đến

giai đoạn tiếp theo

Ngoài những yêu cầu đạt ra cho ngành công nghiệp sản xuất ôtô Việt nam thì Chính

Phủ có những giải pháp và chính sách hỗ trợ sau:

+ Các chính sách về thuế đối với ôtô, linh kiện phụ tùng ôtô

+ Các chính sách và giải pháp về thị trường

+ Bảo vệ thị trường

+ Tạo lập thị trường

+ Các chịnh sách và giải pháp về đầu tư

+ Chính sách và giải pháp về khoa học và công nghệ

+ Chính sách và giải pháp về nguồn nhân lực

+ Các chính sách và giải pháp về huy động vốn

+ Các chính sách và giải pháp về quản lý ngành

+ Tổ chức thực hiện

c Đặc điểm thị trường ôtô Việt nam:

Thị trường ôtô Việt nam có thể chia làm 2 loại cơ bản như sau:

- Với thị trường xe du lịch: Đây là thị trường có yêu cầu rất cao đòi hỏi xe

phải có chất lượng cao kiểu dáng đẹp, tiện nghi hiện đại vì xe phục vụ cho du lịch

và mục đích trang trí vui chơi Thị trường này dành cho giới thượng lưu và các cơ

quan doanh nghiệp chuyên chỉ phục vụ cho công việc đi lại của lãnh đạo nên nhu

cầu ngày càng phát triển mạnh khi nền kinh tế phát triển Nhưng trong điều kiện

hiện nay thì khi công nghệ của các nhà máy ôtô Việt nam chưa thể đáp ứng được

yêu cầu thì thị phần này chủ yếu dành cho các công ty liên doanh với nước ngoài có

công nghệ tiên tiến và xe nhập khẩu

- Với thị trường xe thương mại: Xe phục vụ cho mục đích kinh doanh vận tải

như: xe bus, xe vận tải hàng hoá, xe chuyên dùng Đây được đánh giá là thị trường

nhiều tiềm năng và rộng lớn, đồng thời có thể coi là vừa sức với các nhà máy ôtô

Việt nam trong giai đoạn hiện nay Trong xu thế dịch vụ vận tải hành khách công

cộng và dịch vụ vận tải hàng hoá ngày càng cao, đặc biệt là loại hình xe bus và xe

vận tải cỡ nhỏ phù hợp cho các vùng đô thị và nông thôn vận tải cung đường ngắn,

số lượng ít Hàng năm có hàng nghìn xe hết niên hạn sử dụng theo nghị định

23/2004/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ và lộ trình xe quá “đát” Từ 1/1/2005 sẽ

loại bỏ 16.600 xe tải và hơn 6.600 xe khách, con số này tiếp tục tăng nên trong

những năm tới, đặc biệt là chủ trương loại bỏ hoàn toàn xe công nông, bông sen trên

toàn quốc vào năm 2007 của Chính phủ đòi hỏi một lượng không nhỏ xe tải nhỏ, xe

khách để thay thế Đây là một thị trường đầy sức hấp dẫn để công nghiệp ôtô Việt

nam đầu tư phát triển chiếm lĩnh thị trường đặc biệt là doanh nghiệp nhà nước và

doanh nghiệp tư nhân

Theo dự báo của Bộ công nghiệp đến năm 2010, nhu cầu ôtô của Việt nam sẽ

vào khoảng 100000 xe/năm Để thực hiện mục tiêu này, Bộ công nghiệp đang soạn

thảo kế hoạch phát triển ngành ôtô Việt nam Theo đó, Bộ sẽ kiến nghị với Chính

phủ cho vay ưu đãi đối với các doanh nghiệp đầu tư sản xuất ôtô giá rẻ, giảm thuế

nhập khẩu đối với các linh kiện mà trong nước chưa sản xuất được

Tóm lại thị trường ôtô Việt nam là thị trường mở, đầy tiềm năng có tác động

tích cực thúc đẩy ngành sản xuất ôtô Việt nam đầu tư phát triển, đặc biệt là đầu tư

phát triển các nhà máy sản xuất, lắp ráp xe Minibus và xe tải nhỏ đáp ứng nhu cầu

thị trường trong nước và tiến tới xuất khẩu sang khu vực và thế giới

1.2 Tổng quan về nghiên cứu dao động ô tô

1.2.1 Các nghiên cứu về dao động của ô tô trong nước

Ngành công nghiệp ô tô Việt nam đang trong quá trình hình thành và phát

triển dần trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn hàng đầu của đất nước Những

năm vừa qua Ô tô Việt nam không ngừng vươn lên đạt được những thành tựu mới

để có thể hội nhập với khu vực và thế giới Chủ trương hiện nay của chính phủ đưa

ra là tăng tỷ lệ nội địa hóa trong các sản phẩm đã và đang chế tạo dần tiến tới chế

tạo được các sản phẩm mang thương hiệu Việt nam, đây là xu thế mà các nhà

nghiên cứu và sản xuất ô tô Việt nam cần quan tâm Theo bản đồ quy hoạch và phát

triển ngành công nghiệp ôtô Việt nam đến năm 2010, tầm nhìn 2020 thì Việt nam

phải phấn đấu đến năm 2020 đạt tỷ lệ nội địa hoá trên 50% đối với hầu hết các

chủng loại, sản phẩm ô tô và phấn đấu xuất khẩu ô tô, phụ tùng đạt mức 5-10% giá

trị tổng sản lượng của ngành Tuy nhiên để đạt được mục tiêu đó thì trước mắt có

quá nhiều việc để làm (hiện tại tỉ lệ nội địa hoá chưa đạt được 20%), một trong

những việc đó là nghiên cứu sâu hơn về hệ thống dao động của ô tô, độ êm dịu cũng

như chất lượng động học và động lực học của xe nhằm thu được thuộc tính tối ưu

Từ những thực tế đó, đã có các đề tài thuộc chuyên ngành ô tô đề cập đến

vấn đề dao động của ô tô như: Luận văn tiến sỹ của tác giả Lưu Văn Tuấn [4] đã đề

ra mục tiêu nâng cao độ êm dịu cho xe khách Ba Đình đóng trên cơ sở IFA Trong

luận văn này tác giả đã chú ý mô tả thuộc tính đàn hồi giữa khung và vỏ là kết cấu

đặc trưng của xe ca: xe ca có kết cấu khung - vỏ chịu lực

Luận văn tiến sỹ của tác giả Võ Văn Hường [5] “Nghiên cứu hoàn thiện

mô hình khảo sát dao động ôtô tải nhiều cầu” Tác giả đã nghiên cứu sâu về lập

mô hình dao động không gian cho xe tải có yếu tố dao động ngang, khung xoắn

chịu lực, thanh ổn định, hệ thống treo có đặc tính phi tuyến, hàm kích động riêng rẽ

và tổng hợp Mô hình có thể nghiên cứu các dao động ở vùng cận biên như tách

bánh xe, quá trình va chạm vấu hạn chế hành trình, trượt và lật

Luận văn của tác giả Nguyễn Phúc Hiểu [6] “Nghiên cứu ảnh hưởng của

dao động lên khung xương ôtô khi chuyển động trên đường” Tác giả chú trọng

nghiên cứu ảnh hưởng của đường và xác định các hàm ngoại lực cho bài toán tính

khung - xương

Tác giả Trịnh Minh Hoàng [7] trong luận văn cao học đã trình bày một mô

hình dao động xe tải hai cầu (không gian) và mô phỏng bằng MatLab Simulink 5.3

Phần mô hình và tính toán khá hoàn chỉnh, đã trình bày một phần dao động dưới

kích động ngẫu nhiên của mặt đường

Tác giả Nguyễn Văn Lộc [8] “Nghiên cứu ảnh hưởng của các đặc tính phi

tuyến của hệ thống treo đến dao động của ô tô” trong luận văn của mình tác giả đã

đưa vào rất nhiều các đặc tính phi tuyến của hệ thống treo, các giả thiết xây dựng

mô hình dao động của tác giả tương đối sát với thực tế

Luận văn Thạc sỹ của tác giả Đặng Việt Hà [10] “Nghiên cứu ảnh hưởng

của các thông số kết cấu đến điều kiện làm việc của ô tô và độ êm dịu chuyển

động” cũng đã chú ý đến sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến dao động của

xe khách đóng trên nền xe tải

Nhìn chung các đề tài đã tập trung vào việc khảo sát dao động xe theo quan

điểm độ êm dịu và an toàn chuyển động, thực hiện bài toán tính toán kiểm nghiệm

Các kết quả thu được làm cơ sở để lựa chọn lựa và cải tiến hệ thống treo cho phù

hợp với điều kiện Việt nam

1.2.2 Nghiên cứu về dao động của ô tô trên thế giới

Việc nghiên cứu dao động ôtô bắt đầu rất sớm, ngay cả khi ôtô còn rất đơn

giản Một số tác giả kinh điển có thể kể đến là Trudakôp, Rotenbeg, Iachenko,

Mitschke, Schiehlen Lần đầu tiên vào năm 1970 Mitschke đã tập trung vào tác

phẩm nổi tiếng "Dynamik der Kraftfahrzeuge" tập hợp tất cả các công trình nghiên

cứu trước đó, bao gồm 200 trích dẫn Nội dung chính là dao động xe con, mô hình

là mô hình 1/4 và được xem xét ở các yếu tố kết cấu có ảnh hưởng đến dao động và

tối ưu hệ treo Sau đó, tác giả đề cập chỉ tiêu đánh giá dao động ôtô, cách tiếp cận

mang tính cổ điển Những năm sau này, đến năm 1980 Schiehlen trình bày phương

pháp hệ nhiều vật Ngoài ra, máy tính cũng phát triển và các thuộc tính của cụm như

hệ treo, bánh xe cũng được nghiên cứu sâu hơn tuy nhiên các nghiên cứu đó vẫn tập

trung chủ yếu vào xe con

Ngày nay trên thế giới các nghiên cứu về dao động của ô tô đã đạt được

nhiều thành tựu đáng kể Dao động ô tô được nghiên cứu trong tổng thể hệ thống

“Đường - Xe - Người” Để nghiên cứu riêng biệt và tổng thể mối quan hệ vừa nêu,

các hãng sản xuất ô tô và các cơ quan chuyên môn hàng đầu trên thế giới đã thiết

lập các phòng thí nghiệm, xây dựng các bãi thử để nghiên cứu dao động của ô tô,

trong đó có kể đến biên dạng thực tế của mặt đường và khả năng của con người chịu

tác động của dao động

Hướng chung của nghiên cứu hệ thống tổng thể “Đường - Xe - Người” được chia

thành 3 hướng:

- Nghiên cứu về biên dạng mặt đường (nguồn gây ra dao động)

- Nghiên cứu hệ dao động ô tô (hệ thống treo )

- Nghiên cứu cảm giác của con người và sự an toàn hàng hoá chuyên chở

a Nghiên cứu biên dạng mặt đường:

Thường được tiến hành bằng thực nghiệm kết hợp với xử lý bằng lý thuyết,

các tác giả đã đưa ra đặc tính thống kê của biên dạng mặt đường đồng thời đưa ra

các giải pháp và công thức tính toán phân tích dao động của xe bằng phương pháp

xác định và phân tích phổ cho các loại đường khác nhau

b Nghiên cứu dao động của ô tô:

Là cần thiết với mục đích hoàn thiện kết cấu hệ thống treo, nhằm mục đích

cải thiện độ êm dịu chuyển động, chất lượng kéo, tính kinh tế, tính dẫn hướng và độ

ổn định chuyển động, độ bền và độ tin cậy của ô tô đặc biệt đối với xe hiện đại là

một việc không thể thiếu được Vì vậy nghiên cứu dao động của ô tô là xác lập mối

quan hệ dao động của ô tô với chỉ tiêu chất lượng khai thác ở trên

Nghiên cứu dao động của ô tô được tiến hành bằng nhiều phương pháp khác

nhau được trình bày cụ thể trong các công trình khoa học của tác giả nổi tiếng của

Nga: H.H.Iachenko theo những mục đích và khía cạnh khác nhau Nhưng đều chung

một bài toán cơ bản là khi nghiên cứu dao động của ô tô là làm rõ ảnh hưởng của sự

thay đổi các thông số của hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của cơ hệ dao

động Trên cơ sở như vậy kết hợp với số liệu thử nghiệm và các số liệu sử dụng tiến

hành chuyển bài toán phân tích sang bài toán tối ưu các thông số của hệ ô tô dao

động đang khảo sát

Tóm lại, khi nghiên cứu dao động của ô tô các tác giả đã tập trung xác định

các thông số hợp lý của hệ thống, tạo cơ sở cho việc thiết kế hoàn thiện các phần tử

của hệ thống treo bao gồm các bộ phận chính là:

- Bộ phận dẫn hướng

- Bộ phận đàn hồi

- Bộ phận giản chấn

Từ việc không ngừng cải tiến các phần tử và bộ phận của hệ thống treo, hiện

nay trên các xe hiện đại đã có những hệ thống treo được tối ưu hoá cả về mặt thông

số và kết cấu, từ treo thụ động đến treo tích cực, treo có điều khiển đến hệ thống

treo bán tích cực

c Nghiên cứu cảm giác con người:

Trong ô tô là việc khó khăn hơn việc xác định an toàn cho hàng hoá chuyên

chở Trong một số sách tham khảo, nhiều tác giả đã đề cập đến vấn đề khi đi ô tô

con người sẽ cảm thấy mệt mỏi nhất là thần kinh Vì vậy cần thiết nghiên cứu sự

mệt mỏi về thể xác, các chỉ tiêu đánh giá cho từng nhóm người theo từng độ tuỏi

khác nhau Ngoài ra còn phải nghiên cứu sự phản ứng của các cơ quan, bộ phận trên

cơ thể con người liên quan đến việc điều khiển xe, từ đó tạo cơ sở cho công việc

tuyển chọn lái xe ô tô

Hiện nay người ta tập trung vào hai hướng nghiên cứu con người: Lái xe

điều khiển ô tô trên đường và hành khách chịu dao động Cả hai hướng này ngày

càng được quan tâm nghiên cứu và hoàn thiện hơn

1.3 Nhiệm vụ và phương hướng nghiên cứu của luận án

Vấn đề nghiên cứu dao động ô tô là vô cùng quan trọng và hết sức phức tạp,

đề cập đến nhiều lĩnh vực Trong khuân khổ của một luận án thạc sỹ khoa học

chúng tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề cư bản sau đây

1.3.1 Nghiên cứu các chỉ tiêu đánh độ êm dịu chuyển động

Trên cơ sở các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của các tác giả nước

ngoài và kết quả của các công trình nghiên cứu trong nước về ảnh hưởng của dao

động đến sức khoẻ của con người Việt nam, đề ra các chỉ tiêu hợp lý để đánh giá độ

êm dịu chuyển động của xe minibus đóng tại Việt nam Các chỉ tiêu này phải thoả

mãn các yêu cầu sau:

- Phù hợp với sức khoẻ và thể trạng của người Việt nam

- Phải thuận tiện trong việc tính toán thiết kế cũng như kiểm nghiệm đánh

giá

- Phải phù hợp với điều kiện của nước ta nhưng không được lạc hậu quá so

với thế giới

1.3.2 Xây dựng mô hình và thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động

Được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn chúng tôi chỉ xây dựng mô hình

dao động cho xe minibus 8 chỗ ngồi MEFA5-LAVI-304N sản xuất, lắp ráp tại Việt

nam Khung vỏ xe là một khối liền trên đó có bắt các cụm được treo, hệ thống treo

trước là hệ thống treo độc lập kiểu treo McPherson và hệ thống treo sau là phụ

thuộc Mô hình dao động chúng tôi chọn là mô hình không gian bao gồm các khối

lượng liên kết với nhau bằng các phản lực liên kết

Trên cơ sở mô hình dao động tương đương chúng tôi áp dụng nguyên lý

D’Alambe để tiến hành lập hệ phương trình vi phân biểu diễn dao động Hệ bao

gồm 7 phương trình vi phân mô tả dao động

1.3.3 Mô phỏng dao động

Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink 7.0 để mô phỏng biểu diễn dao động

của xe với kích động từ mặt đường được đo từ thực tế đoạn đường Hà nội - Lạng

sơn Trong quá trình mô phỏng, đề tài đã đưa vào các yếu tố phi tuyến để đưa mô

hình sát gần với thực tiễn Phần mềm Matlab-Simulink là một phần mềm rất mạnh

trong việc tính toán số học và mô phỏng, do đó kết quả trả ra là hết sức tin cậy và

nhanh chóng Bên cạnh đó, phần mềm còn cho phép dễ dàng can thiệp vào bên

trong để có thể thay đổi các thông số sau đó xem xét ảnh hưởng của nó đến các kết

quả

Khi có kết quả là các thông số dao động, chúng tôi tiến hành thay đổi các

thông số đầu vào để xác định ảnh hưởng của các thông số kết cấu và điều kiện làm

việc đến độ êm dịu chuyển động

CHƯƠNG 2 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ ĐỘ ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG

2.1 Ảnh hưởng của dao động tới cơ thể con người và xe cộ

Khi ô tô chuyển động trên đường dao động xuất hiện trong toàn bộ hệ thống

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, hàng hoá chuyên chở trên xe,

độ bền, tuổi thọ của các kết cấu ô tô Do đó, khi thiết kế hay lựa chọn các kết cấu

của hệ thống treo cần quan tâm đặc biệt đến các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển

động cho xe khi chạy trên đường

2.1.1 Những ảnh hưởng của dao động lên cơ thể con người

Khi ngồi trên ô tô, cơ thể người tiếp xúc với nguồn rung động sẽ thực hiện các

dao động riêng tắt dần và dao động cưỡng bức Những dao động này có tác dụng

sinh học phức tạp gây biến đổi về tâm, sinh lý trong cơ thể, nếu kéo dài sẽ gây nên

các tổn thương thậm chí bệnh tật cho cơ thể Tuỳ thuộc vào một số yếu tố như: Thời

gian tiếp xúc với nguồn rung, vị trí tác động, tính chất của nguồn rung (có qui luật

hay ngẫu nhiên, gián đoạn hay liên tục, ), giá trị các đại lượng đặc trưng cho rung

động (tần số, biên độ, vận tốc ) mà ảnh hưởng của rung động đối với cơ thể con

người là rất khác nhau Nói chung, ảnh hưởng của rung động đối với cơ thể con

người được chia làm hai loại chính: Ảnh hưởng của rung toàn thân và ảnh hưởng

của rung cục bộ

a Ảnh hưởng của rung toàn thân:

Ảnh hưởng của rung toàn thân có nghĩa là rung động tác động lên cơ thể người

làm cho toàn bộ cơ thể bị rung động (đối với người ngồi hoặc đứng trên xe) Các kết

quả từ các nghiên cứu của các nhà y học vệ sinh lao động cho thấy rằng khi toàn

thân dao động với tần số 1 Hz thì các cơ quan nội tạng gần như không xê dịch tương

đối với nhau, cả cơ thể cùng dao động như một khối thống nhất Còn nếu tần số dao

động nằm trong khoảng từ 2 – 20 Hz thì hiện tượng cộng hưởng công suất xuất hiện,

gây tác động mạnh lên cơ thể người ngay cả khi tần số không cao Cụ thể với các

dao động theo phương thẳng đứng như sau:

- Với tần số từ 3-5 Hz gây ra các phản ứng ở các cơ quan tiền đình, gây ra các

rối loạn có liên quan đến sự lưu thông máu, gây chóng mặt, tăng huyết áp,

- Với tần số từ 5-11 Hz gây ra rối loạn ở đường tai trong làm giảm thính giác,

ảnh hưởng đến dạ dày, gan, cơ quan tiêu hoá

- Dao động với tần số cao hơn còn làm giảm thị lực, gây chóng mặt, buồn

nôn

Tuy nhiên giới hạn của các tác động này đối với từng người là khác nhau và thay

đổi trong một khoảng rộng

Mặc dù dao động của ô tô rất phức tạp nhưng có thể chia thành dao động và

rung động Dao động có thể cảm nhận được và trực tiếp gây ra khó chịu cho con

người trong một khoảng thời gian ngắn Còn rung động có thể gây tác hại đến sức

khoẻ trong thời gian dài Nhìn chung các dao động và rung động tác dụng lên hệ

thống sinh lý của con người không đồng nhất

Mặt khác, người ngồi trên ô tô khi dao động sẽ chịu những tác động truyền

thẳng lên xương sống hầu như không qua các chi dưới Trong tư thế đứng thì tác

động của các dao động sẽ bị yếu đi bởi các khớp xương chi dưới Chúng ta biết rằng

xương sống bao gồm 24 đốt sống, chúng được nối với nhau bằng các đĩa đệm làm

xương trở lên đàn hồi và có hệ số tắt chấn lớn Các dao động mà con người chịu

trong tư thế ngồi bắt buộc sẽ làm thương tổn cột sống mà chủ yếu là các đĩa đệm,

đặc biệt là đĩa đệm ở đốt sống cuối Các đĩa đệm sẽ bị lệch hoặc bị mỏng đi làm

chèn ép các bó dây thần kinh và gây đau dây thần kinh hông to (dây thần kinh toạ)

Ngoài ra tác động của dao động sẽ làm các gai ở đốt sống dài ra và hậu quả cũng

gây chèn ép các bó dây thần kinh Những chuyên gia về bảo hộ lao động cũng cho

rằng liên hệ xương cơ của cơ thể con người có tính đàn hồi và tắt dần không tuyến

tính Hơn thế nữa đặc tính này thay đổi trong quá trình dao động có nghĩa là cơ thể

là một hệ dao động không ngừng Con người có đặc tính tự điều chỉnh trong một

phạm vi nhất định, có nghĩa là có khả năng làm thay đổi các thông số của mình để

làm các tác động của dao động giảm đi theo thời gian Điều này có thể đạt được

bằng cách thay đổi các tư thế ngồi, co duỗi các cơ, khớp

b Ảnh hưởng của rung cục bộ:

Ảnh hưởng của rung cục bộ là những tác động của rung động gây ra và chỉ làm

cho từng bộ phận của cơ thể bị rung động Nói chung ảnh hưởng này không tác

động nhiều đến hành khách ngồi trên xe mà chỉ co ảnh hưởng tới người lái xe do

dao động của vô lăng tác động trực tiếp đến tay Mặt khác dao động của ghế ngồi và

của vô lăng là có khác nhau nên lái xe là đối tượng nghiên cứu trong trường hợp

chịu ảnh hưởng của rung cục bộ Nhiều công trình nghiên cứu đã nghiên cứu tới các

vấn đề là thiết kế ghế lái và bao tay cho những công nhân lái máy kéo, xe chuyên

dùng để làm giảm thiểu tác động của rung cục bộ

2.1.2 Ảnh hưởng của dao động đến độ bền và độ an toàn chuyển động

Dao động không chỉ ảnh hưởng đến sức khoẻ con người mà còn ảnh hưởng

đến các yếu tố như: Chất lượng hàng hoá chuyên chở, độ bền của các chi tiết trên

xe, độ an toàn khi chuyển động (phanh, lái),

Đối với chất lượng hàng hoá chuyên chở, ảnh hưởng của dao động là rất rõ rệt

Tuy nhiên do số chủng loại hàng hoá được chuyên chở bằng ô tô là rất lớn, do vậy

không thể thiết kế một xe có độ êm dịu thoả mãn đảm bảo chất lượng cho tất cả các

loại hàng hoá Do vậy khi chuyên chở thì người vận chuyển phải căn cứ vào tính

chất dao động của xe, đặc tính của hàng hoá mà có sự gia cố hàng hoá cũng như

chọn tốc độ chuyển động của xe thích hợp sao cho chất lượng hàng hoá được đảm

bảo trong quá trình vận chuyển

Đối với độ bền các chi tiết của ô tô, ảnh hưởng rõ rệt nhất là đối với khung vỏ

Khi dao động, gia tốc dao động sẽ tạo ra các lực quán tính tác dụng lên các chi tiết

Ngoài ra đối với vỏ ô tô khi rung động với tần số cao nhiều phần của vỏ ô tô sẽ bị

cộng hưởng, hiện tượng này làm hư hỏng vỏ như nứt, thậm chí có thể xé rách vỏ

Khi ô tô chuyển động, độ êm dịu chủ yếu phụ thuộc vào các thông số kết cấu

của hệ thống treo như độ cứng của lò xo, hệ số cản của giảm chấn bên cạnh đó bản

thân hệ thống treo khi làm việc cũng phải tuân theo những điều kiện nhất định Do

vậy rất có thể khi lựa chọn các thông số của hệ thống treo thoả mãn tối đa độ êm dịu

thì lại không đảm bảo sự làm việc của hệ thống treo Ví dụ như để cho xe chuyển

động êm dịu thì cần phải chọn độ cứng của hệ thống treo nhỏ, dẫn đến khi làm việc

độ võng động của hệ thống treo quá lớn gây va đập lên khung xe Sự va đập này

không chỉ làm ảnh hưởng đến độ bền của hệ thống treo mà còn làm giảm độ êm dịu

chuyển động

Trong quá trình chuyển động, do dao động có thể xảy ra trường hợp bánh xe bị

nhấc khỏi mặt đường (tách bánh) Khi đó độ an toàn chuyển động của xe lúc này

giảm xuống (do độ bám giảm gây ảnh hưởng tới hệ thống phanh và hệ thống lái),

thậm chí có thể gây ra tai nạn giao thông Đối với bánh xe chủ động khi bị nhấc khỏi

mặt đường làm ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống truyền lực, gây mòn lốp, tiêu hao

nhiên liệu tăng lên

2.2 Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô

Lựa chọn các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động đóng vai trò hết sức

quan trọng trong việc nghiên cứu dao động của ô tô Do đó, khi thiết kế ô tô, lựa

chọn hay tính toán các thông số liên quan đến dao động đều phải xuất phát từ chỉ

tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô Tuy nhiên việc lựa chọn các chỉ tiêu

đánh giá độ êm dịu chuyển động lại không phải dễ dàng Về mặt nguyên tắc, trước

hết phải dựa vào những đặc tính nhân chủng học, các đặc điểm tâm sinh lý của con

người Việt nam (thể hiện bằng các thông số thống kê, đo đạc và thực nghiệm) Tiếp

đó, nó phải phụ thuộc vào sự phát triển của nền kinh tế, khoa học kỹ thuật bởi vì

chúng liên quan đến các dụng cụ đo, trình độ thí nghiệm, trình độ sản xuất Ở các

nước trên thế giới cũng vậy, các nước có trình độ phát triển khác nhau thì lựa chọn

các chỉ tiêu đánh giá không hoàn toàn giống nhau

Các tính chất dao động của ô tô trong nước cũng như trên thế giới thường

được đánh giá theo 2 quan điểm:

- Đánh giá theo 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 người lái và hành khách

- Theo quan điểm về độ an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền

thì giá trị tải trọng động giữa bánh xe và nền đường là thông số mang tính chất

quyết định

Vì vậy khi nói đến dao động của ô tô theo quan điểm êm dịu chuyển động thì

độ êm dịu chuyển động của ô tô có thể hiểu là tập hợp các tính chất đảm 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 với mặt đường

Nếu giá trị phản lực pháp tuyến giảm so với trường hợp tải trọng tĩnh thì sẽ làm

giảm khả năng tiếp nhận các lực dọc, ngang (lực kéo, lực phanh, 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 lực này tăng thì sẽ làm tăng tải trọng

động tác dụng xuống nền đường và các kết cấu của xe

Quá trình nghiên cứu dao động của ô tô là quá trình xác định các thông số của

hệ thống treo, tạo cơ sở cho việc thiết kế các phần tử của chúng: phần tử đàn hồi,

phần tử giảm chấn và bộ phận dẫn hướng Có như vậy mới tạo ra một hệ dao động

có chất lượng tốt, các kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao trình độ công nghệ

thiết kế, cải tiến ô tô, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng và năng suất vận chuyển

của ô tô trong nền kinh tế quốc dân

Để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, các nước có nền công nghiệp ô

tô phát triển hàng đầu trên thế giới đã đưa đưa ra các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu

khác nhau Dựa vào các công trình nghiên cứu của nước ngoài và các 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:

2.2.1 Chỉ tiêu về tần số dao động

Con người khi tham gia vào giao thông cũng là một hệ dao động, đi lại là hoạt

động thường xuyên của con người đã trở thành một thói quen Khi con người đi lại

tương đương với hệ thực hiện dao động, tuỳ thuộc vào hình dáng, trọng lượng riêng,

thói quen từng người mà số lần bước trong một phút thường trong khoảng 60-90

bước, tương ứng với tần số dao động khoảng 1-1,5Hz Vậy nên từ thói quen đó con

người chịu dao động hợp lý trong khoảng tần số vừa nêu trên Khi đánh giá độ êm

dịu chuyển động của ô tô với các điều kiện mặt đường cũng như kết cấu cụ thể thì

tần số dao động của ô tô phải nằm trong giới hạn 1-1,5 Hz, thường lấy chuẩn để

đánh giá dao động của ô tô như sau:

- Đối với xe con (du lịch): n = 60 - 90 (dao động/phút)

- Đối với xe vận tải: n = 85 - 120 (dao động/phút)

2.2.2 Chỉ tiêu về sự dịch chuyển tương đối của sàn xe

Khi xe chuyển động trên đường thì sàn xe luôn có sự dịch chuyển theo

phương thẳng đứng, biên độ dịch chuyển sẽ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như độ

cứng của hệ thống treo, mức tải, biên dạng mấp mô của đường Do đó khi đánh giá

về chỉ tiêu này người ta đưa ra giá trị cho phép của độ lệch quân phương sàn xe

[DZ] trong điều kiện đường xá Việt nam đối với loại xe minibus:

[DZ]≤ 2.10-2 (m)

Khi giá trị này tăng, sẽ làm tăng khả năng va chạm của sàn xe và làm giảm

độ êm dịu của chuyển động gây ảnh hưởng lớn đến hành khách và hàng hóa trên xe

cũng như độ bền của các chi tiết trên xe

Độ lệch quân phương của dịch chuyển sàn xe nói riêng và của các thông số

khác như gia tốc dịch chuyển, góc lắc thân xe, dịch chuyển của khối lượng không

được treo được xác định như sau:

- Phương sai của thông số đo theo “Xác suất thống kê và quy hoạch thực

nghiệm” [3] được xác định như sau:

fi_ Tần suất của thông số có giá trị xi

xi_ Giá trị của thông số thứ i

1

1 n

i i

2.2.3 Chỉ tiêu về gia tốc dao động

Chỉ tiêu này được xác định dựa trên cơ sở trị số bình phương trung bình của

gia tốc theo các phương X, Y, Z là: X& , & ,Y&Z&

Các giá trị này được tính tương tự như trong phần 2.2.2 đã giới thiệu, giá trị

cho phép của chúng nằm trong khoảng:

X&& < 1 , 0 (m / s2)

Y&& < 0 , 7 (m / s2)

Z&<2,5 (m / s2)

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

của ô tô, bởi vì nó dựa trên cơ sở số liệu thống kê Mặt khác, điều quan trọng hơn là

dao động ô tô truyền cho con người thực chất là tác động ngẫu nhiên với dải tần số

rộng và phức tạp cả theo hướng tác dụng Ngoài ra theo một số tài liệu tham khảo

các tác giả còn đưa ra một số chỉ tiêu khác đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô

tô

Ngoài ra người ta còn đưa ra số lần va đập do độ mấp mô của mặt đường gây

ra trong 1 km đường chạy để đánh giá độ êm dịu chuyển động của xe khi đi trên

đường thực tế Khi số lần va đập này quá lớn sẽ mất êm dịu chuyển động đồng thời

ảnh hưởng tới tuổi thọ và độ bền của các chi tiết trong hệ thống treo

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

Theo quan điểm về an toàn chuyển động (xét theo khía cạnh về tính điều

khiển) và tải trọng tác dụng xuống nền đường thì trị số lực tác dụng thẳng đứng

giữa bánh xe với đường cũng là thông số quan trọng để đánh giá Lực động F d (t)

xác định phức tạp hơn vì nó phụ thuộc vào tính chất dao động 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 vào trị số

lớn nhất của tải trọng bánh xe, nghĩa là tương ứng với giá trị dương của F d (t) để

đánh giá, nếu F d (t) càng lớn thì sự ảnh hưởng do lực tác động tới lốp xe và các bộ

phận chi tiết của xe và nền đường càng bị tác động xấu nhiều hơn Mặt khác để

giảm sự ảnh hưởng của F d (t) thì trong trường hợp giảm tải trọng bánh xe so với giá

trị tải trọng tĩnh, nghĩa là làm giảm khả năng tiếp nhận lực tiếp tuyến (nhất là khi

phanh) và lực ngang (quan trọng khi quay 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 điều khiển Để đánh giá tính chất dao động của ô tô theo quan điểm về

an toàn chuyển động cần xác định tỉ số giữa lực động F d (t) và tải trọng tĩnh của

bánh xe là R t K:

K t

d

R F

Khảo sát dao động của ô tô người ta quan tâm đến sự bám của lốp với mặt

đường, nhằm đảm bảo dao động của ô tô thoả mãn các chỉ tiêu về độ êm dịu nhưng

bánh xe vẫn phải bám đường, nếu không đạt 2 chỉ tiêu đó sẽ dẫn đến 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 định như sau:

ξ _ Chuyển dịch của bánh xe theo phương thẳng đứng

q _ Chiều cao mấp mô biên dạng đường

Có thể xác định giá trị ξtdmax- là giá trị cực đại của chuyển dịch tương đối của

bánh xe với đường theo biểu thức:

) (

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH

VI PHÂN MÔ TẢ DAO ĐỘNG

3.1 Xây dựng mô hình dao động ô tô

Trong các lĩnh vực về kỹ thuật, bất kì ở đâu cũng có các phương trình dao động

cơ học Các kết cấu hoặc những trang thiết bị khác nhau như: ô tô, động cơ đốt trong,

xe tăng, tàu thuỷ đều chịu các dao động cơ học Mặc dù kết cấu rất đa dạng và phức

tạp, các dao động trong chúng cũng khác nhau nhưng đều có thể mô tả nhờ công cụ

toán học, bằng các phương trình vi phân thường nếu khối lượng của chúng được xem

là tập trung hoặc bằng các phương trình vi phân với các đạo hàm riêng nếu khối

lượng của chúng được xem là phân bố Thiết lập mô hình toán hệ dao động cơ học cố

gắng chọn mô hình động học sao cho gần với mô hình thực tế nhưng phải thuận tiện

cho tính toán

3.1.1 Mô hình dao động

Ôtô thuộc hệ cơ học nhiều vật, dao động với dải tần số thấp Việc lập và chọn

mô hình dao động phải theo 3 tiêu chí sau:

- Mục tiêu nghiên cứu

- 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 toán hầu 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 đặc điểm kết cấu của đối tượng

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

- Nghiên cứu tối ưu hệ treo, kể cả hệ treo tích cực Đối với mục tiêu này chỉ

nghiên cứu mô hình 1/4 là đủ

- Nghiên cứu về dao động liên kết, thường dùng mô hình phẳng, mô hình phẳng

cũng còn dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của đường

- Nghiên cứu sự trượt và lật dưới tác động của ngoại lực như đường mấp mô,

gió bên nên thưòng sử dụng mô hình 1/2

Sau đây là một số mô hình cơ bản được trình bày trong nhiều tài liệu của các tác

giả nổi tiếng

a Mô hình 1/4

Mô hình 1/4 bao gồm hai khối lượng được treo M (thay thế cho khối lượng thân

xe) và không được treo m (thay thế cho khối lượng bánh xe, cầu xe và các thành phần

liên kết) Phần treo và không được treo liên kết với nhau thông qua các phần tử đàn

hồi của treo và giảm chấn, có độ cứng là C, hệ số cản giảm chấn K, hình vẽ (3.1)

m

M

ξ

LK

C K

1Tq

CLΖ

Hình 3.1 - Mô hình ¼

Để có thể chuyển mô hình vật lý thành mô hình động lực học hệ dao động ô tô,

cần phải có một số giả thiết nhằm đơn giản cho việc tính toán nhưng vẫn đảm bảo

tính đúng đắn của kết quả Quá trình nghiên cứu trong mô hình 1/4 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

Trong quá trình nghiên cứu các hệ số C và K có thể được mô tả phi tuyến:

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 như nhau Khối lượng treo

được qui dẫn về trọng tâm phần treo biểu thị qua giá trị khối lượng M (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, ϕ, ξ1,ξ2

Hình 3.2 - Mô hình phẳng dao động ô tô 2 cầu

Mô hình này hiệu quả với bài toán bố trí chung, và là mô hình đơn giản khi

nghiên cứu về đường và phân bổ tải khi phanh

Mô hình 1/2 được một số tác giả phương tây như Dorling đề cập với mục tiêu

nghiên cứu thanh ổn định Mô hình 1/2 có hai khối lượng được treo và không được

treo với các thông số vật lý là (M, JX) và (m, J2X), liên kết qua hệ treo với thông số

vật lý là (C, K) Lốp là phần tử đàn hồi theo cả 2 phương Z và Y Ngoại lực tác dụng

lên thân xe là FY theo phương ngang và FZ theo phương Z

d Mô hình không gian xe con

Mô hình không gian xe con được Kortum- Lugner đưa ra tương đối chính xác

và tỉ mỉ Xe con có khối lượng nhỏ, nhưng lại có yếu tố phi tuyến hình học và vật lý

lớn nên không thể bỏ qua các yếu tố này khi lập mô hình Đặc điểm kết cấu là vỏ

chịu lực, treo trước độc lập có yếu tố phi tuyến hình học cao

Hình 3.4 - Mô hình không gian

3.1.2 Xây dựng mô hình dao động

Vì xe nghiên cứu là loại xe minibus có trọng tải nhỏ, chở người nên mô hình

dao động cần phải chính xác, sát với thực tế nhất để tiện lợi cho việc nghiên cứu, cải

thiện tính chất dao động tránh gây mệt mỏi cho hành khách và người lái Do đó,

chúng tôi đã lựa chọn xây dựng mô hình dao động là mô hình không gian, có nghiên

cứu đến các đặc tính phi tuyến

Để có thể khảo sát dao động của xe trong mô hình không gian thì cần những giả

thiết sau:

- Mô hình động lực biểu thị dao động ô tô hai cầu ở dạng không gian

- Thân xe được giả thiết đối xứng qua trục dọc của xe

- Phần được treo (là thân xe) có thể coi là một vật có khối lượng M đặt tại

trọng tâm xe Chuyển động của phần được treo là hợp của 3 chuyển động: chuyển

động tịnh tiến theo phương Z với toạ độ suy rộng là Z, chuyển động quay xung quanh

trục ngang Y (trục đi qua trọng tâm và vuông góc với mặt phẳng dọc) ứng với toạ độ

suy rộng là ϕ, chuyển động quay quanh xung quanh trục X (trục đi qua trọng tâm và

vuông góc với mặt phẳng ngang thân xe) ứng với toạ độ suy rộng là θ Momen quán

tính của khối lượng phần treo với trục ngang và trục dọc đi qua trọng tâm phần treo

tương ứng là JY và JX Phần được treo và phần không được treo liên kết với nhau qua

các bộ phận đàn hồi, giảm chấn và thanh xoắn của hệ thống treo đặc trưng bởi các hệ

số đàn hồi C1T,C1P,C2T,C2P và các hệ số cản giảm chấn là K1T,K1P,K2T,K2P

Trong đó các chỉ số:

1_ Đại diện cho phía trước

2_ Đại diện cho phía sau

T_ Đại diện cho bên trái

P_ Đại diện cho bên phải

- Phần không được treo trước chia thành 2 khối lượng m1T và m1P Mỗi khối

lượng không được treo trước liên kết với đường thông qua các lò xo có độ cứng là

CL1T và CL1P, các giảm chấn có hệ số cản KL1T và KL1P Các thông số này đặc trưng

cho độ đàn hồi của lốp và dập tắt dao động của lốp trước

- Phần không được treo sau là khối lượng m2 Hai đầu cảu khối lượng không

được treo sau liên kết với đường thông qua các lò xo có độ cứng là CL2T và CL2P, các

giảm chấn có hệ số cản KL2T và KL2P Các thông số này đặc trưng cho độ đàn hồi của

lốp và dập tắt dao động của lốp sau

- Cầu trước có thể coi như những thanh phẳng nhưng do đây là hệ thống treo

độc lập nên chỉ có chuyển động tịnh tiến của cầu theo phương Z mà không có chuyển

quay quanh trục X

- Cầu sau là hệ thống treo phụ thuộc nên có cả chuyển động tịnh tiến của cầu

theo phương Z và chuyển quay quanh trục X

- Ô tô chuyển động đều

3.1.3 Hàm kích động

Chuyển động của ô tô trên mặt đường không bằng phẳng sẽ sinh ra các dao

động của khối lượng phần không được treo và khối lượng phần được treo của ô tô

Độ mấp mô của mặt đường là nguồn kích thích chính cho ô tô dao động Khi nghiên

cứu mô hình dao động của ô tô cần thiết phải mô tả toán học biên dạng của mặt

đường, vì chiều cao mấp mô của biên dạng đường 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 mô hình dao động, mô tả những yếu tố gây dao động, và

thường được mô tả dưới dạng các hàm biên dạng sau:

0

j k

f

- Hàm dao động ngẫu nhiên: h=f( )t ≈(mf,Rf( )τ ) (3.4)

Với:

mf_ Giá trị trung bình

Rf_ Hàm quan hệ

τ_ Thời gian tương quan

Việc chọn loại kích động nào thì phụ thuộc cụ thể vào từng mục tiêu nghiên

cứu Nếu nghiên cứu về ảnh hưởng của đường thì buộc phải dùng hàm kích động

ngẫu nhiên Còn nếu tối ưu hệ treo thì dùng hàm sin và xung là đủ

Theo quan niệm bây giờ, ngoài mấp mô của đường là yếu tố gây dao động, còn

có các yếu tố gây dao động khác mà ta có thể kể ra như sau:

- Gió, nhất là gió ngang;

- Gió dọc;

- Góc quay vô lăng, đặc trưng qua gia tốc ngang với ngoại lực là lực quán tính

li tâm mv2ρ

Như vậy có tất cả 4 yếu tố gây ảnh hưởng đến dao động ôtô mà trong khi

nghiên cứu cùng phải đề cập, hoặc là riêng về từng yếu tố một, hoặc đồng thời một số

yếu tố kết hợp

3.2 Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động

Để có thể xác định được các thông số dao động của xe ta cần phải từ mô hình

cơ học thiết lập được các phương trình vi phân mô tả chuyển động dao động của hệ

Có rất nhiều phương pháp để có thể thiết lập phương trình vi phân chuyển động của

cơ hệ như: phương trình Lagrange loại II hoặc theo nguyên lý D’Alambe Hiện nay

người ta sử dụng nhiều cơ sở lý thuyết hệ nhiều vật để thiết lập hệ phương trình vi

phân mô tả động lực của cơ hệ Đầu tiên là thiết lập hệ phương trình cân bằng cho

từng vật của cơ hệ sau đó liên kết chúng lại với nhau bằng quan hệ lực và mômen

Theo nguyên lý D’Alambe:

0

= +F qt

Ở đây chúng tôi xây dựng mô hình là một cơ hệ gồm năm vật: thân xe, khối

lượng không được treo trước trái (phải), khối lượng không được treo sau và mặt

đường Sau đó ta thiết lập hệ phương trình vi phân dao động cho từng vật của cơ hệ

và nối chúng lại với nhau

Mô hình xây dựng:

- Vật 1: Thân xe (phần khối lượng được treo) coi như 1 vật có khối lượng M đặt

tại trọng tâm T và các mômen quán tính J , y J x Chuyển động của thân xe là hợp của

ba chuyển động:

+ Chuyển động tịnh tiến theo phương Z ứng với toạ độ suy rộng Z

+ Chuyển động quay quanh trục Y tương ứng toạ độ suy rộng ϕ

+ Chuyển động quay quanh trục X tương ứng toạ độ suy rộng θ

ϕθ

Z

m1T

1P m 1T

q

q 1P

2P q

2 m

KL1T

1P C

K1P

L1P K

2P C

L2P K

a

b L

q 2T

+ Khối lượng không được treo trước coi như là hai vật có khối lượng bên trái

và bên phải là m1T và m1P chuyển động tịnh tiến theo phương Z tương ứng toạ độ suy

rộng ξ1T,ξ1P

L1TC

q1T

1T

1T

KL1T

1T

ξ

1TZ

1T

Z1P

ξ1P

L1PK

1PC K

1P

1Pq

CL1P

Hình 3.6 - Khối lượng không được treo trước

+ Khối lượng không được treo sau coi như là vật có khối lượng m2 chuyển

động tịnh tiến theo phương Z tương ứng toạ độ suy rộng ξ2 và chuyển động quay

quanh trục X tương ứng với toạ độ suy rộng θ2

2T

L2T

L2P L2P

K K

L2T

2PC C

2T 2T

2P

B2

2gB

Hình 3.7 - Khối lượng không được treo sau

- Vật 5: Mặt đường là nguồn kích thích ô tô dao động và là một tập hợp các mấp

mô ngẫu nhiên trên toàn bộ chiều dài của nó Kích động mặt đường có thể ở dạng

tuyến tính hoặc hàm ngẫu nhiên, tuy nhiên trong luận văn đã đưa được đường thực tế

(đoạn đường Hà nội- Lạng sơn) vào để nghiên cứu

Sau khi đã phân tích xe thành các vật riêng biệt với đầy đủ các đại lượng cần

thiết sẽ lập phương trình vi phân mô tả dao động của cơ hệ theo nguyên lý

D’Alambe

3.2.1 Hệ thống treo trước

Hệ thống treo trước của xe là hệ thống treo độc lập, chia làm 2 phần riêng biệt

bên trái và bên phải Sau đây ta đi xây dựng mối quan hệ giữa các lực tác dụng lên

từng vật:

a Khối lượng không được treo trước bên trái:

Chuyển vị ξ1T của cầu trước bên trái được chọn theo phương như hình vẽ (3.8)

Hình 3.8 - Cầu trước trái

- Lực từ đường tác dụng lên cầu xe qua lốp:

+ Lực đàn hồi của bánh xe:

- Lực truyền từ thân xe xuống cầu qua hệ thống treo:

+ Lực đàn hồi của hệ thống treo:

b Khối lượng không được treo trước bên phải:

Chuyển vị ξ1P của cầu trước bên trái được chọn theo phương như hình vẽ (3.8) Các

- Lực từ đường tác dụng lên cầu xe qua lốp:

+ Lực đàn hồi của bánh xe:

- Lực truyền từ thân xe xuống cầu qua hệ thống treo:

+ Lực đàn hồi của hệ thống treo:

Hệ thống treo sau của xe là hệ thống treo phụ thuộc thông qua 1 dầm cầu có

khối lượng m2 và mô men quán tính J2X Chuyển vị ξ2 của trọng tâm cầu sau được

chọn theo phương như hình vẽ (3.7) Các lực tác dụng là:

F M

c Lực từ đường tác dụng lên cầu xe qua lốp trái và phải:

- Lực đàn hồi của bánh xe:

d Lực truyền từ thân xe xuống cầu qua hệ thống treo trái:

- Lực đàn hồi của hệ thống treo:

Trong đó mối quan hệ giữa Z2T với các toạ độ suy rộng theo phương trình:

2g 2T

e Lực truyền từ thân xe xuống cầu qua hệ thống treo phải:

- Lực đàn hồi của hệ thống treo:

Trong đó mối quan hệ giữa Z2P với các toạ độ suy rộng theo phương trình:

2g 2P

f Phương trình cân bằng lực tác dụng lên cầu sau theo phương thẳng đứng Z:

FC2P

2P

KF

FC2T

2T

KF

b Phương trình cân bằng mômen theo toạ độ suy rộng ϕ:

- Mô men quán tính:

- Mô men quán tính:

- Mô men truyền từ hệ thống treo trái:

2g 1

BB

- Mô men truyền từ hệ thống treo phải:

2g 1

BB

-J - F - F - F - F = 0

3.2.4 Hệ phương trình vi phân

Sau khi tách mô hình dao động của xe ra thành cơ hệ gồm nhiều vật, thiết lập

các phương trình cân bằng theo các toạ độ suy rộng đối với từng vật theo nguyên lý

D’Alambe ta thiết lập được hệ phương trình vi phân dao động của xe (5.53):

-M.g - M.Z- F - F - F - F = 0-J - a F + F + b F + F = 0

B-J - F - F

2

θ

φ θ

trình vi phân trên để mô phỏng dao động của thân xe

CHƯƠNG 4

MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG

4.1 Thư viện tiện ích Simulink

Dựa trên hệ phương trình vi phân (3.53) gồm 7 phương trình vi phân mô tả dao

động của cơ hệ, ứng dụng các thư viện tiện ích sẵn có trong Simulink của Matlab để

mô phỏng mô hình dao động không gian của ô tô hai cầu

Các khối chức năng trong thư viện Simulink:

Khối nhân Thực hiện phép nhân với hằng số Y= a.X

Khối nhân Thực hiện phép nhân các tín hiệu Y= X1.X2

Khối cộng Thực hiện phép cộng, trừ các tín hiệu Y= X1 + X2

Khối In-Out Gửi và nhận các tín hiệu

ra vào các Subsystem

Khối From – Goto

Gửi và nhận các tín hiệu

đi và đến trong cùng một

Subsystem

Khối Subsystem Là khối chức năng con

Khối Lookup-

Khối Switch So sánh với tín hiệu ngưỡng S

Khối Scope Vẽ đồ thị của tín hiệu X

theo thời gian t

Khối tích phân Lấy tích phân tín hiệu vào Y=∫Xdt

Khối đạo hàm Lấy đạo hàm tín hiệu vào Y = dX/dt

Khối Mux Khối trộn các tín hiệu

Khối Demux Khối rã các tín hiệu