Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Nghiên cứu dao động của ô tô tải 1,25 tấn hiệu Kia K2700ii vận chuyển nông sản trên đường giao thông nông thôn

Tác giả đã xây dựng mô hình, hệ phương trình vi phân và các điều kiện biên mô tả dao động thẳng đứng của máy kéo, của cầu trước, cầu sau và ghế ngồi có tính đến những đặc điểm riêng của

LƯU QUỐC TUẤN

NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ TẢI 1,25 TẤN HIỆU KIA - K2700II VẬN CHUYỂN NÔNG SẢN TRÊN ĐƯỜNG

GIAO THÔNG NÔNG THÔN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

PGS.TS NGUYỄN NHẬT CHIÊU

Đồng nai, 2014

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể Hoàn thành luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Nhật Chiêu đã trực tiếp tận tình

hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp

Trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Cơ điện và Công trình cùng toàn thể

giáo viên, cán bộ công nhân viên chức Trường Đại Học Lâm Nghiệp Việt Nam đã

giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình đúng thời gian và đảm bảo được nội dung của luận văn

Trân trọng cảm ơn Ban giám đốc và cán bộ nhân viên Ban Đào tạo sau đại

học Cơ sở 2 Trường Đại Học Lâm Nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện cho chúng tôi

hoàn thành các môn học tại cơ sở 2

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu cùng toàn thể giáo viên và cán bộ

công nhân viên chức Trường Cao Đẳng Nghề LILAMA 2 nơi tôi công tác, đã động

viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và công việc để tôi hoàn thành nhiệm vụ

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp

đã thường xuyên quan tâm, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về tinh thần cũng như vật chất cho tôi trong suốt thời gian vừa qua

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những kết quả trong luận văn này đã được tính toán chính xác, trung thực và chưa có tác giả nào công bố, những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc

Tôi xin trân trọng cảm ơn

Tác giả luận văn

Lưu Quốc Tuấn

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cảm ơn

Danh mục các ký hiệu

1.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng các loại ô tô, máy kéo trong vận chuyển nông

1.2 Tổng quan về nghiên cứu dao động và các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô 3

1.2.2 Nghiên cứu về dao động của ô tô trên thế giới 5

1.4.2 Mặt đường có mấp mô dạng đường điều hòa 27

1.5 Các phương pháp và phần mềm ứng dụng trong nghiên cứu dao động ôtô 291.5.1 Các phương pháp nghiên cứu và xây dựng hệ phương trình 29 1.5.2 Các phần mềm ứng dụng trong nghiên cứu dao động ô tô 38 1.5.3 Phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu dao động 41 Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 44

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ KIA – K2700II TẢI TRỌNG 1.25 TẤN VẬN CHUYỂN NÔNG SẢN TRÊN ĐƯỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN 50

3.1.1 Xây dựng mô hình dao động của xe KIA – K2700II 503.1.2 Giải và mô phỏng hệ phương trình vi phân dao động của cơ hệ 56

DANH MỤC CÁC BẢNG

3.1 Các thông số đầu vào của mô hình dao động 60 3.2 Các thông số hợp lý của các hệ thống treo 68

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.9 Sơ đồ cấu tạo của giảm chấn một lớp vỏ 18 1.10 Loại 2 ống với hơi áp lực (a) và loại hơi (b) 18

1.12 Các đòn liên kết và dẫn hướng, kết cấu lắp giáp cụm treo 20

1.14 Sơ đồ hệ thống treo phụ thuộc dùng lò xo lá(a) và lò xo trụ(b) 22

1.17 Mối quan hệ động học của hệ treo Mc.Pherson 24

1.19 Sơ đồ nguyên lý hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết 25

1.21 Mấp mô dạng bậc 27

1.23 Mô hình vật lý mô tả dao động một phần tử 34

3.1 Mô hình dao động của xe KIA – K2700II 1,25 tấn 52 3.2 Sơ đồ lực đặt vào bánh xe khi di chuyển trên mặt mấp mô 54 3.3 M – files khai báo thông số đầu vào của mô hình 61 3.4 Sơ đồ khối mô phỏng hệ phương trình trên Matlab 62 3.5 Sơ đồ khối mô phỏng dịch chuyển thẳng đứng của trọng tâm xe 63

3.7 Sơ đồ khối mô phỏng dịch chuyển thẳng đứng của ghế 65 3.8 Dịch chuyển thẳng đứng của trọng tâm xe KIA – K2700II 67 3.9 Gia tốc dịch chuyển thẳng đứng của trọng tâm xe 66 3.10 Dịch chuyển thẳng đứng của trọng tâm ghế 67

3.17 Gia tốc dao động thẳng đứng của trục bánh xe 73

3.19 Gia tốc dao động thẳng đứng của trọng tâm xe 74 3.20 Gia tốc dao động thẳng đứng của trọng tâm ghế ngồi người lái 74

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

4 Z Dịch chuyển theo phương thẳng đứng của trọng tâm xe m

5  Chuyển vị góc thân xe ô tô trong mặt phẳng thẳng đứng

7 b Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm cầu sau m

8 a Khoảng cách từ trọng tâm xe tới tâm cầu trước m

16 c3 Độ cứng của bộ phận đàn hồi của ghế N/m

ĐẶT VẤN ĐỀ

Một trong những nhiệm vụ về kinh tế mà Chiến lược phát triển nông nghiệp đặt ra là: Sản lượng lương thực đáp ứng được vấn đề về anh ninh lương thực, đáp ứng cơ bản nhu cầu xuất khẩu và là nguyên liệu cho một số ngành công nghiệp khác

Vận chuyển nông sản là một công đoạn trong quá trình thu hoạch, đó là sự di chuyển nông sản từ đồng ruộng về kho của nhà máy hoặc kho của hộ gia đình Đây

là một khâu công việc được thực hiện chủ yếu trên đường nông thôn và đường đồng không bằng phẳng, hẹp Hiện nay, việc vận chuyển nông sản ở Việt nam nói chung được thực hiện chủ yếu nhờ sức kéo của gia súc, thồ gánh của con người, chỉ có một số địa phương việc vận chuyển nông sản được thực hiện nhờ phương tiện cơ giới

Xe tải 1.25 tấn hiệu KIA – K2700II do liên doanh giữa Việt nam và Hàn quốc sản xuất đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế ở nước

ta Tại một số địa phương đã đạt chỉ tiêu về xây dựng nông thôn mới, các hộ gia đình đã sử dụng loại xe này vào vận chuyển nông sản sau thu hoạch và phân bón đã đem lại những hiệu quả bước đầu

Tuy nhiên, khi vận chuyển trên đường nông thôn độ êm dịu chuyển động của xe bị hạn chế, ngoài ra do rung xóc, hệ thống treo thường xuyên bị hư hỏng ảnh hưởng tới độ êm dịu chuyển động của xe và gây hư hỏng cho một số bộ phận khác của xe

Để làm cơ sở cho việc nghiên cứu hoàn thiện thêm hệ thống treo và chọn chế

độ sử dụng hợp lý theo hướng nâng cao độ êm dịu chuyển động khi sử dụng loại xe tải 1.25 tấn hiệu KIA – K2700II vào vận chuyển nông sản tôi lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu dao động của ô tô tải 1,25 tấn hiệu KIA - K2700II vận chuyển nông sản trên đường giao thông nông thôn“

* Ý nghĩa khoa học của đề tài

Xây dựng được mô hình dao động của ô tô tải 1.25 tấn hiệu KIA – K2700II khi vận chuyển nông sản trên đường nông thôn từ đó khảo sát đánh giá ảnh hưởng

của điều kiện làm việc và các thông số của hệ thống treo đến tính chuyển động êm dịu của ô tô

* Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc hoàn thiện thêm hệ thống treo, đồng thời phục vụ cho việc chọn chế độ sử dụng hợp lý khi vận chuyển nông sản trên đường nông thôn theo hướng nâng cao độ êm dịu chuyển động của xe

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng các loại ô tô, máy kéo trong vận chuyển nông sản ở nước ta hiện nay

Khai thác các sản phẩm nông sản được hiểu là toàn bộ các thao tác, công đoạn để biến nông sản từ trang trại, đồng ruộng đến nơi chế biến hoặc tiêu thụ Việc khai thác cũng như mọi công việc khác đều phải tuân thủ theo những công nghệ nhất định Công nghệ khai thác nông sản có thể là công nghệ thủ công, công nghệ tiên tiến Mỗi loại công nghệ chỉ có thể thích hợp với các điều kiện nhất định Công nghệ thích hợp là công nghệ phù hợp với các điều kiện kinh tế xã hội phổ biến có tính địa phương và môi trường Do vậy công nghệ khai thác nông sản phải giảm mức tối đa các chi phí sản xuất cũng như tác động xấu đến môi trường

Việc lựa chọn được một công nghệ thích hợp trong khai thác nông sản phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố như việc cung cấp nhân lực và tiền công lao động,

cơ sở hạ tầng kỹ thuật, khả năng đầu tư, tính sẵn có của trang thiết bị, máy, phụ tùng thay thế, điều kiện thổ dưỡng, điều kiện kinh tế - xã hội của từng địa phương

và hộ gia đình Việc vận chuyển nông sản ở nước ta hiện nay chủ yếu là nông sản chưa qua sơ chế như cà phê, lúa, đậu tương, ngô,…Do vậy việc vận chuyển nông sản loại này phải đảm bảo nhanh để tránh làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Đặc biệt trong giai đoạn xây dựng nông thôn mới, với những cánh đồng mẫu lớn,

hạ tầng giao thông được đầu tư mở rộng Vì vậy khâu vận chuyển phải đáp ứng được nhu cầu của sản xuất lớn Cũng đã có những phương án, đề tài nghiên cứu lựa chọn phương tiện vận chuyển nông sản, tuy nhiên những phương án đó chỉ mang tính cục bộ trong từng hộ gia đình, không phù hợp với sản xuất hàng hóa lớn

1.2 Tổng quan về nghiên cứu dao động và các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô

1.2.1 Nghiên cứu dao động của ô tô trong nước

Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang trong quá trình hình thành và phát triển dần trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn hàng đầu của đất nước Tuy nhiên

để đạt được mục tiêu đó thì trước mắt phải có nhiều việc phải làm, một trong những việc đó là nghiên cứu sâu hơn về dao động của ô tô, độ êm dịu chuyển động, cũng như chất lượng động học, động lực học của xe

Từ những thực tế đó, đã có các đề tài thuộc chuyên ngành ô tô đề cập đến vấn đề dao động của ô tô như: Luận án tiến sỹ của tác giả Lưu Văn Tuấn [14] đề ra các mục tiêu nâng cao độ êm dịu của xe khách Ba Đình Trong luận án này tác giả

đã mô tả thuộc tính đàn hồi giữa khung và vỏ là kết cấu đặc trung của xe ca (Xe có kết cấu khung – vỏ chịu lực)

Luận án tiến sỹ của tác giả Võ Văn Hường [7] “Nghiên cứu hoàn thiện mô hình khảo sát ô tô tải nhiều cầu” Tác giả đã nghiên cứu sâu về lập mô hình dao động không gian cho xe tải có yếu tố dao động ngang, khung xoắn chịu lực, thanh

ổn định, hệ thống treo có đặc tính phi tuyến, hàm kích động riêng rẽ và tổng hợp

Mô hình có thể nghiên cứu các dao động ở vùng cận biên như tách bánh xe, quá trình va chạm vấu hạn chế hành trình, trượt và lật

Luận án của tác giả Nguyễn Phúc Hiểu [6] “ Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động lên khung xương ô tô khi chuyển động trên đường” Tác giả chú trọng nghiên cứu ảnh hưởng của đường và xác định các hàm ngoại lực cho bài toán tính khung xương

Tác giả Nguyễn Văn Lộc [9] “Nghiên cứu ảnh hưởng các thuộc tính phi tuyến của hệ thống treo đến dao động của ô tô” trong luận văn tác giả đã đưa vào rất nhiều các đặc tính phi tuyến của hệ thống treo, các giả thiết xây dựng mô hình dao động của tác giả tương đối đầy đủ và sát thực tế

Công trình nghiên cứu của GS.TS Nguyễn Hữu Cẩn [1] và các cộng sự, cho thấy: Tính êm dịu trong chuyển động của ô tô máy kéo được đánh giá qua các chỉ tiêu: Tần số dao động thích hợp, gia tốc dao động thích hợp, thời gian tác động của dao động Trong chuyển động, ô tô máy kéo dao động theo các phương: Thẳng đứng (OZ), phương ngang (OX), phương dọc máy (OY), các dao động theo phương thẳng đứng ảnh hưởng chính đến con người; theo phương ngang, phương dọc ảnh hưởng không đáng kể, có thể bỏ qua

Luận văn Tiến sỹ của tác giả Đặng Việt Hà [4] “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến điều kiện làm việc của ô tô và độ êm dịu chuyển động” tác giả cũng đã chú ý đến sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến dao động cuả xe khách đóng trên nền xe tải

Năm 2002 TS Lê Minh Lư [10] nghiên cứu dao động của máy kéo bánh hơi

có tính đến đặc trưng phi tuyến của các phần tử đàn hồi Tác giả đã xây dựng mô hình, hệ phương trình vi phân và các điều kiện biên mô tả dao động thẳng đứng của máy kéo, của cầu trước, cầu sau và ghế ngồi có tính đến những đặc điểm riêng của

hệ như liên kết một chiều giữa bánh xe và mặt đường, đặc trưng phi tuyến của các phần tử đàn hồi Công trình đã nghiên cứu một cách khá đầy đủ các dạng dao động của máy kéo có tính đến đặc trưng phi tuyến của các phần tử đàn hồi trong trường hợp kích động mặt đường là các hàm ngẫu nhiên và xác định Tuy nhiên công trình mới chỉ nghiên cứu trong trường hợp máy kéo di chuyển độc lập mà chưa tính đến dao động của máy kéo trong trường hợp kéo tải

Nhìn chung các đề tài đã tập trung vào việc khảo sát dao động của xe theo quan điểm độ êm dịu và an toàn chuyển động, thực hiện bài toán tính toán kiểm nghiệm Kết quả thu được là cơ sở cho việc lựa chọn và cải tiến hệ thống treo cho phù hợp với điều kiện Việt Nam Nhưng các nghiên cứu trên đều chưa đề cập đến dao động của xe tải 1.25 tấn khi vận chuyển nông sản trên đường giao thông nông thôn

1.2.2 Nghiên cứu về dao động của ô tô trên thế giới

Việc nghiên cứu dao động của ô tô bắt đầu từ rất sớm, ngay cả khi ô tô có cấu tạo còn rất đơn giản Một số tác giả kinh điển có thề kể đến là Trudakov, Rotenbeg, Iachenko, Mitschke, Schiehlen, lần đầu tiên vào năm 1970 Mitschke đã tập trung vào tác phẩm nổi tiếng “Dynamik der Kraftfahrzeuge” tập trung tất cả các công trình nghiên cứu trước đó, bao gồm 200 trích dẫn Nội dung chính là dao động

xe con, mô hình là ¼ và được xem xét ở các yếu tố kết cấu có ảnh hưởng đến dao động và tối ưu hệ thống treo Sau đó tác giả đề cập chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô, cách tiếp cận mang tính cổ điển Đến năm 1980 Schiehlen trình bày phương pháp hệ

nhiều vật Ngoài ra, với sự phát triển của công nghệ tin học các thuộc tính của cụm như hệ treo, bánh xe cũng được nghiên cứu sâu hơn tuy nhiên các nghiên cứu đó vẫn tập trung vào xe con

Trong công trình [19], Muller đã đưa ra mô hình không gian mô tả tất cả các loại dao động của máy kéo bánh hơi, tác giả đã bỏ qua các tác động của tải trọng kéo và các yếu tố ảnh hưởng khác Theo tác giả, một máy kéo có thể có 7 bậc tự do: Dao động thẳng đứng, dao động xoay quanh trục ngang, dao động dọc, dao động xoay quanh trục dọc và dao động liên kết xoay quanh trục cân bằng

Tác giả Volgel [23], đã nghiên cứu tính chất động lực học của liên hợp máy cày, khi lực kéo và tải trọng thẳng đứng dao động có kể đến tính đàn hồi, cả của hệ truyền lực và bánh xe Công trình cho phép đánh giá một cách khái quát tác động của các yếu tố ảnh hưởng tới dao động của máy khi cày đất, tuy nhiên chưa có thực nghiệm để chứng minh các giả thiết đưa ra

Trong công trình của Wendebon [24], bằng lý thuyết và thực nghiệm, tác giả

đã xây dựng mô hình nghiên cứu tính chất động lực học của dao động thẳng đứng máy kéo, tác giả không quan tâm đến chuyển động quay và các chuyển động khác

Do vậy công trình này chưa đánh giá và thể hiện được đầy đủ các tính chất động lực học của máy cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển động của máy kéo nói riêng và liên hợp máy nói chung

Năm 1973 Barski I.B [16], nghiên cứu động lực học máy kéo Tác giả đã nghiên cứu đầy đủ động lực học của máy kéo bánh hơi, máy kéo bánh xích và độ

êm dịu chuyển động của máy kéo

Ngày nay, trên thế giới các nghiên cứu về dao động của ô tô đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể Dao động của ô tô được nghiên cứu trong tổng thể hệ thống “ Đường – Xe – Người” Hướng chung của nghiên cứu tổng thể Đường - Xe – Người được chia thành 3 hướng:

- Nghiên cứu về biên dạng mặt đường (nguồn gây ra dao động)

- Nghiên cứu hệ dao động của ô tô (hệ thống treo)

- Nghiên cứu cảm giác của con người và sự an toàn của hàng hóa chuyên chở

1.2.3 Các chỉ tiêu đánh giá độ dao động

Khi ô tô chuyển động ô tô luôn bị dao động, với thời gian kéo dài sẽ gây ra mệt mỏi với người lái và hành khách, làm giảm hiệu suất công việc, có thể gây ra nguy cơ mắc bệnh thần kinh và não dẫn đến mất phản ứng linh hoạt và điều khiển chính xác gây ra tai nạn giao thông

Từ các khái niệm trên để có thể đánh giá chất lượng xe một cách khách quan, chính xác cần phải nghiên cứu và phát triển lý thuyết dao động trong tất cả lĩnh vực liên quan Nghiên cứu tổng quát về dao động xe đó là giải quyết mối quan hệ

“Đường - Xe - Người”

Các tính chất dao động của ô tô thường đánh giá theo 2 quan điểm:

- Quan điểm về độ êm dịu chuyển động mà thông số gia tốc dao động có tính chất quyết định vì nó tác dụng lên lái xe và hành khách

- Quan điểm về độ an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền thì giá trị tải trọng động giữa bánh xe và nền đường là thông số mang tính chất quyết định

a Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động:

Dựa vào các công trình nghiên cứu của nước ngoài và các tài liệu của Viện khoa học kĩ thuật bảo hộ lao động Việt Nam, đưa ra một số chỉ tiêu đặc trưng cho

độ êm dịu chuyển động của ô tô như sau:

- Chỉ tiêu về tần số:

Tần số dao động riêng của một hệ dao động (bao gồm 1 khối lượng đặt trên 1

lò xo) được hiểu là số dao động của hệ trong một phút (dao động/phút), hoặc trong một giây (1/s tương ứng với 01Hz)

M - Khối lượng được đặt trên hệ

Tần số dao động riêng chỉ phụ thuộc vào các thông số kết cấu của hệ thống dao động (khối lượng, độ cứng, lực cản) mà không phụ thuộc vào kích thích dao động

Khi đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô với các điều kiện mặt đường cũng như kết cấu cụ thể thì tần số dao động của ô tô phải nằm trong giới hạn 1 - 1,5

Hz, thường lấy chuẩn để đánh giá dao động của ô tô như sau:

Đối với xe du lịch n = 60 - 85 (dđ/ph)

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

- Chỉ tiêu về gia tốc dao động:

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

Dễ chịu: 0,1 (m/s2)

Gây mệt mỏi: 0,315 (m/s2)

Gây ảnh hưởng tới sức khỏe: 0,63 (m/s2)

Các số liệu trên có thể xem là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, bởi vì nó dựa trên cơ sở số liệu thống kê Mặt khác, điều quan trọng hơn là dao động ô tô truyền cho con người thực chất là tác động ngẫu nhiên với dải tần số rộng và phức tạp cả theo hướng tác dụng Ngoài ra theo một số tài liệu tham khảo các tác giả còn đưa ra một số chỉ tiêu khác đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô như chỉ tiêu tính êm dịu chuyển động dựa vào gia tốc dao động và thời gian tác động của nó

b Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền đường:

Theo quan điểm về an toàn chuyển động (xét theo khía cạnh về tính điều khiển) và tải trọng tác dụng xuống nền đường thì trị số lực tác dụng thẳng đứng giữa bánh xe với đường cũng là thông số quan trọng để đánh giá Lực động F d (t)xác định phức tạp hơn vì nó phụ thuộc vào tính chất dao động của ô tô, vận tốc chuyển động và độ mấp mô biên dạng đường

Theo quan điểm về tải trọng tác dụng xuống nền đường thì sẽ dựa vào trị số

lớn nhất của tải trọng bánh xe, nghĩa là tương ứng với giá trị dương của F d (t) để

đánh giá, nếu F d (t) càng lớn thì sự ảnh hưởng do lực tác động tới lốp xe và các bộ

phận chi tiết của xe và nền đường càng bị tác động xấu nhiều hơn Mặt khác để

giảm sự ảnh hưởng của F d (t) thì trong trường hợp giảm tải trọng bánh xe so với giá

trị tải trọng tĩnh, nghĩa là làm giảm khả năng tiếp nhận lực tiếp tuyến(nhất là khi

phanh) và lực ngang(quan trọng khi quay vòng) Trong trường hợp đặc biệt bánh xe

bị nảy khỏi mặt đường khi đó lực tác dụng từ đường lên bánh xe sẽ bằng 0 và ô tô

sẽ mất tính điều khiển Để đánh giá tính chất dao động của ô tô theo quan điểm về

an toàn chuyển độngcần xác định tỉ số giữa lực tác động F d (t) và tải trọng tĩnh của

bánh xe là R t K:

k t d R

F

K 

Khảo sát dao động của ô tô người ta quan tâm đến sự bám của lốp với mặt

đường, nhằm đảm bảo dao động của ô tô thoả mãn các chỉ tiêu về độ êm dịu nhưng

bánh xe vẫn phải bám đường, nếu không đạt 2 chỉ tiêu đó sẽ dẫn đến làm mất tính

ổn định khi điều khiển xe, làm tăng tiêu hao nhiên liệu

Giá trị gần đúng của lực tác dụng xuống nền đường có thể xác định như sau:

F d K L(q)

Trong đó: K L: độ cứng của lốp

 : chuyển dịch của bánh xe theo phương thẳng đứng

q: chiều cao mấp mô biên dạng đường

Có thể xác định giá trị tdmax là giá trị cực đại của chuyển dịch tương đối của

bánh xe với đường theo biểu thức: tdmaxMax(q)

Giá trị tdmax cũng có thể làm cơ sở đánh giá khả năng bám của lốp với

đường

1.2.4 Tổng quan về dao động ô tô

Ôtô thuộc hệ cơ học nhiều vật, dao động với dải tần số thấp không vượt quá

50Hz Việc lập và chọn mô hình dao động phải theo 3 tiêu chí sau:

- Mục tiêu nghiên cứu

- Cấu trúc riêng của đối tượng nghiên cứu

- Khả năng tính toán và phương tiện tính toán

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

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

+ Nghiên cứu về dao động liên kết, thường dùng mô hình phẳng; mô hình phẳng cũng còn dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của đường

+ Nghiên cứu sự trượt và lật dưới tác động của ngoại lực như đường mấp

mô, gió bên nên thường sử dụng mô hình ½ hoặc mô

hình full

a Mô hình ¼

Mô hình ¼ bao gồm hai khối lượng được treo

(thay thế cho khối lượng thân xe) và khối lượng không

được treo (thay thế cho khối lượng bánh xe, cầu xe và

các thành phần liên kết) Phần treo và không được treo

liên kết với nhau thông qua các phần tử đàn hồi của treo

và giảm chấn, có độ cứng là k, hệ số cản giảm chấn c

như thể hiện trong hình 1.1

Để có thể chuyển mô hình vật lý thành mô hình động lực học hệ dao động ô

tô, cần phải có một số giả thiết nhằm đơn giản cho việc tính toán nhưng vẫn đảm bảo tính đúng đắn của kết quả Quá trình nghiên cứu trong mô hình ¼ chỉ xét dao động của một trong bốn bánh xe, dao động của hệ là nhỏ, tuyến tính, xung quanh vị trí cân bằng tĩnh, bánh xe lăn không trượt và luôn tiếp xúc với đường

Mô hình 1/4 có thể dùng để chọn tối ưu các thông số như độ cứng lốp, khối lượng không được treo m, độ cứng c và hệ số cản giảm chấn k theo các hàm mục tiêu vừa nêu trên Việc này có ý nghĩa trong bài toán điều khiển, tối ưu hệ treo

b Mô hình dao động liên kết

Mô hình động lực học này biểu thị dao động liên kết ô tô 2 cầu ở dạng mô hình phẳng (hình 1.2), có nghĩa là ô tô được giả thiết đối xứng qua trục dọc của xe

và xemđộ mấp mô của biên dạng đường ở dưới bánh xe trái và phải là như nhau

Khối lượng treo được qui dẫn về trọng tâm phần treo biểu thị qua giá trị khối lượng m3 (đại diện cho khối lượng được treo là thân xe) và m1, m2 (đại diện cho khối lượng không được treo là cầu xe) với 4 bậc tự do là Z3, , Z1, Z2 Mô hình này hiệu quả với bài toán bố trí chung, và là mô hình đơn giản khi nghiên cứu về đường

và phân bổ tải khi phanh

c Mô hình không gian xe con

Mô hình không gian xe hai cầu được đưa ra như trong hình 1.3 Xe con có khối lượng bé nhưng lại có yếu tố phi tuyến hình học và vật lý lớn nên không thể bỏ qua khi lập mô hình Đặc điểm kết cấu là vỏ chịu lực (Unibody), hệ treo độc lập có yếu tố phi tuyến hình học cao Trong phạm vi đề tài này do hạn chế về mặt thời gian, kỹ thuật nên chỉ đưa ra mô hình mang tính tham khảo chứ chưa khảo sát được

mô hình không gian này

Chuyển động của ô tô trên mặt đường không bằng phẳng sẽ sinh ra các dao động của khối lượng phần không được treo và khối lượng phần được treo của ô tô

Độ mấp mô của mặt đường là nguồn kích thích chính cho ô tô dao động Khi nghiên cứu mô hình dao động của ô tô cần thiết phải mô tả toán học biên dạng của mặt đường, vì chiều cao mấp mô của biên dạng đường tại vị trí tiếp xúc của bánh xe với đường sẽ tham gia vào phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ Hàm kích động là một yếu tố thuộc mô hình dao động, mô tả những yếu tố gây dao động, và thường được mô tả dưới dạng các hàm biên dạng sau:

i t t f h

- Hàm dao động ngẫu nhiên: h f t m f,R f  

Với mf: giá trị trung bình

Rf: Hàm quan hệ

: Thời gian tương quan

Hình 1.3 Mô hình không gian xe con

Như vậy có tất cả 4 yếu tố gây ảnh hưởng đến dao động ôtô mà trong khi nghiên cứu cũng phải đề cập, hoặc là riêng về từng yếu tố một, hoặc đồng thời một

số yếu tố kết hợp Trong phạm vi đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu kích động từ mặt đường dạng bậc hoặc theo hình sin

1.3 Tổng quan về hệ thống treo trên ô tô

1.3.1 Công dụng và yêu cầu của hệ thống treo

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

- Tạo điều kiện cho bánh xe thực hiện chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng đối với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động “êm dịu”, hạn chế tới mức có thể chấp nhận được những chuyển động không muốn có của bánh xe như lắc ngang, lắc dọc;

- Truyền lực giữa bánh xe và khung xe bao gồm lực thẳng đứng, lực dọc và lực bên;

Trên hệ thống treo, sự liên kết giữa bánh xe và khung vỏ cần thiết phải mềm nhưng cũng phải đủ khả năng để truyền lực, quan hệ này được thể hiện ở các yêu cầu chính sau đây:

- Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ thuật của xe (xe chạy trên đường tốt hay xe chạy trên các loại đường khác nhau, hay đường đồi núi, xe du lịch hay chở hàng, chở vật liệu…);

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

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

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

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

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

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

- Đảm bảo tính ổn định và tính điều khiển chuyển động của ô tô ở tốc độ cao, ô tô điều khiển nhẹ nhàng

1.3.2 Các bộ phận chính của hệ thống treo

1.3.2.1 Bộ phận đàn hồi

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

xe có thể dịch chuyển theo phương thẳng đứng

Bộ phận đàn hồi có các phần tử đàn hồi thường gặp là:

a Nhíp lá

Ưu điểm của hệ thống treo dùng nhíp lá (hình 1.5) là không cần thanh ổn định, đơn giản rẻ tiền, dễ chăm sóc bảo dưỡng nhưng lại có nhược điểm là khối lượng lớn, thùng xe ở trên cao nên chiều cao trọng tâm xe sẽ lớn, ảnh hưởng đến tốc

độ và sự ổn định khi xe chuyển động, mặt khác vết bánh sẽ thay đổi khi một bánh bị nâng lên làm phát sinh lực ngang và tính chất bám đường kém và dễ bị trượt ngang

b Thanh xoắn

Hình 1.4 Cơ cấu treo trước và các bộ phận chính

Thanh xoắn là một thanh bằng thép lò xo, dùng tính đàn hồi xoắn của nó để cản lại sự dao động Một đầu thanh xoắn được ngàm vào khung hay một dầm nào

đó của xe, đầu kia gắn vào kết cấu chịu tải xoắn của hệ thống treo

Sử dụng thanh xoắn có các đặc điểm sau:

+ Chiếm ít không gian, có thể bố trí để điều chỉnh chiều cao thân xe;

+ Trọng lượng nhỏ, đơn giản, gọn, giá thành rẻ và dễ chế tạo;

+ Thanh xoắn không có nội ma sát nên thường phải lắp kèm giảm chấn để dập tắt nhanh dao động;

- Kết cấu rất gọn gàng nhất là khi được bố trí lồng vào giảm chấn

- Nếu cùng độ cứng và độ bền với nhíp thì lò xo trụ có khối lượng nhỏ hơn nhíp và tuổi thọ cao hơn nhíp, kết cấu gọn nên tiết kiệm không gian và cho phép hạ thấp trọng tâm xe nhằm nâng cao tốc độ

* Nhược điểm

- Khi làm việc ở giữa các vòng lò xo

không có nội ma sát như nhíp nên thường

phải bố trí thêm giảm chấn kèm theo để dập

phức tạp hơn do nó còn phải bố trí thêm hệ

thống đòn dẫn hướng để dẫn hướng cho bánh xe và truyền lực kéo hay lực phanh

d Phần tử đàn hồi loại khí

Phần tử đàn hồi sử dụng đệm khí dựa trên nguyên tắc không khí có tính đàn hồi khi bị nén Hệ thống treo loại khí được sử dụng tốt ở các ôtô có trọng lượng phần lớn được thay đổi khá lớn như ở ôtô trở khách, ô tô vận tải và đoàn xe Loại này có thể tự động thay đổi độ cứng của hệ thống treo bằng cách thay đổi áp suất không khí bên trong phần tử đàn hồi Giảm độ cứng sẽ làm cho độ êm dịu chuyển động tốt hơn

1.3.2.2 Bộ phận giảm chấn

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

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

Hình 1.7 Bộ phận đàn hồi loại khí

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

+ Nâng cao các tính chất chuyển động của xe như khả năng tăng tốc, khả năng an toàn khi chuyển động

a Giảm chấn hai lớp vỏ

Giảm chấn hai lớp vỏ ra đời vào năm 1938, đây là một loại giảm chấn quen thuộc và được dùng phổ biến cho đến nay

b Giảm chấn một lớp vỏ

Giảm chấn một lớp vỏ có cấu tạo như hình 1.9.Trong một giảm chấn một lớp

vỏ không còn bù dầu nữa mà thay thế chức năng của nó là buồng 8 chứa khí nén có

P = 2 - 3 kG/cm2 đây là sự khác nhau giữa giảm chấn một lớp vỏ và hai lớp vỏ

e Ống giảm chấn Vario

Với một kết cấu có nét tương tự như ống giảm chấn loại hai ống, Ống giảm chấn Vario nổi lên đặc điểm là thích nghi nghi được với tình trạng dằng xóc khác nhau để có thể thay đổi đặc tính giảm chấn

f Ống giảm chấn loại hai ống với hơi áp lực

Loại ống giảm chấn Dầu - Khí kết hợp hoạt động theo nguyên tắc kết hợp tính

ưu việt của loại hai ống và loại một ống ở trên Điểm cần lưu ý của loại này là trong

trạng thái đứng yên của xe thì phần dưới ống giảm chấn không phải chứa đầy dầu,

mà 1/3 thể tích trong đó là khí nén (6 - 7bar) Như vậy, quá trình nhún và giãn bao

giờ cũng có sự hỗ trợ đàn hồi của buồng khí, lưu chuyển từ ngăn trên xuống dưới và ngược lại và như đã trình bày ở các loại trên, sự tham gia đàn hồi ngược chiều của

các lớp khí giúp cho việc dập tắt dao động nhanh chóng hơn, loại ống giảm chấn đột này đặc biệt thích hợp cho các loại xe đi địa hình xấu, rung xóc tần số cao, mạnh và đột ngột

128

6732

h Ống giảm chấn Khí - Thủy lực

Đây là tổng hợp của lò xo đàn hồi có giảm chấn cùng với lò xo khí thủy lực, trong hệ thống này, piston của phần đàn hồi cũng như trục của nó đồng thời là trục của bộ giảm chấn Phần lò xo khí nằm trong một khối cầu bao bọc bởi một màng cao su đặc biệt Phần tích trữ khí cùng với không gian mặt trên của piston được nối với nhau bởi 1 đường ống thủy lực

1.3.2.3 Thanh ổn định và các đòn dẫn hướng

Trong trường hợp xe chạy trên nền đường không bằng phẳng hoặc quay

vòng, dưới tác dụng của lực li tâm phản lực thẳng đứng của 2 bánh xe trên một cầu thay đổi sẽ làm cho tăng độ nghiêng thùng xe và làm giảm khả năng truyền lực dọc, lực bên của bánh xe với mặt đường Thanh ổn định có tác dụng khi xuất hiện sự

Hình 1.11 Thanh ổn định trong cơ cấu treo

chênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên bánh xe nhằm san bớt tải trọng từ bên cầu chịu tải nhiều sang bên cầu chịu tải ít hơn Cấu tạo chung của nó có dạng chữ U, một đầu chữ U được nối với phần không được treo, còn đâu kia được nối với thân

vỏ xe, các đầu nối này dùng ổ đỡ bằng cao su

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

1.3.2.4 Các chi tiết phụ

Trên xe con các vấu cao su thường được đặt kết hợp trong vỏ của giảm chấn vừa tăng cứng vừa hạn chế hành trình của piston nhằm hạn chế hành trình làm việc

của bánh xe Ngoài ra còn có đệm cao su cũng có tác dụng giảm chấn Vấu cao su

có những ưu điểm sau:

+ Có thể được làm dưới mọi hình dạng khác nhau

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

Hình1.12 Các đòn liên kết và dẫn hướng, kết cấu lắp giáp cụm treo

độc lập

1.3.3 Phân loại hệ thống treo

Có nhiều cách phân loại hệ thông treo như:

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

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

- Phân loại theo phương pháp dập tắt chấn động: loại dùng giảm chấn thủy lực; loại giảm chấn nhờ ma sát cơ (ma sát trong bộ phận đàn hồi hoặc bộ phận dẫn hướng)

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

1.3.3.1 Hệ thống treo phụ thuộc

Trong hệ thống treo phụ thuộc hình 1.13 - a các bánh xe được đặt trên một dầm cầu liền, bộ phận giảm chấn và đàn hồi đặt giữa thùng xe và dầm cầu liền đó

Do đó sự dịch chuyển của một bánh xe theo phương thẳng đứng sẽ gây nên chuyển

vị nào đó của bánh xe phía bên kia

Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống treo a) Hệ thống treo phụ thuộc b) Hệ thống treo độc lập

1 - Thùng xe; 2 - Bộ phận đàn hồi; 3 - Bộ phận giảm chấn;

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

Đặc trưng của hệ thống treo phụ thuộc là các bánh xe lắp trên một dầm cầu cứng Trong trường hợp cầu xe là bị động thì dầm đó là một thanh thép định hình, còn trường hợp là cầu chủ động thì dầm là phần vỏ cầu trong đó có một phần của

hệ thống truyền lực

1.3.3.2 Hệ thống treo độc lập

Đặc điểm của hệ thống treo này là:

- Hai bánh xe không lắp trên một dầm cứng mà là lắp trên loại cầu rời, sự chuyển dịch của 2 bánh xe độc lập tương đối với nhau

- Khối lượng phần không được treo nhỏ nên mô men quán tính nhỏ, do đó xe chuyển động êm dịu, khả năng bám đường cao

- Hệ treo này không cần dầm ngang (với kết cấu thân vỏ kiểu unibody) nên khoảng không gian cho nó dịch chuyển chủ yếu là khoảng không gian 2 bên sườn

xe như vậy sẽ hạ thấp được trọng tâm của xe và sẽ nâng cao được vận tốc của xe

Trong hệ thống treo độc lập còn được phân ra các loại sau:

a Dạng treo 2 đòn ngang

Cấu tạo của hệ treo 2 đòn ngang bao gồm 1 đòn ngang trên, một đòn ngang dưới Mỗi đòn không phải chỉ là 1 thanh mà thường có cấu tạo hình tam giác (chữ A) hoặc hình thang Cấu tạo như vậy cho phép các đòn ngang làm được chức năng của bộ phận hướng, kết cấu chắc chắn đảm bảo truyền lực tốt

a dùng nhíp lá b dùng lò xo trụ Hình 1.14 Sơ đồ hệ thống treo phụ thuộc dùng lò xo lá(a) và lò xo trụ(b)

kết cấu chắc chắn đảm bảo truyền lực tốt

b Dạng treo Mc.Pherson

Hệ treo này chính là biến thể của hệ treo 2 đòn ngang, ở đây đòn ngang chữ

A phía trên thay bằng lò xo cùng ống giảm chấn lồng nhau Chính nhờ cấu trúc này

mà ta có thể có được khoảng không gian phía trong xe rộng hơn để bố trí hệ thống

truyền lực hoặc khoang hành lý Giảm chấn đặt theo phương thẳng đứng làm nhiệm

vụ của trụ xoay đứng

Trong quá trình chuyển động bánh xe luôn luôn dao động theo phương thẳng đứng, sự dao động này kéo theo sự thay đổi góc nghiêng ngang của bánh xe, trụ xoay dẫn hướng và khoảng cách giữa hai vết bánh xe hình 1.17a, góc nghiêng dọc

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý của hệ treo 2 đòn ngang

Hình 1.16 Sơ đồ cấu tạo hệ treo Mc.Pherson

của trụ xoay đứng hình 1.17 - b và độ chụm trước của bánh xe hình 1.17 - c Các quan hệ giữa các thông số đó phụ thuộc vào sự chuyển vị của bánh xe theo phương

thẳng đứng khi gặp kích thích từ mặt đường hoặc khi phanh, quay vòng, thay đổi tốc độ đó là mối quan hệ động học của hệ treo

c Hệ treo 2 đòn dọc

Hệ treo hai đòn dọc là hệ treo độc lập mà mỗi bên có một đòn dọc Các đòn dọc thường được bố trí song song sát hai bên bánh xe Một đầu của đòn dọc được gắn cố định với moay - ơ bánh xe, đầu còn lại liên kết bản lề với khung hoặc dầm ôtô Đồng thời đòn dọc đòi hỏi cần phải có độ cứng vững lớn, nhằm mục đích chịu

Hình 1.17 Mối quan hệ động học của hệ treo Mc.Pherson

Hình 1.18 Hệ treo hai đòn dọc 1- Khung vỏ; 2 - Lò xo; 3 - Giảm chấn; 4 - Bánh xe; 5 - Đòn

dọc; 6 - Khớp quay

được các lực dọc, lực bên và chịu mô men phanh lớn Do có kết cấu như vậy, nên

hệ treo này chiếm ít không gian và đơn giản về kết cấu, giá thành hạ Hệ treo này thường được bố trí cho cầu sau bị động, khi máy đặt ở phía trước, cầu trước là cầu chủ động

d Hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết

Theo cấu trúc của nó có thể phân chia thành loại treo nửa độc lập và treo nửa phụ thuộc Theo khả năng làm việc của hệ treo, tuỳ thuộc vào độ cứng vững của đòn liên kết mà có thể xếp là loại phụ thuộc hay độc lập Hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết, có đặc điểm là hai đòn dọc được nối cứng với nhau bởi một thanh ngang

Thanh ngang liên kết đóng vai trò như một thanh ổn định như đối với các hệ treo độc lập khác Bộ phận đàn hồi của nó có thể là lò xo trụ xoắn được đặt giữa khung và đòn dọc

e Hệ treo đòn chéo

Hệ thống treo trên đòn chéo là cấu trúc mang tính trung gian giữa hệ treo đòn ngang và hệ treo đòn dọc Bởi vậy sử dụng hệ treo này cho ta tận dụng được ưu điển của hai hệ treo trên và khắc phục được một số nhược điểm của chúng Đặc điểm của hệ treo này là đòn đỡ bánh xe quay trên đường trục chéo và tạo nên đòn chéo trên bánh xe

1

4 5

1.4 Tình hình nghiên cứu biên dạng đường ôtô

Biên dạng mặt đường thường được tiến hành bằng thực nghiệm kết hợp với

xử lý bằng lý thuyết Các tác giả đã đưa ra đặc tính thống kê của biên dạng mặt

đường đồng thời đưa ra các giải pháp và công thức tính toán phân tích dao động của

xe bằng phương pháp xác định và phân tích cho các loại đường khác nhau

Khi nghiên cứu, giải quyết các bài toán dao động một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu là phải giải quyết được các vấn đề thông số cơ bản về kích thước hình học của mấp mô biên dạng mặt đường và coi như biên dạng mặt đường

là cứng tuyệt đối Điều kiện đường trong thực tế sử dụng ô tô rất da dạng Tùy theo chiều dài của mấp mô hoặc chiều cao của nó mà có thể phân chia ra các nhóm đặc trung khác nhau của biên dạng bề mặt đường Theo ЯЦEHKO H.H có thể phân thành ba nhóm chủ yếu:

- Nhóm 1: Mấp mô có chiều dài ngắn, tác động lên các bánh xe mang tính va

đập (dạng hình bậc, hình thang, hình tam giác,…)

- Nhóm 2: Mấp mô có dạng điều hòa

- Nhóm 3: Mấp mô thay đổi liên tục với hình dạng bất kỳ (Mấp mô phân bố

ngẫu nhiên)

1.4.1 Mặt đường có mấp mô dạng hàm bậc

Điển hình nhất cho loại đường thuộc nhóm 1 là mặt đường có mấp mô hình 1.21

Hình 1.20 Sơ đồ hệ treo đòn chéo

1 Dầm cầu; 2 Đòn chéo; 3 Truyền lực chính

Phương trình biểu diễn toán học của biên dạng mặt đường có mấp mô dạng

0 0

0

S S khi z

S S khi z

Trong đó:

S – Chiều dài quãng đường ô tô đi được

S0 – Chiều dài quãng đường ô tô đi được đến thời điểm xuất hiện mấp mô [m]

Trên cơ sở áp dụng phương trình

chuyển động tịnh tiến của ô tô trong

trường hợp chuyển động đều (S = v.t),

0 0

0

t t khi z

t t khi z

Trong đó: t0 – Thời điểm xuất hiện mấp mô (s);

t – thời gian xe chuyển động (s)

1.4.2 Mặt đường có mấp mô dạng đường điều hòa

Trong trường hợp mấp mô có dáng điệu là hàm điều hòa (thuộc nhóm 2) thì phương trình biểu diễn chiều cao mấp mô phụ thuộc vào thời gian sẽ có dạng sau:

t

T Z

t Z

t

sinsin

S Z

S

sinsin

1.4.3 Mặt đường có mấp mô dạng ngẫu nhiên

Trong thực tế các mấp mô của đường không tuân theo một hàm xác định nào cho trước Có nghĩa là không thể suy ra hình dạng, kích thước,… từ các quá trình mấp mô trước đó, mà chúng hoàn toàn là đại lượng ngẫu nhiên Mỗi một đoạn đường xác định cùng với các mấp mô tương ứng được gọi là biên dạng đường Biên dạng đường bao gồm các sóng mặt đường với các độ dài khác nhau Để khảo sát những tính chất động lực học, dao động của xe chuyển động trên bề mặt các mấp

mô đó về cơ bản các sóng mặt đường chỉ có ý nghĩa trong một khoảng xác định Theo chiều dài sóng mặt đường người ta chia biên dạng thành ba dạng cơ bản Đó là:

- Biên dạng lớn: với chiều dài sóng nhấp nhô L > 100m

- Biên dạng nhỏ: với chiều dài sóng nhấp nhô L = (0.1  100)m

- Biên dạng cực nhỏ: với chiều dài sóng nhấp nhô L < 0.1m

Thực chất có ý nghĩa cho việc khảo sát, phân tích các đặc tính của đường là loại đướng có biên dạng nhỏ với tần số dài tương ứng là  = (0.0628  62.83)1/m

Vì chiều cao nhấp nhô mặt đường là các đại lượng ngẫu nhiên, mà khi đo đạc

ta chỉ nhận được các giá trị rời rạc, cho nên khi đưa vào tính toán, khảo sát bài toán động học, bài toán ổn định,… với hệ tuyến tính thay vì ta đưa vào các giá trị chiều cao mấp mô bằng các đặc tính thống kê của chúng

Hình 1.22 Dáng điệu hàm điều hòa của mấp mô

Zo[m]

t[s]



Để khảo sát các đặc tính mấp mô mặt đường ta giả thiết: hàm dừng, ergodic, chiều cao mấp mô biên dạng đường phân phối theo qui luật phân bố chuẩn, chiều cao mấp mô của biên dạng đường chỉ thay đổi theo tính ngẫu nhiên trong mặt phẳng dọc và theo phương thẳng đứng

Những đặc tính thống kê của biên dạng mặt đường là:

- Giá trị trung bình (kỳ vọng toán học): MY

1.5 Các phương pháp và phần mềm ứng dụng trong nghiên cứu dao động ôtô

1.5.1 Các phương pháp nghiên cứu và xây dựng hệ phương trình

Ta có thể hiểu phương pháp nghiên cứu dao động ôtô, máy kéo chính là phương pháp lập và xử lý mô hình toán mô tả dao động của các khối lượng trong cơ

Bước 1: Viết định luật Hook suy rộng: q = D.f*

Trong đó: D - Ma trận hệ số ảnh hưởng hay ma trận độ mềm;

f* - Ma trận lực quán tính và ngoại lực tác dụng vào hệ;

q - Dịch chuyển của hệ

Bước 2: Sử dụng quan hệ giữa lực và gia tốc: f* M q f

Trong đó: M - Ma trận khối lượng

Bước 3: Xây dựng được phương trình vi phân từ các mối quan hệ trên:

Để giải một bài toán biên trong miền W, bằng phép tam giác phân, ta chia thành một số hữu hạn các miền con Wj (j = 1, , n) sao cho hai miền con bất kì không giao nhau và chỉ có thể chung nhau đỉnh hoặc các cạnh Mỗi miền con Wj được gọi là một phần tử hữu hạn

Người ta tìm nghiệm xấp xỉ của bài toán biên ban đầu trong một không gian hữu hạn chiều các hàm số thoả mãn điều kiện khả vi nhất định trên toàn miền W và hạn chế của chúng trên từng phần từ hữu hạn Wj là các đa thức Có thể chọn cơ sở của không gian này gồm các hàm số 1(x), , n(x) có giá trị trong một số hữu hạn phần tử hữu hạn Wj ở gần nhau Nghiệm xấp xỉ của bài toán ban đầu được tìm dưới dạng c11(x), , cnn(x) trong đó các ck là các số cần tìm Thông thường người ta đưa việc tìm các ck về việc giải một phương trình đại số với ma trận thưa (chỉ có các phần tử trên đường chéo chính và trên một số đường song song sát với đường chéo chính là khác không) nên dễ giải Có thể lấy cạnh của các phần tử hữu hạn là đường thẳng hoặc đường cong để xấp xỉ các miền có dạng hình học phức tạp Phương pháp

phần tử hữu hạn có thể dùng để giải gần đúng các bài toán biên tuyến tính, phi tuyến và các bất phương trình

1.5.1.3 Phương pháp nguyên lý Dalampe

Theo nguyên lý Dalambe, bài toán động lực học hệ dao động sẽ đưa về bài toán tĩnh học trên cơ sở đưa lực quán tính vào cơ hệ, khi đó phương trình chuyền động sẽ được thiết lập trên cơ sở lấy tổng đại số các ngoại lực, phản lực và lực quán tính tác dụng lên hệ khảo sát Khi đó, các phần tử của hệ dao động sẽ được tách độc lập và đặt ngoại lực cân bằng ở trạng thái tĩnh Từ đó xây dựng các phương trình cho từng phần từ để giải hệ các phương trình đơn giản

Phương pháp này khá thông dụng để giải các bài toán động lực học và trực quan hóa mối quan hệ ảnh hưởng lên từng phần tử riêng biệt trong hệ dao động Phương pháp này được dùng khi hệ dao động đơn giản

1.5.1.4 Phương pháp sử dụng phương trình Lagranger loại II

Phương trình Lagranger hạng II có dạng tổng quát như sau:

i i i i

Q q q q

T q

T dt

 - hàm thế năng của hệ

 - Hàm hao tán của hệ

qi - Các tọa độ suy rộng (i = 1, 2, 3, 4)

Qi – Lực suy rộng tương ứng với tọa độ suy rộng thứ i

Sau khi tìm được các hàm động năng, thế năng, năng lượng hao tán và các lực suy rộng theo các toạ độ suy rộng, thay vào phương trình Lagranger hạng II ta

sẽ nhận được một hệ phương trình vi phân, số lượng phương trình vi phân trong hệ

tỷ lệ thuận với số lượng của các khối lượng qui đổi trong mô hình Bằng phương pháp giải tích, một hệ phương trình vi phân luôn luôn có thể biến đổi được về một phường trình vi phân bậc cao với số bậc phụ thuộc vào số phương trình vi phân trong hệ

1.5.1.5 Các phương pháp xây dựng hệ phương trình dao động

a Các giả thiết

Để đơn giản hóa bài toán ở đây đưa ra một số giả thiết:

Dao động của các bánh xe là độc lập với nhau, giả thiết này được dựa trên kết cấu treo độc lập từng bánh xe

Biên độ dao động của nguồn kích thích nhỏ nên có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của dao động góc của thân xe, nói cách khác là chỉ xét dao động thẳng đứng, phương dao động gây ra nhiều tác hại và khó chịu nhất Tính chất đàn hồi và giảm chấn của các phần tử hệ thống treo như lò xo, giảm chấn thủy lực, lốp xe là tuyến tính

Trong mô hình dao động liên kết ô tô được giả thiết đối xứng qua trục dọc của xe và xem độ mấp mô của biên dạng đường ở dưới bánh xe trái và phải là như nhau và có cùng nguồn kích thích, có một khoảng trễ thời gian

b Tần số dao động riêng thân xe

Tần số riêng của hệ dao động được tính ở trạng thái không có lực kích động

từ ngoài vào, lực cản giảm chấn bằng không

Đây là hệ dao động điều hòa, phương trình chuyển động tổng quát có dạng:

- X ma trận gia tốc chuyển vị của hệ

- ω tần số dao động riêng của hệ được xác định bởi công thức

m

c



(rad/s)

Gọi ,dlần lượt là tần số dao động riêng của hệ ,không giảm chấn và hệ có giảm chấn ta có công thức liên hệ như sau: 2



Trong đó là hệ số tỷ lệ tắt dần được tính theo công thức: i

i i

i i

c m

m là phần tử thứ i trong ma trận khối lượng m

Đối với thân xe ta có:

) 2 1

2 1

(

K K

K là hệ số cản của treo trước và treo sau (Ns/m)

M là khối lượng phần treo (kg)

Ngoài ra trong Matlab ở nhóm lệnh khảo sát mô hình động học, có lệnh dùng

để tính tần số riêng của hệ thống động học rất nhanh chóng như sau:

 ,d  damp(sys)

Trong đó:

ω là tần số riêng của hệ

d: hệ số tắt dần

sys: là tên mô hình hệ thống động học

Cả hai cách tính đều cho kết quả giống nhau, do đó trong luận văn này sử dụng cách tính thứ hai để tính tần số riêng

c Tính gia tốc bình phương trung bình

Gia tốc bình phương trung bình được tính bằng cách lập phương trính mô phỏng Kết quả tính tần số riêng được hiển thị ngay trên giao diện khảo sát dao động xe ô tô KIA K2700II và được trình bày ở phần tiếp theo

d Thiết lập hệ phương trình dao động

* Mô hình dao động một phần tử khối lượng

Trên hình 1.23 trình bày mô hình dao động của một phần tử khối lượng