Nghiên ứu ảnh hưởng ủa hệ thống treo đến khả năng truyền lự ủa xe on bằng thự nghiệm và bằng mô hình

Chuyển động của ôtô trên thực tế không những phụ thuộc vào kết cấu của ôtô mà còn phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh; chuyển động đó đợc xác định bởi các lực tơng tác bánh xe, trong đó

NGUYễN Quý TOàN

Nghiên cứu ảnh hởng của hệ treo đến

3

5

7

7

8

9

13

15

16

17

17

18

20

25

25

27

32

32

32

33

33

34

38

39

41

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng, hình vẽ

Chơng 1: đặt vấn đề

1.0 Những vấn đề chung

1.1 Nhiệm vụ của hệ thống treo

1.2 Chỉ tiêu đánh giá dao động

1.3 Mô hình nghiên cứu dao động

1.4 Các hàm kích động

1.5 Thí nghiệm dao động

Chơng 2: Lập mô hình nghiên cứu

2.1 Mô hình vật lý

2.1.1 Mô hình hệ thống treo

2.1.2 Mô hình lốp

2.2 Mô hình toán học

2.2.1 Phơng pháp lập hệ phơng trình

2.2.2 Hệ phơng trình mô tả dao động

Chơng 3: khảo sát một số thông số ảnh hởng

3.1 Khái quát chung về Matlab và Simulink

3.3.1 Matlab

3.1.2 Simulink

3.1.2.1 Đặc điểm của Simulink

3.1.2.2 Cấu túc của một sơ đồ Simulink

3.1.2.3 Trình tự thực hiện quá trình mô phỏng

3.2 Sơ đồ thuật toán của chơng trình mô phỏng Simulink

3.3 Các kết quả khảo sát đợc

54

57

57

57

58

62

62

62

67

67

68

73

74

75

3.3.4 Khảo sát ảnh hởng của mômen phanh trên các loại đờng khác nhau

Chơng 4: xây dựng bệ thử đo dao động

4.1 Mục tiêu của bệ thử

4.2 Nguyên lý bệ thử

4.3 Thiết kế các bộ phận

4.4 Sơ đồ và các thiết bị đo

4.4.1 Đối tợng đo

4.4.2 Đo gia tốc khối lợng đợc treo và khối lợng không đợc treo 4.5 Tiến hành thí nghiệm

4.5.1 Chuẩn bị

4.5.2 Kết quả thí nghiệm

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Lời Nói đầu

Trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá ở nớc ta hiện nay, việc phát triển các ngành khoa học kỹ thuật là vô cùng cần thiết và quan trọng Trong đó sản xuất

ôtô cũng là một trong những lĩnh vực cần đợc chú trọng đến Công nghệ sản xuất xe hơi không ngừng đợc cải tiến với sự giúp đỡ về khoa học kỹ thuật của các nớc tiên tiến Ngành sản xuất xe hơi đang từng bớc trở thành mũi nhọn của nền kinh tế, đa

đất nớc ngày càng vững bớc tiến lên tiến lên Chủ Nghĩa Xã Hội

Trên thế giới sản xuất ôtô ngày càng tăng vợt bậc và đã đạt đợc những thành tựu công nghệ to lớn, ôtô trở thành phơng tiện vận chuyển quan trọng về hành khách và hàng hoá cho các nền kinh tế quốc dân, đồng thời trở thành phơng tiện giao thông t nhân ở các nớc có nền kinh tế phát triển Hiện nay ở nớc ta số ôtô t nhân cũng

đang gia tăng cùng với sự tăng trởng và phát triển của nền kinh tế Do đờng xá ngày càng đợc nâng cấp và mở rộng nên mật độ ôtô ngày càng cao điều này dẫn đến vấn đề về an toàn, dao động ôtô ngày càng đợc quan tâm

Khi ôtô chạy trên đờng không bằng phẳng thờng phát sinh dao động Những dao

động này thờng ảnh hởng xấu đến hàng hoá, tuổi thọ xe và đặc biệt là đến ngời lái

và hành khách trên xe Ngời ta cũng tổng kết rằng, những ôtô chạy trên đờng xấu, ghồ ghề so với ôtô chạy trên đờng tốt, bằng phẳng thì tốc độ trung bình giảm từ 40 – 50%, quãng đờng chạy giữa hai chu kỳ đại tu giảm từ 30 – 40%, năng suất vận chuyển giảm từ 35 – 40% Điều đặc biệt nguy hiểm của dao động là nếu con ngời chụi lâu trong tình trạng bị rung, xóc nhiều sẽ gây mệt mỏi Một số nghiên cứu dao

động gần đây vầ ảnh hởng của nó đến sức khoẻ con ngời đều đi đến kết luận : Nếu con ngời bị ảnh hởng một cách thờng xuyên của dao động thì sẽ mắc phải bệnh thần kinh và não

Trong vận tải của ôtô, ngời lái là ngời quyết định chủ yếu cho an toàn chuyển

động và mọi chỉ tiêu khác Nếu dao động của xe nằm ngoài phạm vi dao động cho phép (80 – 120 lần /phút) thì sẽ làm tăng lỗi điều khiển của ngời lái, gây ra hàng loạt những nguy hiểm đến tính mạng của con ngời và hàng hoá

ở những nớc phát triển, dao dộng ôtô đợc quan tâm đặc biệt Dao động của xe

đợc nghiên cứu đa về mức tối u làm giảm đến mức thấp nhất những tác hại của nó

đến con ngời đồng thời làm tăng tuổi thọ của xe cũng nh các bộ phận đợc treo Chuyển động của ôtô trên thực tế không những phụ thuộc vào kết cấu của ôtô mà còn phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh; chuyển động đó đợc xác định bởi các lực tơng tác bánh xe, trong đó phản lực từ lốp với đờng có yếu tố quyết định quan trọng Mục tiêu của đề tài là xét ảnh hởng của hệ thống treo đối với sự thay đổi phản lực đó, từ đó suy ra khả năng truyền lực của ôtô ở các phơng dọc và phơng ngang

Đề tài đợc trình bày các vấn đề sau đây: lập phơng trình động lực học ôtô 1/ 4, chọn mô hình lốp phù hợp, thiết kế bệ thử kiểm tra dao động, khảo sát một số tham số

ảnh hởng đến khả năng truyền lực

Mô hình đã mô tả đầy đủ các yếu tố vật lý, có thể sử dụng để khảo sát động lực học

ôtô, kể cả ở các vùng cận vật lý Chơng trình chạy ổn định Mô hình lốp đợc chọn phù hợp với điều kiện thực tiễn của Việt Nam Các kết quả tính toán phù hợp với các nghiên cứu trớc đây

Phần bệ thử do hạn chế về thiết bị và cảm biến quá cũ nên các kết quả đa ra còn hạn chế cần phải đợc nghiên cứu tiếp

Luận văn đợc thực hiện tại Bộ môn ôtô Đại Học Bách Khoa Hà Nội, dới sự - hớng dẫn khoa học của Tiến sĩ Võ Văn Hờng Tác giả chân thành cảm ơn sự hớng dẫn tận tình của Tiến sĩ cùng các thầy trong bộ môn ôtô

Mặc dù đã có nhiều nỗ lực, nhng do trình độ, thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên các vấn đề đợc trình bày trong luận văn cha thể đáp ứng đợc mọi yêu cầu đề

ra Tác giả sẽ rất cảm ơn về mọi sự đóng góp, bổ xung để luận văn hoàn thiện hơn

Hà nội, ngày 21/11/2008 Tác giả

Danh môc c¸c ký hiÖu vµ ch÷ viÕt t¾t

-A m( )2 : DiÖn tÝch, thiÕt diÖn

J kgm : M«men qu¸n tÝnh trôc y cña xe

- h m ( ) :ChiÒu cao mÊp m« cña ®êng

- F N Z( ) :T¶i träng tõ ®êng t¸c dông lªn b¸nh xe

- ξ (m s / ) :Vận tốc phơng thẳng đứng cầu xe

- ξ (m s / 2) :Gia tốc phơng thẳng đứng cầu xe

- z z z m m s m s , , ( , / , / 2) : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phơng thẳng đứng khối lợng

đợc treo

14

15

18

19

22

23

25

28

31

40

42

42

43

43

44

44

45

47

47

48

48

49

49

51

Danh mục các bảng và hình vẽ

Hình 1 1.Mô hình 1/4

Hình 1.2.Mô hình 1/2

Hình 2.1.Mô hình động lực học ôtô 1/4

Hình 2.2.Mô hình hệ thống treo

Hình 2.3.Đồ thị lực tơng tác bánh xe theo hệ số trợt

Hình 2.4.Hàm Ammon

Hình 2.5.Hệ số bám cực đại và hệ số bám khi trợt trên các loại đờng khác nhau với hai trạng thái khô và ớt

Hình 2.6 Sơ đồ tách cấu trúc và lực

Bảng 2.1.Thông số kỹ thuật của xe khảo sát

Hình 3 0.S ơ đồ thuật toán của chơng trình

Hình 3.1.Đồ thị mômen bánh xe(ảnh hởng kích động mặt đờng)

Hình 3.2.Đồ thị hệ số trợt(ảnh hởng kích động mặt đờng)

Hình 3.3.Đồ thị hệ số bám(ảnh hởng kích động mặt đờng)

Hình 3.4.Đồ thị lực phanh (ảnh hởng kích động mặt đờng)

Hình 3.5.Đồ thị gia tốc (ảnh hởng kích động mặt đờng)

Hình 3.6.Đồ thị vận tốc (ảnh hởng kích động mặt đờng)

Hình 3.7.Đồ thị quãng đờng (ảnh hởng kích động mặt đờng)

Hình 3 Đồ thị hệ số trợt (ảnh hởng của Mpmax) 8

Hình 3 Đồ thị hệ số bám (ảnh hởng của Mpmax) 9

Hình 3 10 Đồ thị lực phanh (ảnh hởng của Mpmax)

Hình 3 11 Đồ thị gia tốc (ảnh hởng của Mpmax)

Hình 3 12 Đồ thị vận tốc (ảnh hởng của Mpmax)

Hình 3 13.Đồ thị quãng đờng (ảnh hởng của Mpmax)

Hình 3 14 Đồ thị mômen bánh xe (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh)

51

52

52

53

53

54

55

55

58

60

61

62

63

64

64

65

66

67

68

68

69

69

70

70

71

71

72

72

Hình 3 15 Đồ thị hệ số trợt (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh)

Hình 3 16 Đồ thị hệ số bám (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh)

Hình 3 17 Đồ thị lực phanh (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh)

Hình 3 18 Đồ thị gia tốc (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh)

Hình 3 19 Đồ thị vận tốc (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh)

Hình 3.20.Đồ thị quãng đờng (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh)

Hình 3 21 Kết quả phanh trên đờng khô

Hình 3 22 Kết quả phanh trên đờng ớt

Hình 4.1 Mô hình bệ thử

Hình 4.2 Hệ thống treo của bệ thử

Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật chính của bệ thử

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý đo

Hình 4.4 Cảm biến dây điện trở đo và sơ đồ mắc mạch cầu đo

Hình 4.5 Phần khối lợng đợc treo

Hình 4.6 Phần khối lợng không đợc treo

Hình 4.7 Máy đo vạn năng UM131

Hình 4.8 Bộ phận hiển thị

Hình 4.9 Mô hình thí nghiệm tổng thể

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm

Hình 4.10 Đồ thị đặc tính

Hình 4.11 Đồ thị đặc tính

Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm

Hình 4.12 Đồ thị đặc tính

Hình 4.13 Đồ thị đặc tính

Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm

Hình 4.14 Đồ thị đặc tính

Hình 4.15 Hiển thị gia tốc của khối lợng đợc treo

Hình 4.16 Hiển thị gia tốc của khối lợng đợc treo

Chơng 1

đặt vấn đề

1.0 Những vấn đề chung

Ngành ôtô trên thế giới đã phát triển trên một trăm năm Những sản phẩm của

nó ngày càng chứa hàm lợng công nghệ cao, ôtô ngày càng chạy nhanh hơn, số lợng ngày càng nhiều, các xe ngày càng đợc hoàn thiện hơn về độ an toàn cũng nh độ êm dịu Những phát triển đột biến đó đã đa đến những áp lực mới cho xã hội nh tai nạn giao thông, mức độ phá huỷ đờng sá ngày càng nghiêm trọng Nghiên cứu để hoàn thiện các kết cấu của ôtô nhằm nâng cao an toàn chuyển động và giảm ảnh hởng xấu của dao động với môi trờng là một nhu cầu cấp thiết của quốc gia

Nghiên cứu về dao động ôtô nói riêng và về động lực học ôtô nói chung ngày càng đợc quan tâm đúng mức ôtô là liên kết của hệ nhiều vật, các khối lợng

đó đợc liên kết với nhau bằng các phần tử có đặc tính phi tuyến phức tạp, ví dụ nh đặc tính giảm chấn, đặc tính đàn hồi, sự va chạm của bánh xe

Việc nghiên cứu dao động đợc tiến hành từ rất lâu với nhiều công sức của hàng trăm tác giả Tuy nhiên, đến tận những năm 1970 những công trình đó mới

đợc Mitschke biên soạn tập trung vào tác phẩm nổi tiếng của mình là “Dynamik der Fahrzeuge” tác phẩm đó bao hàm 200 trích dẫn Riêng quyển B viết về dao

động, tác giả đã đề cập hết các laọi mô hình dao động cơ bản với đối tợng là các

xe con; không đề cập các yếu tố phi tuyến, về phơng pháp tiếp cận là cơ học cổ

+ Mô hình dao động

+ Các hàm kích động, bao gồm mô hình vật lý và mô hình toán học

+ Thí nghiệm dao động

1.1 Nhiệm vụ của hệ thống treo

Hệ thống treo có nhiệm vụ đỡ toàn bộ khối lợng thân xe, và đợc tỳ trên các cầu hoặc bánh xe Một mô hình xe con đầy đủ thờng có 5 khối lợng: thân xe (khối lợng đợc treo); 4 bánh xe (các khối lợng không đợc treo) liên kết giữa khối lợng không đợc treo và khối lợng đợc treo là hệ thống treo Hệ thống treo đặc trng bởi độ cứng của hệ đàn hồi và độ cản giảm chấn Khối lợng không đợc treo là phần tử liên kết đờng với xe Xét về mặt dao động, thân xe

có ba hệ toạ độ suy rộng có ý nghĩa là chuyển động theo phơng thẳng đứng, chuyển động lắc dọc, chuyển động lắc ngang Với bánh xe chuyển động có ý nghĩa là chuyển động theo phơng thẳng đứng Trên cơ sở đó thì ngời ta có thể

đa ra mô hình không gian Trớc khi xét mô hình không gian, thờng ngời ta nghiên cứu mô hình 1/4 nó có vai trò trong việc chọn thông số tối u và nghiên cứu vấn đề điều khiển hệ thống treo tích cực Để có thể đánh giá đợc hệ thống treo một cách toàn diện ngày nay ngời ta đã có những quan điểm khác khơn so với hệ thống treo cổ điển Vì vậy, Bastow [] đã trình bày 4 mục tiêu của hệ thống treo nh sau:

1 Cách ly ảnh hởng của mặt đờng đối với thân xe với mục tiêu nâng cao độ

êm dịu

Độ êm dịu đợc xác định bởi gia tốc theo phơng thẳng đứng của thân xe, xác

định tại vị trí của các ngời ngồi Nh vậy mục tiêu này cần đạt đợc khi gia tốc theo phơng tẳng đứng thân xe đạt cực tiểu

2 Bảo đảm điều kiện bám với đờng

Khả năng bám đờng là thông số quan trọng quyết định đến khả năng truyền lực dọc và khả năng truyền lực ngang của bánh xe Khi dao động thì áp lực giữa bánh xe và đờng thay đổi do đó khả năng truyền lực dọc và ngang ở bánh xe cũng thay đổi Sự thay đổi đó khác nhau ở các bánh xe và không đồng pha Hệ thống treo phải đợc thiết kế sao cho phản lực này không đợc giảm nhiều so với tải trọng tĩnh Thông số để đánh giá mục tiêu này là chuyển vị tơng đối giữa cầu

xe với mặt đờng; tức là sự biến dạng hớng kính của lốp

3 Hệ thống treo phải thiết kế sao cho ít xảy ra va đập cứng giữa thân xe và bánh xe, ngoài ra cần phải hạn chế góc lắc dọc, góc lắc ngang là các yếu tố gây

ra sự thay đổi không đồng đều các phản lực ở các bánh xe Những sự thay đổi đó làm thay đổi các lực bám dọc và lực bám ngang dẫn đến làm thay đổi quỹ đạo không mong muốn của ôtô Đối với các xe truyền thống thì vấn đề êm dịu là mục tiêu số một, nhng đối với các xe cao tốc, khi phanh và khi tăng tốc lực truyền ở các bánh xe thờng đạt ở giá trị cận vật lý Vì vậy mục tiêu số một của hệ thống treo này là bảo đảm ổn định chuyển động ôtô

4 Hệ thống treo phải bảo đảm không gian làm việc bé

Hệ thống treo phải đỡ toàn bộ khối lợng đợc treo, nếu chọn độ võng tĩnh quá lớn thì dẫn đến độ võng động cũng lớn làm cho không gian treo lớn, đây là bài toán cần chọn độ võng tĩnh phù hợp

1.2 Chỉ tiêu đánh giá dao động

Đánh giá ảnh hởng của dao động có tính lịch sử Trớc đây, ngời ta đánh giá

ảnh hởng của dao động ôtô theo 2 chỉ tiêu là độ êm dịu và tải trọng động, tợng trng cho sự ảnh hởng đến tuổi thọ chi tiết

Ngày nay, do nhận thức mới về ảnh hởng của dao động, các chỉ tiêu đợc xác lập theo chỉ tiêu mới nh sau:

* Chỉ tiêu về độ êm dịu

+ Chỉ tiêu đối với hành khách

+ Chỉ tiêu đối với hàng hoá

Độ êm dịu chuyển động là khái niệm chỉ sự cảm nhận chủ quan của con ngời

về dao động Cảm giá đó đợc phỏng vấn trực tiếp các nhóm ngời khác nhau c

và nh vậy độ êm dịu (ngỡng) là chủ quan Lĩnh vực này đợc đông đảo các nhà khoa học trong ngành cơ kỹ thuật, y tế, bảo hiểm lao động, kỹ thuật chống rung, chống ồn quan tâm

Các nhà khoa học chỉ ra rằng, dao động có ảnh hởng xấu đến ngời và hàng hoá, đặc biệt làm giảm khả năng điều khiển của lái xe

* Chỉ tiêu về độ êm dịu cho hành khách đợc Hiệp hội kỹ s Đức VDI đợc

đa ra bằng Tiêu chuẩn quốc gia VDI – 2537 và đợc Tổ chức tiêu chuẩn quốc

tế chấp nhận thành tiêu chuẩn ISO – 2631

Độ êm dịu chuyển động là cảm giác của con ngời, đặc trng bởi nhiều thông

số vật lý Do đó, ngời ta đa ra khái nệm cờng độ dao động KB để chỉ mức độ

Chỉ tiêu về an toàn hàng hoá mới chỉ thấy Hiệp hội đóng gói Đức BFSV nêu vấn đề Dựa vào đó, với việc nghiên cứu ảnh hởng của dao động với đờng, Mitschke đề ra ngỡng cho an toàn hàng hoa nh sau:

a = m s giới hạn can thiệp

Giới hạn cảnh báo, theo Mitschke là tại đó hệ thống treo hoặc đờng xá đã hỏng đến mức phải có kế hoạch sửa chữa

Giới hạn can thiệp, theo Mitschke là tại đó đờng đã hỏng nặng, các nhà giao thông phải can thiệp sửa chữa ngay

b) Chỉ tiêu về tải trọng động

Chỉ tiêu này đợc đặc trng bởi tải trọng động của cầu xe, nhiều mô hình không xác định đợc yếu tố này Muốn xác định đợc chỉ tiêu tải trọng động trong mô hình phải xác định đợc phản lực từ đờng lên bánh xe, khác với việc tác giả lấy Fzmax = G k0. d

Dao động của cầu xe có hai hành trình nén và trả, điều này làm mâu thuẫn trong mục tiêu thiết kế

Tải trọng động cực đại (Fzd,max) làm giảm tuổi thọ chi tiết, gây tổn hại cho

đờng Hệ số tải trọng động kdmaxđánh giá mức độ ảnh hởng đến chi tiết, hệ số

áp lực đờng w đánh giá mức độ ảnh hởng của dao động với đờng

* Chỉ tiêu về độ bền chi tiết

Ta định nghĩa hệ số tải trọng động cực đại nh sau:

, ,max

z st

F k

F

* Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với đờng

Sau những năm 1990, ôtô ngày càng có tải trọng lớn, tỷ trọng kinh tế của cầu

và đờng trong ngành giao thông ngày càng đợc đánh giá cao Các nhà nghiên cứu của Anh, Mỹ đã đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hởng của giao động ôtô đối với cầu và đờng Ngời ta thấy rằng mức độ ảnh hởng của dao động ôtô đến cầu và

đờng tỷ lệ với số mũ bậc 4 của áp lực bánh xe với đờng Họ đa ra khái niệm Road strees Coeficient, tạm gọi là hệ số áp lực đờng w, là hệ số có thể đánh giá mức độ ảnh hởng của dao động ôtô đối với cầu và đờng

Theo đó Wilkinson đã nêu ra công thức xác định hệ số áp lực đờng w nh sau:

1 6 4

w = + η + η

, ,

max( z d)

z st

F F

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

, 1

, 1

( ) ( ) ( )

i

z st i

z st

w i F i W

F i

=∑

∑

* Chỉ tiêu về an toàn động lực học

Giới hạn về chuyển động ôtô, tức khả năng truyền lực khi tăng tốc và phanh, giữ ổn định quỹ đạo chuyển động, đều phụ thuộc vào mức độ tăng giảm tải trọng

động của bánh xe xuống đờng Do vậy, ngời ta đã tách ra định nghĩa hệ số tải trọng động cực tiểu kd,minđể chỉ ra sự giảm khả năng truyền lực bánh xe

, ,min

,

min( )

1 z d d

z st

F k

k = : giới hạn can thiệp

c) Chỉ tiêu về không gian bố trí hệ thống treo:

Chỉ tiêu này chỉ ra khả năng chọn độ võng tĩnh và độ võng động cũng nh việc xác lập vị trí đặt vấu hạn chế hành trình treo Nhiều mô hình trớc đây đã không chú ý đến yếu tố đơn giản này:

f : độ võng động hành trình trả hệ thống treo; vị trí đặt vấu hành trình trả

1.3 Mô hình nghiên cứu dao động

Mô hình dao động của ôtô nói chung rất đa dạng, nhiều khi không rõ tác giả Trong phần tổng quan, tác giả chỉ đa ra 3 loại mô hình đặc trng với mục đích

có một cách nhìn tổng quan về lập mô hình

a) Mô hình 1/4

Mô hình 1/4 bao gồm hai khối lợng đợc treo M và không đợc treo mA Có các phần tử đàn hồi C, giảm chấn K, phần tử cản ma sát R đặc trng cho hệ thống treo, là cơ cấu liên kết giữa khối lợng đợc treo và khối lợng không đợc treo

Hình 1.1 Mô hình 1/4

Mô hình 1/4 đợc dùng để chọn tối u các thông số nh độ cứng lốp, khối lợng không đợc treo mA, độ cứng C và hệ số cản K theo các chỉ tiêu vừa nêu trên

K

h

m C

1

1 1

1.4 Các hàm kích động

Có nhiều yếu tố gây dao động cho ôtô nh:

+ Nội lực ôtô

+ Các ngoại ngoại lực xuất hiện trong quá trình sử dụng nh tăng tốc, phanh,

quay vô lăng;

+ Ngoại cảnh: gió

+ Đờng mấp mô, đờng nghiêng

Đến nay yếu tố đờng mấp mô vẫn đợc coi là nguồn chủ đạo gây dao động

1.5 Thí nghiệm dao động

Thí nghiệm dao động ôtô là một lĩnh vực rất rộng, đa ngành Trong khuôn khổ của luận án, do thời gian có hạn cũng nh điều kiện nên không có đợc các kết quả thí nghiệm từ thực tế

và đờng là yếu tố cần nghiên cứu khi xác định chuyển động thực Chuyển động của ôtô theo lý thuyết cổ điển, đợc xác định từ các mômen và lực do ngời lái tác động từ ba phản ứng: phanh, tăng tốc, quay vô lăng Ngày nay, ta biết rằng liên kết giữa lốp và đờng là liên kết đàn hồi – trợt, vì vậy lực truyền từ bánh

xe xuống đờng có tổn hao, các lực truyền từ bánh xe không đồng nhất với các lực truyền do ngời lái tạo ra Chuyển động thực của ôtô xuất phát từ lực truyền thực tế của bánh xe Xuất phát từ mục đích trên, tác giả sử dụng mô hình 1/4 để nghiên cứu Do vậy, cần phải thiết lập một mô hình vật lý (sơ đồ dao động tơng

đơng) của mô hình 1/4 và từ đó có thể thiết lập các phơng trình toán học mô tả trạng thái dao động của ôtô, còn gọi là mô hình toán học

Mô hình 1/4 nghiên cứu động lực học ôtô thể hiện trên hình 2.1

Z m

K

h

m C

động

2.1.1 Mô hình hệ thống treo

Hệ thống treo là phần tử liên kết giữa bánh xe và thân xe; bảo đảm êm dịu cho thân xe và truyền lực ở các phơng dọc, phơng ngang và phơng thẳng đứng

Hệ thống treo gồm 4 phần tử sau đây:

Phần tử đàn hồi: phần tử đàn hồi có thể là kim loại nh nhíp, lò xo; cao su, khí nén Đặc tính của chúng có thể phi tuyến, có thể tuyến tính

Phần tử cản: phần tử cản gồm cản ma sát và cản thuỷ lực Trong hệ thống treo thờng trang bị giảm chấn thuỷ lực có đặc tính phi tuyến; trong các hệ treo điện

tử các lực cản đợc điều khiển bởi một CPU tù theo điều kiện dao động của ôtô.y Cơ cấu hớng: cơ cấu hớng xác định động học bánh xe; xác lập liên kết giữa bánh xe và thân xe

Thanh ổn định: hạn chế dao động lắc ngang thân xe

Do vậy hệ thống treo đợc đặc trng bởi độ cứngC = f(ξ − z) và hệ số cản

C : độ cứng của hệ thống treo

z : chuyển vị khối lợng phần đợc treo

ξ : chuyển vị khối lợng phần không đợc treo

Lực cản giảm chấn đợc xác định nh sau:

Phần lớn các mô hình lốp đợc đa ra dới dạng hàm thực nghiệm Để có thể

sử dụng đợc chúng, ngời ta phải xác định một số tham số nh độ cứng lốp, hệ

số bám cực đại ϕx m, ax, hệ số bám cực tiểu ϕx,minvà các hệ số trợt tơng ứng tại đó

s

F F s s

F F s

ϕ ϕ

Trong đó: cα là độ cứng bên

d) Mô hình Ammon

ý tởng của Ammon cũng trùng với các tác giả trên, song mô hình Ammon có

vẻ rõ ràng và tờng minh hơn Ta biết rằng trong một cặp truyền lực lốp đờng, -

có một số giá trị dễ dàng quan sát đợc nh max, min, ,max,

F F

min x z

F F

Ta có nhận xét, trong miền tuyến tính do đàn hồi của cao su và khí, lực FX tăng gần tuyến tính với s trong miền s s < Fxmax Khi s s > Fxmax có nghĩa là lốp bắt đầu trợt (lết hoặc quay) Độ cứng pháp tuyến của lốp có thể xác định đợc; Fxmax có

thể đo đợc và ta dễ dàng suy ra smax Fxmin cũng có thể đo đợc Điểm uốn swpcó thể xác định Tuy nhiên điểm uốn swpcó thể ít ảnh hởng trong toàn cục Trên cơ

sở đó Ammon đã đa ra hàm mẫu sau:

2 2

2 2

F

=

max

gleit v

ϕ ϕ ϕ

=

max

WP WP

s s

Hình 2.5 Hệ số bám cực đại và hệ số bám khi trợt trên các loại đờng khác

nhau với hai trạng thái khô và ớt Tuỳ theo điều kiện thí nghiệm của từng cặp lốp đờng mà độc giả có thể ớc -lợng và hiệu chỉnh các tham số max

Z

C s m

F

α α

= ; min

max v

ϕ ϕ ϕ

= ;

max

WP WP

s s

α ϕ

ϕ α

 + 

 

Phơng pháp Newton Euler thân thiện hệ nhiều vật và với ngời sử dụng hơn

Đó là phơng pháp tách cấu trúc, mỗi vật trong hệ đợc coi là một hệ con Việc thành lập phơng trình cho một hệ con dựa vào nguyên lý lực cắt Nguyên lý đó

là, tại điểm cắt các nội lực của hệ cân bằng với các ngoại lực tác dụng; các nội lực và mômen cùng phơng nhng ngợc chiều và có cùng cờng độ Cần chú ý

rằng khi sử dụng phơng pháp tách vật và nguyên lý lực cắt, cơ hệ và hệ con cần

đợc thiết lập ở trạng thái cân bằng tĩnh Khi đó các lực cắt trở thành ngoại lực gây dao động cho các vật

Các bớc của phơng pháp tách vật, nguyên lý lực cắt và sử dụng phơng trình Newton Euler để lập phơng trình dao động:

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

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

ϕ

X

Y

β 0

C i

β y

x ϕ

z, ξ

0

0 0

Phơng pháp tách vật đợc lựa chọn bởi các lý do sau:

+ Phơng pháp là đơn giản, không cần các quy tắc biến đổi phức tạp, không hạn chế khối lợng, bậc tự do;

+ Phơng pháp trên phù hợp với t duy lập trình theo môdun, cho phép thay

đổi nhanh cấu trúc và tham số của mô hình

+ Phơng pháp cho phép xác định nội lực làm cơ sở cho bài toán thiết kế cụm

và tối u các cụm

2.2.2 Hệ phơng trình mô tả dao động

Trớc khi đi thiết lập hệ phơng trình ta có một số giả thiết sau:

+ Giữa khối lợng đợc treo m và khối lợng không đợc treo mA không có hiện tợng lắc dọc, lắc ngang

+ Chỉ xuất hiện hiện tợng trợt dọc mà không có hiện tợng trợt ngang + Trọng tâm của khối lợng đợc treo và không đợc treo chỉ dao động theo phơng thẳng đứng

+ Lực đàn hồi của hệ thống treo là tuyến tính và đợc tính bằng công thức:

+ Lực cản do gió tập trung vào khối lợng đợc treo

Sử dụng phơng pháp tách vật và nguyên lý lực cắt và sử dụng phơng trình Newton – Euler để lập phơng trình dao động Cấu trúc của mô hình 1/4 bao gồm: khối lợng không đợc treo mA liên kết với khối lợng đợc treo m thông qua hệ thống treo Với cơ sở trên ta có các điểm cắt sau:

+ Điểm cắt giữa bánh xe và mặt đờng

+ Điểm cắt giữa khối lợng không đợc treo và khối lợng đợc treo tại hệ thống treo

Sơ đồ mô tách cấu trúc và lực tác dụng thể hiện trên hình 2.6

x

F'

M

ϕJ

Fx f

+ Lực đàn hồi, lực cản của hệ thống treo F FC, K

B¶ng 2.1 Mét sè th«ng sè kü thuËt cña xe kh¶o s¸t

Chơng 3

Khảo sát một số thông số ảnh hởng

3.1 Khái quát chung về Matlab và Simulink

Việc giải phơng trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động của ôtô đã đợc xây dựng trong chơng 2 có thể giải đợc nhờ máy tính Có rất nhiều phần mềm

để giải nh Maple, Daesol,… nhng thông dụng và tiện lợi nhất vẫn thờng dùng Matlab và Simulink để giải quyết bài toán cho ra kết quả nhanh, độ tin cậy cao

3.1.1 Matlab

Matlab (Matrix Laboratory) là bộ phần mềm toán học và là công cụ cần thiết giúp các nhà khoa học, các chuyên gia kỹ thuật trong việc tính toán, khảo sát, phân tích, thiết kế ở rất nhiều chuyên ngành nh: cơ khí, điện điện tử, điều -khiển tự động, rôbốt công nghiệp, thống kê, kế toán,… Matlab có th viện các hàm toán học phong phú cho phép giải quyết các bài toán kỹ thuật, các hệ phơng trình vi phân, tích phân tuyến tính hoặc phi tuyến phức tạp với các kết quả nhanh, chính xác Các hàm toán học ngày càng đợc mở rộng theo yêu cầu của ngời sử dụng nhờ có th viện trợ giúp Matlab cho phép lập trình trên ngôn ngữ bậc cao dựa trên cơ sở là các phép toán với vectơ, mảng và ma trận để giải quyết các bài toán kỹ thuât Bên cạnh đó, Matlab cho phép xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ hoạ một cách mềm dẻo, đơn giản và chính xác trong không gian hai chiều cũng nh trong không gian ba chiều giúp ngời sử dụng có thể quan sát kết quả một cách trực quan và đa ra giải pháp tối u nhất Một thế mạnh nữa của Matlab là có cấu trúc mở, có khả năng tơng tác đa môi trờng, dễ dàng liên kết

động với các phần mềm chuyên nghiệp khác nh: các phần mềm xử lý ảnh động,

xử lý tín hiệu…

3.1.2 Simulink

Simulink là phần mềm dùng để mô phỏng các hệ thống tuyến tính và phi tuyến trong môi trờng matlab và cũng có thể trao đổi qua lại với môi trờng của Matlab để tăng khả năng mềm dẻo của nó

3.1 1 2 Đặc điểm của Simulink

Simulink có các công cụ đợc tích hợp, lập trình sẵn có ở dạng sơ đồ chức năng Cách lập trình bằng sơ đồ khối giúp ngời sử dụng thấy đợc trực quan,

đơn giản, dễ làm hơn bởi vì để mô phỏng động học một hệ thống đợc mô tả dới toán học ở dạng phơng trình vi phân, phơng trình trạng thái, hàm truyền thì không cần phải xây dựng các chơng trình phức tạp mà trong Simulink chỉ việc chọn các khối chức năng thích hợp (đã tích hợp sẵn trong chơng trình) rồi nối chúng lại theo cấu trúc của hệ thống cần khảo sát Simulink cho phép ngời

sử dụng vừa biết các tính chất động học của hệ thống Điều này đã giúp ngời nghiên cứu đề ra nhiều phơng án khác nhau nhờ thay đổi các tham số của hệ thống và có khả năng lựa chọn đợc các phơng án tối u hơn

Khi tiến hành mô phỏng, môi trờng Simulink thực hiện việc giải hệ các phơng trình vi phân mô tả động học hệ thống đó bằng các phơng pháp nh Euler, Range Kutta3, Range- -Kutta5… Việc lựa chọn bớc tính cho phù hợp đợc môi trờng thực hiện một cách tự động trong khoảng giá trị min và max do ngời

sử dụng khai báo Từ môi trờng Simulink có thể tận dụng đợc khả năng tính toán, phân tích dữ liệu, đồ hoạ 2D, 3D của Matlab và sử dụng các khả năng của Toolbox khác nh Toolbox xử lý tín hiệu số, logic mờ và điều khiển mờ, mạng nơron, nhận dạng… Simulnik kết hợp với các Toolbox khác tạo thành công cụ rất mạnh để khảo sát động học các hệ thống tuyến tính và phi tuyến trong môi trờng thống nhất là Matlab

3.1 2 2 Cấu trúc của một sơ đồ Simulink

Cấu trúc một sơ đồ Simulink gồm các khối chức năng và các đờng truyền tín hiệu liên kết chúng lại với nhau Các khối chức năng đợc tích hợp sẵn trong các th viện Các th viện bao gồm:

a Th viện các khối Sources (Khối phát tín hiệu):

Th viện này gồm các khối tạo nguồn tín hiệu khác nhau Trong th viện Sources có các khối nh trong bảng dới đây:

không đổi

bớc nhảy)

b Th viện các khối Sinks:

Stop Simulation Ngừng quá trình mô phỏng khi lợng vào khác 0

To Workspace Ghi dữ liệu vào vùng làm việc

XY Graph Hiển thị đồ thị XY của tín hiệu trên cửa sổ đồ thị

Matlab

c Th viện các khối Dicrete (tín hiệu rời rạc hay tín hiệu số Z):

Th viện này có các khối cơ bản của hệ thống rời rạc, các khối tính toán trong miền thời gian rời rạc Cụ thể bao gồm các khối nh trong bảng sau:

Discrete Transfer Fcn Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc

Discrete Zero - pole Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc thông

qua Pole và Zero Discrete - Filter Biểu diễn các bộ lọc HR và FIR

Discrete State - Space Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng

Unit Display Hiển thị tín hiệu trong một chu kỳ rời rạc

d Th viện các khối Continuous:

Trong th viện này có các khối của hệ thống liên tục tuyến tính, các khối biểu diễn các hàm tuyến tính chuẩn Th viện Linear gồm các khối sau:

Derivative Tích vi phân theo thời gian của lợng vào(d/dt)

State - Space Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái tuyến

Giữ chậm lợng vào với khoảng thời gian biến đổi

Zero - Pole Hàm truyền theo Pole (điểm cực) và Zero (điểm

không)

e Th viện các khối Nonlinear (các khâu phi tuyến):

Th viện Nonlinear có các khối biểu diễn các hàm phi tuyến điển hình các khối trong hệ thống phi tuyến Cụ thể bao gồm các khối sau;

Dead Zone Mô tả vùng không nhạy (vùng chết)

Quantizer Lợng tử hoá tín hiệu vào trong các khoảng xác định Rate Limiter Hạn chế phạm vi thay đổi của tín hiệu

Saturation Khâu bão hoà tín hiệu (Khâu hạn chế)