Đồ án tốt nghiệp: Khảo sát độ êm dịu trên xe ô tô

Hình 4.5: Đồ thị vận tốc dịch chuyển thân xe trong Matlab với kích động mặt đường dạng bán bình phương hàm sin .... 49 Hình 4.6: Đồ thị gia tốc dịch chuyển thân xe trong Matlab với kích

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Sự phát triển của nền kinh tế, đời sống xã hội thúc đẩy nhu cầu sử dụng các phương tiện cá nhân phục vụ cho việc chở người và hàng hóa gia đình cũng tăng lên Xe bán tải ra đời là giải pháp cho nhu cầu trên của người tiêu dùng, bên cạnh việc di chuyển linh hoạt trong thành phố thì xe bán tải còn phù hợp cho các hoạt động ngoại ô như chở hàng, câu cá, cắm trại thậm chí là dùng để khám phá những cung đường mạo hiểm

Thị trường xe ô tô đang ngày càng phát triển với nhiều lựa chọn từ các hãng xe khác nhau Các dòng xe bán tải hiện đại thường được trang bị các tính năng tiện ích như hệ thống thông tin giải trí, hệ thống điều hòa không khí, và các tính năng an toàn chủ động tiên tiến, cung cấp cho người dùng một trải nghiệm lái xe đầy đủ tiện nghi và an toàn Sự phát triển của thị trường xe bán tải cũng kéo theo yêu cầu của người dùng ngày càng khắt khe hơn, không chỉ là sự tiện nghi và an toàn mà còn về độ êm dịu của xe khi chở hàng hóa và chở người Độ êm dịu của xe là một yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của xe và sự thoải mái của hành khách Khi xe di chuyển qua các cung đường xấu, gờ, mấp mô trong thành phố, dao động có thể tạo ra các rung động không mong muốn, gây ra cảm giác không thoải mái cho người ngồi trong xe và làm giảm khả năng chịu tải của xe

Từ những vấniđềinêuitrên, nhóm sinh viên đã thực hiện đồ án “Khảo sát độ êm dịu trên xe ô tô” và đối tượng cụ thể của đồ án là Mitsubishi Triton.

Mục tiêu nghiên cứu

Mụcitiêu đượciđặtira là xây dựng chương trình mô phỏng dao động của xe bằngiphần mềmiMatlab- Simulink, từ mô hình tính toán các giá trị cần thiết để khảo sát độ êm dịu của xe Kết hợp với phần mềm Carsim để có thể soisánh vàiđánhigiá kếtiquả môiphỏng Từ đó đưa ra kết quả, đánh giá mô hình được xây dựng và độ êm dịu của xe

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hình 1.1: Mitsubishi Triton Đối tượng nghiên cứu của đồ án là Mitsubishi Triton Phạm vi nghiên cứu của đồ án tập chung vào những phần sau:

- Xây dựng được hệ phương trình vi phân mô tả dao động

- Xây dựng chương trình tính toán, khảo sát dao động của xe trong Matlab

- Thiết lập khối tính toán trong Simulink, giải phương trình viiphânimôitảidao động

- Sử dụng phầnimềm Carsim, khảo sát dao động của xe

- So sánh kết quả cho ra từ phần mềm Matlab- Simulink và Carsim, đánhigiáiđộiêm dịuicủaixeidựaitrên kết quả đã thu được.

Nội dung

Nội dung nghiên cứu của đồián baoigồm các phầnichính:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chươngi3: Mô hìnhikhảo sát dao động ô tô

Chươngi4: Khảo sát dao động ô tô- đánh giá độ êm dịu

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Dao động và ảnh hưởng của dao động

Khi xe ô tô di chuyển trên đường không bằng phẳng sẽ chịu những dao động do mấp mô bề mặt đường Dao động sẽ gây tác động xấu đến người ngồi trên xe, hàng hóa và ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ của xe Người lái và hành khách ngồi trên xe sẽ có cảmigiác rất khóichịu, cóithể dẫn tới cácibệnh nghiêm trọng khi bị ảnh hưởng với dao động trong thời gian dài Với xe tải với mục đích chính là vận chuyển hàng hóa, nếu chịu tác động bởi dao động lâu dài sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hàng hóa, đồng thời cũng làm giảm tính kinh tế của xe khi bánhixeikhông tiếpixúc với mặtiđường hoàn toàn trong quá trình di chuyển làm tiêu hao một lượng công suất có ích mà động cơ sinh ra Có thể nói, dao động tác động rất lớn đến xe ô tô cụ thể là dao động do mấp mô mặt đường gây ra.

Ảnh hưởng của dao động tới con người

Các phương tiện vận tải như ô tô, trong quá trình di chuyển, tạo ra các dao động do tác động của các yếu tố bên ngoài như bề mặt đường và gió, cũng như các yếu tố bên trong như cấu trúc của hệ thống treo Các dao động này trực tiếp ảnh hưởng đến người ngồi trên Những 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 nhiều yếu tố như tầnisốidao động, cườngiđộ, thờiigian cơ thể bị táciđộng và hướng bị táciđộng Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng:

- Daoiđộngivới tần số 3÷5 Hz có thể gây ra sự rối loạn trong luồng máu, dẫn đến cảm giác choáng

- Dao động với tần số 5÷11 Hz có thể gây ra rối loạn về hệ thống taiitrong, ảnhihưởng đếnidạidày và ruột

- Daoiđộngivớiitầnisố 11÷ 45 Hz có thể làm giảm thị lực và gây buồn nôn…

Tuy nhiên, tác động của các dao động này có thể thay đổi tùy thuộc vào cá nhân và đối với mỗi người có thể khác nhau Daoiđộng của ô tô có một phạm vi tần sốirộng, vì vậy có thể phân biệt được giữa daoiđộng của phần treo xe ởitần số thấp và daoiđộngicủa phần khôngitreoiởitầnisố cao

- Coningườiicóithể cảm nhậniđược daoiđộng ở tần số 15÷18 Hz, gây ra cảm giác không thoải mái trong thời gian ngắn

- Rung động có tần số 15÷1500 Hz ít được cảminhận đượcirõ, nhưng có thểigây ra ảnh hưởng cho sứcikhỏe nếuitiếp xúcitrong thờiigian dài

Hình 2.1: Mô hình cơ thể con người như một hệ dao động với các tần số riêng khác nhau của từng bộ phận

Dưới sự tác động của dao động trong một khoảng thời gian dài sẽ gây ra các tổn thương cho cơ thể con người, sự ảnh hưởng này phụ thuộc vào các yếu tố kích động từ biên độ, hướng hay thời gian chuyển động Các tác động củaidaoiđộng ô tô đối vớiicơithểicon ngườiibao gồm:

- Về mặt cột sống: có thể gây ra các vấn đề vềicộtisốngikhi tiếp xúc với daoiđộng ở tầnisốitừ 4iđếni12 Hz

- Về mặt tiêu hóa: gây ra các vấn đề cho hệ tiêu hóa khi tiếp xúc với dao động trong thời gian dài

- Nhịp tim và nhịp thở có thể tăng lên khi tiếp xúc với daoiđộng ở tần sối20 Hzivàikéo dài, gây ra rối loạn cho cơ thể

- Đối với các tần số dao động trong khoảng tần số 0.1 Hz hoặcithấpihơn, có thể gây cảm giác sayisóngido chuyểniđộngilắc ngang hoặciquay vòng

Một số dao động có thể không gây ra tổn hại trực tiếp choisức khỏe, nhưng có thể làm giảm sự tập trung và khả năng xử lý thông tin của người lái xe, điều này đặc biệt nguy hiểm đối với những người lái xe trên các hành trình dài.

Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu

Độiêmidịu là mộtitronginhữngichỉitiêuiquanitrọng đốiivới một chiếc ô tô Độ êm dịu chuyển động không chỉ phụ thuộc vào kết cấu của xe, cường độ dao động mà còn phụ thuộc vào kỹ thuật lái xe Lựa chọn cácichỉ tiêuiđánhigiá độiêm dịu chuyểniđộng của một chiếc ô tô thường dựa trên tác động dao động của của con người trong cái hoạt động thường ngày như đi bộ, chạy bộ… một trong những dao động quen thuộc với cáciđặcitrưngivề tần số và giaitốcidao động Nếu người ngồi trên xe có chỉ số dao động không vượt quá chỉisốidao động của người khiiđiibộ, chạy bộ thìiđộiêmidịuicủa xe là chấpinhận được Bên cạnh đó, để chọn các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu còn phụ thuộc vàoisựiphátitriển kinhitế, khoaihọc kỹithuật, dụng cụ đo, trình độ thí nghiệm, sản xuất chế tạo và lắp ráp ô tô

2.3.1 Chỉ tiêu về tần số dao động

Khi con người đi hay chạy bộ thì đang thực hiện một dao động Mỗi người có thói quen và vóc dáng khác nhau nên bước đi có khác nhau nhưng nhìn chung thông thường thì con người thực hiện được khoảng 60 đến 85 lần/phút, tần số dao động tương ứng từ 1 đến 1.5 Hz Vì vậy có thể nói rằng ô tô có chuyển động êm dịu là khi chạy trên mọi địa hình thì tần số dao động riêng nằm trong khoảng từ 1 đến 1.5 Hz

6 Trong thực tế, thường lấy giá trị tần số dao động với các loại ô tô như sau:

• n = 60  85 lần /phút đối với xe du lịch

• n = 85  120 lần /phút đối với xe tải

2.3.2 Chỉ tiêu về gia tốc và vận tốc dao động

Chỉ tiêu này được lựa chọn dựa trên cơ sở đánh giá cảm giác xuất hiện trong thời gian dao động

Cảm giác được đánh giá theo hệisố êmidịu của chuyểniđộngiK, K là một đại lượng không thứ nguyên phụ thuộc vào tần số và giaitốc daoiđộng, hướngicủa daoiđộng tương ứng với trục của cơithể coningười, phụithuộc vào thờiigian tác độngicủa chúngilênicon người

K được biểu diễn như sau:

K càng nhỏ thì độ êm dịu của xe càng nâng cao, các giá trị K cho phép như sau:

K = 10 đến 25 đối với xe chạy trongithờiigianidài

Ki= 25 đến 63 đối với xe chạy trong thời gian ngắn

Nếu chịu tác động của dao động ngẫu nhiên nhiều tần số, có thể tách chúng thành các dao động điều hòa riêng rẽ, ứng với dao động điều hòa có tần số fi ta tính được một giá trị Ki, khi đó hệ số K chung sẽ là:

K : hệ số độ êm dịu của thành phần thứ i i n: số thành phần của hàm ngẫu nhiên

2.3.3 Chỉ tiêu về gia tốc và thời gian dao động

Chỉ tiêulnày thường dành cho người điều khiển phương tiện trong một khoảng thời gian dài Khi ngồi trên ô tô, dưới sự tác động của dao động trong khoảng thời gian quá dài sẽ khiến cơ thể con người bị mệt mỏi, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc hoặc sức khỏe Khi thực hiện các thí nghiệm với giá trị tần số nằm trong khoảng từ 4 đến 8Hz, là khoảng giá trị tần số có tác động đến sức khỏe con người Thí nghiệm được kéo dài 8 giờ, các giá trị của trọng số gia tốc dao động tác động lên con người tạo ra các cảm giác như sau:

2.3.4 Chỉ tiêu về công suất dao động

Chỉltiêulnàyldựa trên giả thiết rằng các cảm giáclcủa conlngười trong dao động phụ thuộclvào cônglsuất truyềnlcho con người đó Công suất trunglbình truyền cho người chịu dao động là:

P(t): lực táclđộng lênlngười v(t): vận tốc daolđộng

Công thức trên sử dụng rất khó khăn nên nó có thể được sử dụng biểu thức tính công suất trung bình truyền cho người chịu dao động như sau:

N ci cci ci ci c zi zci xi yi i=1

Z : thành phần gia tốc thẳng đứng truyềnlqua chân c

Z : thành phần gialtốc thẳng đứng truyền qua ghế cc

Y : thành phần gia tốc ngang c

Hệ số K được cho bởi biểu đồ thực nghiệm

Trong công thức trên đơn vị gia tốc là m/s 2 công suất có thứ nguyên là W

Các giá trị cho phép của chỉ tiêu này được xác định như sau:

2.3.5 Chỉ tiêu hạn chế sự va đập của hệ thống treo Được xác định bởi công thức:

S(t): chuyểnlvị tuyệt đối của tâm bánh xe theo thời gian

Z(t): chuyển vị tuyệt đối tại điểm đặt bộ hạn chế trên thân xe theo thời gian

Giá trị D2 không được vượt quá giá trị cho phép [D2] cho trước với từng loại xe và loại mặt đường

2.3.6 Chỉ tiêu về độ bám của bánh xe và mặt đường

Khi tác động của dao động làm cho bánh xe bị tách khỏi mặtlđường sẽ gây ra các ảnh hưởng lớn đến độ bền, tính kinh tế, an toàn của xe trong quá trình chuyển động Chỉ tiêu này được đánh giá bằng toàn phươngldịch chuyển tương đối giữa tâmlbánh xe với mặt đường Theo công thức:

Trong đó: q(t): hàm biểu diễn độ mấp mô mặt đường

Giá trị Ds không được vượt quá giá trị cho phép [Ds] cho trước với từng loại xe và loại mặt đường

2.3.7 Chỉ tiêu về bình phương trung bình của gia tốc dao động Để có thể đánh giá tác động của dao động ảnh hưởng đến con người thì trịlsố hiệu quả của gialtốc dao động Zhq (hoặc phương sailσ) được đặt ra giá trị để đánh giá tác động này Trịlsố hiệu quả của gia tốc dao động xác định:

Hình 2.2: Gia tốc dao động phụ thuộc vào thời gian

10 Nếu là dao động điều hòa thì Z được xác định: hq max hq max

Zmax: biên độ của gia tốc dao động

Nếu gialtốc daolđộng cóldáng điệulbất kỳ, có thể xác định Zhq như sau:

S: diện tích gạch chéo trên đồ thị

T: tổng thời gian dao động

2.3.8 Tiêu chuẩn êm dịu ISO/DIS 2631 ở Việt Nam

Dựa trên cơ sở tiêu chuẩn quốc tế hiện hành là ISO 2631-1:1997 dùng để đánh giá dao động toàn thân ảnh hưởng như thế nào đến cơ thể của con ngườilvà mức độ quan trọng của nó, nhà nước ta cũng ban hành bộ TCVN 6964-1:2001, hoàn toàn tương đương vớilISO 2631-1:1997

Mục tiêu chính của TCVN 6964-1:2001 là xác định phương pháp đánh giá các yếu tố liên quan đến sức khỏe con người khi phải chịu tác động của rung động toàn thân với biên độ nhỏ, liên quan đến:

- Sứclkhoẻ và cảm nhận thoảilmái của con người

- Khả năng cảm nhận và nhận rung động từ phía người sử dụng

- Mức độlảnh hưởng của rung động đến sự chóng mặt và buồn nôn của con người Phương pháplđánh giá là dựa vào trọnglsố gia tốclRMS hay còn gọi là gialtốclbình phương trung bình Z

Trọnglsố gialtốc RMS tínhlbằng m/s 2 đối với rung độngltịnhltiến và rad/s 2 đốilvới runglđộnglquay Gia tốc RMS được tínhlbằnglcônglthức sau:

Z t : gia tốc rung động tịnh tiến hoặc quay, là hàm số theo thời gian, tính bằng m/s 2 hay rad/s 2

T: khoảng thời gian rung động (s)

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 Z như sau:

Hình 2.3: Vùng chỉ dẫn sức khỏe theo ISO 2631 và TCVN 6964

Bảng 2.1: Phản ứng của cơ thể đối với những mức rung động khác nhau (TCVN 6964)

Nhỏ hơn 0.315 m/s 2 Không có cảm giác khó chịu

0.315 m/s 2 đến 0.63 m/s 2 Có cảm giác chút ít về sự không thoải mái 0.5 m/s 2 đến 1 m/s 2 Khá là không thoải mái 0.8 m/s 2 đến 1.6 m/s 2 Không thoải mái

1.25 m/s 2 đến 2.5 m/s 2 Rất không thoải mái Lớn hơn 2 m/s 2 Cực kỳ không thoải mái

Do giới hạn về thời gian, điều kiện cơ sở vật chất cũng như điều kiện ở Việt Nam Nhóm lựa chọn hai chỉ tiêu chính để đánh giá độ êm dịu của xe ô tô là: tần số dao động riêng và trọng số gia tốc RMS.

Nhận xét chương 2

Để có thể đánh giá khả năng êm dịu của một chiếc xe ngoài các chỉ tiêu về độ êm dịu thì còn phụ thuộc vào cảm giác của con người Nhưng những cảm giác đó không thể đánh giá chính xác được khả năng êm dịu của xe mang lại Cụ thể hơn cần phải dựa trên các số liệu cụ thể như từ các khảo sát hay thí nghiệm Nội dung chương này đề cập đến các tiêu chí đánh giá về độ êm dịu từ các tiêu chuẩn của Việt Nam đến quốc tế Để cụ thể hơn trong đề tài này sẽ đánh giá khả năng êm dịu của xe thông qua hai chỉ tiêu đánh giá là tần số dao động riêng và trọng số gia tốc RMS theo tiêu chuẩn của Việt Nam (TCVN 6964-1:2001) Các mô phỏng và khảo sát được thực hiện sẽ xoay quanh hai chỉ tiêu đánh giá này

MÔ HÌNH KHẢO SÁT DAO ĐỘNG Ô TÔ

Mô hình không gian

Mô hình không gian của hệ dao động cho thấy được chuyển động của thân xe trên các trục tọa độ Oxyz

Hình 3.1: Mô hình không gian hệ dao động ô tô

14 Trong mô hình không gian:

- Độ cứng của hệ thống treo cầu trước bên trái, bên phải: C1T, C1P

- Độ cứng của lốp cầu trước bên trái, bên phải: CL1T, CL1P

- Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo cầu trước bên trái, bên phải: K1T, K1P

- Hệ số cản giảm chấn của lốp trước bên trái, bên phải: KL1T, KL1P

- Độ cứng của hệ thống treo cầu sau bên trái, bên phải: C2T, C2P

- Độ cứng của lốp cầu sau bên trái, bên phải: CL2T, CL2P

- Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo cầu sau bên trái, bên phải: K2T, K2P

- Hệ số cản giảm chấn của lốp sau bên trái, bên phải: KL2T, KL2P

Bảng 3.1: Chuyển động của thân xe trong hệ trục tọa độ Oxyz

Trục X Tịnh tiến dọc Trục Y Tịnh tiến ngang Trục Z Nhún

Trục X Quay ngang Trục Y Quay dọc Trục Z Quay lệch hướng

Khi nghiên cứu độ êm dịu chuyển động vì có một số dao động ít ảnh hưởng nên mô hình có thể đơn giản hóa thành mô hình trong mặt phẳng 4 bậc tự do với dao động chủ yếu là nhún và lắc dọc

Các thành phần của hệ dao động ô tô

Phần không được treo là những cụm chi tiết mà trọng lượng của chúng không tác động lên phần KLĐT mà chỉ tác động lên lốp xe và mặt đường KLKĐT thường bao gồm hệ thống chuyển động (lốp xe), cầu xe, cơ cấu lái, … Ngoài ra có một số thành phần được lắp trên cả KLĐT và không được treo như giảm chấn, nhíp, … khối lượng của chúng được xem như một phần thuộc KLĐT và một phần thuộc KLKĐT

Phần được treo là phần chủ yếu của xe bao gồm các hệ thống truyền lực, khung xe, hệ thống điều hòa, … Phần được treo được đặt trên bộ phận đàn hồi và dẫn hướng của hệ thống treo KLĐT là các chi tiết mà khối lượng của chúng tác động lên hệ thống treo như khung xe, cabin, hàng hóa, hành khách và các chi tiết khác, … Trong một hệ dao động thì KLĐT được xem là một vật thể đồng nhất, cứng hoàn toàn

3.2.3 Các bộ phận của hệ thống treo

Hệ thống treo là bộ phận có nhiệm vụ kết nối giữa phần được treo và không được treo, hệ thống treo kết hợp với lốp chịu trách nhiệm cho việc giảm lực va đập tác dụng lên khung xe và hạn chế sự dao động của xe do những tác động từ mặt đường gây ra từ đó tạo sự thoải mái cho hành khách Hệ thống treo thường có những thành phần sau:

Bộ phận đàn hồi trong hệ thống treo của xe ô tô đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc cải thiện tính ổn định, thoải mái và an toàn khi lái xe Bộ phận này giúp hấp thụ và giảm sóc các va đập và rung động từ mặt đường, giúp cho người lái và hành khách cảm thấy thoải mái hơn trong quá trình di chuyển Bộ phận đàn hồi có thể chia thành loại phần tử đàn hồi kim loại và phần tử đàn hồi phi kim loại Đối với phần tử đàn hồi kim loại thường sử dụng là nhíp cho các hệ thống treo phụ thuộc hay độc lập, lò xo xoắn và thanh xoắn được sử dụng cho hệ thống treo độc lập Còn đối với phần tử đàn hồi phi kim loại sẽ gồm có các loại như đàn hồi cao su, khí nén và thuỷ lực Người ta thường hay sử dụng kết hợp hai hay nhiều loại phần tử đàn hồi để có thể lợi dụng hết ưu thế của từng loại

16 Hình 3.2: Lò xo và nhíp của hệ thống treo

Bộ phận giảm chấn của ô tô chịu trách nhiệm về việc kiểm soát sự dao động của ô tô trong quá trình di chuyển trên đường Bộ phận giảm chấn làm việc để hấp thụ và giảm sóc năng lượng từ các va đập này, ngăn chặn sự truyền đạt của dao động đến khung xe và cabin, từ đó giảm thiểu rung và dao động của xe

Bằng cách giảm thiểu sự dao động và rung động, bộ phận giảm chấn giúp cải thiện tính ổn định và kiểm soát của xe, đặc biệt là trong các điều kiện đường sá khó khăn như đường gồ ghề, đường trơn trượt Nó cũng tạo ra một trải nghiệm lái êm ái và thoải mái hơn cho người lái và hành khách, giúp giảm thiểu sự mệt mỏi và tăng cường an toàn giao thông

Hình 3.3: Bộ phận giảm chấn

Mô hình dao động trong mặt phẳng

3.3.2 Các giả thiết khi xây dựng mô hình dao động

Mô hình dao động tương đương mà đồ án khảo sát trong mặt phẳng dọc ô tô hai cầu có hệ thống treo sau phụ thuộc và hệ thống treo trước độc lập được xây dựng với các giả thiết sau:

- Xe chuyển động thẳng đều, khoảng cách từ trọng tâm đến các cầu không thay đổi trong quá trình chuyển động, trọng tâm của xe nằm trên mặt phẳng đối xứng dọc xe

- Bỏ qua sự ảnh hưởng từ các nguồn dao động trên xe như động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống lái

- Bánh xe có độ cứng CL1, CL2 luôn tiếp xúc điểm với đường trong quá trình chuyển động, coi giảm chấn KL1, KL2 có giá trị bằng không

- Bỏ qua dịch chuyển ngang tương đối giữa KLĐT và không được treo

- KLĐT quy về một khối hình chữ nhật có khối lượng Ms

- KLKĐT quy về đặt tại tâm bánh xe

- Thân xe và cầu xe liên kết với nhau qua hệ thống treo có hệ số độ cứng C1, C2 và hệ số cản giảm chấn K1, K2

- Thân xe có thể thực hiện hai dao động: chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng và lắc dọc quanh trục y

- Xe chịu tác động từ nguồn kích động duy nhất từ các mấp mô của mặt đường

- Dao động lắc dọc thân xe có góc 𝜑 nhỏ, cho nên coi tg(𝜑)≈ 𝜑

3.3.2 Mô hình dao động tương đương theo phương dọc

Mô hình dao động tương đương của ô tô được xây dựng dựa trên các giả thiết đã được nêu trên Hình biểu diễn dao động tương đương của ô tô trong mặt phẳng dọc khi các bánh xe trên cùng một cầu đều tiếp xúc với mặt đường

Hình 3.4: Mô hình dao động của xe trong mặt phẳng dọc Các ký hiệu ghi trên hình 3.4

- M1, M2: KLKĐT cầu trước, cầu sau

- Jy: môment quán tính KLĐT đối với trục Y

- 𝜑 :góc lắc dọc thân xe quanh trục Y

- C1, C2: hệ số độ cứng hệ thống treo cầu trước, cầu sau

- CL1, CL2: hệ số độ cứng của lốp ở cầu trước, cầu sau

- K1, K2: hệ số cản giảm chấn hệ thống treo cầu trước, cầu sau

- KL1, KL2: hệ số cản giảm chấn của lốp ở cầu trước, cầu sau

- q1, q2: mấp mô của mặt đường tại vết tiếp xúc với lốp trước, lốp sau

- L: chiều dài cơ sở xe

- a, b: khoảng cách từ trọng tâm xe tới cầu trước, cầu sau

Hình 3.5: Mô hình dao động của xe trong mặt phẳng dọc sau khi tách các liên kết

Các ký hiệu sử dụng trong hình 3.5

- E1, E2: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng (Z) của tâm cầu cầu trước và cầu sau

- Z: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng (Z) của trọng tâm của khối lượng treo của xe

- Z1, Z2: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng (Z) của trọng tâm của khối lượng treo trước và sau

- F1: lực tác dụng từ mặt đường lên KLKĐT cầu trước và ngược lại

- F2: lực tác dụng từ mặt đường lên KLKĐT cầu sau và ngược lại

- F3: lực tác dụng từ KLKĐT cầu trước lên KLĐT và ngược lại

- F4: lực tác dụng từ KLKĐT cầu sau lên KLĐT và ngược lại.

Hàm kích động mặt đường

Mặt đường trong điều kiện thực tế được sử dụng rất đa dạng Độ mấp mô của mặt đường là nguồn kích thích chính cho dao động của ô tô Khí nghiên cứu về dao động thì cần phải mô tả biên dạng mặt đường bằng hàm toán học, chiều cao chiều dài của mấp mô mặt đường vị trí tiếp xúc với bánh xe và đường sẽ tham gia vào phương trình vi phân mô tả dao động của hệ Hàm kích động là một yếu tố của mô hình dao động mô tả yếu tố gây ra dao động Hàm kích động mặt đường thường được mô tả dưới dạng hàm xung, hàm điều hòa, hàm ngẫu nhiên

Trong khuôn khổ đồ án, để đơn giản cho tính toán và thuận tiện cho việc khảo sát dao động thì mấp mô có dạng điều hòa là phù hợp với mục tiêu mà đồ án đề ra

3.4.1 Kích động mặt đường có dạng hàm điều hòa hình sin

Trong đó : q0 : chiều cao mấp mô (m)

: tần số kích thích mặt đường

V : vận tốc chuyển động của của ô tô (m/s)

S : chiều dài mấp mô (m) t : thời gian (s)

21 Hình 3.6: Mấp mô mặt đường dạng hàm điều hòa hình sin

3.4.2 Kích động mặt đường có dạng bán bình phương hàm sin

Trong đó : q0 : chiều cao mấp mô (m) v : vận tốc chuyển động của của ô tô (m/s)

S : chiều dài mấp mô (m) t : thời gian (s)

22 Hình 3.7: Mấp mô mặt đường dạng bán bình phương hình sin

Thiết lập phương trình vi phân dao động (mô hình toán học)

Khảo sát dao động của một hệ dao động tương đương ô tô, cần thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động Hệ phương trình này bao gồm các phương trình vi phân mô tả sự chuyển động của các thành phần khối lượng trong cơ hệ Thông thường có hai phương pháp thiết lập các phương trình này đó là : sử dụng nguyên lý D’Alambert hoặc có thể sử dụng phương trình Lagranger loại II Ở mô hình này, đồ án sử dụng phương pháp tách hệ và áp dụng nguyên lý D’Alambert để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động Nguyên lý D’Alembert đối với cơ hệ được phát biểu như sau :

Khi cơ hệ chuyển động, tại thời điểm bất kỳ, nếu ta tưởng tượng tác dụng lên mỗi chất điểm của cơ hệ một lực quán tính tương ứng thì các lực quán tính, các nội lực và các ngoại lực tác dụng lên hệ tạo thành một hệ lực cân bằng và hệ lực đó phải thoả mãn các điều kiện cân bằng tĩnh học e i qt k k k

F , F , F lần lượt là các vector ngoại lực, nội lực và lực quán tính D’ Alambert Với tính chất của nội lực ta có phương trình sau :

Trong đó: R qt là vector chính của các lực quán tính và M qt 0 là vectơ môment chính của các lực quán tính đối với tâm O

3.5.2 Thiết lập hệ phương trình vi phân Áp dụng nguyên lý D’Alembert viết các phương trình cân bằng lực và môment cho các vật ở hình 3.5

Chọn chiều dương hướng lên theo phương trục Z

❖ Thiết lập phương trình phần KLKĐT

Lực tác dụng từ mặt đường lên KLKĐT cầu trước và ngược lại:

Lực tác dụng từ KLKĐT cầu trước lên KLĐT và ngược lại :

Phương trình cân bằng theo phương Z :

Lực tác dụng từ mặt đường lên KLKĐT cầu sau và ngược lại :

Lực tác dụng từ KLKĐT cầu sau lên KLĐT và ngược lại :

Phương trình cân bằng theo phương Z :

❖ Thiết lập phương trình phần KLĐT

Lực tác dụng từ KLKĐT cầu trước lên KLĐT và ngược lại :

Lực tác dụng từ KLKĐT cầu sau lên KLĐT và ngược lại :

Phương trình cân bằng theo phương Z : s 3 4

Phương trình cân bằng môment: J φ = F a - F b y 3 4 (3.18)

Từ các phương trình (3.9), (3.13), (3.17), (3.19) trên ta có được hệ phương trình vi phân (3.20) mô tả dao động của ô tô 2 cầu trong mặt phẳng dọc

Thiết lập mô hình khảo sát dao động

3.6.1 Giới thiệu về Matlab- Simulink

MATLAB là một phần mềm được phát triển bởi MathWorks, Matlab cung cấp một môi trường tính toán số học để xử lý các vấn đề ma trận, các thuật toán, vẽ đồ thị hàm số và dữ liệu với ngôn ngữ lập trình riêng

Matlab cung cấp nhiều tính năng khác nhau nhằm hỗ trợ người dùng giải các bài toán bằng các phép biến đổi, các hàm, bộ lọc, thống kê, tối ưu hóa, … Ngoài ra Matlab còn cung cấp một thư viện lớn hỗ trợ người dùng trong việc giải thích và tìm hiểu các lệnh, các ví dụ minh họa Matlab được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xử lý tín hiệu số, xử lý hình ảnh, tính toán trong kỹ thuật, …

26 Hình 3.8: Giao diện của Matlab

Trong phần mềm Matlab, xây dựng nên mô hình dao động bằng cách sử dụng các lệnh code và các hàm để tạo ra chương trình tính toán, xử lí các tín hiệu đầu vào và đưa ra được giá trị đầu ra dưới dạng số liệu, ma trận hay đồ thị, … Có thể vẽ một đồ thị hàm sin với code sau : clc clear all

A=input('nhap A '); w=input('nhap w '); phi=input('nhap phi '); t=linspace(0,5,100); y=A*sin(w*t+phi) plot(t, y)

Hình 3.9: Đồ thị hàm sin với độ lệch pha pi/2

27 Với chương trình như trên các giá trị A, w, phi được nhập từ bàn phím trên Command Window, sử dụng lệnh linspace để chia thời gian từ 0 đến 5s thành 100 khoảng giá trị sau đó đưa vào tính toán y Ứng với mỗi giá trị t thu được một giá trị y và từ đó sẽ sử dụng lệnh plot để vẽ đồ thị của t và y Đồ thị trên có các giá trị A, w, phi tương ứng là 2, 4 và pi/2 Ngoài ra trong Matlab có thể tạo các chương trình con bằng hàm function Tương tác với các đồ thị thông qua các lệnh như title (đặt tên đồ thị), xlabel (đặt nhãn cho trục X), ylabel (đặt nhãn cho trục Y), … Đơn giản hoá các hệ phương trình bằng cách đưa chúng về dưới dạng các ma trận để tính toán và Matlab hỗ trợ việc tạo các ma trận với M hàng và N cột thông qua các lệnh có sẵn trong thư viện như zeros(M ,N) (tạo ma trận chứa các phần tử có đơn vị là 0), ones(M, N) (tạo ma trận chứa các phần tử có đơn vị là 1), eye(M, N) (tạo ma trận đơn vị), … Matlab cung cấp cho người dùng một thư viện vô cùng lớn nhằm hỗ trợ cho việc tính toán được thuận tiện hơn, là một nền tảng lớn giúp người dùng có thể xây dựng được các mô hình từ đơn giản đến phức tạp

Simulink là một môi trường để phát triển và mô phỏng các hệ thống, sử dụng cho việc thiết kế, mô phỏng và mô hình hóa các hệ thống Simulink có một giao diện thân thiện cho việc tương tác giữa các khối với nhau, có thể kết nối với nhau một cách dễ dàng từ đó có thể tạo nên một hệ thống Simulink cung cấp các khối phổ biến từ các khối thuật toán đơn giản đến các khối logic hay các khối tạo sóng phức tạp, các công cụ hỗ trợ người dùng như mô phỏng, phân tích, tối ưu để người dùng có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống

Bên cạnh đó Simulink còn hỗ trợ việc tương tác với Matlab thông qua các khối để có thể truyền dữ liệu và có thể nhận dữ liệu từ Matlab thông qua các lệnh Điều này giúp người dùng có thể xử lí số liệu dễ dàng hơn khi tương tác giữa 2 giao diện này

Bảng 3.2: Các khối trong Simulink thường được sử dụng

Khối Chức năng Khối Chức năng

Khối tạo tín hiệu thời gian, cung cấp giá trị thời gian hiện tại của mô phỏng

Khối cộng các tín hiệu đầu vào

Khối tạo hằng số không phụ thuộc vào thời gian

Khối khuếch đại tín hiệu đầu vào

29 Khối tích phân tín hiệu đầu vào

Khối đạo hàm tín hiệu đầu vào theo thời gian

Khối lấy tín hiệu từ khối Goto có cùng tag

Khối đưa giá trị đến khối From có cùng tag

Khối thực hiện tính toán lượng giác các giá trị đầu vào

Khối giới hạn giá trị tín hiệu đầu vào

Khối mô phỏng thời gian trễ của tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra

Khối hiển thị và quan sát các tín hiệu trong quá trình mô phỏng Để có thể liên kết các khối trong Simulink, có thể tương tác các khối với nhau bằng cách kéo và kết nối các đầu tín hiệu với nhau từ đó các khối có thể truyền tín hiệu Khi các khối không được kết nối tín hiệu sẽ không được truyền đi và sẽ hiển thị là một đường nét đứt màu đỏ Tạo một vòng lặp đơn giản như hình 3.11, với giá trị đầu vào từ khối

“Constant” là 1 qua khối “Add” vẫn giữ nguyên giá trị sau đó qua khối “Gain” được nhân đôi và trở về khối “Add” với giá trị là 2 Khi về đến khối “Add” giá trị sẽ được cộng với giá trị khối “Constant” và tiếp tục vòng lặp như vậy Với vòng lặp như hình 3.11 cần sử dụng khối “Unit Delay” để có thể tạo độ trễ để phá vỡ vòng lặp đại số Khi không có khối

“Unit Delay” tín hiệu đầu vào của khối “Gain” phụ thuộc vào đầu ra của khối “Add” và đầu vào của khối “Add” phụ thuộc trực tiếp vào đầu ra khối “Gain” từ đó tạo nên một vòng lặp đại số không có độ trễ về thời gian nên vòng lặp không có khối “Unit delay” sẽ luôn trả về 1 giá trị cố định

30 Hình 3.11: Vòng lặp đơn giản trong Simulink

3.6.2 Thiết lập mô hình khảo sát trong Matlab

Mô hình dao động của xe là một cơ hệ được mô tả bằng hệ phương trình vi phân (3.20) và có thể viết dưới dạng ma trận như sau:

Là ma trận hệ số của ẩn số trong ma trận ẩn số gia tốc x trong hệ phương trình (3.20)

- Ma trận hệ số cản giảm chấn:

Là ma trận hệ số của ẩn số trong ma trận ẩn số vận tốc x trong hệ phương trình (3.20)

Là ma trận hệ số của ẩn số trong ma trận ẩn số chuyển vị x trong hệ phương trình (3.20)

- Ma trận hàm kích động:

  là ma trận hệ số tự do của hệ phương trình (3.20)

Ma trận ẩn số gia tốc:

; Ma trận ẩn số vận tốc:

Ma trận ẩn số chuyển vị

Từ hệ phương trình vi phân viết dưới dưới dạng ma trận (3.21): M + K + Cx x x=f

 + + (3.25) Ứng dụng phương pháp sai phân trung tâm, tích phân hệ phương trình trên, để tìm nghiệm là các đáp ứng chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ Cách thiết lập như sau: Ở thời điểm t0=0, biết được tọa độ x0, vận tốc x , gia tốc 0 x theo điều kiện ban đầu Ở thời điểm 0 tiếp theo: t=t0+∆t, các giá trị tọa độ, vận tốc, gia tốc có thể tính được theo giá trị thời điểm trước đó bằng các quan hệ toán học ở trên Cho biến thời gian chạy từ 0 đến T theo bước

∆t Ta thiết lập được biểu đồ chuyển vị, vận tốc, gia tốc hợp lệ

Hình 3.12: Sơ đồ thuật toán cho bài toán tổng quát trong Matlab

33 Trong sơ đồ thuật toán

Các thông số đầu vào gồm:

- KLKĐT cầu trước, cầu sau: M1, M2

- Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước, cầu sau: a, b

- Hệ số cản giảm chấn lốp ở cầu trước, sau: KL1, KL2

- Độ cứng lốp ở cầu trước, sau: CL1, CL2

- Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo cầu trước, cầu sau: K1, K2

- Độ cứng hệ thống treo cầu trước, cầu sau: C1, C2

- Biên độ mấp mô mặt đường: q0

- Độ dài mấp mô mặt đường: S

- Môment quán tính KLĐT đối với trục y: Jy

Các ký hiệu sử dụng trong vòng lặp “for” với điều kiện (0 ≤ t ≤ t_end)

- Kích động mặt đường tác dụng lên cầu trước, cầu sau: q1, q2

- Đạo hàm của kích động mặt đường tác dụng lên cầu trước, cầu sau: dq1, dq2

- Khoảng chia thời gian tính các giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc: ∆t

- Ma trận hàm kích động mặt đường: f

Các ma trận M, C, K lần lượt là: ma trận khối lượng, ma trận độ cứng, ma trận hệ số cản giảm chấn

3.6.3 Thiết lập mô hình khảo sát trong Simulink

Khi xây dựng mô hình dao động trên Simulink, sử dụng khối “Subsystem” để có thể tạo nên các thành phần của một hệ dao động sau đó liên kết các thành phần lại với nhau để có thể tạo nên một hệ thống treo trên ô tô Simulink có một thư viện cung cấp các khối để hỗ trợ cho việc xây dựng một hệ dao động từ các hệ phương trình Cụ thể hơn để xây dựng mô hình dao động, thực hiện xây dựng từ các KĐMĐ đến các KLKĐT và được treo

34 Khi xây dựng khối tính toán cho KLKĐT cầu trước sẽ cần các tín hiệu được tính toán của thân xe và hàm KĐMĐ Các tín hiệu này được tính toán qua các vòng lặp và được đưa đến để tính toán thông qua các khối “From” và “Goto” Khi tín hiệu từ KĐMĐ từ khối

“From” đưa đến được tách làm 2 tín hiệu, 1 tín hiệu sẽ được đưa vào khối “Add” và qua khối “Gain” để tính toán lực cản của lốp, tín hiệu còn lại được đưa qua khối “Derivative” để đưa vào tính lực giảm chấn của lốp xe Giá trị dịch chuyển và vận tốc của KLKĐT cầu trước Z1 được đưa vào tính toán lực cản của lò xo và lực giảm chấn Lực F3 là tổng lực cản của lò xo và lực giảm chấn của bộ giảm chấn Lực F3 và tổng hợp lực cản lò xo và lực giảm chấn của lốp được tính toán bởi khối “Add” sau đó được chia cho giá trị khối lượng của KLKĐT cầu trước để tính toán gia tốc của KLKĐT cầu trước Sau khi tính toán được gia tốc tín hiệu sẽ được nguyên hàm bởi khối “Integrator” để trả về giá trị vận tốc và dịch chuyển phục vụ cho việc tính toán các lực cản và giảm chấn Từ đó tạo nên một vòng lặp tính toán trong khối cầu xe Đối với tín hiệu lực F3 sẽ được kết nối với khối Goto để đưa đến tính toán ở khối thân xe

Từ phương trình (3.8): M E =F - F1 1 3 1C (Z - E )+K ( Z - E ) - C (E - q ) - K ( E -q )1 1 1 1 1 1 L1 1 1 L1 1 1 xây dựng được các khối liên kết với nhau thể hiện phương trình trong Simulink

Hình 3.13: Sơ đồ các khối mô phỏng cầu trước

35 Xây dựng tương tự với cách thiết lập trên để tạo nên khối cầu sau và xuất giá trị F4 đến khối “Goto” phục vụ cho việc tính toán ở khối thân xe dựa trên phương trình (3.12):

Hình 3.14: Sơ đồ các khối mô phỏng cầu sau

Sau khi xây dựng được mô hình cầu trước và cầu sau, tín hiệu F3 và F4 được truyền thông qua khối “Goto” đến khối From trong mô hình thân xe để tính toán dịch chuyển và gia tốc của thân xe Tín hiệu F3 và F4 được chia làm 2 tín hiệu, một tín hiệu được khuếch đại với giá trị a và b sau đó đi đến khối “Add” để tính hiệu giữa giá trị sau đó qua khối

“Gain” nhằm chia cho giá trị Jy để tính toán góc lắc của thân xe Tín hiệu còn lại qua khối

Nhận xét chương 3

Chương 3 đã trình bày được cơ sở lý thuyết về các thành phần của một hệ dao động, mô hình dao động của xe trong không gian và chuyển động của xe trên các trục tọa độ trục x, trục y, trục z Xây dựng mô hình dao động tương đương trong mặt phẳng dọc, mô hình vật lý và thiết lập hệ phương trình vi phân Lựa chọn được hai loại KĐMĐ cụ thể là KĐMĐ có dạng hàm điều hòa hình sin và KĐMĐ có dạng bán bình phương hình sin Xây dựng được phương pháp giải bài toán dao động tổng quát bằng phần mềm Matlab- Simulink

KHẢO SÁT DAO ĐỘNG Ô TÔ – ĐÁNH GIÁ ĐỘ ÊM DỊU

Giới thiệu xe Mitsubishi Triton

Mitsubishi Triton là một dòng xe bán tải hãng Mitsubishi Motors, có sự hiện diện từ năm 1978 và đang ở thế hệ thứ 6 Mitsubishi Triton có nhiều phiên bản và được đánh giá là một mẫu xe nổi bật trong phân khúc bán tải Dòng xe Triton thường được biết đến với độ bền bỉ và khả năng vận hành đa dụng Nó được thiết kế để có khả năng vận hành tốt trên mọi loại địa hình, từ đường thành phố đến đường mòn ngoại ô Với thiết kế kiểu dáng mạnh mẽ và đậm chất thể thao, Triton thường là sự lựa chọn phổ biến cho những người muốn sở hữu một chiếc xe bán tải đa năng và đáng tin cậy

39 Hình 4.1: Xe Mitsubishi Triton và thành viên nhóm cùng với anh kỹ thuật viên hỗ trợ đo các số liệu cần thiết

Bảng 4.1: Thông số cơ bản của xe

Kích thước cơ bản

Khoảng cách 2 bánh xe phía trước (mm) 1520

Chiều rộng của xe (mm) 1785

Khoảng cách từ trục trước tới đầu xe (mm) 860

Khoảng cách từ trục trước đến trục sau (mm) 3000

40 Khoảng cách từ trục sau đến đuôi xe(mm) 1340

Chiều dài toàn bộ của xe (mm) 5200

Khoảng sáng gầm xe (không tải) (mm) 200

Chiều cao toàn bộ xe (mm) 1775

Khoảng cách 2 bánh xe cầu sau (mm) 1515

Chiều dài khoang chở hàng

Chiều rộng khoang chở hàng

Chiều cao khoang chở hàng

Khoảng cách từ khoang chở hàng tới mặt đất (mm) 845

Trọng lượng bản thân xe (Kg) 1720

Trọng lượng tác dụng lên cầu trước (Kg) 995

Trọng lượng tác dụng lên cầu sau (Kg) 725

Trọng lượng tối đa của xe (Kg) 2720

Tỉ lệ tải tối đa lên cầu xe trước 1260

Tỉ lệ tải tối đa lên cầu xe sau 1840

Trọng lượng tác dụng lên cầu xe trước khi đầy tải (Kg) 1075

Trọng lượng tác dụng lên cầu xe sau khi đầy tải (Kg) 1645

Loại Động cơ Diesel DOHC có bộ tur-bo tăng áp làm mát khí nạp Tổng thể tích công tác (cm 3 ) 2477

Công suất tối đa (kW/rpm) 100/4000

Môment xoắn tối đa (Nm/rpm) 324/2000

Hệ thống nhiên liệu Phun nhiên liệu điều khiển điện tử

Dẫn động bánh xe sau 2WD, 5M/T

Lốp xe Thông số lốp 245/70R16 111S

Cầu trước Hệ thống treo độc lập - Tay đòn, lò xo cuộn và thanh cân bằng

42 Cầu sau Hệ thống treo phụ thuộc – Nhíp lá

Phanh cầu trước Phanh đĩa, 1 piston, dẫn động thủy lực Phanh cầu sau Phanh tang trống, dẫn động thủy lực

Trợ lực phanh Khí nén

Loại Bánh răng - thanh răng

Kích thước cơ bản Vô lăng

Bán kính vô lăng

Số vòng đánh lái tối đa của vô lăng

Góc đánh lái cực đại

❖ Các thông số tính toán

• Tính toán độ cứng lò xo cầu trước Độ cứng của lò xo cầu trước C1 được tính theo công thức sau (Giáo trình “Dao động và tiếng ồn - TS Lâm Mai Long”, trang 26)

D: đường kính trung bình (m) d: đường kính dây lò xo (m)

43 n: tổng số vòng lò xo

Thay số liệu đã đo đạc được ta có: 1 10 3 4 ( )

• Tính toán độ cứng nhíp cầu sau Độ cứng của nhíp cầu sau C2 được tính theo công thức sau (Giáo trình “Thiết kế ô tô- Đặng Quý, Đỗ Văn Dũng, Dương Tuấn Tùng”, trang 233) t t t

Gt: tải trọng tĩnh tác dụng lên hệ thống treo

Ft: độ võng tĩnh (cm)

Thay số liệu đo đạc được ta có: 2 -2 ( )

44 Bảng 4.2: Thông số đầu vào

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước a m 1.815

Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau b m 1.185

KLKĐT cầu sau M2 Kg 200 Độ cứng lò xo cầu trước C1 N/m 86466 Độ cứng nhíp cầu sau C2 N/m 215558

Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo cầu trước K1 Ns/m 18100

Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo cầu sau K2 Ns/m 18100 Độ cứng lốp xe cầu trước CL1 N/m 480000 Độ cứng lốp xe cầu sau CL2 N/m 480000

Hệ số cản giảm chấn bánh xe cầu trước KL1 Ns/m 0

Hệ số cản giảm chấn bánh xe cầu sau KL2 Ns/m 0

Môment quán tính đối với trục y Jy Kg.m 2 4126

Khảo sát dao động bằng Matlab- Simulink

4.2.1 Khảo sát dao động trong Matlab

❖ Đối với hàm kích động mặt đường dạng bán bình phương hàm sin

Hình 4.2: Sơ đồ thuật toán khảo sát dao động với KĐMĐ có dạng bán bình phương hàm sin

Trong sơ đồ thuật toán Hình 4.2

- Độ trễ pha mấp mô mặt đường tác dụng lên cầu trước và cầu sau: phi

- Kích động mặt đường tác dụng lên cầu trước, cầu sau: q1,q2

47 Hình 4.3: Đồ thị lực kích động mặt đường dạng bán bình phương hàm sin

Nhận xét: Đồ thị trên biểu diễn lực kích động mặt đường tác dụng lên bánh xe Màu đỏ là đường biểu diễn lực kích động mặt được tác dụng lên cầu trước với giá trị cực đại là

19196 N tại 0.036 giây Màu xanh là đường biểu diễn lực kích động mặt đường tác dụng lên cầu sau với giá trị cực đại là 19196 N tại 0.25 giây Lực kích động tác dụng lên cầu sau sẽ trễ pha hơn lực kích động mặt đường tác dụng lên cầu trước một khoảng thời gian tương ứng với chiều dài cơ sở của xe

Hình 4.4: Đồ thị dịch chuyển thân xe trong Matlab với kích động mặt đường dạng bán bình phương hàm sin

Nhận xét: Độ dịch chuyển thân xe đạt giá trị cực đại với giá trị 8.375 mm tại thời điểm t =0.35 giây, và đạt giá trị cực tiểu với giá trị -4.043 mm tại thời điểm t = 0.6 giây Sau thời gian dao động khoảng 2.25 giây thì dao động được dập tắt

49 Hình 4.5: Đồ thị vận tốc dịch chuyển thân xe trong Matlab với kích động mặt đường dạng bán bình phương hàm sin

Nhận xét: Vận tốc dịch chuyển thân xe đạt giá trị cực đại với giá trị 0.16 m/s tại thời điểm t =0.275 giây, và đạt giá trị cực tiểu với giá trị -0.0767m/s tại thời điểm t = 0.45 giây Sau thời gian dao động khoảng 2.25 giây vận tốc dao động với các giá trị xấp xỉ 0

Hình 4.6: Đồ thị gia tốc dịch chuyển thân xe trong Matlab với kích động mặt đường dạng bán bình phương hàm sin

Nhận xét: Gia tốc dịch chuyển thân xe đạt giá trị cực đại với giá trị 5.814 m/s 2 tại thời điểm t =0.25 giây, và đạt giá trị cực tiểu với giá trị -4.129 m/s 2 tại thời điểm t = 0.075 giây Sau thời gian dao động khoảng 2.35 giây vận tốc dao động với các giá trị xấp xỉ 0

❖ Đối với hàm kích động mặt đường dạng hàm điều hoà hình sin

Hình 4.7: Sơ đồ thuật toán với KĐMĐ có dạng hàm điều hòa hình sin

Trong sơ đồ thuật toán hình 4.7

- Độ trễ pha mấp mô mặt đường tác dụng lên cầu trước và cầu sau: phi

- Kích động mặt đường tác dụng lên cầu trước, cầu sau: q1, q2

53 Hình 4.8: Đồ thị lực kích động mặt đường dạng hàm điều hòa hình sin

Nhận xét: Đồ thị trên biểu diễn lực kích động mặt đường tác dụng lên bánh xe Màu đỏ là đường biểu diễn lực kích động mặt được tác dụng lên cầu trước với giá trị cực đại là

3360 N và cực tiểu là -3360 N Màu xanh là đường biểu diễn lực kích động mặt đường tác dụng lên cầu sau với giá trị cực đại là 3360 N và cực tiểu là -3360 N Lực kích động tác dụng lên cầu sau sẽ trễ pha hơn lực kích động mặt đường tác dụng lên cầu trước

54 Hình 4.9: Đồ thị dịch chuyển thân xe trong Matlab với kích động mặt đường dạng hàm điều hoà hình sin

Nhận xét: Độ dịch chuyển thân xe đạt giá trị cực đại với giá trị 3.773 mm tại thời điểm t =0.375 giây, và đạt giá trị cực tiểu với giá trị -4.498 mm tại thời điểm t = 0.25 giây Giá trị độ dịch chuyển được duy trì trong khoảng -3.722 mm đến 3.722mm sau 1.5 giây chuyển động

55 Hình 4.10: Đồ thị vận tốc dịch chuyển thân xe trong Matlab với kích động mặt đường dạng hàm điều hoà hình sin

Nhận xét: Vận tốc dịch chuyển thân xe đạt giá trị cực đại với giá trị 0.0963 m/s tại thời điểm t =0.325 giây, và đạt giá trị cực tiểu với giá trị -0.0939 m/s tại thời điểm t 0.175 giây Giá trị độ dịch chuyển được duy trì trong khoảng -0.0898 m/s đến 0.0898 m/s sau 1.5 giây chuyển động

56 Hình 4.11: Đồ thị gia tốc dịch chuyển thân xe trong Matlab với kích động mặt đường dạng hàm điều hoà hình sin

Nhận xét: Gia tốc dịch chuyển thân xe đạt giá trị cực đại với giá trị 2.401 m/s 2 tại thời điểm t =0.25 giây, và đạt giá trị cực tiểu với giá trị -2.402 m/s 2 tại thời điểm t = 0.375 giây Giá trị độ dịch chuyển được duy trì trong khoảng -2.350 m/s 2 đến 2.349 m/s 2 sau 1.5 giây chuyển động

❖ Tính giá trị bình phương trung bình gia tốc (trọng số gia tốc)

Giá trị trọng số gia tốc RMS là một trong hai chỉ tiêu mà Đồ án hướng đến để khảo sát độ êm dịu của xe ô tô, theo tiêu chuẩn TCVN 6964-1:2001 thì trọng số gia tốc được tính bằng công thức:

57 Chương trình tính toán được xây dựng trong Matlab là tạo vòng lặp tính tổng khi biến i chạy từ 0 đến hết chiều dài thời gian khảo sát Đoạn chương trình được viết như sau:

% Tinh gia tri binh phuong trung binh gia toc RMS

RMS=0; length(time) for i=1:length(time)

RMS=RMS+ddq(3,i).^2*(1/length(time)); end

❖ Tính giá trị tần số dao động riêng của hệ có giảm chấn

Tần số riêng của hệ ở trạng thái không có kích động từ ngoài vào, lực cản giảm chấn bằng 0 Với 𝜔 0 là tần số dao động riêng của hệ không có giảm chấn

Khảo sát hệ dao động có giảm chấn, không chịu lực kích động từ bên ngoài, hệ dao động sẽ được mô tả bởi quy luật không tuần hoàn, nhưng tọa độ của vật thể vẫn thay đổi một cách tuần hoàn Đại lượng đặc trưng cho sự dập tắt dao động là tỷ số tắt dần: o ζ= K

C (4.5) Đối với một bậc tự do của hệ ta có một tỷ số tắt dần riêng:

Với: C =2 M C o i i (4.7) Với hệ phương trình vi phân (4.1) mô tả dao động của xe: M + K + Cx x x=f

Ma trận hệ số cản giảm chấn:

  Ở bậc tự do thứ 3 ta có:

Tần số riêng của hệ có giảm chấn được tính thông qua tần số riêng của hệ không có giảm chấn theo công thức:

Trong đó: 𝜔 𝑑1 là tần số dao động riêng của hệ có giảm chấn, 𝜔 0 là tần số riêng của hệ không có giảm chấn Đoạn chương trình trong Matlab tính 𝜔 𝑑1 :

% Tinh gia tri tan so rieng cua he w0=sqrt(C/M); % Tan so goc cua he khong co giam chan

TSR=w0/(2*pi); % Tan so cua he khong co giam chan (Hz) cr=2*sqrt(Ms*(C1+C2)); % Co33

59 zetal=(K1+K2)/cr; % Ty so tat dan w1=TSR*sqrt(1-(zetal*zetal)); % Tan so cua he co giam chan (Hz) w1=w1(3,3);

Kết quả tính toán từ Matlab

* Hàm kích động mặt đường dạng bán bình phương hàm sin

* Hàm kích động mặt đường dạng hàm điều hòa hình sin

Khảo sát dao động bằng Carsim

Carsim là một phần mềm mô phỏng động lực học của xe, là sản phẩm được sản xuất bởi Tập đoàn Mechanical Simulation (thành lập năm 1996) Carsim là một công cụ quan trọng hỗ trợ các kỹ sư và nhà khoa học trong nghiên cứu động lực học của ô tô trong các điều kiện vận hành khác nhau Carsim cung cấp các mô hình mô phỏng chi tiết của các hệ thống và tính toán chính xác về động lực học của xe, người dùng có thể phân tích và đánh

67 giá hệ thống qua các đồ hay bảng số liệu Carsim cung cấp một thư viện gồm nhiều mẫu ô tô từ nhiều phân khúc, các loại đường thử nghiệm, điều kiện thời tiết, … Qua đó người dùng có thể xây dựng mô hình của hệ thống chi tiết hơn khi có thể hiệu chỉnh các yếu tố bên ngoài lẫn bên trong qua đó có thể nhận được hệ thống chính xác hơn Điều này giúp người dùng có thể cải thiện được hiệu suất và tiết kiệm thời gian, chi phí so với thử nghiệm thực tế

Hình 4.19: Giao diện Carsim Carsim cung cấp giao diện dễ tương tác và các công cụ phân tích mạnh mẽ Phần mềm này cũng cung cấp các tính năng truy xuất dữ liệu giúp người dùng có thể phân tích đánh giá hiệu suất và phát hiện các vấn đề tiềm ẩn Ngoài ra, Carsim có khả năng tích hơn với các phần mềm khác như Matlab/Simulink, Adams, LabVIEW, tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng có thể thử nghiệm, thiết kế và kiểm tra các hệ thống phức tạp trước khi ứng dụng vào thực tế Nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi nên Carsim được sử dụng nhiều trong việc nghiên cứu và giảng dạy ở các trường đại học Carsim góp phần vào sự phát triển của các công nghệ ô tô tiên tiến hiện nay như xe tự hành và hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS)

4.3.2 Thiết lập mô hình trên Carsim Để có thể mô phỏng một hệ thống treo của ô tô trên Carsim trước hết cần thiết lập các thông số cần thiết cho xe, xây dựng mô hình mặt đường thử nghiệm, các yếu tố tác động đến hệ thống treo, … Từ đó chọn dữ liệu muốn xác định và chạy mô phỏng Giới hạn việc chỉ tương tác với các thông số của hệ thống treo đã biết như độ cứng, hệ số giảm chấn hay khối lượng

Trước hết cần thiết lập các thông số cơ bản về kích thước và khối lượng của xe thử nghiệm Thiết lập các kích thước cơ bản, vị trí trọng tâm xe, khoảng sáng gầm và khối lượng xe

Hình 4.20: Thiết lập mô phỏng trên Carsim

Các thông số về kích thước xe sẽ được cung cấp trong cái tài liệu của hãng xe Nhập các đúng các thông số về vị trí và khối lượng, đơn vị của các thông số để đảm bảo mô hình có sự chính xác Thông số về kích thước thường có đơn vị là mm và khối lượng có đơn vị là kg

69 Hình 4.21: Thiết lập kích thước của xe

Tiếp đến cần thiết lập các thông số của hệ thống treo như KLKĐT, độ cứng của lò xo, hệ số giảm chấn và loại lốp xe sử dụng

Hình 4.22: Thiết lập thông số hệ thống treo

70 Các thông số về độ cứng của lò xo có thể tính toán được Các thông số về giảm chấn và lốp xe được cung cấp bởi hãng xe hoặc nhà sản xuất hay có thể thông qua các loại thiết bị chuyên dụng để đo kiểm

Xây dựng mô hình thử nghiệm bằng việc thiết lập chế độ hoạt động cho xe như thiết lập tốc độ, chế độ chuyển số, vị trí bắt đầu, … Cần thiết lập loại đường phù hợp cho từng thử nghiệm và chọn loại đồ thị để có thể đánh giá được mô hình xây dựng có thực sự hiệu quả hay không

Hình 4.23: Thiết lập các điều kiện mô phỏng Để thiết lập được loại đường thử nghiệm cần sử dụng xử lí số liệu của hàm mặt đường theo thời gian từ mô hình Matlab và chuyển đổi hàm mặt đường theo quãng đường để có thể đưa vào Carsim

71 Hình 4.24 : Thiết lập các thông số về mặt đường Để xây dựng mặt đường thử nghiệm ta có thể thiết lập bằng cách nhập các thông số về biên độ theo quãng đường vào bảng bên phải hoặc có thể thiết lập thông qua Calculator được tích hợp sẳn trong giao diện của Carsim

72 Hình 4.25: Thiết lập mặt đường thử nghiệm

Sau khi thiết lập hoàn tất các thông số cho mô hình thử nghiệm Tiến hành chạy thử nghiệm (chọn Run Math Model) để Carsim tiến hành thử nghiệm Sau khi thử nghiệm hoàn tất chọn Video và Plot để có thể xem mô hình chuyển động của xe và các đồ thị được vẽ ra Từ đó có thể đánh giá mô hình từ Matlab Simulink với Carsim thông qua các biên dạng đồ thị

❖ Kết quả khảo sát trong Carsim

73 Hình 4.26: Đồ thị dịch chuyển thân xe trong Carsim với kích động mặt đường dạng bán bình phương hàm sin

Hình 4.27: Đồ thị vận tốc dịch chuyển thân xe trong Carsim với kích động mặt đường dạng bán bình phương hàm sin

74 Hình 4.28: Đồ thị gia tốc dịch chuyển thân xe trong Carsim với kích động mặt đường dạng bán bình phương hàm sin

❖ Đối với hàm kích động mặt đường dạng điều hoà hình sin

Hình 4.29: Đồ thị dịch chuyển thân xe trong Carsim với kích động mặt đường dạng hàm điều hoà hình sin

75 Hình 4.30: Đồ thị vận tốc dịch chuyển thân xe trong Carsim với kích động mặt đường dạng hàm điều hoà hình sin

Hình 4.31: Đồ thị gia tốc dịch chuyển thân xe trong Carsim với kích động mặt đường dạng hàm điều hoà hình sin

Đánh giá kết quả

Hình 4.32: Đồ thị độ dịch chuyển thân xe

Nhận xét: Chuyển vị của đồ thị Carsim cho giá trị lớn hơn so với Matlab và Simulink, sự chênh lệch giữa vị trí xe đạt giá trị chuyển vị cực đại và cực tiểu của Carsim là 14.094 mm, đối với Matlab là 12.419 mm và Simulink là 12.502 mm Thời gian cần để dập tắt dao động đối với Matlab và Simulink là gần 2.25 giây Đối với Carsim khó có thể đánh giá được thời gian dập tắt dao động do một số ảnh hưởng từ yếu tố làm cho đồ thị chuyển vị của Carsim luôn dao động với các giá trị lớn hơn so với sau thời gian tác động Nhưng vẫn có thể nhận thấy được sau khi dừng kích động có một khoảng thời gian nhỏ giá trị từ đồ thị Carsim thay đổi không đáng kể Ở thời điểm đó có thể xem là mốc thời gian dao động được dập tắt với t = 2.025 giây

77 Hình 4.33: Đồ thị vận tốc dịch chuyển thân xe

Nhận xét: Giá trị vận tốc dịch chuyển thân xe từ mô hình Matlab và Simulink dao động trong khoảng -0.076 đến 0.016 m/s, từ Carsim thu được giá trị từ -0.083 đến 0.153 m/s Sau thời gian 0.5 giây có thể nhận thấy các giá trị giữa các mô hình không có sự khác nhau quá lớn, sau 2.225 giây thì giá trị vận tốc đạt các giá trị rất nhỏ và sự thay đổi không đáng kể

Hình 4.34: Đồ thị gia tốc dịch chuyển thân xe

Nhận xét: Giá trị gia tốc dịch chuyển thân xe thu được từ Matlab, Simulink và Carsim lần lượt là -4.129 đến 5.814 m/s 2 , -4.086 đến 5.703 m/s 2 và -3.668 đến 4.895 m/s 2 Các giá trị gia tốc đạt cực đại tại t = 0.25 giây Các giá trị từ các mô hình không có sự khác nhau quá lớn sau khoảng thời gian đạt giá trị cực đại

Bảng 4.3: Giá trị tần số riêng và RMS đối với KĐMT dạng bán bình phương hàm sin

Tần số riêng (Hz) RMS (m/s 2 )

Nhận xét chung: Giá trị tần số riêng nằm trong khoảng từ 1 đến 1.5 Hz nên đạt yêu cầu theo chỉ tiêu về tần số dao động Giá trị RMS của Carsim và Matlab, Simulink đều nằm trong khoảng giá trị cho phép trong chỉ tiêu về bình phương trung bình của gia tốc Nhưng đối với giá trị RMS thu được từ Matlab và Simulink có thể gây ra cảm giác hơi khó chịu đối với người ngồi trên xe Khả năng đáp ứng với các thông số về RMS và tần số riêng với mấp mô đơn giản như các gờ giảm tốc hay các ổ gà không quá lớn thì xe có thể đáp ứng được về độ êm dịu cho xe

❖ Đối với hàm kích động mặt đường dạng điều hoà hình sin

Hình 4.35: Đồ thị độ dịch chuyển thân xe

Nhận xét: Các giá trị về chuyển vị của xe trong Matlab dao động trong khoảng giá trị từ

-4.498 đến 3.773 mm, trong Simulink là -4.531 đến 3.823mm Đối với Carsim giá trị chuyển vị lớn nhất khoảng 3.508 mm và nhỏ nhất khoảng -4.363 mm Sau 0.4 giây các giá trị của Carsim nhỏ lại và dao động với độ chênh lệch giữa 2 giá trị cực đại và cực tiểu được duy trì

80 Hình 4.36: Đồ thị vận tốc dịch chuyển thân xe

Nhận xét: Vận tốc dịch chuyển thân xe thu được từ Matlab là -0.094 đến 0.096 m/s,

Simulink là -0.095 đến 0.097 m/s và Carsim là -0.088 đến 0.074 m/s Các giá trị vận tốc thu được từ Matlab và Simulink có giá trị nhỏ hơn từ Carism Các giá trị sẽ giữ nguyên biên độ dao động của vận tốc sau khi xe di chuyển qua khỏi mấp mô đầu tiên

81 Hình 4.37: Đồ thị gia tốc dịch chuyển thân xe

Nhận xét: Giá trị gia tốc dịch chuyển thân xe thu được từ Matlab, Simulink và Carsim lần lượt là -2.402 đến 2.401 m/s 2 , -2.430 đến 2.423 m/s 2 và -1.891 đến 1.973 m/s 2 Các giá trị gia tốc đạt cực đại tại t = 0.25 giây Các giá trị gia tốc không có sự thay đổi quá lớn trong cả quá trình chuyển động của xe

Bảng 4.4: Giá trị tần số riêng và RMS đối với KĐMT có dạng hàm điều hoà hình sin

Tần số riêng (Hz) RMS (m/s 2 )

Nhận xét chung: Giá trị về RMS từ các mô hình cho thấy xe vẫn có khả năng đáp ứng khi di chuyển trên đường có nhiều mấp mô liên tục Các giá trị nằm trong khoảng cho phép nhưng vẫn sẽ gây cảm giác hơi không thoải mái cho người ngồi trên xe Nhưng khi di chuyển trên đường với các mấp mô trong một thời gian dài thì luôn gây cảm giác khó chịu

82 cho người ngồi trên xe nên với chỉ số RMS có thể nhận thấy rằng khả năng đáp ứng độ êm dịu của xe vẫn đủ tốt đối với loại đường có mấp mô liên tục.

Kết luận

Kết quả khảo sát với kích động mặt đường dạng bán bình phương hàm sin, xe đã đạt yêu cầu về độ êm dịu với tần số riêng 1.323 Hz và trọng số gia tốc RMS là 0.329 m/s 2 trong MatLab, 0.332 m/s 2 trong Simulink và 0.279 m/s 2 trong Carsim Với kích động mặt đường dạng điều hòa hình sin, xe đạt yêu cầu chỉ tiêu tần số dao động riêng 1.323 Hz, nhưng chỉ tiêu về trọng số gia tốc RMS xe vẫn chưa đạt yêu cầu về độ êm dịu giá trị trọng số gia tốc là 0.738 m/s 2 trong Matlab, 0.747 m/s 2 trong Simulink và 0.578 m/s 2 trong Carsim

Thông qua kết quả thu được từ việc khảo sát dao động trong Matlab- Simulink và so sánh kết quả từ việc khảo sát trong phần mềm thương mại Carsim có thể thấy được phương pháp thực hiện khảo sát là tương đối chính xác thông qua chỉ tiêu về độ êm dịu trọng số gia tốc RMS và tần số dao động riêng Tuy nhiên, kết quả thu được từ Matlab- Simulink có sự sai lệch so với phần mềm Carsim nguyên nhân có thể xuất phát từ ảnh hưởng về lực động của lốp xe từ đó ảnh hưởng đến sự sai lệch về gia tốc dịch chuyển của thân xe Bên cạnh đó, còn có nguyên nhân nữa trong phần mền Carsim mặt đường không phải là nguồn kích thích dao động duy nhất mà xe còn ảnh hưởng vởi động cơ, hệ thống truyền lực dẫn đến sự sai lệch về bên độ dịch chuyển thân xe Để có thể cải thiện độ chính xác, ta có thể xét đến ảnh hưởng từ lực động của lốp, và ảnh hưởng của động cơ và hệ thống truyền lực với mô hình trong Matlab- Simulink Giá trị trọng số gia tốc RMS và tần số dao động thu được từ việc khảo sát dao động bằng hai phần mềm nêu trên thấy sự ảnh hưởng rất lớn từ kích động mặt đường đến độ êm dịu của xe, đồng thời khi xe di chuyển trên mặt đường mấp mô liên tục sẽ gây ra cảm giác khó chịu cho hành khách và ảnh hưởng đến chất lượng hàng hóa

Vì đổi tượng mà Đồ án nghiên cứu một dòng xe bán tải, nhu cầu về chở hàng hoá và cả chở người đều là tiêu chuẩn để lựa chọn của người mua Vừa phải đáp ứng về khả năng chịu tải vừa phải đáp ứng về khả năng êm dịu là một vấn đề lớn đối với dòng xe này Như vậy, khảo sát trên hai trường hợp kích động mặt đường trên có thể nói rằng xe Mitsubishi Triton mà Đồ án khảo sát đáp ứng được độ êm dịu với mục đích sử dụng của xe