Lập mô hình khảo sát hệ thống treo khí xe bus

Lập mô hình khảo sát hệ thống treo khí xe bus Lập mô hình khảo sát hệ thống treo khí xe bus Lập mô hình khảo sát hệ thống treo khí xe bus luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

-

NGUYỄN VĂN BẰNG

LẬP MÔ HÌNH KHẢO SÁT HỆ THỐNG TREO KHÍ XE BUS

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

PGS.TS VÕ VĂN HƯỜNG

H À NỘI – 2012

Chương 3 Khảo sát dao động xe khách với hệ treo khi 34

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Văn Bằng, cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nếu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình nào khác

Hà Nội, Ngày 30 tháng 9 năm 2012 Tác giả

Nguyễn Văn Bằng

hs1 Hệ số phát sinh do di chuyển vị trí đặt lực cầu trước hs2 Hệ số phát sinh do di chuyển vị trí đặt lực cầu sau

Ct Nm/rad Độ cứng thanh ổn định ngang

Ck Nm/rad Độ cứng chống xoắn của khung xe

θ Rad, 0 Góc lắc dọc thân xe

ϕ1 Rad, 0 Góc lắc ngang khối lượng được treo trước

ϕ2 Rad, 0 Góc lắc ngang khối lượng được treo sau

ϕA1 Rad, 0 Góc lắc ngang cầu trước

4

ϕA2 Rad, 0 Góc lắc ngang cầu sau

ξA1 m Chuyển vị phương thẳng đứng trọng tâm cầu trước

được treo trước

được treo sau

Mt Nm/rad Mô men chống xoắn của thanh ổn định ngang

5

p0 pa áp suất buồng khí nén ở trạng thái tĩnh

Jy kgm2 Mô men quán tính đối với trục y đi qua trọng trâm của

h22 m Độ cao tâm quay tức thời khối lượng được treo sau

6

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sự phụ thuộc của gia tốc bình phương trung bình theo tần số 13

Hình 2.1: Sơ đồ không gian xe khách hai cầu và định nghĩa hệ toạ độ 22

Hình 3.9: Nguyên lý hệ thống treo thủy khí điều khiển độ cao 40

7

8

Hình 3.54: Đặc tính gia tốc thân xe 70

9

M Ở ĐẦU Tính c ấp thiết của luận văn

Ngµy nay cùng sự tiến bộ không ngừng khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp ô tô trên thế giới đang có những bước chuyển biến mạnh mẽ trong thiết kế và

chế tạo Các mẩu xe mới liên tục ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của hành khách và người sử dụng Hướng phát triển mong muốn là tiết kiệm nhiên liệu,

giảm thiểu ô nhiểm môi trường, nâng cao chất lượng và an toàn lao động

Ở nước ta, các nhà máy sản xuất lắp sáp đang đứng trước cơ hội phát triển khi giao thông không ngừng mở rộng và nâng cấp, nhu cầu đi lại và vận chuyển ngày càng gia tăng Sự lựa chọn của người sử dụng hứng vào xe có chất lượng cao, trong đó đặc biệt chú ý đến sự an toàn và thoái mái khi sử dụng

Theo số liệu thống kê, hiện nay các cơ sở sản xuất lắp ráp ô tô trong nước

mổi năm cho ra đời khoảng 20000 ô tô khách các loại Theo dự báo của chính phủ, nhu cầu sản lượng ô tô khách các loại đến 2020 là 30000 ô tô trên năm, tăng 50%

Với phương pháp thiết kế như hiện nay, các loại ô tô khách chế tạo trong nước khó đảm bảo được sự thoả hiệp tối ưu giữa các mục tiêu mâu thuẫn nhau như các chỉ tiêu về chất lượng động lực học, các chỉ tiêu về độ bền và chi phí sản xuất

Khi ô tô chuyển động có rất nhiều yếu tố giây dao động làm mất tính an toàn

và êm dịu chuyển động Đây là hai tiêu chí rất quan trọng, không thể tách rời nhưng

lại mâu thuẫn với nhau trong quá tình chuyển động, được quyết định chủ yếu bởi

chất lượng của hệ thống treo Tuy nhiên, trong hầu hết các thiết kế mới ô tô khách

và nghiên cứu hệ thống treo ô tô ở nước ta hiện nay thường tập trung chủ yếu vào

chỉ tiêu êm dịu và ít quan tâm đến an toàn chuyễn động Trên cơ sở lý thuyết, bài toàn khảo sát dao động hệ thống treo ô tô với hai hàm mục tiêu đồng thời độ an toàn

và êm dịu chuyển động có thể giải quyết nhanh chóng nhờ phần mền tiên tiến Xuất phát từ những thực trạng trên, đề tài “Lập mô hình khảo sát hệ thống treo khí xe bus

” nhằm nghiên cứu hoàn thiện kết cấu hệ thống treo để nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động là thực sự cần thiết và có ý nghĩa khoa học trong điều kiện thực tế

của ngành công nghiệp Ô tô Việt Nam

10

M ục đớch nghiờn cứu của luận ỏn

Mục đớch nghiờn cứu của luận ỏn là xõy dựng mụ hỡnh nghiờn cứu dao động

xe khỏch với hệ thống treo khớ nộn nhằm xỏc định cỏc chỉ tiờu về ờm dịu, an toàn động lực học và độ thõn thiện với mụi trường ụ tụ khỏch sản xuất lắp rỏp và sử dụng trong nước

Đối tượng và mục tiờu nhiờn cứu

Đối tượng nghiờn cứu của luận ỏn là ụ tụ Hyundai - County HD 29 E3

Phạm vi nghiờn cứu của luận ỏn là tớnh toỏn dao động và đỏnh giỏ dao động của hệ treo khớ dựa theo cỏc tiờu chớ của hệ thống treo như : (i) độ ờm dịu chuyển động, (ii) khụng gian treo, (iii) hệ số tải trọng liờn quan đến an toàn động lực học và ỏp lực

Phương phỏp nghiờn cứu

Phương phỏp nghiờn cứu của luận ỏn là tớnh toỏn dao động bằng mụ hỡnh;

lập mụ hỡnh bằng phương phỏp tỏch cấu trỳc của hệ nhiều vật và sử dụng phương trỡnh Newton-Euler; mụ phỏng bằng phần mền chuyờn dụng MatLab-Simulink

í ngh ĩa khoa học và thực tiển

Thụng qua viờc nghiờn cứu lý thuyết luận ỏn gúp phần hoàn thiện phương phỏp tớnh toỏn hệ thống treo nõng cao độ ờm dịu và an toàn chuyển động ụ tụ khỏch

sản xuất lắp sỏp và sử dụng trong nước, đồng thời giới thiệu một phương phỏp thiết

kế khoa học của hệ thống treo ụ tụ dựa trờn cỏc cụng cụ tớnh tớnh toỏn hiện đại Bờn cạnh những đúng gúp giỏ trị về mặt lý thuyết, kết quả nghiờn cứu của

luận ỏn cũn cú thể ứng dụng nõng cao chất lượng của sản phẩm của cỏc doanh nghiệp sản xuất lắp sỏp ụ tụ trong nước, giỳp cỏc doanh nghiệp cú một nhón quan toàn diện về chất lượng sản phẩm hiện tại để chế tạo ra những sản phẩn cú chất lượng ngang tầm thế giới trong tương lai

B ố cục luận ỏn: Xuất phỏt từ mục đớch, đối tượng phạm vi và phương phỏp nghiờn

cứu, bố cục luận ỏn bao gồm cỏc chương như sau:

+ Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiờn cứu

+ Chương 2: Lập mụ hỡnh nghiờn cứu dao động xe bus

+ Chương 3: Khảo sỏt dao động xe khỏch với hệ treo khi

11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1 1 Các yếu tố gây dao động đến ô tô

Khi chuyển động trên đường, ô tô dao động ở tất cả các phương: phương dọc, phương ngang, phương thẳng đứng và ba dao động góc là dao động lắc dọc, lắc ngang và quay quanh trục thẳng đưng Thông thường khi xét dao động ô tô ta chỉ quan tâm dao động phương thẳng đứng, dao dao động lắc dọc

và lắc ngang mặc dù dao động ô tô là tích hợp Dao động ô tô cũng chịu đồng thời nhiều yếu tố kích động ngẫu nhiên Vì vậy ta chỉ có thể lập mô hình và xét các yếu tố riêng rẽ Trước tiên ta xét các yếu tố gây dao đông Có 4 nguồn gây dao động:

(i) Mấp mô mặt đường: Trong thực tế mấp mô mặt đường mang tính chất ngẫu

nhiên, chúng thay đổi trong quá trình xe chuyển động về độ cao mấp mô, khoảng cách giữa các mấp mô Mấp mô được mô tả theo hàm thời gian h(t) hoặc hàm chuyển vị của xe h(x); h là chiều cao mấp mô, t là thời gian chuyển động, x là quãng đường xe chạy trong thời gian khảo sát Nếu cho trước vận tốc v thì ta có quan hệ x(t)=vt Như vậy hai biến x và t là tương đương Trường hợp đơn giản nhất

ta chọn hàm tuần hoàn h = h0sin(2 π ft ),trong đó f là tần số kích động của mặt đường Nếu λ là bước sóng đường ta có thể viết lại như sau: h = h0sin(2 π x / ) λ

(i) Gió: Ở nước ta, gió có cường độ mạnh, tác động đến ô tô đa phương đa chiều với tính chất ngẫu nhiên, làm thay đổi xe chuyển động và về cơ bản tâm tác động của gió không trùng với trọng tâm của xe

(iii) Lực quán tính: Khi ô tô chuyển động, lái xe thực hiện điều khiển xe theo ba

chức năng là phanh, tăng tốc, quay vô lăng riêng rẽ hoặc tích hợp, làm xuất hiện gia tốc dọc, ngang, gây dao động lắc dọc và lắc ngang Ngoài ra, khi xe chạy, tải của động cơ thay đổi, mô men quán tính của động cơ cũng gây dao động cho ô tô Trước đây khi nghiên cứu dao động người ta chỉ xét ảnh hưởng của mấp mô đường trong trường hợp vận tốc không đổi Chuyển động của ô tô là chuyển động

12

tích hợp, khi nghiên cứu Động lực học ô tô ta phải xét tất cả các yếu tố ảnh hưởng,

vì vậy trong mô hình dao động phải tổng quát hơn, bao hàm ba loại kích động vừa nêu trên

1.2 Ảnh hưởng của dao động ô tô

Đối với sức khoẻ của người đặc biệt là của lái xe, dao động của xe có thể gây mệt mỏi, căng thẳng cho lái xe ảnh hưởng đến hoạt động lái xe, đặc biệt là phản xạ

để xử lý tình huống Đối với hàng hoá, dao động của xe có thể làm hư hỏng hàng hoá như dập nát, gãy, vỡ hoặc thay đổi tính chất của hàng hoá Đối với đường: khi

xe chạy trên đường, dao động của ô tô gây ra tải trọng động cùng với tải trọng tĩnh của xe làm hư hỏng đường và cầu cống Đối với ô tô, tác động từ mặt đường lên xe gây ra dao động làm va đập và gây ra tải trọng thay đổi đối với các chi tiết ô tô ảnh hưởng đến độ bền lâu của chi tiết (xuất hiện các dạng hỏng mỏi chi tiết) Ngài ra dao động ô tô cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền lực cũng như tính điều khiển hướng chuyển động của ô tô Thật vậy, dao động ô tô tạo lên các tải trọng động theo phương thẳng đứng trên các bánh xe làm thay đổi lực bám đường của bánh xe và tạo ra các gia tốc lắc làm ảnh hưởng đến chuyển động của xe Chuyển động tương đối giữa thân xe và cầu xe liên quan đến việc bố trí không gian cho hệ treo khi thiết

kế ô tô Từ các phân tích trên, người ta có thể dựa vào các tiêu chỉ sau để đánh giá ảnh hưởng của dao động đến ô tô Không thể có tiêu chí nhất quán cho tất cả mọi xe

cọ Tùy theo loại xe mà ta chọn các tiêu chí thích hợp Nên sử dụng thuật ngữ Tiêu chí (Categorie); thuật ngữ Tiêu chuẩn là không thích hợp

1.2.1 Tiêu chí về độ êm dịu

- Đối với con người: Người ta định nghĩa cường độ dao động KB là một hàm của gia tốc bình phương trung bình, tần số dao động và thời gian tác dụng được tính toán phụ thuộc vào phương tác dụng:

( , , )

KB = f z f t&

Theo tiêu chuẩn ISO 2631 [15,17]

- Cường độ dao động theo phương thẳng đứng Kz được xác đinh như sau:

10

- Tiêu chuẩn ISO- 2631 đưa ra các ngưỡng Kz như sau:

Kz < 0,2 Không cảm nhận được dao động

Hình 1.1 Sự phụ thuộc của gia tốc bình phương trung bình theo tần số

Cảm giác rất mạnh Cảm nhận mạnh

ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ

amax= 0,3g giới hạn cảnh báo

amax= 0,5g giới hạn can thiệp (g – gia tốc trọng trường)

Định nghĩa giới hạn cảnh báo và can thiệp:

+ Giới hạn cảnh báo: Hệ thống treo của ô tô hoặc đường xá đã hỏng đến mức cần có kế hoạch sửa chữa

+ Giới hạn can thiệp: đường đã hỏng nặng, cần sửa chữa ngay

Theo thống kê, hiện nay độ êm dịu được đưa ra trong hình 1.3 cho từng loại xe

Hình 1.3 Phân bố độ êm dịu các loại xe

15

1.2.2 Tiêu chí về tải trọng động [17]

Khi xe chuyển động trên đường, dao động của các khối lượng ô tô tạo nên tải trọng động tác động lên đường và phản lực từ đường tác dụng lên bánh xe Tải trọng động cực đại làm hư hỏng đường và giảm tuổi thọ của các chi tiết Tải trọng động còn ảnh hưởng đến an toàn động lực học của xe

a M ức độ thân thiện với đường

Một số nghiên cứu tại Anh và Mỹ đã đưa ra rằng mức độ ảnh hưởng của dao động ô tô đến cầu và đường tỷ lệ với số mũ bậc 4 của áp lực bánh xe với đường Theo Wilkinson đưa ra công thức xác định hệ số áp lực đường w như sau:

Xe có i bánh xe thì áp lực toàn xe là:

( ) ( ) ( )

, 1

, 1

i

z st i

z st

w i F i W

z st

F k

F

16

c.Tiêu chí về an toàn động lực học

Tải trọng động ảnh hưởng đến mức độ bám đường của bánh xe do vậy nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền lực dọc khi tăng tốc và khi phanh, giữ ổn đinh quỹ đạo chuyển động Người ta định nghĩa hệ số tải trọng động cực tiểu kdyn,min

để chỉ ra giảm khả năng truyền lực của bánh xe

n dyn

f : Hành trình nén

t dyn

f : Hành trình trả

s : Không gian làm việc của hệ thống treo

Về cấu trúc khung vỏ, có thể chia ô tô là hai dạng:

- Vỏ chịu lực: khối lượng được treo được coi là một vật cứng không biên dang; đầu trên hệ thống treo tác động trực tiếp vào vỏ Những xe có cấu trúc

vỏ chịu lực là xe con, xe bọc thép, xe tăng

- Khung chịu lực: Là đặc trưng kết cấu xe tải Khối lượng được treo nằm

phải mô tả hai khối lượng được treo, có thể dao động góc khác pha

Các bánh xe (cầu) liên kết với đầu dưới của hệ thống treo Hai dầm dọc

có độ cứng góc đặc trưng, còng khối lượng tính vào khối lượng được treo

V ề kết cấu hiện tại có 4 loại hệ thống treo:

- Hệ thống treo độc lập, có nhiều kiểu khác nhau, phân biệt theo cơ cấu hướng đòn dọc, cơ cấu đòn ngang, đòn chéo và McPherson Hệ thống treo nay thường ứng dụng cho xe con, xe quân sự nhiều cầu, chúng có liên kết động học phức tạp

- Hệ thống treo phụ thuộc, thương thiết kế cho xe tải

- Hệ thống treo cân bằng

- Hệ thống treo cân bằng liên tiếp ( 3 cầu trong đó có một cầu nâng)

Phương thức liên kết: Liên kết khối lương không được treo (bánh xe ,cầu xe)

với khối lương được treo thông qua hệ thống treo; có hai dạng liêm kết là

18

Liên kết động học và liên kết động lực học Liên kết động học là đặc trưng của

treo động lập, chuyển động tương quan giữa khối lương được treo và không được treo là xác định thông qua hệ đòn và các góc hình học Liên kết động lực học có đặc thù của hệ treo phụ thuộc và cân bằng; vị trí liên kết giưa khối lượng được treo và không treo phụ thuộc các lực và mô men làm khôi lượng được treo và không được treo chuyển động tương đối; không có ràng buộc hình học mà ràng buộc động lực học

Các yếu tố phi tuyến: Dao động ô tô là chuyển động tương đối giữa các khối

lượng với nhau Tại các điếm liên kết là các lực liên kết Các lực này phần lớn

là phi tuyến Có hai dạng phi tuyến là phi tuyến hình học do các yếu tố lượng giác gây ra và phi tuyết vật lý do kết cấu hệ thống và thuộc tính vật lý gây ra

ví dụ đặc tính đàn hối khí nén, lực cản giảm chấn

1.3.2 Phương pháp lập mô hình dao động [3]

Do ô tô là một hệ nhiều vật không đồng nhất cũng như trong thiết kế hệ thống treo và tính toán các bài toán động lực học cần các lực liên kết nên phương pháp tách cấu trúc là thuận lợi nhất Nguyên lý tách vật là, tại điểm cắt ta thay các lực và mô men có cùng trị tuyệt đối, cùng phương khác chiều Mỗi vật khi tách ra có các ngoại lực và các nội lực tác dụng như ngoại lực Mỗi một vật có thuộc tính vật lý là khối lượng, mô men quán tính và khối tâm Chuyển động của vật đó khi đứng riêng rẽ với các ngoại lực và nội lực tác dụng lên nó cũng tương đương với chuyển động của nó trong hệ tổng quát Phương pháp tiện lợi nhất là sử dụng hệ phương trình Newton-Euler để mô tả chuyển động của

nó, gồm 3 chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động góc

Phương trình Newton-Euler tổng quát:

=

&&

19

1.3.3 Các mô hình dao động cơ bản

Từ các phân tích trên, ta thấy có 4 mô hình cơ bản Việc chon mô hình phải dựa vào cấu trúc khung vỏ, kiếu treo, kiểu liên kết và yếu tố tuyến tính, phi tuyến 4 mô hình cơ bản là:

(i) Mô hình ¼: thường sử dụng khi nghiên cứu tối ưu hệ thống treo,

nghiên cứu về điều khiển hệ thống treo

(ii) Mô hình ½ dọc: thường sử dụng khi nghiên cứu dao động liên kết

trong bài toán phân bố khối lượng và khi kết hợp nghiên cứu về động lực học phương dọc với mô hình động lực học một dãy

(iii) Mô hình ½ ngang: thường sử dụng trong mục đích nghiên cứu về

trượt/lật ngang cũng như khảo sát thanh ổn định (stabilisator)

thí nghiệm dao đông đo trên đường và khi nghiên cứu động lực học tổng quát thì nó trở thành mô hình con Với 2 loại cấu trúc khung chịu lực và vỏ chịu lực cùng với 4 loại hệ thống treo khác nhau, có thể có

4 loại mô hình không gian khác nhau Ngoài ra, ta có thể đưa các yếu

tố khác như động cơ, ghế ngồi, cabin,…, người như một hệ dao đông đặc biêt Do vậy mô hình không gian có thể se rất phức tạp Mô hình không gian cũng chịu kích động phức tạp: mấp mô đường, đường nghiêng, gió các phương, lức quan tính trong bài toán động lực hoc

20

CHƯƠNG 2 LẬP MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XE BUS

Xe bus t hường có hệ thống treo phụ thuộc Cấu trúc xe bus là hỗn hợp:

có hai dầm dọc với độ chống xoắn lớn nên có thể mô tả như loại cấu trúc vỏ chịu lực Hệ thống treo có thể là kim loại, có thể là khí nén

2.1 C ác giả thiết khi xây dựng mô hình

+ Xe gồm khối lượng được treo gồm khối lượng của động cơ, hộp số, cabin, người lái, một phần khung xe, hệ thống treo trước Các khối lượng này được coi như tập trung tại trọng tâm xe và kí hiệu m Mô men quán tính đối với trục dọc qua tâm quay của khối lượng này là Jx Để dễ trong việc lập mô hình ta chia khối lượng được treo thành 2 phần, m1, m2 với mô men quan tính tương ứng Jx1, Jx2 Coi mo men xoăn khung Mk=0

+ Khối lượng không được treo trước, kí hiệu mA1 gồm toàn bộ khối lượng phía dưới hệ thống treo trước và coi như tập trung tại trọng tâm cầu trước Mô men quán tính đối với trục dọc qua tâm quay của phần khối lượng này là JAx1

+ Khối lượng không được treo sau, kí hiệu mA2 gồm toàn bộ khối lượng phía dưới hệ thống treo trước và coi như tập trung tại trọng tâm cầu trước Mô men quán tính đối với trục dọc qua tâm quay của phần khối lượng này là JAx2

+ Cấu trúc vật lý của xe đối xứng qua mặt phẳng dọc qua trọng tâm xe

+ Trọng tâm của khối lượng không được treo trước nằm trong cùng một mặt phẳng ngang của cầu và không thay đổi trong quá trình dao động

+ Lốp tiếp xúc điểm với mặt đường Lốp biến dạng hướng kính và ngang là tuyến tính

+ Bỏ qua ma sát giữa các lá nhíp, coi các phần tử đàn hồi của hệ thống treo

có độ cứng không đổi, đặc trưng bởi độ cứng C Giảm chấn có hệ số cản không đổi trong cùng một hành trình, đặc trưng bởi hệ số cản Kn và Kt

+ Bỏ qua ảnh hưởng của các dao động riêng rẽ khác

21

2.2 Phân tích đặc điểm dao động của các khối lượng

- Khối lượng được treo (m) chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng (Z), chuyển động theo phương ngang (y) và chuyển động lắc ngang quanh tâm quay tức thời Tâm quay này không trùng với trọng tâm của các khối lượng

- Khối lượng được treo toàn xe chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng và chuyển động lắc dọc quanh trục ngang đi qua trọng tâm xe

- Khối lượng không được treo (mA1) chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng (ξ1, ξ2), chuyển động theo phương ngang (yA1) và chuyển động lắc ngang quanh tâm quay tức thời tại vị trí giao nhau của đường thẳng đứng đi qua trọng tâm của cầu xe với nền đường (vị trí O1 trong Hình 3.1)

- Bánh xe có thể đàn hồi theo phương ngang nên ngoài lắc ngang nó còn có chuyển động tịnh tiến theo phương ngang y

- Giữa khối lượng được treo và khối lượng không được treo coi như không

có dịch chuyển ngang tương đối với nhau do kết cấu nhíp có độ cứng ngang rất lớn, chúng chỉ chuyển động tương đối với nhau theo phương thẳng đứng và chuyển động quay tương đối với nhau quanh tâm quay tức thời K trong cùng một mặt phẳng ngang

2.3 Mô hình

Từ các phân tích và giả thiết ở các mục trên ta xây dựng được mô hình vật lý cho xe khách hai cầu như các hình dưới đây:

2.3.1 Xác định các lực đặt lên hệ

- Sử dụng phương pháp Newton-Euler để thiết lập hệ phương trình vi phân

mô tả dao động của hệ Trước tiên ta cần tách cấu trúc và đặt lực lên các vật của hệ theo các sơ đồ sau:

+ Quy ước kí hiệu các lực và mô men:

22

ϕ θ

F - Lực cản giảm chấn lốp sau bên phải

FLij = FClij + FKlij – Lực lốp theo phương thẳng đứng

yij

F - Lực ngang của lốp, i = 1 cầu trước, i = 2 cầu sau

j = 1 Lốp bên trái, j = 2 Lốp bên phải

FWij – ngoại lực phương ngang đặt lên trọng tâm khối lượng được treo trước

và khối lượng được treo sau

F’ij - Nội lực tại khớp ảo K

Mti - Mô men thanh ổn định i = 1, 2

b 1

b 1

Hình 2.2 Sơ đồ đặt lực phần đầu xe

24

hh

2.3.2 Phương trỡnh mô tả dao động của xe

- Phương trình cân bằng khối lượng được treo theo phương Z

m y && + h ϕ && + h − h ϕ && = F − F ′ (2.5)

- Phương trỡnh cõn bằng mụ men theo phương toạ độ ϕ1:

+ && + && + − − && − − && − (2.7)

- Phương trỡnh cõn bằng khối lượng khụng được treo theo phương tọa độ ξ1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 12 1 1 13 12 1

( m + mA ) && yA = Fw − 2 C yy A − 2 K yy &A − m h ϕ &&A − m h ( − h ) ϕ && (2.11)

- Phương trỡnh cõn bằng khối lượng được treo theo phương toạ độ ϕ2:

Tuỳ theo chế độ làm việc (với xe cụ thể có thể là chế độ tải trọng) khác nhau

ta có độ cứng C khác nhau (có nhíp phụ, gặp vấu hạn chế hành trình) tương ứng với từng loại xe Điều đó dễ ràng thể hiện trong Simulink Ở đây ta viết C dưới dạng là hằng số cho đỡ phức tạp

- Các lực trên bộ phận giảm chấn của hệ thống treo

F = K ξ & − z & =K22( ξ&A2−b2ϕ&A2− −z& a2θ&+b2ϕ&2) (2.27)

Hệ số cản của giảm chấn ở hành trình nén và hành trình trả là khác nhau, được thể hiện trong mô hình Simulink

-Tổng nội lực từ hệ thống treo trước bên phải:

F11= C11( ξA1+ b1ϕA1− + z a1θ − b1 1ϕ )+ K11( ξ &A1+ b1ϕ &A1− + z a & 1θ & − b1 1ϕ & ) (2.28)

- Tổng nội lực hệ thống treo trước bên trái:

F12=C12( ξA1− b1ϕA1− + z a1θ + b1 1ϕ )+K12( ξ &A1− b1ϕ &A1− + z a & 1θ & + b1 1ϕ & ) (2.29)

- Tổng nội lực hệ thống treo sau bên phải:

F21=C21( ξA2+ b2ϕA2− − z a2θ − b2 2ϕ )+K21( ξ &A2 + b2ϕ &A2− − z a & 2θ & − b2ϕ &2) (2.30)

-Tổng nội lực hệ thống treo sau bên trái:

F22=C22( ξA2− b2ϕA2− − z a2θ + b2 2ϕ )+K22( ξ &A2 − b2ϕ &A2 − − z a & 2θ & + b2ϕ &2) (2.31)

F = K q & − ξ & = K q & − ξ & + b ϕ & (2.37)

Mụ men thanh ổn định:

- Cỏc phương trỡnh (2.1), (2.2), (2.7), (2.8), (2.9), (2.11), (2.12), (2.13), (2.14), (2.15) tạo thành một hệ phương trỡnh mụ tả dao động của xe

2.3.5 Ứng dụng chương trỡnh MATLAB – Simulink mụ tả hệ dao động xe bus

Ta xõy dựng mụ hỡnh Simulink cho việc nghiờn cứu dao động xe khỏch dựa vào mụ hỡnh toỏn học đó thiết lập ở trờn như sau

Giới thiệu sơ lược về MATLAB – Simulink

Vì chương trình Simulink trong phần mềm MATLAB đã được sử dụng nhiều trong chương trình đại học và trong các trung tâm nghiên cứu nên ở đây chỉ giới thiệu sơ lược về Matlab - Simulink

- Tổng quan: Simulink là một Toolbox mở rộng của phần mềm MATLAB

Đặc điểm của Simulink là lập trình ở dạng sơ đồ cấu trúc của hệ thống Nghĩa là, để mô phỏng một hệ thống đang được mô tả ở dạng phương trình vi phân, phương trình trạng thái, hàm truyền đạt hay sơ đồ cấu trúc, chúng ta cần chuyển sang chương trình Simulink dưới dạng các khối cơ bản khác nhau theo cấu trúc cần khảo sát Với cách lập trình như vậy người nghiên cứu sẽ thấy trực quan và dễ hiểu

Trong môi trường Simulink có thể tận dụng được các khả năng tính toán, phân tích dữ liệu, đồ hoạ của Matlab và sử dụng các khả năng của toolbox khác như toolbox xử lý tín hiệu số, logic mờ và điều khiển mờ, nhận dạng, điều khiển thích

29

nghi, điều khiển tối ưu Việc Simulink kết hợp đuợc với các toolbox đã tạo ra công

cụ rất mạnh để khảo sát động học các hệ tuyến tính và phi tuyến trong một môi truờng thống nhất, trong miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hoặc một hệ gồm cả liên tục và gián đoạn

Để sử dụng tốt chương trình này, người sử dụng phải có kiến thức cơ bản về

điều khiển, xây dựng mô hình toán học theo quan điểm của lý thuyết điều khiển và

từ đó thành lập nên mô hình của bài toán

Để mô hình hoá, Simulink cung cấp một giao diện đồ họa với thư viện các khối (Block) chức năng Để xây dựng mô hình, người dùng chỉ việc lựa chọn các khối và sử dụng thao tác "nhấn và kéo" chuột sắp xếp, nối các khối với nhau trên cơ

sở mô hình toán học đã có (hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống) Với giao diện

đồ họa và các hỗ trợ soạn thảo như cắt, dán, di chuyển ta có thể xây mô hình và khảo sát mô hình một cách trực quan hơn Đây là sự khác xa các phần mềm trước đó

mà người sử dụng phải đưa vào các phương vi phân và các phương trình sai phân bằng một ngôn ngữ lập trình

Simulink là một môi trường mở, nó cho phép người dùng tạo dựng thư viện các đối tượng đồ họa mới cho mình

Khi đã xây dựng được mô hình để khảo sát hệ thống, ta cần nhập các thông

số đầu vào cho mô hình Việc làm này có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau trong đó có hai cách cơ bản nhất hay được sử dụng đó là:

+ Nhập trực tiếp vào mô hình (kích đúp chuột vào các khối Lúc nay sẽ xuất hiện cửa sổ Block Parameters Tại đây ta có thể nhập, thay đổi dữ liệu theo mong muốn) Cách này chỉ dùng khi mô hình là đơn giản và việc khảo sát không phức tạp, không yêu cầu phải tự động hoá

+ Nhập thông số đầu vào cho mô hình bằng cách soạn thảo mfile sau đó vào vào menu Configuration Parameters\Data Import/Export để nhập vào mô hình hoặc chạy trực tiếp mfile Cách này cho phép nhập thông số đầu vào và điều khiển việc khảo sát hệ thống một cách tự động

Chạy mụ hỡnh: Ta cú thể chạy mụ hỡnh bằng cỏch kớch trực tiếp vào nỳt Start Simulation hoặc lập trỡnh trong mfile để điều khiển việc chạy mụ hỡnh theo ý muốn

30

Lấy dữ liệu sau khi chạy chương trình ta có thể lấy bất cứ dữ liệu đầu ra nào sau khi đã chạy chương trình ở các định dạng Array, Structure hay Structure with time hoặc ở dạng đồ thị

Các phương pháp giải bài toán mô phỏng trong Simulink: Trong Simulink việc giải các bài toán mô phỏng có nhiều phương pháp khác nhau Sau đây là các cách giải đơn giản được áp dụng trong Simulink

- Phương pháp Euler: Là phương pháp cổ điển nhất với biến là bước Phương pháp này khả thi cho bất cứ hệ thống nào có những bước nhỏ Do đó những bài toán

có liên quan đến việc tính toán quá nhiều thì không bao giờ chính xác Phương pháp này chỉ nên dùng cho việc kiểm tra kết quả

- Phương pháp Runge-Kutta 5: Đây là phương pháp thông dụng áp dụng cho mọi bài toán và nó có thể đạt chỉ tiêu chất lượng so với các phương pháp đặc biệt khác Phương pháp này thích hợp cho hệ liên tục và phi tuyến Không làm việc với

- Phương pháp Adams/Gear: Chọn giữa hai phương pháp Adams và Gear

- Phương pháp LinSin: Là phương pháp dùng cho tuyến tính Nếu hệ mang tính chất tuyến tính nhưng vẫn có vài khối phi tuyến thì hệ cũng làm việc tốt

Một số khối chức năng chuẩn của Simulink:

- Thư viện các khối Sources (khối phát tin hiệu): Thư viện này gồm các khối tạo nguồn tín hiệu khác nhau Trong thư viện Sources có các khối như trong bảng sau đây

1 Band-Limited White Noise Đưa nhiễu trắng vào hệ

31

không đổi

6 Discrete Pulse Generator Khối phát tín hiệu dao động rời rạc

12 Repeating Sequence Tạo tín hiệu tùy ý lặp lại theo chu kỳ

16 Uniform Random Number Tạo các số ngẫu nhiên phân bố đều

- Thư viện các khối Sinks: Ở đây gồm các khối dùng để hiển thị hoặc ghi lại kết quả mô phỏng ở đầu ra một khối trong hệ thống được khảo sát Trong thư viện Sinks gồm các khối sau:

khác không

đồ thị Matlab

- Thư viện các khối Continuous: Trong thư viện này có các khối của hệ thống liên tục tuyến tính, các khối biểu diễn các hàm tuyến tính chuẩn Thư viện này gồm các khối sau:

32

khoảng xác định

- Thư viện khối Signal & System: thư viện này có các khối biểu diễn tín hiệu

và hệ thống Cụ thể bao gồm các khối chính như sau:

lớn

33

hướng

- Thư viện chứa khối toán học Math: Thư viện Math có các khối biểu diễn các hàm toán học Cụ thể thư viện này gồm các khối sau:

11 Trigonometric Function Hàm lượng giác

- Thư viện chứa các khối Function và Tables gồm các khâu với chức năng sau:

lượng vào

3 Look – up table 2-D Biểu diễn tuyến tính từng đoạn của hai

lượng vào

34

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT DAO ĐỘNG XE KHÁCH VỚI HỆ TREO KHÍ

Hiện nay ở Việt nam đã xuất hiên nhiều xe tải kéo mooc và xe khách có trang

bị hệ thống treo khí Tuy nhiên vẫn chưa có một khảo sát nào được tiến hành Trong khuôn khổ luận văn này, một số thuộc tính của treo khí được xem xét nhằm đánh giá những ưu điểm và hạn chế của treo khi Mô hình hệ thống treo xe bus khí nén về

cơ bản giống mô hình đã trình bày ở trên Ta chỉ cần thay độ cứng treo theo thuộc tính khí nén là đủ Xe bus là loại thân dài, dao động lắc dọc cũng ít ảnh hưởng Để đơn giản ta bỏ qua dao động lắc dọc và lắc ngang Do vậy sử dụng mô hình ¼ vẫn

đủ để đánh giá khả năng của treo khí

3.1 Lịch sử phát triển Hệ thống treo khí nén [12,13]

Vào những năm 1930 Hãng Lốp xe Firestone đã bắt đầu thí nghiệm phát triển khả năng ứng dụng treo khí nén Trong khoảng 1935-1939 một số hãng ô tô Mỹ đã trang bị cho xe của họ hệ treo khí nén và đã nhanh chóng thử nghiệm để hoàn chỉnh khả năng ứng dụng của hệ thống treo khí nén Họ đã không hề đưa vào sản xuất vì người ta nhận thấy rằng, các hệ thống treo thiết kế bằng kim loại cho các thuộc tính chuyển động tốt hơn trong khi giá thành lại thấp so với hệ thống treo khí tại thời điểm đó Vào năm 1938, một hãng xe bus lớn nhất của Mỹ đã quan tâm sử dụng treo khí nén cho các xe khách đang được thiết kế và phát triển Hợp tác cùng các kỹ

sư của Firestone, vào năm 1944 chiếc xe bus đầu tiên với treo khí được thử nghiệm

và những tính chất động học nổi trội của treo khí đã được ghi nhận Vào đầu 1950, sau một vài năm phát triển một cách tích cực, các xe bus treo khi đã được đi vào sản xuất Từ đó bắt đầu thời đại của treo khí Airide Những thành công của treo khí xe bus cũng mở đường cho việc thiết kế treo khí cho xe tải và xe kéo mooc và ứng dụng cho các ngăn các chấn động và dao động công nghiệp khác Kết quả là tất cả các xe bus và phần lớn các xe tải ở Mỹ đều sử dụng treo khí nén; những thành tựu trong điều khiển cũng mở ra cho khí nén những ứng dụng mới

Hệ thống treo khí đã cho các nghiệp đoàn vận tại các lợi thế cạnh tranh mới Ngày nay công nghiệp vận tải hàng hóa trở nên hiệu quả hơn những năm trước đây Trong một số trường hợp, hiệu quả là yếu tố sống còn Điều đó giải thích vì sao ngày nay

35

càng nhiều nghiệp đoàn vận tải đặc biệt chú trọng trang bị treo khí cho các xe tải nặng của họ Người ta ghi nhận rằng, các xe tải treo khí ít “phá hủy đường” hơn là các xe cùng loại có hệ treo kim loại Điều đó có nghĩa, tuổi thọ xe càng dài do có treo khí nén thì giá thành vận chuyển càng thấp, càng ít phải dừng xe sửa chữa và cũng không cần phải trang bị các thiết bị điện tử đắt tiền trên cabin Nếu xe chạy êm thì hàng hóa không bị hư hỏng; đó là tính vượt trội của treo khí Ngoài ra, treo khí cũng tạo ra tính êm dịu cho người lái Huấn luyện và bảo đảm điều kiện làm việc tốt cho lái xe là yêu cầu tối thượng trong công nghiệp ô tô tải Với treo khí, độ êm dịu

sẽ tốt hơn, lái xe làm việc hiệu quả hơn, hạn chế tai nạn do mệt mỏi Các lái xe rất hào hứng với hệ treo khí và họ thường đòi hỏi hãng phải trang bị treo khí Các hãng quyết định đầu tư vào treo khí đã thể hiện một quyết định thông minh Sau đó họ tiết kiệm được hàng ngàn đô la do giảm giá thành sửa chữa, xe ít phải dừng Năm này qua năm khác, mẫu xe này đến mẫu xe khác, với treo khí ngày càng đạt những giá trị tốt hơn so với treo kim loại

Hình 3.1: Ứng dụng treo khí cho xe đầu kéo

Để cạnh tranh, ngày nay các nghiệp đoàn vận tải cần thích ứng mền dẻo Họ không thể chạy xe không với tất cả các bánh xe Họ có thể sử dụng treo khí nén để nâng một trong số các cầu xe không cần chất tải; điều này không thể làm ở treo kim loại Tóm lại, hệ treo khí cho phép giảm giá thành vận chuyển, giảm chi phí bảo dưỡng và tăng tuổi thọ cho phương tiện Treo khí nén có thể tách các tín hiệu chấn động từ mặt đường, điều đó có nghĩa hạn chế được tải trọng động cho cầu và nâng cao tuổi thọ cho xe Sự thật là không có gì lợi hơn là treo khí nén, xe hoạt động lâu dài hơn, êm dịu hơn cho hàng hóa, ít thời gian bảo dưỡng và thời gian trên đường là nhiều hơn Hãng Firestone đã thực hiện một cuộc cách mạng trong việc đưa treo khí nén vào xe bus và xe tải những năm 1934

Trong hình 3.3 là kết cấu hệ treo khí của Hãng SAF-Holland, thiết kế cho cầu chủ động, chịu tải 7 000 đến 9 000 kg Có cơ cấu chống xoay, bảo đảm hạn chế dao động xoắn của cầu chủ động và vì vây tăng khả năng ổn định cho xe Cơ cấu chống xoay có thể giảm đến 85% lực xay ngang cầu Với kết cấu này không những nâng cao khả năng ổn định mà còn giảm rung ồn, giảm áp lực đường Balon khí là loại

37

đẳng tích, không cần phải chăm sóc bảo đưỡng nhiều Do có độ cao thấp nên vẫn có thể sử dụng cho các xe con Hình 3.4 cũng là một thiết kế cho cầu chủ động loại ngằn, tải 10 500 đến 13 500 kg Cũng có cơ cấu chống xoay, giảm được dao động xoắn cho hệ truyền lưc, giảm rung ồn, có tuổi thọ cao

Hình 3.3 Hệ treo khí phụ thuộc cầu chủ động

Hình 3.4 Hệ treo khí cầu treo phụ thuộc cầu chủ động Hình 3.5 là một thiết kế cho cầu dẫn hướng bị động, động cơ đặt sau cho xe bus Balon khi đặt trực tiếp giữa dầm cầu và khung, có độ cứng vững cao và nâng cao được khả năng ổn định