Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống treo xe Formula Student

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ………………………………. NGUYỄN THÀNH CÔNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TREO XE FORMULA STUDENT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Thái Nguyên - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ……………………………. NGUYỄN THÀNH CÔNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TREO XE FORMULA STUDENT Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 62520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN KHẮC TUÂN P. QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC Thái Nguyên - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 LỜI CAM ĐOAN Đây là công trình nghiên cứu của tôi với sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Khắc Tuân. Trong quá trình làm luận văn tôi có sử dụng tài liệu tham khảo là một số đề tài nghiên cứu về ôtô và thừa kế một số kết quả nghiên cứu của các đề tài đã được ứng dụng để làm cơ sở cho luận văn. Tôi cam đoan các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 28 tháng 3 năm 2014 Học viên Nguyễn Thành Công Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 MỤC LỤC Trang I Lời cam đoan 1 II Mục lục 2 III Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 3 IV Danh mục các hình vẽ và bảng biểu 6 Chƣơng 1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu 11 1.1 Giới thiệu về xe Formula Student 11 1.2 Tổng quan về hệ thống treo và các chỉ tiêu đánh giá 13 1.2.1 Vai trò của hệ thống treo 13 1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống treo 13 1.2.3 Giới thiệu một số loại hệ thống treo 14 1.3 Các chỉ tiêu, phương pháp đánh giá độ êm dịu chuyển động 21 1.3.1 Cường độ dao động 21 1.3.2 Gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động 22 1.3.3 Chỉ tiêu về tải trọng động 23 1.4 Tổng quan các nghiên cứu về lĩnh vực dao động của ô tô và hệ thống treo 24 1.4.1 Ở trong nước 24 1.4.2 Trên thế giới 26 1.5 Mục tiêu, phạm vi và nội dung nghiên cứu của luận văn 29 1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu 29 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu 30 1.5.3 Phương pháp nghiên cứu 30 1.5.4 Nội dung nghiên cứu 31 Chƣơng 2 Thiết kế hệ thống treo xe Formula Student 32 2.1 Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo 32 2.2 Xác định các thông số cơ bản của hệ thống treo 33 2.2.1 Các thông số kỹ thuật của xe F-SAE 33 2.2.2 Xác định hệ số độ cứng và hệ số giảm chấn của hệ thống treo 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 2.3 Tính toán,thiết kế hệ thống treo 37 2.3.1 Cấu tạo hệ thống treo xe F-SAE 37 2.3.2 Động học hệ thống treo Mc.Pheson 38 Chƣơng 3 Xây dựng mô hình dao động xe Formula Student 41 3.1 Mô hình dao động của xe F-SAE 41 3.1.1 Các phương pháp xây dựng mô hình dao động 41 3.1.2 Xây dựng mô hình vật lý 43 3.2 Thiết lập phương trình vi phân mô tả dao động 46 3.3 Phân tích nguồn kích thích dao động 51 3.3.1 Kích thích hàm toán học đơn giản 51 3.3.2 Kích thích mặt đường ngẫu nhiên 53 Chƣơng 4 Mô phỏng dao động và lựa chon thông số hệ thống treo xe Formula Student 55 4.1. Phương pháp mô phỏng 56 4.2. Mô phỏng dao động 57 4.2.1 Các thông số mô phỏng 57 4.2.2 Mô phỏng dao động của xe F-SAE 58 4.2.3 Kết quả mô phỏng dao động xe F-SAE 59 4.2.4 Phân tích, đánh giá ảnh hưởng thông số thiết kế HTT đến độ êm dịu chuyển động 60 4.2.5 Lựa chọn tối ưu một số thông số chính cho HTT 65 Chƣơng 5 Chế tạo hệ thống treo xe Formual Student 69 5.1 Chế tạo hệ thống treo 69 Tài liệu tham khảo…………………………………………………… 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa M kg Khối lượng được treo m 1t kg Khối lượng treo trước trái m 1p kg Khối lượng treo trước phải m 2t kg Khối lượng treo sau trái m 2p kg Khối lượng treo sau phải a m Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước b m Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau B t m Vết bánh xe trước B s m Vết bánh xe sau K 1t N/m Độ cứng của HTT trước trái K 1p N/m Độ cứng của HTT trước phải K 2t N/m Độ cứng của HTT sau trái K 2p N/m Độ cứng của HTT sau phải K l1t N/m Độ cứng của lốp xe trước trái K l1p N/m Độ cứng của lốp xe trước phải K l2t N/m Độ cứng của lốp xe trước trái K l2p N/m Độ cứng của lốp xe trước sau C 1t N.s/m Hệ số cản giảm chấn trước trái C 1p N.s/m Hệ số cản giảm chấn trước phải C 2t N.s/m Hệ số cản giảm chấn sau trái C 2p N.s/m Hệ số cản giảm chấn sau phải C l1t N.s/m Hệ số cản của lốp xe trước trái C l1p N.s/m Hệ số cản của lốp xe trước phải C l2t N.s/m Hệ số cản của lốp xe sau trái C l2p N.s/m Hệ số cản của lốp xe sau phải J x Nm.s 2 Mô men quán tính khối lượng treo với trục X Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 J y Nm.s 2 Mô men quán tính khối lượng treo với trục Y v km/h Vận tốc xe khi khảo sát F  N Tổng các ngoại lực tác dụng lên vật qt F  N Tổng các lực quán tính tác dụng lên vật  Rad Chuyển động quanh trục X  Rad Chuyển động quanh trục Y 1T q m Toạ độ suy rộng khối lượng không được treo phía trước bên trái 1P q m Toạ độ suy rộng khối lượng không được treo phía trước bên phải 2T q m Toạ độ suy rộng khối lượng không được treo phía sau bên trái 2P q m Toạ độ suy rộng khối lượng không được treo phía sau bên phải 1T F N Lực tác dụng lên thân xe của HTT phía trước bên trái 1P F N Lực tác dụng lên thân xe của HTT phía trước bên phải 2T F N Lực tác dụng lên thân xe của HTT phía sau bên trái 2P F N Lực tác dụng lên thân xe của HTT phía trước bên phải KB - Cường độ dao động a wz m/s 2 Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng T s Thời gian khảo sát K dyn,max - Hệ số tải trong động cực đại K z,dyn N Tải trọng động bánh xe K z,st N Tải trọng tĩnh bánh xe L mm Chiều dài cơ sỏ xe F-SAE r bx mm Bán kính bánh xe F Hz Tần số dao động riêng của HHT Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8  - Hệ số dập tắt dao động của đệm đàn hồi A - Hệ số kinh nghiệm đối với hầu hết các ôtô 0  Độ Góc nghiêng ngang trụ đứng 0  Độ Góc nghiêng ngang bánh trước 0 r mm Bán kính bánh xe quay quanh trụ đứng t f mm Độ võng tĩnh f đ mm Độ võng động c k mm Khoảng cách từ tâm quay bánh xe tới đòn dưới 02 h mm Khoảng cách từ mặt đường tới tâm quay trụ đứng K  N/m Hệ số độ cứng tương đương L K N/m Hệ số độ cứng lốp C  N.s/m Hệ số giảm chấn tương đương L C N.s/m Hệ số giảm chấn lốp xe  Hz Tần số sóng mặt đường S m Chiều dài sóng mặt đường V m/s Vận tốc xe n Chu kỳ/m Tấn số sóng mặt đường 0 n Chu kỳ/m Tần số mẫu () q Sn 3 m /chu kỳ Mật độ phổ chiều cao mấp mô mặt đường  Rad Hệ số tần số được miêu tả tần số mật độ phổ của mặt đường DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1: Xe Formula Student 11 Hình 1.2: Hệ treo phụ thuộc loại lò xo trụ 15 Hình 1.3: Hệ thống treo hai đòn ngang 17 Hình 1.4: Hệ thống treo Mc.Pherson 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 Hình 1.5: Hệ thống treo khí điều khiển bằng điện tử 18 Hình 1.6: Hệ thống treo đa liên kết 19 Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo hệ Mc.Pherson 22 Hình 2.2: Mối quan hệ động học của hệ treo Mc.Pherson 23 Hình 2.3: Hoạ đồ động học hệ thống treo Mc.Pherson 40 Hình 3.1: Phương pháp xây dựng mô hình dao động 1 42 Hình 3.2: Phương pháp xây dựng mô hình dao động 2 43 Hình 3.3: Mô hình hệ thống treo tương đương 44 Hình 3.4: Mô hình xe F-SAE thực tế 45 Hình 3.5: Mô hình xe F-SAE kể đến khối lượng M 45 Hình 3.6: Mô hình xe F-SAE kể đến khối lượng M , Jx, Jy 45 Hình 3.7: Sơ đồ các lực và mô men tác dụng lên thân xe 47 Hình 3.8: Hàm điều hoà của mấp mô mặt đường 52 Hình 3.9: Mặt đường đua xe F-SAE 53 Hình 3.10: Mấp mô mặt đường theo ISO câp độ B 54 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng tổng thể dao động bằng Matlab-Simulink7.04 58 Hình 4.2: Gia tốc tại vị trí trọng tâm thân xe khi xe chạy trên mặt đường ISOB 59 Hình 4.3: Các gia tốc bình phương trung bình khi K thay đổi 62 Hình 4.4: Các gia tốc bình phương trung bình khi C thay đổi 65 Hình 4.5: Khảo sát ảnh hưởng C và K đến độ êm dịu chuyển động ô tô sau khi tối ưu 67 Hình 4.6: Kết quả so sánh a wz của Bộ số liệu mới với Bộ số liệu cũ 69 Hình 4.7: Kết quả so sánh a w  của Bộ số liệu mới với Bộ số liệu cũ 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Hình 4.8: Kết quả so sánh a w  của Bộ số liệu mới với Bộ số liệu cũ 69 Hình 5.1 Hệ thống treo cầu sau xe F-SAE 70 Hình 5.2 Lắp ráp các bộ phận trên xe F-SAE 70 Hình 5.3 Xe F-SAE sau khi được chế tạo 71 Bảng 1.1: Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 22 Bảng 2.1: Tần số dao động riêng của một số loại xe 34 Bảng 3.1: Các loại mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068 54 Bảng 4.1: Các thông số kỹ thuật của xe F-SAE 57 Bảng 4.2: Gia tốc bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm thân xe 59 Bảng 4.3: Các gia tốc bình phương trung bình khi K thay đổi 60 Bảng 4.4: Các gia tốc bình phương trung bình khi C thay đổi 63 Bảng 4.5: Khảo sát sự thay đổi a wz khi tối ưu C và K 66 Bảng 4.6: Bộ số liệu mới được tối ưu 68 [...]... cho hệ thống treo 1.5 Mục tiêu, phạm vi và nội dung nghiên cứu của luận văn 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống treo cho xe Formula Student nhằm khảo sát mô hình mô phỏng dao động của xe để lựa chon các thông số tối ưu qua đó tiến hành chế tạo một hệ thống treo hoàn chỉnh cho xe Formula Kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp vào quá trình giải mã công nghệ và chế tạo. .. 2 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO F-SAE Mục đích của chương này là từ những phân tích ưu nhược điểm của từng loại hệ thống treo tiến hành lựa chọn loại hệ thống treo cho xe F-SAE, tính toán xác định các thông số kỹ thuật và các thông số hình học cho hệ thống treo 2.1 Phân tích, lựa chọn hệ thống treo cho xe F-SAE Từ các đặc điểm phân tích ở mục 1.2.3 ta lựa chọn kết cấu hệ thống treo cho xe F-SAE là hệ thống. .. 1.5.3 Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với chế tạo thực nghiệm 1.5.4 Nội dung nghiên cứu Nội dung chính của luận văn như sau: Chƣơng 1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu Chƣơng 2 Thiết kế hệ thống treo xe F-SAE Chƣơng 3 Xây dựng mô hình dao động xe F-SAE Chƣơng 4 Mô phỏng dao động và lựa chọn các thông số cho hệ thống treo xe F-SAE Chƣơng 5 Chế tạo hệ thống treo xe F-SAE Kết luận và những... số hình học hệ thống treo xe đua F-SAE để nâng cao ổn định hướng của xe, tập trung nghiên cứu ảnh hưởng thông số thiết kế thống treo đến độ êm dịu của xe đua F-SAE Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ dừng lại khảo sát mô hình dao động 1/2 của xe và kích thích dao động là các hàm toán học đơn giản Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống treo cho xe Formula Student ’ làm... phân tích một số kết cấu hệ thống treo tác giả chọn hệ thống treo Mac Pherson làm đối tượng nghiên cứu, lựa chọn các thông số của hệ thống treo nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của hệ thống treo trên ôtô Để nghiên cứu được ảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ hưởng của các thông số hệ thống treo tác giả thiết lập mô hình dao động được của xe để phân tích... tâm, lực gió bên, đường nghiêng) 2 bánh xe liên kết cứng bởi vậy hạn chế hiện tượng trượt bên bánh xe - Công nghệ chế tạo đơn giản, dễ tháo lắp và sửa chữa - Giá thành thấp b) Hệ thống treo độc lập:  Hệ treo hai đòn ngang: Kết cấu hệ thống treo hai đòn ngang bao gồm một đòn ngang trên và một đòn ngang dưới, các đầu trong liên kết bằng khớp trụ với khung vỏ xe, các đầu ngoài liên kết bằng khớp cầu với... những ưu điểm, nhược điểm của hệ thống treo đa liên kết là giá thành cao, quá trình thiết kế và sản xuất phức tạp Trên thực tế, hình dáng của hệ thống treo cần được kiểm tra bằng phần mềm phân tích thiết kế Tuy nhiên nhờ những thành tựu về công nghệ giá thành của hệ thống treo đa liên kết đã được giảm đi đáng kể Một trong những công ty chuyên sản xuất hệ thống treo đa liên kết giá thành thấp là Magneti... dựng mô hình dao động xe F-SAE - Tính toán thiết kế hệ thống treo cho xe F-SAE - Giải hệ phương trình vi phân dao động bằng Matlab-Simulink7.04 và tính toán các thông số ảnh hưởng đến dao động của xe - Nghiên cứu ảnh hưởng và đề xuất bộ thông số kết cấu tối ưu cho hệ thống treo theo chỉ tiêu êm dịu (gia tốc bình phương trung bình) - Chế tạo hệ thống treo cầu trước và cầu sau xe F-SAE Số hóa bởi Trung... tối ưu cho hệ thống treo xe F-SAE Chế tạo hệ thống treo cầu trước và cầu sau xe F-SAE 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu và đối đƣợng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Xác định các thông số dao động như chuyển dịch, vận tốc, gia tốc của thân xe và cầu xe, các chỉ tiêu về độ êm dịu chuyển động của ô tô dưới tác động kích thích từ mặt đường Đối tượng: Xe đua sinh viên Formula Student sản xuất bởi nhóm nghiên cứu... của xe tới cầu sau b: b = 1000 (mm) 2.2.2 Xác định hệ số độ cứng và hệ số cản của hệ thống treo: Xác định các thông số cơ bản của hệ thống treo chủ yếu ta đi xác định độ cứng và hệ số cản của hê thống treo Duới đây ta tiến hành xác định các thông số này: a) Xác định độ cứng hệ thống treo: Để xác định độ cứng hệ thống treo ta dựa vào tần số dao động riêng, khối lượng phân bố trọng lượng ra các bánh xe . 5 2.3 Tính toán ,thiết kế hệ thống treo 37 2.3.1 Cấu tạo hệ thống treo xe F-SAE 37 2.3.2 Động học hệ thống treo Mc.Pheson 38 Chƣơng 3 Xây dựng mô hình dao động xe Formula Student 41 3.1 Mô. ISO2631-1 để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số thiết kế hệ thống treo đến độ êm dịu chuyển động của xe. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra được bộ thông số thiết kế tối ưu cho hệ thống treo xe F-SAE. án thiết kế hệ thống treo 32 2.2 Xác định các thông số cơ bản của hệ thống treo 33 2.2.1 Các thông số kỹ thuật của xe F-SAE 33 2.2.2 Xác định hệ số độ cứng và hệ số giảm chấn của hệ thống treo