TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG --- HUỲNH HẢI ĐĂNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ BỘ GIẢM CHẤN HỆ THỐNG TREO Ô TÔ – PHẦN CƠ KHÍ Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
-
HUỲNH HẢI ĐĂNG
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ BỘ GIẢM CHẤN HỆ THỐNG TREO Ô TÔ – PHẦN CƠ KHÍ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Trần Hữu Nhân
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2 : TS Trần Đăng Long
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Hồng Đức Thông
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Phạm Tuấn Anh
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày19tháng 07năm 2019
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1 PGS.TS Nguyễn Lê Duy Khải - Chủ tịch
2 TS Trần Đăng Long - Thư ký
3 TS Hồng Đức Thông - Phản biện 1
4 TS Phạm Tuấn Anh - Phản biện 2
5 PGS.TS Nguyễn Ngọc Dũng - Ủy viên
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
Trang 3TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HUỲNH HẢI ĐĂNG MSHV: 1770532
Ngày, tháng, năm sinh: 06/10/1991 Nơi sinh: Tỉnh Bình Định
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số : 60520116
I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu giải pháp xác định thông số bộ giảm chấn hệ thống treo ô tô – phần cơ khí
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Xây dựng mô hình cơ cấu tay quay – thanh trượt bằng Matlab Simmechanics
Phân tích các thông số động học và động lực học cơ cấu tay quay – thanh trượt
Xác định thông số kỹ thuật của các bộ phận trong cơ cấu tay quay – thanh trượt
II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11 / 02 / 2019
III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02 / 06 / 2019
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trần Hữu Nhân – TS Trần Đăng Long
Trang 4
Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 06 năm 2019
Giảng viên hướng dẫn
Trang 5
Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 06 năm 2019
Giảng viên phản biện
Trang 6Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Trần Hữu Nhân và
Thầy Trần Đăng Long vì đã tận tình hướng dẫn, khuyến khích và giúp đỡ tôi trong
suốt thời gian thực hiện luận văn Xin kính chúc Quý Thầy và gia đình luôn luôn mạnh khỏe, vui tươi và hạnh phúc
Cũng xin trân trọng cảm ơn Thầy Hồng Đức Thông và Thầy Phạm Tuấn Anh tham
dự hội đồng phản biện và có những góp ý đáng giá để nội dung của luận văn được hoàn thiện hơn
Xin cảm ơn Bộ phận đào tạo sau đại học khoa Cơ Khí Động Lực trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã giúp đỡ nhiệt tình trong thời gian thực hiện và bảo vệ luận văn Đặc biệt, xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân đã khuyến khích, động viên và tạo điều kiện để tôi hoàn thành tốt luận văn
Cuối cùng tôi xin cảm ơn các anh chị học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí động lực khóa 2017 đã có nhiều đóng góp ý kiến giúp tôi hoàn thành luận văn này
Dù đã rất cố gắng nhưng nội dung luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của quý thầy, các bạn đồng nghiệp cũng như những người cùng quan tâm tới đề tài này để nội dung luận văn hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn
TP Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 06 năm 2019
Huỳnh Hải Đăng
Trang 7Nội dung chính của luận văn là thực hiện mô phỏng để xác định thông số động học và động lực học của cơ cấu tay quay – thanh trượt theo các điều kiện khác nhau về biên độ, tần số và kết hợp thay đổi thông số kết cấu của thiết bị Phần mềm Matlab - Simmechanics dùng để xây dựng mô hình vật lý mô phỏng chuyển động của cơ cấu tay quay – thanh trượt, thông số đầu vào của mô hình mô phỏng bao gồm tần số và biên độ dao động của thanh trượt, từ đó xác định được mối quan hệ biến thiên của lực so với chuyển vị (F- X ) tại một vị trí bất kỳ trong hành trình chuyển động của giảm chấn Kết quả mô phỏng cho phép đánh giá ảnh hưởng của từng điều kiện hoạt động và thông số kết cấu đến tính năng dao động của giảm chấn Dựa trên cơ sở đó ta sẽ tiến hành thiết
kế kỹ thuật thiết bị đo hệ số giảm chấn của hệ thống treo – phần cơ khí Thiết bị có thể được dùng làm cơ sở để nghiên cứu và đánh giá tính năng dao động trong quá trình thiết kế và cải tiến hệ thống treo trên ô tô
Trang 8The main content of this thesis is to determine dynamic parameters of Crank Mechanism by using simulation method with many different amplitudes, frequencies, and loads Simmechanics and Matlab softwares are used to create physical models and animate the motion of Piston-Crank Mechanism A set of input data of simulation includes amplitude, frequency Based on this input, the computer software collects the output displacement and force data then it is put into Matlab software interface for analysis And finally, the work diagrams (F-X diagram) are obtained to show us how the Force varies with Displacement at various positions in cycle The simulation results allow us to estimate damping characteristics of automotive dampers with various operation conditions and structural parameters Based on the results, we design Shock Analyzer - mechanical components This device can be used to test damping characteristics to help Automotive suspension improved further in design process
Trang 9Piston-Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Hữu Nhân – TS Trần Đăng Long Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác
Tp HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019
Huỳnh Hải Đăng
Trang 10NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
LỜI CẢM ƠN
TÓM TẮT
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH ẢNH
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4
1.4 Mục tiêu nghiên cứu 4
1.5 Nội dung nghiên cứu 5
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5
1.7 Phương pháp nghiên cứu 5
Trang 112.1.1.1 Vai trò bộ phận đàn hồi 8
2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của bộ phần đàn hồi 8
2.1.1.3 Các dạng bộ phận đàn hồi thường gặp trên ô tô 10
2.1.2 Bộ phận giảm chấn 14
2.1.2.1 Vai trò của giảm chấn 14
2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của giảm chấn 15
2.1.2.3 Các dạng giảm chấn sử dụng trên ô tô 15
2.2 Phân loại hệ thống treo 16
2.2.1 Hệ thống treo bị động 17
2.2.1.1 Lò xo cuộn 17
2.2.1.2 Bộ phận giảm chấn 19
2.2.2 Hệ thống treo chủ động 20
2.2.3 Hệ thống treo bán chủ động 20
2.2.4 Hệ thống treo chủ động tần số thấp 21
2.2.5 Hệ thống treo chủ động hoàn toàn 22
2.3 Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn đối với hệ thống treo trên ô tô 23
CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 25
3.1 Cơ sở lý thuyết xác định hệ số giảm chấn 25
3.2 Thông số thử nghiệm 28
3.3 Kết quả và phân tích 29
CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HÓA CƠ CẤU TAY QUAY – THANH TRƯỢT 36
4.1 Giới thiệu về Matlab Simulink, Matlab Simscape 36
Trang 124.2 Xây dựng mô hình bằng Simmechanics 43
CHƯƠNG 5 : PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG 47
5.1 Thử nghiệm xác định thông số kết cấu 47
5.2 Phân tích kết quả mô phỏng thử nghiệm theo thông số kết cấu 49
5.2.1 Phân tích kết quả để chọn chiều dài thanh truyền 49
5.2.2 Phân tích kết quả để chọn công suất động cơ 62
5.2.3 Phân tích kết quả thử nghiệm với thông số đã chọn 64
CHƯƠNG 6 : THIẾT KẾ KỸ THUẬT THIẾT BỊ ĐO 68
6.1 Tổng quan về thiết bị đo 68
6.2 Cấu tạo thiết bị đo 70
6.3 Nguyên lý hoạt động 73
6.4 Thiết kế kỹ thuật 74
6.4.1 Thiết kế khung giá đỡ 74
6.4.2 Thiết kế thanh trượt 76
6.4.3 Thiết kế thanh truyền 78
6.4.4 Thiết kế bộ thay đổi hành trình 79
CHƯƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 81
7.1 Kết luận 81
7.2 Hướng phát triển đề tài 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83
Trang 13Đất nước chúng ta đang trong giai đoạn hội nhập mạnh mẽ và những năm gần đây liên tục hợp tác với các nước phát triển trên thế giới thông qua các hiệp định thương mại qua đó tạo sự phát triển vượt bậc và liên tục cho nền kinh tế Nền công nghiệp ô tô ngày nay cũng đã đạt được những thành tựu cao về khoa học kỹ thuật, vì vậy nhu cầu về ô tô là rất lớn, cũng như nhu cầu về tính an toàn trên xe ô tô cũng tăng lên càng rõ rệt Dự đoán trong tương lai cùng với sự phát triển của nền kinh tế thị trường ô tô sẽ ngày càng phát triển, nắm bắt được sự phát triển đó Thầy Trần Hữu Nhân – Thầy Trần Đăng Long đã định hướng cho tôi nghiên cứu và thiết kế thiết bị đo
hệ số giảm chấn hệ thống treo bằng ứng dụng phần mềm Matlab Simmechanics trong tính toán thiết kế
Matlab Simmechanics là một phần mềm ứng dụng bao gồm nhiều chức năng, cho phép chúng ta tính toán cũng như mô phỏng quá trình chuyển động của đối tượng, điều mà cơ học tĩnh chưa làm được Thế mạnh của phần mềm này là ứng dụng sự phát triển của công nghệ phần mềm giúp quá trình tính toán đơn giản và chính xác hơn Mục tiêu thực hiện đề tài:
Xây dựng mô hình cơ cấu tay quay – thanh trượt bằng Matlab Simmechanics
Phân tích các thông số động học và động lực học cơ cấu tay quay – thanh trượt
Xác định thông số kỹ thuật của các bộ phận trong cơ cấu tay quay – thanh trượt
Trang 14STT Ký hiệu Ý nghĩa ký hiệu Đơn vị
Trang 15STT Ký hiệu Giải thích
1 MDOF Multiple Degree of Freedom Nhiều bậc tự do
2 SDOF Single Degree of Freedom Một bậc tự do
3 C eq Equivalent Damping Coefficient Hệ số giảm chấn tương đương
Trang 16Bảng 3 1: Dữ liệu đầu vào thử nghiệm của hệ thống giám chấn trước và sau 28
Bảng 3 2: Bảng giá trị hệ số tương đương (Bộ giảm chấn trước) 32
Bảng 3 3: Bảng giá trị hệ số tương đương (Bộ giảm chấn sau) 32
Bảng 5 1: Thông số tính toán ứng với l = 150mm và l = 200mm 47
Bảng 5 2: Thông số tính toán ứng với l = 300mm và l = 350mm 48
Bảng 5 3: Thông số tính toán ứng với l = 400mm và l = 500mm 49
Bảng 5 4: Bảng thông số tính toán lực ngang (F), chiều dài thanh truyền (l) và hành trình (S) tại tần số f = 5 Hz 56
Bảng 5 5: Bảng thông số tính toán momen quay (M), chiều dài thanh truyền (l) và hành trình (S) tại tần số f = 5 Hz 57
Bảng 5 6: Bảng thông số tính toán công suất (P), chiều dài thanh truyền (l) và hành trình (S) tại tần số f = 5 Hz 57
Bảng 5 7: Bảng thông số tính toán với chiều dài thanh truyền l = 300mm 61
Bảng 5 8: Bảng thông số tính toán với chiều dài thanh truyền l = 300 mm ứng các tần số cao (f = 5; 10; 15; 20 Hz) 62
Bảng 6 1: Thông số thiết bị đo hệ số giảm chấn 68
Bảng 6 2: Bảng giá trị chiều dài hành trình 71
Trang 17Hình 1 1: Thiết bị kiểm tra hệ số giảm chấn hiện đại bằng thủy lực 2
Hình 2 1: Mô tả cấu tạo hệ thống treo trên ô tô 7
Hình 2 2: Các dạng dao động của xe cơ giới 9
Hình 2 3: Dao động tắt dần 10
Hình 2 4: Thanh giằng lò xo không khí ở cầu sau 10
Hình 2 5: Khung gầm với bộ phận đàn hồi khí nén – thủy lực 11
Hình 2 6: Bộ đàn hồi cao su và ổ đỡ thủy lực 11
Hình 2 7: Các dạng lò xo xoắn ốc 12
Hình 2 8: Bộ đàn hồi dùng lò xo thanh xoắn 13
Hình 2 9: Thanh ổn định 14
Hình 2 10: Phân loại hệ thống treo 16
Hình 2 11: Mối quan hệ giữa năng lượng và tần số điều khiển 16
Hình 2 12: Mô hình hệ thống treo bị động 17
Hình 2 13: Đường đặc tính đàn hồi của lò xo tuyến tính 18
Hình 2 14: Mô hình giảm chấn bị động ống đơn 19
Hình 2 15: Mô hình hệ thống treo chủ động 20
Hình 2 16: Mô hình hệ thống treo bán chủ động 21
Hình 2 17: Mô hình hệ thống treo chủ động tần số thấp 22
Hình 2 18: Mô hình hệ thống treo chủ động hoàn toàn 23
Hình 2 19: Mối quan hệ giữa hệ số giảm chấn đến sự thoải mái của hành khách và hiệu suất bám đường 24
Hình 3 1: Mô hình đơn giản giảm chấn theo phương pháp Jacobsen 26
Trang 18Hình 3 4: Biểu đồ lực – vận tốc ở biên độ 10 mm (Bộ giảm chấn trước) 30
Hình 3 5: Biểu đồ lực – vận tốc ở biên độ 10 mm (Bộ giảm chấn sau) 30
Hình 3 6: Biểu đồ lực - chuyển vị ở biên độ 10 mm (Bộ giảm chấn trước) 31
Hình 3 7: Biểu đồ lực - chuyển vị ở biên độ 10 mm (Bộ giảm chấn sau) 31
Hình 3 8: Mối quan hệ giữa tần kích thích và hệ số giảm chấn tương đương biên độ 10mm (Bộ giảm chấn trước) 33
Hình 3 9: Mối quan hệ giữa tần số kích thích và hệ số giảm chấn tương đương ở biên độ 30; 40; 50; 60; 63mm (Bộ giảm chấn trước) 33
Hình 3 10: Mối quan hệ giữa tần kích thích và hệ số giảm chấn tương đương biên độ 10mm (Bộ giảm chấn sau) 34
Hình 3 11: Mối quan hệ giữa tần số kích thích và hệ số giảm chấn tương đương ở biên độ 20; 30; 40; 50; 60mm (Bộ giảm chấn sau) 34
Hình 4 1: Khối Constant 36
Hình 4 2: Bảng nhập thông số khối Constant 36
Hình 4 3: Khối Sigal Builder 37
Hình 4 4: Bảng nhập thông số khối Signal Builder 37
Hình 4 5: Khối Scope 38
Hình 4 6: Khối S PS 38
Hình 4 7: Bảng nhập thông số khối S PS 39
Hình 4 8: Khối Solver Configuration 40
Hình 4 9: Khối Connection Port 40
Trang 19Hình 4 14: Khối Frame và khối Transform 42
Hình 4 15: Khối khớp Joint 42
Hình 4 16: Mô hình thiết kế thiết bị đo hệ thống giảm chấn 43
Hình 4 17: Mô hình cơ cấu tay quay – thanh trƣợt dạng sơ đồ khối Simmechanics 44
Hình 4 18: Mô hình cơ cấu tay quay – thanh trƣợt trong mô phỏng 44
Hình 4 19: Mô hình sơ đồ khối bộ thay đổi hành trình 45
Hình 4 20: Mô hình sơ đồ khối thanh truyền 45
Hình 4 21: Mô hình sơ đồ khối thanh trƣợt 46
Hình 4 22: Mô hình sơ đồ khối giảm chấn 46
Hình 5 1: Mối quan hệ giữa lực ngang (F), chiều dài thanh truyền (l) tại hành trình S1 = 20 mm ứng với tần số f = 2; 3; 4; 5 Hz 50
Hình 5 2: Mối quan hệ giữa lực ngang (F), chiều dài thanh truyền (l) tại hành trình S5 = 100 mm ứng với tần số f = 2; 3; 4; 5 Hz 51
Hình 5 3: Mối quan hệ giữa momen quay (M), chiều dài thanh truyền (l) tại hành trình S1 = 20 mm ứng với tần số f = 2; 3; 4; 5 Hz 52
Hình 5 4: Mối quan hệ giữa momen quay (M), chiều dài thanh truyền (l) tại hành trình S5 = 100 mm ứng với tần số f = 2; 3; 4; 5 Hz 53
Hình 5 5: Mối quan hệ giữa công suất (P), chiều dài thanh truyền (l) tại hành trình S1 = 20 mm ứng với tần số f = 2; 3; 4; 5 Hz 54
Hình 5 6: Mối quan hệ giữa công suất (P), chiều dài thanh truyền (l) tại hành trình S5 = 100 mm ứng với tần số f = 2; 3; 4; 5 Hz 55
Hình 5 7: Mối quan hệ giữa lực ngang (F) và hành trình (S) tại tần số f = 5 Hz ứng với các chiều dài thanh truyền (l) 58
Trang 20với các chiều dài thanh truyền (l) 60
Hình 5 10: Mối quan hệ giữa công suất (P) và hành trình (S) tại chiều dài thanh truyền l = 300 với các tần số f = 5; 10; 15; 20 Hz 63
Hình 5 11: Sơ đồ thiết kế sơ bộ thiết bị đo với chiều dài thanh truyền l = 300 mm 64
Hình 5 12: Quan hệ giữa lực và vận tốc tại biên độ 10mm, tần số f = 10 Hz với hệ số giảm chấn C = 2500; 1000N.s/m 65
Hình 5 13: Quan hệ giữa lực và vận tốc tại biên độ 50mm, tần số f = 5 Hz với hệ số giảm chấn C = 2500; 1000N.s/m 65
Hình 5 14: Biểu đồ lực và chuyển vị ở biên độ 10 mm 66
Hình 5 15: Biểu đồ lực và chuyển vị ở biên độ 100 mm 66
Hình 5 16: Biểu đồ vận tốc và chuyển vị ở biên độ 10 mm 67
Hình 5 17: Biểu đồ vận tốc và chuyển vị ở biên độ 50 mm 67
Hình 6 1: Sơ đồ bố trí chung thiết bị đo hệ số giảm chấn 69
Hình 6 2: Cơ chế tay quay - thanh trượt 72
Hình 6 3: Cơ chế con trượt 72
Hình 6 4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị đo hệ số giảm chấn 73
Hình 6 5: Mô hình thiết kế khung giá đỡ 74
Hình 6 6: Sơ đồ thiết kế khung giá đỡ 75
Hình 6 7: Mô hình thiết kế thanh trượt trên 76
Hình 6 8: Sơ đồ thiết kế thanh trượt trên 76
Hình 6 9: Mô hình thiết kế thanh trượt dưới 77
Trang 21Hình 6 14: Sơ đồ thiết kế bộ thay đổi hành trình 80
Trang 22CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề
Dao động ô tô là lĩnh vực được nhiều nhà khoa học và các chuyên gia quan tâm nghiên cứu nhằm thiết kế và chế tạo ra ô tô có các tính năng ưu việt đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Hướng phát triển hiện nay được tập trung vào các ô tô thân thiện với môi trường, tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao tiện nghi và an toàn khi chuyển động
Ở Việt Nam, ngành công nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô đang đứng trước cơ hội phát triển mạnh khi mạng lưới giao thông không ngừng được nâng cấp và mở rộng, nhu cầu
đi lại của con người và vận chuyển hàng hóa ngày một gia tăng Sự lựa chọn của người
sử dụng hướng vào các ô tô có chất lượng cao, trong đó đặc biệt chú ý đến tính năng an toàn cao và tiện nghi khi sử dụng
Hệ thống treo là hệ thống quan trọng trên ô tô, ảnh hưởng trực tiếp đến tính êm dịu,
an toàn chuyển động, giúp hỗ trợ trọng lượng, hấp thụ và giảm xóc của những cú sốc trên đường, giúp duy trì sự tiếp xúc lốp xe liên tục với mặt đường cũng như mối quan
hệ giữa bánh xe với khung gầm đặc biệt là khi ô tô di chuyển trên loại đường có chất lượng mặt đường xấu Hệ thống treo không tốt sẽ gây ra lực tác động xuống nền đường gây phá hủy mặt đường Bộ giảm chấn ô tô là một phần quan trọng của hệ thống treo
và được coi là một trong những phần phức tạp nhất của hệ thống treo để mô hình hóa,
vì giảm chấn hành xử theo cách biến đổi phi tuyến theo thời gian, điều này ảnh hưởng đến việc phanh, lái, vào cua và ổn định tổng thể
Tuy nhiên, ở Việt Nam trong mấy năm gần đây hệ thống treo còn tồn tại một số vấn
đề nhất định về tính an toàn, tính ổn định khi ô tô hoạt động trên đường cần phải xem xét Để sử dụng tốt hệ thống treo trên ô tô ở trong nước cần có các công trình nghiên
Trang 23Do vậy, việc đặt vấn đề “Nghiên cứu giải pháp xác định thông số bộ giảm chấn
hệ thống treo ô tô – phần cơ khí ” là một hướng nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn và
cần thiết ở Việt Nam hiện nay
Trên thế giới, người ta có thể xác định được hệ số cản giảm chấn một cách trực tiếp khi sử dụng các thiết bị hiện đại có khả năng tạo ra dao động với tần số cao
Hình 1 1: Thiết bị kiểm tra hệ số giảm chấn hiện đại bằng thủy lực
Tuy nhiên, các thiết bị này có giá rất cao và hiện ở Việt Nam chưa phổ biến Dựa trên cơ sở lý thuyết về dao động cũng như các phương tiện và thiết bị s n có, tôi xin giới thiệu về một phương pháp xác định hệ số giảm chấn của hệ thống treo trên ô tô
Trang 241.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Mô hình dao động 1/4 ô tô được tác giả Nguyễn Văn Trà [1] sử dụng nghiên cứu ứng dụng hệ thống treo bán tích cực ở sơ đồ 1/4 để nâng cao độ êm dịu chuyển động của ô tô Tác giả đã xác định được tham số tối ưu cho hệ thống treo bị động và tham số cho giảm chấn của hệ thống treo bán tích cực Ở mô hình này độ cứng của phần tử đàn hồi được tuyến tính hóa bằng một hệ số có giá trị không đổi khi tính toán và khảo sát
Mô hình dao động 1/2 ô tô trong mặt phẳng dọc được dùng để khảo sát dao động liên kết của ô tô hai trục Khi có kể đến hệ ghế và người ngồi trên sàn xe thêm vào trong mô hình, được tác giả Đặng Việt Hà [2] sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới tính êm dịu chuyển động của ô tô khách được đóng mới ở Việt Nam Tuy nhiên, khi sử dụng mô hình này không đánh giá được sự phân bố lại tải trọng thẳng đứng theo phương ngang, dao động lắc ngang của khối lượng được treo và không được treo Trong mô hình các hệ số đàn hồi và giảm chấn được tuyến tính hóa bằng các hệ số
Rahul Zaharia, [3] Equivalent Viscous Damping Models in Displacement Based Seismic Design, Bul Inst Polit Lasi, t LI(LV) F 1-2, 2005, pp 51-59 Trình bày đánh giá về một số mô hình giảm chấn cùng với khái niệm để đánh giá giảm chấn The Damper Handbook, Second Edition, John Wiley & Sons, John C Dixon, England [4], 2007, pp 259-287, 337-357.Trong cuốn sổ tay của John C Dixon cung cấp sơ đồ chi tiết kiểm tra, các loại thử nghiệm và đặc điểm của van điều tiết
A M Salem Al [5] Trình bày các đặc tính và hệ số giảm chấn của giảm chấn thủy lực, nghiên cứu bằng cách sử dụng các phương pháp thử nghiệm và mô phỏng Mô phỏng được thực hiện trên phần mềm ADAM và các đặc điểm dự đoán được so sánh với kết quả từ cả hai phương pháp Nghiên cứu cho thấy bên cạnh biên độ và tần số, hệ
Trang 25Yongjie Lu et Al [6] Trình bày các tính năng cấu trúc của giảm chấn thủy lực Đề
án chi tiết của thử nghiệm được đề xuất, các thử nghiệm được thực hiện dưới sự kích thích chuyển vị hình sin và ngẫu nhiên Dữ liệu từ thử nghiệm trước tiên được phân tích bằng phương pháp xác định hệ số giảm chấn tương đương của Jacobsen và biểu diễn dưới dạng đồ họa, sau đó giá trị gần đúng được xác định cho cả hai bộ giảm chấn
từ phạm vi mà hệ số giảm chấn được thay đổi Cuối cùng, phân tích kết quả thử nghiệm cho thấy giảm chấn có các tính năng điển hình của phi tuyến tính, không đối xứng và trễ
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nguồn lực và yêu cầu của luận văn Thạc sĩ, đề tài này chỉ giới hạn nghiên cứu như sau:
Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu thiết kế thiết bị xác định hệ số giảm
chấn của hệ thống treo ô tô
Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thiết kế thiết bị thực nghiệm xác định hệ số giảm
chấn loại không điều khiển - phần cơ khí
1.4 Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế thiết bị thực nghiệm đo đạc xác định hệ số giảm chấn – phần cơ khí phù hợp với khả năng công nghệ hiện có
Trang 261.5 Nội dung nghiên cứu
Xuất phát từ mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu, ngoài phần
mở đầu và kết luận chung, bố cục của luận án bao gồm bảy chương như sau:
Chương 1: Tổng quan đề tài
Chương 2: Tổng quan hệ thống treo
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chương 4: Mô hình hóa cơ cấu tay quay – thanh trượt
Chương 5: Phân tích kết quả tính toán mô phỏng
Chương 6: Thiết kế kỹ thuật thiết bị đo
Chương 7: Kết luận và phát triển đề tài
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Hiểu rõ bản chất, vai trò thông số giảm chấn đến tính năng kỹ thuật hệ thống treo
trên ô tô, làm cơ sở thiết kế thiết bị xác định thông số giảm chấn
Ý nghĩa thực tiễn:
Phương án thiết kế thiết bị xác định hệ số giảm chấn đề xuất có thể phát triển, triển khai chế tạo thiết kế thiết bị đo đạc thực tế phục vụ học tập và nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô
1.7 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài này là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp đo đạc kiểm nghiệm một số thông số của giảm chấn
Trang 271.8 Tiến độ thực hiện luận văn dự kiến
Viết luận văn và chỉnh sửa
Bảo vệ luận văn
Trang 28Hình 2 1: Mô tả cấu tạo hệ thống treo trên ô tô
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TREO 2.1 Cấu tạo hệ thống treo
Một hệ thống treo thông thường được cấu tạo bởi ba yếu tố chính :
Bộ phận đàn hồi (lò xo cuộn), cung cấp một lực tỷ lệ thuận và tỉ lệ nghịch với
độ dãn dài của hệ thống treo, phần này mang tất cả tải tĩnh
Bộ phận giảm chấn (bộ giảm chấn thủy lực), mang lại lực phân tán tỷ lệ thuận
và nghịch với tốc độ kéo dài, phần này cung cấp một lực không đáng kể ở trạng thái ổn định nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc biến đổi động năng của hệ thống treo
Phần tử dẫn hướng là một tập hợp các yếu tố cơ học liên kết các phần khối lượng được treo và phần khối lượng không được treo với nhau
Trang 29 Độ tiện nghi êm dịu khi chạy xe: Các chấn động khó chịu, hại sức khỏe cho
hành khách do dao động từ thân vỏ xe được giảm nhẹ và bảo vệ các hành lý dễ
vỡ
An toàn khi xe chuyển động: Mặt đường quá gồ ghề có thể làm cho việc tiếp
xúc với mặt đường của bánh xe mất đi, bánh xe nằm trong không khí không thể truyền lực, ví dụ: lực kéo, lực phanh…
Ứng xử khi quay vòng: Sức bám mặt đường của bánh xe phía trong vòng cua ít
đi khi xe chạy nhanh làm giảm bớt lực bám ngang Để giữ cho xe không đẩy ra khỏi vòng cua, bộ phận đàn hồi, các bộ phận giảm chấn và thanh ổn định phải đảm bảo sức bám mặt đường liên tục của bánh xe
2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của bộ phần đàn hồi
Qua bộ phận đàn hồi, xe ô tô trở thành một cấu trúc có thể dao động với tần số dao động riêng (tần số dao động của thân vỏ xe) được xác định bởi trọng lượng của xe
và bộ phận đàn hồi
Ngoài các chấn động từ mặt đường, còn có các lực khác (lực kéo, lực phanh, lực
ly tâm) tác động vào xe, tạo ra chuyển động và dao động theo 3 phương của hệ trục tọa
độ trong không gian
Trang 30Hình 2 2: Các dạng dao động của xe cơ giới
Khi bánh xe chuyển động qua chướng ngại vật, không những thân vỏ xe, mà còn cả bánh xe đều bắt đầu dao động Qua chuyển đi lên của bánh xe, lò xo xoắn ốc bị nén lại, lực lò xo đẩy nhanh thân vỏ xe đi lên Lực lò xo do lò xo bị giãn ra kéo thân vỏ xe trở lại, thân vỏ xe đạt đến điểm đảo trên Nhờ trọng lực, thân vỏ xe lại được đẩy nhanh xuống dưới, đi qua vị trí cân bằng Lò xo lại bị nén, lực lò xo được sinh ra cản chuyển
động của thân vỏ xe cho đến khi xe đạt điểm đảo dưới
Quá trình chuyển động này sẽ tiếp tục lặp đi lặp lại cho đến khi năng lượng chuyển động bị lực ma sát giữa lò xo và không khí chuyển hóa thành nhiệt
Trang 31Hình 2 3: Dao động tắt dần
2.1.1.3 Các dạng bộ phận đàn hồi thường gặp trên ô tô
Lò xo khí : Ở lò xo khí người ta lợi dụng tính đàn hồi của lượng không khí bị đóng kín ( không khí nay khí ni tơ ) để tạo ra bộ đàn hồi
Lò xo không khí: Loại này thường được sử dụng nhiều nhất, nhưng vì cần
có một hệ thống tạo áp suất nên ưu tiên được sử dụng trong các dòng xe cao cấp, xe địa hình, ô tô khách và ô tô thương mại vì các loại xe này đã có s n
hệ thống tạo áp suất cho hệ thống phanh
Hình 2 4: Thanh giằng lò xo không khí ở cầu sau
Trang 32 Lò xo khí nén – thủy lực: Lò xo khí nén – thủy lực trên nguyên tắc là sự kết
hợp giữa một lò xo khí nén và một xi lanh công tác Bộ phận này có công dụng vừa của đàn hồi vừa của bộ giảm chấn
Hình 2 5: Khung gầm với bộ phận đàn hồi khí nén – thủy lực
Lò xo cao su: Cao su thiên nhiên và cao su nhân tạo có tính đàn hồi tốt và có
tính tự giảm chấn lớn Người ta lợi dụng độ tự giảm chấn cao của cao su cùng với tính đàn hồi lớn để thu nhận các chuyển động rung với tần số lớn và giảm
tiếng ồn
Để giảm tối đa việc truyền các rung động ở nhiều tần số khác nhau từ động cơ vào thân vỏ xe, người ta không sử dụng các bộ lò xo cao su đơn giản mà dùng các ổ đỡ đàn hồi giảm chấn thủy lực
Trang 33 Lò xo thép: Tác dụng của lò xo đến từ sự biến dạng đàn hồi của thép lò xo ở
dưới giới hạn đàn hồi Đường đặc tính đàn hồi lò xo có dạng tuyến tính, nhưng
có thể chuyển thành lũy tiến với thiết kế thích ứng
Xe ô tô hầu hết được trang bị lò xo thép, gồm các lại như sau:
Khuyết điểm: Hầu như không giảm chấn, không truyền được qua các lực của bánh xe
(lực theo phương dọc và phương ngang)
Hình 2 7: Các dạng lò xo xoắn ốc
Trang 34Lò xo thanh xoắn : Lò xo thanh xoắn được làm từ một thanh kim loại bằng thép, lò xo
bị xoắn lại bởi một cánh đòn gắn chặt vào bánh xe
Hình 2 8: Bộ đàn hồi dùng lò xo thanh xoắn
Thanh xoắn thường được sử dụng là ống tròn, có thể bố trí ngang hay dọc theo thân vỏ xe Nếu bố trí dọc thì có thể sử dụng thanh xoắn dài để có thể được góc xoắn lớn và có hành trình lớn hơn
Thanh xoắn không được phép bị uốn cong, vì thế thường được đặt trong một ống tròn Ống tròn này vừa hỗ trợ chống uốn cong đồng thời làm ống bảo vệ
Thanh ổn định : Thanh ổn định là một chi tiết lò xo giúp cải thiện độ bám đường của
xe Thông thường người ta sử dụng thanh xoắn hình chữ U
Trang 35Hình 2 9: Thanh ổn định
Phần giữa thanh ổn định được gắn vào thân vỏ xe và xoay được, hai cánh đòn hai bên được lắp vào các bộ phận treo bánh xe Khi một bánh xe được nâng lên, nhờ thanh ổn định xoay được nên bánh xe bên kia cũng được nâng lên, khi hạ xuống cũng vậy
Trong vòng cua, độ lắc ( nghiêng ngang ) quá mức của thân vỏ xe sẽ được tác động ngược lại Khi cả hai bánh xe được nén bằng nhau, thanh ổn định không hoạt động
2.1.2 Bộ phận giảm chấn
2.1.2.1 Vai trò của giảm chấn
Bộ giảm chấn (giảm xóc) làm cho dao động của thân vỏ xe và bánh xe được tắt nhanh hơn và qua đó nâng cao độ an toàn cũng như êm dịu cho xe, cũng như giúp cho lốp xe bám đường tốt hơn và điều khiển xe ổn định hơn
Bộ giảm chấn được lắp giữa thân vỏ xe và bộ phận trục bánh xe Thân vỏ xe và các bánh xe có các tần số dao động khác nhau Một bộ phận giảm chấn tốt phải được
Trang 362.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của giảm chấn
Giai đoạn kéo: Bánh xe chuyển động đi xuống (lò xo giãn ra) và kéo bộ giảm
chấn dài ra theo kiểu ống lồng (bộ giảm chấn kiểu ống lồng)
Giai đoạn nén: Bánh xe chuyển động đi lên (lò xo nén lại) qua đó bộ giảm chấn
lại bị đẩy lồng vào nhau
2.1.2.3 Các dạng giảm chấn sử dụng trên ô tô
Lực giảm chấn càng lớn thì dao động của thân xe càng được dập tắt nhanh, nhưng chấn động do hiệu ứng làm tắt gây ra lại lớn hơn Lực giảm chấn còn thay đổi theo tốc độ piston Có nhiều bộ giảm chấn khác nhau, tùy theo tính chất thay đổi của lực giảm chấn:
Kiểu lực giảm chấn tỷ lệ thuận với tốc độ piston
Kiểu có hai mức lực giảm chấn, tùy theo tốc độ của piston
Kiểu lực giảm chấn thay đổi theo phương thức chạy xe
Phân loại giảm chấn:
Trang 372.2 Phân loại hệ thống treo
Hình 2 10: Phân loại hệ thống treo
Trang 39Hình 2 13: Đường đặc tính đàn hồi của lò xo tuyến tính
Độ cứng đàn hồi tuyến tính lý tưởng được đưa ra bởi mối quan hệ sau [7]:
Trang 402.2.1.2 Bộ phận giảm chấn
Hình 2 14: Mô hình giảm chấn bị động ống đơn
Mô hình đơn giản hóa của một bộ giảm chấn ống đơn bị động phổ biến đƣợc trình bày trong Hình 2.14 Một pít-tông đƣợc đặt bên trong bộ giảm chấn, chứa đầy dầu
và di chuyển theo độ võng của hệ thống treo
Giảm chấn đƣợc thực hiện bởi dầu đi qua một số van trong piston, thể tích của thanh piston bên trong bộ giảm chấn có thể thay đổi Để bù thể tích, một buồng không khí đƣợc đặt trong bộ giảm chấn
Do đó lực giảm chấn đƣợc tính bởi công thức sau[9]:
Trong đó : : lực giảm chấn
: lực đàn hồi của khí
: lực ma sát tĩnh