Tối ưu hóa hệ thống giảm xóc ô tô 5 bậc tự do

M ô hình hóa hệ động lực ô tô 5 bậc tự do, dùng phương pháp Gradient tối ưu hệ thống giảm xóc của ô tô, sau đó mô phỏng lại bằng phần mềm Maplesim4 hoặc Adams Car... Bên cạnh hệ thống tr

Trang 1

Luận văn Thạc sĩ 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



NGUYỄN QUANG VINH

TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG GIẢM XÓC Ô TÔ

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa hoc : TS TRẦN HUY LONG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : Cán bộ chấm nhận xét 2 : Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …… Tháng …… năm ………

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

2

3

4

5

Trang 4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN QUANG VINH MSHV: 02308227

Ngày, tháng, năm sinh: 05/08/1985 Nơi sinh: Hà Tĩnh

Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số :

I TÊN ĐỀ TÀI: TỐI ƯU HÓA HỆ GIẢM XÓC Ô TÔ 5 BẬC TỰ DO

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

N ghiên cứu tổng quan, cơ sở lý thuyết về dao động và tối ưu

N ghiên cứu phương pháp giải các bài toán dao động bằng Maple14

N ghiên cứu phần mềm mô phỏng động lực học Adams

N ghiên cứu phần mềm mô phỏng động lực học Maplesim4

M

ô hình hóa hệ động lực ô tô 5 bậc tự do, dùng phương pháp Gradient tối ưu hệ thống giảm xóc của ô tô, sau đó mô phỏng lại bằng phần mềm Maplesim4 hoặc Adams Car

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/09/2011

Trang 6

LỜI CẢM ƠN

học

văn cao học

―Tối ưu hóa hệ thống giảm xóc ô tô 5 bậc tự do‖

Mục tiêu của đề tài là tìm ra được các thông số kĩ thuật tốt nhất cung cấp cho các nhà sản xuất ô tô, giúp các hãng này có thể tạo ra các dòng ô tô tốt hơn đáp ứng nhu cầu cuộc sống ngày càng cao của xã hội

Long, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi ề tài này Thầy đã truyền đạt cho tôi

Cơ kỹ thuật – trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đặc biệt là thầy Vũ

Công Hòa, thầy Trương Tích Thiện, cô Ngô Kiều Nhi, các đồng nghiệp tại trường

đại học Kĩ Thuật Công Nghệ, các bạn trong lớp cao học K2009 nhất là bạn Nguyễn Thanh Long

Cuối cùng tôi không thể không nhắc đến sự giúp đỡ rất nhiệt tình của nhóm sinh viên Olympic Cơ học trường Đại Học Kĩ thuật Công Nghệ thành phố Hồ Chí Minh:

Bạch Văn Thành, Hong Choi Mãn, Dương Văn Trường và Dương Tùng

Trang 7

TÓM TẮT

Trước sự phát triển như vũ bão của ngành công nghệ ô tô, xe máy Việc thiết kế một chiếc xe an toàn, êm ái là một nhu cầu hết sức quan trọng đối với nhà cung cấp cũng như người tiêu dùng Trong luận văn này, tôi nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống giảm xóc trong ô tô đến người ngồi, cụ thể là độ cứng trong các phuộc nhún Với việc

sử dụng định lý Lagrang loại II tôi đã mô hình hóa được chiếc ô tô 5 bậc tự do, sau đó dùng lý thuyết tối ưu để tìm ra độ cứng phù hợp, cuối cùng dùng phần mềm Adams và Maplesim4 để mô phỏng lại chuyển động của ô tô Mục tiêu là làm sao để ghế ngồi dịch chuyển nhỏ nhất, gia tốc nhỏ nhất và người luôn cảm thấy thoải mái và không bị chóng mặt khi ngồi trên xe

Trang 8

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Nội dung nghiên cứu và ý nghĩa khoa học của đề tài 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu 4

1.4 Tổng quan về hệ thống giảm xóc trên ô tô 4

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT DAO ĐỘNG CƠ HỆ MỘT BẬC TỰ DO 11

2.1 Dao động cưỡng bức của hệ chịu kích động điều hòa 11

2.1.1 Các dạng kích động và phương trình vi phân dao động 11

2.1.2 Tính toán dao động cưỡng bức không cản 15

2.1.3 Tính toán dao động cưỡng bức có masat nhớt 19

2.2 Dao động cưỡng bức của hệ chịu kích động đa tần và tuần hoàn 24

2.2.1 Tính toán dao động của hệ chịu kích động đa tần 24

2.2.2 Tính toán dao động khi hai kích động điều hòa có tần số gần nhau 25

2.2.3 Tính toán dao động của hệ chịu kích động tuần hoàn 28

2.2.4 Tính toán dao động của hệ chịu kích động xung tuần hoàn 30

2.3 Dao động cưỡng bức của hệ chịu kích động không tuần hoàn 33

2.3.1 Phương pháp biến thiên hằng số Lagrang 33

2.3.2 Tìm nghiệm bằng hàm va chạm 35

2.3.3 Tìm nghiệm bằng hàm bước nhảy 38

CHƯƠNG 3 DAO ĐỘNG TUYẾN TÍNH CỦA HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO 42

3.1 Phương pháp sử dụng phương trình Lagrang loại II 43

3.2 Phương pháp lực 43

3.3 Dao động tự do không cản 44

3.4 Các tần số riêng và các dao động riêng 44

Trang 9

3.5 Tính chất trực giao của các vecto riêng 46

3.6 Các tọa độ chính 47

3.7 Các tọa độ chuẩn 48

3.8 Dao động tự do có cản 50

3.8.1 Phương pháp giải trực tiếp 50

3.8.2 Phương pháp ma trận dạng riêng 53

CHƯƠNG 4 LÝ THUYẾT TỐI ƯU – PHƯƠNG PHÁP GRADIENT 55

4.1 Biến thiết kế và biến trạng thái 55

4.2 Xây dựng bài toán tối ưu 55

4.2.1 Phương pháp Gradient trong không gian biến thiết kế 56

4.2.2 Các bước tính toán 58

CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TREO 60

5.1 Mô hình không gian cả xe 60

5.1.1 Mục đích của việc xây dựng hệ thống treo 60

5.1.2 Các bước tiến hành mô hình hóa 60

5.1.3 Mô hình vật lý 3D 61

5.1.4 Các giả thiết 62

5.2 Mô hình 2D 63

CHƯƠNG 6 TỐI ƯU HÓA THAM SỐ CỦA HỆ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU TRONG KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI 65

6.1 Mô hình tính toán phẳng của bài toán 65

6.2 Xác định bài toán 66

6.3 Phương trình chuyển động của hệ 66

6.4 Viết phương trình dưới dạng ma trận 68

6.5 Hàm mặt đường 69

6.6 Tối ưu hóa tham số k2, k3 70

Trang 10

6.6.1 Phương trình nghiệm riêng 70

6.6.2 Hàm mục tiêu 78

6.6.3 Ràng buộc 80

6.6.4 Sơ đồ giải thuật 81

CHƯƠNG 7 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TREO BẰNG PHẦN MỀM ADAMS/CAR 83

7.1 Giới thiệu chung 83

7.2 Xây dựng một hệ thống treo từ thư viện của chương trình và chạy mô phỏng 86

7.2.1 Tạo một Front Susoension Subsystem 87

7.2.2 Lựa chọn các chương trình phân tích 92

7.2.3 Chạy mô phỏng hệ thống và xuất đồ thị 97

CHƯƠNG 8 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TREO BẰNG PHẦN MỀM MAPLESIM4 108

8.1 Giới thiệu chung 108

8.2 Xây dựng một hệ thống treo từ thư viện của chương trình và chạy mô phỏng 109

8.2.1 Tổng quan công cụ 87

8.2.2 Mô phỏng 111

8.2.3 Mô phỏng bằng hình 117

8.2.3 Chạy mô phỏng hệ thống và xuất đồ thị 117

CHƯƠNG 9 KẾT LUẬN 123

9.1 Kết luận 123

9.2 Hướng phát triển 123

PHỤ LỤC A CHƯƠNG TRÌNH MAPLE 124

Tài liệu tham khảo

Trang 11

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một số hình ảnh minh họa lốp xe 6

Hình 1.2 Một số hệ thống treo 7

Hình 1.3 Lò xo trục thẳng đứng 8

Hình 1.4 Lò xo lá 8

Hình 1.5 Hệ thống thủy lực trong hệ thống treo 9

Hình 1.6 Ghế ngồi 10

Hình 2.1 Mô hình dao động cưỡng bức 11

Hình 2.2 Mô hình khối lượng lệch tâm 12

Hình 2.3 Mô hình kích động đàn hồi 13

Hình 2.4 Kích động động học 14

Hình 2.5 Kích động bằng lực cản nhớt 14

Hình 2.6 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của V vào η 17

Hình 2.7 Hiện tượng phách 18

Hình 2.8 Cộng hưởng 19

Hình 2.9 Các hàm khuếch đại V1, V2, V3 22

Hình 2.10 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của D vào ψ 23

Hình 2.11 Hiện tượng phách 27

Hình 2.12 Hiện tượng phách giảm dần 28

Hình 2.13 Xung tuần hoàn 30

Hình 2.14 Đồ thị hàm điều khiển 37

Trang 12

Hình 2.15 Đồ thị hàm va chạm 38

Hình 2.16 Hàm bước nhảy 39

Hình 5.1 Mô hình không gian hệ thống treo cầu trước và sau độc lập 61

Hình 5.2 Mô hình hai chiều dùng tính toán 63

Hình 6.1 Mô hình hàm mặt đường 70

Hình 7.1 Adams/Car 83

Hình 7.2 Giao diện làm việc của Adams/Car 88

Hình 7.3 Hộp thoại của chương trình 89

Hình 7.4 Các hệ thống treo trong thư viện chương trình 90

Hình 7.5 Mô hình hệ thống phụ 90

Hình 7.6 Hộp thoại xây dựng một Suspension Assembly 91

Hình 7.7 Mô hình hệ thống treo độc lập 91

Hình 7.8 Mô hình hệ thống treo phụ thuộc 92

Hình 7.9 Hộp thoại lựa chọn chương trình phân tích 93

Hình 7.10 Hộp thoại sửa đổi thông số lò xo 94

Hình 7.11 Hộp thoại sửa đổi độ cứng lò xo 95

Hình 7.12 Hộp thoại định nghĩa các đơn vị đo trong quá trình mô phỏng 95

Hình 7.13 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lực đàn hồi và độ biến dạng của lò xo

96 Hình 7.14 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lực giảm chấn và vận tốc giảm chấn 96 Hình 7.15 Hộp thoại thể hiện lực kích động lên 2 đầu lốp xe 97

Hình 7.16 Hộp thoại điều khiển quá trình mô phỏng 98

Trang 13

Hình 7.17 Hộp thoại điều khiển xuất đồ thị 98

Hình 7.18 Chuyển vị của khung theo Ox 99

Hình 7.19 Chuyển vị của khung theo Oy 100

Hình 7.20 Chuyển vị của khung theo Oz 100

Hình 7.21 Chuyển vị góc của khung theo Ox 101

Hình 7.22 Chuyển vị góc của khung theo Oy 101

Hình 7.23 Chuyển vị góc của khung theo Oz 102

Hình 7.24 Vận tốc dài của khung theo Ox 102

Hình 7.25 Vận tốc dài của khung theo Oy 103

Hình 7.26 Vận tốc dài của khung theo Oz 103

Hình 7.27 Vận tốc góc của khung theo Ox 103

Hình 7.28 Vận tốc góc của khung theo Oy 104

Hình 7.29 Vận tốc góc của khung theo Oz 104

Hình 7.30 Gia tốc dài của khung theo Ox 105

Hình 7.31 Gia tốc dài của khung theo Oy 105

Hình 7.32 Gia tốc dài của khung theo Oz 106

Hình 7.33 Gia tốc góc của khung theo Ox 106

Hình 7.34 Gia tốc góc của khung theo Oy 107

Hình 7.35 Gia tốc góc của khung theo Oz 107

Hình 8.1 Giao diện mô phỏng Maplesim 108

Hình 8.2 Các biểu tƣợng trong mục Multibody 109

Trang 14

Hình 8.3 Giảm chấn của ghế 112

Hình 8.4 Mô hình khung xe 114

Hình 8.5 Mô hình phuộc nhún xe 115

Hình 8.6 Mô hình mặt đường 116

Hình 8.7 Xuất đồ thị 122

DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 7.1 Thông số xe Mitsubishi Pajero 87

Trang 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Trong thế giới hiện đại của thế kỉ 21, cuộc sống con người ngày càng đầy đủ, tiện nghi hơn Và để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của họ, tất cả các lĩnh vực đều đang rất phát triển trong đó có cả lĩnh vực vận tải mà cụ thể ở đây là ngành công nghệ ô tô Không ai có thể phủ nhận được rằng nhu cầu về ô tô ngày gia tăng đối với mỗi cá nhân cũng như các công ty, xí nghiệp Tính sơ bộ ở Việt Nam trong năm 2008 các doanh nghiệp đã nhập về 50.400 chiếc, gấp đôi so với năm 2007 và năm 2009 là 80.000 chiếc Đứng trước tình hình như vậy ngành công nghệ ô tô buộc phải hoàn thiện sản phẩm của mình, không phải chỉ dừng lại ở mẫu mã đẹp, động cơ mạnh, tiết kiệm nhiên liệu

mà điều quan trọng nhất là tạo nên sự thoải mái, êm dịu cho người ngồi trên xe

Vấn đề đặt ra là phải làm sao để giảm dao động tối đa khi xe chạy trên các loại mặt đường khác nhau Để đạt được mục tiêu này, phải có một sự kết hợp hết sức chặt chẽ và khoa học giữa 3 bộ phận chính: bánh xe, hệ thống treo và ghế ngồi Đó thật sự

là một vấn đề khó khăn nhưng cũng rất thú vị

1.2 Nội dung nghiên cứu và ý nghĩa khoa học của đề tài

Các nhà sản xuất đã nghiên cứu và tính toán rất kĩ từng bộ phận nhưng chỉ là ở mức độ đơn lẻ, độc lập Họ chưa thể hiện được sự tác động tương hỗ giữa các bộ phận với nhau Bên cạnh đó, các nhà cơ học cũng đã rất quan tâm đến ảnh hưởng của dao động do bản thân động cơ và do kích thích của mặt đường gây nên Các dao động này không những chỉ ảnh hưởng đến người ngồi trên xe mà còn ảnh hưởng đến độ bám dính của bánh xe cũng như khả năng điều khiển của cả hệ thống

Điển hình là từ năm 1978 M.J Griffin [1] đã tiến hành đo đạc các dao động trên

xe ô tô và đưa ra những kết luận đầu tiên về ảnh hưởng của nó đến người ngồi Đến

Trang 16

Hệ thống treo cũng được quan tâm không kém: cũng từ năm 1989 Jorg Wallaschek [8] đưa ra mô hình và phương trình tính toán đầu tiên cho bộ phận treo trên

ô tô Cứ như thế các mô hình tính toán cho bộ phận treo tiếp tục phát triển và đến năm

2002 R Alkhatib, G Nakhaie Jazar và M.F.Golnaraghi [9] lần đầu tiên áp dụng phương pháp ―thuật toán phát sinh‖ để tối ưu hóa cho bộ phận treo, đối với những xe

có trọng tải lớn vào năm 2006 C.-M Lee, V.N Goverdovskiy, A.I Temnikov [10] còn thiết kế hệ thống nhíp hay còn gọi là lò xo lá thay thế cho các lò xo trục đứng bình thường trong hệ thống treo

Bên cạnh hệ thống treo và ghế ngồi độ căng của lốp là một yếu tố không thể bỏ qua: năm 2007 Tae Keun Lee, Byoung Sam Kim [11] đã xây dựng mô hình lốp xe như một hệ thống giảm chấn và tính toán được áp suât cần thiết cho mỗi bánh xe đối với từng loại ô tô

J.D Yau [12], V.V Krylov[13], H E M HUNT [14]còn xây dựng lên các mô hình ngoại cảnh như: gió, các loại mặt đường khác nhau ảnh hưởng như thế nào đến quá trình dao động của ô tô

Rõ ràng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật các nhà cơ học ngày càng xây dựng được những mô hình toán học gần gũi với thực tế hơn, có độ tin cậy

Trang 17

hơn, và qua đó cũng giảm được rất nhiều chi phí cho các nhà sản xuất Năm 2003 P Jonsson [15], năm 2005 Xingchu Liu [16], năm 2006 F Lu [17], năm 2007 F Lu [18], năm 2009 N Nariman-Zadeh, N Nariman-Zadeh [19]đã lần lượt xây dựng các

mô hình hoàn chỉnh của ô tô, tính toán một số thông số tối ưu như gia tốc ghế ngồi, độ dịch chuyển tương đối của bánh trước và bánh sau so với hệ thống treo, vận tốc bánh trước, bánh sau …trong quá trình ô tô di chuyển cũng như dao động

Các mô hình trên được xây dựng trên các nền tảng toán học khác nhau, mỗi mô hình đều có được những điểm mạnh và điểm hạn chế của mình Nhằm mục tiêu đạt đến những kết quả phù hợp với thực tế hơn, tôi quyết định thực hiện đề tài: ―Tối ưu hóa hệ giảm xóc 5 bậc tự do‖ Đề tài sẽ nêu bật lên được mối quan hệ khoa học giữa 3 bộ phận chính trong hệ thống giảm xóc: lốp xe, hệ thống treo và ghế ngồi Qua mối quan hệ khăng khít được mô hình hóa cụ thể dựa trên nền tảng toán học là phương trình Lagrang loại 2 [20], [21], [22], [23], [24], [25] [27], [28], [29], [30], [31], [33] kết hợp với lí thuyết tối ưu gradient [26] ta có thể tìm được một số thông số rất có lợi cho các nhà sản xuất: như áp suất cần thiết trong mỗi lốp xe [32], độ cứng của lò xo, hệ số giảm chấn trong hệ thống treo; hay thậm chí là cả độ cứng, hệ số giảm chấn của lò xo trong ghế ngồi Tất cả nhằm mục tiêu cao nhất là giảm dao động tối đa tác động lên người ngồi trên ô tô mà cụ thể ở đây là tìm giá trị để gia tốc và biên độ dao động của chiếc ghế là cực tiểu

Trang 18

Xây dựng mô hình tính toán và thiết lập phương trình chuyển động của

hệ bằng phương trình Lagrang loại 2

Giải hệ phương trình vi phân của hệ

Sử dụng đoạn chương trình tối ưu bằng phần mềm Maple tối ưu tham số của hệ động lực

Mô phỏng cơ hệ bằng phần mềm Maplesim4

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và kết quả cần đạt được

Trong luận văn này, hai vấn đề sẽ được nêu bật lên:

Thứ nhất: mối quan hệ giữa các bộ phận đóng vai trò giảm xóc cho xe ô tô: lốp xe, bộ phận treo, và ghế ngồi

Thứ hai: tìm ra các điều kiện để các hai thông số cơ bản là: gia tốc của ghế ngồi và biên độ của ghế nhỏ nhất

Việc mô hình hóa cơ hệ và giải bằng phương pháp Lagrang loại 2, đồng thời áp dụng lý thuyết tối ưu gradient sẽ giải quyết được các vấn đề cơ bản trên, đồng thời sẽ cung cấp thêm cho các nhà sản xuất một số lựa chọn trong việc thiết kế bộ phận giảm xóc trên ô tô

1.5 Tổng quan về hệ thống giảm xóc trên ô tô:

a Lốp xe [32]

Đã có nhiều bài báo đề cập tới lốp và các vấn đề về lốp Thị trường cũng có vô vàn loại lốp khác nhau, song tất cả lốp xe hơi đều có chung đặc điểm là chuyển động trên một lớp đệm không khí Phân tích thiết kế của một chiếc lốp ta thấy mặc dù số lượng tanh cũng như số lớp vải bố nằm bên trong talông có một số ảnh hưởng nhất định, song độ dầy thành lốp mới là yếu tố quyết định tác động tới sự êm ái của xe hơi

Trang 19

Lốp xuyên tâm (radical) truyền thống thường có thành lốp rất mềm Hai nhân tố tác động đến độ cứng của thành lốp là số lớp vải bố và độ cao của thành lốp Các ký hiệu ghi trên thành lốp có thể cho chúng ta biết lốp có bao nhiêu lớp bố Tuy nhiên lốp

ký hiệu 4 lớp bố không có nghĩa là kết cấu của nó thực sự gồm 4 lớp bố Con số này chỉ cho thấy thành lốp có độ bền tương đương với cấu trúc 4 lớp bố Hầu hết các xe con ngày nay sử dụng lốp có từ 2-4 lớp bố, trong khi các dòng xe SUV hoặc bán tải cỡ lớn sử dụng lốp có từ 6 lớp bố trở lên Càng nhiều lớp bố, thành lốp càng cứng và hệ quả là độ êm ái giảm đi Tuy nhiên ưu điểm của lốp nhiều lớp bố là có thể chịu được tải trọng lớn

Áp suất phù hợp là một nhân tố quan trọng khác giúp tăng tuổi thọ của lốp, tạo cảm giác vận hành êm ái và đảm bảo an toàn Lốp non hơi thường khiến thành lốp phải uốn cong liên tục Tuy có cảm giác như xe đang chạy êm, song những chuyển động liên tục này làm cho lốp nóng lên và nhiệt độ tăng cao có thể khiến cho lốp hỏng Nên tìm trong sách hướng dẫn sử dụng hoặc nhãn gắn ở lốp xem mức áp suất nào là phù hợp

Lốp bơm căng quá chỉ phù hợp với một số trường hợp nhất định Nếu bạn có thói quen lái xe nhanh, hoặc chở nặng, nên tăng thêm áp suất cho lốp Những cú ngoặt gấp hoặc khi đua xe đều cần đến lốp căng hơn để giữ cho thành lốp cứng chắc và ngăn không cho bánh xe văng ra khỏi vành Tuy nhiên nhưng đừng bao giờ để áp suất lốp vượt quá mức áp suất tối đa cho phép ghi trên thành lốp

Trang 20

Hình 1.1 Một số hình ảnh minh họa lốp xe

Trang 21

b Hệ thống treo

Hệ thống treo là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống giảm xóc trên xe ô tô

Nó không chỉ đóng vai trò nhận năng lượng kích động từ mặt đường mà còn đảm bảo độ bám dính của bánh xe trong suốt quá trình di chuyển đặc biệt là trong các giai đoạn cua rẽ và khi gặp phải mặt đường xấu

Hình 1.2 Một số hệ thống treo

Trang 22

Hình 1.3 Lò xo trục đứng

Hình 1.4 Lò xo lá

Trang 23

Hệ thống giảm chấn làm nhiệm vụ chủ yếu là giảm dao động tự nhiên của lò

xo bằng cách chuyển một phần cơ năng thành nhiệt năng Dưới đây là cấu tạo của hệ thống giảm chấn

Hình 1.5 Hệ thống thủy lực trong hệ thống treo

Trang 24

c Ghế ngồi

Ghế ngồi là bộ phận cuối cùng trong hệ thống giảm xóc Ghế đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc tạo nên cảm giác êm ái, thoải mái cho người ngồi trên xe Nó là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với người nên các chi tiết phải được tính toán hết sức chuẩn xác

Hình 1.6 Ghế ngồi trên xe ô tô

Trang 25

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT DAO ĐỘNG CƠ HỆ MỘT BẬC TỰ DO

2.1 Dao động cưỡng bức của hệ chịu kích động điều hòa

2.1.1 Các dạng kích động và phương trình vi phân dao động

Hình 2.1 Mô hình dao động cưỡng bức

hình này ta có

Thế các biểu thức sau vào phương trình Lagrange loại 2

Ta được: (2.1) Chia 2 vế (2.1) cho m và đưa vào ký hiệu , ta biến đổi (2.1) về dạng

(2.1a)

b) Kích động bởi khối lượng lệch tâm

Trang 26

x1

Hình 2.2 Mô hình khối lượng lệch tâm

Biểu thức động năng của hệ có dạng

Từ đó ta suy ra

Các biểu thức thế năng và hàm hao tán có dạng như các thí dụ trước

Thế các biểu thức T, , vào phương trình Lagrange loại 2 ta được

Biến đổi tương tự như trên ta được

Trang 28

Trên hình 2.4 là mô hình hệ chịu kích động động học Giả sử điểm chân của lò xo và

Hình 2.4 Kích động động học

Phương trình vi phân dao động của hệ có dạng

(2.4) Chia 2 vế phương trình (2.4) cho m ta được

Trong đó

e) Kích động bằng lực cản nhớt

Trên hình 2.5 là mô hình hệ chịu kích động bằng lực cản nhớt Mặt trượt nhẵn tuyệt đối (µ=0)

Trang 29

Hình 2.5 Kích động bằng lực cản nhớt

Phương trình vi phân dao động của hệ có dạng

(2.5) Với

Chia vế của (2.5) cho m ta được

(2.5a) Trong đó

Qua các thí dụ trên ta thấy: Phương trình vi phân dao động tuyến tính của hệ một bậc

tự do chịu kích động điều hòa có dạng

(2.6)

Chú ý nếu ta sử dụng độ cản Lehr D thì phương trình (2.1a) có dạng như sau

(2.8) Trong đó

Trang 30

Ta có thể biến đổi các phương trình (2.2a), (2.3a), (2.4a), (2.5a) về dạng tương ứng

2.1.2 Tính toán dao động cưỡng bức không cản

Phương trình vi phân cưỡng bức không cản của hệ 1 bậc tự do có dạng

(2.9) Nếu ta đưa vào ký hiệu

Thì phương trình (2.9) có dạng

(2.10) Nghiệm tổng quát của phương trình vi phân (2.10) bao gồm nghiệm tổng quát của phương trình vi phân tuyến tính thuần nhất tương ứng và một nghiệm riêng của phương trình có vế phải Để giải phương trình vi phân (2.10) ta xét hai trường hợp Ω ≠

Trang 31

Các hằng số , đƣợc xác định từ các điều kiện đầu Giả sử khi t = 0 thì

Thế các điều kiện đầu này vào biểu thức (2.12) và đạo hàm của nó, ta có

Nhƣ thế, biểu thức nghiệm (2.12) có dạng

(2.13)

Nghiệm (2.13) gồm hai phần: Ba số hạng đầu biểu thị dao động tự do với tần số

là tần số riêng của hệ, số hạng thứ tƣ biểu thị dao động cƣỡng bức với tần số là tần số của lực kích động Chú ý rằng khi chỉ có hai số hạng đầu của dao động tự do triệt tiêu Vì vậy số hạng tự do thứ ba đƣợc gọi là thành phần dao động tự do kéo theo Giai đoạn tồn tại cả các thành phần dao động với tần số lực kích động và các thành phần dao động với tần số riêng đƣợc gọi là giai đoạn chuyển tiếp Giai đoạn chỉ tồn tại thành phần dao động với tần số của lực kích động đƣợc gọi là giai đoạn bình ổn

Nếu bỏ qua các thành phần dao động tự do trong (2.13) ta có biểu thức xác định trạng thái bình ổn của dao động cƣỡng bức

Chú ý rằng thừa số H/c là dịch chuyển gây ra bởi lực tĩnh H đặt vào vật rắn dao động

biểu thị tác dụng động lực của lực kích động, và đƣợc gọi là hàm khuếch đại (hoặc hệ

số động lực) Trên hình 2.6 biểu diễn sự phụ thuộc của V vào η

Trang 32

Hình 2.6 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của V vào η

Khi tỉ số Ω/ω0 dần đến 1 thì hàm khuếch đại (hệ số động lực) và do đó biên độ dao động cưỡng bức tăng lên nhanh chóng và tiến tới vô cùng khi Ω = ω0 Hiện tượng

đó gọi là hiện tượng cộng hưởng Như vậy hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng biên

độ dao động cưỡng bức tăng lên rất lớn do tần số của lực kích động trùng với tần số dao động tự do Trong thực tế không có trường hợp nào biên độ dao động tăng lên vô cùng vì trong các hệ thực bao giờ cũng tồn tại lực cản Vấn đề này sẽ được xét ở sau

(2.13) có dạng

Ta xét trường hợp khi tần số của lực kích động rất gần với tần số dao động tự

các số hạng bé cỡ ε trong biểu thức của q ta có

Trang 34

Hình 2.8 Cộng hưởng

Như thế, ngay trong phạm vi lý thuyết dao động tuyến tính không cản, sự tăng biên độ lên vô hạn ở vùng cộng hưởng cũng đòi hỏi phải có thời gian Đối với các máy được thiết kế làm việc ở trên vùng cộng hưởng, cần phải khẩn trương cho vượt qua đủ nhanh

Như thế khi tính toán dao động cưỡng bức không cản ta phân ra hai trường hợp:

Các phương trình vi phân dao động tuyến tính chịu kích động điều hòa của hệ một bậc

tự do có ma sát nhớt (2.6), (2.7) và (2.8) có thể viết dưới dạng như sau

(2.19)

Ta tìm nghiệm riêng của phương trình này dưới dạng

(2.20) Trong đó M, N là các hằng số cần xác định Thế biểu thức (2.20) vào phương trình (2.19) rồi so sánh các hệ số của sinΩt và cosΩt, ta rút ra hệ hai phương trình đại số tuyến tính để xác định M và N

Giải ra ta được

Trang 35

Thành phần dao động cưỡng bức (1.20) có thể biểu diễn dưới dạng

(2.23) Trong đó

phương trình vi phân (2.19) với các phương trình vi phân (2.6), (2.7) và (2.8) ta rút ra các hệ thức sau:

ng hợp kích động lực hoặc kích động qua lò xo

Trang 36

0,4 0,2

0,1 D=0

D=0

2 1 2 0,4 0,2

0,40,2

0,1D=0

V1



Trang 37

0,4

212

Ta có thể tính đƣợc các giá trị cực đại này

Góc pha ban đầu φ đƣợc xác định bởi hệ thức (2.25)

Trang 38

Trường hợp kích động lực và kích động bởi khối lượng lệch tâm

Trường hợp kích động động học, ta có

Nếu ta ký hiệu ψ = - φ thì ta có ba hệ thức sau

ψ = 0 khi η → 0: Dao động cùng pha

ψ = π/2 khi η = 1: Cộng hưởng

ψ = π khi η → : Dao động ngược pha

trường hợp kích động lực hoặc kích động bởi khối lượng lệch tâm sự phụ thuộc của góc ψ vào η ứng với một vài giá trị D được biểu diễn trên hình 2.10

2

1 2

D=0

Hình 2.10 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của D vào ψ

Để tìm nghiệm của phương trình vi phân mô tả dao động cưỡng bức người ta cũng hay

sử dụng phương pháp biên độ phức Muốn vậy ta đưa vào các ký hiệu sau

Trang 39

toán dao động của hệ chịu kích động đa tần

Trong thực tế ta cũng hay gặp dao động của hệ chịu kích động của tổ hợp các lực ngoài với các tần số khác nhau Phương trình chuyển động của hệ có dạng

Trang 40

Chia hai vế của phương trình (2.1) cho m và sử dụng các ký hiệu quen biết ta được

Ta tìm nghiệm phương trình (2.33) dưới dạng

Thế biểu thức (2.35) vào phương trình (2.34) ta dẫn đến hệ phương trình để xác định

và

Hệ phương trình (2.36) là hệ hai phương trình đại số tuyến tính đối với hai ẩn là

Chia biểu thức (2.38) cho (2.37) ta được

Bình phương các biểu thức (2.37) và (2.38) cộng lại ta rút ra

Định dạng
Số trang	200
Dung lượng	27,62 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] M.J. Griffin. The evaluation of vehicle vibration and seats. Human Factors Research Unit, Institute of Sound and Vibration Research, University of Southampton, 9.1, 15-21, 1978	Khác
[2] W. O. Schiehlen. Probabilistic analysis of vehicle vibrations. Institute B of Mechanics, University of Stuttgart, 7000 Stuttgart 80, FRG:Probabilistic Engineering Mechanics, Vol. 1, No. 2, 1986	Khác
[3] Michael J. Griffin. Difference thresholds for automobile seat vibration. Human Factors Research Unit, Institute of Sound and Vibration Research, University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, UK.Applied Ergonomics 31 (2000) 255}261, 1998	Khác
[4] J. Giacomin. Subjective response to seated fore-and-aft direction whole-body vibration.Head of Design, Brunel University, Uxbridge, Middlesex UB8 3PH, UK.International Journal of Industrial Ergonomics 37 (2007) 61–72, 2005	Khác
[5] Marianne Schust. Examination of perceptions (intensity, seat comfort, effort) and reaction times (brake and accelerator) during low-frequency vibration in x- or y- direction and biaxial (xy-) vibration of driver seats with activated and deactivated suspension.Vibration and Electromagnetic Fields, Federal Institute for Occupational Safety and Health, No¨ldnerstr. 40-42, D-10317 Berlin, Germany, 2006	Khác
[6] S. Rahmatalla (a), T. Xia (b), M. Contratto(c), G. Kopp(c), D. Wilder(b), L. Frey Law(a), James Ankrum(a,b). Three-dimensional motion capture protocol for seated operator in whole body vibration.a. Center for Computer-Aided Design (CCAD), The University of Iowa, USA.b. Jolt/Vibration/Seating Lab, Iowa Spine Research Center, The University of Iowa, Iowa City, IA, USA	Khác