Bé Gi¸o Dôc & §µo T¹o Tr−êng ®¹i häc Giao th«ng vËn t¶i b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc cÊp tr−êng §Ò tµi øng dông m¸y tÝnh gi¶i c¸c bµi to¸n dao ®éng trªn « t« M∙ sè T2003 CK 01 Chñ nhiÖm[.]
Bộ Giáo Dục & Đào Tạo Trờng đại học Giao thông vận tải báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trờng Đề tài: ứng dụng máy tính giải toán dao động ô tô M số: T2003 CK - 01 Chủ nhiệm đề tài: KS Trần văn nh Đơn vị: Bộ môn Cơ khí Ôtô Khoa Cơ khí - ĐH GTVT Thời gian thực hiƯn: 1/2003 – 12/2003 Hµ néi 11/2006 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Môc lôc Môc lôc Mở đầu Ch−¬ng Tỉng quan .4 1.1 Các hớng nghiên cứu dao động ô tô 1.2 Các thông số tiêu đánh giá dao động ô tô 1.2.1 TÇn sè dao động riêng hệ số dập tắt dao động 1.2.2 Gia tèc dao ®éng 1.2.3 Hệ số êm dịu chuyển động (K) 1.2.4 Đánh giá cảm giác theo công suất dao động 1.2.5 Đánh giá cảm giác theo gia tốc dao động thời gian tác động chúng .10 1.3 PhÇn mỊm matlab/simulink 10 1.4 Mơc ®Ých phạm vi nghiên cứu 13 Chơng II Các phần tử mô hình dao động ô tô 14 2.1 Phần tử lốp đàn hồi 14 4.1.1 Mô hình tếp xóc ®iĨm 14 2.1.2 Mô hình đai cứng 17 2.1.3 M« hình tiếp xúc vết cố định 18 2.1.4 Mô hình tiếp xúc vÕt thÝch øng .19 2.2 khối lợng không đợc treo 20 2.2.1 Mô hình khối lợng không đợc treo bậc tự .20 2.2.2 Mô hình khối lợng không đợc treo hai bËc tù 22 2.3 PhÇn tư hƯ thèng treo 23 2.3.1 Mô hình hệ thống treo đơn 25 2.3.2 Mô hình hệ thống treo thăng 27 2.4 Khèi lợng đợc treo 29 2.4.1 Mô hình bậc tự 29 2.4.2 Mô hình hai bậc tự 31 2.4.2 M« hình khối lợng đợc treo ba bậc tự 34 Chơng III Xây dựng số mô hình dao động ô tô điển hình 37 3.1 Mô hình 1/4 xe .37 3.2 M« hình dao động mặt phẳng ngang 39 3.3 Mô hình phẳng dọc dao động tơng đơng ô tô trục 41 3.4 Mô hình phẳng dọc dao động tơng đơng ô tô trục 42 3.5 Mô hình phẳng dọc dao động tơng đơng đoàn « t« 44 3.5 M« h×nh không gian dao động tơng đơng ô tô trục 46 3.6 Mét sè kÕt qu¶ tÝnh to¸n 49 KÕt luËn 53 Tµi liƯu tham kh¶o 54 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Mở đầu Nhà nớc ta đà chủ trơng phát triển ngành công nghiệp nặng, ngành công nghiệp ô tô nớc ta đợc đặc biệt trọng với việc thành lập hàng loạt công ty liên doanh, quốc doanh t nhân hoạt động lĩnh vực sản xuất lắp ráp ô tô Ngành công nghiệp ô tô nớc ta có đủ điều kiện sách, điều kiện xà hội để phát triển Trong năm gần đây, ngành công nghiệp Ôtô Việt Nam có bớc phát triển nhảy vọt Ngày 03 tháng 12 năm 2002 Thủ tớng phủ có định số 177/2004/QĐ-TTg việc phê duyệt quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt nam đến năm 2010, tần nhìn đến năm 2020 Theo quy hoạch phủ bớc đầu hình thành tổng công ty làm nòng cốt cho ngành công nghiệp ô tô nớc: VINAMOTOR, VEAM, VINACOAL tổng công ty khí giao thông Sài Gòn Để đáp ứng nhu cầu nhân lực có chất lợng cao đáp ứng đợc phát triển ngành, trờng Đại học Giao thông Vận tải có điều chỉnh đa số môn học vào chơng trình đào tạo kỹ s Cơ khí Ôtô có môn học ứng dụng tin học tính toán thiết kế sử dụng ô tô Trên ô tô tồn hai dạng dao động: dao động theo phơng thẳng đứng chủ yếu kích thích từ mặt đờng dao động ®éng xo¾n hƯ thèng trun lùc chđ u kích thích từ động từ mặt đờng Bài khảo sát dao động theo phơng thẳng đứng có ý nghÜa quan träng cho viƯc hoµn thiƯn kÕt cÊu hƯ thống treo Bài toán dao động xoắn hệ thống trun lùc cã ý nghÜa cho viƯc hoµn thiƯn kÕt cấu của ly hợp, đồng tốc hộp số Trớc toán dao động ô tô đà đợc thực với nhiều phơng pháp khác nhau, nhiên mô hình tính toán đơn giản nhiều giả thiết làm độ xác toán Trong năm gần với phát triển công nghệ tin học phơng pháp tính, toán dao động ô tô giải đợc với mô hình phức tạp hơn, tính toán nhanh đảm bảo độ xác Với mục tiêu làm tài tiệu tham khảo cho việc giảng dạy viết giảng, đề tài ứng dụng máy tính giải toán dao động ô tô đa phơng pháp tổng quát xây dựng mô hình toán học cho dạng toán dao động ô tô phần mền MATLAB/Simulink Chơng Tổng quan 1.1 Các hớng nghiên cứu dao động ô tô Theo phơng thẳng đứng, ô tô hệ thống dao động mối quan hệ chặt chẽ với đờng - hành khách - lái xe (hệ thống quan hệ Đờng - Ô tô - Con ngời) Có ba hớng nghiên cứu hệ thống quan hệ trên: nghiên cứu bề mặt đờng; nghiên cứu dao động ô tô; nghiên cứu cảm giác sức chịu đựng ngời Hớng nghiên cứu thứ nhất, thực thực nghiệm lý thuyết nhằm mục đích xác định quy luật kích thích dao động ô tô Bằng phơng pháp đo ghi biên dạng đờng khác nhau, tiến hành xử lý kết nhận đợc Dao động ô tô chuyển động dao động cỡng với nguồn kích thích mấp mô mặt đờng Mấp mô mặt đờng thờng quy luật (mấp mô mặt đờng ngẫu nhiên), để mô tả toán học biên dạng đờng dùng đặc trng thống kê gồm: kỳ vọng toán học, phơng sai mật độ phổ lợng chiều cao mấp mô mặt đờng Trên giới có nhiều công trình nghiên cứu việc mô tả toán học độ mấp mô bề mặt đờng Hớng nghiên cứu thứ hai, nghiên cứu dao động ô tô với mục đích cải thiện độ êm dịu chuyển động, chất lợng kéo, tính kinh tế, tính dẫn hớng, độ ổn định chuyển động, độ bền độ tin cậy Vì vậy, nghiên cứu dao động ô tô nghiên cứu mối quan hệ dao động ô tô với tiêu chất lợng khai thác kể Nghiên cứu lý thuyết dao động ô tô phận thờng đợc tiến hành nh sau: - Thay ô tô hệ dao động tơng đơng theo quan điểm mục đích nghiên cứu; - Thiết lập phơng trình dao động hệ sở sử dụng phơng pháp học giải tích sử dụng nguyên lý Đa-lam-be, phơng trình La-grăng Các phơng trình đợc giải phơng pháp tính phân số máy tính Phân tích thông số đầu vào hệ sở giả thiết tính chất phi tuyến tuyến tính phần tử, kích thích hàm điều hoà ngẫu nhiên Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Mét toán nghiên cứu dao động ô tô làm rõ ảnh hởng thông số hệ đến dao động Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm, đa toán phân tích toán tối u thông số hệ thống Hớng nghiên cứu thứ ba, nghiên cứu cảm giác ngời ô tô Hớng nghiên cứu thực khó Khi ô tô ngời cảm thấy mệt mỏi thể xác, căng thẳng thần kinh Nghiên cứu sức chịu đựng ngời đa tiêu đánh giá sức chịu đựng ngời theo nhóm ngời, lứa tuổi Ngoài phải nghiên cứu phản ứng phận, quan thể ngời liên quan đến việc điều khiển xe Hiện ngời ta tập trung vào hai hớng nghiên cứu ngời ngời điều khiển ô tô (lái xe) ngời chịu dao động (hành khách) Việc nghiên cứu hai hớng cần đợc hoàn thiện dao động ô tô làm ngời mệt mỏi dẫn đến phản ứng linh hoạt điều khiển xác gây tai nạn giao thông Để chế tạo hệ thống dao động có chất lợng tốt cần thiết phải nghiên cứu dao động ô tô mối quan hệ tổng thể Đờng -Ô tô - Con ngời Các kết nghiên cứu góp phần nâng cao chất lợng thiết kế chế tạo ô tô góp phần nâng cao hiệu sử dụng suất vận chuyển ô tô kinh tế quốc dân Sơ đồ cấu trúc hệ thống Đờng - Ô tô - Con ngời nghiên cứu dao động ô tô thể hình 1.1 Nghiên cứu lý thuyết: - Hệ dao động tơng đơng phơng trình dao động; - Giải phơng trình dao động máy tính; - Phân tích dao động; - ảnh hởng thông số; - Điều chỉnh tối u hoá thông số Ô tô (dao ®éng) Nghiªn cøu thùc nghiƯm: - KÝch thÝch dao ®éng; - Đo ghi dao động, gia công xử lý số liệu Đờng (Nguồn kích thích) Nghiên cứu lý thuyết: - Đặc tính thống kê; - Biểu diễn toán học biên dạng Rung động, tiếng ồn: - Nguồn phát tiếng ồn, rung động Nghiên cứu thực nghiệm: - Đo nghi biên dạng đờng; - Gia công xử lý số liệu; - Đặc tính thống kê; - ảnh hởng điều kiện sử dụng Liên hệ với chất lợng khai thác: độ êm dịu, chất lợng kéo, tính thông qua, tính ổn định, tính dẫn hớng, tính kinh tế, độ tin cậy Đặc điểm dao động ô tô khác nhau: ô tô con, ô tô tải, ô tô khách, ô tô nhiều trục, đoàn ô tô, ô tô chuyên dïng ThiÕt kÕ hƯ thèng treo: - ThiÕt kÕ phÇn tử đàn hồi, giảm chấn, dẫn hớng Các quan ngời chịu dao động Bệnh nghề nghiệp lái xe, khả chuyên chở bệnh nhân Con ngời, hàng hoá (cảm giác, bảo quản) Khả chịu đựng lái xe: - Chỉ tiêu đánh giá; - Yêu cầu lái xe Mô hình hoá: - Lái xe - Hàng hoá chuyên chở - Hệ đờng-ô tô-con ngời Bảo vệ: - Từ dao động; - Từ rung động, tiếng ồn Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống Đờng - ô tô - ngời nghiên cứu dao động ô tô Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi 1.2 thông số tiêu đánh giá dao động ô tô Khi nghiên cứu dao động ô tô chất lợng hệ thống treo cần phải quan tâm đến thông số dao động tự thông số dao động cỡng dới tác dụng kích thích có chu kỳ kích thích ngẫu nhiên Trong trờng hợp kích thích hàm điều hoà đánh giá dao động theo đặc tính biên độ tần số, kích thích hàm ngẫu nhiên cần đánh giá theo trị số bình phơng trung bình dịch chuyển gia tốc Để tính toán thông số dao động cần sử dụng nhiều đại lợng, thông thờng đại lợng đợc chia thành nhóm: - Các thông số kết cấu, gồm: khối lợng đợc treo không đợc treo; chiều dài sở ô tô; toạ độ trọng tâm khối lợng đợc treo; độ cứng phần tử đàn hồi hệ hƯ thèng treo; ®é cøng cđa lèp; hƯ sè c¶n gi¶m chÊn; hƯ sè c¶n cđa lèp; lùc ma sát hệ thống treo - Các thông số dao động bao gồm: tần số dao động riêng; hệ số dập tắt dao động; dịch chuyển gia tốc khối lợng đợc treo 1.2.1 Tần số dao động riêng hệ số dập tắt dao động Trong trờng hợp dao động tự cản, tần số dao động riêng khối lợng đợc treo trục xác định gần biểu thức (1.1) tần số dao động riêng khối lợng không đợc treo trục đợc xác định theo biểu thøc (1.2): Ω0 = C s C t C = ms m s (C s + C t ) (1.1) Trong đó: Cs - độ cứng phần tử đàn håi hƯ thèng treo; Ct - ®é cøng cđa lốp; ms - khối lợng đợc treo 0U = Cs + Ct mu Trong đó: mu - khối lợng không đợc treo Tần số dao động ô tô nằm giới hạn sau:[6] Đối với xe con: 0= 1ữ1.5 Hz (60 ữ 90 lần/phút); Đối với ô tô tải: = 1.6ữ2 Hz (100 ữ 120 lần/phút) (1.2) Việt Nam, số đợc đề nghị nhỏ 2.5 Hz ô tô sản xuất lắp ráp nớc 1.2.2 Gia tốc dao động Gia tốc dao động thông số quan trọng đánh giá độ êm dịu chuyển động Giá trị gia tốc giới hạn theo phơng Ox (phơng dọc xe), OY (phơng ngang xe), OZ (phơng thẳng đứng) đợc xác định thực nghiệm nh sau:[16] && < 2.5 m/s2 Z (1.3a) && < 0.7 m/s2 Y (1.3b) && < 1.0 m/s2 X (1.3c) Các số liệu coi gần để đánh giá độ êm dịu chuyển động ô tô, số liệu thống kê, động ô tô truyền cho ngời mang tính chất ngẫu nhiên dải tần số rộng 1.2.3 Hệ số êm dịu chuyển động (K) Hệ số êm dịu chuyển động K phụ thuộc vào tần số dao động, gia tốc dao động, vận tốc dao động, phơng dao động thời gian tác dụng đến ngời Nếu K số cảm giác dao động không thay đổi Hệ số K đợc xác định theo công thức: K= && 12 Z + 0.01ω = && ) 18 RMS( Z + 0.01ω && ) = K y RMS( Z (1.4) Trong ®ã: ω - tần số dao động (Hz); && - gia tốc dao ®éng (m/s2); Z Ky - hƯ sè hÊp thơ; && ) - giá trị trung bình gia tốc dao ®éng (m/s2); RMS( Z T &&) = Z && (t)dt RMS (Z T ∫0 (T - thêi gian tác dụng) Nếu ngời chịu dao động ngang t nằm hệ số Ky giảm nửa Hệ số K nhỏ ngời dễ chịu đựng dao động độ êm dịu cao K = 0.1 tơng ứng với ngỡng kích thích, ngồi lâu xe giá trị giới hạn [K] = 10 ữ 25; ngắn [K] = 25 ÷ 63.[6] Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Trong thùc tÕ ®èi với ô tô, dạng điển hình dao động ngẫu nhiên, nhờ phân tích phổ dao động, giá trị hệ số K đợc xác định theo công thức: K= n ∑K i=1 i (1.5) Trong ®ã: Ki - hệ số êm dịu thành phần tần số thứ i; n - số thành phần tần số hàm ngẫu nhiên Giá trị K xác định tính toán lý thuyết thực nghiệm 1.2.4 Đánh giá cảm giác theo công suất dao động Chỉ tiêu đợc dựa giả thiết, cảm giác ngời chịu dao động phụ thuộc vào công suất dao động truyền cho ngời Công suất trung bình truyền đến ngời đợc xác định theo công thøc: T Nc = lim ⋅ ∫ P(t) ⋅ V(t)dt T→∞ T (1.6) Trong ®ã: P(t) - lùc tác động lên ngời dao động; V(t) - vận tốc dao động Con ngời xem hệ dao động cảm giác ngời phụ thuộc vào tần số dao động, ta đa vào hệ số hấp thụ Ky có tính đến ảnh hởng tần số lực kích động hớng tác động Khi tác động n thành phần với giá trị bình phơng trung bình gia tốc RMS( &a& i ) công suất dao động xác định theo công thức: n Nc = ∑ K yi (ω).RMS(&a& i ) (1.7) i=1 Ưu điểm tiêu cho phép cộng tác dụng dao động với tần số khác theo phơng khác Ví dụ ghế ngồi ngời && ) - giá trị bình phơng trung bình xe chịu dao động với bốn thành phần: RMS( Z && ) - giá trị bình phơng trung gia tốc dao động thẳng đứng truyền qua chân, RMS( Z g && ) - giá trị bình bình gia tốc giao động thẳng đứng truyền qua ghế ngồi, RMS( X && ) - giá trị bình phơng trung phơng trung bình gia tốc theo phơng dọc, RMS( Y bình gia tốc theo phơng ngang Công suất tổng cộng truyền đến ngời đợc xác định theo công thøc sau: