chương 10 dao động ô tô máy kéo, môn học lý thuyết ô tô

chương 10, dao động ô tô máy kéo, môn học lý thuyết ô tô

CHƯƠNG X

DAO ĐỘNG ÔTÔ – MÁY KEO M Y KEOÁY KEO

I khái niệm về tính êm dịu của ôtô :

1.1 L chỉ tiêu quan tr à chỉ tiêu quan tr ọng của xe :

- Ảnh hưởng tới h nh khách , h ng hoá , tuành khách , hàng hoá , tu ành khách , hàng hoá , tu ổi thọ của xe :

Khi xe chuyển động trên đường không bằng phẳng thường chịu những tải trọng dao động do

bề mặt đường nhấp nhô tạo ra , gây ảnh hưởng tới h nh khách , h ng hoá , tuổi thành khách , hàng hoá , tu ành khách , hàng hoá , tu ọ của xe

VD: Số liệu thống kờ cho thấy :

+ Khi ôtô chạy trên đường xấu , gồ ghề so với ôtô chạy trên đường phẳng thì

Vận tốc V giảm 4050 %

Quãng đường chạy giữa hai kì đại tu giảm 3540 %

Xuất tiêu hao nhiên liệu tăng 5070 %

Điều n y dành khách , hàng hoá , tu ẫn đến :

Năng xuất vận chuyển giảm 35  40 %

Giá th nh vành khách , hàng hoá , tu ận chuyển tăng 50  60 %

+Khi xe chạy rung xúc nhiều dẫn đến mỏi mệt , say xe cho h nh khách ành khách , hàng hoá , tu

- Sự phụ thuộc tính êm dịu :

+ Kết cấu xe :

Phụ thuộc trớc hết là hệ thống treo

Phụ thuộc vào đặc điểm và cờng độ kích đêm

Phụ thuộc vào tốc độ láI xe

+lực kích thích gây dao động có thể do sự không cân bằng của liên hộp máy hoặc do mấp mô bề mặt đờng

1.2 Chỉ tiêu đẻ đánh giá tính êm dịu :

Để đánh giá tính êm dịu chuyển động của ôtô ngời ta dùng một số chỉ tiêu :

1.2.1 Tần số dao động thích hộp :

- Ôtô có chuyển động êm dịu là khi xe chạy trên mọi địa hình thì dao động phát sinh có tần số nàm trong khoảng 6085 lần /phút

- Trong thực tế: Khi tiến hành thiết kế hệ thống treo ngờ ta thờng lấy giá trị tần số dao động thích hợp là : 6085 dao động/ phút

Đối với xe du lịch và xe tải thi tần số nàm trong khoảng : 85-120 dao động / phút

1.2.2 Giatốc thích hợp

- Chỉ tiêu đánh giá tính êm dịu chuyển động dựa vào giá trị của gia tốc thẳng đứng của dao

động và số lần va đập do độ nhấp nhô của bề mặt đờng gây nên trên 1 km đờng chạy :

Đồ thị :(hinh 1)

- Muốn đánh giá đợc một xe có tính êm dịu chuyển động hay không ngờ ta cho ôtô chạy trên một đoạn đờng nhất định , trong thời gian đó dụng cu đo đạt trên xe xẽ ghi lại số lần

va đập j tính trung bình trên 1km đờng và gia tốc thẳng đứng của xe tơng ứng

Dựa vào 2 thông số đó , ngời ta so sánh với đồ thị chuẩn xem xe thí nghiệm đạt đợc độ êm dịu chuyển động ở thang bậc nào

+VD:

Trên một đoạn đờng nhất định đo đợc : 10 lần va chạm / km

Gia tốc thẳng j = 4m/s2

Tra đồ thị ta xác định định đợc A

Nh vậy: Xe thí nghiệm có mức độ êm dịu chuyển động theo chỉ tiêu trên cho ta đợc kết quả

nhanh , tuy vậy cha thật chính xác vì theo phơng pháp này cha tính tới thời gian tác động của

gia tốc thời của gia tốc thẳng đứng J

rất tốt

rất xấu

xấu

trung bình

tốt A

Hinh 1 Đồ thị đặc trng tính êm dịu của ôtô

J : gia tốc thẳng đứng (m/s2)

i : số lần va đập / km

1.3 Chỉ tiêu tính êm dịu chuyển động dựa vào gia tốc giao động và thời gian tác động của chúng :

- Khi ngờ ngồi trên ôtô , đặc biêt là ngờ lái : dao động sẽ làm cho ngờ mệt mỏi , dẫn đến giảm năng xuất làm việc hoặc ảnh hởng lâu dài đến sức khoẻ

- Thí nghiệm cho thấy : Keo dài trong 8 tiếng cho thấy nhạy cảm hơn cả đối với ngời là :

Dải tần số 4  8 Hz

Trong dải này các giá trị cho phép của toàn phơng gia tốc nh sau :

Dễ chịu : 0,1 m/s2

Gây mệt mỏi : 0,315 m/s2

Gây ảnh hởng tới sức khoẻ : 0,63 m/s2

II.Sơ đồ dao động tơng đơng của ô tô và máy kéo

1 Dao động của ô tô trong các mặt phẳng toạ độ

Hệ dao động của ô tô - máy kéo khi chuyển động là hệ dao động nhiều bậc tự do rất phức tạp (xem hình X-2)

Để có thể tìm ra đợc quy luật và nguyên nhân chủ yếu gây dao động, ta xét dao động này trong các mặt phẳng toạ độ nh những dao động này trong các mặt phẳng toạ độ nh những dao

động riêng biệt Trong mặt phẳng ZX có hai dao động, đó là dao động theo phơng thẳng đứng theo trục Z và dao động góc xoay quanh trục Y tơng tự nh vậy ở các mặt phẳng ZY và XY đều

có các dao động ngang, dọc và dao động góc quanh các trục X, Y Tất cả những dao động trên

đều ảnh hởng tới con ngời, song mức độ ảnh hởng có khác nhau Khi nghiên cứu tính êm dịu chuyển động, qua nhiều thí nghiệm ngời ta nhận thấy so với dao động trong mặt phẳng XZ thì dao động thành phần trong mặt phẳng XY và ZY là không đáng kể và có thể bỏ qua

Hình X-2 Hệ giao động không gian của ô tô hai cầu

2 Khái niệm về khối lợng đợc treo và khối lợng không đợc

Trong sơ đồ dao động, ngời ta chia khối lợng của ô tô làm hai thành phần: khối lợng đợc

treo M và khối lợng không đợc treo m.

a Khối lợng đợc treo

Khối lợng đợc treo M gồm những cụm, những chi tiết mà trọng lợng của chúng tác động lên hệ thống treo nh khung, thùng, cabin, động cơ và một số chi tiết gắn liền với chúng Những cụm máy và chi tiết kể trên đợc lắp đặt với nhau bằng những đệm cao su đàn hồi, dạ nỉ hoặc giấy bìa công nghiệp v.v Hơn nữa, trên thực tế bản thân từng cụm và từng chi tiết cũng không cũng không phải cứng hoàn toàn mà có sự đàn hồi, biến dạng riêng, nhng so với sự biến dạng của hệ thống treo thì chúng rất nhỏ bé, có thể bỏ qua Trong hệ dao động tơng đơng, khối lợng

đợc treo đợc xem nh là một vật thể đồng nhất, cứng hoàn toàn, đợc biểu diễn nh một thanh AB

có khối lợng M tập trung vào trọng tâm T Các điểm A, B ứng với vị trí cầu trớc và cầu sau của

xe Tại vị trí cầu trớc và cầu sau có các khối lợng M 1 và M 2, và toạ độ trọng tâm của các phần

đ-ợc treo đđ-ợc thể hiện qua các kích thớc a và b (hình X-3).

Hình X-3 Mô hình hoá khối lợng đợc treo.

b Khối lợng không treo đợc

Khối lợng không treo m bao gồm những cụm, chi tiết máy trọng lợng của chúng không tác dụng lên hệ thống treo Đó là cầu, hệ thống chuyển động và một phần các đăng Cũng nh ở phần khối lợng đợc treo, ta bỏ qua ảnh hởng của các biến dạng riêng của các cụm và mối nối

đàn hồi giữa chúng, coi phần không đợc treo là một vật thể đồng nhất cứng hoàn toàn có khối l-ợng m tập trung vào tâm bánh xe (hình X-4) Sự biến dạng đàn hồi của lốp đợc đặc trng bởi hệ

số cứng Cl

c Hệ số khối lợng

Tỷ số giữa khối lợng đợc treo M và khối lợng không đợc treo m gọi là hệ số khối lợng d

d =M/m (X-1)

Hình X-4 Mô hình hoá khối lợng không đợc treo

Hệ số khối lợng có ảnh hởng lớn tới tính êm dịu chuyển động Giảm khối lợng đợc treo sẽ giảm đợc lực va đập truyền lên khung vỏ; còn tăng khối lợng đợc treo sẽ giảm đợc dao động khung vỏ Cho nên trong thiết kế xe, có khuynh hớng tăng hệ số này, mà trớc hết là giảm trọng lợng phần không đợc treo

Thông thờng d bằng 6,5 7,5 đối với xe du lịch khi đầy tải bằng 4  5 đối với xe vận tải

3 Sơ đồ hoá hệ thống treo

Trong sơ đồ dao động tơng đơng của ô tô thì bộ phần đàn hồi của hệ thống treo đợc biểu diễn nh là một lò xo có hệ số cứng là Cl và bộ phận cảm chấn với đại lợng đặc trng là hệ số cản

K Hệ thống treo đợc biểu diễn nh ở (hình X-5) Điểm 1 là điểm nối hệ thống treo với khung xe, còn điểm 2 là điểm đặt của hệ thống treo lên cầu xe

Hình X-5 Sơ đồ dao động tơng đơng của hệ thống treo.

4 Sơ đồ dao động tơng đơng

a Ô tô hai cầu

Với những khái niệm nêu trên, hệ dao động ô tô hai cầu đợc biểu diễn nh ở hình (X-6) Trong đó:

M - Khối lợng đợc treo của toàn xe;

M1, M2 - khối lợng đợc treo phân ra cầu trớc và cầu sau;

m 1 , m 2 - khối lợng không đợc treo phân ra cầu trớc và cầu sau;

C1, C2 - hệ số cứng của thành phần đàn hồi của hệ thống treo trớc và sau;

C’1, C’2 - hệ số cứng của lốp trớc và sau;

Hình X-6 Sơ đồ dao động tơng đơng của ô tô

a, b - toạ độ trọng tâm các phần khối lợng đợc treo;

L - chiều dài cơ sở của ô tô;

K1, K2 - hệ số cản của thành phần cản của hệ thống treo trớc và sau

ô tô ba cầu

Sơ đồ dao động tơng đơng của ô tô ba cầu với hệ thống treo hai cầu sau là hệ thống treo cân bằng đợc biểu diễn trên (hình X-7)

Trong đó :

M2 - khối lợng đợc treo phân ra cầu sau;

m 2 , m 3 - khối lợng không đợc treo tại vị trí cầu giữa và sau;

C2 - hệ số cứng của hệ thống treo sau;

K2 - hệ số cản hệ thống treo sau;

C’12, C’13 - hệ số cứng của lốp cầu giữa và cầu sau;

K’12, K’13 - hệ số cản của lốp giữa và sau

Các ký hiệu khác xem ở (hình X-7)

Hình X-7.

Hệ số dao

động tơng

đơng của treo sau cân bằng ô tô ba cầu khi dao động thẳng đứng trong mặt phẳng dọc

III Phơng trình dao động của ô tô

Để xác lập đợc qui luật dao động của ô tô, ta xet sơ đồ dao động đơn giản của ô tô nh ở hình X-10

Sơ đồ tính toán đợc xác lập với những giả thiết đơn giản sau:

 Cha để ý tới lực kích động do độ mấp mô của mặt đờng gây ra khi xe chuyển động

 Cha để ý đến khối lợng không đợc treo

 Cha để ý đến lực cản của bộ phận cản

Với những giả thiết đơn giản trên, dao động của ô tô đợc coi nh dao động của thanh AB

đặt trên hai gối tựa đàn hồi tơng ứng với tâm cầu trớc và cầu sau Hệ số cứng thu gọn của hệ thống treo và lốp đợc ký hiệu là C1, C2

Hình X-10 Sơ đồ dao động đơn giản của ô tô.

khối lợng đợc treo M đợc tập trung tại trọng tâm T cách cầu trớc và cầu sau của xe các khoảng cách tơng ứng là a và b.

khi có lực kích thích, đầu tiên đoạn thẳng AB chuyển động tới vị trí mới là A1B1 gồm hai chuyển động thành phần:

 chuyển động tịnh tiến từ AB tới A’B’ với một đoạn dịch chuyển là z dới tác động

của lực quán tính Mz

 Chuyển động quay một góc  quanh trục Y đi qua trọng tâm T làm thanh AB

chuyển từ A’B’ tới A1B1

 Dịch chuyển thẳng đứng z1,z2 của vị trí A và B đợc xác định nh sau:

1 =  - atg   - a

2 =  + btg   +b (X-2)

Góc  quá nhỏ nên tg  .

 Chuyển động thẳng đứng và chuyển động quay của khối lợng đợc treo M đợc biểu thị bằng hệ phơng trình sau:

Mz +C1z1 + C2z2 = 0 ` (X-3)

Mp2 = C1z 1 a - C2z 2 b

Trong đó:

dz2 / dt2= z

d2 /dtdt 2 =  (X-4)

 - bán kính quán tính của khối lợng đợc treo đối với trục Y đi qua trọng tâm T

Đạo hàm hai lần phơng trình (X-2) theo thời gian ngời ta đợc:









 a -z z

b z

z 2

(X-5)

1

z

v

1

11z c

L

T

Z

M  Z

1

B

B

B

2

Z

2

2Z C

Từ hệ phơng trình (X-3) ta có các giá trị sau:

z =

-M

1 (C1z1a - C2z2)

M

1

P (C1z1a - C2z2b) (X-6)

Thay thế các giá trị của z và  tại bỉeu thức (X-6) vào hệ phơng trình (X-5) ta có:

z1 =

-M

1 (C1z1 + C2z2) - 2

MP

a

(C1z1a + C2z2b)

Z2 =

M

1 (C1z1 - C2z2) + 2

MP

b

(C1z1a - C2z2b) Sau khi khai triển và rút gọn ta đợc hệ phơng trình:

Mz1 + C1z1(1 + a22

P ) + C2z2(1 - 2

ab

Mz2 + C2z2(1 + b22

P ) + C1z1(1 - 2

ab

Thay giá trị z1 từ phơng trình thứ nhất trong hệ phơng trình (X-7) và giá trị z1 từ phơng trình thứ nhất vào phơng trình thứ hai của hệ phơng trình (X-7) và rút gọn ta có:

z1 +

2 1 2

2 2

2 P

ab

Z b p M

L C Z

b

P









z2 +

2 1 1

2 2

2 P

ab

Z b p M

L C Z

b

P









=0

Từ hệ phơng trình (X-8) ta thấy rằng dao động của hai vị trí AB tơng ứng với dao động của các khối lợng đợc treo phân ra cầu trớc, cầu sau có ảnh hởng lẫn nhau, nghĩa là trong quá trình chuyển động khi cầu trớc gặp độ mấp mô bề mặt đờng dao động xuất hiện ở cầu trớc cũng

sẽ gây ra dao động ở cầu sau và ngợc lại ảnh hởng dao động qua lại của hai cầu đợc đặc trng bằng hệ số liên kết  :



















2 2 2 1

2 2 2 1

a P P ab b P P ab





(X-9)

Trong trờng hợp 1 = 2 = 0 tức là 2 = ab thì xẩy ra trờng hợp dao động ở các cầu xe độc lập lẫn nhau Trong thực tế trờng hợp này không xẩy ra mà dao động ở các cầu xe có ảnh hởng qua lại với nhau, nghĩa là 1 # 2 # 0 vì vậy 2 # 0 Bán kính quán tính trong trờng hợp này đợc tính theo biểu thức:

2 = ab (X-10)

ở đây :  - hệ số phân bố khối lợng

ở các ô tô hiện nay  = 0,8  1,2 Hệ số  ảnh hởng lớn đến dao động của ô tô khi  = 1 thì dao động ở các cầu xe độc lập với nhau

Tần số dao động riêng của các phần khối lợng đợc treo phân ra cầu trớc, cầu sau đợc tính theo biểu thức:













M a P L C

M b P L C

2 2 2 2 2

2 2 2 1 2





(X-11)

ở đây :

1 - tần số dao động đặc trng cho dao động của khối lợng đợc treo tại điểm A khi điểm B

cố định;

2 - tần số dao động đặc trng cho dao ddoonogj của khối lợng đợc treo tại điểm B khi

điểm B khi điểm A cố định

Thay (X-9) và (X-11) vào (X-8) ta đợc :

z1 + 1z2 + 2 z1 = 0

Nghiệm tổng quát của hệ phơng trình (X-12) có dạng :

z1 = Asin1t + Bsin2t

z2 = Csin1t + Dsin2t

Trong đó :

1, 2 - tần số dao động liên kết;

A, B, C và D - những hằng số

Phơng trình đặc tính của hệ phơng trình (X-12) là phơng trình trùng phơng có dạng :

0 1

2 2

2 1 2 2 1

2 2

2 1 4

































(X-13)

Giải phơng trình (X-13) ta đợc biểu thức để tính các tần số dao động liên kết nh sau:











 12 22 12 22 2 1 2 12 22

2 1

2 2 ,

1 2

1



















Biểu thức trên cho thấy dao động của ô tô là rất phức tạp gồm hai dao động điều hoà có tần só dao động liên kết 1, 2 Tần số dao động liên kết của ô tô phụ thuộc vào nhiều yếu tố

mà trớc hết là phụ thuộc vào các thông số cấu tạo của ô tô nh khối lợng đợc treo, toạ độ trọng tâm của phần đợc treo, bán kính quán tính của phần đợc treo, độ cứng của hệ thống treo v.v Tr-ờng hợp 1 = 2 = 0 thì dao động xảy ra ở các cầu xe độc lập lẫn nhau, khi đó ph ơng trình dao

động ô tô đơn giản hơn nhiều (xem hình X - 11)

Hình X-11 Sơ đồ dao động độc lập của ô tô tại cầu trớc.

Phơng trình dao động của xe ở cầu trớc có dạng :

Tần số dao động riêng đợc tính bằng biểu thức :

1

1

2

C



Lúc đó phơng trình (X-14) có dạng :

Nghiệm của phơng trình trên là :

Nh vậy dao động có quy luật theo hàm số sin điều hoà với chu kỳ dao động :

T1 =

1

1 1

2

C

M







(X-18)

Số lần dao động trong một phút đợc xác định theo biểu thức :

v

1

Z

1

1Z

L

1 1

300

t f

Trong đó : ft1 - độ võng tĩnh của hệ thống treo trớc

Đối với ô tô du lịch độ võng tĩnh khi tải đầy có giá trị trong khoảng 20  50 cm, đối với

xe tải từ 8 đến 12 cm, đối với xa khách từ 11 đền 15 cm Dao động cầu sau ta cũng xét tơng tự

Nếu kể tới thành phần cản, tức là trong hệ thống treo của xe có lắp ống giảm chấn để dập tắt dao động phát sinh khi xe chạy thì sơ đồ tính toán đợc biểu diễn ở hình (X-12)

Khi hệ thống treo có lắp giảm chấn thuỷ lực thì lực cản của giảm chấn thuỷ lực ở vận tốc bình thờng sẽ tỉ lệ với

Hình X-12 Sơ đồ dao động tự do tắt dần của ô tô

vận tốc dao động Phơng trình dao động trong trờng hợp này có dạng :

Ta đặt :

1

1

K

M = 2h

1 và 1

1

K

M = 2

Phơng trình (X-20) sẽ có dạng :

z1 + 2h1z1 + 2 z1 = 0 (X-21)

ở đây : h - hệ số tắt chấn động

Để giải đợc phơng trình (X-21) ta đa ra hệ số tỉ lệ tắt chấn động 1 :

1

1Z C

1

1Z K

A

1

1Z M

Z

1 =

1 1

h

Hệ số này thể hiện mối tơng quan giữa hai đại lợng đặc trng cho hệ thống treo là hệ số cản của giảm chấn và hệ số cứng của bộ phận đàn hồi (nhíp, lò xo) Đây là một trong những thông số quan trọng của hệ dao động xe

Nghiệm của phơng trình đặc tính của phơng trình vi phân (X-21) có dạng :

1,2 = - h1  2

1 2

1

(X-23)

kết quả của bài toán tuỳ thuộc dạng của nghiệm số (X-23)

Có ba trờng hợp nh sau đây có thể xảy ra

a Trờng hợp thứ nhất : h 1 > 1 tức 1 > 1

1 - tần số dao động của xe khi có bộ phận cản ở cầu trớc;

1 - tần số dao động riêng của cầu trớc

Nghiệm của phơng trình dao động (X-21) có dạng :

z1 = Ae-h

Nghiệm của phơng trình (X-21) ở trờng hợp này cho thấy là khi hệ thống treo có lắp thành phần cản với đại lợng đặc trng là hệ số cản K thì dao động đợc dập tắt, nhng với 1 > 1 thì quá trình dập tắt theo quy luật hình sin hypecbol, đây là quá trình dập tắt đột ngột, rất cần tránh khi thiết kế hệ thống treo ô tô

b Trờng hợp thứ hai : h 1 = 1 tức 1 = 1

Nghiệm của phơng trình đặc tính là nghiệm kép và nghiệm phơng trình dao động (X-21)

có dạng sau:

ở đây quá trình dập tắt dao động cũng có quy luật hình sin hypecbol Trong thiết kế hệ thống treo cũng cần tránh trờng hợp này