Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống treo cho xe formula student

Trong số các công trình đãcông bố, nhiều tài liệu đã tính toán, thiết kế các thông số hình học hệthống treo xe đua F-SAE để nâng cao ổn định hướng của xe, tập trungnghiên cứu ảnh hưởng t

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài.

Ở Việt Nam, thiết kế xe đua sinh viên vẫn còn là vấn đề mới mẻđối với sinh viên các trường đại học, năm 2013 nhóm nghiên cứu củatrường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp-Đại học Thái Nguyên đã thiết

kế và chế tạo thành công xe đua sinh viên thế hệ thứ nhất Hiện naysản phẩm này đang được kế hoàn thiện, tối ưu thiết kế các cụm, hệthống nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của xe đáp ứng các tiêuchuẩn của SAE nhằm đưa xe tham dự các cuộc thi quốc tế Các thông

số thiết kế hệ thống treo có ảnh hưởng trực tiếp đến độ êm dịu và ổnđịnh hướng của xe Do vậy, nó đã và đang được nhiều nhà thiết kế xeđua F-SAE thế giới đặc biệt quan tâm Trong số các công trình đãcông bố, nhiều tài liệu đã tính toán, thiết kế các thông số hình học hệthống treo xe đua F-SAE để nâng cao ổn định hướng của xe, tập trungnghiên 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 môhình dao động 1/2 của xe và kích thích dao động là các hàm toán họcđơn giản

Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo

hệ thống treo cho xe Formula Student’’ làm luận văn thạc sỹ dưới

sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Khắc Tuân Trong luận văn

này, tác giả sử dụng mô hình dao động không gian và tiêu chuẩn về độ

êm dịu 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-SAEnhằm nâng cao độ êm dịu cho người lái

2 Mục đích, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1 Mục đích của đề tài

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 thốngtreo hoàn chỉnh cho xe Formula Kết quả nghiên cứu này sẽ đóng gópvào quá trình giải mã công nghệ và chế tạo thử xe Formula SAE củatrường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Xe đua sinh viên Formula Student sản xuất bởi nhóm nghiên cứuTrường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với chế tạo thực nghiệm

3 Ý nghĩa của đề tài

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu xe Formula Student (F-SAE):

Formula Student là cuộc thi thiết kế xe đua của sinh viên được tổchức bởi SAE International, SAE được gọi là Hiệp hội kĩ sư ô tô(Society of Automotive Engineers) Cuộc thi này lần đầu tiên tổ chứcvào năm 1978 tại trường đại học University of Houston ở Mỹ

1.2 Tổng quan về hệ thống treo và các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu trong chuyển động của ô tô

1.2.1 Vai trò của hệ thống treo.

1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống treo

1.2.3 Giới thiệu một số loại hệ thống treo

1.3 Các chỉ tiêu, phương pháp đánh giá độ êm dịu chuyển động 1.3.1 Cường độ dao động.

1.3.2 Gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động.

Theo tiêu chuẩn ISO 2631-1[12]: đưa ra chỉ tiêu đánh giá độ êmdịu chuyển động ô tô thông qua gia tốc bình phương trung bình theophương thẳng đứng dựa theo vào các công trình nghiên cứu của thếgiới Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng đượcxác định theo công thức dưới đây:

2 / 1 0

T

Trong đó:

- awz : Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng

- az : Gia tốc theo phương thẳng đứng theo thời gian

- T : Thời gian khảo sát

Điều kiện chủ quan đánh giá độ êm dịu ô tô theo độ lệch gia tốcquân phương thẳng đứng ISO 2631-1[12] dựa vào Bảng 1.1 dưới đây:Bảng 1.1 Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1.

a WZ giá trị (m 2 /s) Cấp êm dịu

1.3.3 Chỉ tiêu về tải trọng động.

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về lĩnh vực dao động của ô tô

1.4.1 Ở trong nước.

1.4.2 Trên thế giới.

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 thốngtreo hoàn chỉnh cho xe Formula Kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp

4

vào quá trình giải mã công nghệ và chế tạo thử xe Formula SAE củatrường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp.

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu và đối đượng nghiên cứu.

Phạm vi nghiên cứu: Xác định các thông số dao động nhưchuyển 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 nhómnghiên cứu Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp

1.5.3 Phương 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:

Chương 1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Chương 2 Thiết kế hệ thống treo xe F-SAE

Chương 3 Xây dựng mô hình dao động xe F-SAE

Chương 4 Mô phỏng dao động và lựa chọn các thông số cho

hệ thống treo xe F-SAE

Chương 5 Chế tạo hệ thống treo xe F-SAE

Kết luận và những kiến nghị

CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO F-SAE.

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 treo Mac Pherson Hệ treonày chính là biến dạng của hệ treo 2 đòn ngang nếu coi đòn ngang trên

có chiều dài bằng 0 và đòn ngang dưới có chiều dài khác 0 Chính nhờcấu trúc này mà ta có thể có được khoảng không gian phía trong xe để

bố trí hệ thống truyền lực Sơ đồ cấu tạo của hệ treo trên Hình 2.1 baogồm: đòn ngang dưới, giảm chấn đặt theo phương thẳng đứng làmnhiệm vụ của trụ xoay đứng có một đầu được bắt khớp cầu với đầungoài của đòn ngang tại B, đầu còn lại được bắt vào khung xe Bánh

xe được nối cứng với vỏ giảm chấn Lò xo được đặt lồng vào giữa vỏgiảm chấn và trục giảm trấn

Sơ đồ cấu tạo hệ Mc.Pherson

Nếu ta so sánh với hệ treo 2 đòn ngang thì hệ treo Mc.Pherson kếtcấu ít chi tiết hơn, không chiếm nhiều khoảng không và có thể giảmnhẹ được trọng lượng kết cấu Nhưng nhược điểm chủ yếu của hệ treoMc.Pherson là do giảm chấn vừa phải làm chức năng của giảm chấnlại vừa làm nhiệm vụ của trụ đứng nên trục giảm chấn chịu tải lớn nên

6

A

giảm chấn cần phải có độ cứng vững và độ bền cao hơn do đó kết cấucủa giảm chấn phải có những thay đổi cần thiết.

2.2 Xác định các thông số cơ bản của hệ thống treo.

Các thông số kĩ thuật của hệ thống treo :

- Tải trọng toàn xe G: G= 350 (kg)

- Tải trọng đặt lên HTT trước trái, phải G1T=G1P =75 (kg)

- Tải trọng đặt lên HTT sau trái phải G2T=G2P = 100 (kg)

- Chiều dài cơ sở của xe L: L = 2500 (mm)

- Khoảng sáng gầm xe : Hmin: Hmin = 80 (mm)

- Bán kính bánh xe rbx: rbx = 250 (mm)

- Chiều rộng cơ sở của cầu trước B01: B01 = 2000 (mm)

- Chiều rộng cơ sở của cầu sau B02: B02 = 1950 (mm)

- Chiều cao trọng tâm xe Hg: Hg = 370 (mm)

- Khoảng cách từ trọng tâm của xe tới cầu trước a: a = 1500 (mm)

- Khoảng cách từ trọng tâm của xe tới cầu sau b: b = 1000 (mm)

2.2.1 Các thông số kĩ thuật của xe Formual SAE.

2.2.2 Xác định hệ số độ cứng và hệ số cản của hệ thống treo.

2.3 Tính toán thiết kế hệ thống treo Mac Pherson.

2.3.1 Các thông số hình học của hệ thống treo.

+ Khoảng cách từ tâm quay bánh xe tới đòn dưới kc: kc = 85(mm).

+ Khoảng cách từ mặt đường tới tâm quay trụ đứng hO2: hO2 =880(mm)

2.3.2 Động học hệ thống treo Mc.Pherson.

8

CHƯƠNG 3 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XE

FOMULAR STUDENT

3.1 Mô hình dao động của xe F-SAE.

3.1.1 Các phương pháp xây dựng mô hình dao động

3.1.2 Xây dựng mô hình vật lý.

Các giả thiết :

- Coi thân xe đối xứng qua trục dọc của xe

- Coi toàn bộ thân xe, động cơ, ghế nghồi và người lái là một tấm phẳng đồng nhất và tuyệt đối cứng đặt tại trọng tâm xe

- Coi bánh xe lăn không trượt và luôn tiếp xúc với đường

- Do khối lượng không được treo là nhỏ nên ta bỏ qua

- Bốn lốp xe ta coi như là bốn hệ thống lò xo và giảm chấn, tương

tự 4 hệ thống treo coi như 4 hệ thống lò xo giảm chấn

- Mấp mô mặt đường coi mấp mô mặt đường ngẫu nhiên

3.2 Thiết lập phương trình vi phân mô tả dao động.

Theo nguyên lý D’alambe ta có :

BT BS

L

Jy

F : là vectơ lực quán tính tác dụng lên vật

Thiết lập các phương trình dao động thân xe:

Mô hình khối lượng được treo ba bậc tự do gồm: dịch chuyểnthẳng đứng, góc lắc dọc và góc lắc ngang trong mô hình dao độngkhông gian của xe F-SAE Với quy ước gốc toạ độ của các bậc tự dotại vị trí cân bằng tĩnh, phương trình động học của thân xe như sau:

3.3 Phân tích nguồn kích thích dao động.

3.3.1 Kích thích mặt đường là hàm toán học đơn giản.

3.3.2 Kích thích mặt đường ngẫu nhiên

Đối với xe đua, hầu hết được chuyển động trên mặt đường bằngphẳng và nó đuợc thiết kế sát với mấp mô mặt đường của các tuyếnquốc lộ Trong luận văn này, tác giả sử dụng mấp mô mặt đường dựavào tiêu chuẩn ISO/TC108/SC2N67

Theo tiêu chuẩn ISO mấp mô của mặt đường có mật độ phổ

Sq(n0) và được định nghĩa bằng công thức thực nghiệm:

n

n n S n

Trong đó n là tần số sóng của mặt đường (chu kỳ/m), n0 là tấn sốmẫu (chu kỳ/m), Sq(n) là mật độ phổ chiều cao của mấp mô mặt

đường (m3/chu kỳ), Sq(n0) là mật độ phổ tại n0 (m3/chu kỳ),  là hệ số tần số được miêu tả tần số mật độ phổ của mặt đường (thường =2) Hàm mấp mô mặt đường ngẫu nhiên được giả định là quá trình ngẫu nhiên Gauss và nó được tạo ra thông qua biến ngẫu nhiên Fourier ngược:

 mid i, i

N

i mid i,

q f cos f t f

) n ( S vn )

t (



2 2

Bảng 3.1. Các lo i m t ại mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068[11] ặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068[11] đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068[11] ng phân lo i theo tiêu chu n ISO 8068[11] ại mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068[11] ẩn ISO 8068[11].

mặt đường thường xấu tồi

102

4 4096

16384

65535

Ưu điểm: Phản ánh sát mấp mô mặt đường thực tế, chính vì vây trong

luận văn này sử dụng mấp mô mặt đuờng ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO để mô phỏng tối ưu các thông số cho xe F-SAE

Nhược điểm: Miêu tả hàm mấp mô mặt đường phức tạp.

CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG VÀ LỰA CHỌN

THÔNG SỐ HỆ THỐNG TREO XE F-SAE 4.2 Mô phỏng dao động.

4.2.1 Các thông số mô phỏng.

12

Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật của xe F-SAE.

2 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước a 1 m

3 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau b 1,5 m

6 Độ cứng của HTT trước trái K1t 19911 N/m

7 Độ cứng của HTT trước phải K1p 19911 N/m

8 Độ cứng của HTT sau trái K2t 22414 N/m

9 Độ cứng của HTT sau phải K2p 22414 N/m

10 Độ cứng của lốp xe trước trái Kl1t 140000 N/m

11 Độ cứng của lốp xe trước phải Kl1p 140000 N/m

12 Độ cứng của lốp xe trước trái Kl2t 140000 N/m

13 Độ cứng của lốp xe trước sau Kl2p 140000 N/m

14 Hệ số cản giảm chấn trước trái C1t 417 N.s/m

15 Hệ số cản giảm chấn trước phải C1p 417 N.s/m

16 Hệ số cản giảm chấn sau trái C2t 464 N.s/m

17 Hệ số cản giảm chấn sau phải C2p 464 N.s/m

18 Hệ số cản của lốp xe trước trái Cl1t 880 N.s/m

19 Hệ số cản của lốp xe trước phải Cl1p 880 N.s/m

20 Hệ số cản của lốp xe sau trái Cl2t 880 N.s/m

21 Hệ số cản của lốp xe sau phải Cl2p 880 N.s/m

22 Mô men quán tính với trục X Jx 91 Nm.s2

23 Mô men quán tính với trục Y Jy 569 Nm.s2

4.2.2 Mô phỏng dao động của xe F-SAE.

4.2.3 Kết quả mô phỏng dao động của xe F-SAE.

Chạy sơ đồ mô phỏng tổng thể ở phần 4.2.2 với thông số môphỏng Bảng 4.1 khi xe chuyển động trên mặt đường ISO B với vận tốcv=80km/h Dưới đây là kết quả dạng đồ thị gia tốc tại vị trí trọng tâmthân xe :

Bảng 4.2 Gia t c bình ph ốc bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm thân xe ương trung bình tại vị trí trọng tâm thân xe ng trung bình t i v trí tr ng tâm thân xe ại mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068[11] ị trí trọng tâm thân xe ọng tâm thân xe.

xK0 00.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Thay doi do cung K(N/m)

xK0

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6

Thay doi do cung K (N/m)

xK0

Từ kết quả Bảng 4.2 chúng ta thấy rằng khi ô tô chuyển độngtrên đường ISO B, gia tốc bình phương trung bình là awz=0.4202 m/s2

theo Bảng1.1 của tiêu chuẩn ISO 2631-1 đánh giá chủ quan độ êm dịu

ô tô, thì người lái cảm giác một chút khó chịu

4.2.4 Phân tích đánh giá ảnh hưởng thông số thiết kế hệ thống treo đến độ êm dịu chuyển động của ô tô.

4.2.4.1 Ảnh hưởng của độ cứng K

Để đánh giá ảnh hưởng của độ cứng đến độ êm dịu, thì các thông số

độ cứng tương đương K=[0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2]xK0 trong

đó K0=[K1T, K1P, K2T, K2P] là các giá trị độ cứng của xe thiết kế với 3giá trị hệ số giảm chấn tương đương C=[0.5 1.0 1.5]xC0 trong đó

C0=[C1T, C1P, C2T, C2P]là giá trị hệ số giảm chấn của xe thiết kế trongtài liệu[1] được chọn để khảo sát ảnh hưởng của chúng đến gia tốc daođộng bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm thân xe

Gia tốc theo phương đứng Gia tốc góc theo phương dọc

xC0 0.10.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Thay doi he so can C (N.s/m)

xC0

Gia tốc góc theo phương ngang

Nhận xét:

Nhìn Bảng 4.3 và Hình 4.3 a,b,c chúng ta có thể đưa ra một sốnhận xét dưới đây:

- Khi tăng độ cứng của K thì gia tốc bình phương trung bình theophương thẳng đứng, lắc dọc, lắc ngang đều tăng lên, điều đó có nghĩa

là độ êm dịu của xe đều giảm Khi độ cứng của K  0,8K0(N/m), thì giátrị gia tốc bình phương trung bình của thân xe awz  0,4m/s2 theo tiêuchuẩn ISO 2631-1 đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô, thì bắt đầu làmcho người lái cảm giác một chút khó chịu

- Khi giảm độ cứng của K  0, 4.K0(N/m) thì gia tốc bình phươngtrung bình thân xe giảm dần, điều đó có nghĩa là độ êm dịu của xetăng lên Tuy nhiên, để đảm bảo độ cứng vững hệ thống treo khi xechuyển động trên mặt đường xấu hơn, thì chọn K 0, 4.K0(N/m)

4.2.4.2 Ảnh hưởng của hệ số cản giảm chấn C.

Để đánh giá ảnh hưởng của nó đến độ êm dịu chuyển động của

xe, các giá trị hệ số cản tương đương C=[0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.61.8 2]xC0 trong đó C0=[C1T, C1P, C2T, C2P]là giá trị hệ số giảm của xethiết kế trong tài liệu[1] với 3 giá trị độ cứng tương đương K=[0.5 11.5]xK0 trong đó K0=[K1T, K1P, K2T, K2P] là các giá trị độ cứng của xe thiết kế được chọn để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến gia tốcbình phương trung bình các phương (awz, aw, aw)

16

Hình 4.3 Gia tốc bình phương trung bình khi K thay đổi.

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

Thay doi he so can C (N.s/m)

Gia tốc theo phương đứng Gia tốc góc theo phương dọc

Gia tốc góc theo phương ngang

Hình 4.4 Các gia tốc bình phương trung bình khi C thay đổi Nhận xét:

- Từ các Hình a, b và c chúng ta thấy rằng khi hệ số cản tươngđương tăng lên thì các giá trị awz, aw, aw giảm xuống sau đó lại có xuhướng tăng lên điều đó dẫn tới độ êm dịu chuyển động của xe có xuhướng nâng cao sau đó là có xu hướng biến đổi xấu

- Khi hệ số giảm chấn tương đương nằm trong vùng 0.6C0 ≤C≤1.2C0, thì các giá trị awz, aw, aw nằm trong vùng tối ưu, theo tiêuchuẩn ISO 2631-1 đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô, thì gia tốc bìnhphương trung bình của xe nằm trong vùng mà người lái cảm giác thoảimái

- Khi thay đổi độ cứng của hệ thống treo theo chiều tăng, thì gia tốc bình phương trung bình của thân xe tăng lên, điều đó có nghĩa là độ

êm dịu của xe giảm theo chiều K tăng

4.2.5 Lựa chọn tối ưu một số thông số chính cho hệ thống treo