Đáp ứng động lực học của ô tô chuyển động có kể đến mấp mô mặt đường

l Chiều dài dầm, chiều dài phần tử Lx Chiều dài cơ sở của xe m Khối lượng trên một đơn vị mét dài M Ma trận khối lượng ms Khối lượng thân xe khối lượng được treo m a Khối lượng không t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HÀ HẢI PHI MSHV: 1570324

Ngày, tháng, năm sinh: 17/12/1991 Nơi sinh: Đăk Nông

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số: 60520116

I TÊN ĐỀ TÀI: “ Đáp ứng động lực học của ô-tô chuyển động có kể đến mấp mô mặt đường”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Mô hình cơ học dao động xe nhiều cầu (mô hình 1/4, 1/2 với 2 trục, 3 trục) và xây dựng các phương trình vi phân chuyển động

2 Đề cập đến mấp mô mặt đường như là đầu vào của tải kích động

3 Mô hình Simulink (Matlab) cho các mô hình xe 1/4, 1/2 2 trục, 1/2 3 trục

4 Áp dụng số liệu thực tế, giải đáp ựng động lực học

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16/01/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 22/07/2017

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên ): TS LÊ ĐÌNH TUÂN

Tác giả cũng xin bày tỏ sự biết ơn tới sự quan tâm của Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh và sự ủng hộ của bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình làm luận văn

Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình đã động viên, ủng hộ tác giả trong suốt thời gian làm luận văn./

Tác giả luận văn

Hà Hải Phi

3

TÓM TẮT

Tính toán dao động ô tô có ý nghĩa và vai trò vô cùng quan trọng, và là cơ sở chủ yếu giúp đánh giá độ ổn định, an toàn động lực học theo phương thẳng đứng, êm dịu trong quá trình hoạt động của ô tô Mô hình tính toán mô phỏng dao động ô tô 1/4

và 1/2 được sử dụng để tiến hành nghiên cứu Luận văn đề cập đến mấp mô mặt đường như là đầu vào của tải kích động và sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để lập mô hình dao động ô tô

Các mô hình cơ học ô tô 2 trục và 3 trục được xây dựng bài bản với hệ phương trình vi phân chuyển động tin cậy Các mô hình này có thể được dùng tham khảo để nghiên cứu chuyên sâu hơn về dao động ô tô Luận văn khai thác công cụ Matlab - Simulink để giải

hệ phương trình vi phân để tìm đáp ứng động lực học cơ hệ xe 2 trục, 3 trục

ABSTRACT

Vehicle vibration calculations play significant and extremely important role, and

is based mainly help to assess the stability, vertical dynamic safe, smooth during vehicle’s operation 1/4 and 1/2 car vibration simulation model are used to conduct research The thesis refers to the road surface roughness as the input of agitated load and uses the Matlab - Simulink software to model the automobile vibration

The two-axle and three-axle automobile mechanics models are formulated with reliable differential equations These models can be used for further study of automobile vibration This thesis utilizes the Matlab-Simulink tool to solve the differential equation system to find the dynamic response of the two-axle, three-axle vehicle

4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Hà Hải Phi

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẤT iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xii

MỞ ĐẦU 1

CHUƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG LỰC HỌC PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Đánh giá dao động của ô tô trên đường 4

1.3 Các mô hình dao động ô tô 4

1.4 Một số mô hình dao động có xét đến ảnh hưởng của mấp mô bề mặt 5

1.5 Hàm kích động 7

1.6 Phân tích chọn mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu 8

1.6.1

Mục tiêu nghiên cứu của mô hình dao động 8

1.6.2 Đối tượng nghiên cứu 9

1.6.3 Phương pháp nghiên cứu 9

vi

CHƯƠNG 2 TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG Ô TÔ 10

2.1 Tiêu chí về đánh giá độ êm dịu 10

2.2 Tiêu chí về không gian hệ thống treo 13

2.3 Tiêu chí an toàn động lực học 14

CHƯƠNG 3 XÂY DỤNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ MẤP MÔ MẶT ĐƯỜNG 16

3.1 Mô hình động lực học của xe 16

3.1.1 Mô hình xe 1/4 18

3.1.1.1 Các giả thiết khi lập mô hình 18

3.1.1.2

Mô hình hệ thống treo 19

3.1.1.3

Mô hình bánh xe 24

3.1.1.4 Hệ phương trình vi phân mô tả dao động của xe theo mô hình 1/4 27

3.1.2 Mô hình xe 2 trục 28

3.1.2.1 Các giả thiết khi lập mô hình 29

3.1.2.2 Hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống 30

3.1.3 Mô hình xe 3 trục 33

3.1.3.1 Các giả thiết khi lập mô hình 34

3.1.3.2 Hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống 36

3.2 Phương trình dao động ô tô theo phương pháp phần tử hữu hạn 39

3.3 Mô tả mấp mô biên dạng mặt đường dạng hàm ngẫu nhiên 42

3.3.1 Gia công số liệu 44

3.3.1.1 Chuẩn hóa 44

3.3.1.2 Khử trend 45

3.3.1.3 Lọc số liệu 46

3.3.2 Mô tả mấp mô biên dạng mặt đường dạng hàm ngẫu nhiên: 47

vii

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ CHUYÊN

ĐỘNG CÓ KẺ ĐẾN MẤP MÔ MẶT ĐƯỜNG 53

4.1 Đo độ mấp mô mặt đường thực tế: 53

4.2 Mô phỏng dao động bằng phần mềm Matlab - Simulink 55

4.2.1 Sơ đồ Simulink mô phỏng dao động ô tô với mô hình 1/4 56

4.2.2 Sơ đồ Simulink mô phỏng dao động ô tô với mô hình 2 trục 57

4.2.3 Sơ đồ Simulink mô phỏng dao động ô tô với mô hình 3 trục 58

4.3 Áp dụng số liệu thực vào mô hình xe 2 trục 59

Kết luận chưong 4 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

TÀI LỆU THAM KHẢO 80

8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1- Mô hình dầm cơ bề mặt mấp mô chịu tải di động với 4 bậc tự do ố Hình 1.2 - Các mấp mô mặt đường: a)Ảnh hưởng vệt bánh xe do non hơi,

b)vết lõm mặt đường, c) Mặt đường gợn sóng ố Hình 1.3 - Độ võng cầu có kể đến độ mấp mô do tải di động không đổi và

tải di động biến thiên/st +f(t) 7

Hình 2.1 - Các mức độ êm dịu 11

Hình 2.2 - Phân bố độ êm dịu các chủng loại xe 12

Hình 2.3 - Giới hạn gia tốc các phương 12

Hình 2.4 - Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian 13

Hình 2.5 - Mô hình dao động 1/4 14

Hình 3.1 - Qui định hệ tọa độ 17

Hình 3.2 - Mô hình xe 1/4 18

Hình 3.3 - Điểm cắt và lực cắt 19

Hình 3.4- Mô hình hệ thống treo 20

Hình 3.5 - Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo 21

Hình 3.6 - Sơ đồ xác định chế độ mở của tiết lưu 23

Hình 3.7 - Mô hình lốp 24

Hình 3.8 - Các lực bánh xe trong mặt phang 26

Hình 3.9 - Đặc tính lực hướng kính của lốp 26

Hình 3.10 - Mô hình xe 2 trục 28

Hình 3.11 - Mô hình xe 3 trục 33

Hình 3.12 - Phân loại mặt đường theo mật độ phổ (đề xuất của ISO) 50

Hình 3.13 - Mật độ phổ và mô tả mấp mô mặt đường 51

Hình 4.1 - Thiết bị đo độ mấp mô mặt cầu 53

Hình 4.2 - Biểu đồ biểu thị biên dạng mấp mô mặt cầu Đa Phước 53

Hình 4.3 - Hàm phân bố xác suất cao độ mặt cầu Đa Phước 54

Hình 4.4 - Mật độ phổ công suất và mấp mô mặt đường cấp 1 55

Hình 4.5 - Sơ đồ Simulink mô phỏng dao động ô tô với mô hình 1/4 57

Hình 4.6 - Sơ đồ Simulink mô phỏng dao động ô tô với mô hình xe 2 trục 58

Hình 4.7 - Sơ đồ Simulink mô phỏng dao động ô tô với mô hình xe 3 trục 59

9

Hình 4.8 - Mô đun thân xe 59

Hình 4.9 - Mô đun hệ thống treo trước 60

Hình 4.10- Mô đun cầu trước 60

Hình 4.11 - Mô đun bánh xe trước 60

Hình 4.12 - Mô đun hệ thống treo sau 61

Hình 4.13 - Mô đun cầu sau 61

Hình 4.14 - Mô đun bánh xe sau 62

Hình 4.15 - Biên dộ dao động Zs ở vận tốc xe V = 20km/h 63

Hình 4.16 - Biên độ dao động (p ở vận tốc xe V = 20km/h 63

Hình 4.17 - Vận tốc dao động ',s ở vận tốc xe V = 20km/h 64

Hình 4.18 - Gia tốc dao động Zs ở vận tốc xe V = 20km/h 64

Hình 4.19 - Biên độ dao động Zs ở vận tốc xe V = 40km/h 65

Hình 4.20 - Biên độ dao động (p ở vận tốc xe V = 40km/h 65

Hình 4.21 - Vận tốc dao động ',s ở vận tốc xe V = 40km/h 66

Hình 4.22 - Gia tốc dao động Zs ở vận tốc xe V = 40km/h 66

Hình 4.23 - Biên độ dao động Zs ở vận tốc xe V = 60km/h 67

Hình 4.24 - Biên độ dao động (p ở vận tốc xe V = 60km/h 67

Hình 4.25 - Vận tốc dao động ',s ở vận tốc xe V = 60km/h 68

Hình 4.26 - Gia tốc dao độngZs ở vận tốc xe V = 60km/h 68

Hình 4.27 - Biên độ dao động Zs ở vận tốc xe V = 80km/h 69

Hình 4.28 - Biên độ dao động (p ở vận tốc xe V = 80km/h 59

Hình 4.29 - Vận tốc dao động ',s ở vận tốc xe V = 80km/h 70

Hình 4.30 - Gia tốc dao độngX.v ở vận tốc xe V = 80km/h 60

Hình 4.31 - Biên độ dao động Zs ở vận tốc xe V = 100km/h 71

Hình 4.32 - Biên độ dao động (p ở vận tốc xe V = 100km/h 71

Hình 4.33 - Vận tốc dao động ',s ở vận tốc xe V = 100km/h 72

Hình 4.34 - Gia tốc dao độngZs ở vận tốc xe V = 100km/h 72

Hình 4.35 - Biên độ dao động Zs ở vận tốc xe V = 120km/h 73

Hình 4.36 - Biên độ dao động (p ở vận tốc xe V = 120km/h 73

Hình 4.37 - Vận tốc dao độngZs ở vận tốc xe V = 120km/h 74

X

Hình 4.38 - Gia tốc dao độngZs ở vận tốc xe V = 120km/h 74 Hình 4.39 - So sánh biên độ dao động Zs tại trọng tâm xe khi xe chuyển

xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1 - Chỉ số IRI yêu cầu đối với mặt đường cấp cao AI 48

Bảng 3 2 - Đề xuất của ISO về phân loại mật độ phổ mấp mô mặt đường 49

Bảng 4 1 - Các khối cơ bản dùng để mô phỏng 55

Bảng 4.2- Các thông số của xe 2 trục 62

l Chiều dài dầm, chiều dài phần tử

Lx Chiều dài cơ sở của xe

m Khối lượng trên một đơn vị mét dài

M Ma trận khối lượng

ms Khối lượng thân xe (khối lượng được treo)

m a Khối lượng không treo

Mp Khối lượng di chuyển

q Véc tơ chuyển vị nút

[ Véc tơ vận tốc chuyển động tại nút

q Véc tơ gia tốc chuyển động tại nút

Qi Tải trọng động tác dụng lên khối lượng di động

r Mấp mô bề mặt đường

SU(Q) Mật độ phổ chiều cao mấp mô của đường

V Vận tốc theo phương ngang

13

V Thể tích phần tử

w Chuyển vị phương đứng

X Vị trí của tiết diện cần xét;

z s Chuyển vị thẳng đứng của trọng tâm thân xe

Zsi Chuyển vị tại điểm nối giữa hệ thống treo trục i với thân xe

Zu Chuyển vị thẳng đứng của trọng tâm khối lượng không treo trước Ỉ+ỈM Hệ số

động lực

s Độ giảm biên độ logarith

ỗ Ký hiệu biến phân

ôu Chuyển vị ảo

£ỵ Biến dạng dọc

rj Vị trí của tải trọng tác dụng

ớs Chuyển vị lắc dọc

/4 Khối lượng suy rộng của mode thứ r

ệ Tọa độ không thứ nguyên

Q

MỞ ĐẦU

“Động lực học” ô tô có tên tiếng Anh là “Dynamics of Vehicle” đã có lịch sử phát triển hàng trăm năm nhưng chỉ phát triển mạnh mẽ vào những năm 1970 trong xu thế phát triển ô tô và các cụm ô tô cơ điện tử Khi đó, hệ thống phanh ABS ra đời chống bó cứng bánh xe, bảo đảm ổn định khi phanh già; cuối thập niên 90 ra đời hệ thống phanh TCS điều khiển chống trượt quay khi tăng tốc, cho phép ô tô chuyển động với vận tốc lớn nhất trong từng loại đường có thể mà không mất ổn định; cũng trong thập niên đó,

hệ thống phanh VDC ra đời, hoạt động giống TCS, chỉ khác là có điều khiển gia tốc góc quay thân xe và gia tốc ngang; cuối cùng là hướng đến ô- -tô thông minh, chạy tự động kiểu GCC Những ứng dụng mới của cơ điện tử trong ngành Công nghiệp ô tô bao gồm các ô tô bán tự động đến tự động hoàn toàn, hệ thống hỗ trợ lái xe, hệ thống an toàn động lực học, ô tô thông minh và hệ thống giao thông thông minh, các hệ thống an toàn khác như EHB, EMB Cơ điện tử là sự tích hợp giữa cơ khí, điện và máy tính, cần thấy rằng, cơ điện tử liên quan đến nhiều ngành bằng việc mô tả các cấu thành cơ điện tử, bao gồm: máy tính và logic; cảm biến và cơ cấu chấp hành; tín hiệu và hệ thống; mô hình vật lý; phần mềm và dữ liệu Do vậy, phát triển “Động lực học ô tô” như một nhu cầu cấp bách trong xu thế nâng cao chất lượng ô tô như một thước đo sự phát triển của

xã hội Trình bày mang tính hệ thống “Động lực học ô tô” là do Mitschke trong tác phẩm nổi tiếng “Dynamik der Fahrzeuge”

Động lực học ô tô nghiên cứu các điều kiện cần và đủ của chuyển động ô tô; là cơ

sở nghiên cứu thiết kế ô tô hiện đại Ngày nay, khi mà ô tô là một hệ thống tích hợp của nhiều hệ thống cơ điện tử, động lực học ô tô cần nghiên cứu sâu bản chất quan hệ tương tác giữa “người - xe - đường” như là một hệ thống động lực học điều khiển Cùng với Tin học/máy tính, Điện tử công suất, Động lực học ô tô là cơ sở thiết kế cho ô tô thế hệ mới Ngoài ra, nghiên cứu động lực học ô tô cũng góp phần hiểu rõ các quá trình vật lý trong mối quan hệ tìm hiểu đánh giá, giảm thiểu tai nạn giao thông

Động lực học ô tô là một lĩnh vực phức tạp tích hợp giữa:

- Động lực học dọc/Longitudinal Dynamics

Đề tài: “Đáp ứng động lực học của ô tô chuyển động có kể đến mấp mô mặt đường”

Chương 1 - Tổng quan động lực học phương thẳng đứng;

Chương 2 - Tiêu chí dao động ô tô;

Chương 3 - Xây dựng mô hình động lực học ô tô có xét đến độ mấp mô mặt đường; Chương 4 - Mô phỏng dao động ô tô;

Kêt luận và kiến nghị

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG LỰC HỌC PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG

Động lực học phương thẳng đứng trong nhiều tài liệu còn có tên là dao động ô tô; nội dung là nghiên cứu dao động dưới tác động kích động mặt đường và các giải pháp

về êm dịu chuyển động Do nhu cầu phát triển, yếu tố kích động được bao quát rộng hơn; ảnh hưởng của dao động không những về độ êm dịu cho người và hàng hóa mà còn xét đến tác hại làm hỏng đường; với nhu cầu nghiên cứu động lực học và động lực học điều khiển, các nhu cầu phát triển ô tô cơ điện tử, mô hình dao động đầy đủ cũng được phát triển đa dạng, phức tạp hơn, chính xác hơn

1.1 Giói thiệu

Việc nghiên cứu dao động ôtô được tiến hành từ rất lâu với nhiều công sức của hàng trăm tác giả Tuy nhiên, đến tận năm 1970 những công trình đó mới được Mitschke biên soạn tập trưng vào tác phẩm nổi tiếng của mình là “Dynamik der Fahrzeuge” [27] Trong tác phẩm này, Mitschke đã đề cập hầu hết các loại mô hình dao động cơ bản nhưng đối tượng là các xe con; không đề cập các yếu tố phi tuyến; về phương pháp, cách tiếp cận

là cơ học cổ điển

Vào năm 1980, Schiehlen [28] đã cho ra đời phương pháp hệ nhiều vật, mô đun hoá các hệ cơ học theo xu thế nghiên cứu dao động bằng mô phỏng máy tính Ngoài sự phát triển của máy tính và cơ học, toán học cũng có những thành tựu mới có ý nghĩa cho nghiên cứu cơ học là lý thuyết về phương trình Ma trận Các đặc tính cụm được nghiên cứu sâu hơn để xác định được yếu tố phi tuyến vật lý

Khái quát về nghiên cứu dao động ta có thể thấy nội dung lĩnh vực này bao hàm 4 vấn đề sau:

- Chỉ tiêu đánh giá dao động;

- Mô hình dao động, bao gồm mô hình vật lý (sơ đồ dao động tương đương) và

mô hình toán học (hệ phương trình vi phân);

Các hàm kích động;

Thí nghiệm dao động

Tính toán dao động ô tô có ý nghĩa và vai trò vô cùng quan trọng, và là cơ sở chủ

4 yếu giúp đánh giá độ ổn định, an toàn động lực học theo phương thẳng đứng, êm dịu cho người và hàng hóa Những thành tựu của nghiên cứu dao động ô tô sẽ giúp ích rất nhiều cho việc nghiên cứu độ bền của cầu, đường trong quá trình sử dụng thực tế khi xe chạy trên các công trình giao thông đường bộ này Trong đó hai nội dung quan trọng trong nghiên cứu dao động ô tô là chỉ tiêu đánh giá dao động và mô hình dao động ô tô

1.2 Đánh giá dao động của ô tô trên đường

Trong phần lớn các tài liều viết về dao động ô tô đều dùng khái niệm “Chỉ tiêu về dao động” để đánh giá dao động ô tô Nhưng hiện tại trên thế giới không có chỉ tiêu đánh giá dao động mà chỉ đánh giá theo một số Tiêu chí, xe này tốt xe kia không tốt Đánh giá ảnh hưởng của dao động có tính lịch sử Trước đây, người ta đánh giá ảnh hưởng dao động ôtô theo 2 tiêu chí là độ êm dịu và tải trọng động, tượng trưng cho sự ảnh hưởng đến tuổi thọ chi tiết

Ngày nay, do nhận thức mới về ảnh hưởng của dao động, các tiêu chí mới được đưa

ra nhằm nâng cao chất lượng ô tô như một thước đo của sự phát triển xã hội, cụ thể như sau:

- Tiêu chí về đánh giá độ êm dịu: Tiêu chí đối với khách và Tiêu chí đối với hàng hoá;

- Tiêu chí an toàn động lực học(hay tiêu chí về tải trọng động): Tiêu chí về độ bền chi tiết, Tiêu chí về mức độ phá đường, Tiêu chí về an toàn động lực học;

- Tiêu chí về không gian bố trí hệ thống tteo

Các Tiêu chí đánh giá dao động ô tô sẽ được trình bày chi tiết hơn trong Chương 4 của luận văn này

1.3 Các mô hình dao động ô tô

Thực chất của việc xây dựng mô hình dao động ô tô bao gồm hai bài toán:

• Xây dựng mô hình cấu trúc thực của ô tô

• Xây dựng hàm mặt đường

Mô hình dao động ô tô được xây dựng phải thoả mãn yêu cầu: sát với thực tế, đơn giản, thuận tiện trong tính toán và kết quả thu được chính xác nhất

5

Ui (0 = Vi (0 - ^v(*i, í) - r u ) (1.3)

Khi xây dựng mô hình dao động ô tô cần một số giả thiết Những giả thiết này làm cho quá trình nghiên cứu, tính toán đơn giản hơn, song không làm mất đi tính tổng quát của bài toán và đảm bảo độ chính xác cần thiết Các giả thiết cơ bản khi xây dụng mô hình nhu sau:

+ Phần khối luợng đuợc treo và không được treo coi như cứng tuyệt đối và các khối lượng;

+ Bỏ qua các nguồn kích thích dao động trên xe Coi mấp mô của mặt đường là nguồn kích thích dao động duy nhất

Có các dạng mô hình ô tô như sau:

- Mô hình 1/4;

- Mô hình 1/2;

- Mô hình phương dọc;

- Mô hình không gian

1.4 Một số mô hình dao động có xét đến ảnh hưởng của mấp mô bề mặt

Các nghiên cứu có đề cập ảnh hưởng của mấp mô bề mặt có thể kể đến nghiên cứu của Ladislave Frýba (1972) [25], đề cập đến mô hình dầm có bề mặt mấp mô chịu tải

di động của xe hai trục (Hình 1.1) Bài toán được mô tả bởi 5 phương trình vi phân Ngoài các phương trình dao động của thân xe, của các khối lượng không được treo, phương trình dao động của dầm có kể đến mấp mô dưới dạng lực tương tác do chuyển

động của xe tại trục thứ i:

trong đó tải di động tác động từ trục xe thứ i lên dầm tại điểm Xi

R i (t) = K i u i (t)>Q, í = 1,2 Với chuyển vị của điểm tiếp xúc bánh xe so với mặt đường có kể mấp mô [25]:

(1.1)

(1.2)

6

Hình 1.1 - Mô hình dầm cơ bề mặt mấp mô chịu tải di động vái 4 bậc tự do

Tuy vậy mô tả mấp mô r^Xị) thường được giới hạn dưới dạng cỏ chu kỳ, có

quy luật như một số trường hợp mô tả ở Hình 1.2

Hình 1.2- Các mấp mô mặt đường: a) Anh hưởng vệt bảnh xe do non hơi, b) vết

lõm mặt đường, c) Mặt đường gợn sóng

Việc giải bài toán được thực hiện nhờ chuyển các phương trình về dạng vô thứ nguyên và dạng phù hợp với việc tính toán số Ở đây các phương trình vi phân thường xây dựng được sau cùng được giải bằng phương pháp Runge-Kutta-

Nystrốm

Trong khi đó, nghiên cứu của s.s Law và X.Q Zhu (2004) [24] nghiên cứu ứng

xử động lục học của cầu nhiều nhịp liên tục xét đến tương tác công trình, mấp mô mặt đường và xe Hệ cầu-xe được chia thành cảc hệ con có xem xét đến ảnh hưởng của mấp

mô Trong nghiên cứu này, độ võng cầu được tính bằng cách triển khai mode dao động, mấp mô được đề cập theo tiêu chuẩn ISO-8608 Cả đáp ứng của cầu, và xe đều được

7 giải bằng phương pháp Newmark (phương pháp tích phân trực tiếp) Quá trình tính tuân thủ tính tuần tự và giải lặp theo bước thời gian: xác định vị trí xe, tính lực kích thích lên

xe từ đó xác đỉnh chuyển động của xe, tính lực kích thích lên cầu từ đỏ xác định độ võng cầu Nghiên cứu chưa làm rõ cơ chế tương tác cầu-xe

Một nghiên cứu gần đây của Geert Lombaert và Joel p Conte (2012) [20] có đề cập đến phân tích dao động ngẫu nhiên của tương tác động lực học cầu -xe do độ mấp mô mặt đường Mô hình tính mà họ đề nghị xác định dạng độ võng cầu y(x,í) và dạng độ võng cầu có kể đến độ mấp mô yộự) + r(x) được giả sử là do tải di động không đổi/st và

do tải di động biến thien/(i) (Hình 1.3)

Hình 1.3- Độ võng cầu cố kề đến độ mấp mô do tải di động không đổỉ và tải di

động biến thiên/8t + fit)

Nghiên cứu chỉ ra đáp ứng cầu chịu tải tập trung di động biến thiên theo thời gian

xo được tính bằng kỹ thuật chồng chất mode (modal supeiposỉtỉon) có thề áp dụng cho bất cứ mô hình cầu nào Trong khỉ đó lời giải giải tích chỉ thuận tiện đối với dầm nhịp giản đơn Nghiên cứu đề cập việc xác đỉnh lực kích thích từ độ võng cầu tại điểm tiếp xúc do thành phần tĩnh của tải trọng xe và do độ mấp mô mặt đường Nghiên cứu giới hạn cho một ứng dụng số với cầu nhịp đơn với mô hình xe 1/4 với 2 bậc tự do Xe nhiều trục cũng chưa được đề cập trong mô hình tính

1.5 Hàm kích động

Có nhiều yếu tố gây dao động cho ôtô như:

- Nội lực trong ô tô

- Các ngoại lực xuất hiện trong quá trình sử dụng như tăng tốc, phanh, quay vô lăng

- Ngoại cảnh: gió bão

- Đường mấp mô

Đến nay yếu tố mấp mô của đường, vẫn được coi là nguồn chủ đạo gây dao động

ô tô Để mô tả kích động về đường, có hai dạng sau:

8

* Mô tả bằng các hàm xác định trong đó có:

- Mấp mô đom (xung)

- Mấp mô có quy luật điều hoà, được biểu diễn bằng hàm: h = hoSÌnrax, trong đó h là chiều cao mấp mô của mặt cầu, ho là biên độ lớn nhất của mấp mô, (0 là tần số vòng của mấp mô hình sin, và X là tọa độ của mặt đường theo phương dọc đường

* Mô tả bằng các hàm ngẫu nhiên [19, 26, 29]:

trong đó:

mf: Giá trị trung bình;

R Ị '. Hàm tương quan;

V Thời gian tương quan

Việc chọn loại kích động nào là phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu Nếu nghiên cứu ảnh hưởng của đường đến dao động ô tô của một vùng, khu vực thì nhất thiết phải có kích động ngẫu nhiên Còn nếu phát triển mô hình tối ưu hệ treo hoặc phân đoạn thiết kế chế thử thì kích động theo nhóm 1 sẽ hiệu quả và dễ đánh giá hơn

1.6 Phân tích chọn mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu

Mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu dao động ô tô xét đến mấp mô mặt đường là ba phạm trù khác nhau nhưng khó tách bạch vì chúng có liên hệ logic với nhau

1.6.1 Mục tiêu nghiên cứu của mô hình dao động

Trong nội dung luận văn này, mục tiêu đặt ra là xây dựng, mô phỏng và áp dụng số

mô hình dao động ô tô chuyển động có kể đến mấp mô mặt đường Từ đó có thể thấy được đáp ứng của xe trong trường hợp này Mô hình dao động được xây dựng từ đơn giản đến phức tạp và mấp mô mặt đường là dạng hàm ngẫu nhiên được xây dựng từ số liệu thực tế

1.6.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu được chọn là mô hình cầu và xe chuyển động trên cầu:

- Mô hình dao động của xe 2 trục, xe 3 trục là các loại xe sử dụng rộng rãi nhất ở Việt Nam hiện nay

- Mô hình xe chuyển động trên đường có bề mặt độ mấp mô là ngẫu nhiên

1.6.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lập mô hình toán học và mô phỏng dao động

9

ô tô có kể đến mấp mô mặt đường; áp dụng số liệu thực tế vào mô phỏng

Mô hình dao động kết ô tô là một hệ nhiều vật thể Việc lập mô hình dựa vào phương pháp tách cấu trúc, cho phép mô đun hoá các phần tử trong cơ hệ, dễ dàng thay đổi cấu trúc và đặc tính cụm, dễ thực hiện và phù hợp với tư duy mô phỏng trên máy tính

Phương pháp tính: Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để mô phỏng hệ thống

Từ các phân tích trên, mục tiêu của nghiên cứu này là kế thừa những yếu tố lập mô hình của các tác giả trong nước và nước ngoài trong việc xây dựng mô hình động lực học

ô tô sử dụng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật và mô phỏng máy tính, nhằm hoàn thiện mô hình động lực học ô tô chuyển động có kể đến mấp mô mặt đường

Kết luận chương 1

Việc nghiên cứu dao động ô tô xét đến ảnh hưởng của mấp mô mặt đường là một vấn

đề phức tạp đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Tính toán dao động ô tô có ý nghĩa

và vai trò vô cùng quan trọng, là cơ sở chủ yếu giúp đánh giá độ ổn định, an toàn động lực học theo phương thẳng đứng, êm dịu trong quá trình hoạt động và xét đến tác động lên các công trình giao thông đường bộ

CHƯƠNG 2 TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG Ô TÔ

Dao động có ảnh hường đến sức khỏe con người, đặc biệt là khả năng điều khiển của lái xe, ảnh hưởng đến hàng hóa Dao động của xe cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền lực của ô tô, làm mất ổn định chuyển động của nó Ngoài ra, tải của bánh xe lên đường là yếu tố chính gây hư hỏng đường Sau đây ta xét các tiêu chí đánh giá dao động

ô tô (“Chỉ tiêu về dao động”) Hiện tại trên thế giới không có chỉ tiêu đánh giá dao động

mà chỉ đánh giá theo một số Tiêu chí, xe này tốt xe kia không tốt Đã là chỉ tiêu thì phải đạt ngưỡng mới được lưu hành

2.1 Tiêu chí về đánh giá độ êm dịu

Hiện tại người ta sử dụng “ISO 2631” của “International Standard Organization”

và “VDI - 2057” của Tiêu chuẩn Công nghiệp Đức “Verein Deutsches Industie Norm”

để xác định về độ êm dịu cho người Ở Việt Nam, tiểu chuẩn tương đương với “ISO

10 2631” là Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6964 do Tiểu ban kỹ thuật tiêu chuẩn TCVN/TC 43

- SCI “Rung và va chạm” biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị,

Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường (nay là Bộ Khoa học và Công nghệ) ban hành

Tiêu chí đánh giá ảnh hưởng của dao động đến người là một hàm tích hợp của gia

tốc, tần số kích động và thời gian tác động của dao động

Tiêu chí đánh giá êm dịu cho người:

£>100 Chấn động mạnh, không chịu nhiều hơn 1 phút

Người ta dùng các công thức trên để đưa ra đồ thị trong hình 2.1 Đối với ô tô thì 0,8 < k < 6,3- Hình 2.2 là biểu đồ phân bố k của một số loại xe Hình 2.3 là đồ thị gia tốc

ũàmgiâGmanh

Thoổ- mãi Sâu 24h ISO 2&31

Cdm giác tốt Cám ộíảc được KEềâng cám giã c

Hình 2.1 - Các mức độ êm dịu

12 ngưỡng tham sổ thời gian và phụ thuộc tần sổ kích động các phương Hình 2.4 là đồ thị ngưỡng của giới hạn êm dịu, làm việc tốt và sức khỏe phụ thuộc vào thời gian tác động của dao động

13

Hình 2.2 - Phân bố độ êm dịu các chủng loại xe

Hình 2.3 - Giới hạn gia tốc các phương

14 Hình 2.4 - Quan hệ

cường độ êm dịu với thời gian

"max =3m/s2: Giới hạn cảnh báo, ngưỡng lập kế hoạch sửa chữa xe hoặc đường;

zmax = / s2: Giới hạn can thiệp, ngưỡng phải sửa chữa đường hoặc xe ngay

2.2 Tiêu chí về không gian hệ thống treo

Hệ thống treo là bộ phận nối mềm giữa khối lượng được treo và không được treo, mô tả như hình 2.5; chuyển động tương đối thường được hạn chế bởi vấu hạn chế hành trình Hạn chế hành trình xác định khoảng giá trị hành trình động nén và trả Giới hạn hành trình là không gian treo, xác định bởi các vấu hạn chế trên và dưới Đe đảm bảo khả năng ổn định, không gian treo không được lớn quá Vì vậy, tiêu chí không gian treo (2.8) rất khó đạt

15

Hình 2.5 - Mô hình dao động 1/4

Chuyển vị thẳng đứng của trọng tâm thân xe (m)

16

ự(i) = max(Fz,^(0)

là giới hạn can thiệp; bánh xe tách khỏi mặt đường

Tiêu chí áp lực đường (dynamic wear factor) cho một bánh xe:

17 Tiêu chí áp lực đường (dynamic wear factor) cho toàn bánh xe với i bánh xe:

T

18

CHƯƠNG 3 XÂY DƯNG MÔ HÌNH ĐỘNG Lực HỌC Ô TÔ CÓ XÉT ĐẾN Độ

Như vậy, một hệ dao động ô tô được đưa về một mô hình vật lý (sơ đồ dao động tương đương) trong đó có các khối lượng và các mômen quán tính; các vật đó liên kết với nhau bằng các lực khớp Việc mô tả dao động được thực hiện bằng hệ phương trình

vi phân cấp 2 và có thể thiết lập được bằng nhiều phương pháp

Để lập phương trình chuyển động cho hệ nhiều vật có hai phương pháp [7]:

- Phương trình Lagrange II (1)

- Phương trình Newton-Euler (2)

Với một hệ phức tạp thì khi dùng phương pháp (1) cần nhiều thời gian tính toán và nhiều quy tắc phức tạp Phương pháp (2) thích hợp với hệ nhiều vật và người sử dụng hơn Đó là phương pháp tách cấu trúc, mỗi vật trong hệ được coi là một hệ

con Việc thành lập phương trình cho một hệ con dựa vào nguyên lý lực cắt Nguyên lý

đó là: tại điểm cắt các lực ngược chiều và có cùng cường độ, các mômen ngược chiều

19

và cùng cường độ tại một điểm quay, cần chú ý rằng, khi sử dụng phương pháp tách vật

và nguyên lý lực cắt, cơ hệ và hệ con cần được thiết lập ở trạng thái cân bằng tĩnh Khỉ

đó các lực cắt trở thành (ngoại lục) gây dao động

Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp tách vật và nguyên lý lực cắt và

sử dụng phương trình Newton-Euler để lập phương trình dao động

Các bước của phương pháp đó như sau:

1 Cắt các vật ra khỏi hệ tại các điểm có liên kết; vật sẽ được cân bằng bởi các lực cắt;

2 Chọn khối tâm Ci của các vật i làm gốc hệ toạ độ cục bộ (hệ toạ độ vật);

- Phương pháp là đơn giản, không cần các quy tắc biến đổi phức tạp, không hạn chế khối lượng, bậc tự do;

- Phương pháp trên phù hợp với tư duy lập trình (mô phỏng) theo mô đun, cho phép thay đổi nhanh cấu trúc và tham số của mô hình

20

3.1.1 Mô hình xe 1/4

Mô hình một chiếc xe chạy trên đường với tốc độ không đổi V (xem Hình 3.2) Xe

mô hình là một phần tư xe với hai bậc tự do Mô hình này cho phép chúng ta xem xét một bộ kết hợp bánh xe - mặt đường Đây chính là mô hình cơ bản để nghiên cứu mở rộng cho các loại xe 2 trục, 3 trục

3.1.1.1 Các giả thiết khi lập mô hình

- Vận tốc chuyển động của xe không đồi (v = const);

- Xe được phân thành 2 khối lượng: khối lượng được treo ms và khối lượng không treo mu Khối lượng được treo nối với khối lượng không treo thông qua hệ thống treo,

đặc trưng bời độ cứng k s và hệ số cản giảm chấn cs Khối lượng không treo nối với

đường thông qua lốp, đặc trưng bởi độ cứng kt và hệ số cản c t (thông thường c t lấy bằng 0);

- Đường coi như cứng tuyệt đối và có bề mặt mấp mô trung bình là r(x)

Hình 3.2 - Mô hình xe 1/4 Các ký hiệu trên hình vẽ:

v: Vận tốc chuyển động dọc của xe (m/s)

x: Tọa độ trên trục dọc của cầu (x = vt)

z & : Chuyển vị thẳng đứng của trọng tâm thân xe (m) ms: Khối lượng thân xe (khối lượng được treo) (kg)

cs: Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo (N.s/m)

kt' Độ cứng lốp (N/m)

21

ct: Hệ số cản giảm chấn của lốp (N.s/m)

Zũ- Chuyển vị thẳng đứng của trọng tâm khối lượng không treo (m)

Như vậy cơ hệ gồm 2 vật:

- Vật 1: Khối lượng được treo của xe, đặc trưng bởi khối lượng ms và có tọa độ suy

rộng là chuyển vị thẳng đứng Zs dọc trọng tâm của nó

- Vật 2: Khối lượng không được treo của xe, đặc trưng bởi khối lượng m a và có tọa

độ suy rộng là chuyển vị thẳng đứng Zu dọc trọng tâm của nó

Khi nghiên cứu mô hình dao động của ô tô, người ta thường coi như nền đường (cầu)

là ổn định (cứng tuyệt đối), khi đó h = r(x) Tuy nhiên, trong mô hình kết hợp cầu - xe,

chuyển vị của cầu là tổng hợp của cả mấp mô bề mặt lẫn cả độ võng do dao động Chuyển vị của cầu được xác định theo công thức:

Trong mô hình 1/4 đã nêu trên, chúng ta xác định 2 điểm cắt (hình 3.3)

Hình 3.3 - Điểm cắt và lực cắt

- Điểm cắt thứ nhất là ở vị trí hệ thống treo (vị trí nổi giữa khối lượng được treo

và khối lượng không được treo) Tại đỗ cố lục cắt FB đặc trưng cho lực tác dụng của hệ thống treo

- Điểm cắt thứ hai là ở vị trí bảnh xe (vị trí nối giữa khối lượng không được treo

và cầu) Tại đó có lực cắt Ft đặc trưng cho lực tác dụng của bánh xe

zs: Chuyển vị khối lượng phần được treo

Zu’, Chuyển vị khối lượng phần không treo

Lực cản của giảm chấn được xác định như sau:

(3.4)

Trong đó kg, cs là hệ số nhưng không phải hằng số mà phụ thuộc (zu - zs) và (z u -z a )

Để tường minh, trong mô hình chỉ ghi là ks và cs, còn khỉ tính toán trong mô phỏng sẽ xác định ks, cs phụ thuộc các thông số động học (zu - z8) và (z u -z a ) Như vậy

Fc J Fk là phi tuyến Ở hành trình trả, nếu không có vấu hạn chế hành trình, nếu (zu - Zg)

< -ft thì Fk= ks’(Zu - za), trong đó kg’ có giá trị hoàn toàn khác ks Neu bộ phận

23 đàn hồi trên xe là nhíp, ks' sẽ là độ cứng của 1, 2 lá nhíp đầu tiên (ks' = 0,24-0,3ks) Nếu

là lò xo đối xứng thì ks' = ks

Trong hệ phuong trình vi phân có chứa các tham số kết cấu là hệ số đàn hồi ks

và hệ số cản cs Khi viết phương trình chưa để ý đến đặc tính phi tuyến của chúng Trên thực tế ks và cs đều phi tuyến Sau đây đề cập đến các yếu tố phi tuyến đó

Đối với những hệ thống treo trên xe không có vấu hạn chế hành trình trả thì

Hình 3.5 - Đặc tính đàn hồi của hệ thống tteo

khi -fl<(z u -z s }<f d n khi (z„-zj>

24

Khi đó lực đàn hồi Fk được xác định theo công thức:

khi fl<(z u -z s )<f d khi (z u -z s )>f d

b Đặc tính giảm chấn

Xác định đặc tính giảm chấn là một bài toán khó khăn vì hai lý do:

- Đặc tính giảm chấn phụ thuộc kết cấu, tức là chế độ tiết lưu hay thông qua;

- Chế độ dòng chảy và tổn hao;

Trên thực tế người ta có thể xây dựng đặc tính giảm chấn theo các điều kiện lý tưởng, tức là hệ không tổn hao, sau đó hiệu chỉnh bằng các hệ số kinh nghiệm Xét các cửa của dòng chất lỏng có hai dạng:

- Lỗ thông qua, có diện tích thông qua không đổi: Atq = const

- Lỗ tiết lưu, có diện tích thông qua phụ thuộc vào vận tốc Av = A (v)

Với giảm chấn thông thường, giai đoạn đầu, khi vận tốc bé (v nhỏ), giảm chấn làm việc ở chế độ nén/trả nhẹ Giai đoạn này có chế độ thông qua Khi áp suất đủ lớn (v lớn) van bắt đầu mở, giảm chấn làm việc ở chế độ van cho đến khi van mở hết cỡ, lúc đó tổng các diện tích thông qua là không đổi Tóm lại giảm chấn có 3 chế độ sau:

- Thông qua ATq = const

- Tiết lưu Av = A (v) - Thông qua ATq + Av max = const

Dựa vào phưomg trình Bernoulli, ta có công thức xác định lưu lượng: