Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống treo cho xe formula student

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 mẻ đối với sinh viên các trường đại học, năm 2013 nhóm nghiên cứu của trường 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 nay sản phẩm này đang được kế hoàn thiện, tối ưu thiết kế các cụm, hệ thống nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của xe đáp ứng các tiêu chuẩn 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 ổn định hướng của xe. Do vậy, nó đã và đang được nhiều nhà thiết kế xe đua F-SAE thế giới đặc biệt quan tâm. Trong số các công trình đã công bố, nhiều tài liệu đã tính toán, thiết kế các thông 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 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-SAE nhằm nâng cao độ êm dịu cho người lái. 1 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 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 thử xe Formula SAE của trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp. 2.2. Đối tượng nghiên cứu Xe đua sinh viên Formula Student sản xuất bởi nhóm nghiên cứu Trường 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 3.1. Ý nghĩa khoa học - Nâng cao độ êm dịu cho xe Formula Student khi chuyển động trên mặt đường ngẫu nhiên. - Đề tài đóng góp một kết quả vào hướng nghiên cứu dao động cho xe F-SAE. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Chế tạo hệ thống treo để hoàn thiện xe Formula Student, qua đó giới thiệu sản phẩm khoa học, quảng bá thương hiệu cho Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp. 2 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 tổ chức bởi SAE International, SAE được gọi là Hiệp hội kĩ sư ô tô (Society of Automotive Engineers). Cuộc thi này lần đầu tiên tổ chức vào 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 êm dịu chuyển động ô tô thông qua gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng dựa theo vào các công trình nghiên cứu của thế giới. Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng được xác định theo công thức dưới đây: 2/1 0 2 )( 1       = ∫ T WWZ dtta T a Trong đó: - a wz : Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng. - a z : Gia tốc theo phương thẳng đứng theo thời gian . - T : Thời gian khảo sát. 3 Điều kiện chủ quan đánh giá độ êm dịu ô tô theo độ lệch gia tốc quân 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 < 0.315 m.s -2 Thoải mái 0.315m.s -2 -0.63m.s -2 Một chút khó chịu 0.5m.s -2 - 1 m.s -2 Khá khó chịu 0.8 m.s -2 - 1.6 m.s -2 Không thoải mái 1.25 m.s -2 - 2.5 m.s -2 Rất khó chịu > 2 m.s -2 Cực kỳ khó chịu Ưu điểm của tiêu chuẩn VBI2057 và tiêu chuẩn ISO 2631-1 là thuận lợi cho việc phân tích và đánh giá dao động toàn bộ của xe. Thông qua các mô hình dao động vật lý và toán học của toàn bộ xe hoặc các phần mền chuyên dùng ADAMS, LMS hoàn toàn xác định gia tốc dao động theo miền thời hoặc miền tần số. Hiện nay phương pháp này đã được các nhà khoa học trên khắp thế giới áp dụng ISO 2631-1 để phân tích độ êm dịu của dao động các phương tiện dao thông. 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 thống treo 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 của trường 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 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 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. 5 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 treo này 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 nhờ cấu 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 bao gồm: đòn ngang dưới, giảm chấn đặt theo phương thẳng đứng làm nhiệm vụ của trụ xoay đứng có một đầu được bắt khớp cầu với đầu ngoài 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 vỏ giảm chấn và trục giảm trấn. 1- Giảm chấn đồng thời là trụ đứng. 2- Đòn ngang dưới. 3- Bánh xe. 4- Lò xo. 5- 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 kết cấu ít chi tiết hơn, không chiếm nhiều khoảng không và có thể giảm nhẹ được trọng lượng kết cấu. Nhưng nhược điểm chủ yếu của hệ treo Mc.Pherson là do giảm chấn vừa phải làm chức năng của giảm chấn lại 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 cấu của 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 G 1T =G 1P =75 (kg). - Tải trọng đặt lên HTT sau trái phải G 2T =G 2P = 100 (kg). - Chiều dài cơ sở của xe L: L = 2500 (mm). - Khoảng sáng gầm xe : H min : H min = 80 (mm). - Bán kính bánh xe r bx : r bx = 250 (mm). - Chiều rộng cơ sở của cầu trước B 01 : B 01 = 2000 (mm). - Chiều rộng cơ sở của cầu sau B 02 : B 02 = 1950 (mm). - Chiều cao trọng tâm xe H g : H g = 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. + Góc nghiêng ngang trụ đứng δ 0 : δ 0 = 8 o . + Góc nghiêng ngang bánh trước γ 0 : γ 0 = 1 o 30’. + Bán kính bánh xe quay quanh trụ đứng r 0 : r 0 = 25 (mm). + Độ võng tĩnh f t : f t = 140 (mm). + Độ võng động f đ : f đ = 119 (mm). + Độ võng tĩnh tĩnh của hệ treo khi không tải f 0t : f 0t = 93,3 (mm). 7 + Khoảng cách từ tâm quay bánh xe tới đòn dưới k c : k c = 85 (mm). + Khoảng cách từ mặt đường tới tâm quay trụ đứng h O2 : h O2 = 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 : 0 =+ qt FF  Trong đó: 9 Mô hình kể đến khối luợng M, Jx, Jy X Y Z q 2P q 1P q 1T q 2T K 1P C 2P C 1P K 1T K 2P C 2T K 2T ϕ θ C 1T b a BT BS L M Jx Jy F  : là tổng các vectơ ngoại lực tác dụng lên vật. qt 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 chuyển thẳng đứng, góc lắc dọc và góc lắc ngang trong mô hình dao động không gian của xe F-SAE. Với quy ước gốc toạ độ của các bậc tự do tại vị trí cân bằng tĩnh, phương trình động học của thân xe như sau: 1 1 2 2 1 2 1 2 2 2 1 1 2 2 2 2 Z T P P T t s t s x T T P P y P T P T F Mz F F F F B B B B M J F F F F M J aF aF bF bF ϕ θ ϕ θ  = = + + +   = = + − −    = = + − −  ∑ ∑ ∑ && && && 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 bằng phẳng và nó đuợc thiết kế sát với mấp mô mặt đường của các tuyến quốc lộ. Trong luận văn này, tác giả sử dụng mấp mô mặt đường dựa vào tiêu chuẩn ISO/TC108/SC2N67. Theo tiêu chuẩn ISO mấp mô của mặt đường có mật độ phổ S q (n 0 ) và được định nghĩa bằng công thức thực nghiệm: ( ) ( ) ω −         = 0 0 n n nSnS qq 10 Sơ đồ các lực và mô men tác dụng lên thân xe. X Y Z ϕ θ F qt F2P F1P F1T F2T M θ M ϕ [...]... CHƯƠNG 5 - CHẾ TẠO HỆ THỐNG TREO F-SAE Sau khi tính toán, thiết kế và lựa chọn các thông số tối ưu cho hệ thống treo xe F-SAE tác giả cùng nhóm nhiên cứu gồm các thầy giáo trong bộ môn Ôtô đã tiến hành chế tạo thực nghiệm hệ thống treo cầu trước và cầu sau cho xe F-SAE tại trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp Sau gần một tháng thực hiện hăng say dưới đây là một số hình ảnh thể hiện sản phẩm của đề tài nghiên. .. thông số hệ thống treo - Áp dụng lý thuyết điều khiển để điều khiển các thông số của hệ thống treo nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của chúng 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Khắc Tuân,2013 “Giải mã công nghệ thiết kế, chế tạo xe đua sinh viên F-SAE” Đề tài cấp cơ sở, ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp TN [2] SAE Inc, USA,2004 Formula SAE Rules 2004 [3] GS.TS Vũ Đức Lập (1994), Dao động ôtô, Học viện kỹ thuật quân... hệ thống treo đến độ êm dịu chuyển động của xe - Lựa chọn thông số tối ưu cho hệ thống treo nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của chúng - Chế tạo thành công hệ thống treo cầu trước và cầu sau xe F-SAE KIẾN NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN: - Phân tích ảnh hưởng của đặc tính phi tuyến hệ thống treo đến hiệu quả làm việc của chúng - Phân tích các đặc tính phi tuyến của lốp xe và hiện tượng tách bánh - Áp dụng thụât... nhưng trường hợp này độ cứng vững của hệ thống treo sẽ thấp do độ cứng K giảm vì vậy sẽ không đảm bảo tính ổn định hướng ô tô khi chuyển động 19 Kết luận: Vậy dựa trên các kết quả khảo sát Hình 4.5 ta chọn bộ thông số của hệ thống treo trước như sau: Bộ thông số 0, 6.C0 ≤ C ≤ 1, 0.C0 ( N / m)  0,5.K 0 ≤ K ≤ 0, 6.K 0 ( N s / m) là bộ thông số tối ưu cho hệ thống treo vì đảm bảo gia tốc bình phương... nội dung của luận văn thạc sĩ của mình Luận văn đã đạt được một số kết quả sau đây: - Nghiên cứu các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô theo tiêu chuẩn ISO - Xây dựng được mô hình dao động không gian của xe F-SAE với 3 bậc tự do - Ứng dụng thành công mấp mô mặt đường ngầu nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8068 vào bài toán phân tích dao động - Phân tích ảnh hưởng của thông số hệ thống treo đến độ... số cản giảm chấn trước trái Hệ số cản giảm chấn trước phải Hệ số cản giảm chấn sau trái Hệ số cản giảm chấn sau phải Hệ số cản của lốp xe trước trái Hệ số cản của lốp xe trước phải Hệ số cản của lốp xe sau trái Hệ số cản của lốp xe sau phải Mô men quán tính với trục X Mô men quán tính với trục Y Vận tốc khi khảo sát 4.2.2 Mô phỏng dao động của xe F-SAE Ký hiệu Giá trị Đơn vị M 350 kg a 1 m b 1,5 m Bt... nghiên cứu: Hình 5.1, Hình 5.2, Hình 5.3 Hình 5.1 Hệ thống treo cầu sau xe F-SAE Hình 5.2 Lắp ráp các bộ phận trên xe F-SAE 22 KẾT LUẬN VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ Sau một thời gian nghiên cứu, với sự nỗ lực của bản thân được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Khắc Tuân cùng với sự giúp đỡ của các thầy trong bộ môn Ôtô – Khoa Cơ khí, Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp TN cùng với sự động viên kích... Tuy nhiên, để đảm bảo độ cứng vững hệ thống treo khi xe chuyển động trên mặt đường xấu hơn, thì chọn K ≥ 0, 4.K 0 (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 1.6 1.8 2]xC0 trong đó C0=[C1T, C1P, C2T, C2P] là giá trị hệ số giảm của xe thiết kế trong tài liệu[1] với 3 giá trị... của xe nằm trong vùng mà người lái cảm giác thoải mái - 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 18 4.2.5 Lựa chọn tối ưu một số thông số chính cho hệ thống treo Ta tiến hành khảo sát sự phụ thuộc C và K để xác định những bộ thông số cụ thể trong vùng tối ưu, ta có kết... 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 13 4.2 Mô phỏng dao động 4.2.1 Các thông số mô phỏng Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật của xe F-SAE TT Thông số 1 2 3 4 5 6 7 8 9