Nghiên cứu ảnh hưởng của lực quán tính đến động lực học của ô tô phương thẳng đứng

Đây là hai tiêu chí rất quan trọng, không thể tách rời nhưng lại mâu thuẫn với nhau trong quá trình chuyển động, được quyết định chủ yếu bởi chất lượng của hệ thống treo.. Gió ảnh hưởng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI –––––––––––––––––––––––––––––––––––

Thiều Sỹ Nam

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC QUÁN TÍNH ĐẾN ĐỘNG

LỰC HỌC CỦA Ô TÔ PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật Ô tô và xe chuyên dụng

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VÕ VĂN HƯỜNG

Hà Nội – năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

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

Hà Nội, Ngày 20 tháng 3 năm 2013 Tác giả

Thiều Sỹ Nam

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 4

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 11

Mở đầu 13

2.2 Phân tích đặc điểm dao động của các khối lượng 31

3.3 Lái xung và phanh 58

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

A m 2 Diện tích, thiết diện

C R L1 N/m Độ cứng hướng kính lốp trước dãy phải

C L L1 N/m Độ cứng hướng kính lốp trước dãy trái

C R L 2 N/m Độ cứng hướng kính lốp sau dãy phải

C L L 2 N/m Độ cứng hướng kính lốp sau dãy trái

c1L N/m Độ cứng treo trước dãy trái

cR2 N/m Độ cứng treo sau dãy phải

cL2 N/m Độ cứng treo sau dãy trái

K N S /m Hệ số cản hệ thống treo

K1 N S /m Hệ số cản hệ thống treo trước

K2 N S /m Hệ số cản hệ thống treo sau

K1R N S /m Hệ số cản hệ thống treo trước dãy phải

K1L N S /m Hệ số cản hệ thống treo trước dãy trái

K2R N S /m Hệ số cản hệ thống treo sau dãy phải

K2L N S /m Hệ số cản hệ thống treo sau dãy trái

a m Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước

b m Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau

JX kgm 2 Mômen quán tính trục x của xe

JY kgm 2 Mômen quán tính trục y của xe

J Z kgm 2 Mômen quán tính trục z của xe

J yA1 kgm 2 Mômen quán tính trục y của cầu trước

J yA2 kgm 2 Mômen quán tính trục y của cầu sau

J kgm 2 Mômen quán tính trục y của lốp sau dãy trái

F N Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau dãy trái

ξ m Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau dãy trái

ξ&& m/s 2 Gia tốc phương thẳng đứng cầu xe

z z z&&& m,m/s,m/s 2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối

lượng được treo

1, ,1 1

z z z& && m,m/s,m/s 2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối

lượng được treo trước

2, 2, 2

z z z& && m,m/s,m/s 2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối

lượng được treo sau

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sự phụ thuộc của gia tốc bình phương trung bình theo tần số 20

Hình 1.2: Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian 20

Hình 1.3: Phân bố độ êm dịu các loại xe 21

Hình 1.4: Sơ đồ đặc tính đàn hồi 23

Hình 1.5: Bố trí hệ treo BMW 25

Hình 1.6: Hệ treo trước BMW (Mc’Pherson) 25

Hình 1.7: Hệ thống treo cầu sau chủ động 26

Hình 1.8: Hệ treo cầu sau chủ động 2 đòn ngang 26

Hình 1.9: Hệ treo đòn cheo 26

Hình 1.10: Mô hình động lực học ¼ 28

Hình 1.11: Mô hình dao động phẳng 29

Hình 2.1: Mô hình tổng quát xác định ảnh hưởng lực quán tính 31

Hình 2.2: Mặt cắt dọc 31

Hình 2.3: Mặt chiếu bằng 34

Hình 2.4: Mô hình động lực học theo phương đứng 44

Hình 2.5: Mô hình động lực học theo phương cạnh 45

Hình 2.6: Mô hình hệ thống treo 48

Hình 2.7: Đặc tính đàn hồi 49

Hình 3.1: Quy luật đánh vô lăng 55

Hình 3.2: Mô men phanh 55

Hình 3.3: Phản lực Fz 56

Hình 3.4: Lực phanh 57

Hình 3.5: Phản lực Fz ( Quay vô lăng không phanh) 57

Hình 3.6: Lực tiếp tuyến Fx 58

Hình 3.7: Quy luật vô lăng quay xung 58

Hình 3.8: Phản lực Fz ( Vô lăng xung+ Phanh) 59

Hình 3.9: Lực tiếp tuyến Fx ( Vô lăng xung+ Phanh) 59

Hình 3.10: Phản lực Fz 60

Hình 3.11: Lực tiếp tuyến Fx 60 Hình 3.12: Gia tốc dọc 60

M Ở ĐẦU

Tính c ấp thiết của luận văn

Ngày 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 mẫu xe mới liên tục ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng Hướng phát triển mong muốn là tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng và an toàn lao động

Ở nước ta, các nhà máy sản xuất lắp ráp 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 hướng vào xe có chất lượng cao, trong đó đặc biệt chú ý đến sự an toàn và thoải mái khi sử dụng

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 trình 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 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 chuyển 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

Dao động ô tô chịu 3 nguồn kích động là mấp mô của đường, gió bên, gió dọc

và các lực và mô men quan tính Hầu hết các nghiên cứu về dao động chỉ xét yếu tố mấp mô đường, còn hai yếu tố sau ít được quan tâm Gió ảnh hưởng lớn đến an toàn chuyển động, còn các lực và mô men quán tính ảnh hưởng tức thời là thay đổi tải trọng làm mất an toàn động lực học và là tăng đột biến hệ số phá đường

Tuy nhiên yếu tố thứ 3 đến nay chưa được nghiên cứu nhiều Xuất phát từ

những thực trạng trên, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của lực quán tính đến động lực học của ô tô phương thẳng đứng ” nhằm xác định một yếu tố gây dao động ít được đề cập

M ục đích nghiên cứu của luận văn

Mục đích nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình nghiên cứu dao động

xe con nhằm xác định ảnh hưởng các thông số sử dụng đối với các chỉ tiêu về êm

dịu, an toàn động lực học và độ thân thiện với môi trường

Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là ô tô 4 chỗ Phạm vi nghiên cứu của

luận văn là tính toán dao động và đánh giá ảnh hưởng của các lực quán tính đến dao động thông qua các phản lực xuống đường nhằm đánh giá sự thay đổi tải trọng; gián tiếp có thể đánh giá ảnh hưởng của dao động đến an toàn động lực học

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận văn là tính toán dao động bằng mô hình;

lập mô hình bằng phương pháp tách cấu trúc của hệ nhiều vật và sử dụng phương trình Newton-Euler; mô phỏng bằng phần mền chuyên dụng MatLab-Simulink Với phương pháp này ta có mô hình vật lý tường minh, các phương trình mô tả theo mô đun, phù hợp với logic lập trình trong MatLab Ngoài ra với phướng pháp đó, còn cho ta xác định bất kỳ nội lực nào, phù phụ cho các tính toán điều khiển Hệ nhiều vật là liến kết nhiều vật với nhau qua “các điểm liên kết” Cơ hệ có thế liên kết các vật (body) thông qua các liên kết đàn hồi, các liên kết cứng, các liên kết ma sát Có

3 loại liên kết: (i) liên kết vật (có nội lực thực, không sinh công); (ii) liên kết mền (lò xo) có sinh công; (iii) liên phản lực (lực và phản lực) Liên kết lốp đường là liên kết đặc biệt: đó là liên kết phản lực, có đặc tính khớp, đàn hồi và ma sát Nguyên lý tách vật là: tại mỗi điểm cắt, ta thay vào đó các lực/mô men cùng giá trị, cùng phương khác chiều Khi đó mỗi vật chịu các ngoại lực thực, các ngoại lực phản lực (sinh công) và các nội lực không sinh công (sẽ bị triệt tiêu trong quá trình tính toán) Khi đó mỗi vật sẽ chuyển động với các lực (tách) tác dụng lên nó (body) giống như chuyển động liên kết trong hệ thống Mỗi vật có đặc trưng về khối lượng,

mô men quán tính, khối tâm Khi đó nó trở thành vật đơn (body) và ta có thể dễ dàng viết phương trình chuyển động theo Newton-Euler; Newton cho ba chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động quay theo Euler

í ngh ĩa khoa học và thực tiển

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

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

phỏp nghiờn cứu, bố cục luận văn bao gồm cỏc chương như sau:

+ Chương 1 : Tổng quan về dao động

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

+ Chương 3 : Khảo sỏt ảnh hưởng của lực quỏn tớnh đến cỏc chỉ tiờu dao động

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DAO ĐỘNG

Nghiên cứu dao động ô tô là một lĩnh vực khá lý thú được nhiều người quan tâm Tuy nhiên khái niệm “dao động ô tô” ngay nay không còn phù hợp mà phải dùng khái niệm động lực học phương thẳng đứng cho phù hợp với quốc tế “Dao động” theo nghĩa cổ điển nghiên cứu tối ưu hệ thống treo, là bộ phận nối mền khối lượng không treo và được treo với mục tiếu tăng độ êm dịu và chỉ xét ảnh hưởng của mấp

mô mặt đường Do vây, các mô hình chỉ xét phương thẳng đứng và chịu ảnh hưởng duy nhất kích động hình học của mặt đường Ngày nay, ô tô không những phải đánh giá theo phương thẳng đứng (i) độ êm dịu mà còn đánh giá theo (ii) không gian treo (workspace), phản lực Fz (an toàn chuyển động và áp lực đường) Để nâng cao khả năng chống lật, không gian treo rất bé so với độ võng tĩnh, vì vậy đặc tính đàn hồi thường là phi tuyến hoặc có điều khiển Yếu tố kích động cũng không còn duy nhất mấp mô mặt đường mà còn chú ý đến ảnh hưởng của gió, các lực quán tính Vì vậy,

mô hình “dao động” không còn thuần túy theo phương thẳng đứng, mà là một mô hình “dao động động lực học”; ta xét ảnh hưởng dao động theo phương thẳng đứng nhưng “mô hình dao động“ cổ điển phải đứng tích hợp trong mô hình động lực học

Và như vậy “dao động” ô tô mới được mô tả gần hơn với thực tế Một mô hình dao động gồm 3 phần:

(i) Mô tả hàm kích động: Mấp mô mặt đường; gió; lực mô men quán tính do

tăng tốc, phanh, quay vô lăng, kích động của lực khí động động cơ Các hàm kích động này đều có tính chất ngẫu nhiên Trong một số trường hợp, ta có thể chọn, hàm xung, mô đun, dạng tường minh tuần hoàn

(ii) Các hàm phản ứng của xe: là các hàm được xây dựng để đánh giá dao động:

”các hàm mục tiêu” Người ta hay dùng khái niệm “chỉ tiều về dao động”, nhưng

hiện này thế giới không có chỉ tiêu về dao động kiểu như “chỉ tiêu về phanh ô tô” Nên dùng tiêu chí đánh giá và hướng đến dao động ngày càng tốt hơn; xe này tốt hơn xe kia Đến nay quốc tế đánh giá theo 3 tiêu chí về dao đông: (i) tiều chỉ về êm dịu, là thước đo chủ quan của con người khi có dao động tác dụng (ISO-2631;VDI-2537); tiếu chí về không gian treo (sự va đập vấu hạn chế trong không gian làm

việc, tức hành trình động); (iii) tiêu chỉ tải trọng động Đây là tiêu chí quan trọng; nếu phản lực Fz giảm có can hệ đến an toàn chuyển động, nhất là xe cao tốc; gây áp lực cho đường nhất là các xe có tải trọng lớn Ba tiêu chí này có xu thế ngược nhau

Vì vầy bài toán dao động truyền thống thường là tối ưu hệ thống treo hoặc xét ảnh hưởng của dao đông hoặc bài toán điều khiển hệ thống treo hoặc “dao động” xét trong bài toán động lực học

(iii) M ô hình cấu trúc: Có 4 bài toán cơ bản: (i) mô hình dao động ¼ là quan

trọng nhất; (ii) mô hình ½ dọc; (iii) mô hình ½ ngang; (iv) mô hình 4/4 Cần chú ý

là ca bin cũng treo đàn hồi, động cơ cũng treo đàn hồi thủy động, ghế ngồi có điều khiển độ cứng Ngoài ra ta có 4 loại hệ thống treo, hoặc liên kết động học, hoặc liên kết động lực học với độ phi tuyến hình học và vật lý cao, cùng với hệ khung phức hợp, xe kéo mooc, khung chịu lực là cho lớp bài toàn dao động ngày càng lớn lên

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 đứng 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 động 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 = h π x λ

(ii) 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 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

cộ 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

K z= a z f với 1 ≤ f ≤ 4 Hz (1.1) 20

- 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

Hình 1.2 Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian

- Đối với hàng hoá: Theo Hiệp hội đóng gói Đức BFSV, ngưỡng an toàn cho hàng hoá như sau [14]:

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

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:

η = (1.5)

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

( )

, 1

, 1

z st

F k

để chỉ ra giảm khả năng truyền lực của bánh xe

F

,min

0 ≤k dyn ≤ 1 (1.9)

Kdyn,min = 0,5 giới hạn cảnh báo

Kdyn,min = 0 giới hạn can thiệp

1.2.3 Tiêu chi về không gian bố trí hệ treo

Khả năng chọn độ võng động, độ võng tĩnh và vị trí đặt ụ hạn chế hành trình của hệ treo

( )

f ≤ ξ − z ≤ f (1.10) Trong đó: ( ξ − z ) - chuyển vị tương đối giữa khối lượng được treo và khối lượng không được treo, hình 1.4

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

(i) 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

(ii) Khung chịu lực: Là đặc trưng kết cấu xe tải Khối lượng được treo nằm trên

hai dầm dọc cứng theo chiều uốn nhưng mền theo chiều xoắn Vì vậy phải

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

C = tgα : Độ cứng bộ phận đàn hồi HT treo

n dyn

f : Hành trình nén

t dyn

f : Hành trình trả

s : Không gian làm việc của hệ thống treo

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

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

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

(i) 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

(ii) Hệ thống treo phụ thuộc, thường thiết kế cho xe tải

(iii) Hệ thống treo cân bằng

(iv) 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

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 lượng 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 giữa 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 Khi lập mô hình chúng ta phải phân tích cấu trúc của xe, phải chú ý 5 yếu tố sau:

(i) Cấu trúc khung vỏ

(ii) Kiểu hệ thống treo

(iii) Đặc điểm lốp

(iv) Các liên kết

(v) Đặc điểm hệ truyền lực

Mô hình hóa là lý tưởng hóa và khái quát hóa một hay nhiều đối tượng; với ô tô

ta chuyển đối tượng là ô tô thành các sơ đồ gồm các vật liên kết bởi các phần tử đàn

hồi, cản với nhau, và mô tả dới dạng hệ phương trình vi phân chuyển động Giải hệ phương trình vi phân là kết quả của quá trình mô hình hóa Người ta thường sử dụng hai thuật ngữ mô hình cấu trúc và mô hình toán học; cả hai đều mô tả đối tượng nghiên cứu Xe con thường treo độc lập và có cấu trục vỏ chịu lực Hình (1.5)

là một số hệ thống treo xe con điển hình

Hình 1.5 Bố trí hệ treo BMW

Hình 1.6 Hệ treo trước BMW (Mc’Pherson)

Hình 1.7 Hệ thống treo cầu sau chủ động

Hình 1.8 Hệ treo cầu sau chủ động 2 đòn ngang

Hình 1.9 Hệ treo đòn cheo

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:

=

&&

& (1.11)

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)

(iv) Mô hình không gian: Thường sử dụng để minh chứng so với bài toán 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 động đặc biêt Do vậy mô hình không gian có thể sẽ rất phức tạp Mô hình không gian cũng chịu kích động phức tạp: mấp mô đường, đường nghiêng, gió các phương, lực quán tính trong bài toán động lực học

Mô hình ¼:

Chuyển động tịnh tiến phương x không đồng nhất với chuyển động quay của bánh xe Vì vậy ta phải mô tả 3 phương trình chuyển động: tịnh tiến phương x, phương ngang y và quay quanh trục y

Hình 1.10 Mô hình động lực học 1/4 Nếu bỏ qua dao động lắc dọc và lắc ngang của thân xe thì ta có thể đưa mô hình động lực học của ôtô về mô hình 1/4 như hình 1.10 Đây là mô hình cơ bản của động lực học ôtô

Mô hình ½:

Ý nghĩa: Mô hình ½ là mô hình có thể dùng để nghiên cứu quá trình phanh,

quay vòng và tích hợp phanh-quay vòng Có thể nghiên cứu nhiều thuộc tình động

lực học ô tô Tuy nghiên với mô hình ½ (mô hình một dòng) thì không xét được yếu

tố gió ngang và đường nghiêng cũng như gia tốc ngang khi quay vòng ảnh hưởng đến phản lực FZ, cũng như chưa xét được yếu tố ảnh hưởng của phanh ổn định Vì

vậy mô hình ½ không xét đến ảnh hưởng thay đổi phản lực hai bên phải và trái

Mô hình không gian xe con

Trạng thái chuyển động của ôtô phụ thuộc tích hợp bởi động lực học dọc, động

lực học ngang và động lực học phương thẳng đứng Hình 2.2 là một mô hình động

lực học tổng quát có thể mô tả chuyển động của ôtô với các phản ứng khác nhau của lái xe và ngoại ảnh Chuyển động của ô tô phụ thuộc nhiều yếu tố tích hợp, đặc trưng bới các lực tương tác bánh xe Chuyển động quay của bánh xe không đồng

nhất với chuyển động tịnh tiến; quan hệ về lực của các bánh xe là khác nhau; việc

cấp mô men phanh và chủ động khác nhau, yếu tố ngoại cảnh cũng thay đổi

Vì vậy xây dựng mô hình tích hợp là cần thiết cho các ô tô thông minh Việc phân tầng cấu trúc của mô hình phải tương thích với mô đun hóa trong điều khiển điện tử (hình 2.1)

CHƯƠNG 2 LẬP MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XE CON

Xe con thường có hệ thống treo độc Cấu trúc xe con là vỏ chịu lực Liên kết của khối lượng không được treo và khối lượng được treo là liên kết động học Vì vậy trong các hệ thống treo này chứa hai yếu tố phi tuyến hình học (do các hàm lượng giác) và phi tuyến vật lý (giảm chấn và vấu hạn chế hành trình)

2.1 Các 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; trục ngang là Jy, trục đứng Jz Như vậy thân xe

có ba chuyển động với ba tọa độ suy rộng

+ Khối lượng không được treo, kí hiệu mAj , j=1(1)4

+ 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 + Bỏ qua ma sát, coi các phần tử đàn hồi của hệ thống treo có độ cứng không đổi, đặc trưng bởi độ cứng C trong vùng làm việc, khi đi hết hành trình hệ số cứng lớn vô cùng 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

+ Bỏ qua các yếu tố phi tuyến hình học Các xe hiện đại, người ta cố gắng thiết kế bánh xe độc lập ít ảnh hưởng bởi các góc hình học khi bánh xe chuyển động theo phương z

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 (mAj) chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng ( ξj)

Mô hình tổng quát có dạng như hình (2.1)

1 l

1 F 1 K

1

1 1 1

1 11

1

1 1

1 1

C

F F K

C F

r

2,3 M

K F M

x F F

x F

CL F

2,3 2,3 CL

F 2,3 CL F 2,3 x F CL F x

x' F x'

F 2,3

C F

K

F 2,3 C

F 2,3

K

x' F x'

F 2,3

2,3 M

y wx F ϕ

hs

z F z

F 2,3

f M f

1

1,4

1,4 1,4

1,4

1,4 1,4

1,4

1,4 1,4

v

Hình 2.2 Mặt cắt dọc

Để dễ theo dõi ta viết phương trình dao động cho mô hình ¼ (xem hình 1.11)

mz C&&= ( ξ− +z) K( ) ξ&−z&

(2.1)

m Aξ&&=−C( ξ− −z) K( ) ξ& &− +z F CL (2.2)

Trong đó: F CL là lực đàn hồi hướng kính lốp:

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:

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

- Chọn khối tâm Cicủa các vật i làm gốc hệ toạ độ cục bộ (hệ toạ độ vật)

- Xác lập các lực cắt

- Sử dụng phương trình Newton Euler viết phương trình vi phân chuyển động cho các vật tại các hệ toạ độ khối tâm hoặc cố định

Phương pháp tách vật được lựa chọn bởi các lý do sau:

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

+ Phương pháp trên phù hợp với tư duy lập trình theo môdun, cho phép thay đổi nhanh cấu trúc và tham số của mô hình

+ Phương pháp cho phép xác định nội lực làm cơ sở cho bài toán thiết

Hình 2.3 Mặt chiếu bằng

Để xét ảnh hưởng của các lực quán tính đến dao động ta cần có các phương trình chuyển động Theo hình (2.3) ta có các phương trình chuyển động trong mặt phẳng( xcy)

Phương trình mô tả quỹ đạo chuyển động của ôtô (xem hình 2.3) :

4cos 4 ) cos ( 2 3 1cos 1

4cos 4 1sin 1 4cos 4 ) sin