1. Trang chủ
  2. » Kỹ Thuật - Công Nghệ

Nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của rung động đối với đặc tính khí động của phương tiện giao thông

59 339 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 59
Dung lượng 3,52 MB

Nội dung

Ảnh hưởng của rung động đối với ô tô 1.1 Khái niệm về rung động và tiếng ồn Rung động là sự nhiễu loạn trong môi trường thể rắn đàn hồi tạo ra sự chuyển động Rung động và tiếng ồn được

Trang 1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi, Bùi Hoàng Mạnh, cam kết luận văn thạc sĩ kỹ thuật là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của tiến sĩ Vũ Quốc Huy

Các kết quả trong luận văn thạc sĩ kĩ thuật là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Người cam đoan

Trang 2

Đề tài: Nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của rung động đối với đặc tính khí động của phương tiện giao thông

Người hướng dẫn: TS Vũ Quốc Huy

Nội dung tóm tắt:

a) Lý do chọn đề tài: Hiện nay trên thế giới và Việt Nam, nhu cầu về dịch vụ, du lịch và vận chuyển hàng hóa ngày một tăng, bởi vậy các phương tiện giao bắt buộc không những gia tăng về số lượng mà còn cả chất lượng bao gồm vấn đề tăng cao tốc độ để giảm chi phí thời gian, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu cũng như vấn đề an toàn cho người sử dụng Từ đó, việc nghiên cứu các phương tiện giao thông trở nên thiết yếu và cấp bách nhằm thỏa mãn các yêu cầu trên

b) Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu sự rung động của phương tiện gây ra do di chuyển trên mặt đường

- Nghiên cứu ảnh hưởng của sự rung động đó với đặc tính khí động của phương tiện

c) Tóm tắt nội dung chính và đóng góp mới: Trong thực tế, các phương tiện giao thông thường chịu ảnh hưởng của sự va đập hoặc rung động do sự không bằng phẳng của mặt đường Sự rung động này sẽ ảnh hưởng tới đặc tính khí động của phương tiện đặc biệt ở tốc độ cao, và nghiên cứu này giúp đánh giá ảnh hưởng tới chức năng hoạt động như giảm lực cản để tiết kiệm nhiên liệu, giảm lực nâng để tăng hiệu quả điều khiển

d) Phương pháp nghiên cứu: Trong đề tài này trước tiên sẽ sử dụng phần mềm Catia để dựng mô hình hình học của phương tiện Sau đó sẽ dùng phương pháp FSI 2 chiều để tính toán đặc tính khí động và ảnh hưởng của rung động đối với đặc tính khí động thông qua phần mềm ANSYS Transient Structure và Fluid Flow (CFX)

Trang 3

Chương 1: Tổng quan về ảnh hưởng của rung động đối với phương tiện giao thông 1

1 Ảnh hưởng của rung động đối với ô tô 1

1.1 Khái niệm về rung động và tiếng ồn 1

1.2 Các nguồn rung ồn trên xe 2

1.2.1 Dao động mômen do áp suất cháy 2

1.2.2 Rung động do chuyển động không cân bằng (lệch tâm) 3

1.2.3 Tiếng ồn của hệ thống nạp 3

1.2.4 Tiếng ồn trong hệ thống xả 3

1.2.5 Sự không cân bằng trục các đăng 4

1.3 Phân tích nguyên nhân gây tiếng ồn trên xe ô tô 4

1.3.1 Rung nảy cabin 4

1.3.2 Rung lắc vô lăng 5

1.3.3 Rung bàn đạp ga 6

1.3.4 Rung cần chuyển số 7

1.3.5 Tiếng ồn khó chịu khi đi xe 8

1.3.6 Tiếng ồn do mặt đường 8

1.3.7 Tiếng ù thân xe 9

1.4 Tổng quan về lực tác dụng lên ô tô 11

1.4.1 Các thành phần lực chủ động 11

1.4.2 Các thành phần lực cản của ô tô 12

1.4.3 Lực cản, lực nâng khí động 13

2 Ảnh hưởng với máy bay 15

Chương 2: Lý thuyết về phương pháp FSI 2 chiều 20

2.1 Tương tác giữa chất lỏng và cấu trúc (FSI) 20

2.2 Các phương pháp tiếp cận 20

Trang 4

2.3 Phương pháp FSI trong ANSYS 23

2.3.1 Trình tự để ANSYS mô phỏng và tính toán trong FSI 23

2.3.2 Các phương pháp kết nối trong ANSYS 24

2.4 Phương pháp kết hợp giữa bộ giải chất lỏng và bộ giải chất rắn 26

Chương 3: Khảo sát đặc tính khí động của ô tô con 29

3.1 Mô hình hình học 29

3.2 Mô hình SST (Vận chuyển ứng suất biến ngang) 30

3.3 Các thiết lập trong CFX: 31

3.4 Kết quả tính toán 32

3.4.1 Đối với v1 = 20(m/s) 32

3.4.2 Đối với v2 = 30 (m/s) 35

Chương 4: Khảo sát ảnh hưởng của rung động đối với đặc tính khí động 38

4.1 Mô hình bài toán 38

4.2 Thiết lập mô phỏng 38

4.3 Kết quả tính toán 40

4.3.1 Đối với f = 10 (Hz) 40

4.3.2 So sánh kết quả f = 10 (Hz) và f = 20 (Hz) 43

4.3.3 So sánh giữa trường hợp có lực tác dụng và không có lực tác dụng 49

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

Trang 5

Hình 1: Rung ồn do lốp mòn 5

Hình 2: Rung lắc ở vô lăng 6

Hình 3: a Rung bàn đạp ga b Rung cần chuyển số 8

Hình 4: a, Tiếng ồn do mặt đường b Tiếng ồn do hoa lốp 9

Hình 5: Phân tích các lực tác dụng lên ô tô 13

Hình 6: Hệ số lực cản của một số loại ô tô 14

Hình 7: Vụ sập cầu Tacoma 17

Hình 8: Tam giác đàn hồi khí động COLLAR 18

Hình 9: Bảng các hiện tượng đàn hồi khí động 19

Hình 10: Mô tả phương pháp tiếp cận FSI 21

Hình 11: Mô tả kết nối một chiều 24

Hình 12: Mô tả kết nối hai chiều 25

Hình 13: Kích thước mô hình ô tô 29

Hình 14: Kích thước miền tính toán 30

Hình 15: Các cài đặt trong CFX 32

Hình 16: Trường áp suất tác dụng lên ô tô (tương ứng với v = 20 m/s) 32

Hình 17: Trường áp suất trong miền tính toán (tương ứng với v = 20 m/s) 33

Hình 18: Đường dòng bao quanh ô tô (tương ứng với v = 20 m/s) 34

Hình 19: Trường vecto vận tốc bao quanh xe (tương ứng với v = 20 m/s) 34

Hình 20: Trường áp suất trong miền tính toán (tương ứng v = 30 m/s) 35

Hình 21: Trường áp suất tác dụng lên xe (tương ứng v = 30 m/s) 35

Hình 22: Đường dòng bao quanh ô tô (tương ứng v = 30 m/s) 36

Hình 23: Trường vecto vận tốc bao quanh ô tô (tương ứng v = 30 m/s) 36

Hình 24: Biểu đồ hệ số lực cản, lực nâng và chất lượng khí động tương ứng với vận tốc 37

Hình 25: Vị trí đặt nguồn rung động trên xe ô tô (mũi tên màu đỏ) 38

Hình 26: Hai bộ giải Transient và Fluid Flow (CFX) trong ANSYS Workbench 38

Hình 27: Thiết lập mô hình tính toán trong Transient Structure 39

Hình 28: Thiết lập mô hình tính toán trong Fluid Flow (CFX) 39

Hình 29: Trường áp suất biến thiên trong miền tính toán ở t1 = 0.01s, t2 = 0.30s và t3 = 3.00s 40

Hình 30: Trường vận tốc biến thiên trong miền tính toán ở t1 = 0.01s, t2 = 0.30s và t3 = 3.00s 41

Hình 31: Độ biến dạng lưới ở t1 = 0.01s, t2 = 0.30s và t3 = 3.00s 41

Hình 32: Trường vecto vận tốc ở t1 = 0.01s, t2 = 0.30s và t3 = 3.00s 42

Trang 6

Hình 34: Biến thiên hệ số lực nâng theo thời gian 43

Hình 35: Trường áp suất trong miền tính toán 44

Hình 36: Trường biến thiên vận tốc trong miền tính toán 45

Hình 37: Độ dịch chuyển của lưới tương ứng hai tần số khác nhau (hình trên f = 20Hz, hình dưới f = 10Hz) 46

Hình 38: Trường vecto vận tốc trong miền tính toán 47

Hình 39: Trường phân bố áp suất trên bề mặt xe 48

Hình 40: Biểu đồ so sánh hệ số lực nâng, lực cản và chất lượng khí động 49

Trang 8

Trong sự phát triển vượt bậc của xã hội ngày nay, nhu cầu về dịch vụ, du lịch và vận chuyển hàng hóa ngày một tăng, bởi vậy các phương tiện giao bắt buộc không những gia tăng về số lượng mà còn cả chất lượng bao gồm vấn đề tăng cao tốc độ

để giảm chi phí thời gian, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu cũng như vấn đề an toàn cho người sử dụng Từ đó ngành khoa học về các phương tiện giao thông đã ra đời và phát triển để đáp ứng các yêu cầu hơn Đây là một chuyên ngành tập hợp rất nhiều tri thức khoa học và công nghệ tiên tiến của nhân loại nên các lĩnh vực nghiên cứu cũng rất rộng lớn và sâu sắc

Do thời gian nghiên cứu và hoàn thành đồ án này là tương đối ít, nên em đã chọn nghiên cứu về tương tác FSI 2 chiều cho mô hình ô tô đơn giản Hơn nữa, tính toán khí động ô tô và ảnh hưởng của rung động là một trong những vấn đề rất quan trọng và nền tảng cho các tính toán khác như ổn định, tính điều khiển…

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của TS Vũ Quốc Huy và sự ủng hộ, giúp đỡ từ gia đình cũng như các thầy cô và bạn bè trong bộ môn

đã tạo điều kiện cho em để hoàn thành đồ án này

Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Người viết

Bùi Hoàng Mạnh

Trang 9

Chương 1: Tổng quan về ảnh hưởng của rung động đối với phương tiện

giao thông

1 Ảnh hưởng của rung động đối với ô tô

1.1 Khái niệm về rung động và tiếng ồn

Rung động là sự nhiễu loạn trong môi trường thể rắn đàn hồi tạo ra sự chuyển động

Rung động và tiếng ồn được định nghĩa ở đây là âm thanh không mong muốn, chúng có liên quan chặt chẽ với nhau Tiếng ồn đơn giản là một phần năng lượng rung động của kết cấu chuyển thành áp suất không khí Hầu hết tiếng ồn và rung động có liên quan đến hiện tượng cộng hưởng Cộng hưởng xảy ra khi động lực học ảnh hưởng trong quá trình kích thích các tần số tự nhiên, hoặc chế độ rung động trong các kết cấu xung quanh

Tiếng ồn có thể truyền bằng nhiều đường khác nhau như: khí, lỏng (nước, dầu ), rắn (kim loại, phi kim …) Tiếng ồn truyền trong không khí được phát ra trực tiếp

từ các nguồn phát âm và truyền vào không khí Tiếng ồn đường cơ - âm học là tiếng

ồn được truyền thông qua các vật liệu rắn, thường thông qua sự tiếp xúc cơ khí trực

Trang 10

tiếp với các nguồn âm hoặc từ sự rung động của vật trước đó Chúng ta có thể cảm nhận âm truyền theo đường cơ - âm học như là những rung động khi chúng ở trong những vật cụ thể

1.2 Các nguồn rung ồn trên xe

Nguyên nhân tạo ra rung động và tiếng ồn trên xe là do lực rung động, trong phần này luận văn chỉ ra một số nguồn gây rung động trên xe

Trong các nguồn điển hình về lực rung trên xe, có các loại sau: Dao động của áp suất cháy hoặc mômen trong động cơ, các lốp không cân bằng, đường gồ ghề, sự không cân bằng hoặc góc nối ở trục các đăng, sự ăn khớp của các bánh răng trong hộp số hoặc bộ vi sai, và các dao động của lực ma sát trong li hợp hoặc các phanh Nếu có thể giảm hết mọi nguyên nhân này, thì rung động và tiếng ồn sẽ không xuất hiện Tuy nhiên, không thể khử hết một số trong những nguyên nhân này như áp suất cháy trong động cơ, hoặc lực ở bên ngoài từ mặt đường gồ ghề

Nguyên nhân tạo ra rung động tiếng ồn của xe là do lực rung Bộ phận điển hình tạo

ra lực rung này là động cơ Trong động cơ, vì nhiên liệu được đốt trong buồng cháy

và nhiều bộ phận chuyển động, tạo ra nhiều loại lực rung Chúng làm cho động cơ

bị rung, làm cho bản than động cơ trở thành một bộ phận tạo rung động Chúng được truyền đến hệ thống truyền lực và thân xe Có nhiều yếu tố liên quan đến việc tạo ra lực rung trong các động cơ, nhưng trong các yếu tố này, hai yếu tố sau đây là đặc biệt quan trọng Một yếu tố là áp suất cháy của nhiên liệu trong buồng đốt Yếu

tố kia là lực quán tính do chuyển động tịnh tiến của pittông và chuyển động quay của trục khuỷu gây ra Hai yếu tố này tạo ra dao động của mômen và độ rung trong động cơ Ngoài hai yếu tố này, các yếu tố do chuyển động cơ học của các bộ phận gây ra tiếng ồn của động cơ

1.2.1 Dao động mômen do áp suất cháy

Lực rung do áp suất cháy gây ra dao động mômen ở trục khuỷu, được truyền đến hệ thống truyền lực Nó cũng tác động lên thân máy như là một phản lực và làm cho động cơ bị rung, áp suất cháy dao động ít hơn khi số vòng quay của động cơ cao và khi động cơ có số xi lanh nhiều hơn Dao động mômen trở nên lớn hơn khi góc mở của bướm ga lớn (khi tải trọng của động cơ lớn, vì áp suất cháy tăng lên) Do cấu

Trang 11

tạo của động cơ, không thể tránh được dao động mômen Nếu nguyên nhân rung động và tiếng ồn là sự dao động mômen thì việc khắc phục rất khó

1.2.2 Rung động do chuyển động không cân bằng (lệch tâm)

Các lực rung bởi lực quán tính do cơ cấu đối trọng trục khuỷu tạo ra và sự không cân bằng trong vật thể quay Trong các lực rung bởi quán tính, có thể cân bằng khối chuyển động tịnh tiến đến một mức nào đó bằng cách lựa chọn việc bố trí xy lanh

và hình dạng hợp lý của trục khuỷu Nhưng rung động do quán tính không cân bằng tạo ra có thể giữ nguyên Để khắc phục hiện tượng này, một số động cơ được trang

bị một trục cân bằng Lực rung do sự không cân bằng trong bộ phận quay tạo ra trước hết là rung động của động cơ bất kể số xy lanh Có thể giảm sự không cân bằng này bằng các đối trọng Lực do sự không cân bằng tạo ra tăng theo tỷ lệ bình phương của số vòng quay, nên rung động được khuếch đại mạnh khi tăng số vòng quay

1.2.3 Tiếng ồn của hệ thống nạp

Tiếng ồn của đường ống nạp bao gồm âm thanh mạch động của không khí hút vào

và các tiếng cộng hưởng Âm thanh mạch động có tần số tương đối cao Nó được xác định bằng lượng không khí, hình dạng của bộ lọc khí, đường kính và chiều dài của ống nạp Tiếng cộng hưởng có tần số tương đối thấp Nó được tạo ra khi tần số của tiếng ồn ống nạp và tần số cộng hưởng của hệ thống hút trung với nhau ở một

số vòng quay của động cơ Cũng vậy, sự dao động của áp suất khí nạp đôi khi phát

ra các âm thanh bức xạ từ bề mặt bên ngoài của hệ thống nạp Rung động ở hệ thống nạp cũng truyền vào bên trong

Khi tần số của tiếng ồn ống nạp trùng với tần số cộng hưởng trong buồng lái hoặc trong hệ thống nạp, tiếng ồn tăng lên gây ra tiếng ù ù và tiếng ồn của động cơ

Bộ cộng hưởng ống nạp thường được sử dụng để thay đổi tần số cộng hưởng trong

hệ thống nạp, và do đó làm giảm tiếng ù ù và tiếng ồn của động cơ

1.2.4 Tiếng ồn trong hệ thống xả

Tiếng ồn của hệ thống xả gồm có tiếng khí đốt xả ra khỏi ống giảm âm, và các âm thanh phát ra từ bên ngoài ống xả và ống giảm âm thanh Có thể giảm tiếng xả khí

Trang 12

này bằng các đặc tính giảm thanh của bộ giảm âm (giảm thanh) Nhưng nếu dung tích của bộ giảm âm không đủ lớn, công suất của động cơ sẽ bị ảnh hưởng Âm thanh phát ra bởi độ rung của các vách bộ phận do dao động của áp suất xả, tạo ra rung động ở không khí xung quanh Đôi khi rung động ở hệ thống xả cũng truyền đến thân xe và tạo ra âm thanh được truyền đi

1.2.5 Sự không cân bằng trục các đăng

Sự không cân bằng ở trục các đăng gây ra rung động hoặc tiếng ồn Trục các đăng quay nhanh hơn lốp do tỉ số truyền của bánh răng vi sai Vì vậy, tần số rung hoặc tiếng ồn tăng lên và thường kèm theo tiếng ù ù

1.3 Phân tích nguyên nhân gây tiếng ồn trên xe ô tô

Trong quá trình xe vận hành, tiếng ồn rung có thể xuất hiện bởi các nguồn gây dao động và âm thanh Các nguồn này một mặt truyền năng lượng âm ra môi trường, mặt khác truyền năng lượng âm, dao động thông qua các chi tiết trên xe tới cabin Việc phân tích nguyên nhân và các hiện tượng rung ồn ảnh hưởng tới khoang người lái sẽ quyết định tới độ chính xác của bài toán tính NVH trong cabin xe 5 chỗ Khi rung động và tiếng ồn phát sinh, hiện tượng này không nhất thiết là có hư hỏng xảy ra Các loại rung động và tiếng ồn điển hình trên xe tác động tới cabin được trình bày trong mục dưới đây

1.3.1 Rung nảy cabin

Hiện tượng: “Rung nẩy” được định nghĩa là rung động theo chiều đứng hoặc chiều ngang của thân xe và vô lăng, cùng với rung động của các ghế ngồi Thường không thể cảm nhận được rung nẩy khi xe chạy dưới tốc độ khoảng 80 km/h Lớn hơn tốc

độ này, rung nẩy tăng lên rõ rệt nhưng sau đó đạt tới mức đỉnh ở một tốc độ nhất định

Trang 13

Các rung động của thân xe được truyền tới vô lăng và các ghế ngồi làm cho thân xe, ghế và vô lăng bị rung

Khi các rung động được truyền cộng hưởng với thân xe, thân xe sẽ rung mạnh Ngoài ra, khi rung động của các cầu xe cộng hưởng với các rung động của động cơ, động cơ sẽ rung rất mạnh, và lại làm cho thân xe rung mạnh hơn nữa

Một số trường hợp thân xe có thể rung nẩy xen kẽ theo chiều đứng và chiều ngang với khoảng cách thời gian xấp xỉ 10s Đó là sự chênh lệch nhỏ về các bán kính quay của lốp tạo ra sự chênh lệch ở các điểm lắc đảo tương đối giữa lốp bên phải và bên trái hoặc giữa lốp trước và lốp sau Rung nảy thân xe thường xuất hiện do các lốp không cân bằng hoặc bị mòn không đều vì vậy có thể loại bỏ rung lắc ngang thân xe bằng cách hiệu chỉnh cân bằng lốp hoặc giảm độ lắc đảo của lốp

Hình 1: Rung ồn do lốp mòn

1.3.2 Rung lắc vô lăng

Hiện tượng: lắc tay lái là tình trạng mà vô lăng dao động từ 5 đến 15 lần trong một giây theo chiều quay Nó xuất hiện ở mức độ tương đối hạn chế nhưng cao, thường lớn hơn 80 km/h và các dao động của vô lăng không thay đổi

Rung tay lái là trạng thái làm cho vô lăng dao động theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ, giống như sự rung của tay lái, nhưng ở các tốc độ thấp hơn Hiện tượng này bắt nguồn từ đường ghồ ghề hoặc phanh khi các lốp hoặc phanh mòn không đều

Nguyên nhân:

Trang 14

- Lốp không cân bằng hoặc đảo không đều

- Cộng hưởng giữa lốp và vô lăng

- Đường xóc

- Lốp bị biến dạng hoặc rung động đột ngột theo chiều đứng khi phanh gây ra khi lốp mòn không đều

- Cộng hưởng giữa các lốp, hệ thống lái và hệ thống treo

Có độ rơ trong các thanh nối của hệ thống lái, sự giảm lực cản do mòn, hoặc thiếu

độ cứng vững của các thanh nối này

Cơ chế:

Độ đảo hoặc không cân bằng trong một lốp xe sẽ tạo ra lực rung trong khi xe đang chuyển động Lực rung này tạo ra một momen quán tính ở ngõng trục, làm cho các lốp lắc theo chiều ngang Vì vậy tay lái sẽ dao động theo chiều ngang Lúc này trục lái, thanh răng lái và các thanh nối tác động như một lò xo cứng …

Ở một tốc độ nào đó của xe, các răng, các rung động ngang của các lốp do lực li tâm tạo ra sẽ cộng hưởng với hệ thống lái, làm cho vô lăng dao động theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ

Đường xóc, các biến dạng ở lốp hoặc các dao động theo chiều đứng khi phanh có thể gây ra mọi rung động xung quanh ngõng trục trước làm cho vô lăng rung

Hình 2: Rung lắc ở vô lăng

1.3.3 Rung bàn đạp ga

Trang 15

Hiện tượng: đây là rung động có tần số cao xuất hiện ở tốc độ cao hơn nhưng không lien quan tới tốc độ của xe Rung động này có thể cảm nhận được bằng chân đặt lên bàn đạp nhưng bàn đạp không rung mạnh theo chiều nhả bàn đạp

Nguyên nhân:

- Do ảnh hưởng từ rung động ở động cơ

- Rung động và các cộng hưởng ở bướm ga hoặc thanh nối

- Dây cáp bướm ga hoặc thanh nối thiếu cứng vững

Cơ chế: rung động của động cơ làm cho cáp bướm ga hoặc thanh nối rung lên Các rung động này truyền tới bàn đạp ga kéo theo sự rung động

1.3.4 Rung cần chuyển số

Hiện tượng: Loại rung động này làm cho cần chuyển số dao động, thường xảy ra ở tốc độ động cơ tương đối cao và dễ nhận ra rõ hơn gần số vòng quay làm nó rung Trong các loại rung khác nhau của cần chuyển số, nếu rung động này xuất hiện khi động cơ đang chạy không tải, hay xem xét rung khi chạy không tải

Nguyên nhân:

- Động cơ không được điều chỉnh chính xác

- Không cân bằng ở các bộ phận quay hoặc chuyển động tịnh tiến của động cơ

- Cộng hưởng ở cần chuyển số, hoặc cần chuyển số thiếu cứng vững

- Có độ rơ giữa cần chuyển số và thanh nối, hoặc các bạc lót bị mòn

Cơ chế:

- Các xe có động cơ ở phía trước, dẫn động bánh sau (FR)

Các dao động momen hoặc mất cân bằng của các bộ phận quay hoặc chuyển động tịnh tiến của động cơ tạo ra các rung động uốn trong hệ thống truyền lực Hơn nữa, các góc nối hoặc một trục các đăng không cân bằng có thể làm tăng thêm các rung động này Phần vỏ hộp số có phần kéo dài rung mạnh, tạo ra một lực rung truyền đến cần chuyển số Cần chuyển số dao động vì nó được lắp trên phần kéo dài của hộp số Bất cứ độ rơ nào ở cần chuyển số cũng khuếch đại thêm rung động này

- Các xe có động cơ ở phía trước, dẫn động bánh trước (FF)

Trang 16

Một động cơ không được căn chỉnh chính xác sẽ chạy không đều và làm cho cụm cần chuyển số bị rung

Hình 3: a Rung bàn đạp ga b Rung cần chuyển số

1.3.5 Tiếng ồn khó chịu khi đi xe

Tiếng ồn khó chịu là tiếng va đập một lần như tiếng búa đập vào một vật thể Cùng với một tiếng ồn lớn, va đập này được cảm nhận qua vô lăng, các ghế ngồi và sàn

xe Loại va đập này xuât hiện khi xe chạy qua một khe rãnh hoặc một ổ gà trên đường

Nguyên nhân:

- Các đặc điểm bao của lốp

- Các bộ phận của hệ thống treo bị mòn (các bạc lót, các bộ giảm chấn, …)

- Cơ chế của sự phát triển rung động và tiếng ồn

- Một va đập theo chiều dọc tác động vào lốp làm cho nó biến dạng từng phần, khi xe chạy qua một ổ gà hoặc một khe rãnh ở trên đường

Va đập này được tiếp tục truyền đến các đòn treo Do đó các bạc lót của hệ thống treo bị nén lại, truyền tiếng ồn hoặc rung động đột ngột tới thân xe

1.3.6 Tiếng ồn do mặt đường

Tiếng ầm ầm hoặc gầm rú liên tục với độ cao âm thanh không đổi là tiếng ồn do mặt đường Âm lượng của tiếng ồn này tăng lên theo tốc độ của xe Tiếng ồn này xuất hiện chủ yếu khi xe chạy trên đường có bề mặt lát xấu

Trang 17

Nguyên nhân:

- Các ổ gà hoặc hố nhỏ trên mặt đường

- Các lốp cộng hưởng với độ nhấp nhô của mặt đường

- Rung động của hệ thống treo (do các hằng số lò xo không thích hợp của các bạc lót bằng cao su)

Cơ chế:

Khi xe chạy trên đường có bề mặt lát xấu, tạo ra các rung động nhỏ ở các lốp Khi các rung động này đạt đến một tần số nhất định, chúng gây ra các cộng hưởng ở các lốp làm khuếch đại các rung động này

Các rung động này được truyền từ hệ thống treo đến thân xe, và tiếng kêu gầm rú phát ra từ các tấm ốp của thân xe

Hình 4: a, Tiếng ồn do mặt đường b Tiếng ồn do hoa lốp

1.3.7 Tiếng ù thân xe

Bạn cảm thấy loại tiếng ồn này như một áp lực trong tai mình, và nguồn gốc của nó thường không biết Cao độ âm thanh của nó tăng (tần số) theo tốc độ của xe Nó xuất hiện trong một phạm vi tốc độ xe tương đối hẹp quanh 10 km/h, hoặc khoảng

50 vòng/phút nếu quan sát tốc độ của động cơ

Trang 18

Nguyên nhân:

- Động cơ không được điều chỉnh chính xác

- Lực quán tính do chuyển động tịnh tiến của các pittong, hoặc sự không cân bằng trong động cơ

- Trục các đăng không cân bằng

- Góc nối trục các đăng không chính xác

- Các cộng hưởng ở ống xả

- Tiếng ồn của khí xả

- Các cộng hưởng ở các bộ phận phụ của động cơ

- Rung động do các ứng suất xoắn ở trục các đăng và các bán trục

Cơ chế:

- Góc nối của trục các đăng

Khi có góc nối ở trục các đăng, sẽ có hai dao động momen trong mỗi vòng quay của trục các đăng Các dao động này trở nên lớn hơn khi góc nối tăng lên ở tốc độ nào

đó của xe, và sẽ làm cho hệ thống truyền lực rung, tiếp đến truyền qua các bạc lót đòn của hệ thống treo phía sau hoặc các lò xo, làm cho các tấm ốp của thân xe rung Điều này dẫn đến tiếng ù ù của thân xe

- Trục các đăng không cân bằng

Khi trục các đăng không cân bằng tạo ra lực li tâm có xu hướng làm cho các đầu trục các đăng cong ra ngoài và quay theo các vòng tròn lớn quanh đường tâm của trục Dĩ nhiên là điều này thực tế không xảy ra vì trục các đăng được cố định ở cả hai đầu Tuy nhiên, nó sẽ làm cho trục rung sau mỗi lần trục quay Lực rung này có

xu hướng làm cong trục các đăng Lực rung này tiếp tục truyền qua các chân máy (giá bắt động cơ) ở phía sau, ổ đỡ giữa trục các đăng, các bạc lót của hệ thống treo phía sau, và các tấm ốp của thân xe Các tấm ốp thân xe bị rung sinh ra tiếng ù ù của thân xe

- Các rung động của ống xả

Ống xả dài và nhỏ nên dễ bị rung Một yếu tố quan trọng khác làm cho ống xả rung mạnh là vì nó được gắn vào động cơ, là nguồn rung động lớn nhất trong xe Khi ống

Trang 19

xả cộng hưởng với rung động của động cơ, rung động này được khuếch đại tiếp và truyền theo đường của các vòng đệm chữ O và các vòng kẹp của ống giảm thanh đến thân xe, gây ra tiếng ù ù của thân xe Để cách li khu vực có hư hỏng, bạn có thể lân lượt tháo các vòng đệm chữ O này

- Rung động của các bộ phận phụ của động cơ

Nếu các giá bắt máy phát điện, bơm trợ lực lái, hoặc máy nén điều hòa không khí được làm bằng vật liệu không đủ cứng vững, chúng sẽ cộng hưởng với rung động của động cơ Rồi rung động này truyền qua các chân máy đến thân xe, tạo ra tiếng ù

ù của thân xe

1.4 Tổng quan về lực tác dụng lên ô tô

Theo lý thuyết thì khi chuyển động, ôtô phải chịu tác dụng của nhiều loại lực: lực kéo tiếp tuyến, lực cản lăn, lực quán tính, lực ma sát và nhất là lực cản của gió khi

xe đi với vận tốc rất lớn về phía trước

Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng săm lốp Lực quán tính liên quan đến khối lượng và gia tốc của xe Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn Còn lực cản của gió lại liên quan đến hình dạng khí động học và tốc độ của xe Đây cũng là loại lực cản phức tạp nhất mà cần phải nghiên cứu tập trung trong đề tài này

1.4.1 Các thành phần lực chủ động

a Lực kéo tiếp tuyến

𝑖, 𝜂: tỷ số truyền và hiệu suất cơ học của hệ thống truyền lực

𝑟𝑘 : Bán kính bánh xe chủ động

b Lực bám và hệ số bám

Lực bám chính là lực kéo tiếp tuyến cực đại sinh ra tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe

Trang 20

động quay không đều của ô tô

Trang 21

Hình 5: Phân tích các lực tác dụng lên ô tô

1.4.3 Lực cản, lực nâng khí động

a Lực cản khí động

Là lực cản sinh ra khi chuyển động của ôtô và nó phụ thuộc rất lớn vào hình dáng khí động học của ôtô Lực cản này gồm hai thành phần: áp suất cao phía trước và áp suất thấp phía sau, hai thành phần này tạo ra hiện tượng xoáy làm xuất hiện lực ngược chiều chuyển động của vật thể Để đánh giá chất lượng khí động của ôtô người ta dựa vào hệ số 𝐶𝑑 gọi là hệ số lực cản

Trang 22

Hình 6: Hệ số lực cản của một số loại ô tô

b Lực nâng khí động:

Không khí bị nén ở phía trước xe dãn nở dần khi di chuyển về phía sau tạo nên áp thấp hay lực nâng xe dọc theo bề mặt của thân xe Trị số lực nâng sẽ lớn nhất khi dòng không khí di chuyển đến phía sau xe vì tiết diện cản gió của thân xe ở vị trí này giảm nhanh đột ngột Khi vượt quá trị số cho phép lực nâng này sẽ làm giảm khả năng bám đường của hai bánh xe sau

Trang 23

2 Ảnh hưởng với máy bay

Các hiện tượng đàn hồi khí động đã được biết đến từ khi có các khí cụ bay nặng hơn không khí (từ thời của Leonard de Vinci khoảng những năm 1500) Tuy nhiên các hiện tượng này bắt đầu được nghiên cứu từ năm 1903 với công trình nghiên cứu

về xoắn phá hủy máy bay một tầng cánh của giáo sư Langley người Mỹ Tuy nhiên

sự phát triển thực sự của việc phân tích hiện tượng flutter phải chờ tới khi có sự ra đời của lý thuyết cánh động của Kutta và Joukowsky vào khoảng những năm 1906 Tính toán số đầu tiên về các lực khí động tác dụng lên mô hình của một tấm mỏng

đã được thực hiện lần đầu tiên vào năm 1922 bởi Birnbaum trong luận án tiến sỹ của ông ở Gottingen Năm 1918, lý thuyết của Prandtl đã được áp dụng bởi Ackermann để tính toán lực nâng tác dụng lên cánh tĩnh Dưới sự gợi ý của Prandtl, Birnbaum đã mở rộng khái niệm của Ackermann cho cánh động.Và vấn đề về các hiện tượng đàn hồi khí động thực sự được quan tâm vào những năm

30 của thế kỉ trước khi mà người ta muốn tăng tốc độ bay ngang của máy bay một tầng cánh và do xuất hiện nhiều vụ tai nạn gây ra bởi hiện tượng đàn hồi khí động Đến năm 1934 mới chỉ có một số ít các hiện tượng đàn hồi khí động được ghi nhận Vào thời đó chỉ có ở cánh máy bay là có xuất hiện hiện tượng flutter Vào đầu năm

1929, lý thuyết về flutter đã được đưa ra bởi Kussner thông qua các tính toán lý thuyết và thực nghiệm Từ năm 1934 tới 1937 do có sự hiện hiện của nhiều loại máy bay mới và có sải cánh dài hơn do đó đã xuất hiện ngày càng nhiều các vụ tai nạn do hiện tượng flutter gây nên không chỉ đối với cánh mà cả ở phần đuôi của máy bay Lúc này thì việc nghiên cứu về hiện tượng flutter mới thực sự được đẩy mạnh Trong giai đoạn này nhiều phương pháp phân tích đã được đưa ra và các tính toán chi tiết về lực khí động tác dụng lên các mặt điều khiển của máy bay cũng được công bố Và việc giải quyết bài toán flutter với mô hình 2D và hai bậc tự do lúc đó đã được giải quyết một cách dễ dàng Và sau đó bài toán flutter đối với mô hình 3D cũng dần dần được giải quyết dựa vào lý thuyết cũng như các kiểm nghiệm trên ống khí động Cho đến sau chiến tranh thế giới thứ 2 thì các loại máy bay với tốc độ cận âm và trên âm bắt đầu xuất hiện Lúc này thì cánh có góc mũi tên lớn và cánh delta đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học Và bài toán về bất ổn định của các bề mặt điều khiển của các máy bay có kích thước lớn cũng trở thành một vấn đề thực sự đáng quan tâm Ngày nay với sự phổ

Trang 24

biến của các máy bay cận âm và trên âm thì việc tính toán về hiện tượng đàn hồi khí động đã trở thành một yêu cầu không thể thiếu trong quá trình tính toán thiết kế Đàn hồi khí động là những nghiên cứu về tác động của các lực khí động lên các kết cấu đàn hồi Trong lý thuyết đàn hồi cổ điển thì các bài toán về ứng suất và biến dạng của kết cấu đàn hồi được xét dưới tác dụng của ngoại lực hay của biến dạng được áp đặt vào và các tải tác động bên ngoài này thường sẽ được coi như không phụ thuộc vào biến dạng của kết cấu Trong các trường hợp đó chúng ta thường bỏ qua sự thay đổi về kích thước của kết cấu và các tính toán sẽ được dựa trên kích thước ban đầu của kết cấu Tuy nhiên trong bài toán đàn hồi khí động thì khác, lúc này lực khí động tác dụng lên kết cấu sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi hình dạng của kết cấu ở trong dòng khí khi dòng khí chảy qua kết cấu Lúc này giá trị của biến dạng đàn hồi của kết cấu lại đóng vai trò quan trọng trong việc xác định giá trị của lực khí động tác dụng lên kết cấu do đó thông thường thì trong bài toán đàn hồi khí động, lực khí động chỉ được xác định sau khi bài toán đã giải xong

Một trong các bài toán đàn hồi khí động đáng quan tâm đó là bài toán ổn định của kết cấu đàn hồi ở trong dòng khí bởi vì đối với một kết cấu đàn hồi cho trước thì lực khí động tác dụng lên kêt cấu sẽ tăng nhanh khi vận tốc dòng khí tăng lên Do đó sẽ tồn tại một giá trị vận tốc của dòng khí mà tại đó kết cấu đàn hồi sẽ trở nên bất ổn định Trong những trường hợp như vậy thì sẽ gây ra hiện tượng biến dạng quá mức của kết cấu dẫn đến sự phá hủy của kết cấu đàn hồi Một trong những hiện tượng chính của sự bất ổn định của kết cấu đó chính là hiện tượng flutter

Hiện tượng này được tạo ra bởi ba yếu tố là lực đàn hồi, lực khí động và lực quán tính và là một trong những bài toán phức tạp nhất của đàn hồi khí động động Các lĩnh vực ứng dụng : Khí động, không gian vũ trụ, đóng tàu, năng lượng hạt nhân, xây dựng dân dụng … Các dao động đàn hồi khí động xuất hiện khi có các lực khí động tác động lên kết cấu đàn hồi Trong lịch sử đã có những tai nạn nghiêm trọng xảy ra có nguyên nhân là do hiện tượng đàn hồi khí động trong đó điển hình là vụ sập cầu Tacoma Narrows Bridge năm 1940 đã làm ngạc nhiên giới

kỹ sư thời bấy giờ Theo tính toán của các kỹ sư thì cây cầu này có thể chịu được gió với tốc độ trên 100 MPH tuy nhiên trên thực tế khi gió mới đạt tốc độ 40 MPH thì cây cầu đã bị dao động quá mức dẫn tới phá hủy cầu, điều này là do thời đó các hiện tượng đàn hồi khí động còn chưa được chú trọng nghiên cứu nên các kỹ sư đã không tính hết được ảnh hưởng của gió tác động lên cầu

Trang 25

Hình 7: Vụ sập cầu Tacoma

Khi gió tác động lên kết cấu thì sẽ làm cho kết cấu bị rung động và ở một tốc độ gió nào đó thì rung động này sẽ có tần số trùng với tần số của dao động riêng của kết cấu, khi đó kết cấu sẽ xảy ra hiện tượng dao động điều hòa và biên độ dao động sẽ tăng mạnh và gây ra sự phá hủy kết cấu Do đó việc tính toán dự đoán trước về hiện tượng đàn hồi khí động đối với nghành xây dựng và hàng không trở thành một nhiệm vụ quan trọng trong quá trình tính toán thiết kế Các hiện tượng đàn hồi khí động thường gặp : khi xảy ra hiện tượng đàn hồi khí động thì sẽ gây nên rất nhiều tác động làm thay đổi các đặc tính của máy bay như : thay đổi phân bố lực nâng do biến dạng, xoắn phá hủy cánh, giảm hiệu quả điều khiển, đảo chiều tác dụng của cánh lái, hiện tượng flutter, hiện tượng Bafting, hiện tượng phản ứng động lực Tam giác đàn hồi khí động COLLAR (1946) :

Trang 26

Hình 8: Tam giác đàn hồi khí động COLLAR

Trong đó ta có ba đỉnh A, I, E lần lượt là: Aerodynamic force, Inertial force, Elastic force Các cạnh nối giữa các đỉnh AI liên quan tới các vấn đề về cơ học vật bay, tức

là ta coi máy bay là vật cứng tuyệt đối (bỏ qua lực đàn hồi của kết cấu máy bay) Cạnh nối các đỉnh IE chính là các vấn đề liên quan đến dao động đàn hồi của cơ hệ (bỏ qua lực khí động) Cạnh nối các đỉnh AE chính là các hiện tượng đàn hồi khí động tĩnh (bỏ qua lực quán tính) Phần bên trong tam giác là các hiện tượng liên quan tới hiện tượng đàn hồi khí động động Một số hiện tượng đáng chú ý của hiện tượng đàn hồi khí động là :

B

Bafting (Hiện tượng rung lắc kết cấu do dao động cưỡng bức kết cấu, thường gặp ở phần đuôi do xoáy của dòng khí bị đứt dòng khi chảy qua các thành phần kết cấu của phần trước có tần số trùng với tần số dao động riêng của phần kết cấu nào đó

biến dạng đàn hồi do tác động của các tải lên kết cấu

Trang 27

R Control system reversal (Đảo chiều điều khiển)

Hình 9: Bảng các hiện tượng đàn hồi khí động

Hiện tượng flutter được định nghĩa là sự bất ổn định về mặt động học của một kết cấu đàn hồi nằm trong một dòng khí Hiện tượng này xảy ra do sự bất ổn định của lực khí động xuất hiện do có biến dạng đàn hồi của kết cấu Trong lĩnh vực hàng không, hiện tượng Flutter đã được xem xét từ lâu Từ năm 1934, Theodorsen đã tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng này đối với các biên dạng cánh 2D và sau đó các nhà khoa học đã tiếp tục nghiên cứu các phương pháp để giải quyết bài toán flutter với các loại cánh mỏng, cánh 3D

Trang 28

Chương 2: Lý thuyết về phương pháp FSI 2 chiều

2.1 Tương tác giữa chất lỏng và cấu trúc (FSI)

Tương tác giữa chất lỏng và cấu trúc (FSI) là một hiện tượng trong đó có đa trường vật lý cùng xảy ra trong hệ thống, ở đây dòng chảy của chất lỏng gây ra sự biến dạng cho cấu trúc và ngược lại sự biến dạng của cấu trúc cũng ảnh hưởng đến thuộc tính của dòng chảy Loại hiện tượng này xảy ra nhiều trong tự nhiên hay các hệ thống kỹ thuật nhân tạo Nó đã trở thành một vấn đề quan trọng cần phải xem xét kỹ lưỡng khi thiết kế và phân tích các hệ thống Ví dụ, FSI phân tích hệ thống tránh rung động trên máy bay, ảnh hưởng của dòng nước tác động lên tàu thuyền và trong nhiều ứng dụng về y tế,…

Trong những năm gần đây, việc mô phỏng và phân tích các vấn đề liên quan đến đa trường vật lý trở nên quan trọng Để giải quyết các vấn đề mô hình tương tác giữa chất lỏng và cấu trúc thì các phương trình của động lực học chất lưu và cơ học cấu trúc phải được kết nối lại với nhau Mặc dù, các bộ giải cho chất lỏng và chất rắn được sử dụng để giải quyết các miền tương ứng và khi đó nhiệm vụ khớp nối các kết quả tính toán là rất quan trọng và đầy thách thức do tính chất phi tuyến của mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và chất rắn Nhưng các tiến bộ của khoa học trong lĩnh vực động lực học chất lỏng (CFD) hay tính toán cơ kết cấu (CSM) và các phương pháp

số đã thực hiện được các phân tích FSI

Trong những năm gần đây, nhiều phần mềm thương mại đang được phát triển và thiết lập để mô phỏng các vấn đề tương tác cấu trúc lỏng-rắn (FSI) Một số công ty

đó như ANSYS, Adina, COMSOL và CH-adapco cung cấp phần mềm tính toán đa trường vật lý hiệu quả với các tính năng linh hoạt trong sử dụng

2.2 Các phương pháp tiếp cận

Tương tác lỏng-cấu trúc (FSI) được định nghĩa như là tương tác giữa chất lỏng và một sự biến dạng của vật thể rắn Vật thể có thể được tiếp xúc bên trong hoặc bên ngoài dòng chất lỏng

Trong nhiều ngành kỹ thuật ứng dụng, lực phát sinh từ sự dịch chuyển của dòng chất lỏng được đặt làm điều kiện biên áp dụng vào tính toán cấu trúc sẽ làm biến dạng cấu trúc cơ học Trong một số trường hợp, sự phản hồi của cấu trúc được thiết

Trang 29

lập một cách độc lập sau khi đặc tính dịch chuyển của dòng chất lỏng được mô tả khi sự biến dạng của cấu trúc không ảnh hưởng đến dòng chảy của chất lỏng Trong một số trường hợp khác, thì các lực đến từ sự dịch chuyển của chất lỏng sẽ là tải làm biến dạng cấu trúc và khi đó cũng làm cho thuộc tính của dòng chảy thay đổi và điều này dẫn đến cần phải có một sự kết nối giữa động học chất lỏng và cơ học cấu trúc

Vấn đề tương tác lỏng-rắn (FSI) nhìn chung rất phức tạp và để giải quyết các vấn đề như vậy người ta sử dụng phương pháp mô phỏng số Có hai phương pháp tiếp cận chính tồn tại trong mô phỏng số về tương tác lỏng-rắn (FSI) là tiếp cận nguyên khối (Monolithic approach) và tiếp cận phân vùng (partitioned approach)

Hình 10: Mô tả phương pháp tiếp cận FSI

2.2.1 Tiếp cận nguyên khối (Monolithic approach)

Tiếp cận nguyên khối là khi các phương trình chi phối dòng chảy và các phương trình dịch chuyển trong cấu trúc được giải cùng một lúc Sự rời rạc sẽ liên quan đến các ma trận lớn của các phương trình mà các phương trình này được giải cùng với một bộ giải duy nhất

Phương pháp tiếp cận nguyên khối có ưu điểm là tính ổn định khi ảnh hưởng lẫn nhau giữa chất lỏng và cấu trúc được xem xét một cách trực tiếp Ví dụ một phần mềm thương mại sử dụng phương pháp tiếp cận nguyên khối là ADINA ADINA sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để rời rạc hóa cả miền chất rắn và chất lỏng

2.2.2 Phương pháp tiếp cận phân vùng (Partitioned approach)

Ngày đăng: 24/07/2017, 22:50

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TRÍCH ĐOẠN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w