NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG Ô TÔ ppt

- 1 - CHƯƠNG I: TỔNG QUAN. 1.1. CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG Ô TÔ. Ô tô là một hệ dao động phức tạp nằm trong mối liên hệ chặt chẽ với đường có biên dạng phức tạp. Dao động ô tô không những ảnh hưởng tới con người (lái xe và hành khách), hàng hóa chuyên chở, độ bền của cụm tổng thành, độ an toàn chuyển động của ô tô mà còn ảnh hưởng đến tuổi thọ của đường. Đặc biệt trong quá trình chuyển động, khi ô tô dao động làm phát sinh tải trọng động rất lớn tác động lên hệ thống khung vỏ của ô tô, các chi tiết, cơ cấu tổng thành… ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của chúng. Việc nghiên cứu dao động của ô tô được chia làm 3 hướng: - Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường. - Nghiên cứu dao động của ô tô. - Nghiên cứu cảm giác của con người, sự an toàn của hàng hóa chuyên chở. 1.1.1. Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường. Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường được tiến hành bằng thực nghiệm và lý thuyết nhằm xác định quy luật kích thích dao động của ô tô. Bằng các phương pháp đo ghi biên dạng mặt đường khác nhau, tiến hành xử lý các kết quả nhận được bằng thống kê. Các đặc tính thống kê của biên dạng bề mặt đường phản ánh sự thay đổi của chúng trong điều kiện sử dụng dưới tác dụng của ô tô, thời gian, điều kiện khí hậu và môi trường … Bằng các đặc tính thống kê biên dạng đường, người ta xây dựng mô hình về biên dạng đường để làm cơ sở cho tính toán sau này. 1.1.2. Nghiên cứu dao động ô tô. Nghiên cứu dao động ô tô với mục đích cải thiện độ êm dịu chuyển động, chất lượng kéo, tính kinh tế, tính dẫn hướng, độ ổn định chuyển động, độ bền và độ tin cậy… Vì vậy nghiên cứu dao động ô tô phải xác lập mối quan hệ giữa dao động với các chỉ tiêu khai thác trên. Nghiên cứu lý thuyết dao động ô tô thường được tiến hành như sau: - 2 - - Thay thế ô tô bằng hệ dao động tương đương, tùy theo quan điểm và mục đích nghiên cứu. - Thiết lập mô hình toán học (Hệ phương trình chuyển động) trên cơ sở sử dụng các phương pháp của cơ học giải tích hoặc nghuyên lý Dalambe. - Giải hệ phương trình nhờ máy tính điện tử hoặc máy tính số. Phân tích các thông số đầu vào của hệ trên cơ sở các giả thuyết về dao động tuyến tính hoặc phi tuyến tính, kích thích dao động làm hàm điều hòa hay ngẫu nhiên. Một trong những bài toán cơ bản khi nghiên cứu dao động ô tô là làm rõ ảnh hưởng của sự thay đổi các thông số của hệ dao động . Việc nghiên cứu thực nghiệm dao động ô tô có ý nghĩa rất quan trọng bởi vì khi tiến hành thử nghiệm người ta giải quyết các vấn đề như: Bằng cách nào để kích thích cho ô tô dao động, gia công xử lý các số liệu thực nghiệm. Dao động của ô tô nằm trong một dải tần số rộng có thể phân ra dao động của khối lượng treo ở tần số thấp, dao động của khối lượng không được treo ở tần số cao, dao động của thân vỏ xe ở dung động và phát ồn… 1.1.3. Nghiên cứu cảm giác của con người. Nghiên cứu cảm giác của con người trên ô tô là công việc khó khăn, vì phải xác định mức mệt mỏi về thần kính và thể xác cũng như sự phản ứng của các cơ quan, bộ phận của người lái và hành khách. Để có thể tạo ra một hệ dao động có chất lượng tốt cần thiết phải nghiên cứu dao động ô tô trong mối liên hệ tổng thể “Đường – Ô tô – Con người” (Hình 1.1). Các kết quả nghiên cứu dao động ô tô sẽ góp phần nâng cao chất lượng thiết kế chế tạo ô tô góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng và năng suất vận chuyển của ô tô trong nền kinh tế quốc dân. - 3 - Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống “Đường – ô tô – con người” trong nghiên cứu dao động của ô tô - 4 - 1.2. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG VÀ ĐỘ ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã đưa ra một số chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô như sau: 1.2.1. Tần số dao động. Trong sinh hoạt hàng ngày do phải di chuyển từ chỗ này đến chỗ khác nên con người quen với nhịp điệu bước đi, trung bình một phút con người có thể thực hiện được 60 90  bước đi. Khi quan niệm con người thực hiện bước đi là thực hiện một dao động thì con người đã quen với tần số dao động 60 90  lần/phút. Tần số dao động của ô tô nằm trong giới hạn sau: - Đối với xe con: 60 90 k n   lần/phút   1 1,5 Hz  - Đối với xe tải : 90 120 k n   lần/phút   1,6 2 Hz  Ở Việt Nam chỉ số này đang được đề nghị nhỏ hơn 2,5Hz đối với các ô tô sản xuất lắp ráp trong nước. 1.2.2. Gia tốc dao động. Gia tốc dao động là thông số quan trọng để đánh giá độ êm dịu chuyển động, nó kể đến ảnh hưởng đồng thời của biên độ và tần số dao động. Vì dao động tự do tắt dần chỉ tồn tại trong một số chu kỳ, do vậy việc xác định gia tốc dao động sẽ có ý nghĩa lớn khi nghiên cứu dao động cưỡng bức với sự kích thích của mặt đường. Giá trị gia tốc giới hạn theo các phương OX (phương dọc xe), OY (phương ngang xe), OZ (phương thẳng đứng) được xác định bằng thực nghiệm như sau: 2 2 2 1,0 / ; 0,7 / ; 2,5 / X m s Y m s Z m s       Các số liệu trên có thể coi là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, vì đó là số liệu thống kê, hơn nữa dao động ô tô truyền cho con người mang tính chất ngẫu nhiên ở dải tần số rộng. 1.2.3. Hệ số êm dịu chuyển động (K). - 5 - Hệ số êm dịu chuyển động K phụ thuộc vào tần số dao động, gia tốc dao động, vận tốc dao động, phương dao động và thời gian tác dụng của nó đến con người. Nếu K là hằng số thì cảm giác khi dao động sẽ không thay đổi. Hệ số K được xác định theo công thức:     2 2 18. 12,5. . 1 0,01 1 0,01 y RMS Z Z K K RMS Z           (1.1) Trong đó:  : Tần số dao động (Hz). Z  : Gia tốc dao động   2 / m s . y K : Hệ số hấp thụ.   RMS Z  : Giá trị bình phương trung bình của gia tốc dao động   2 / m s ;   2 0 1 ( ) T RMS Z Z t dt T     : Với T là thời gian tác dụng. Nếu con người chịu dao động ở tư thế nằm thì y K giảm đi một nửa. Hệ số K càng nhỏ thì con người càng dễ chịu đựng dao động và độ êm dịu càng cao. K=0,1 tương ứng với ngưỡng kích thích, khi ngồi lâu trên xe giá trị giới hạn [K]=10-25; khi đi ngắn [K]=25-63. Trong thực tế đối với ô tô, dạng điển hình dao động là ngẫu nhiên, khi đó nhờ phân tích phổ dao động, giá trị hệ số K được xác định theo công thức: 2 1 n i i K K    (1.2) Trong đó: i K : Hệ số êm dịu của thành phần tần số thứ i; n: Số thành phần tần số của hàm ngẫu nhiên, Giá trị K có thể xác định bằng tính toán lý thuyết hoặc bằng thực nghiệm. 1.2.4. Đánh giá theo công suất dao động. Chỉ tiêu này được dựa trên giả thiết, cảm giác của con người khi chịu dao động phụ thuộc vào công suất dao động truyền cho con người. Công suất trung bình truyền đến con người được xác định theo công thức: - 6 - 0 1 lim . ( ). ( ) T c T N P t V t dt T    (1.3) Trong đó: P(t): Lực tác động lên con người khi dao động; V(t): Vận tốc dao động. Con người có thể xem là một hệ dao động và cảm giác của con người phụ thuộc vào tần số dao động, do đó ta có thể đưa vào hệ số hấp thụ y K có tính đến ảnh hưởng của tần số lục kích động và hướng tác động của nó. Khi tác động n thành phần với các giá trị bình phương trung bình của gia tốc ( ) i RMS a  thì công suất dao động có thể xác định theo công thức sau: 2 1 ( ). ( ) n c yi i N K RMS a      (1.4) Ưu điểm của chỉ tiêu này cho phép cộng các tác dụng của các dao động với tần số khác nhau theo các phương khác nhau. Ví dụ ghế ngồi của con người trên xe chịu dao động với bốn thành phần: ( ) RMS Z   giá trị bình phương trung bình gia tốc dao động thẳng đứng qua chân, ( ) g RMS Z   gia trị bình phương trung bình gia tốc dao động thẳng đứng truyền qua ghế ngồi, ( ) RMS X   giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương dọc, ( ) RMS Y   giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương ngang. Công suất tổng cộng truyền đến con người được xác định theo công thức sau:   2 2 2 2 . ( ) . ( ) . ( ) . ( ) c Zi i zgi gi xi i yi i N K RMS Z K RMS Z K RMS X K RMS Y         (1.5) Theo thí nghiệm, trị số cho phép   c N như sau:   0,2 0,3(w) c N    Tương ứng với cảm giác thoải mái.   6 10(w) c N    Giới hạn cho phép đối với ô tô có tính cơ động cao. Các nghiên cứu chỉ ra, những tác động phụ tuyền qua chân không lớn như những tác động truyền qua ghế ngồi vì trong tư thế đứng tác động của dao động bị yếu đi bởi các khớp xương của chân. Các dao động con người chịu trong tư thế ngồi sẽ làm tổn thương cột sống. - 7 - 1.2.5. Đánh giá cảm giác theo gia tốc dao động và thời gian tác động. Tổ chức quốc tế và tiêu chuẩn hóa ISO đưa ra năm 1969 cho phép đánh giá tác dụng của dao động lên con người khi đi trên ô tô. Cảm giác được đánh giá theo ba mức: Thoải mái, mệt mỏi và mức giới hạn. Sự khác nhau giữa tiêu chuẩn ISO so với các tiêu chuẩn khác ở chỗ có tính đến thời gian tác động của dao động. Để đánh giá cảm giác, người ta sử dụng dao động thẳng đứng điều hòa tác dụng lên người ngồi và đứng trong 8 giờ. Nếu tần số tác động ở trong giới hạn nhạy cảm nhất với dao động của con người (4-8 HZ) thì bình phương gia tốc trung bình đối với các giới hạn: - Thoải mái: 2 0,1 / m s - Mệt mỏi cho phép: 2 0,315 / m s - Mệt mỏi ở trong giới hạn cho phép 2 0,63 / m s 1.3. HỆ THỐNG TREO TRÊN Ô TÔ. Nhiệm vụ của hệ thống treo trên ô tô là nối đàn hồi giữa khối lượng không được treo (cầu xe, bánh xe) với khối lượng được treo (thân xe) tạo thành một hệ thống dao động. Cấu tạo hệ thống treo gồm: Phần tử giảm chấn, phần tử đàn hồi và phần tử dẫn hướng. Mỗi phần tử lại có nhiệm vụ khác nhau: - Phần tử đàn hồi có tác dụng làm giảm nhẹ các tải trọng tác động từ bánh xe lên thân xe và tạo ra tần số dao động phù hợp với con người. -Phần tử giảm chấn có tác dụng dập tắt dao động của khối lượng được treo và không được treo. - Phần tử dẫn hướng có nhiệm vụ truyền lực dọc và lực ngang từ bánh xe lên thân xe. Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo bị động trên ô tô vẫn còn sự mâu thuẫn giữa độ an toàn chuyển động và độ êm dịu chuyển động trên ô tô. Hệ số cản giảm chấn thấp thì độ êm dịu chuyển động tăng nhưng độ an toàn chuyển - 8 - động giảm. Ngược lại, khi hệ số cản giảm chấn cao thì độ an toàn chuyển động tăng nhưng độ êm dịu chuyển động lại giảm (hình 1.2). Hình 1.2. Sự phụ thuộc của hệ số cản giảm chấn đến độ êm dịu và độ an toàn chuyển động của ô tô. Độ an toàn chuyển động của ô tô chủ yếu bị giới hạn bởi dịch chuyển thẳng đứng của bánh xe, dịch chuyển xoay của thân xe, góc lắc dọc và lắc ngang của thân xe trong quá trình phanh hoặc vào khúc cua. Độ êm dịu chuyển động của ô tô có thể đánh giá thông qua dịch chuyển thẳng đứng, gia tốc thẳng đưng và gia tốc lắc dọc của thân xe. Ô tô dao động chủ yếu do kích thích từ mấp mô mặt đường. Hiện nay, hệ thống treo bị động (hình 1.3a) được coi là tốt nhất chỉ có thể đúng với một loại đường nhất định vì các thông số cấu thành nên ( lò xo và bộ giảm chấn) đã được người kỹ sư thiết kế từ trước. Ưu điểm của hệ thống treo này là giá thành rẻ, tốn rất ít nhiên liệu cho hệ thống treo. Song nhược điểm lại là độ êm dịu chuyển động kém, chỉ đáp ứng được cho một số loại đường, độ an toàn chuyển động không cao. - 9 - a) b) c) Hình 1.3. Mô hình các hệ thống treo. a) Hệ thống treo bị động; b) Hệ thống treo bán tích cực; c) Hệ thống treo tích cực ZS – Dịch chuyển khối lượng được treo; Zu – Dịch chuyển khối lượng không được treo; CS – Độ cứng của phần tử đàn hồi; KS – Hệ số cản của giảm chấn; KS(t) – Hệ số cản giảm chấn bán tích cực; Ct – Độ cứng của lốp; Fa – Lực của bộ phát động thủy lực của hệ thống treo tích cực. Do vậy, để đáp ứng các chỉ tiêu độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động trên tất cả các loại đường khác nhau thì các đặc tính của hệ thống treo cần phải thay đổi trong quá trình ô tô chuyển động phù hợp với các đặc tính của đường và vị trí khung vỏ xe được điều khiển nhờ hệ thống điều khiển tự động. Tùy thuộc vào khả năng điều khiển các thông số của hệ thống treo có điều khiển, người ta phân thành hai loại: Hệ thống treo bán tích cực (hệ thống treo chỉ có thông số của giảm chấn được điều khiển) và hệ thống treo tích cực hoàn toàn (hệ thống treo tích cực). Trong hai loại trên, hệ thống treo tích cực đang được - 10 - nghiên cứu ứng dụng trên nhiều dòng xe hiện đại và sẽ lại hệ thống treo của tương lai. Hệ thống treo tích cực (hình 1.3c) bao gồm bộ phát động thủy lực, bộ điều khiển và bộ cảm biến. Hệ thống treo này đòi hỏi phải có năng lượng cung cấp cho hệ thống lớn, giá thành cao, trọng lượng lớn và phức tạp. Đây là nhược điểm chính của hệ thống treo này. Để khắc phụ nhược điểm của hệ thống treo tích cực, người ta đưa ra hệ thống treo bán tích cực với giảm chấn mắc song song với phần tử đàn hổi (hình 1.3b) ngày nay được sử dụng nhiều trên ô tô do có những ưu điểm: Kết cấu đơn giản, năng lượng cung cấp cho hệ thống ít, dễ điều khiển và đáp ứng khá tốt yêu cầu về độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động. [...]... và khối lượng không được treo Tùy vào mục đích nghiên cứu có thể xây dựng mô hình dao động ô tô trong mặt phẳng dọc, mặt phẳng ngang, hoặc trong không gian Trong mặt phẳng dọc, dao động thẳng đứng và quay của khối lượng được treo ảnh hưởng đến độ êm dịu chuyển động Trong mặt phẳng ngang, dao động có ảnh hưởng đến tính dẫn hướng và tính ổn định chuyển động của ô tô Mô hình dao động ô tô được xây dựng... ngôn ngữ Hình 2.21 Quan hệ truyền đạt của bộ suy luận mờ - 33 - CHƯƠNG III: KHẢO SÁT DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ VỚI HỆ THỐNG TREO TÍCH CỰC ĐIỀU KHIỂN MỜ 3.1 CÁC GIẢ THIẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH Ô tô là một hệ cơ học gồm nhiều khối lượng như thân, vỏ, trục, bánh xe, động cơ, hệ thống truyền lực… giữa chúng có mối lien hệ rất phức tạp thông qua các phần tử đàn hồi, các khớp nối, các phần tử giảm chấn Khối lượng ô tô. .. đưa ô tô thực tế về mô hình phẳng dọc (mô hình bốn bậc tự do) hình 3.1 Hình 3.1 Mô hình dao động phẳng dọc ô tô 2 trục a,b – là khoảng cách từ trọng tâm khối lượng được treo đến tâm cầu trước, sau; L – chiều dài cơ sở; q1 , q2 - mấp mô mặt được dưới trục trước và sau 3.2.1 Mô hình toán học bánh xe Với giả thiết khối lượng của bánh xe được đưa vào khối lượng của phần khối lượng không được treo, mô hình... hợp bộ điều khiển mờ Đề tài tổng hợp 01 bộ điều khiển mờ FZ Đề tài lựa chọn mô hình ¼ ô tô (mô hình hệ thống treo) làm đối tượng xây dựng bộ điều khiển mờ Mô hình hệ thống treo tích cực được thể hiện ở hình 2.18 Hình 2.18 Sơ đồ mô hình dao động ¼ ô tô Z s - dịch chuyển khối lượng được treo; Z u - dịch chuyển của khối lượng không được treo; ms - khối lượng được treo; C1 , C2 - hệ số cản của giảm chấn... thuận tiện trong tính toán và kết quả thu được chính xác nhất Khi xây dựng mô hình dao động cần một số giả thiết Những giả thiết này làm cho quá trình nghiên cứu tính toán đơn giản hơn, song không làm mất đi tính tổng quát của bài toán và đảm bảo độ chính xác cần thiết Các giả thiết cơ bản khi xây dựng mô hình tổng quát của ô tô như sau: - Phần khối lượng được treo coi như cứng tuyệt đối, có momen đối... không được treo có một bậc tự do là dịch chuyển thẳng đứng Zi - Coi phần tử đàn hồi của hệ thống treo và lốp xe là tuyến tính với độ cứng tương ứng là K1 và K2 - Bỏ qua nguồn kích thích dao động trên thân xe, coi mấp mô mặt đường là nguồn kích thích duy nhất - 34 - - Coi tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường là tiếp xúc điểm, mặt đường được coi là cứng tuyệt đối 3.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ... về trạng thái ban đầu khi không chịu cường độ điện trường Do đó làm thay đổi đặc tính của giảm chấn Nguyên lý hoạt động của chất lỏng được mô tả qua hình 2.8 b) a) Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của chất lỏng ER a-Nguyên lý hoạt động; b-Khi xuất hiện chuyển động quay giữa rotor và stator Đường đặc tính của giảm chấn nên được điều chỉnh phù hợp với điều kiện ô tô chuyển động trong thực tế: Vận tốc... trực quan, để cách ly dao động tốt thì tổng lực tác động lên khối lượng được treo phải được tối thiểu hóa Trong quá trình dao động, các lực tác động lên khối lượng được treo gồm lực giảm chấn và lực đàn hồi Dấu và giá trị của lực giảm chấn phụ thuộc vào vận tốc piston giảm chấn (Vd), dấu và giá trị lực đàn hồi phụ thuộc vào dịch chuyển tương đối (Zd) giữa khối lượng được treo và không được treo - Khi... miền ngôn ngữ) - Đối với biến vào là vận tốc dịch chuyển của piston giảm chấn và vận tốc thân xe được định lượng bằng 5 giá trị ngôn ngữ: “Âm trung bình” , “Âm nhỏ” , “Không” , “Dương nhỏ” , “Dương trung bình” - Đối với biến vào là gia tốc thân xe được định nghĩa bằng 3 giá trị ngôn ngữ : “Âm”, “Dương”, “Không” - Đối với biến ra là giá trị lực của giảm chấn được định nghĩa bằng 9 giá trị ngôn ngữ:... xe được đưa vào khối lượng của phần khối lượng không được treo, mô hình động lực học của bánh xe chỉ gồm phần tử đàn hồi và phần tử giảm chấn trên hình 3.2 - 35 - Hình 3.2 Mô hình động lực học của bánh xe đàn hồi K 2 - độ cứng của lốp; C2 - hệ số cản giảm chấn của lốp; Z u - dịch chuyển của khối lượng không được treo; q - mấp mô biên dạng đường; Ft - lực tương tác giữa lốp với đường Lực tương tác giữa . ra một hệ dao động có chất lượng tốt cần thiết phải nghiên cứu dao động ô tô trong mối liên hệ tổng thể “Đường – Ô tô – Con người” (Hình 1.1). Các kết quả nghiên cứu dao động ô tô sẽ góp phần. tuổi thọ của chúng. Việc nghiên cứu dao động của ô tô được chia làm 3 hướng: - Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường. - Nghiên cứu dao động của ô tô. - Nghiên cứu cảm giác của con người,. nghiên cứu dao động ô tô phải xác lập mối quan hệ giữa dao động với các chỉ tiêu khai thác trên. Nghiên cứu lý thuyết dao động ô tô thường được tiến hành như sau: - 2 - - Thay thế ô tô