Nghiên cứu về dao động ô tô

dao động ô tô và ảnh hưởng của nó

Trang 1

Chơng 1 tổng quan về dao động ô tô

1.1. Dao động ô tô và các ảnh hởng của nó

1.1.1 Dao động ô tô.

ô tô là một hệ dao động cơ học bao gồm nhiều khối lợng có mối liên kết với nhau và nằm trong mối liên hệ chặt chẽ với bề mặt đờng có biên dạng phức tạp Trong lý thuyết ôtô [4,6] khi nghiên cứu dao động ôtô thờng giả thiết là khối lợng của ôtô là tập trung, đợc chia làm hai phần đợc treo và không đợc treo Dao động của phần đợc treo là dao động phức tạp và có thể xem là tập hợp một số dao động đơn giản Khi đó phần đợc treo có thể thực hiện đồng thời 3 dịch chuyển tịnh tiến theo các trục toạ độ OX, OY, OZ và 3 dịch chuyển góc xung quanh các trục này Trong đó, dịch chuyển tịnh tiến theo phơng trục OZ và dịch chuyển góc tơng đối xung quanh trục OY (lắc dọc), OX (lắc ngang) là có ảnh hởng nhiều nhất tới độ êm dịu chuyển động và

độ an toàn chuyển động của ôtô

Các giá trị tần số, dịch chuyển, vận tốc dịch chuyển và gia tốc dịch chuyển của các khối lợng khác nhau trên ôtô đợc xác định bởi các đặc trng về khối lợng của chúng, các đặc tính của các phần tử của hệ thống treo, cũng nh chế độ vận tốc chuyển động của ôtô và đặc trng của biên dạng bề mặt đờng

1.1.2 Các nguồn gây dao động ô tô.

Đối với một cơ hệ bất kỳ, nguồn kích thích dao động có hai dạng là các kích thích động học và kích thích lực học

Trên ôtô có nhiều nguồn gây ra dao động của ô tô:

- Độ lệch tâm và hình dạng không đồng đều của bánh xe, độ không cân bằng của các bánh xe và các chi tiết quay của động cơ, hệ thống truyển lực

- Các ngoại lực xuất hiện trong quá trình chuyển động của ôtô khi tăng tốc, khi phanh, khi quay vòng

- Các mấp mô bề mặt đờng

Cho đến nay mấp mô biên dạng đờng vẫn đợc coi là nguồn chính gây ra dao động ô tô Các mấp mô biên dạng đờng là kích động động học từ mặt đ-ờng, có thể mô tả bằng nhiều cách:

- Mô tả bằng các hàm xác định thờng là các mấp mô dạng xung hoặc mấp mô có dạng hàm điều hoà

Trang 2

- Mấp mô biên dạng đờng mô tả bằng hàm ngẫu nhiên của chiều cao nhấp nhô theo chiều dài đờng

Việc nghiên cứu dao động của ô tô bằng mô hình ở giai đoạn phát triển mô hình thì hai nhóm kích động đơn và tuần hoàn là hợp lý vì tín hiệu vào là tờng minh cho phép quản lý tín hiệu ra của mô hình Khi nghiên cứu dao động

ôtô dới tác dụng của đờng ở một vài loại đờng, ở một vài khu vực cụ thể, nhất thiết phải đo đạc về đờng và nhất thiết phải sự dụng hàm ngẫu nhiên

1.1.3 ảnh hởng của dao động đối với ô tô, đờng giao thông và cơ thể con

ngời

Dao động ô tô ảnh hởng xấu đến con ngời, hàng hoá chuyên chở trên xe,

đến khả năng làm việc và độ bền của các cụm, các cơ cấu tổng thành trên xe

a ảnh hởng của dao động lên cơ thể con ngời

Khi ô tô chuyển động sinh ra các dao động tác động lên ngời ngồi trên ô tô làm cho cơ thể con ngời vừa thực hiện dao động riêng tắt dần và dao động cỡng bức Các ảnh hởng này đợc đề cập đến trong khái niệm độ êm dịu chuyển động của ôtô Lực kích thích tác động lên cơ thể con ngời bằng một trong hai đờng truyền : Có thể là tác động vào phần mông (nêu ngồi trên ghế) hoặc tác động vào bàn chân (nếu ngời đó đứng) Ngoài ra đối với ngời lái còn

bị tác động từ vô lăng vào tay ngời lái Dao động phức tạp này gây biến đổi tâm sinh lý làm cơ thể mỏi mệt giảm năng suất làm việc gây ảnh hởng lâu dài

đến sức khoẻ

ảnh hởng của dao động ô tô đối với cơ thể con ngời phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố : Thời gian tác động, hớng tác động, đặc tính của hàm kích dao

động(là ngẫu nghiên, liên tục, gián đoạn có chu kỳ hay không có chu

kỳ…)cũng nh)cũng nh các đại lợng đặc trng cho dao động nh : Tần số, biên độ, vận tôc, gia tốc dao động

b ảnh hởng của dao động ô tô đến độ bền xe, đơng giao thông và

độ an toàn–kinh tế chuyển động

Khi ô tô dao động sẽ phát sinh các tải trọng động tác dụng lên khung vỏ

ôtô, lên các cụm, hệ thống và các chi tiết của xe cũng nh bề mặt đờng… ảnh hởng đến độ bền và tuổi thọ của ôtô và đờng Theo số liệu thống kê ngời ta thấy rằng, khi ôtô vận tải chạy trên đờng xấu gồ ghề, so với ôtô cùng loại chạy trên đờng tốt bằng phẳng thì vận tốc trung bình giảm khoảng (4050)%, quãng đờng chạy giữa hai kỳ sửa chữa lớn giảm (3540)%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng (5070)%, năng suất vận chuyển giảm (3540)%, giá thành

Trang 3

vận chuyển tăng (5060)% [6] Đối với độ bền chi tiết ô tô thì ảnh hởng của của dao động đợc thể hiện một cách rõ rệt Khi dao động, gia tốc dao động gây ra các tải trọng quán tính và có thể xẩy ra hiện tợng cộng hởng làm cho h hỏng các chi tiết, khung vỏ của xe …)cũng nh

Dao động của ôtô sẽ gây ra sự thay đổi giá trị phản lực pháp tuyến giữa mặt tiếp xúc của bánh xe với bề mặt đờng Nếu giá trị phản lực pháp tuyến giảm so với trờng hợp tải trọng tĩnh thì sẽ giảm khả năng tiếp nhận các lực dọc (lực kéo, lực phanh) và lực ngang, còn khi giá trị phản lực này tăng lên thì sẽ tăng tải trọng động tác dụng xuống nền đờng

Trong quá trình chuyển động xe có thể xảy ra hiện tợng tách bánh (bánh

bị nhấc khỏi mặt đờng) làm độ an toàn chuyển động giảm vì lúc đó mất khả năng bám của bánh xe với mặt đờng Đối với bánh xe chủ động khi có hiện t-ợng tách bánh thì công của động cơ lúc này trở thành công vô ích năng lt-ợng của động cơ không trực tiếp đẩy ô tô chuyển động mà làm bánh xe quay không, sau đó bánh xe lại tiếp tục tiếp xúc với mặt đờng tạo ra ma mát trợt giữa bánh xe vơí mặt đờng làm mòn lốp, gây va đập trong hệ thống truyền lực Nếu hiện tợng này xẩy ra nhiều và liên tục sẽ làm tăng tiêu hao nhiên liệu ảnh hởng đến tính kinh tế của ô tô Ngoài ra chính các lực tác động thờng xuyên xuống mặt đờng phá hỏng bề mặt đờng

Dao động của ô tô chủ yếu phụ thuộc vào thông số kết cấu của hệ thống treo Vì vậy yêu cầu khi thiết kế chế tạo phải lựa chọn các thông số của hệ thống treo hợp lý vừa đảm bảo độ êm dịu, độ bền, độ cứng vững, vừa tuân theo

điều kiện làm việc nhất định của hệ thống treo

1.1.4 Các yếu tố ảnh hởng đến dao động ô tô.

Dao động ô tô phụ thuộc vào nhiều yếu tố thể tổng hợp thành 3 nhóm :

- Nhóm 1 là các thông số sử dụng nh vận tốc chuyển động của ô tô,

điều kiện chất tải,…)cũng nh

- Nhóm 2 là các thông số mô tả nhấp nhô bề mặt đờng nh biên độ và chiều dài sóng mặt đờng (đờng có biên dạng điều hoà) ; các hệ số nội suy (với đờng có biên dạng bất kỳ đợc mô tả các ham xấp xỉ ) hoặc các đặc trng thống kê của hàm ngẫu nhiên mô tả nhấp nhô bề mặt đờng

- Nhóm 3 bao gồm các thông số kết cấu của xe nh: Đặc tính của hệ thống treo (độ cứng và hệ số cản giảm chấn) ; độ cứng của lốp; các khối lợng treo và không treo của ôtô và sự phân bố chúng ra các cầu;

độ cứng vững của khung vỏ xe, bố trí chung của xe…)cũng nh

Trang 4

Các tham số kết cấu thi rất nhiều nhng để tờng minh cho mô hình khảo sát trong trong chơng 2 đồ án này sẽ đề cập đến một số thông số kết cấu cơ bản của hệ thống treo

1.2. Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô

Đánh giá ảnh hởng của dao động có tính lịch sử Trớc đây nguời ta đánh giá ảnh hởng của dao động ô tô theo hai chỉ tiêu là độ êm dịu và tải trọng

động tởng trng cho sự ảnh hởng đến tuổi thọ chi tiết

Ngày nay, dao động của ôtô đợc đánh giá các tiêu chí chính:

- Chỉ tiêu về độ êm dịu

 Chỉ tiêu đối với con ngời

 Chỉ tiêu đối với hàng hoá

- Chỉ tiêu về tải trọng động

 Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền đờng

 Chỉ tiêu về độ bền chi tiết

 Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với đờng

- Chỉ tiêu về an toàn động lực

- Chỉ tiêu về không gian bố trí treo

1.2.1 Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động

Độ êm dịu chuyển động là ảnh hởng của dao động ôtô đến con ngời và hàng hoá khi xe chuyển động trên đờng Việc đánh giá độ êm dịu chuyển

động là rất khó khăn do phụ thuộc nhiều vào sự cảm nhận chủ quan và sức chịu đựng dao động của con ngời Độ êm dịu chuyển động của ôtô có thể hiểu

là tập hợp các tính chất đảm bảo hạn chế các tác động ảnh hởng xấu của dao

động tới con ngời, hàng hoá, đến các kết cấu của ôtô

Với khái niệm về độ êm dịu chuyển động ở trên, ta thấy: Một ôtô đảm bảo độ êm dịu chuyển động có nghĩa là các thông số đánh giá độ êm dịu chuyển động của nó nằm trong giới hạn cho phép, theo tiêu chuẩn đánh giá

Để đánh giá độ êm dịu chuyển động, các tổ chức khác nhau trên thế giới

đã đa ra rất nhiều chỉ tiêu, tiêu chuẩn khác nhau Dới đây là một số chỉ tiêu chính để đánh giá độ êm dịu chuyển động theo các công trình nghiên cứu khác nhau:

a Chỉ tiêu đối với con ngời

- Chỉ tiêu về tần số dao động

Trang 5

Khi con ngời đi thì thực chất là đang thực hiện một dao động ở mỗi ngời do thói quen, vóc dáng khác nhau mà việc thực hiện bớc đi có khác nhau nhng nói chung thông thờng thì con ngời thực hiện đợc khoảng 6090 bớc đi trong một phút, tức là tần số dao động tơng ứng từ 11,5 Hz Do vậy ngời ta cho rằng ôtô có chuyển động êm dịu là khi nó chạy trên mọi địa hình thì tần số dao động riêng nằm trong khoảng 11,5 Hz

Thực tế ngời ta thờng lấy giá trị tần số dao động thích hợp cho các loại

ôtô nh sau:

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

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

- Chỉ tiêu về gia tốc dao động.

Độ êm dịu chuyển động của ô tô còn đợc đánh giá trên cơ sở các thông

số về dao động của ô tô nh giá trị bình phơng trung bình của gia tốc theo các phơng X, Y, Z là: Z  c,X c, Y  c Cụ thể theo [7]:

 Z c

 2,5 (m.s-2)

 Y c

 X c

 1,0 (m.s-2) Các số liệu trên có thể xem là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyển

động của ôtô, bởi vì nó dựa trên cơ sở số liệu thống kê Mặt khác, điều quan trọng hơn là dao động ôtô truyền cho con ngời thực chất là tác động ngẫu nhiên với dải tần số rộng và phức tạp theo cả hớng tác dụng

- Chỉ tiêu dựa trên số liệu cảm giác theo gia tốc và vận tốc dao

động.

Ngời ta đánh giá trên cơ sở cho rằng cảm giác con ngời khi chịu dao

động phụ thuộc vào hệ số độ êm dịu chuyển động K [7 ]

Hệ số K phụ thuộc vào tần số dao động, gia tốc dao động hoặc vận tốc dao động , phơng dao động (theo phơng thẳng đứng và phơng ngang) và thời gian tác động của chúng lên cơ thể con ngời

Hệ số K xác định theo trị số của biên độ gia tốc Z  hoặc bình phơng trung bình Z  c theo công thức sau đây:

Trang 6

K Z Zc k y.Zc

01 , 0 1

18

01 , 0 1

5 , 12

2











Trong đó:

 - tần số dao động (Hz);

Z  - gia tốc dao động (m.s-2);

c

Z  - bình phơng trung bình của gia tốc (m.s-2);

ky – hệ số hấp thụ

Nếu K = const thì cảm giác khi dao động sẽ không thay đổi

Hệ số K càng nhỏ thì con ngời càng dễ chịu đựng dao động, K=0.1 tơng ứng với ngỡng kích thích Khi ngồi lâu dài trên xe K=10 – 25; khi ngồi ngắn hạn K=25-63

 [Hz]

Hình1.1- Các đờng cong cảm giác nh nhau ở dao động điều hoà

Những công thức và số liệu đa ra ở trên là ứng với tác động lên con ngời

là hàm điều hoà

Khi kích thích dao động ô tô là hàm ngẫu nhiên thì giá trị hệ sô K đợc xác định theo công thức sau:





n

i i K K

1

(1.2) Trong đó:

Ki- hệ số độ êm dịu của thành phần thứ i

n- số thành phần của hàm ngẫu nhiên

Trang 7

Giá trị của K có thể xác định bằng tính toán hoặc xác định bằng thực nghiệm Trên hình 1.2 đa ra sơ đồ xác định hệ số K bằng thực nghiệm

Hình 1.2: Sơ đồ xác định thực nghiệm hệ số độ êm dịu K

- Đánh giá cảm giác theo công suất dao động.

Chỉ tiêu này dựa trên giả thiết rằng: cảm giác của con ngời khi dao

động phụ thuộc vào trị số của công suất dao động truyền cho con ngời Công suất trung bình truyền đến con ngời sẽ là:

T

N

T

c lim 1 . ( ) ( )





Trong đó : p(t)- Lực tác động lên con ngời khi dao động

v- Vận tôc dao động.

Số liệu thực nghiệm theo giá trị cho phép [Nc]

+ [Nc] = 0,2  0,3 (W) – t) – tơng ứng với cảm giác thoải mái

+ [Nc] = 6  10 (W) – t) – là giới hạn cho phép đối với ôtô có tính năng thông qua cao

u điểm cơ bản của chỉ tiêu này là nó cho phép kể đến tác dụng đồng thời của dao động với các tần số khác nhau và theo các hớng khac nhau Năng lợng tổng cộng truyền đến con ngời có thể xác định nh sau:









n

i zi ci zci cci xi ci yi ci

N

1

2 2

2

.

Trong đó:

K(x,y, z)i : hệ số hấp thụ

c

Z : gia tốc dao động thẳng đứng truyền qua chân

cc

Z : gia tốc dao động thẳng đứng truyền qua ghế ngồi

c

X : gia tốc hớng dọc

Trang 8

Y : gia tốc theo hớng ngang

Các số liệu nhận đợc phản ánh tính phức tạp của sự cảm thụ dao động của con ngời Chúng ta có thể đa ra kết luận chung: những tác động phụ truyền qua chân không lớn nh những tác động truyền qua ghế ngồi Bởi vì trong t thế đứng tác động của dao động bị yếu đi bởi các khớp xơng của chân

Trong điều kiện Việt Nam hiện nay khó có thể tính toán đo đạc đợc toàn bộ giá trị của gia tốc theo ba phơng X, Y, Z Vì vậy chỉ tiêu công suất trên nêu ra chỉ mang tính tham khảo Hy vọng có một lúc nào đó khi công nghệ tiến cao hơn chúng ta có thể sử dụng chỉ tiêu công suất đề đánh gia độ

êm dịu chuyển động





n

i yi ci

N

1

2 ).

(   (1.5)

- Đánh giá cảm giác theo gia tốc dao động và thời gian tác động

của nó

Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hoá ISO đa ra năm 1969 cho phép đánh giá tác dộng của dao động đến con ngời trên xe

Khi đánh giá cảm giác, ISO đã sử dụng dao động thẳng đứng điều hoà tác

động lên ngời ngồi hay đứng trong vòng 8 giờ Nếu tần số kích động nằm trong khoảng nhạy cảm nhất với dao động của con ngời (4  8 Hz) thì gia tốc bình phơng trung bình theo các mức là:

 Thoải mái 0,1 m/s2

 Mệt mỏi cho phép 0,315 m/s2

 Giới hạn cho phép 0,63 m/s2

Khi thay đổi tần số và thời gian tác dụng, giá trị nêu trên sẽ thay đổi Các giá trị tơng ứng với giới hạn mệt mỏi cho phép đợc xác định bằng thực nghiệm mô tả trên hình 1.3a

Trang 9

Hình 1.3a- Giới hạn tác động của dao động thẳng đứng (các

đờng cong có cùng thời gian tác động) phụ thuộc vào gia tốc

dao động thẳng đứng và tần số đối với con ngời khi ngồi và

đứng trên xe theo tiêu chuẩn ISO/DIS 2631.

Để thuận tiện cho tính toán sau nay, ngời ta dùng đồ thị của gia tốc bình phơng trung bình phụ thuộc vào thời gian dao động có kể đến khoảng chia của tần số

Hình 1.3b- Gia tốc bình phơng trung bình phụ thuộc vào thời

gian dao động

Đối với dao động điều hoà, để đánh giá sự tác động của nó cần phải biết

ba giá trị: gia tốc bình phơng trung bình, tần số và thời gian tác động

Đối với dao động ngẫu nhiên với các tần số khác nhau tác động trong khoảng thời gian nh nhau Trong trờng hợp này cũng cần ba giá trị: Tách Z c

theo các tần số khác nhau Sau đó các giá trị thành phần khác nhau đợc quy dẫn về một giá trị gia tốc tơng đơng bằng cách sử dụng hệ số quy dẫn Kbi:



n

i

bi i

td Z K Z

1

2



Theo công thức (1.6) nhận đợc giá trị gia tốc tơng ứng với khoảng tần số nhạy cảm nhất với dao động con ngời

Trang 10

Giá trị của hệ số Kbi đợc cho trong bảng dới đây.

Bảng 1.1 Các giá trị K bi theo các dải tần khác nhau

Tầnsố

(Hz) 12 4>2 >48 >816 >1631,5 >31,563 >6390

Hệ số

Đối với dao động ngẫu nhiên với thời gian tác động khác nhau của các thành phần tần số, có sự thay đổi rộng hơn so với các dạng dao động trớc và cần thiết quy dẫn thời gian tác dụng của các thành phần thời gian tơng đơng tơng ứng với dải tần xác định (ví dụ 48 Hz) Nếu ti- thời gian thực tế; [Ti ]-thời gian tác động cho phép của dao động với dải tần 48 Hz, thì chúng ta nhận đợc:





n

i td

T

T t T

1 [ ]

] [

- Đánh giá dựa theo trị số hiệu quả của gia tốc dao động

(bình phơng trung bình của gia tốc dao động)

Theo [6], tác động đến con ngời thờng đợc đánh giá theo trị số hiệu quả của gia tốc dao động: Zhq (hoặc phơng sai )

Trị số hiệu quả của gia tốc dao động đợc xác định nh sau: