Xây dựng mô hình toán học để tính toán + Dao động tần số, biên độ của hệ thống treo hai đòn ngang; + Động học và động lực học các cơ cấu trong hệ thống treo.. 1.1.3 Mục tiêu nghiên cứu
Tổng quan
Tổng quan
Nghiên cứu thiết kế hệ thống treo có vai trò rất quan trọng trong quá trình thiết kế ôtô Nhiều tài liệu và công trình nghiên cứu về hệ thống treo đã được công bố đặc biệt là trong thời gian gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của việc ứng dụng công nghệ thông tin hỗ trợ tích cực trong tính toán, mô phỏng Tuy nhiên, việc nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và phân tích hệ thống treo vẫn còn tồn đọng rất nhiều vấn đề cần phải giải quyết, điều này đòi hỏi sự tổng hợp nhiều lĩnh vực chuyên môn lại với nhau như: động học, động lực học, cơ học kết cấu, dao động, nhân trắc học, thống kê…
Nội dung các công trình, tài liệu nghiên cứu, giáo trình, bài giảng về lĩnh vực kết cấu cũng như tính toán mô phỏng đối với hệ thống treo trên ôtô ở nước ta còn rất nhiều hạn chế Chủ yếu là nghiên cứu về cấu tạo và chưa đi sâu vào nhiều vấn đề tính toán chuyên sâu, đặc biệt là các mô hình toán được xây dựng phức tạp
Việc nghiên cứu ứng dụng máy tính nói chung hay Matlab/Simulink nói riêng trong quá trình tính toán mô phỏng hệ thống treo là thực sự cần thiết góp phần giải quyết nhanh chóng và hiệu quả quá trình thiết kế Với tính cấp thiết này tác giả chọn đề tài: “ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG TREO HAI ĐÒN NGANG (DOUBLE A
ARM) BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG”
1.1 2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Hệ thống treo trước của xe Toyota Corona là dạng hệ thống treo hai đòn ngang Đề tài tập trung triển khai ứng dụng Matlab/Simulink để giải các mô hình toán học về động học, động lực học của hệ thống treo Các thông số cần thiết sử dụng trong quá trình tính toán mô phỏng được xác định bằng thực nghiệm trên hệ thống treo dạng hai đòn ngang (double A-arm) đang được sử dụng cho xe du lịch Các mô hình số được xây dựng và kết quả tính toán mô phỏng có thể sử dụng cho
Trang 2 quá trình thiết kế hệ thống treo cùng loại cũng như làm cơ sở đánh giá hiệu quả của quá trình thiết kế
Phân tích các thông số cơ sở (k,c,m) của hệ thống treo hai đòn ngang;
Xây dựng mô hình toán học để tính toán;
+ Dao động (tần số, biên độ) của hệ thống treo hai đòn ngang;
+ Động học và động lực học các cơ cấu trong hệ thống treo
Tính toán, mô phỏng hệ thống treo;
Phân tích, đánh giá kết quả
1.1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài nghiên cứu sự ảnh hưởng, thay đổi của các thông số động học, động lực học hệ thống treo trước của xe Toyota Corona trong khi xe hoạt động trên các loại đường không bằng phẳng Tối ưu các thông số tính toán để đề xuất phương án thiết kế tối ưu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
Nghiên cứu lý thuyết kết cấu của hệ thống treo hai đòn ngang và đánh giá các thông số động học, động lực học trên phần mềm Matlab, Inventor, Acad
Về thực tế: Đo đạc các thông số của hệ thống treo trên xe Toyota corona, từ đó so sánh kết quả tính toán giữa lý thuyết và thực nghiệm
Tổng quan nội dung
1.2.1 Công dụng của hệ thống treo
Các bộ phận của hệ thống treo dùng để nối khung hay thân xe với các cầu (bánh xe) ô tô và từng bộ phận thực hiện các nhiệm vụ sau đây:
- Bộ phận đàn hồi làm giảm nhẹ các tải trọng động tác dụng từ bánh xe lên khung, đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi di chuyển và truyền lực, mômen từ đường lên khung xe
- Bộ phận dẫn hướng để truyền lực dọc, ngang và mômen từ đường lên khung xe Động học của bộ phận dẫn hướng xác định tính chất dịch chuyển tương đối của bánh xe đối với khung
- Bộ phận giảm chấn để dập tắt các dao động của phần được treo và không được treo của ô tô
1.2.2 Yêu cầu của hệ thống treo
- Độ võng tĩnh ft (độ võng sinh ra do tác dụng của tải trọng tĩnh) phải nằm trong giới hạn đủ đảm bảo được các tần số dao động riêng của vỏ xe và độ võng động fđ
(độ võng sinh ra khi ô tô chuyển động) phải đủ để đảm bảo vận tốc chuyển động của ô tô trên đường xấu nằm trong giới hạn cho phép Ở giới hạn này không có sự va đập lên bộ phận hạn chế
- Động học của các bánh xe dẫn hướng vẫn giữ đúng khi các bánh xe dẫn hướng dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng đứng (nghĩa là khoảng cách hai vết bánh trước và các góc đặt trụ đứng và bánh dẫn hướng không thay đổi)
- Dập tắt nhanh các dao động của vỏ và các bánh xe
- Giảm tải trọng động khi ô tô qua những đường gồ ghề
1.2.3 Phân tích kết cấu hệ thống treo dạng hai đòn ngang
Hình 1.1 Hệ thống treo dạng hai đòn ngang
1 Đòn trên; 2 Ụ cao su hạn chế hành trình dao động;
3 Đòn dưới; 4 Dầm cầu dẫn hướng;
Trên hình 1.1 là kết cấu hệ thống treo độc lập thường được sử dụng trên xe du lịch Ở hệ thống treo này bộ phận dẫn hướng gồm đòn trên 1 và đòn dưới 3, chúng kết nối với đòn đứng và dầm cầu dẫn hướng 4 bằng các khớp quay Trong trường hợp này lò xo là bộ phận đàn hồi còn giảm chấn ống được gắn vào bên trong lò xo nên kết cấu rất gọn Do các đòn có hình chữ A, nên lực tác dụng lên khớp quay khi có lực ngang và mômen của bản thân lực ngang sẽ giảm
Hình 1.2 Hệ thống treo dạng hai đòn ngang trên xe Toyota corona
1.2.4 Các thông số kỹ thuật của hệ thống treo hai đòn ngang
Đường đặc tính đàn hồi của hệ thống treo
Nhờ đường đặc tính đàn hồi ta đánh giá được cơ cấu đàn hồi của hệ thống treo
Trang 5 Đường đặc tính đàn hồi biểu thị quan hệ giữa lực Z thẳng đứng tác dụng lên bánh xe và độ biến dạng của hệ thống treo f đo ngay trên trục bánh xe
Hình 1.3 Các dạng đường đặc tính của hệ thống treo
Trên hình 1.3 trình bày hai loại đường đặc tính của hệ thống treo: đường thẳng 1 ứng với hệ thống treo có độ cứng không đổi còn đường cong 2 ứng với loại hệ thống treo có độ cứng thay đổi Trục hoành biểu diễn độ võng f, trục tung biểu diễn lực Z thẳng đứng tác dụng lên bánh xe Muốn có độ võng ft của một điểm bất kỳ trên đường cong (ví dụ ở điểm D) ta vẽ đường tiếp tuyến tại điễm đó (điểm D) và hạ đường thẳng góc với trục hoành
Hoành độ AB là độ võng tĩnh ft của hệ thống treo có độ cứng thay đổi (đường cong 2) và hoành độ OB sẽ là độ võng tĩnh của hệ thống treo có độ cứng không đổi (đường thẳng 1)
Tần số dao động riêng ở các biên độ bé được xác định bằng độ võng hiệu dụng (hay độ võng tĩnh) ứng với tải trọng tĩnh Zt = G Tuy cùng một độ võng tổng quát
OC nhưng hệ thống treo có độ cứng thay đổi có độ võng hiệu dụng AB lớn hơn độ võng hiệu dụng của hệ thống treo có độ cứng không thay đổi (đoạn OB)
Thể tích động năng gọi tắt là thể động nghĩa là thế năng lớn nhất của hệ thống treo khi ô tô qua chỗ lồi lõm được biểu thị bằng diện tích có gạch EKD ứng với hệ thống treo có độ cứng thay đổi và biểu thị bằng diện tích HKD ứng với hệ thống treo có độ cứng không đổi Với những độ võng hạn chế thể động cần thiết của hệ
Trang 6 thống treo có đường đặc tính phi tuyến có thể thể hiện bằng hệ số động mà ta sẽ khảo sát sau đây
Hình 1.4 Đường đặc tính đàn hồi của hệ thống treo
Trên hình 1.4 là dạng đường đặc tính đàn hồi của hệ thống treo khi chất tải và khi giảm tải Trên trục hoành ta có điểm O là điểm tựa của bộ phận hạn chế dưới, điểm
C là điểm tựa của bộ phận hạn chế trên, nên ta gọi BO là giá trị của độ võng động dưới fđd, BC là giá trị của độ võng động trên f đt Ngoài ra ta còn có điểm L là điểm tựa của vấu cao su phía dưới, điểm M là điểm tựa của vấu cao su phía trên và tương ứng với hai điểm L, M ta có độ võng f1, f 2 Khi chất tải và giảm tải các thông số của bộ phận đàn hồi là độ võng tĩnh ft, độ võng động trên f đt và độ võng động dưới f đd ứng với hành trình động đến giới hạn của bộ phận hạn chế phía trên và bộ phận hạn chế phía dưới, độ cứng Ct của hệ thống treo, hệ số động Kđ và lực ma sát 2F Đường cong chất tải và giảm tải không trùng nhau do ma sát trong hệ thống treo Người ta qui ước lấy đường đặc tính đàn hồi của nhíp là đường trung bình (đường nét đứt) (nghĩa là có tính đến lực ma sát 2F)
Cơ sở lý thuyết mô phỏng
Tâm quay tức thời
Trong một mặt phẳng của một vật rắn, tại một thời điểm nhất định cho trước, các giá trị vận tốc tại nhiều điểm khác nhau trên vật đó có thể được thể hiện như là một chuyển động quay xung quanh một trục vuông góc với mặt phẳng Trục này cắt mặt phẳng tại một điểm gọi là tâm quay tức thời của vật thể đó
Nếu hướng của hai vận tốc đối với hai vật thể khác nhau A và B đã biết, thì tâm quay tức thời I là giao điểm của hai đường thẳng của vec tơ vận tốc và như thể hiện trên hình 2.1a
Hình 2.1 Tâm quay tức thời của I cho một khối cứng khi di chuyển
Nếu các vec tơ vận tốc và vuông góc với đường thẳng AB và nếu độ lớn của chúng đã biết thì tâm quay tức thời I là giao điểm của đường thẳng AB với đường thẳng nối liền hai đầu của vec tơ vận tốc được thể hiện ở hình 2.1b.
Tâm quay và trục quay
2.2.1 Trục quay của hệ thống treo hai đòn ngang
Trục quay là một đường thẳng tức thời tạo bởi sự quay của thân xe ô tô
Trục quay được xác định bằng cách nối tâm quay của hệ thống treo trước và sau của ô tô Giả sử rằng ta cắt ngang một xe ô tô để tách biệt một nửa trước và sau của xe Tâm xoay của hệ thống treo trước và hệ thống treo sau là tâm tức thời của sự quay thân xe so với mặt đường (hình 2.2)
Hình 2.2 Hệ thống treo trước dạng hai đòn ngang điển hình Để xác định tâm quay tức thời của thân xe với mặt đường chúng ta phân tích động lực học, động học hai chiều của hệ thống cơ cấu như hình 2.3 (cơ cấu động học cho phần hệ thống treo trước dạng hai đòn ngang)
Hình 2.3 Cơ cấu động học cho phần hệ thống treo trước dạng hai đòn ngang
Tâm của vết bánh xe là tâm quay tức thời của bánh xe với mặt đường vì thế các bánh xe được liên kết bằng khớp xoay so với mặt đường tạo tâm các vết bánh xe của chúng
Hình 2.4 Tâm quay là giao điểm của hai đường và
Tâm quay tức thời là tâm quay của thân xe so với mặt đường để xác định chúng ta áp dụng lý thuyết Kennedy và xác định điểm giao nhau của đường và như ở hình 2.4 Điểm và là tâm quay tức thời của bánh xe so với thân xe Tâm quay tức thời của một bánh xe so với thân xe gọi là tâm quay hệ thống treo Vì thế để xác định tâm quay của phần nửa trước hoặc nửa sau của xe phải xác định tâm quay của các hệ thống treo, và xác định giao nhau của các đường nối tâm quay của các hệ thống treo với tâm quay tương ứng của vết bánh xe
Lý thuyết Kennedy: Tâm quay tức thời của mỗi ba vật di chuyển thì nằm trên đường thẳng
2.2.2 Tâm quay tức thời của hệ thống treo hai đòn ngang
Tâm quay tức thời của hệ thống treo độc lập hệ thống treo hai đòn ngang có thể nằm ở bên trong hoặc bên ngoài Mô hình động học của hệ thống treo hai đòn ngang đối với bánh xe trước nằm bên tay trái của xe được thể hiện ở hình 2.5
Hình 2.5 Mô hình động học hệ thống treo bánh xe trước bên trái
(a) Tâm quay nằm bên trong (b) Tâm quay nằm bên ngoài
Tâm quay hệ thống treo hình 2.5a là dạng nằm trong và hình 2.5b là dạng nằm ngoài Đối với hệ thống treo có tâm quay nằm bên trong thì tâm quay sẽ hướng vào trong thân xe, trong khi đó tâm quay nằm bên ngoài thì tâm quay sẽ hướng ra ngoài thân xe Tâm quay của một hệ thống treo có thể thuộc, nằm trên hoặc nằm dưới mặt đường như hình 2.6 cho một hệ thống treo có tâm quay nằm ở phía ngoài
Hình 2.6 Tâm quay của hệ thống treo so với bề mặt đường
Khi tâm quay của hệ thống treo thuộc mặt phẳng đường, nằm trên hoặc dưới mặt phẳng đường, tâm quay của ô tô sẽ thuộc mặt phẳng đường, nằm dưới mặt phẳng đường và nằm trên mặt phẳng đường một cách tương ứng.
Góc đặt bánh xe
Có 4 thông số chính định hướng bánh xe, ảnh hưởng đến động lực học, chuyển động của xe bao gồm: độ chụm – doãng, góc nghiêng ngang của bánh xe so với mặt phẳng đứng (góc camber), góc nghiêng dọc của trục đứng (góc caster) và góc xoay cầu xe (trust angle)
Khi cặp bánh xe được thiết kế sao cho các cạnh trước của nó hướng vào nhau thì cặp bánh xe đó được gọi là chụm Các cạnh trước của nó hướng xa nhau thì cặp bánh xe đó được gọi là doãng Độ chụm - doãng của bánh xe trước được thể hiện ở hình 2.7
Hình 2.7 Độ chụm - doãng của bánh xe trước Độ lớn của góc chụm - doãng có thể được xác định biểu diển bằng độ so với độ không song song của bánh xe Tuy nhiên, nó thông thường được biểu diển bằng sự sai khác giữa bề rộng vết bánh xe được đo ở các cạch phía trước và phía sau của lốp xe Độ chụm - doãng ảnh hưởng đến các thông số: mòn lốp, ổn định chuyển động thẳng, quay vòng Để hạn chế tốc độ tối đa độ mòn lốp và mất mát công suất các bánh xe trên trục của một ô tô phải hướng thẳng về phía trước khi xe chuyển động thẳng Độ chụm vượt quá giới hạn cho phép là nguyên nhân làm tăng sự mòn lốp ở cạnh ngoài của lốp xe trong khi đó tương ứng nếu độ doãng lớn hơn giới hạn cho phép sẽ làm tăng độ mòn lốp cạnh bên trong Độ chụm có tác dụng làm tăng độ ổn định dẫn hướng của ô tô, độ doãng có tác dụng làm tăng tính năng lái Vì thế độ chụm sẽ làm giảm chức năng lái, trong khi đó độ doãng làm giảm tính năng ổn định thẳng của ô tô Với các hệ thống treo độc lập của một ô tô bốn bánh xe, độ chụm - doãng cũng có thể được thiết kế ở phía sau của xe Việc thiết kế độ chụm - doãng ở phía sau xe cũng có vai trò tương tự đối với độ mòn lốp, ổn định dẫn hướng và khi quay vòng như đối với ở phần trước của xe Tuy nhiên chúng ta thường không thiết kế cho xe tốc độ cao cầu sau chủ động dưới dạng doãng ở các bánh xe phía sau, lý do là độ bất ổn định dẫn hướng tăng
+ Độ chụm và ổn định dẫn hướng
Khi mômen được truyền đến các bánh xe, các bánh xe sẽ chuyển động về phía trước và cố gắng tạo ra một góc chụm Hơn nữa, khi các bánh xe tiếp xúc với mặt đường, các bánh xe bị động hoặc các bánh xe phanh sẽ có xu hướng doãng ra Độ chụm giữ vai trò rất quan trọng trong ổn định dẫn hướng Khi bánh xe dẫn hướng ở vị trí trung gian, độ chụm là nguyên nhân làm cho các bánh xe có khuynh hướng di chuyển dọc theo hướng mà giao điểm giữa chúng ở phía trước của xe Tuy nhiên các bánh xe ở trạng thái cân bằng và không có lệch vị trị thời gian di chuyển được thiết kế làm tăng tính ổn định dẫn hướng là nguyên nhân làm cho dao động nhỏ của xe của hệ thống lái xảy ra và giữ cho xe di chuyển theo phương thẳng
Sự dao động trong hệ thống lái sinh ra do sự nhấp nhô của đường
Khi xe được thiết kế có độ doãng các bánh xe trước, được lắp đặt để giảm rung động gây ra tại cặp bánh xe khi bánh xe quay trong quá trình xe quay vòng Vì vậy độ doãng có vai trò hỗ trợ ban đầu khi xe quay vòng, trong khi độ chụm thì làm giảm tính năng hỗ trợ quay vòng Độ doãng làm cho xe quay vòng nhanh hơn Vì vậy nó được ứng dụng trong thiết kế các loại ô tô đòi hỏi đáp ứng quay vòng nhanh Việc thiết kế độ chụm - doãng cho một loại xe riêng biệt nào đó trở thành một yếu tố cần phải cân nhắc giữa một bên là mức độ ổn định truyền động thẳng (độ chụm) và kỹ năng đáp ứng quay vòng nhanh (độ doãng) Độ doãng là một đặc tính không được ứng dụng trong thiết kế các loại xe thông thường, tuy nhiên đối với các loại xe tốc độ cao thì việc chấp nhận độ mất ổn định chuyển động thẳng ở tốc độ thấp, thay vào đó tính năng quay vòng sẽ được đáp ứng nhanh Đối với các loại xe thông thường sẽ được thiết kế với độ chụm, đối với loại xe tốc độ cao thiết kế với độ doãng
+ Độ chụm - doãng ở cầu trước và cầu sau xe
- Độ chụm ở cầu trước: khả năng đáp ứng quay vòng thấp, độ ổn định chuyển động thẳng cao, tăng sự mài mòn lốp các cạnh phía ngoài của lốp xe
- Độ chụm - doãng bằng không ở cầu trước: đáp ứng quay vòng trung bình, mất mát công suất nhỏ nhất, độ mòn lốp xe nhỏ nhất
- Độ chụm cầu sau ổn định chuyển động thẳng, tính năng quay vòng tốt
2.3.2 Góc nghiêng dọc của trục lái (góc caster)
Hình 2.8 Thể hiện góc nghiêng dọc của trục lái âm, dương của bánh xe trước của xe
Góc nghiêng dọc của trục lái là góc nghiêng về phía trước, sau so với phương thẳng đứng theo mặt phẳng ngang của xe
Theo quy ước góc nghiêng trục lái có giá trị âm hoặc dương phụ thuộc vào chiều của trục y được xác định theo quy tắc bàn tay phải trong hệ tọa độ Đề-các Oxyz Góc nghiêng trục lái âm có vai trò làm cho bánh xe dẫn hướng tự trở về vị trí trung gian khi quay vòng một cách nhanh chóng, hầu hết các xe ô tô được thiết kế góc caster âm 4-6 độ Góc nghiêng trục lái âm có xu hướng định hướng cho bánh xe theo phương thẳng khi xe chuyển động hướng về phía trước và vì thế được sử dụng để là tăng độ ổn định chuyển động thẳng
Góc nghiêng trục lái âm có vai trò làm tăng ổn định chuyển động thẳng nhưng nó cũng là nguyên nhân tăng lực cản lái
+ Đặc tính kỹ thuật của góc nghiêng trục lái ở cầu trước
- Góc nghiêng trục lái bằng không (=0): quay vòng nhẹ nhàng ổn định chuyển động thẳng thấp;
- Góc nghiêng trục lái nhỏ hơn không (
