Sản phẩm màngười dân sử dụng phải đáp ứng được những nhu cầu này thì mới tồn tại và pháttriển được.Trong nền công nghiệp sản xuất ô tô tại Việt Nam, để nâng cao tính cạnhtranh của thương
GIỚI THIỆU CHUNG
Lý do chọn đề tài
Với những tiện ích, ưu điểm lớn của ô tô khách giường nằm 2 tầng mang lại cho cuộc sống Tuy nhiên thời gian vừa qua có một số sự việc liên quan đến sự an toàn của ô tô khách giường nằm 2 tầng Thậm chí ô tô khách giường nằm 2 tầng còn bị cấm hoạt động trên một số tuyến đường Đồng thời thông qua một số ý kiến phản ảnh của khách hàng sử dụng ô tô khách giường nằm 2 tầng SAMCO Primas như:
+ Khi ô tô chạy qua một số vị trí đường xấu thì rất giằng xóc, gây khó chịu cho hành khách
+ Sau những chuyến di chuyển, hành khách thường cảm thấy mệt mỏi do ô tô dao động quá nhiều
+ Khi ô tô hoạt động trên đường cao tốc hành khách có cảm giác ô tô “ bồng bềnh”
+ Ô tô thường bị “chúi đầu” Được sự định hướng của thầy hướng dẫn – TS Trần Hữu Nhân và sự mong muốn của bản thân tác giả về việc nghiên cứu sâu hơn sự êm dịu của ô tô khách giường nằm 2 tầng khi hoạt động ở Việt Nam, đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của loại ô tô này, ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn lắp ráp và sản xuất ô tô để nâng cao sự êm dịu của ô tô khách giường nằm 2 tầng nối chung và của xe SAMCO Primas nói riêng nên tác giả đã quyết định chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ (K+C) ĐẾN DAO ĐỘNG VÀ SỰ ÊM DỊU CỦA XE SAMCO PRIMAS” để thực hiện luận văn Thạc sĩ của mình.
Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn: Từ việc tính toán mô phỏng sự hoạt động của hệ thống treo khí nén có thể tìm được giá trị của thông số K để đưa ra được giải pháp thay đổi đường đặc tính phi tuyến bằng việc thay đổi áp suất hiệu chỉnh ban đầu của bầu khí nén, từ đó có thể tăng tính êm dịu của xe khi hoạt động, khắc phục được những phản ánh của hành khách, làm tăng sự hài lòng của khách hàng khi sử dụng xe SAMCO Primas Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống treo khí nén của ô tô khách giường nằm 2 tầng SAMCO PRIMAS được SAMCO sản xuất trên nền sát – xi Hyundai New Express HSX
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật xe SAMCO Primas
1.1 Loại phương tiện Ô tô khách (có giường nằm)
1.5 Cơ sở sản xuất Tổng Công Ty Cơ Khí Giao Thông
Vận Tải Sài Gòn – TNHH Một
1.8 Số lượng ghế ngồi 01 ghế tài xế + 01 ghế phụ xế
2.1 Khối lượng bản thân (kg) 12990 2.2 Khối lượng cầu trước (kg) 4800 2.3 Khối lượng cầu sau (kg) 8190 2.4 Khối lượng toàn tải (kg) 16000
2.5 Tỷ lệ công suất động cơ/khối lượng toàn bộ (kW/ tấn) 17,44
3.2 Chiều dài cơ sở (mm) 6150
3.3 Chiều dài đầu/đuôi xe (mm) 2710/3310 3.4 Vết bánh xe trước/sau (mm) 2050/1860 3.5 Khoảng sáng gầm xe (mm) 195
4.2 Lốp trước 02 cái, Michelin Tubless 12R22.5 Áp suất 833,5 (kPa)
4.3 Lốp sau 04 cái, Michelin Tubless 12R22.5 Áp suất 784,5 (kPa)
5 Hệ thống treo cầu trước
5.1 Kiểu loại Phụ thuộc, bầu khí nén, thanh cân bằng
5.5 Áp suất khí nén thiết kế (Psi) 60
6 Hệ thống treo cầu sau
6.1 Kiểu loại Phụ thuộc, bầu khí nén, thanh cân bằng
6.5 Áp suất khí nén thiết kế (Psi) 60
Hình 1.1 – Tổng thể ô tô khách giường nằm 2 tầng SAMCO Primas
Hình 1.2 – Tổng thể sát – xi Hyundai New Express HSX
Hình 1.3 - Sơ đồ khối hệ thống treo khí nén trên ô tô SAMCO Primas 1 – Bầu khí nén cầu trước
2 – Cần điều chỉnh khí nén cầu trước
3 – Van điều chỉnh khí nén theo tải trọng cầu trước
6 – Bầu khí nén cầu sau
7 – Cần điều chỉnh khí nén cầu sau
9 – Bộ giải nhiệt khí nén
11 – Van điều chỉnh khí nén theo tải trọng cầu sau
Hình 1.4 - Hệ thống treo khí nén cầu trước trên ô tô SAMCO Primas 1 – Thanh giằng dọc
4 – Bầu khí nén cầu trước
5 – Thanh dẫn động hệ thống lái
8 – Bát lắp bầu khí nén
Hình 1.5 - Hệ thống treo khí nén cầu sau trên ô tô SAMCO Primas 1 – Bầu khí nén cầu sau
5 – Tay đòn treo cầu sau
Nội dung và phạm vi nghiên cứu
Nội dung 1: Mô hình hóa hệ dao động của ô tô khách giường nằm SAMCO Primas
Nội dung 2: Xác định thông số đầu vào cho bài toán mô phỏng
Nội dung 3: Tính toán mô phỏng bằng mô hình, thu kết quả và đưa ra giải pháp, hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo
Trong thực tế ô tô khách giường nằm 2 tầng hoạt động trong rất nhiều loại đường khác nhau Từ cao tốc, quốc lộ, tỉnh lộ, hương lộ và cả một số đường nội bộ ở mỗi loại đường khác nhau sẽ có những biên dạng đặc trưng riêng Do giới hạn về thời gian cũng như nguồn lực không thể thực hiện nghiên cứu sự dao động của ô tô khách giường nằm 2 tầng khi hoạt động trên tất cả các loại đường, vì thế phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn thực hiện khảo sát mô phỏng dao động của ô tô khi di chuyển qua một mấp biên dạng bán bình phương hình sin, đây là biên dạng phổ biến nhất trong các loại đường, đề tài không nghiên cứu thực nghiệm các loại đường Đồng thời đối tượng nghiên cứu là hệ thống treo khí nén của xe khách giường nằm SAMCO Primas do XN cơ khí ô tô An Lạc lắp ráp và đóng mới Hệ số giảm chấn C của hệ thống treo đã được nhà sản xuất thiết kế và rất khó để thay đổi, ta chỉ có thể dễ dàng thay đổi hệ số đàn hồi K của hệ thống treo bằng việc thay đổi áp suất cấp cho các bầu khí nén Chính vì vậy trong luận văn tác giả cũng tập trung nghiên cứu hệ số K.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sự êm dịu khi hoạt động của ô tô khách giường nằm 2 tầng bằng các đặc tính động học, động lực học của ô tô
Thu thập các thông số liên quan để xây dựng cho bài toán mô phỏng Tính toán mô phỏng cho các hệ dao động
Từ những kết quả tính toán theo thông số thực tế, tiến hành so sánh và đưa ra kết luận, đề xuất các giải pháp để nâng cao sự êm dịu cho ô tô khách giường nằm 2 tầng SAMCO Primas.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đánh giá được mức độ sự êm dịu của hệ thống treo khí nén trên ô tô khách giường nằm 2 tầng SAMCO Primas Đưa ra được những thông số ảnh hưởng đến sự êm dịu của xe khi hoạt động
Kết quả thu được của việc nghiên cứu sẽ là cơ sở để tính toán, thiết kế hệ thống treo của ô tô khách giường nằm 2 tầng, nâng cao được sự êm dịu, sự hợp lý của kết cấu của xe khách giường nằm 2 tầng
1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn Ứng dụng kết quả để hiệu chỉnh một số chi tiết trong hệ thống treo ô tô khách giường nằm 2 tầng SAMCO Primas Ứng dụng vào việc thiết kế, phân bố tải trọng, cách sử dụng và vận hành ô tô khách giường nằm 2 tầng êm dịu hơn, nâng cao được sự hài lòng của hành khách khi sử dụng xe SAMCO Primas
Sử dụng kết quả nghiên cứu để làm tài liệu đào tạo về hệ thống treo khí nén.
Bố cục luận văn
Luận văn được chia thành 6 chương:
Chương 1 : Giới thiệu chung Chương 2 : Cơ sở lý thuyết Chương 3 : Mô hình hóa dao động của xe Chương 4 : Xác định thông số cho bài toán mô phỏng Chương 5 : Tính toán mô phỏng, thu kết quả và phân tích Chương 6 : Kết luận, đề xuất phương án cải tiến và hướng phát triển của đề tài
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Biên dạng đường giao thông
Việt Nam hiện tại có khoảng 215000 km đường giao thông bao gồm cao tốc, quốc lộ, tỉnh lộ, huyện lộ, hương lộ Trong đó các tuyến quốc lộ có vai trò huyết mạch trong giao thông Toàn bộ các tuyến đường Quốc lộ có tổng chiều dài khoảng
17300 km, trong đó gần 85% đã tráng nhựa Ngoài các đường quốc lộ còn có các đường tỉnh lộ, nối các huyện trong tỉnh, huyện lộ nối các xã trong huyện chiếm tỷ lệ khá thấp Các tuyến tỉnh lộ có tổng chiều dài khoảng 27700 km, trong đó hơn 50% đã tráng nhựa Còn lại các các tuyến đường huyện lộ và hương lộ chiếm phần lớn tỉ lệ Nhìn chung điều kiện cơ sở hạ tầng đường sá ở Việt Nam còn kém
2.1.2 Đặc điểm biên dạng đường giao thông Ảnh hưởng của biên dạng mặt đường tới dao động của ôtô được xác định bằng kích thích, hình dạng hình học và đặc tính thay đổi của chúng Tùy theo chiều dài hoặc chiều cao của mấp mô có thể phân ra các nhóm đặc trưng khác nhau:
+ Nhóm 1: Mấp mô có chiều dài ngắn, tác động của chúng lên các bánh xe mang tính va đập (tác động xung)
+ Nhóm 2: Mấp mô có dạng hàm điều hòa (hàm sin)
+ Nhóm 3: Mấp mô thay đổi liên tục với hình dạng bất kỳ (ngẫu nhiên)
Sau đây là một số hàm toán học biểu diễn biên dạng mấp mô của mặt đường:
2.1.2.1 Hàm điều hòa hình sin
Biên dạng mặt đường mấp mô hình sin thể hiện bằng hàm toán học [5]:
Với: 𝑑 1 : Chiều dài mấp mô 𝑑 2 : Chiều cao mấp mô 𝑉: Vận tốc xe
Hình 2.1 - Mô hình ôtô chuyển động trên mặt đường mấp mô hình sin
2.1.2.2 Hàm bán bình phương hình sin
Bán bình phương hàm sin được thể hiện bằng hàm toán học [1]:
Trong đó: t_start = 0: thời điểm ngay tại đó bánh xe bắt đầu tiếp xúc với bậc t_end = 0.5d 1 /v: thời điểm ngay khi bánh xe bắt đầu rời khỏi bậc d 1 : Chiều dài bậc d 2 : Chiều cao bậc
Hình 2.2 - Biên dạng mặt đường mô tả bằng bán bình phương hàm sin
Biên dạng mặt đường mấp mô hình bậc thể hiện bằng hàm toán học [5]:
Trong đó: t : là thời gian (s) h_start : là khoảng thời gian bánh xe bắt đầu rơi xuống bậc h_end : là khoảng thời gian bánh xe bắt đầu leo lên khỏi bậc
Hình 2.3 - Mô hình ôtô chuyển động trên mặt đường biên dạng thay đổi đột ngột, vận tốc v
2.1.2.4 Hàm theo quy luật tuần hoàn ngẫu nhiên
Biên dạng mặt đường theo quy luật tuần hoàn ngẫu nhiên [6]:
Hình 2.4 - Biên dạng mặt đường theo quy luật tuần hoàn ngẫu nhiên
Ta có thể xem như biên dạng mặt đường là tổng của các biên dạng hình sin
Các hàm sin tạo thành một dãy gọi là dãy Fourier
𝑦(𝑥) = 𝑦 0 + 𝑦 1 sin(Ω𝑡 + 𝜀 1 ) + 𝑦 2 sin(2Ω𝑡 + 𝜀 2 ) + ⋯ + 𝑦 𝑘 sin(𝑘Ω𝑡 + 𝜀 𝑘 ) + ⋯ Tương đương: 𝑦(𝑥) = 𝑦 0 + ∑ ∞ 𝑘=1 𝑦 𝑘 sin (Ω𝑥 + 𝜀 𝑘 ) (2.4) Bằng cách chuyển đổi giá trị khoảng cách sang thời gian Ta có hàm biểu diễn biên dạng mặt đường theo quy luật tuần hoàn ngẫu nhiên theo thời gian như sau:
𝑦(𝑡) = 𝑦 0 + 𝑦 1 sin(ω𝑡 + 𝜀 1 ) + 𝑦 2 sin(2ω𝑡 + 𝜀 2 ) + ⋯ + 𝑦 𝑘 sin(𝑘ω𝑡 + 𝜀 𝑘 ) + ⋯ Tương đương: 𝑦(𝑡) = 𝑦 0 + ∑ ∞ 𝑘=1 𝑦 𝑘 sin (ω𝑡 + 𝜀 𝑘 ) (2.5) Trong đó: y k : Là biên độ dao động y 0 : Là biên độ dao động ban đầu tại x = 0
𝑋 x: độ dài của một chu kỳ Biên dạng mặt đường theo khoảng cách có thể viết dưới dạng số phức như sau:
𝑦(𝑥) = ∑ ∞ 𝑘=1 𝑦 𝑘 𝑒 𝑗𝑘Ωx (2.6) Biên dạng mặt đường theo thời gian có thể viết dưới dạng số phức như sau:
𝑦(𝑥) = ∑ ∞ 𝑘=1 𝑦 𝑘 𝑒 𝑗𝜔Ωt (2.7) Bằng cách vẽ biên độ dao động yk của từng hàm trong dãy Fourier với tần số góc riêng ta được đồ thị biểu diễn biên dạng mặt đường theo quy luật tuần hoàn ngẫu nhiên dưới đạng đồ thị cột như sau:
Hình 2.5 - Phân tích tần số dao động theo dãy Fourier
2.1.2.5 Hàm theo quy luật ngẫu nhiên
Biên dạng mặt đường trên thực tế không tuân theo quy luật tuần hoàn Khi đó ta xem mặt đường tuân theo quy luật biến thiên tuần hoàn với thời gian thực hiện một chu kỳ T = ∞
Trong trường hợp này biên dạng mặt đường theo chuyển vị được xác định theo tích phân như sau [6]:
Từ đây ta có thể tính biên độ liên tục của dãy như sau:
2𝜋∫ 𝑦(x) −∞ ∞ 𝑒 −𝑗Ωx 𝑑x (2.9) Biên dạng mặt đường theo thời gian được xác định theo công thức sau:
Cơ sở lý thuyết đánh giá về độ êm dịu dao động
Cơ sở lựa chọn các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động ô tô được dựa trên tác động dao động của con người khi đi bộ, chạy bộ … đây một dạng dao động quen thuộc với đầy đủ các đặc trưng về tần số, gia tốc dao động Nếu chỉ số dao động của con người ngồi trên xe khi chuyển động, không vượt quá các giá trị của các chỉ số dao động khi đi bộ, chạy bộ thì độ êm dịu của xe chấp nhận được Trong quá trình nghiên cứu về dao động ôtô thì việc lựa chọn các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu là rất quan trọng Tuy nhiên việc lựa chọn các chỉ tiêu phụ thuộc vào sự phát triển của nền kinh tế, khoa học kỹ thuật, dụng cụ đo, trình độ thí nghiệm, trình độ sản xuất chế tạo, lắp ráp ôtô Vì thế các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu ở mỗi nước là khác nhau, tuy nhiên có hai chỉ tiêu chung là tần số và gia tốc dao động Sau đây là một số chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô:
2.2.1 Chỉ tiêu về tần số dao động
Trong trường hợp dao động tự do không có lực cản, tần số góc dao động riêng của khối lượng được treo trên một trục có thể xác định gần đúng theo công thức:
Trong đó: 𝑘 𝑏 : Độ đàn hồi của phần tử đàn hồi trong hệ thống treo
𝑘 𝑤 : Độ đàn hồi của lốp 𝑚 𝑏 : Khối lượng được treo Tần số góc dao động riêng của khối lượng không được treo trên một trục:
Với 𝑚 𝑢 là khối lượng không được treo
Con người từ nhỏ đã quen với nhịp bước đi bộ Do mỗi người có thói quen, vóc dáng khác nhau nên khi bước đi cũng khác nhau Tuy nhiên trung bình mỗi phút thì con người đi được khoảng 60 đến 85 bước Vậy ô tô chuyển động êm dịu là khi xe chạy trên các loại địa hình khác nhau thì dao động phát sinh phải có tần số nằm trong khoảng 60 đến 85 lần/phút Trong thực tế thì tần số dao động ở mỗi loại xe khác nhau:
- Đối với ô tô tải thì tần số dao động thích hợp là 85 đến 120 lần/phút
- Đối với ô tô khách thì tần số dao động thích hợp là 60 đến 90 lần/phút (1 –
1,5 Hz) Đây là chỉ tiêu sơ bộ nhưng rất quan trọng, giá trị này ứng với dao động chính của ô tô do hệ thống treo gây ra
2.2.2 Chỉ tiêu về gia tốc dao động
Chỉ tiêu đánh giá về gia tốc dao động bao gồm nhiều phương gia tốc khác nhau:
- Giá trị gia tốc theo phương ngang là giá trị gia tốc tác dụng lên hành khách khi ô tô quay vòng
- Giá trị gia tốc theo phương dọc là giá trị gia tốc tác dụng lên hành khách khi ô tô tăng tốc hoặc phanh
- Giá trị gia tốc theo phương thẳng đứng là giá trị gia tốc tác dụng lên hành khách khi ô tô đi qua các đường mấp mô
Trong các giá trị gia tốc nói trên thì giá trị gia tốc theo phương thẳng đứng có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe hành khách trong thời gian dài, các giá trị gia tốc còn lại thường ít ảnh hưởng đến hành khách, vì thế chỉ tiêu về gia tốc dao động chủ yếu tính đến chỉ tiêu đánh giá dựa vào giá trị gia tốc theo phương thẳng đứng
Chỉ tiêu đánh giá tính êm dịu chuyển động dựa vào giá trị của gia tốc thẳng đứng của dao động và số lần va đập do độ mấp mô của bề mặt đường gây ra trên một km đường chạy
Muốn đánh giá được một ô tô có tính êm dịu chuyển động hay không, người ta cho ô tô chạy trên một đoạn đường nhất định, trong thời gian đó dụng cụ đo đặt trên ô tô sẽ ghi lại số lần va đập i tính trung bình trên 1 km đường và gia tốc thẳng đứng của ô tô tương ứng Dựa vào hai thông số đó, người ta so sánh với đồ thị chuẩn xem ô tô thí nghiệm đạt được độ êm dịu chuyển động ở thang bậc nào Chỉ tiêu trên cho ta kết quả nhanh, tuy nhiên chưa thật chính xác vì theo phương pháp này chưa tính tới thời gian tác động của gia tốc thẳng đứng 𝑥̈
Hình 2.6 - Đồ thị đặc trưng mức êm dịu chuyển động của ô tô
2.2.3 Chỉ tiêu về gia tốc và vận tốc dao động (Hệ số êm dịu chuyển động K)
Số lần va đập / 1 km rất tốt xấu trung bình tốt A rất xấu
Chỉ tiêu về gia tốc và vận tốc dao động được lựa chọn trên cơ sở đánh giá cảm giác xuất hiện trong thời gian dao động Cảm giác dao động được đánh giá theo hệ số êm dịu chuyển động K
Hệ số K là một đại lượng không thứ nguyên phụ thuộc vào tần số dao động, gia tốc dao động, vận tốc dao động và hướng của dao động tương ứng với trục cơ thể con người, K được biểu diễn như sau:
0 : Tần số góc dao động (Hz) 𝑥̈ : Gia tốc dao động (m/s 2 ) 𝐾 𝑦 : Hệ số hấp thụ
𝑅𝑀𝑆(𝑥̈): Giá trị trung bình của gia tốc dao động (m/s 2 ) Được tính như sau:
Với T là thời gian tác dụng
Hệ số K càng nhỏ thì độ êm dịu càng cao, từ đó con người càng dễ chịu đựng dao động Các giá trị K cho phép như sau:
K = 0.1 Tương ứng với ngưỡng kích thích
K = 10 ~ 25 Tương ứng với ô tô chạy thời gian dài
K = 25 ~ 63 Tương ứng với ô tô chạy thời gian ngắn
Nếu chịu tác động của dao động ngẫu nhiên nhiều tần số, có thể tách chúng thành các dao động điều hoà riêng rẽ, ứng với mỗi dao động điều hòa có tần số i ta tính được một giá trị K i , khi đó hệ số K chung sẽ là:
2.2.4 Chỉ tiêu về công suất dao động
Chỉ tiêu này dựa trên giả thiết rằng các cảm giác của con người trong dao động phụ thuộc vào công suất dao động truyền cho con người đó Công suất trung bình truyền cho người chịu dao động là:
P(t) : Lực tác động lên con người khi dao động V(t) : Vận tốc dao động
Theo thực nghiệm các giá trị cho phép của chỉ tiêu này được xác định theo cảm giác của hành khách như sau:
N c = 0.2÷0.3 (W) Tương ứng với cảm giác hành khách thoải mái, dễ chịu
N c = 0.6÷10 (W) Tương ứng với cảm giác khó chịu của hành khách Đây là giới hạn cho phép đối với ô tô có tính cơ động cao
Công thức trên sử dụng rất khó khăn nên có thể sử dụng biểu thức tính công suất trung bình truyền cho người chịu dao động như sau:
𝑅𝑀𝑆(𝑍)̈ 2 : Giá trị bình phương trung bình của gia tốc dao động thẳng đứng truyền qua chân
𝑅𝑀𝑆(𝑍 𝑔 ̈ ) 2 : Giá trị bình phương trung bình của gia tốc thẳng đứng truyền qua ghế ngồi
𝑅𝑀𝑆(𝑋)̈ 2 : Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương dọc
𝑅𝑀𝑆(𝑌)̈ 2 : Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương ngang Hệ số K : được cho bởi biểu đồ thực nghiệm
2.2.5 Chỉ tiêu về gia tốc dao động và thời gian dao động
Chỉ tiêu này chủ yếu dành cho người lái và những người có thời gian dài đi trên ô tô Khi ngồi trên ô tô với khoảng thời gian dài dao động sẽ làm cho cơ thể con người mệt mỏi ảnh hưởng đến sức khỏe và các hoạt động Các thí nghiệm kéo dài trong 8 giờ, với tần số dao động nằm trong khoảng được xem là nhạy cảm hơn cả đối với sức khỏe con người (4 - 8HZ), các giá trị của toàn phương gia tốc dao động tác động lên con người tạo ra các cảm giác:
Dễ chịu: 0,1m/s 2 Gây mệt mỏi: 0,315 m/s 2 Gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe: 0,63 m/s 2
Các chỉ tiêu trên là quan trọng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô
Trong đó chỉ tiêu về tần số dao động là chỉ tiêu đầu tiên cần quan tâm đến Việc đánh giá độ êm dịu của ô tô sẽ càng xác thực nếu được phối hợp với các chỉ tiêu khác Ưu điểm của chỉ tiêu này là có thể tính toán, đo đạc tương đối dễ dàng trong điều kiện Việt Nam
Ngoài các chỉ tiêu trên, người ta còn để ý đến các chỉ tiêu đánh giá dao động ảnh hưởng đến sự va đập của hệ thống treo, chỉ tiêu về độ bám của bánh xe và mặt đường.
Các tiêu chuẩn đánh giá về dao động khác
Các hướng dẫn đầu tiên về đánh giá ảnh hưởng dao động toàn thân (WBV) được đưa ra năm 1974 (ISO 2631) Sau nhiều lần sửa đổi, bổ sung, tiêu chuẩn được phát hành chính thức năm 1985 là Tiêu chuẩn ISO 2631 (1985), đánh giá tính êm dịu chuyển động của ô tô theo gia tốc thẳng đứng
Tiêu chuẩn đưa ra các giới hạn cho phép của gia tốc trung bình bình phương theo phương thẳng đứng
- Thời gian tác dụng càng lâu, ngưỡng chịu đựng càng thấp
- Tần số dao động có ảnh hưởng lớn nhất trong vùng 4 ~ 8 [Hz]
- Tần số dao động có ngưỡng chịu đựng cao trong vùng 1 ~ 2 [Hz]
Nước Anh không chấp nhận tiêu chuẩn ISO 2631 (1985), mà đưa ra tiêu chuẩn riêng BS 6841 (1987)
Sự khác biệt chính: Đưa ra phương pháp đo và đánh giá dao động mới, gọi là chỉ số Giá trị Mức độ Rung động (Vibration Dose Value – VDV)
Tiêu chuẩn của Austraylia AS 2670.1 – 1990 đồng nhất với tiêu chuẩn ISO 2631/1 – 1985
Xác lập giới hạn cho 3 yếu tố sau:
- Giới hạn chịu rung động
- Giới hạn về suy giảm mức độ thành thạo do mỏi
Tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997 là bước cải tiến của tiêu chuẩn ISO 2631:1985
Tiêu chuẩn mới bỏ qua khái niệm giới hạn về suy giảm mức độ thành thạo do mỏi
Sử dụng “vùng khuyến cáo” để phân loại sự tiếp xúc với rung động giữa các giới hạn tùy theo thời gian tiếp xúc Vượt ra khỏi giới hạn này được xem là “có thể gây ra thương tích”
Sử dụng chỉ số VDV của tiêu chuẩn Anh BS 6841 Khu vực khuyến cáo là khu vực có trị số VDV đạt 8.5 [m/s 2 ], khu vực có khả năng nguy hại đến sức khỏe là khu vực VDV đạt 17 [m/s 2 ]
2.3.5 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6964 - 1: 2001
Tiêu chuẩn TCVN 6964: xác định các phương pháp đánh giá rung động toàn thân liên quan đến sức khỏe và độ tiện nghi của con người, khả năng cảm nhận rung động, gây chóng mặt buồn nôn Cách đánh giá rung động theo chuẩn này bao gồm phép đo giá trị gia tốc trung bình bình phương (r.m.s)
Trọng số gia tốc r.m.s tính bằng m/s 2 cho dao động tịnh tiến và bằng rad/s 2 cho dao động quay Gia tốc r.m.s được tính theo công thức sau :
Trong đó: a w (t): gia tốc rung động của chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay, là hàm số theo thời gian, đơn vị là m/s 2 hoặc rad/s 2
T: khoảng thời gian đo tính bằng giây
Giả thiết các phản hồi liên quan với năng lượng, hai giá trị rung động tiếp xúc hàng ngày khác nhau được coi là tương đương khi: a w1 T 1 1/2 = a w2 T 2 1/2
(2.21) Trong đó: a w1 , a w2 : các giá trị gia tốc r.m.s theo tần số đối với lần tiếp xúc thứ nhất và thứ hai
T 1 , T 2 : khoảng thời gian cho lần tiếp xúc thứ nhất và thứ hai Khi tiếp xúc với rung động gồm hai hay nhiều khoảng tiếp xúc có cường độ và thời gian khác nhau, độ lớn của rung động theo năng lượng tương đương ứng với tổng thời gian tiếp xúc có thể đánh giá theo công thức:
, a w e : là độ lớn của rung động tương đương a wi : là độ lớn của rung động cho thời gian tiếp xúc T i
Một số nghiên cứu chỉ ra rằng độ lớn của rung động tương đương khác có thể xác định theo công thức:
(2.23) Giá trị rung động dự đoán e (VDV) được sử dụng trong một vài nghiên cứu: e (VDV) = 1,4a w T ẳ (2.24) Trong đó: a w : là gia tốc r.m.s theo tần số
T : là khoảng thời gian tiếp xúc tính bằng giây Đánh giá rung động dựa vào đồ thị sau: Các đường gạch gạch chỉ các vùng cần chú ý với mục đích chỉ dẫn sức khỏe Đối với các tiếp xúc bên dưới vùng trên, ảnh hưởng đến sức khỏe không có minh chứng bằng tài liệu rõ ràng hoặc quan sát khách quan: trong vùng đó cần thận trọng với các tiềm ẩn về rủi ro sức khỏe và bên trên vùng đó, các rủi ro với sức khỏe có khả năng xảy ra Sự khuyến cáo này là cơ sở chính về sự tiếp xúc trong khoảng thời gian từ 4h đến 8h, được chỉ ra trong vùng gạch chéo ở hình dưới Với thời gian tiếp xúc ngắn hơn cần có những nghiên cứu thận trọng Các nghiên cứu khác nói lên sự độc lập của thời gian qua mối tương quan sau: a w1 T 1 1/4 = a w2 T 2 1/4 (2.25) Chỉ dẫn đối với sức khỏe trong vùng này là các đường chấm chấm trên hình dưới:
Hình 2.7 - Vùng chỉ dẫn sức khỏe của TCVN 6964
Theo TCVN 6964 - 1:2001: phản ứng của cơ thể con người đối với những mức rung động khác nhau phụ thuộc vào trọng số gia tốc aw như sau:
Bảng 2.1 - Phản ứng của cơ thể con người đối với những mức rung động khác nhau phụ thuộc vào trọng số gia tốc
Ảnh hưởng của dao động đến con người
Ô tô và các phương tiện vận tải nói chung khi chuyển động sẽ sinh ra các dao động như chuyển động lắc dọc, lắc ngang Các dao động này tác động trực tiếp lên hành khách trên ô tô Các dao động này dưới dạng sóng cơ học được truyền trực tiếp lên cơ thể con người làm cho cả cơ thể hoặc từng bộ phận cơ thể dao động theo
Tác động của dao động cơ học lên cơ thể phụ thuộc vào: Tần số dao động, cường độ dao động, thời gian tác động, hướng tác động… Nhiều thí nghiệm đã cho thấy mức độ ảnh hưởng của dao đến sức khỏe con người như sau:
Bảng 2.2 - Mức độ ảnh hưởng của dao động đến sức khỏe con người ứng với các dãy tần số
Tần số [Hz] Các ảnh hưởng
< 0,1 Gây ra chứng say sóng
0,125 ~ 2,5 Gây buồn nôn, choáng váng, có thể ảnh hưởng đến khả năng điều khiển an toàn của người lái
3 ~ 5 Gây ra các phản ứng ở tiền đình, những rối loạn liên quan đến sự lưu thông máu, gây choáng
5 ~ 11 Gây rối loạn ở đường tai trong, ảnh hưởng đến dạ dày, ruột
11 ~ 15 Giảm thị lực, gây buồn nôn
15 ~ 18 Gây ra cảm xúc khó chịu trong thời gian ngắn
Nhỏ hơn 0,315 m/s 2 Không có cảm giác, không thoải mái Từ 0,315 đến 0,63 m/s 2 Có cảm giác chút ít về sự không thoải mái Từ 0,5 đến 1 m/s 2 Có cảm giác rõ rệt về sự không thoải mái Từ 0,8 đến 1,6 m/s 2 Không thoải mái
Từ 1,25 đến 2,5 m/s 2 Rất không thoải mái Lớn hơn 2 m/s 2 Cực kỳ không thoải mái
15 ~ 1500 Gây ra tổn hại đến sức khỏe khi chịu tác động trong thời gian dài
Cơ thể con người có thể được xem như một hệ thống cơ học đàn hồi có tần số dao động riêng từ 3 ÷ 30 Hz và có khả năng hấp thụ những dao động có tần số đến 8000 Hz Khi chịu lực kích thích các bộ phận của cơ thể người sẽ thực hiện các chuyển động tương đối với nhau và truyền các rung động lẫn nhau
Tuy nhiên, dao động dù có cường độ trung bình, nhưng thời gian tác động kéo dài cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến cơ thể nếu tần số dao động không phù hợp Các thí nghiệm cho thấy dao động với tần số từ 3 ÷ 5 Hz sẽ gây ra các phản ứng ở cơ quan tiền đình, những rối loạn liên quan đến sự lưu thông máu, gây choáng Dao động từ 5 Hz đến 11 Hz gây rối loạn ở đường tai trong, ảnh hưởng đến dạ dày, gan, ruột Dao động với tần số 11 ÷ 15 Hz làm giảm thị lực, gây buồn nôn Ở tần số 1÷2 Hz tương ứng với tần số của người đi bộ, ở tần số này con người không cảm thấy khó chịu
Một số dao động có thể không làm nguy hại đến sức khỏe con người nhưng làm giảm khả năng nhạy bén, giảm khả năng thu thập và xử lý thông tin Điều này rất có hại đến tài xế và hành khách trên những chuyến xe đường dài.
MÔ HÌNH HÓA HỆ DAO ĐỘNG CỦA XE: Mô hình 4 bậc tự do
Kết cấu hệ dao động ô tô
Kết cấu hệ dao động ô tô gồm 4 phần chính:
Là bộ phận chủ yếu của ôtô, là những chi tiết mà trọng lượng của chúng tác động lên hệ thống treo như khung xương, thùng vỏ, hệ thống động lực và các cơ phận khác liên kết với nhau Toàn bộ trọng lượng của các bộ phận này được đặt lên hệ thống đàn hồi và dẫn hướng, gọi là hệ thống treo
Gồm có cầu - dầm cầu, hệ thống chuyển động (bánh xe), cơ cấu dẫn động lái
… Trọng lượng của phần này không tác dụng lên hệ thống treo Trên thực tế có một số bộ phận của ô tô vừa được lắp lên phần được treo, vừa được lắp lên phần không được treo như: nhíp, giảm chấn, trục các đăng, các thanh giằng, bầu đàn hồi khí nén…Do đó một phần khối lượng của chúng được xem như thuộc phần được treo và phần còn lại thuộc phần không được treo
Hệ thống treo trên ô tô có nhiệm vụ nối đàn hồi giữa hai khối lượng gồm: trục xe, bánh xe (khối lượng không được treo) và thân xe (khối lượng được treo) tạo thành một hệ thống dao động Hệ thống treo bao gồm các phần tử đàn hồi (nhíp, thanh xoắn, bầu khí nén…), giảm chấn, liên kết và dẫn hướng Các bộ phận này nối khung ô tô với các cầu và bánh xe ô tô, từng bộ phận này có các phạm vi hoạt động khác nhau
Bộ phận đàn hồi có công dụng: Đưa vùng tần số dao động bất kì của nền đường về vùng tần số dao động phù hợp với con người (60 – 90 dao động/phút)
Nối mềm giữa bánh xe và thân ô tô, giảm nhẹ tải trọng động tác động từ nền đường qua bánh xe lên thân ô tô và hành khách, đảm bảo tính êm dịu cần thiết
Tạo ra các đường đặc tính đàn hồi phù hợp với các chế độ hoạt động của ô tô
Bộ phận giảm chấn có công dụng:
Giảm và dập tắt các va đập truyền lên khung ô tô khi bánh xe lăn trên nền đường không bằng phẳng nhằm bảo vệ các bộ phận đàn hồi và tăng tính tiện nghi cho người sử dụng Đảm bảo dao động của phần không treo là nhỏ nhất, nhằm làm tốt sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường
Nâng cao các tính chất truyền động của ô tô như khả năng tăng tốc, khả năng an toàn khi chuyển động Để dập tắt các dao động của ô tô khi chuyển động giảm chấn sẽ biến đổi cơ năng thành nhiệt năng nhờ ma sát giữa chất lỏng và các van tiết lưu
Bộ phận dẫn hướng có công dụng: Truyền lực dọc và mô men từ mặt đường tác dụng lên bánh xe Động học của bộ phận dẫn hướng xác định tính chất dịch chuyển tương đối giữa bánh xe và khung ô tô
Là thành phần đàn hồi thực hiện việc nâng đỡ và truyền lực cho ôtô, đảm bảo cho bánh xe tiếp xúc tốt với mặt đường và thu nhận, giảm nhẹ các tải trọng động tác dụng lên phần không được treo khi ô tô chạy trên đường không bằng phẳng nhờ áp suất hơi và độ đàn hồi của lốp
Tính chất đàn hồi của lốp ôtô có ảnh hưởng quan trọng đến đặc tính chuyển động êm dịu của ôtô Lốp có thể đàn hồi theo phương hướng kính, phương ngang và phương tiếp tuyến Sự tổn thất do nội ma sát trong sẽ phát sinh nhiệt và nung nóng lốp xe khi chuyển động, làm ảnh hưởng xấu đến đặt tính đàn hồi Vì vậy cần tìm biện pháp giảm sự ma sát trong của lốp.
Xây dựng mô hình dao động của ô tô
Để tính toán, đánh giá cho hệ thống treo khí nén ảnh hưởng đến độ êm dịu trong trường hợp này ta dùng mô hình phẳng – mô hình dao động trong mặt phẳng dọc
Trong mô hình này toàn bộ phần khối lượng được treo được coi là một vật thể tuyệt đối cứng và đồng nhất Bỏ qua độ cứng của các chi tiết và các mối liên kết
Khối lượng được treo được mô tả như một hình chữ nhật đồng nhất
C : là trọng tâm ô tô, khối lượng được treo m đặt tại trọng tâm C m 1 (kg): khối lượng không được treo đặt lên hệ thống treo trước m 2 (kg): khối lượng không được treo đặt lên hệ thống treo sau a 1 (m) : Khoảng cách từ C đến cầu trước ô tô a 2 (m) : Khoảng cách từ C đến cầu sau ô tô
Khối lượng không được treo ở mỗi cầu được quy về tâm của bánh xe (xem như là chất điểm có khối lượng) Khi hệ thống treo làm việc, bên trong hệ thống có phát sinh lực ma sát, các nguồn kích động trên xe được bỏ qua và coi nguồn kích động duy nhất là các mấp mô mặt đường
Mô hình cụ thể là mô hình dao động ô tô trong mặt phẳng dọc được sử dụng để khảo sát và tối ưu hóa dao động của thân ô tô theo phương thẳng đứng Tuy nhiên, chúng ta mở rộng phát triển mô hình dao động ô tô để có thể khảo sát sự lắc dọc cũng như các dao động khác của ô tô Mô hình cho phép khảo sát thông số dao động của thân ô tô theo phương thẳng đứng x, lắc dọc θ, chuyển động theo phương thẳng đứng của các bánh xe x 1 , x 2 và các kích động riêng biệt từ mặt đường y 1 và y 2
Hình 3.1 - Mô hình dao động ô tô trong mặt phẳng dọc
Bảng 3.1 - Thông số mô hình dao động ôtô trong mặt phẳng dọc
Ký hiệu Tên gọi Đơn vị m Khối lượng thân ô tô khi đầy tải kg m 1 Khối lượng không được treo ở cầu trước kg m 2 Khối lượng không được treo ở cầu sau kg a 1 Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm C đến cầu trước của ô tô m a 2 Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm C đến cầu sau của ô tô m
I y Moment quán tính khối lượng quanh trục Oy của thân ô tô Kg.m 2 k 1 Hệ số đàn hồi hệ thống treo trước Ns/m k 2 Hệ số đàn hồi hệ thống treo sau Ns/m c 1 Hệ số giảm chấn hệ thống treo trước Ns/m c 2 Hệ số giảm chấn hệ thống treo sau Ns/m x Chuyển động theo phương thẳng đứng của thân ô tô m x 1 Chuyển động theo phương thẳng đứng của bánh xe trước m x 2 Chuyển động theo phương thẳng đứng của bánh xe sau m θ Góc lắc thân xe trong mặt phẳng dọc rad y 1 Kích động của mặt đường ở bánh xe trước m y 2 Kích động của mặt đường ở bánh xe sau m Áp dụng phương pháp Lagrange ta có: Động năng của hệ: bao gồm động năng của phần được treo và phần không được treo
Thế năng của hệ: bao gồm thế năng của các bầu khí nén và của các bánh xe
Hàm tiêu tán D của hệ:
(3.3) Với các giá như như sau:
D c x x a c x c a c x x Áp dụng phương pháp Lagrange ta có hệ phương trình vi phân bậc 2 của hệ dao động ô tô trong mặt phẳng dọc dưới dạng ma trận như sau:
Ma trận hệ số giảm chấn [c]
Ma trận hệ số độ cứng [k]
Các thông số của mô hình mô phỏng dao động
Bảng 3.2 – Các thành phần khối lượng xe SAMCO Primas
Thành phần khối lượng Ký hiệu
Khối lượng cụm động cơ - hộp số (ly hợp, két nước, intercooler) GDC
Khối lượng khung chassis GKX
Khối lượng thùng nhiên liệu GTNL
Khối lượng khung xương khoang hành khách và tấm vỏ GKV
Khối lượng kính hông, trước và sau GK
Khối lượng máy lạnh GML
Khối lượng giường nằm và ghế tài xế GGN
Khối lượng ván sàn và nội thất GNT
Khối lượng hành khách (đầy tải) GHK
Khối lượng hành lý (đầy tải) GHL
Khối lượng bánh xe dự phòng GBXDP
Khối lượng không được treo
Khối lượng cụm cầu trước GTT
Khối lượng cụm cầu sau GTS
Khối lượng bánh xe cầu trước GBXT
Khối lượng bánh xe cầu sau GBXS
3.3.1 Tọa độ trọng tâm theo chiều dọc a 1 , a 2
Hình 3.2 – Phân bố khối lượng của phần được treo
Ta lập phương trình cân bằng moment từng phần khối lượng đối với điểm O a 1 + L1 = ∑ 𝑀𝑖 𝑑𝑖
Sau khi tính được a1 => a 2 = 6150 - a 1 (3.6) Trong đó:
L1: Khoảng cách từ tâm cầu trước đến điểm O [m] a 1 : Khoảng cách từ trọng tâm phần được treo đến tâm cầu trước [m] a 2 : Khoảng cách từ trọng tâm phần được treo đến tâm cầu sau [m]
M i : Khối lượng từng phần được treo của ô tô [kg] d i : Khoảng cách từ trọng tâm khối lượng từng phần được treo đến điểm O[m] m : Tổng khối lượng phần được treo [kg]
3.3.2 Moment quán tính khối lượng phần được treo của ô tô khi đầy tải I y theo trục Oy
Moment quán tính khối lượng của ô tô được xác định bằng phương pháp gần đúng theo mô hình giả định xem tổng thể phần được treo như khối hình hộp chữ nhật đồng chất có kích thước (dài x rộng x cao) là (l, w, h) Từ đó, quy đổi hệ trục tọa độ quán tính của khối hộp chữ nhật đồng chất về hệ trục tọa độ đặt tại vị trí tọa độ trọng tâm phần được treo
Hình 3.3 – Khối hộp chữ nhật thân xe đồng nhất
Công thức tính moment quán tính khối lượng:
I 0 : Moment quán tính khối lượng bản thân phần được treo
R : Bán kính tâm quay – là khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến tâm quay I y : Moment quán tính khối lượng phần được treo quanh trục Oy
3.3.3 Hệ số giảm chấn hệ thống treo c 1 , c 2
Ta cần tính hệ số giảm chấn c của giảm chấn và qui đổi sang hệ số giảm chấn của mô hình tính toán như hình 3.1
Thông số hệ số giảm chấn qui đổi tối ưu cho hầu hết các hệ thống treo có thể xác định theo công thức: c ≈ 0,112πm [Ns/m] (3.9)
Hình 3.4 – Đồ thị tối ưu hệ số giảm chấn cho ô tô có khối lượng m với tần số f ≈
Ta cần xác định tải trọng phân bố lên bánh xe trước và bánh xe sau, từ đó xác định được hệ số giảm chấn phù hợp dựa theo công thức c ≈ 0,112πm [Ns/m]
3.3.4 Hệ số đàn hồi hệ thống treo k 1 , k 2 [7]
Bầu khí nén là một bộ phận đàn hồi có độ êm dịu cao, đặc tính đàn hồi của bầu khí nén có dạng phi tuyến, không giống dạng tuyến tính như trên lò xo trụ Hệ số đàn hồi thay đổi theo tải trọng tác dụng lên bầu khí nén
Hình 3.5 – Đồ thị động lực học của bầu khí nén
Trong hình 3.5 thể hiện đồ thị động lực học của bầu khí nén với trục tung (load) là tải tác dụng lên bầu khí nén, trục hoành (deflection) là chiều cao hình học của bầu khí nén trong quá trình làm việc Bầu khí nén có trạng thái cân bằng tại vị trí L
Công thức tính hệ số đàn hồi của bầu khí nén: k = (L c – L e )/(∆h c + ∆h e ) (3.9)
Trong đó: k : Hệ số đàn hồi bầu khí nén L c : Tải tác dụng khi nén bầu khí nén
L e : Tải tác dụng khi kéo bầu khí nén
∆h c : Độ nén của bầu khí nén
∆h e : Độ giản của bầu khí nén Tính L c và L e :
P gc : Áp suất khí nén tại điểm Lc
P ge : Áp suất khí nén tại điểm Le
A c : Diện tích tác dụng bầu khí nén tại điểm Lc
A e : Diện tích tác dụng bầu khí nén tại điểm Le
Thế công thức 3.10 và 3.11 vào công thức 3.9 ta được: k = P gc (A c ) - P ge (A e ) (3.12)
Với: ∆h c = ∆h e = 0.5 inch (Xét bầu khí nén kéo giãn trong đoạn 1 in)
P ac : Áp suất tuyệt đối tại Lc
P ae : Áp suất tuyệt đối tại Le
14,7 : Áp suất khí quyển Ta có: P gc = P ac – 14.7 (3.13)
Chúng ta sử dụng định luật đa hướng của không khí với n = 1,38 Ta có công thức sau:
P al : Áp suất tuyệt đối tại vị trí cân bằng L V 1 : Thể tích bầu khí nén tại vị trí cân bằng L V c : Thể tích bầu khí nén tại vị trí Lc
V e : Thể tích bầu khí nén tại vị trí Le
Thế các công thức 3.15 vào 3.13 và 3.16 vào 3.14 ta được:
Tiếp theo ta thế công thức 3.18 và 3.19 vào công thức 3.12 ta được: k = [𝑃 𝑎1 ( 𝑉 1
Nhóm các phần chung và rút gọn công thức 3.19 ta thu được công thức tính hệ số đàn hồi k của bầu khí nén như sau: k = P a1 [𝐴 𝑐 ( 𝑉 1
3.3.5 Hệ số đàn hồi của lốp xe
Trên xe SAMCO Primas sử dụng cùng một kiểu lốp cho bánh trước (lốp đơn) và bánh sau (lốp đôi)
Tính độ cứng thẳng đứng của lốp xe k_ t1,t2,t3 : ( vertical stiffness) [3]
K w : độ đàn hồi của lốp [N/m]
AR: tỉ số giữa chiều cao và chiều rộng lốp xe S N : chiều rộng danh nghĩa lốp xe
D R : Đường kính vành lốp xe
Hình 3.6 – Mặt cắt lốp xe
XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CHO BÀI TOÁN MÔ PHỎNG
Thông số kỹ thuật của ô tô SAMCO Primas
Giả thiết các thành phần khối lượng phân bố đối xứng theo chiều dài trục đối xứng dọc của ô tô Ta có bảng khối lượng, tọa độ phân bố trọng tâm của các cụm tổng thành, hành khách và hành lý tính từ tâm trục trước của ô tô [8]
Bảng 4.1 – Thông số các thành phần khối lượng xe SAMCO Primas
Thành phần khối lượng Ký hiệu
Khối lượng cụm động cơ - hộp số (ly hợp, két nước, intercooler) G DC 8847 1527
Khối lượng khung chassis G KX 3691 3100
Khối lượng thùng nhiên liệu G TNL - 1215 400
Khối lượng khung xương khoang hành khách và tấm vỏ G KV 3295 2425
Khối lượng kính hông, trước và sau G K 4005 660
Khối lượng máy lạnh G ML 1335 250
Khối lượng giường nằm và ghế tài xế G GN 3495 1620
Khối lượng ván sàn và nội thất G NT 725 985
Khối lượng hành khách (đầy tải) G HK 3768 2795
Khối lượng hành lý (đầy tải) G HL 2970 215
Khối lượng bánh xe dự phòng G BXDP - 1850 80
Khối lượng không được treo
Khối lượng cụm cầu trước G TT 0 365
Khối lượng cụm cầu sau G TS 6150 1098
Khối lượng bánh xe cầu trước G BXT 0 160
Khối lượng bánh xe cầu sau G BXS 6150 320
4.1.1 Xác định khối lượng phần được treo của ô tô khi đầy tải
Khối lượng phần được treo là khối lượng toàn bộ thân ô tô khi xe đầy tải m được tính như sau: m = G DC + G KX + G TNL + G KV + G K + G ML + G GN + G NT + G HK + G HL + G BXDP
4.1.2 Xác định tọa độ trọng tâm theo chiều dọc a 1 , a 2 khi đầy tải
Hình 4.1 – Phân bố khối lượng của phần được treo
Ta lập phương trình cân bằng moment từng phần khối lượng đối với điểm O a 1 + L1 = ∑ 𝑀𝑖 𝑑𝑖
L1: Khoảng cách từ tâm cầu trước đến điểm O [m] a 1 : Khoảng cách từ trọng tâm phần được treo đến tâm cầu trước [m] a 2 : Khoảng cách từ trọng tâm phần được treo đến tâm cầu sau [m]
M i : Khối lượng từng phần được treo của ô tô [kg] d i : Khoảng cách từ trọng tâm khối lượng từng phần được treo đến điểm O[m] m : Tổng khối lượng phần được treo [kg] Áp dụng công thức trên ta tính được: a 1 = 3758 [mm] = 3,758 [m] a 2 = 6150 - a 1 = 6150 - 3758 = 2392 [mm] = 2,392 [m]
4.1.3 Xác định moment quán tính khối lượng quanh trục Oy của phần được treo khi đầy tải
Moment quán tính khối lượng của ô tô Iy được xác định bằng phương pháp gần đúng theo mô hình giả định xem tổng thể phần được treo là một hình chữ nhật có kích thước D x C là 12,175 x 3,207 [m] Từ đó quy đổi hệ trục tọa độ quán tính của hình chữ nhật đồng chất về hệ trục tọa độ đặt tại vị trí tọa độ trọng tâm phần được treo
Hình 4.2 – Tọa độ trọng tâm của ô tô
Xác định tọa độ trọng tâm của phần được treo theo chiều cao
Bảng 4.2 – Bảng tọa độ trọng tâm theo chiều cao của các thành phần trên xe
Thành phần khối lượng Ký hiệu hi [mm] Giá trị [kg]
Khối lượng cụm động cơ - hộp số (ly hợp, két nước, intercooler) G DC 960 764
Khối lượng khung xe – hệ thống lái G KX 1018 1550
Khối lượng cụm cầu trước – hệ thống treo G TT 515 183
Khối lượng cụm cầu sau – hệ thống treo G TS 515 549
Khối lượng bánh xe (kể cả bánh dự phòng) G BX 524 280
Khối lượng thùng nhiên liệu G TNL 635 200
Khối lượng bản thân ô tô satxi G CH 3525
Khối lượng thùng vỏ G TH 1420 2970
Khối lượng hành khách tầng dưới G HK1 1620 1300
Khối lượng hành khách tầng trên G HK2 2470 1170
Khối lượng hành khách băng 5 G HK3 1875 325
Khối lượng hành lý G HL 790 108
Chiều cao trọng tâm ô tô khi toàn tải: 1358 [mm]
Xác định moment quán tính I y
Công thức tính moment quán tính khối lượng:
12(ℎ 2 + 𝑙 2 ) Với: m là khối lượng được treo, m = 14057 [kg] h là chiều cao hình chữ nhật, h = 3,207 [m] l là chiều dài hình chữ nhật, l = 12,175 [m]
R là bán kính xoay của hình chữ nhật quanh trọng tâm phần được treo, R
I 0y là moment quán tính khối lượng của hình chữ nhật tại tâm hình chữ nhật
I y là moment quán tính khối lượng của phần được treo tại trọng tâm phần được treo
Thế các giá trị trên vào công thức:
4.1.4 Xác định hệ số giảm chấn hệ thống treo c 1 , c 2 khi đầy tải
Ta cần tính hệ số giảm chấn c của giảm chấn và qui đổi sang hệ số giảm chấn của mô hình tính toán như hình 3.1
Thông số hệ số giảm chấn qui đổi tối ưu cho hầu hết các hệ thống treo có thể xác định theo công thức: c ≈ 0,112.π.m [Ns/m] (3.9)
Hình 4.3 – Đồ thị tối ưu hệ số giảm chấn cho ô tô có khối lượng m với tần số f ≈
Ta cần xác định tải trọng phân bố lên bánh xe trước và bánh xe sau, từ đó xác định được hệ số giảm chấn phù hợp dựa theo công thức c ≈ 0,112πm [Ns/m]
Khối lượng phần được treo phân bố lên cầu trước: m f = 14057.a 2 /L = 14057.2,392/6,15 = 5467 [kg]
Khối lượng phần được treo phân bố lên cầu sau: m r = 14057 - 5476 = 8581 [kg]
4.1.5 Xác định hệ số đàn hồi hệ thống treo k 1 , k 2 bằng phương pháp thực nghiệm đo đạc
Bầu khí nén là một bộ phận đàn hồi có độ êm dịu cao, đặc tính đàn hồi của bầu khí nén phụ thuộc vào diện tích hiệu dụng, thể tích bầu khí nén và áp suất tại chiều cao thiết kế hay còn gọi là chiều cao cân bằng
Hình 4.4 – Đồ thị động lực học của bầu khí nén
Công thức tính hệ số đàn hồi của 1 bầu khí nén:
K : Hệ số đàn hồi bầu khí nén [lb/in]
A c : Diện tích tác dụng bầu khí nén tại điểm Lc [in 2 ]
A e : Diện tích tác dụng bầu khí nén tại điểm Le [in 2 ]
P al : Áp suất tuyệt đối tại vị trí cân bằng L [psig]
V 1 : Thể tích bầu khí nén tại vị trí cân bằng L [in 3 ]
V c : Thể tích bầu khí nén tại vị trí Lc [in 3 ]
V e : Thể tích bầu khí nén tại vị trí Le [in 3 ]
Hình 4.5 – Các vị trí tính toán của bầu khí nén
Xác định áp suất tuyệt đối tại điểm cân bằng L
L gọi là điểm cân bằng hay còn có thể gọi là chiều cao thiết kế của nhà sản xuất Để xác định áp suất của hệ thống khí nén tạo nên cho bầu khí nén ta dùng phương pháp thực nghiệm đo đạc
Hình 4.6 – Đo đạc thực nghiệm áp suất tác dụng trong bầu khí nén Áp suất đo đạc được: P g = 59 [Psi] Áp suất tuyệt đối tại chiều cao thiết kế của bầu hơi là:
Trong hai trường hợp bầu khớ nộn gĩan ẵ inch và nộn ẵ inch quanh vị trớ cõn bằng L thì đường kính hiệu dụng của bầu khí nén không thay đổi theo hình 4.5 Do đó ta có:
Bằng bảng vẽ 3D của bầu khí nén tại 3 vị trí C, L và E ta xác định được:
Hình 4.7 – Bản vẽ 3D tính toán thể tích bầu khí nén tại các vị trí C, L và E
V c = 9838422 [mm 3 ] = 600,4 [in 3 ] Thế các giá trị vừa tìm được vào (3.21) ta được: k = 73,7 [73,67 ( 638,6
Tại cầu trước sử dụng 2 bầu khí nén, vì thế hệ số k 1 là k 1 = 2.k = 2.14894 = 29788 [kg/m]
Tại cầu sau sử dụng 4 bầu khí nén, vì thế hệ số k 2 là k 2 = 4.k = 4.14894 = 59576 [kg/m]
4.1.6 Xác định hàm đa thức mô tả hệ số đàn hồi hệ thống treo k 1 , k 2 phi tuyến
Hệ thống treo khí nén trên xe SAMCO Primas đang sử dụng loại bầu khí nén của nhà sản xuất Firestone, kiểu model bầu 1T15L-4 (W01-358-9414) Thông số bầu khí nén này theo bảng 4.3 [9]
Bảng 4.3 – Bảng thông số bầu khí nén Firestone 1T15L-4 (W01-358-9414)
BẢNG THỐNG KÊ TẢI TRỌNG TẠI CÁC ĐỘ CAO, VÀ CÁC DÃY ÁP SUẤT CỦA BẦU KHÍ NÉN H F tại 20 Psi F tại 40 Psi F tại 60 Psi F tại 80 Psi F tại 100 Psi inch m lbs N lbs N lbs N lbs N lbs N
Với: H: Chiều cao của bầu khí nén, H luôn thay đổi trong quá trình hoạt động
F: lực tác dụng lên bầu khí nén Chiều cao tối đa của bầu khí nén: 16 [inch] ≈ 0,406 [m]
Chiều cao tối thiểu của bầu khí nén: 6 [inch] ≈ 0,152 [m]
Bảng 4.3 thể hiện mối quan hệ giữa hành trình chuyển vị của bầu khí nén so với lực tác dụng ở các giá trị áp suất điều chỉnh tương ứng 20, 40, 60, 80, 100 [Psi]
Trong điều kiện làm việc thực tế của ô tô thì áp suất điều chỉnh cấp cho bầu khí nén thường dao động trong khoảng 40 – 80 [Psi] Vì thế ta chọn 3 trường hợp áp suất điều chỉnh làm việc thường xuyên của bầu khí nén để thể hiện dưới dạng đồ thị cho mối quan hệ này tương ứng lần lượt là 40, 60, 80 [Psi] như thể hiện ở hình 4.7
Hình 4.8 – Đồ thị mối quan hệ giữa vị trí hình học và lực tác dụng lên bầu khí nén
Từ dữ liệu thu được thể hiện qua hình 4.7, ta biến đổi giá trị thể hiện vị trí hình học của bầu khí nén sang vị trí hành trình làm việc của bầu khí nén thể hiện như ở hình 4.8
Hình 4.9 – Đồ thị mối quan hệ giữa hành trình và lực tác dụng lên bầu khí nén
Thông số điều kiện biên dạng mặt đường
Trong thực tế biên dạng mặt đường thường gặp có dạng bán bình phương hình sin Chính vì thế ta sử dụng biên dạng đường này để tính toán trong bài toán mô phỏng
Dạng bán bình phương hàm sin là dạng hàm kích động tiêu biểu mô tả biên dạng mặt đường có mô cao dạng bán hình sin, vì thế được chọn sử dụng để tính toán cho các trường hợp tải trọng
Bán bình phương hàm sin được thể hiện bằng hàm toán học [1]:
Trong đó: t_start = 0: thời điểm ngay tại đó bánh xe bắt đầu tiếp xúc với bậc t_end = 0.5d 1 /v: thời điểm ngay khi bánh xe bắt đầu rời khỏi bậc d 1 : Chiều dài bậc = 1,0 [m] d 2 : Chiều cao bậc = 0,2 [m]
Hình 4.14 - Biên dạng mặt đường mô tả bằng bán bình phương hàm sin
Trong bài toán mô phỏng ta chỉ khảo sát ở hàm bán bình phương đơn.
TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG THU KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH
Sơ đồ tính toán mô phỏng
Hình 5.1 – Sơ đồ tính toán mô phỏng
Thông số đầu vào cho việc tính toán (m, m 1 , m 2 , a 1 , a 2 , I y , k 1 , k 2 , c 1 , c 2 , K f , K r )
Mô hình tính toán trong mặt phẳng dọc
4DOF Áp dụng phương pháp Lagrange
Hàm biên dạng mặt đường y Vận tốc ô tô V
Khảo sát dao động theo thời gian với
So sánh dao động trường hợp k tuyến và k phi tuyến
So sánh dao động trường hợp k tuyến và k phi tuyến biến thiên theo độ cao mấp mô
Phân tích và kết luận
So sánh dao động trường hợp k tuyến và k phi tuyến biến thiên theo tốc độ di chuyển Để giải bài toán mô phỏng dao động của ô tô đã thiết lập ở trên có thể dùng nhiều cách, nhưng trong luận văn này tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab để giải
Phần code của quá trình được trình bày trong phần Phụ Lục.
Sự đáp ứng theo thời gian của các giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc trong 3 trường hợp áp suất P = 40, 60, 80 [Psi]
Trong mỗi trường hợp áp suất điều chỉnh tương ứng 40, 60, 80 [Psi] ta tính toán và xác định được các thông số chuyển vị (x), vận tốc (dx), gia tốc (ddx) theo phương thẳng đứng và chuyển vị (θ), vận tốc góc (dθ), gia tốc góc (ddθ) theo góc lắc của phần được treo trong mặt phẳng dọc quanh trục Oy
Các thông số điều kiện ban đầu của bài toán như bảng 5.1 Bảng 5.1 – Bảng thông số tính toán với 3 trường hợp áp suất 40, 60, 80 [Psi]
Vận tốc di chuyển của ô tô V [km/h] 60
Chiều dài mấp mô bán bình phương hình sin d 1 [m] 1,0 Chiều cao mấp mô bán bình phương hình sin d 2 [m] 0,2 Áp suất điều chỉnh ban đầu của bầu khí nén P [Psi] 40; 60; 80
5.2.1 Đáp ứng theo thời gian của chuyển vị
Hình 5.2 – Đồ thị chuyển vị x theo thời gian trong 3 trường hợp áp suất
Trong hình 5.2 đồ thị này có trục tung (Displacement) thể hiện giá trị chuyển vị x theo phương thẳng đứng, trục hoành (time) thể hiện giá trị thời gian dao động của ô tô
Qua đồ thị ở hình 5.2 cho giá trị chuyển vị của phần được treo theo phương thẳng đứng tăng lênlớn nhất0 – 0,0031 [m] tại thời điểm 0,45 giây, tức là ngay sau khi bánh xe tiếp xúc với mấp mô trong trường hợp áp suất điều chỉnh 80 [Psi].Sau đó giá trị chuyển vị được giảm dần theo hình sin Đối với 2 trường hợp áp suất điều chỉnh 40, 60 [Psi] đồ thị thể hiện sự chuyển vị tương tự như trường hợp áp suất điều chỉnh 80 [Psi] nhưng giá trị xluôn nhỏ hơn Nhận xét: đối với giá trị áp suất điều chỉnh càng lớn thì giá trị chuyển vị cũng càng lớn trong mọi điều kiện hoạt động
Trong 3 trường hợp áp suất điều chỉnh 40, 60, 80 [Psi] thì giá trị chuyển vị giảm dần theo thời gian nhưng không trùng lắp về nhịp thời gian Khi áp suất điều chỉnh càng cao thì thời gian x giảm dần sẽ giảm tức là tần số dao động sẽ tăng, và ngược lại khi giá trị áp suất điều chỉnh càng nhỏ thì thời gian x giảm dần sẽ tăng tức là tần số dao động sẽ giảm
Từ đồ thị hình 5.2 có thể xác định được tần số dao động của 3 trường hợp áp suất như sau:
Trường hợp áp suất 40 [Psi]: f 40 = 0,9 [Hz]
Trường hợp áp suất 60 [Psi]: f 60 = 1,08 [Hz]
Trường hợp áp suất 80 [Psi]: f 80 = 1,22 [Hz]
So sánh giá trị tần số tìm được với các giá trị tiêu chuẩn trong bảng 2.2:
- Trường hợp có áp suất điều chỉnh 40 [Psi] có tần số dao động f 40 = 0,9 [Hz]
< 1 [Hz] là mức giới hạn dưới của vùng tần số dễ chịu của con người Vì thế trong trường hợp này không đạt được sự êm dịu tốt về chỉ tiêu tần số dao động
- Trường hợp có áp suất điều chỉnh 60, 80 [Psi] có tần số dao động f 60 = 1,08 [Hz], f 80 = 1,22 [Hz] là giá trị nằm trong vùng tần số dễ chịu của con người Vì thế trong trường hợp này được đánh giá là có sự êm dịu tốt về chỉ tiêu tần số dao động
Hình 5.3 – Đồ thị chuyển vị θ theo thời gian trong 3 trường hợp áp suất
Trong hình 5.3 trục tung (Angular displacement) của đồ thị thể hiện giá trị chuyển vị xoay θ, trục hoành (time) thể hiện giá trị thời gian dao động của ô tô
Qua đồ thị ở hình 5.3 cho giá trị chuyển vị xoay của phần được treo quanh trục Oy tăng lên lớn nhất theo cả hai chiều góc lắc dương và góc lắc âm tại thời điểm ngay sau khi bánh xe tiếp xúc với mấp mô trong cả 3 trường hợp áp suất điều chỉnh 40, 60, 80 [Psi] Sau đó giá trị chuyển vị xoay được giảm dần theo hình sin Đối với giá trị áp suất điều chỉnh càng lớn thì giá trị của góc lắc dao động cũng càng lớn
Trong 3 trường hợp áp suất điều chỉnh 40, 60, 80 [Psi] thì giá trị chuyển vị xoay giảm dần theo thời gian nhưng không trùng lắp về nhịp thời gian Khi áp suất điều chỉnh càng cao thì thời gian θ giảm dần sẽ giảm, và ngược lại khi giá trị áp suất điều chỉnh càng nhỏ thì thời gian θ giảm dần sẽ tăng
5.2.2 Đáp ứng theo thời gian của giá trị vận tốc dao dộng
Hình 5.4 – Đồ thị vận tốc dx theo thời gian trong 3 trường hợp áp suất
Trong hình 5.4 đồ thị này có trục tung (Velocity) thể hiện giá trị vận tốc dao động dx theo phương thẳng đứng, trục hoành (time) thể hiện giá trị thời gian dao động của ô tô
Giá trị vận tốc dao động của phần được treo theo phương thẳng đứng tăng lên lớn nhất tại thời điểm ngay sau khi bánh xe tiếp xúc với mấp mô trong cả 3 trường hợp áp suất điều chỉnh 40, 60, 80 [Psi], và có giá trị dương Sau đó dx biến thiên không tuần hoàn trong khoảng thời gian 0,5 – 2 giây Sau thời điểm 2 giây dx được giảm dần theo hình sin Đối với giá trị áp suất điều chỉnh càng lớn thì giá trị vận tốc dao động dx cũng càng lớn
Trong 3 trường hợp áp suất điều chỉnh 40, 60, 80 [Psi] thì giá trị vận tốc dao động theo phương thẳng đứng biến thiên và giảm dần theo thời gian nhưng không trùng lắp về nhịp thời gian Khi áp suất điều chỉnh càng cao thì thời gian dx giảm dần sẽ giảm, và ngược lại khi giá trị áp suất điều chỉnh càng nhỏ thì thời gian dx giảm dần sẽ tăng
Hình 5.5 – Đồ thị vận tốc góc dθ theo thời gian trong 3 trường hợp áp suất
Trong hình 5.5 đồ thị này có trục tung (Angular velocity) thể hiện giá trị vận tốc góc dao động dθ quanh trục Oy, trục hoành (time) thể hiện giá trị thời gian dao động của ô tô
Giá trị vận tốc góc dao động của phần được treo quanh trục Oy tăng lên lớn nhất tại thời điểm ngay sau khi bánh xe tiếp xúc với mấp mô trong cả 3 trường hợp áp suất điều chỉnh 40, 60, 80 [Psi], và có giá trị âm Sau đó dθ biến thiên không tuần hoàn trong khoảng thời gian 0,5 – 2 giây Sau thời điểm 2 giây dθ được giảm dần theo hình sin Đối với giá trị áp suất điều chỉnh càng lớn thì giá trị vận tốc góc dao động dθ cũng càng lớn
Trong 3 trường hợp áp suất điều chỉnh 40, 60, 80 Psi thì giá trị dθ biến thiên và giảm dần theo thời gian nhưng không trùng lắp về nhịp thời gian Khi áp suất điều chỉnh càng cao thì thời gian dθ giảm dần sẽ giảm, và ngược lại khi giá trị áp suất điều chỉnh càng nhỏ thì thời gian dθ giảm dần sẽ tăng
5.2.3 Đáp ứng theo thời gian của giá trị gia tốc dao dộng
Hình 5.6 – Đồ thị gia tốc ddx theo thời gian trong 3 trường hợp áp suất
Trong hình 5.6 đồ thị này trục tung (Acceleration) thể hiện giá trị gia tốc dao động ddx theo phương thẳng đứng, trục hoành (time) thể hiện giá trị thời gian dao động của ô tô
Sự đáp ứng theo thời gian của các giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc trong trường hợp P = 60, k 1 , k 2 tuyến tính và phi tuyến
Đối với ô tô sử dụng hệ thống treo khí nén thì hệ số độ cứng k của bộ phận đàn hồi là một giá trị phi tuyến, k sẽ biến thiên phi tuyến trong suốt quá trình hoạt động của bầu khí nén Đây là điểm khác biệt đặc trưng của hệ thống treo khí nén so với hệ thống treo sử dụng bộ phận đàn hồi là nhíp lá, thanh xoắn hay lò xo trụ có k biến thiên dạng tuyến tính Để thấy được sự khác nhau của các giá trị động học như chuyển vị, vận tốc, gia tốc khi ô tô hoạt động giữa 2 trường hợp ta tiến hành tính toán so sánh giữa dao động có k tuyến tính và phi tuyến
Vì áp suất điều chỉnh đo được trên ô tô là 59 [Psi], đây là áp suất cân chỉnh theo thiết kế của nhà sản suất Nên ta chọn giá trị áp suất cân chỉnh gần đúng với điều kiện hoạt động thực tế của ô tô là P = 60 [Psi] để tính toán so sánh
Các thông số điều kiện tính toán như bảng 5.2 Bảng 5.2 – Bảng thông số tính toán với 2 trường hợp k tuyến tính và phi tuyến
Vận tốc di chuyển của ô tô V [km/h] 60
Chiều dài mấp mô bán bình phương hình sin d 1 [m] 1 Chiều cao mấp mô bán bình phương hình sin d 2 [m] 0,2 Áp suất điều chỉnh ban đầu của bầu khí nén P [Psi] 60
5.3.1 Đáp ứng theo thời gian của giá trị chuyển vị
Hình 5.8 – Đồ thị chuyển vị x theo thời gian với k tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.8 đồ thị này có trục tung (Displacement) thể hiện giá trị chuyển vị x theo phương thẳng đứng, trục hoành (time) thể hiện giá trị thời gian dao động của ô tô
Qua đồ thị ở hình 5.8 cho giá trị chuyển vị của phần được treo theo phương thẳng đứng tăng lên lớn nhất tại thời điểm ngay sau khi bánh xe tiếp xúc với mấp mô trong cả 2 trường hợp k tuyến tính và phi tuyến Giá trị x biến thiên không tuần hoàn trong khoảng thời gian 0 - 1 giây Sau đó giá trị chuyển vị được giảm dần theo hình sin và có nhịp thời gian gần như nhau Vì thế xét về tần số dao động trong 2 trường hợp là tương tự nhau
Tuy nhiên điểm đặc biệt là giá trị chuyển vị trong trường hợp k phi tuyến luôn luôn nhỏ hơn giá trị chuyển vị trong trường hợp k phi tuyến trong mọi thời điểm, giá trị này chênh lệch nhiều nhất tại điểm có chuyển vị lớn nhất là ~ 0,001 [m]
Hình 5.9 – Đồ thị chuyển vị góc θ theo thời gian với k tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.9 đồ thị này có trục tung (Angular displacement) thể hiện giá trị chuyển vị góc θ quanh trục Oy, trục hoành (time) thể hiện giá trị thời gian dao động của ô tô
Qua đồ thị ở hình 5.8 ta thấy giá trị chuyển vị góc của phần được treo quanh trục Oy tăng lên lớn nhất tại thời điểm ngay sau khi bánh xe tiếp xúc với mấp mô trong cả 2 trường hợp k tuyến tính và phi tuyến và giá trị θ biến thiên không tuần hoàn trong khoảng thời gian 0 – 1 giây Sau đó θ được giảm dần theo hình sin và có nhịp thời gian gần như nhau Vì thế xét về tần số dao động trong 2 trường hợp là không có sự chênh lệch đáng kể
Tuy nhiên điểm đặc biệt là θ trong trường hợp k phi tuyến luôn nhỏ hơn giá trị chuyển vị trong trường hợp k phi tuyến trong mọi thời điểm, giá trị này chênh lệch nhiều nhất tại điểm có chuyển vị góc lớn nhất là ~ 1 [rad]
Qua 2 đồ thị thể hiện giá trị chuyển vị theo phương thẳng đứng và chuyển vị góc thể thấy được hệ thống treo sử dụng bầu khí nén có hệ số k biến thiên phi tuyến có sự êm dịu tốt hơn hệ thống treo sử dụng bộ phận đàn hồi có hệ số k biên thiên tuyến tính
5.3.2 Đáp ứng theo thời gian của giá trị vận tốc
Hình 5.10 – Đồ thị vận tốc dx theo thời gian với k tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.10 đồ thị này có trục tung (Velocity) thể hiện giá trị vận tốc dao động dx theo phương thẳng đứng, trục hoành (time) thể hiện giá trị thời gian dao động của ô tô
Qua đồ thị ở hình 5.10 cho giá trị dx của phần được treo theo phương thẳng đứng tăng lên lớn nhất tại thời điểm ngay sau khi bánh xe tiếp xúc với mấp mô trong cả 2 trường hợp k tuyến tính và phi tuyến Giá trị dx biến thiên không tuần hoàn trong khoảng thời gian 0 – 2 giây Sau đó dx được giảm dần theo hình sin Tuy nhiên điểm đặc biệt là dx trong trường hợp k phi tuyến luôn nhỏ hơn dx trong trường hợp k phi tuyến trong mọi thời điểm
Trong 2 trường hợp thì dx giảm dần theo thời gian nhưng không trùng lắp về nhịp thời gian Đối với trường hợp k phi tuyến thời gian giảm của dx nhanh hơn trường hợp k tuyến tính
Hình 5.11 – Đồ thị vận tốc góc dθ theo thời gian với k tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.11 đồ thị này có trục tung (Angular velocity) thể hiện giá trị vận tốc dao động dθ theo phương thẳng đứng, trục hoành (time) thể hiện giá trị thời gian dao động của ô tô
Qua đồ thị ở hình 5.11 cho giá trị dθ của phần được treo theo phương thẳng đứng tăng lên lớn nhất tại thời điểm ngay sau khi bánh xe tiếp xúc với mấp mô trong cả 2 trường hợp k tuyến tính và phi tuyến Giá trị dθ biến thiên không tuần hoàn trong khoảng thời gian 0 – 2 giây Sau đó dθ được giảm dần theo hình sin Tuy nhiên điểm đặc biệt là dθ trong trường hợp k phi tuyến luôn nhỏ hơn dθ trong trường hợp k phi tuyến trong mọi thời điểm
Trong 2 trường hợp thì dθ giảm dần theo thời gian nhưng không trùng lắp về nhịp thời gian Đối với trường hợp k phi tuyến thời gian giảm của dθ nhanh hơn trường hợp k tuyến tính
5.3.3 Đáp ứng theo thời gian của giá trị gia tốc dao dộng
Hình 5.12 – Đồ thị gia tốc ddx theo thời gian với k tuyến tính và k phi tuyến
Sự đáp ứng theo chiều cao mấp mô của các giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc trong trường hợp P = 60, k 1 , k 2 tuyến tính và phi tuyến
tốc trong trường hợp P = 60 [Psi], k 1 , k 2 tuyến tính và phi tuyến
Trong điều kiện hoạt động thực tế của ô tô, địa hình sẽ luôn luôn có sự thay đổi, ta xét trường hợp cụ thể là chiều cao của mấp mô sẽ thay đổi Khi đó, ô tô chạy qua những mấp mô có chiều cao thay đổi thì các giá trị động học của ô tô khi dao động qua mấp mô đó cũng thay đổi Do đó ta cần khảo sát trường hợp ô tô dao động qua các mấp mô có chiều cao khác nhau và so sánh giữa trường hợp ô tô sử dụng hệ thống treo có hệ số độ cứng bộ phận đàn hồi k phi tuyến và k tuyến tính
Vì áp suất điều chỉnh đo được trên ô tô là 59 [Psi], đây là áp suất cân chỉnh theo thiết kế của nhà sản suất Nên ta chọn giá trị áp suất cân chỉnh gần đúng với điều kiện hoạt động thực tế của ô tô là P = 60 [Psi] để tính toán so sánh
Các thông số điều kiện tính toán như bảng 5.3 Bảng 5.3 – Bảng thông số tính toán với 2 trường hợp k tuyến tính và phi tuyến, chiều cao mấp mô thay đổi
Vận tốc di chuyển của ô tô V [km/h] 60
Chiều dài mấp mô bán bình phương hình sin d 1 [m] 1,0 Chiều cao mấp mô bán bình phương hình sin d 2 [m] 0 – 0,3 Áp suất điều chỉnh ban đầu của bầu khí nén P [Psi] 60
5.4.1 Đáp ứng theo chiều cao mấp mô của giá trị chuyển vị
Hình 5.14 – Đồ thị chuyển vị x theo độ cao mấp mô với k tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.14 đồ thị này có trục tung (Displacement) thể hiện giá trị chuyển vị x theo phương thẳng đứng, trục hoành (Bump height) thể hiện giá trị chiều cao của mấp mô
Qua đồ thị ở hình 5.14 cho giá trị chuyển vị x của phần được treo theo phương thẳng đứng tương ứng với chiều cao của mấp mô thay đổi từ 0 - 0,3 [m] trong trường hợp k tuyến tính cũng là một giá trị tuyến tính
Cũng qua đồ thị ở hình 5.14 ta thu được các giá trị chuyển vị x của phần được treo theo phương thẳng đứng tương ứng với chiều cao của mấp mô thay đổi từ 0 - 0,3 [m] trong trường hợp k phi tính cũng là một giá trị phi tính
So sánh giá trị x trên cùng một chiều cao mấp mô d 2 > 0 thì giá trị x trong trường hợp k phi tuyến luôn luôn nhỏ hơn giá trị x trong trường hợp k tuyến tính Và mức độ chênh lệch này ngày càng tăng khi chiều cao của mấp mô càng tăng
Hình 5.15 – Đồ thị chuyển vị góc θ theo độ cao mấp môvớik tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.15 đồ thị này có trục tung (Angular displacement) thể hiện giá trị chuyển vị góc θ quay trục Oy, trục hoành (Bump height) thể hiện giá trị chiều cao của mấp mô d 2
Qua đồ thị ở hình 5.15 cho giá trị chuyển vị góc θ của phần được treo quanh trục Oy tương ứng với chiều cao của mấp mô thay đổi từ 0 - 0,3 [m] trong trường hợp k tuyến tính cũng là một giá trị tuyến tính
Cũng qua đồ thị ở hình 5.14 ta thu được các giá trị chuyển vị góc θ của phần được treo quanh trục Oy tương ứng với chiều cao của mấp mô thay đổi từ 0 - 0,3 [m] trong trường hợp k phi tính cũng là một giá trị phi tính
So sánh giá trị θ trên cùng một chiều cao mấp mô d 2 > 0 thì giá trị θ trong trường hợp k phi tuyến luôn luông nhỏ hơn giá trị θ trong trường hợp k tuyến tính
Và mức độ chênh lệch này ngày càng tăng khi chiều cao của mấp mô càng tăng
Qua 2 đồ thị trên ta thấy hệ thống treo có hệ số k biến thiên phi tuyến luôn luôn tạo được giá trị chuyển vị ít hơn trường hợp hệ thống treo có hệ số k biến thiên tuyến tính
5.4.2 Đáp ứng theo chiều cao mấp mô của giá trị vận tốc
Hình 5.16 – Đồ thị vận tốc dx theo độ cao mấp mô vớik tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.16 đồ thị này có trục tung (Velocity) thể hiện giá trị vận tốc dx theo phương thẳng đứng, trục hoành (Bump height) thể hiện giá trị chiều cao của mấp mô d 2
Qua đồ thị ở hình 5.16 cho giá trị dx của phần được treo theo phương thẳng đứng tương ứng với chiều cao của mấp mô thay đổi từ 0 - 0,3 [m] trong trường hợp k tuyến tính cũng là một giá trị tuyến tính Giá trị này tăng tuyến tính từ 0 - 0,031
[m/s] Và giá trị dx trường hợp k phi tính cũng là một giá trị phi tính
So sánh giá trị dx trên cùng một chiều cao mấp mô d 2 > 0 thì giá trị dx trong trường hợp k phi tuyến luôn luôn nhỏ hơn giá trị dx trong trường hợp k tuyến tính
Và mức độ chênh lệch này ngày càng tăng khi chiều cao của mấp mô d 2 càng tăng
Hình 5.17 – Đồ thị vận tốc góc dθ theo độ cao mấp mô với k tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.17 đồ thị này có trục tung (Angular velocity) thể hiện giá trị vận tốc góc dθ quanh trục Oy, trục hoành (Bump height) thể hiện giá trị chiều cao của mấp mô d 2
Sự đáp ứng theo vận tốc ô tô của các giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc trong trường hợp P = 60 [Psi], k 1 , k 2 tuyến tính và phi tuyến
Trong điều kiện hoạt động thực tế của ô tô, ô tô sẽ luôn luôn di chuyển với các vận tốc khác nhau tùy theo từng đoạn đường di chuyển Khi đó ô tô chạy với các giá trị vận tốc khác nhau qua mấp mô thì sẽ sinh ra các giá trị động học của ô tô khác nhau Để đánh giá được sự dao động của ô tô trong trường hợp này ta cần khảo sát trường hợp ô tô dao động qua mấp mô với các vận tốc di chuyển khác nhau và so sánh giữa trường hợp hệ số k phi tuyến và k tuyến tính
Vì áp suất điều chỉnh đo được trên ô tô là 59 [Psi], đây là áp suất cân chỉnh theo thiết kế của nhà sản suất Nên ta chọn giá trị áp suất cân chỉnh gần đúng với điều kiện hoạt động thực tế của ô tô là P = 60 [Psi] để tính toán so sánh
Các thông số điều kiện tính toán như bảng 5.4 Bảng 5.4 – Bảng thông số tính toán với 2 trường hợp k tuyến tính và phi tuyến, vận tốc ô tô di chuyển thay đổi
Vận tốc di chuyển của ô tô V [km/h] 20 - 100
Chiều dài mấp mô bán bình phương hình sin d 1 [m] 1,0 Chiều cao mấp mô bán bình phương hình sin d 2 [m] 0,2 Áp suất điều chỉnh ban đầu của bầu khí nén P [Psi] 60
5.5.1 Đáp ứng theo vận tốc ô tô di chuyển của giá trị chuyển vị
Hình 5.20 – Đồ thị chuyển vị x theo vận tốc di chuyển ô tô với k tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.20 đồ thị này có trục tung (Displacement) thể hiện giá trị chuyển vị x theo phương thẳng đứng, trục hoành (Velocity) thể hiện giá trị vận tốc di chuyển của ô tô thay đổi từ 20 – 100 [km/h]
Qua đồ thị ở hình 5.20 cho giá trị chuyển vị x của phần được treo theo phương thẳng đứng tương ứng với các giá trị vận tốc di chuyển của ô tô thay đổi từ 20 –100 [km/h] trong trường hợp k tuyến tính và k phi tuyến đều là giá trị biến thiên phi tính
So sánh giá trị x trong mọi tốc độ di chuyển của xe thì giá trị x trong trường hợp k phi tuyến luôn luôn nhỏ hơn giá trị x trong trường hợp k tuyến tính Và mức độ chênh lệch này lớn nhất tại vận tốc 25 [km/h] với dãy tốc độ khảo sát từ 20 – 100 [km/h] Mức chênh lệch này càng giảm khi tốc độ di chuyển của ô tô càng tăng
Hình 5.21 – Đồ thị chuyển vị góc θ theo tốc độ di chuyển của ô tô với k tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.21 đồ thị này có trục tung (Angular displacement) thể hiện giá trị chuyển vị góc θ quanh trục Oy, trục hoành (Velocity) thể hiện giá trị vận tốc di chuyển của ô tô thay đổi từ 20 – 100 [km/h]
Qua đồ thị ở hình 5.21 cho giá trị chuyển vị góc θ của phần được treo quanh trục Oy tương ứng với các giá trị vận tốc di chuyển của ô tô thay đổi từ 20 – 100 [km/h] trong trường hợp k tuyến tính và k phi tuyến đều là giá trị phi tính
So sánh giá trị θ trong mọi tốc độ di chuyển của xe thì giá trị x trong trường hợp k phi tuyến luôn luôn nhỏ hơn giá trị θ trong trường hợp k tuyến tính Và mức độ chênh lệch này lớn nhất tại vận tốc 25 [km/h] với dãy tốc độ khảo sát từ 20 – 100 [km/h] Mức chênh lệch này càng giảm khi tốc độ di chuyển của ô tô càng tăng
5.5.2 Đáp ứng theo vận tốc ô tô di chuyển của giá trị vận tốc
Hình 5.22 – Đồ thị vận tốc dao dộng dx theo vận tốc di chuyển ô tô với k tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.22 đồ thị này có trục tung (Displacement) thể hiện giá trị vận tốc dao động dx theo phương thẳng đứng, trục hoành (Velocity) thể hiện giá trị vận tốc di chuyển của ô tô thay đổi từ 20 – 100 [km/h]
Qua đồ thị ở hình 5.22 cho giá trị vận tốc dao động dx của phần được treo theo phương thẳng đứng tương ứng với các giá trị vận tốc di chuyển của ô tô thay đổi từ 20 – 100 [km/h] trong trường hợp k tuyến tính và k phi tuyến đều là giá trị phi tính
So sánh giá trị dx trong mọi tốc độ di chuyển của xe thì giá trị dx trong trường hợp k phi tuyến luôn luôn nhỏ hơn giá trị dx trong trường hợp k tuyến tính
Và mức độ chênh lệch này lớn nhất tại vận tốc 20 [km/h] với dãy tốc độ khảo sát từ 20 – 100 [km/h] Mức chênh lệch này càng giảm khi tốc độ di chuyển của ô tô càng tăng
Hình 5.23 – Đồ thị vận tốc góc dθ theo tốc độ di chuyển của ô tô với k tuyến tính và k phi tuyến
Trong hình 5.23 đồ thị này có trục tung (Angular velocity) thể hiện giá trị vận tốc góc dθ quanh trục Oy, trục hoành (Velocity) thể hiện giá trị vận tốc di chuyển của ô tô thay đổi từ 20 – 100 [km/h]
Qua đồ thị ở hình 5.23 cho giá trị chuyển vị góc dθ của phần được treo quanh trục Oy tương ứng với các giá trị vận tốc di chuyển của ô tô thay đổi từ 20 – 100 [km/h] trong trường hợp k tuyến tính và k phi tuyến đều là giá trị phi tính
KẾT LẬN, ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI TIẾN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Kết luận
Đề tải nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của thông số K+C đến dao động và sự êm dịu của xe SAMCO Primas được thực hiện theo phương pháp mô phỏng Điểm đặc trưng của đề tài là hệ thống treo của ô tô nghiên cứu là hệ thống treo sử dụng bầu khí nén Hệ thống treo này có hệ số độ cứng của bộ phận đàn hồi k biến thiên theo dạng phi tuyến Đây là điểm quan tâm nhất của đề tài Việc xác định hệ số k rất phức tạp, tác giả đã sử dụng phương pháp xác định bằng đo đạc thực nghiệm và bằng phương pháp sử dụng thông tin cơ bản của nhà sản xuất để tìm ra k
Sau khi tìm hiểu, tổng hợp các kiến thức cơ sở lý thuyết Xây dựng mô hình cho bài toán mô phỏng dao động của ô tô dạng 4DOF – mô hình 4 bậc tự do trong mặt phẳng dọc Tìm các thông số đầu vào cho bài toán mô phỏng, tác giả thực hiện tính toán cho bài toán mô phỏng ô tô di chuyển qua một mấp mô có biên dạng bán bình phương hình sin để thu kết quả bằng phần mềm Matlab
Kết quả thu được cho thấy:
- Khi sử dụng hệ thống treo khí nén với đặc tính hệ số độ cứng k dạng tuyến tính có nhiều lợi ích hơn khi sử dụng hệ thống treo có k biến thiên tuyến tính Lực va đập trong dao động khi k phi tuyến giảm, giúp tăng sự êm dịu và tăng tuổi thọ của thùng ô tô và các chi tiết Gia tốc dao động giảm giúp tăng sự êm dịu của ô tô
- Khi sử dụng hệ thống treo khí nén với các áp suất điều chỉnh khác nhau sẽ cho ra các đặc tính độ cứng k khác nhau Từ đó sẽ ảnh hưởng đến các thông số của dao động như tần số, gia tốc
- Trên xe Samco Primas đang được điều chỉnh áp suất cấp cho bầu khí nén là 60 [Psi] có độ êm dịu chưa cao So sánh với các tiêu chuẩn, sự êm dịu chưa đạt mức tối ưu cho hành khách Để đạt được mức độ êm dịu tốt nhất ta cần hiệu chỉnh áp suất cấp cho các bầu khí nén một giá trị khác để tạo được giá trị của hệ số đàn hồi k của bầu khí nén phù hợp hơn với các thiết kế của xe hiện tại.
Đề xuất phương án cải tiến
Trong phần kết quả phân tích ở chương 5, tác giả rút ra được: Áp suất điều chỉnh càng thấp thì sẽ giảm được lực va đập, giảm giá trị chuyển vị, giảm vận tốc dao động và giảm được gia tốc dao động Điều này giúp tăng sự êm dịu dao động của ô tô
Tuy nhiên khi điều chỉnh áp suất của bầu khí nén càng thấp thì tần số dao động sẽ thay đổi Ta cần tìm giá trị áp suất điều chỉnh sao cho phù hợp điều kiện êm dịu về tần số và giảm lực va đập, chuyển vị, vận tốc, gia tốc nhất
Tần số dao động riêng của cầu trước theo thiết kế:
Với f 1n : Tần số dao động riêng theo thiết kế của cầu trước k 1f : Hệ số độ cứng tổng của cầu trước m f : Khối lượng được treo cầu trước k 1 : Hệ số độ cứng bầu khí nén cầu trước
K f : Hệ số độ cứng của lốp xe cầu trước
Ta có các giá trị của các đại lượng trên như sau: m f = 5467 [kg] k 1 = 29788 [kg/m]
Thế các giá trị trên vào công thức 6.1 ta được f 1n = 2,196 [Hz]
Tần số dao động riêng của cầu sau theo thiết kế:
Với f 2n : Tần số dao động riêng theo thiết kế của cầu sau k 2r : Hệ số độ cứng tổng của cầu sau m r : Khối lượng được treo cầu sau k 2 : Hệ số độ cứng bầu khí nén cầu sau
K r : Hệ số độ cứng của lốp xe cầu sau
Ta có các giá trị của các đại lượng trên như sau: m r = 8581 [kg] k 2 = 59576 [kg/m]
Thế các giá trị trên vào công thức 6.2 ta được
So sánh với tiêu chuẩn ở mục 2.2.1 đối với ô tô khách thì tần số dao động thích hợp là 60 đến 90 lần/phút (1 – 1,5 Hz) Như vậy tần số dao động riêng của cầu trước không đạt, tần số dao động quá cao Vì thế cần phải điều chỉnh các thông số sao cho tần số dao động riêng nằm trong giá trị cho phép, tức là cần phải giảm f 1n Theo công thức 6.1, để giảm được f 1n thì cần phải giảm hệ số k 1 , K f Tuy nhiên hệ số độ cứng lốp xe khó có thể thay đổi vì theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất Chính vì thế ta điều chỉnh hệ số đàn hồi của bầu khí nén k 1
Thực hiện tương tự đối với cầu sau.
Hướng phát triển của đề tài
Đề tài được thực hiện và hoàn thành trong bối cảnh xe ô tô khách giường nằm đang là phương tiện vận tải hành khách phổ biến nhất Chính vì thế mà việc nghiên cứu sâu hơn nữa về dao động và sự êm dịu của ô tô khách giường nằm là một sự cần thiết vô cùng Nhằm đáp ứng hơn nữa nhu cầu của hành khách Vì thế sau đề tài này tác giả mong muốn có những đề tài khác dựa theo kết quả của đề tài này để làm cơ sở phát triển nghiên cứu hơn nữa
Trong đề tài này, tác giả chỉ mới đánh giá sự êm dịu dao động trong trường hợp cho xe di chuyển qua một mấp mô có biên dạng bán bình phương hình sin
Hướng tiếp theo của đề tài có thể khảo sát, đánh giá sự êm dịu dao động trong các trường hợp biên dạng khác của mấp mô Đồng thời có thể thực hiện hướng nghiên cứu sự êm dịu dao động theo sự kích động của mặt đường lên hệ thống treo theo thực nghiệm các loại đường mà xe thường xuyên hoạt động Đề tài chỉ nghiên cứu, đánh giá sự êm dịu dao động của ô tô bằng mô hình 4DOF, là mô hình trong mặt phẳng dọc, vì thế chưa thể khảo sát được các giá trị động học theo phương ngang Hướng phát triển tiếp theo của đề tài có thể khảo sát bằng mô hình 7DOF để đánh giá được sự êm dịu dao động của ô tô khi hoạt động một cách toàn diện hơn
Hệ số độ cứng của bầu khí nén cầu trước k 1 và cầu sau k 2 trong đề tài chỉ là một dạng phi tuyến Trên thực tế các nhà sản xuất đã sản xuất ra rất nhiều dạng bầu khí nén có hệ số độ cứng phi tuyến khác nhau Vì thế hướng phát triển sau này có thể cần tính toán để tìm một dạng phi tuyến khác của bầu khí nén phù hợp hơn, tăng sự êm dịu hơn cho xe SAMCO Primas so với bầu khí nén đang sử dụng hiện tại
Trong đề tài này chỉ mới xem xét đến hệ số độ cứng của bầu khí nén, chưa xem xét đến hệ số giảm chấn của các giảm chấn Các đề tài sau này có thể khảo sát cả hệ số giảm chấn của các giảm chấn, từ đó có thể tính toán, tìm được hệ số độ cứng k và hệ số giảm chấn c tối ưu
Về kết cấu hệ thống treo của xe SAMCO Primas hiện tại chỉ có một mức điều chỉnh áp suất cấp cho bầu khí nén Nói cách khác áp suất này là một hằng số
Muôn thay đổi áp suất này, người sử dụng phải tiến hành điều chỉnh bằng cơ cấu cơ khí rất bất tiện Hướng phát triển nhằm tăng tính tiện nghi và hiệu quả cho hệ thống treo khí nén là nghiên cứu tính toán để áp suất cấp cho bầu khí nén có thể điều chỉnh theo các chế độ hoạt động của xe theo nhu cầu của tài xế Phát triển cao hơn nửa là hệ thống treo chủ động để ô tô có thể hoạt động trong các loại biên dạng đường khác nhau nhưng vẫn đảm bảo được sự êm dịu nhất cho hành khách.
