Mô hình không gian xe tải để nghiên ứu áp lự ủa nó với đường

Thực tế đó cho thấy Matlab -Simulink là một trong những phần mềm cú khả năng ứng dụng rất cao trong việc giải cỏc bài toỏn kỹ thuật bằng cỏc tớnh năng chuyờn biệt như: lập trỡnh, xử lý s

-Simulink là một trong những phần mềm có khả năng ứng dụng rất cao trong việc giải các bài toán kỹ thuật bằng các tính năng chuyên biệt như: lập trình, xử lý số và

đồ hoạ để mô phỏng, phân tích một hệ thống động

Với một hệ thống ô tô, việc mô hình hoá không hề đơn giản vì một hệ thống làm việc chịu tác động của rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự hoạt động của hệ thống đó Khi lập mô hình buộc người nghiên cứu phải hạn chế bớt các yếu tố đầu vào vì sự hạn chế của phần mềm và sự phức tạp của quá trình mô phỏng, với sự hạn chế các yếu tố đầu vào như vậy sẽ cho ra các kết quả mô phỏng gần đúng so với thực tế làm việc của hệ thống, bởi vậy kết quả mô phỏng chỉ được sử dụng để nghiên cứu và giới hạn công việc thử nghiệm khi sản xuất Đối với công tác nghiên cứu, việc mô phỏng sự làm việc của các hệ thống trên ô tô là hết sức cần thiết vì nó tiết kiệm được chi phí về tiền của và thời gian Nghiên cứu về dao động ô tô là một vấn đề hết sức cần thiết đối với nhà sản xuất cũng như các chuyên gia ngành ô tô

Việc vận chuyển hàng hoá bằng xe ô tô tải đang ngày một gia tăng, nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động, giảm xung lực giữa đường và xe để đáp ứng yêu

10

cầu về vận tải hàng hoá và tăng tính năng an toàn chuyển động của ô tô, cũng như nâng cao độ bền của xe và đường là hết sức cần thiết

cơ sở những vấn đề đã được trình bày ở trên Nội dung đề tài tập trung vào nghiên cứu dao động xe ô tô bằng việc nghiên cứu, khảo sát dao động trên mô hình một phần tư có phần tử đàn hồi cơ khí Xây dựng mô hình dao động xe tải từ đó khảo sát các yếu tố kết cấu ảnh hưởng đến dao động của xe và đánh giá xe mẫu theo tiêu chuẩn ISO 2631

- Lịch sử nghiên cứu: Nghiên cứu dao động xe ô tô tải đã được nghiên cứu từ lâu với nhiều công trình của hàng trăm tác giả như Mitschke đã đưa ra ấn phẩm

“Dynamik der Fahrzeuge” vào năm 1970 Schiehlen sử dụng phương pháp hệ nhiều vật, mô đun hoá các hệ cơ học, sử dụng máy tính để mô phỏng dao động của hệ Ở

Hường „Nghiên cứu hoàn thiện mô hình khảo sát dao động ô tô tải nhiều cầu” và nhiều luận văn cao học, đồ án tốt nghiệp của nhiều học viên, sinh viên khác, nhưng mỗi một công trình nghiên cứu nhắm giải quyết một số vấn đề nhất định, việc nghiên cứu, hoàn thiện về dao động ô tô ngày nay vẫn tiếp tục là vấn đề cần được giải quyết

- Mục tiêu nghiên cứu luận văn

Dao động ô tô là lĩnh vực luôn được quan tâm nghiên cứu Với áp lực của xã hội, chất lượng ô tô ngày càng đòi hỏi cao hơn Do đó việc hoàn thiện các kết cấu xe luôn là những nhu cầu cấp thiết, trong đó có vấn đề hệ thống treo và chất luợng hệ thống treo, nhằm nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động cho xe cũng như

xe tải có hai khối lượng đựơc treo riêng biệt đặt trên khung cứng vững theo chiều

+ Xây dựng mô hình dao động của xe tải có cấu trúc khung chịu lực

+ Nghiên cứu chọn chỉ tiêu đánh giá dao động xe tải

- Phương pháp nghiên cứu

thực hiện và phù hợp với tư duy mô phỏng trên máy tính

dao động của hệ thống

- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát dao động theo các tiêu chí đánh giá dao động.

Để thực hiện luận văn này tôi đã được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS TS Võ Văn Hường và sự tham gia góp ý của các thầy giáo, các bạn đồng môn Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy, các thầy giáo trong lĩnh vực ô tô và các bạn đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này!

Mặc dù đề tài đã đạt được một số kết quả nhất định, tuy nhiên do khả năng

và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn đã không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự góp ý kiến chân thành của các Thầy giáo, các nhà khoa học, các đồng nghiệp và bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 10 tháng 11 năm 2011

Học viên

Lê văn Bắc

12

CỦA DAO ĐỘNG ĐẾN Ô TÔ

1.1 C ác yếu tố tác động gây dao động

- 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…

- Gió: Độ mạnh nhẹ, chiều hướng, tính chất là ngẫu nhiên, thay đổi trong quá trình xe chuyển động và về cơ bản tâm tác động của gió không trùng với trọng tâm của xe

1.2 Đánh giá các nguồn kích động gây dao động ô tô

Trong các yếu tố gây dao động ở trên thì yếu tố mấp mô mặt đường được coi là nguồn chủ đạo gây dao động ô tô Vì mô tả chính xác quy luật kích động của mấp mô mặt đường là tốn kém và phức tạp, nên trong nghiên cứu dao động ô tô thì tùy thuộc vào mục tiêu nghiên cứu mà ta có thể mô tả mấp mô mặt đường theo các dạng sau

13

Khi nghiên cứu dao động ô tô bằng việc xây dựng mô hình rồi mô phỏng dao động của xe thì việc kiểm tra mô hình bằng cách chọn các kích động là dạng xung đơn hoặc tuần hoàn sẽ dẽ dàng hơn cả mà vẫn đảm bảo tính chính xác Khi đó tín hiệu đầu vào là tường minh và tín hiệu ra của mô hình có thể đánh giá được

Khi nghiên cứu ô tô dưới kích động là một số loại đường cụ thể buộc ta phải làm thí nghiệm, đo đạc, nghiên cứu, khảo sát các loại đường đó và sử dụng

ngoài nước nghiên cứu quy luật phân bố ngẫu nhiên của đường và mô tả chúng Trong giới hạn của luận văn khi nghiên cứu dao động ô tô dưới kích động của

hoàn

1.3 Ảnh hưởng của dao động

- Ảnh hưởng của dao động đến sức khỏe con người

thể gây mệt mỏi, căng thẳng cho lái xe ảnh hưởng đến hoạt động lái xe, đặc biệt là phản xạ để sử lý tình huống

- Ảnh hưởng đến các chi tiết của ô tô

Tác động từ mặt đường lên xe gây ra dao động làm va đập, gây ra tải trọng thay đổi đối với các chi tiết của ô tô, ảnh hưởng đến độ bền của các chi tiết

Dao động cũng làm ảnh hưởng đến khả năng truyền lực cũng như tính điều khiển hướng chuyển động của xe, ổn định chuyển động, lật xe…Dao động ô tô tạo

14

nên các tải trọng động trên các bánh xe, làm thay đổi độ bám đường của bánh xe và tạo ra các gia tốc lắc làm ảnh hưởng đến chuyển động của xe

- Ảnh hưởng đến chuyển động tương đối giữ thân xe và cầu 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

1.4 Chỉ tiêu đánh giá dao động

1.4.1.Chỉ tiêu 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

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

f

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

Kz < 0,2 Không cảm nhận được dao động

16

Hình 1.2 Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian

Để dễ dàng xem xét, người ta đưa ra quan hệ giới hạn gia tốc phụ thuộc tần

loại xe

17

+ Giới hạn cảnh báo: Hệ thống treo 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

z st

F k

ổn định quỹ đạo chuyển động Người ta định nghĩa hệ số tải trọng động cực tiểu

KR dyn,min R

, ,

z st

FF

= + 0 k≤ R dyn,min R ≤1 (1.6)

KR dyn,min R= 0,5 Giới hạn cảnh báo

KR dyn,min R = 0 Giới hạn can thiệp

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 Mr Wilkinson đưa ra công thức xác định hệ số áp lực đường w như sau

( )

z st i

20

2 1 Đặc điểm cấu trúc xe tải

Mô hình không gian mô tả dao động ô tô là hệ nhiều vật phức tạp, bao hàm

Việc nghiên cứu sẽ dễ dàng và dễ kiểm soát nếu chia cơ hệ thành các hệ con, tức là môđun hóa khi thiết lập mô hình cũng như khi lập phương trình Phương pháp tách cấu trúc cũng rất phù hợp với tư duy mô phỏng trong Matlab Simulink

Nếu một xe có vỏ chịu lực, treo độc lập thì tối thiểu cơ hệ có (1+4) khối lượng, nếu treo phụ thuộc thì cơ hệ có tối thiểu (1+2) khối lượng

Nếu xe có kiểu khung chịu lực như xe tải, có hai khối lượng được treo, thì tối thiểu mô hình có (2+3) khối lượng Các khối lượng được treo và không được treo liên kết với nhau qua hệ thống treo, có đặc tính đàn hồi và đặc tính cản Trong

mô hình có thể coi hệ treo như một môđun Nếu xét theo góc độ dao động thì bánh

xe cũng là phần tở đàn hồi và do vậy nó cũng là một hệ con

Mục tiêu chính của nghiên cứu dao động ô tô là nâng cao êm dịu và an toàn chuyển động, giảm áp lực cho cầu đường Các dao động của các khối lượng liên quan đến mục tiêu này đều nằm trong mức tần số dưới 30Hz, chính vì thế phức tạp đến đâu thì dao động ô tô vẫn là một hệ nhiều vật

Để làm cơ sở cho lập mô hình, đưa ra một số định nghĩa sau:

+ Xét về cấu trúc có ba dạng sau:

một khối đồng nhất, tức là một khối lượng được treo và các bánh là khối lượng

- Khung vỏ chịu lực: Như xe ca

+ Xét về liên kết có ba dạng:

21

Trong đồ án này sẽ nghiên cứu dao động của xe tải hai cầu, treo phụ thuộc

Mô hình đưa ra tuy chỉ áp dụng cho xe hai cầu, nhưng về phương pháp tư duy và tách cấu trúc thì có thể áp dụng cho nhiều loại xe khác nhau

+ Đặc điểm của các dạng liên kết

a, Xét về kiểu treo độc lập có các đặc điểm sau:

- Động học bánh xe với thân xe hoàn toàn được xác lập, có ảnh hưởng nhiều của yếu tố phi tuyến hình học

- Thuộc tính phi tuyến hệ treo có thể phi tuyến trong miền làm việc

- Khối lượng không được treo có thể va chạm với khối lượng được treo

b, Treo phụ thuộc và treo cân bằng

- Thuộc tính phi tuyến hệ treo có thể phi tuyến trong miền làm việc

- Khối lượng không được treo có thể va chạm với khối lượng được treo + Liên kết bánh xe với đường

Trong dao động ô tô, đường là một vật đặc biệt, bánh xe đàn hồi và đường

có thể thiết lập được bằng nhiều phương pháp khác nhau Tính phức tạp của mô hình toán học không phụ thuộc vào số khối lượng, số bậc tự do mà phụ thuộc vào sự

mô tả liên kết động học và các lực liên kết Những yếu tố này làm cho hệ có tính chất phi tuyến

- Phi tuyến vật lý: Do đặc tính treo và va chạm của lốp gây ra

Có thể thấy được các yếu tố phi tuyến trong hệ treo và quan hệ liên kết bánh

xe, mặt đường

su, khí nén Đặc tính của chúng có thể phi tuyến, có thể tuyến tính.

thống treo thường trang bị giảm chấn thủy lực có đặc tính phi tuyến, trong các hệ treo điện tử các lực cản được điều khiển bởi một CPU tùy theo điều kiện dao động của ô tô

- Cơ cấu chuyển hướng: Cơ cấu xác định động học bánh xe, xác lập liên kết

- Thanh ổn định: Hạn chế dao động lắc ngang thân xe

ξ : Chuyển vị khối lượng phần không được treo

Lực cản giảm chấn được xác định như sau:

25

2 2.2 Mô hình lốp

hồi theo các hướng khác nhau và các phần tử giảm chấn Như vậy lốp có thể được

+ Quá trình nén có hai giai đoạn.

gián đoạn, làm cho hệ phương trình phi tuyến mạnh

L CL

27

2.3 Các giả thiết khi xây dựng mô hình

Nghiên cứu dao động ô tô bằng mô hình một phần tư có thể cho ta kết quả để tối ưu các thông số của hệ treo Khi nghiên cứu mô hình một phần tư là ta đã giả

+ Khối lượng của toàn bộ các hệ thống phía trên hệ thống treo và khối lượng của hệ thống treo được coi như tập trung tại trọng tâm của xe, là khối lượng được treo kí hiệu m Khối lượng của toàn bộ các hệ thống phía dưới hệ thống treo được coi như tập trung tại trọng tâm của cầu xe và được đặt trong cùng một đường trục

lượng được treo và khối lượng không được treo liên kết với nhau qua phần tử đàn hồi có độ cứng là C và giảm chấn có hệ số cản là K

2.4 Xây dựng mô hình toán học

Sử dụng phương pháp Newton Euler (phương pháp hệ nhiều vật) để thiết lập

hệ phương trình vi phân mô tả dao động của hệ

ξ

ξ

Mg

Hình 2.6: Sơ đồ đặt lực mô hình 1/4

2.5 Sử dụng chương trình Simulink trong phần mềm MATLAB để khảo sát dao động của hệ

Để giải hệ phương trình vi phân trước đây người ta thường giải bằng tay sử

phương pháp đạo hàm liên tiếp v v Với các phương pháp này để giải một hệ phương trình vi phân là khá phức tạp và mất nhiều thời gian tính toán, nhất là với hệ phương trình vi phân với các hệ số phi tuyến thì sẽ rất khó khăn Hiện nay nhờ sự phát triển của công nghệ tin học người ta đã xây dựng nhiều phần mềm để giải quyết bài toán trên giúp việc giải hệ phương trình vi phân là rất dễ ràng và nhanh chóng Một phần mềm hiện nay đang đang được sử dụng nhiều trong kỹ thuật đó là MATLAB với nhiều Toolbox như: Simulink, SimMechanics, SimDriveline…giải quyết rất tốt những bài toán kỹ thuật như vậy

2.5.1 Giới thiệu sơ lược về MATLAB – Simulink

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

30

mô phỏng một hệ thống đang được mô tả ở dạng phương trình vi phân, phương

Trong môi trường Simulink có thể tận dụng được các khả năng tính toán,

Để sử dụng tốt chương trình này, người sử dụng phải có kiến thức cơ bản vềđiều khiển, xây dựng mô hình toán học theo quan điểm của lý thuyết điều khiển và

từ đó thành lập nên mô hình của bài toán

Để mô hình hoá, Simulink cung cấp một giao diện đồ họa với thư viện các

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

khảo sát mô hình một cách trực quan hơn Đây là sự khác xa các phần mềm trước

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

các đối tượng đồ họa mới cho mình

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

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

31

hiện cửa sổ Block Parameters Tại đây ta có thể nhập, thay đổi dữ liệu theo mong muốn) Cách này chỉ dùng khi mô hình là đơn giản và việc khảo sát không phức tạp, không yêu cầu phải tự động hoá

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

Chạy mô hình: Ta có thể chạy mô hình bằng cách kích trực tiếp vào nút Start Simulation hoặc lập trình trong mfile để điều khiển việc chạy mô hình theo ý muốn

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

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

+ Phương pháp Euler: là phương pháp cổ điển với biến là bước Phương pháp này khả thi cho bất cứ hệ thống nào có những bước nhỏ Do đó những bài toán có liên quan đến việc tính toán quá nhiều thì không bao giờ chính xác Phương pháp này chỉ nên dùng cho việc kiểm tra kết quả

dụng áp dụng cho mọi loại bài toán và nó có thể đạt chỉ tiêu chất lượng so với các phương pháp đặc biệt khác Phương pháp này thích hợp cho hệ liên tục và hệ phi tuyến Không làm việc với hệ có ma sát

+ Phương pháp Adams: là phương pháp tự chỉnh áp dụng cho hệ không có

32

+ Phương pháp LinSim: là phương pháp dùng cho hệ tuyến tính Nếu hệ mang tính chất tuyến tính nhưng có vài khối phi tuyến thì hệ cũng làm việc tốt

33

Variable Transport

34

35

Việc xây dựng mô hình Simulink mô phỏng một hệ nào đó có thể bằng nhiều cách khác nhau ví dụ như cùng thể hiện một phương trình nhưng có thể sử dụng các khối khác nhau, cách bố trí khác nhau Các mô hình phức tạp có thể sử dụng các khối Goto và From để giảm bớt các đường liên kết nhằm dễ ràng theo dõi, tránh nhầm lẫn, nhưng cũng có hạn chế là không trực quan nên xây dựng mô hình như thế nào cho hợp lý, cách đưa dữ liệu đầu vào và lấy ra cũng cần phải được cân nhắc sao cho hợp lý, thuận tiện cho việc khảo sát Ở đây mô hình không quá phức tạp nên ta

sử dụng cách xây dựng mô hình liên kết các khối trực tiếp với nhau

- Khối tính lực đàn hồi của lốp

Fz F = z st, + Fz dyn, = Mg C h + L( − ξ )

2.6 Mô hình không gian xe tải hai cầu

có thể lột tả chính xác đối tượng mà mô hình nghiên cứu cũng không quá phức tạp Trong cơ hệ có nhiều khái niệm vật Vật là một thực thể vật lý, trong vật các khoảng cách giữa các điểm là không thay đổi theo thời gian Vật được đặc trưng bởi khối lượng m, mô men quán tính J và có một khối tâm Khối lượng được treo và không được treo là các vật Dựa vào các khái niệm trên, ta thấy xe tải có cấu trúc như sau

độc lập tương đối với nền đường và thân xe Các khối lượng này nằm dưới

hệ thống treo, hệ thống treo nằm dưới hai dầm dọc

38

mềm trong phương xoắn vì đây là dầm dài Có thể coi khung dài như một phần tử đàn hồi không khối lượng, khối lượng của nó được tính cho khối lượng được treo

bao gồm: Ca bin, lái xe, động cơ, hộp số, một số phần tử khung xe và hệ treo trước Các thông số đặc trưng là: Khối lượng được treo trước và mô men quán tính và mô

nếu có), một phần khung và hệ treo sau Các thông số đặc trưng là: Khối lượng được treo sau và mô men quán tính dọc trục Hai khối lượng này biệt lập đặt trên hai dầm dọc, có thể quay ngang với nhau thông qua độ cứng xoắn của khung

nằm trên hai dầm dọc và dao động liên kết trong phương dọc với trục quay là trục

Để lập hệ tọa độ vật và hệ tọa độ cố định, cần phân tích chuyển động của các vật Mỗi vật trong không gian có 6 chuyển động tự do ( 6 tọa độ suy rộng), trong đó 3 chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động quay tương ứng 3 trục của chuyển động

dao động xe tải, dao động chủ yếu là dao động theo phương thẳng đứng do tác động của đường và lắc ngang do hai bên đường trái phải không như nhau Như vậy mỗi vật 1, 2, 3, 4 có chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng và chuyển động lắc ngang Trong mối liên kết của khối lượng được treo và khối lượng không được treo, chúng chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng, trong mặt phẳng ngang chúng sẽ quay tương đối với nhau một góc nhất định Do kết cấu của nhíp nên giữa

đi xuống bánh xe bị hạn chế bởi mặt đường.

2.6.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình không gian xe tải

Khi xây dựng mô hình dao động ô tô cần một số giả thiết Những giả thiết này sẽ làm cho quá trình nghiên cứu cũng như tính toán đơn giản hơn, xong không làm mất đi tính tổng quát của bài toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết

phẳng ngang khi dao động

+ Phần được treo trước và phần được treo sau liên kết với nhau qua khung

kích thích dao động duy nhất

+ Mặt đường coi là cứng tuyệt đối

phi tuyến cho phép bánh xe tách khỏi mặt đường

+ Ô tô chuyển động đều

40

+ Hệ tọa độ cố định: Gốc hệ tọa độ cố định chung cho cả hệ, là điểm chiếu của trọng tâm khối lượng được treo xuống mặt chuẩn dưới đường

trong hệ

trước ( cầu trước )

sau ( cầu sau )

C C C C ( N / m): Độ cứng hướng kính lốp trước dãy phải, trái

và lốp sau dãy phải, trái

- C C C C1R, 1L, 2R, 2L ( N / m ): Độ cứng treo trước dãy phải, trái và độ cứng treo sau dãy phải, trái

K K K K ( Ns / m ): Hệ số cản hệ thống treo trước dãy phải, trái và sau phải, trái

- h h h h1R, ,1L 2R, 2L ( m ): Chiều cao mấp mô của đường phía trước bên phải, trái

và phía sau bên phải, trái

- dp dp1, 2 ( m ): Khoảng cách giữa hai tâm vết lốp trước và lốp sau

YX

Z

YX

YX

2 2

44

2.7 Xây dựng phương trình vi phân.

2.7.2.1 Khối lượng được treo trước.

2.7.3.1 Khối lượng được treo sau.

2.7.3.2 Khối lượng không được treo sau.