Nghiên cứu mô phỏng dao động của ô tô khi xét đến mấp mô của mặt đường bằng phần mềm Matlab.PDF

dàng các thông số dao động, cũng như các chỉ tiêu về độ êm dịu của ô tô tiến đến nâng cao tính hợp lý kết cấu hệ thống treo đảm bảo độ em dịu chuyển động của xe khảo sát trong điều kiện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA









ĐINH PHƯỚC THẢO

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHI XÉT ĐẾN MẤP MÔ CỦA MẶT ĐƯỜNG BẰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS TRẦN XUÂN TÙY

Phản biện 1: PGS.TS.LƯU ĐỨC BÌNH

Phản biện 2: PGS.TS PHẠM ĐĂNG PHƯỚC

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 12 tháng 10 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học ĐàNẵng tại trường Đại Học Bách Khoa

- Thư viện Khoa cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Ngày nay do nhu cầu vận chuyển hàng hóa, hành khách ngày càng tăng nhanh, mật độ vận chuyển lớn Đồng thời cùng với sự mở rộng và phát triển đô thị ngày càng tăng nhanh thì vận chuyển bằng ô

tô lại càng có ưu thế Ở các nước công nghiệp phát triển, công nghiệp

ô tô là nghành kinh tế mũi nhọn, tiêu biểu như ô tô Trường Hải, tập đoàn Vin Group…

Những năm trước đây nhu cầu của khách hàng là chỉ cần có phương tiện di chuyển để đi đến nơi mà ít yêu cầu cao về chất lượng phương tiện Ngày nay kinh tế thị phát triển hơn đời sống người dân được nâng cao, cùng với xu thế hội nhập vào nền kinh tế thế giới, nhu cầu đi lại của người dân phải kèm theo yêu cầu về sự thỏa mái tiện nghi Do xuất phát từ cớ sở gầm xe tải khi chuyển sang xe khách còn tồn tại nhiều vấn đề cần nghiên cứu giải quyết như độ em diệu chuyển động Do vậy việc nghiên cứu dao động ô tô là vấn đề hết sức cấp thiết, góp phần đề ra phương hướng và biện pháp nhằm nâng cao chất lượng ô tô

Xuất phát từ nguyện vọng thỏa mãn người dung ngày càng tăng cùng sự gơi ý của giáo viên hướng dẫn tôi quyết định chọn đề tài

“nghiên cứu mô phỏng dao động của ô tô khi xét đến mấp mô của mặt đường bằng phần mềm Matlab”

II Mục địch nghiên cứu

Vận dụng lý thuyết dao động ô tô kết hợp với cộng cụ mô phỏng Matlab để khảo sát các thông số dao động của ô tô

Đánh giá tính khoa học và chất lượng của ô tô được khảo sát

Đề ra những giải pháp nâng cao độ êm dịu chuyển động của ô tô đảm bảo được chỉ tiêu về độ êm dịu nhằm thỏa mản tối đa yêu cầu của người tiêu dùng

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu

 Phạm vi nghiên cứu

mấp mô bề mặt đường bằng phần mềm Matlab

- Nghiên cứu có thể mở rộng để áp dụng nghiên cứu dao động khi tính đến mặt phẳng mấp mô cho các dòng xe khác nhau

IV Phương pháp nghiên cứu

+ Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường

+ Nghiên cứu các dao động của ô tô

+ Nghiên cứu cảm giác của con người

+ Xây dựng các hàm toán học

+ Mô phỏng mô hình chuyển động của ô tô

V Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

dàng các thông số dao động, cũng như các chỉ tiêu về độ êm dịu của ô tô tiến đến nâng cao tính hợp lý kết cấu hệ thống treo đảm bảo độ em dịu chuyển động của xe khảo sát trong điều kiện vận hành ở Việt Nam

VI Dự kiến kết quả đạt được

mô của bề mặt đường bằng phần mềm Matlab

Cấu trúc của luận văn gồm 3 chương

Chương 1 TỔNG QUAN DAO ĐỘNG TRÊN Ô TÔ

1.1 Tác động của rung động lên cơ thể người

1.1.1 Rung động toàn thân

1.1.2 Tác động của rung động cục bộ

1.2 Các chỉ tiêu và mô hình dao động ô tô

1.2.1 Các chỉ tiêu đánh giá độ dao động

Hình 1: Mô hình “ Đường-Xe-Người”

1.2.2 Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động:

Để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, các nước có nền công nghiệp ô tô hàng đầu trên thế giới đã 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:

a.Chỉ tiêu về tần số:

Con người khi tham gia vào giao thông cũng là một hệ dao động, di chuyển là hoạt động thường xuyên của con người đã trở thành một thói quen Khi con người di chuyển tương đương với hệ thực hiện dao động, số lần bước trong một phút thường trong khoảng 60-85 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

Người

Hệ thống phanh Thân xe

Hệ thống treo

Đường

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 du lịch n = 60-85 (dđ/ph)

- Đối với xe vận tải n = 85-120 (dđ/ph)

b.Chỉ tiêu về gia tốc dao động

Các thí nghiệm kéo dài trong 8 giờ liền cho thấy nhạy cảm hơn cả đối với người là dải tần 4-8 Hz Trong dải tần số này các giá trị cho phép của toàn phương gia tốc như sau [1]

Dễ chịu : 0,1 (m/s2)

Gây mệt mỏi : 0,315 (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 như chỉ tiêu tính êm dịu chuyển động dựa vào gia tốc dao động và thời gian tác động của nó

1.2.3 Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng

- Mục tiêu nghiên cứu (đề tài này khảo sát theo mục đích chẩn đoán)

- 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

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

1 Nghiên cứu tối ưu hệ treo, kể cả hệ treo tích cực Đối với mục tiêu này thì chỉ cần khảo sát mô hình ¼ (một trong 4 bánh)

2 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

3 Nghiên cứu sự trượt và lật dưới tác động của ngoại lực như đường mấp mô, gió bên nên thường sử dụng mô hình ½ hoặc mô hình full

a Mô hình ¼

Mô hình ¼ bao gồm hai khối lượng được treo (thay thế cho khối lượng thân xe) và khối lượng không được treo (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 k, hệ số cản giảm chấn c

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 ¼ 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

nghĩa trong bài toán

điều khiển, tối ưu hệ

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 m3 (đại diện cho

không được treo là cầu xe) với 4 bậc tự do là Z3, , Z1, Z2

Hình 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

c Mô hình nghiên cứu giao động của xe trong không gian

Mô hình không gian xe hai cầu được đưa ra như trong hình 2.5 [7] Xe con có khối lượng bé nhưng lại có yếu tố phi tuyến hình học

và vật lý lớn nên không thể bỏ qua khi lập mô hình Đặc điểm kết cấu là vỏ chịu lực (unibody), hệ treo độc lập có yếu tố phi tuyến

hình học cao

Hình 1 1 Mô hình không gian xe con

1.4 Tổng quan về hệ thống treo trên ô tô

1.4.1 Công dụng và yêu cầu của hệ thống treo

Hệ thống treo ở đây được hiểu là hệ thống liên kết mềm giữa bánh xe và khung xe hoặc vỏ xe Mối liên kết treo của xe là mối liên kết đàn hồi có chức năng chính sau đây:

đối theo phương thẳng đứng đối với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động “êm dịu”, hạn chế tới mức có thể chấp nhận được những chuyển động không muốn có khác của bánh xe như lắc ngang, lắc dọc

đứng, lực dọc và lực bên

cần thiết phải mềm nhưng cũng phải đủ khả năng để truyền lực, quan hệ này được thể hiện ở các yêu cầu chính sau đây:

năng kỹ thuật của xe (xe chạy trên đường tốt hay xe chạy trên các loại đường khác nhau, hay đường đồi núi, xe du lịch hay chở hàng, chở vật liệu…)

- Bánh xe có thể chuyển dịch trong một giới hạn nhất định

- Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý thoả mãn mục đích chính của hệ thống treo là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng không phá hỏng các quan hệ động học và động lực học của chuyển động bánh xe

- Không gây nên tải trọng lớn tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ

- Có độ tin cậy lớn, độ bền cao và không gặp hư hỏng bất thường

- Giá thành thấp và độ phức tạp của hệ thống treo không quá lớn

- Có khả năng chống rung và chống ồn truyền từ bánh xe lên khung, vỏ xe tốt

- Đảm bảo tính ổn định và tính điều khiển chuyển động của ô

tô ở tốc độ cao, ô tô điều khiển nhẹ nhàng

1.4.2 Các bộ phận chính của hệ thống treo

1.4.2.1 Bộ phận đàn hồi

Là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và thùng xe, làm giảm nhẹ các tải trọng động tác dụng từ bánh xe lên khung, đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi di chuyển nhằm biến đổi tần số dao động cho phù hợp với cơ thể con người (khoảng 60 – 80 lần/ph) Bộ phận đàn hồi

có thể bố trí khác nhau trên xe nhưng nó cho phép bánh xe có thể dịch chuyển theo phương thẳng đứng

1.4.2.2 Bộ phận giảm chấn

Trên xe ôtô giảm chấn được sử dụng với các mục đích sau:

+ Giảm và dập tắt các va đập truyền lên khung khi bánh xe lăn trên nền đường không bằng phẳng nhằm bảo vệ được bộ phận đàn hồi và tăng tính tiện nghi cho người sử dụng

+ Đảm bảo dao động của phần không treo (unsprung) ở mức độ nhỏ nhất, nhằm làm tốt sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường đảm bảo tính năng lái và tăng tốc cũng như chuyển động

Trên ôtô hiện nay chủ yếu sử dụng là giảm chấn ống thuỷ lực

có tác dụng hai chiều ở cấu trúc hai lớp

1.4.2.3 Thanh ổn định và các đòn dẫn đường

Hình Thanh ổn định trong cơ cấu treo

Trên các loại xe con ngày nay thanh ổn định hầu như đều có Trong trường hợp xe chạy trên nền đường không bằng phẳng hoặc quay vòng, dưới tác dụng của lực li tâm phản lực thẳng đứng của 2 bánh xe trên một cầu thay đổi sẽ làm cho tăng độ nghiêng thùng xe

và làm giảm khả năng truyền lực dọc, lực bên của bánh xe với mặt đường Thanh ổn định có tác dụng khi xuất hiện sự chênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên bánh xe nhằm san bớt tải trọng từ bên cầu chịu tải nhiều sang bên cầu chịu tải ít hơn Cấu tạo chung của nó có

dạng chữ U, một đầu chữ U được nối với phần không được treo, còn đâu kia được nối với thân vỏ xe, các đầu nối này dùng ổ đỡ bằng cao su

Bộ phận dẫn hướng có nhiệm vụ truyền các lực dọc, lực ngang

và các mômen từ bánh xe lên khung hoặc thân xe Nó có thể có những chi tiết khác nhau tùy thuộc hệ thống treo phụ thuộc hay độc lập, phần tử đàn hồi là nhíp, lò xo hay thanh xoắn Quan hệ của bánh xe với khung xe khi thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng được gọi là quan hệ động học Khả năng truyền lực ở mỗi vị trí được gọi là quan hệ động lực học của hệ treo

Hình Các đòn liên kết và dẫn hướng, kết cấu lắp giáp cụm treo độc

lập

1.4.2.4 Các chi tiết phụ

Trên xe con các vấu cao su thường được đặt kết hợp trong vỏ của giảm chấn vừa tăng cứng vừa hạn chế hành trình của piston nhằm hạn chế hành trình làm việc của bánh xe Ngoài ra còn có đệm cao su cũng có tác dụng giảm chấn Vấu cao su có những ưu điểm sau:

+ Có thể được làm dưới mọi hình dạng khác nhau

+ Không có tiếng ồn khi làm việc, không phải bôi trơn

Hình Các đệm xu

1.4.2 Phân loại hệ thống treo

Có nhiều cách phân loại hệ thông treo như:

- Phân loại theo bộ phận đàn hồi chia ra: loại sử dụng bộ phận đàn hồi bằng kim loại (nhíp lá, lò xo xoắn…); loại khí; loại thủy lực; cao su…

- Phân loại theo sơ đồ bộ phận dẫn hướng chia ra: cơ cấu treo phụ thuộc với cầu liền; loại độc lập với cầu cắt

- Phân loại theo phương pháp dập tắt chấn động: loại dùng giảm chấn thủy lực; loại giảm chấn nhờ ma sát cơ (ma sát trong

bộ phận đàn hồi hoặc bộ phận dẫn hướng)

Nhưng khi phân loại người ta chủ yếu dựa vào sơ đồ bộ phận dẫn hướng và chia ra 2 nhóm chính là hệ thống treo độc lập và hệ thống treo phụ thuộc:

a) Hệ thống treo phụ thuộc; b) Hệ thống treo độc lập 1- Thùng xe; 2- Bộ phận đàn hồi; 3- Bộ phận giảm chấn;

4- Dầm cầu; 5 - Các đòn liên kết của hệ treo

Hình 1 2 Sơ đồ hệ thống treo

Chương 2: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ

Khi nghiên cứu dao động ôtô ta thấy nó là một hệ nhiều vật bao gồm hữu hạn các vật liên kết đàn hồi với nhau và chuyển động tương đối với biên độ lớn và tần số thấp từ 0 đến 50Hz Để lập phương trình chuyển động cho hệ nhiều vật ta sử dụng phương trình Newton Euler

Phương pháp Newton Euler thân thiện hệ nhiều vật và với 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 nội lực của hệ cân bằng với các ngoại lực tác dụng; các nội lực và mômen cùng phương nhưng ngược chiều và có cùng cường độ 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 Khi đó các lực cắt trở thành ngoại lực gây dao động cho các vật

Các bước của phương pháp tách vật, nguyên lý lực cắt và sử dụng phương trình Newton Euler để lập phương trình dao động:

cân bằng bởi các lực cắt

toạ độ vật)

phân chuyển động cho các vật tại các hệ toạ độ khối tâm hoặc

cố định

xe vì thế ta cần xét đến khi khảo sát chuyển động của xe

Khi xe chuyển động xe sẽ chịu tác động của các lực thực tế đó là: Fx ,Fy, Fz các lực này được mô tả tổng quát trên các sơ đồ sau

Sơ đồ cấu trúc ô tô

Sơ đồ cấu trúc xoay vòng

Chương 3: ỨNG DỤNG MATLAB MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG

3.3.1 Giới thiệu phần mền Matlab-Simulink

Matlab (MATric LABoratory) là một công cụ phần mềm của MathWork với giao diện cực mạnh cùng lợi thế trong kĩ thuật lập trình đáp ứng được những vấn đề hết sức đa dạng: từ các lĩnh vực

kỹ thuật chuyên ngành như điện, điện tử, điều khiển tự động, rôbôt công nghiệp, vật lý hạt nhân cho đến các ngành xử lý toán chuyên dụng như thống kê, kế toán Matlab có bộ lệnh rất mạnh giúp nó

có thể giải quyết các loại bài toán khác nhau, đặc biệt là các hệ phương trình tuyến tính, phi tuyến hay các ma trận với kết quả nhanh chóng và chính xác Bộ lệnh này lên tới hàng trăm và ngày càng được mở rộng thông qua các hàm ứng dụng được bởi người

sử dụng hay thông qua thư viện trợ giúp Bên cạnh đó Matlab cho phép xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ họa một cách mềm dẻo, đơn giản

và chính xác trong không gian hai chiều cũng như ba chiều giúp người sử dụng có thể quan sát một cách trực quan và đưa ra phương pháp giải tốt nhất Phần cốt lõi của chương trình bao gồm một số hàm toán, chức năng nhập/xuất cũng như khả năng điều khiển chu trình mà nhờ đó ta có thể dựng nên các Scripts Thêm

vào đó là bộ công cụ (Toolbox) có thể bổ sung các chức năng chuyên dụng Thường hay sử dụng các Toolbox như: Control

System Toolbox, Signal Processing Toolbox, Optimization Toolbox, Stateflow Blockset, Power System Blockset, Real-time Workshop và Simulink Simulink là một Toolbox có vai trò đặc

biệt quan trọng: Vai trò của một công cụ mạnh phục vụ mô hình

hoá và mô phỏng các hệ thống Kỹ thuật - Vật lý trên cơ sở sơ đồ

cấu trúc dạng khối

Simulink là phần chương trình mở rộng của Matlab nhằm mục đích mô hình hoá, mô phỏng và khoả sát các hệ thống động học Giao diện đồ hoạ trên màn hình Simulink cho phép thể hiện

hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn Hơn thế, người sử dụng có thể tạo khối cho riêng mình Một tính năng đặc biệt khác của Simulink

là có thể nhận tín hiệu trực tiếp từ các phần mềm khác giống như nhận tín hiệu từ bên ngoài vào để xử lý của một số phần mềm