luận văn ứng dụng simulink khảo sát dao động của phần tử cơ cấu treo ô tô

BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ============================================================== - - -  - - -     !"## ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ $ BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ============================================================== %&'(&)*+ Ô tô là phương tiện vận tải có vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, có tính cơ động cao, được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực dân sự cũng như quốc phòng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, nền công nghiệp ô tô trên thế giới phát triển ngày càng cao, cho ra đời nhiều loại xe hiện đại và tiện nghi. Việc thiết kế các hệ thống, cụm chi tiết trên ôtô, đánh giá chất lượng làm việc của chúng ngày càng được quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng của ôtô. Hệ thống treo trên ôtô rất đa dạng và có vai trò hết sức quan trọng, nó góp phần nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động của ôtô. Bên cạnh quá trình thiết kế, để đánh giá hệ thống treo thì việc đánh giá chất lượng dao động của hệ thống treo cũng góp phần không nhỏ trong quá trình kiểm định thiết kế cũng như đánh giá sự phù hợp giữa thông số cơ bản, thông số kết cấu và điều kiện chuyển động thực tế của ôtô trên đường. Hiện nay phương pháp mô phỏng số đang được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các cơ hệ đặc biệt là hệ dao động của ô tô. Thực tế đã cho thấy Matlab- Simulink là một trong những phần mềm có khả năng ứng dụng rất cao trong việc giải các bài toán kỹ thuật bằng cách lập trình, xử lý số và đồ hoạ để mô phỏng, phân tích một hệ thống động học, giải các bài toán vi phân và phương trình bậc cao Xuất phát từ những yêu cầu trên, em đã lựa chọn đề tài: “Ứng dụng Simulink khảo sát dao động của phần tử cơ c!u treo ô tô”. Đề tài đã tập trung vào tìm hiểu hệ thống treo cho xe du lịch và sử dụng phần mềm Matlab-Simulink 7.0 để nghiên cứu mô phỏng hệ dao động của xe. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS.Nguy[n Ngọc Quế cùng các thầy cô trong bộ môn Động Lực, khoa Cơ Điện, Đại học Nông Nghiệp Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ cho em trong quá trình thực hiện và hoàn thành đồ án này. Em xin trân trọng cảm ơn ! Sinh viên: Nguy[n Tiến Dũng ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ , BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ============================================================== /./ 3.1.1. Các khối chức năng có sẵn thường dùng trong phần mềm Matlab-Simulink 38 3.1.2. Tạo mới một khối để mô phỏng trong Matlab Simulink 58 3.1.3. Mô phỏng một khối trong Matlab Simulink 60 3.1.4. Ứng dụng của Matlab Simulink 62 /012'345678+9'/0+'3:01;'3<0=88>&?'/@A)B8:&- 80 - 4.1.Kết luận chung - 80 - 4.2. Hướng phát triển của đề tài - 80 - 8:&&C+80A-60DE- 81 - /012'3$ 8F'3G+A'/=/H')B'30&I'/+ $5$58JKLMNOPQORS $5$5$5)LMNOPQORS Đối tượng nghiên cứu là hệ thống treo dùng trên xe hai cầu mà chủ yếu là hệ thống treo có bộ phận đàn hồi là lò xo xoắn trụ hoặc nhíp lá và bộ phận giảm chấn kiểu ống thủy lực. Trên cơ xở ứng dụng MATLAB SIMULINK mô phỏng dao động của phần tử của hệ thống treo để khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số đặc trưng về kết cấu như độ nhớt của dầu thông qua hệ số cản c, độ cứng của lò xo k đến biên độ dao động cực đại, gia tốc cực đại, thời gian ổn định của hệ…ngoài ra cũng có thể khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chuyển động thông qua việc thay đổi tần số và biên độ kích thích đầu vào. Mặt khác đề tài cũng khảo sát mô hình dao động liên kết thông qua mô hình phẳng nhằm khảo sát ảnh hưởng của đường và phân bổ tải trọng của xe. $5$5,5TUVWP Đề tài đã giải quyết những vấn đề sau : Tìm hiểu Simulink toolbox trong Matlab Mô phỏng dao động của phần tử khối lượng bằng Matlab Simulink Chạy mô phỏng đưa ra kết quả và kết luận $5,58JKOWXL!" ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ Y BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ============================================================== Hình1.1-Hệ thống treo và bố trí chung trên xe $5,5$5/#OPZRXL!" Hệ thống treo ở đây được hiểu là hệ thống liên kết mềm giữa bánh xe và khung xe hoặc vỏ xe. Mối liên kết treo của xe là mối liên kết đàn hồi có chức năng chính sau đây: + Tạo điều kiện cho bánh xe thực hiện chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng đối với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động “êm dịu”, hạn chế tới mức có thể chấp nhận được những chuyển động không muốn có khác của bánh xe như lắc ngang, lắc dọc. + Truyền lực giữa bánh xe và khung xe bao gồm lực thẳng đứng, lực dọc và lực bên. Trên hệ thống treo, sự liên kết giữa bánh xe và khung vỏ cần thiết phải mềm nhưng cũng phải đủ khả năng để truyền lực, quan hệ này được thể hiện ở các yêu cầu chính sau đây: + Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ thuật của xe (xe chạy trên đường tốt hay xe chạy trên các loại đường khác nhau, hay đường đồi núi, xe du lịch hay chở hàng, chở vật liệu…). + Bánh xe có thể chuyển dịch trong một giới hạn nhất định. + Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý thoả mãn mục đích chính của hệ thống treo là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng không phá hỏng các quan hệ động học và động lực học của chuyển động bánh xe. + Không gây nên tải trọng lớn tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ. ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 4 BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ============================================================== + Có độ tin cậy lớn, độ bền cao và không gặp hư hỏng bất thường. + Giá thành thấp và độ phức tạp của hệ thống treo không quá lớn. + Có khả năng chống rung và chống ồn truyền từ bánh xe lên khung, vỏ xe tốt. + Đảm bảo tính ổn định và tính điều khiển chuyển động của ô tô ở tốc độ cao, ô tô điều khiển nhẹ nhàng. $5,5,5/[\XL!" Hình 1.2- Cơ c!u treo trước và các bộ phận chính $5,5,5$5]P^ Là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và thùng xe, làm giảm nhẹ các tải trọng động tác dụng từ bánh xe lên khung, đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi di chuyển nhằm biến đổi tần số dao động cho phù hợp với cơ thể con người (khoảng 60 – 80 lần/ph). Bộ phận đàn hồi có thể bố trí khác nhau trên xe nhưng nó cho phép bánh xe có thể dịch chuyển theo phương thẳng đứng. Bộ phận đàn hồi có các phần tử đàn hồi thường gặp là: 5'\ ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ _ BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ============================================================== Hình 1.3- Cơ c!u treo phụ thuộc dùng nhíp lá Bó nhíp được làm từ các lá thép cong, gọi là lá nhíp, sắp xếp lại với nhau theo thứ tự từ ngắn đến dài. Đặc tính làm việc của nhíp là khi tải trọng tác dụng lên nhíp tăng thì biến dạng của nhíp cũng tăng theo quy luật tuyến tính. Trong hệ thống treo nó không chỉ có nhiệm vụ làm êm dịu chuyển động mà còn đồng thời làm nhiệm vụ của bộ phận dẫn hướng và ma sát giữa các lá nhíp góp phần làm tắt dao động. Ưu điểm của kiểu treo này là không cần thanh ổn định, đơn giản rẻ tiền, dễ chăm sóc bảo dưỡng nhưng lại có nhược điểm là khối lượng lớn, thùng xe ở trên cao nên chiều cao trọng tâm xe sẽ lớn ảnh hưởng đến tốc độ và sự ổn định khi xe chuyển động, mặt khác vết bánh sẽ thay đổi khi một bánh bị nâng lên làm phát sinh lực ngang và tính chất bám đường kém và dễ bị trượt ngang. [58`a Thanh xoắn là một thanh bằng thép lò xo, dùng tính đàn hồi xoắn của nó để cản lại sự dao động. Một đầu thanh xoắn được ngàm vào khung hay một dầm nào đó của xe, đầu kia gắn vào kết cấu chịu tải xoắn của hệ thống treo. Trên một số ô tô để dành chỗ cho việc lắp bán trục cầu chủ động người ta dùng thanh xoắn thường được gây tải trước (có ứng suất dư) do đó nó chỉ thích hợp cho một chiều làm việc. Trên các thanh xoắn ở hai phía đều phải đánh dấu để tránh nhầm lẫn khi lắp ráp. Sử dụng thanh xoắn có các đặc điểm sau: ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ b BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ============================================================== + Chiếm ít không gian, có thể bố trí để điều chỉnh chiều cao thân xe. + Trọng lượng nhỏ, Đơn giản, gọn, giá thành rẻ và dễ chế tạo. + Thanh xoắn không có nội ma sát nên thường phải lắp kèm giảm chấn để dập tắt nhanh dao động. Trên xe con và xe minibus bộ phận đàn hồi là thanh xoắn được sử dụng phổ biến chỉ sau lò xo. 5c` Bao gồm các dạng là lò xo xoắn ốc, lò xo côn và lò xo trụ. Do lò xo trụ có đường kính vòng ngoài không đổi nên biến dạng của nó sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với lực tác dụng, còn đối với lò côn hay lò xo xoắn ốc thì khi tải nhẹ đầu lò xo sẽ bị nén lại và hấp thụ năng lượng va đập, còn phần giữa lò xo có độ cứng lớn hơn sẽ đủ cứng để chịu tải lớn. Lò xo có các đặc điểm chính sau:  1d - Kết cấu rất gọn gàng nhất là khi được bố trí lồng vào giảm chấn. - Nếu cùng độ cứng và độ bền với nhíp thì lò xo trụ có khối lượng nhỏ hơn nhíp và tuổi thọ cao hơn nhíp, kết cấu gọn nên tiết kiệm không gian và cho phép hạ thấp trọng tâm xe nhằm nâng cao tốc độ. Hình 1.3. C!u tạo một số dạng lò xo.  'MNd - Khi làm việc ở giữa các vòng lò xo không có nội ma sát như nhíp nên thường phải bố trí thêm giảm chấn kèm theo để dập tắt nhanh dao động. - Do lò xo chỉ làm nhiệm vụ đàn hồi, còn nhiệm vụ dẫn hướng và giảm chấn do các bộ phận khác đảm nhận nên với hệ thống treo dùng lò xo ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ e BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ============================================================== trụ thì có kết cấu phức tạp hơn do nó còn phải bố trí thêm hệ thống đòn dẫn hướng để dẫn hướng cho bánh xe và truyền lực kéo hay lực phanh. 5<P^Q\ Hình 1.4-bộ phận đàn hồi loại khí Phần tử đàn hồi sử dụng đệm khí dựa trên nguyên tắc không khí có tính đàn hồi khi bị nén. Hệ thống treo loại khí được sử dụng tốt ở các ôtô có trọng lượng phần lớn được thay đổi khá lớn như ở ôtô trở khách, ô tô vận tải và đoàn xe. Loại này có thể tự động thay đổi độ cứng của hệ thống treo bằng cách thay đổi áp suất không khí bên trong phần tử đàn hồi. Giảm độ cứng của hệ thống treo sẽ làm cho độ êm dịu chuyển động tốt hơn. Hệ thống treo khí không có ma sát trong phần tử đàn hồi, trọng lượng nhỏ và giảm được chấn động cũng như giảm được tiếng ồn từ bánh xe truyền lên buồng lái và hành khách. Nhưng hệ thống này có kết cấu phức tạp hơn vì phải có bộ phận dẫn hướng riêng và trang thiết bị cung cấp khí, bộ điều chỉnh áp suất, lọc, các van v v điều chỉnh độ cứng một cách chủ động. ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ f BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ============================================================== Hình 1.5-Hệ thống treo có bộ phận đàn hồi loại túi khí cao su (airbag suspension) Hiện nay bộ phận đàn hồi được làm có xu hướng “mềm mại” hơn nhằm tạo điều kiện cho bánh xe lăn “êm” trên mặt đường. Đồng thời người ta dùng các bộ phận đàn hồi có khả năng thay đổi độ cứng trong một giới hạn rộng. Khi xe chạy ít tải, độ cứng cần thiết có giá trị nhỏ, khi tăng tải thì độ cứng cần phải có giá trị lớn. Chính vì vậy mà cần phải có thêm các bộ phận đàn hồi phụ như: nhíp phụ, vấu tỳ bằng cao su biến dạng, đặc biệt là các bộ phận đàn hồi có khả năng thay đổi tự động độ cứng theo tải trọng kết hợp với các bộ phận thay đổi chiều cao trọng tâm của xe. $5,5,5,5]  Trên xe ôtô giảm chấn được sử dụng với các mục đích sau: + Giảm và dập tắt các va đập truyền lên khung khi bánh xe lăn trên nền đường không bằng phẳng nhằm bảo vệ được bộ phận đàn hồi và tăng tính tiện nghi cho người sử dụng. + Đảm bảo dao động của phần không treo (unsprung) ở mức độ nhỏ nhất, nhằm làm tốt sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường đảm bảo tính năng lái và tăng tốc cũng như chuyển động an toàn. + Nâng cao các tính chất chuyển động của xe như khả năng tăng tốc, khả năng an toàn khi chuyển động. ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ g BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ============================================================== Để dập tắt các dao động của xe khi chuyển động giảm chấn sẽ biến đổi cơ năng thành nhiệt năng nhờ ma sát giữa chất lỏng và các van tiết lưu. Trên ôtô hiện nay chủ yếu sử dụng là giảm chấn ống thuỷ lực có tác dụng hai chiều ở cấu trúc hai lớp. 53 hOi Giảm chấn hai lớp vỏ ra đời vào năm 1938, đây là một loại giảm chấn quen thuộc và được dùng phổ biến cho đến nay. Trong giảm chấn, piston di chuyển trong xy lanh chứa đầy dầu, chia không gian trong thành hai buồng A và B. ở đuôi của xy lanh thuỷ lực có một cụm van bù. Bao ngoài vỏ trong là một lớp vỏ ngoài, không gian giữa hai lớp vỏ là buồng bù thể tích chất lỏng và liên hệ với B qua các cụm van một chiều (III, IV). Buồng C được gọi là buồng bù chất lỏng, trong C chỉ điền đầy một nửa bên trong là chất lỏng, không gian còn lại chứa không khí có áp suất bằng áp suất khí quyển. Các van (I) và (IV) lần lượt là các van nén mạnh và nén nhẹ, còn các van (II) và (III) lần lượt là các van trả mạnh và trả nhẹ của giảm chấn. Giảm chấn hai lớp vỏ có cấu tạo như sau: 1- Khoang vỏ trong; 2- Phớt làm kín; 3- Bạc dẫn hướng; 4- Vỏ chắn bụi; 5- Cần piston; 6- Piston; 7- Van cố định; 8- Vỏ ngoài. Hình 1.6- Sơ đồ c!u tạo của giảm ch!n hai lớp vỏ. j'ZRkPOX Ở hành trình nén bánh xe tiến lại gần khung xe, lúc đó ta có thể tích buồng B giảm nên áp suất tăng, chất lỏng qua van (I) và (IV) đi lên khoang A và sang khoang C ép không khí ở buồng bù lại. Trên nắp của giảm chấn có ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ $l [...]... Hình 2.4 - Mô hình không gian xe con 2.3.4 Hàm kích động Chuyển động của ô tô trên mặt đường không bằng phẳng sẽ sinh ra các dao động của khối lượng phần không được treo và khối lượng phần được treo của ô tô Độ mấp mô của mặt đường là nguồn kích thích chính cho ô tô dao động Khi nghiên cứu mô hình dao động của ô tô cần thiết phải mô tả toán học biên dạng của mặt đường, vì chiều cao mấp mô của biên dạng... giữa các phần tử dao động là rất phức tạp, việc xây dựng mô hình toán với vài giả thuyết nhất định sẽ rất thuận lợi cho việc nghiên cứu ảnh hưởng của đơn yếu tố hoặc đa yếu tố trong bài toán dao động xe ô tô, làm cơ xở khoa học cho chẩn đoán kỹ thuật hệ thống treo và các bánh xe 2.1.3 Khảo sát dao động của ô tô thông qua mô hình dao động liên kết Khảo sát dao động của ô tô thông qua mô hình dao động liên... mặt đường khi đó lực tác dụng từ đường lên bánh xe sẽ bằng 0 và ô tô sẽ mất tính điều khiển Để đánh giá tính chất dao động của ô tô theo quan điểm về an toàn chuyển động cần xác định tỉ số giữa lực tác động Fd (t ) và tải trọng tĩnh của F bánh xe là R t K : K = d R t k Khảo sát dao động của ô tô người ta quan tâm đến sự bám của lốp với mặt đường, nhằm đảm bảo dao động của ô tô thoả mãn các chỉ tiêu... ============================================================== Khi ô tô chuyển động trên đường dao động xuất hiện trong toàn bộ hệ thống của xe dưới tác động kích thích của các mấp mô biên dạng đường Dao động của ô tô ảnh hưởng đến bản thân người lái và hành khách, hàng hoá chuyên chở trên xe, độ bền, tuổi thọ của các kết cấu ô tô Nghĩa là trong quá trình chuyển động ô tô luôn bị dao động, với thời gian kéo dài sẽ gây ra mệt... hiệu suất công việc, có thể gây ra nguy cơ mắc bệnh thần kinh và não dẫn đến mất phản ứng linh hoạt và điều khiển chính xác gây ra tai nạn giao thông Vì vậy khi nói đến dao động của ô tô theo quan điểm của chế độ sử dụng thì độ êm dịu chuyển động của ô tô có thể hiểu là tập hợp các tính chất đảm bảo hạn chế các tác động của dao động có ảnh hưởng xấu tới con người, hàng hoá và các kết cấu của ô tô Theo... thời gian ổn định của hệ…Ngoài ra cũng có thể khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chuyển động thông qua việc thay đổi tần số, biên độ kích thích đầu vào 2.1.2 Nghiên cứu hệ dao động hai phần tử khối lượng Khảo sát tính chất dao động của ô tô, với tư cách là một hệ hai khối lượng: phần khối lượng được treo gồm khối lượng khung, gầm, động cơ và người ngồi trên xe; phần khối lượng không được treo gồm khối lượng... kết (mô hình phẳng) nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của kích thích của đường tới chuyển động của ô tô và sự phân bố khối lượng của xe khi phanh hoặc tăng tốc 2.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu dao động của ô tô liên quan đến việc tìm các quan hệ động học, động lực học của các khối lượng dao động (khối lượng cầu xe và thân xe phân bố trên các bánh xe) với các thông số đặc trưng của các phần tử hệ... một hệ dao động có chất lượng tốt, các kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao khả năng thiết kế, cải tiến công nghệ ô tô, nâng cao hiệu quả sử dụng, tăng tính tiện nghi và năng suất vận chuyển của ô tô trong nền kinh tế quốc dân Các tính chất dao động của ô tô thường đánh giá theo 2 quan điểm: - Quan điểm về độ êm dịu chuyển động mà thông số gia tốc dao động có tính chất quyết định vì nó tác dụng lên... lượng được treo (thay thế cho khối lượng thân xe) và khối lượng không được treo (thay thế cho khối lượng bánh xe, cầu xe và các thành phần liên kết) Phần treo và không được treo liên kết với nhau thông qua các phần tử đàn hồi của treo và giảm chấn, có độ cứng là k, hệ số cản giảm chấn c như thể hiện trong hình 2.2 Để có thể chuyển mô hình vật lý thành mô hình động lực học hệ dao động ô tô, cần phải... PGS.TS NGUYỄN NGỌC QUẾ 34 BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ============================================================== CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG SIMULINK MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG CỦA PHẦN TỬ KHỐI LƯỢNG CỦA CƠ CẤU TREO 3.1 Giới thiệu phần mền Matlab -Simulink 7.0 Matlab (MATric LABoratory) là một công cụ phần mềm của MathWork với giao diện cực mạnh cùng lợi thế trong kĩ thuật lập trình đáp ứng được những vấn đề hết . phỏng dao động của phần tử của hệ thống treo để khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số đặc trưng về kết cấu như độ nhớt của dầu thông qua hệ số cản c, độ cứng của lò xo k đến biên độ dao động cực. thống động học, giải các bài toán vi phân và phương trình bậc cao Xuất phát từ những yêu cầu trên, em đã lựa chọn đề tài: Ứng dụng Simulink khảo sát dao động của phần tử cơ c!u treo ô tô . Đề. thông số cơ bản, thông số kết cấu và điều kiện chuyển động thực tế của tô trên đường. Hiện nay phương pháp mô phỏng số đang được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các cơ hệ đặc biệt là hệ dao động