Nghiên cứu và chế tạo mô hình hệ thống treo ¼ xe phục vụ cho nghiên cứu và thử nghiệm Tác giả Nguyen Trinh Nguyen, Nguyen Văn Tra, Do Van Dung Ngày xuất bản 20161013 Tạp chí Proceedings Of The National Science And Technology Conference On Mechanical – Transportation Engineering (Nscmet 2016) Tập 3 Số phát hành ISBN: 9786049500428 Trang 3439 Nhà xuất bản Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội
Trang 1
Research and manufacture quarter-car model of
automotive suspension for research and experiments
1
Đại học Nông Lâm TP HCM
Email: nguyentrinhnguyen@hcmuaf.edu.vn
2 Học viện Kỹ thuật quân sự Hà Nội
3
Đại học Sư pСạm kỹ thuật TP HCM
Tóm t ắt: Bài báo này trình bày về một nghiên cứu nhằm chế tạo mô hình hệ thống treo ¼ xe ô tô
Khi khảo sát ảnС Сưởng của các thông số kết cấu hệ thống treo đến chỉ tiêu êm dịu và an toàn chuyển động, cần phảТ tСay đổi giá trị của các thông số kết cấu hệ thống treo ĐТều này là rất khó ФСăn trên xe tСực, vì sẽ làm ảnС Сưởng tới kết cấu của các hệ thống, bố trí chung trên xe Việc chế
tạo mô hình hệ thống treo sát với hệ thống thực có thể tСay đổi dễ dàng các thông số kết cấu phục vụ cho nghiên cứu và thử nghiệm là cần thiết và có ý ngСĩa ФСoa Сọc cao Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống treo ¼ xe Фчm tСeo cСương trìnС tínС cСo pСép tСay đổi tham
số và hiển thị các kết quả tínС toán động học Mô hình còn trang bị các thiết bị thử nghiệm để kiểm
chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết Kết quả nghiên cứu trên mô hình có thể dùng để tham khảo cho các nghiên cứu trong hệ thống treo ô tô
T ừ khóa: hệ thống treo ô tô, mô hình hệ thống treo ¼ xe, thí nghiệm hệ thống treo ô tô
Abstract: This article presents about research for manufacturing quarter-car model of automotive
suspension When surveying the influence of suspension system structure parameters to ride comfort
criteria and movement safety, need to change the structure parameters values of the suspension system This is very hard on the real car, by will affect the structure of the systems, the general layout
on vehicle The suspension model manufacture close to real system can be easy change structure parameters serve for research and experiments is necessary and high science significant This article presents the results of research and manufacture quart-car suspension model together with computer program allows parameter changes and display the dynamical calculation results The model are equipped testing devices to verify the theoretical research results Research results on the model can
be used as a reference for research in automotive suspension systems
Keywords: automotive suspension; quarter-car model of automotive suspension; experiment
automotive suspension
1 Gi ới thi u
Trong thập kỷ qua các nghiên cứu về hệ thống
treo tích cực và bán tích cực không ngừng tăng
lên, đó là dấu hiệu cho thấy sự quan tâm không
nhỏ của các nhà khoa học trong việc cùng
Сướng tới giải quyết các vấn đề về hệ thống treo
tích cực và bán tích cực Cùng với sự phát triển
với rất nhanh của các lĩnС lực lТên quan nСư đТện
tử, tin học cho phép các nghiên cứu này sẽ tiệm
cận đến kết quả tốТ ưu trong vТệc phát triển và
ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn
sử dụng hệ thống treo trên ô tô
Trong khuôn khổ bài báo này, nhóm tác giả sẽ
trình bày mô hình tính toán và kết quả chế tạo
một mô hình hệ thống treo ¼ để khảo sát và
kiểm chứng giữa mô hình lý thuyết và mô hình
thực tế
2 C sở lý thuy t
Hệ thống treo trên ô tô nói chung, có nhiều kết
cấu và nguyên lý khác nhau, trong địnС đướng nghiên cứu của nhóm tác giả, đã cСọn mô hình
hệ dao động hai bậc tự do (hai khốТ lượng hay
mô hình ¼ xe)
2.1 Mô hình ¼ xe
εô СìnС ¼ xe được mô tả theo hình (1) với hai
khốТ lượng treo ε và ФСông treo m, độ cứng lò
xo ω, độ cứng lốpCL, hệ số cản của giảm chấn K,
hệ số cản giảm chấn của lốp KL
Nguy n Tr nh Nguyên1, Nguy n Văn TrƠ2, Đỗ Văn Dũng3
Trang 2
xe
Sử dụng pСương trìnС tácС Сệ và áp dụng
nguyên lý d'Alembert để thiết lập hệ PСương
trình vi phân ωСúng ta đặt các lực quán tính tác
dụng tСeo pСương Г lên ФСốТ lượng M và m là
M Z và m Lực tác dụng giữa phần treo và phần
không treo biểu thị qua các lực đàn Сồi và lực
cản giảm chấn (Hình 1.b) [1]
Lập pСương trìnС cân bằng và ta có hệ pСương
trình vi phân cấp 2 mô tả chuyển động của hệ
đối với các tọa độ suy rộng Г và :
M.Z +K Z - +C Z- =0
m. -K Z - -C Z- +KL -q +CL -q =0 (1)
Trong kỹ thuật, ngườТ ta tСường giải gần đúng
của các hệ pСương trìnС vТ pСân bởТ pСương
pháp số hóa Có nhiều pСương pСáp, có tСể kể
đến nСư pСương pСáp Euler, Picard, Rungge-
Kutta… Hiện nay phương pСáp Rungge-Kutta
tồn tại nhiều cấp khác nhau Trong số đó
phương pСáp Rungge-Kutta cấp 4 là được sử
dụng phổ biến rộng rãi nhất đối với các bài toán
kỹ thuật.[1]
Ta tiến СànС đổi biến để chuyển hệ phương trìnС
vi phân cấp 2 về hệ phương trìnС vТ pСân cấp 1 ,
các biến mớТ được đặt lạТ nСư sauμ
y1=Z; y2=Z ; y2=Z ; y3= ; y4= ; y4= (2)
Thay (2) vào (1) ta được hệ 4 pСương trìnС vТ
phân cấp 1 (3):
y1=y2
y2=1
M C.y3-C.y1+K.y4-K.y2
y3=y4
y4=[C.y1+K.y2- CL+C y3- KL+K y4+CL.q+KL.q ]
m
2.2 Xác đ nh các hƠm kích thích dao động
Trong hệ pСương trìnС vТ pСân mô tả chuyển
động dao động của ô tô có sự tham gia của các giá trị: q,q chính là chiều cao mấp mô và đạo hàm của chúng tại vị trí tiếp xúc của bánh xe với đường khi chuyển động
Trong quá trìnС tínС toán, Сàm ФícС tСícС được
sử dụng có hai loại, loại dữ liệu rời rạc, và loại có hàm kích thích với chu kỳ đТều hòa
Đối với dữ liệu rời rạc, các tập tin số liệu của
mấp mô mặt đường lưu tСànС cСuỗi các giá trị,
với chu kỳ lấy mẫu nhất định
Trong trường hợp mấp mô biên dạng đường có dáng đТệu Сàm đТều Сoà tСì pСương trìnС bТểu
diễn chiều cao mấp mô phụ thuộc vào thời gian
có dạng Сàm sТne nСư sauμ[1]
q t =q0.sin(.t)=q0.sin(2Tπt) (4) Trong đóμ qo - chiều cao mấp mô;
- là tần số ФícС tСícС dao động;
T - là chu kỳ kích thích
Nếu biểu diễn chiều cao mấp mô theo chiều dài quãng đường x, ta có:
q x =q0.sin(.x)=q0.sin(2.πS x) (5) Trong đóμ qo - chiều cao mấp mô;
- là tần số sóng mặt đường;
S - là chiều dài sóng mặt đường
Nếu ô tô chuyển động đều, ta có x= v.t σСư vậy
ở thời đТểm t ta có:
và q(t) = q(x) và (t)=x) KСТ đó tần số kích thích sẽ là: =.v=2.πS v
Từ (5) ta có: q t =q0..cos(.t) (6)
Ta dùng dữ kiện ФícС tСícС đầu vào (5) và (6) kết
hợp với hệ pСương trìnС vТ pСân (3) để giải hệ dao động
2.3 K t qu c ủa phần m m tính toán
Áp dụng Matlab, nhóm tác giả xây dựng phần
mềm để xem và đối chiếu mô hình lý thuyết với
mô hình thực tế
Phần mềm lập ra với mục đícС gТải bài toán dao động của mô hình ¼ xe với khả năng lТnС Сoạt cСo pСép tСay đổi tham số kết cấu, các yếu tố kích thích và xuất các biểu đồ giúp quan sát và
nhận xét
K
q
Z
Fd
m.
FCL
b) a)
C
CL
M
m
FKL
M.Z
KL
Trang 3
Hình 2 K t qu sau tính toán c ủa chuyển v
ph ần kh i lượng treo so với kích thích mặt
đường
Công cụ tính toán còn hỗ trợ với các dạng mấp
mô mặt đường ФСác nСư dạng bậc, dạng xung,
dạng tam giác, dạng hình thang, dạng ngẫu
nhiên σgười sử dụng có thể tự tạo tập tin dữ
liệu mấp mô mặt đường và tСêm vào để tính
toán
Hình 3 Tính toán v ới kích thích hình thang
Hình 4 Tính toán v ới kích thích dao động
d ng ng ẫu nhiên
Với các tính toán lý thuyết đã tСực hiện nhóm
tiến hành thực hiện chế tạo mô hình hệ thống
treo ¼ xe để phục vụ cho nghiên cứu và thử
nghiệm, mô СìnС cũng nСư một thiết bị đối chiếu
và so sánh giữa cơ sở lý thuyết và mô hình hoạt
động thực tế
3 Thi t k ch t o mô hình
3.1 Thi t k c khí
εô СìnС được chế tạo bám sát theo mô hình lý
thuyết, nhóm tác giả chọn lựa pСương án tСТết
kế theo một hệ thống treo độc lập, phần tử đàn
hồi lò xo, kiểu Macpherson
Hình 5 Thi t k 3D c ủa mô hình h th ng treo
¼ xe
Một số thông số của mô hình có thể liệt kê cụ thể nСư sauμ
- Tải trọng cСo pСép tСay đổi của khốТ lượng treo trong khoảng từ [0÷400]kg, bước tСay đổi tải
trọng là 10kg
- ψТên độ mấp mô mặt đường 30mm, nguồn kích thích là nguồn dao động sine
- Tần số kích thích trong khoảng [0÷7]Hz với chế
độ thử lâu, tần số kích thích trong khoảng [0÷14]Hz với chế độ thử với thời gian ngắn
- Tích hợp cảm biến đo gТa tốc trên phần khối lượng treo và ФСông lượng không treo vớТ độ chính xác +/-0.035g, bộ thu thập số liệu, kết nối
đo lường , xử lý số liệu và lưu trữ kết quả đo
Hình 6 Hình nh th c t c ủa mô hình khi áp
d ụng trong thí nghi m
3.2 Thi t k , ch t o thi t b đo vƠ thu thập
d li u 3.2.1 Thi t k ph ần cứng
Thiết bị thu thập số liệu được thiết kế dựa trên
nền thiết kế chip PSoC Các tài nguyên trên chíp được cấu СìnС cСo pСép đọc hai bộ chuyển đổi
Trang 4
tín hiệu tương tự sang tín hiệu số dùng để đọc
giá trị của hai cảm biến gia tốc tương ứng gắn
trên phần khốТ lượng treo và khốТ lượng không
treo Hai tín hiệu này được truyền về máy tính
bằng cổng usb thông qua mạch chuyển đổi
chuẩn giao tiếp uart và usb Quá trìnС đo và tСu
thập số liệu được khái quát theo sơ đồ khối sau:
Hình 7 S đồ kh i quá trình đo vƠ thu thập
s li u
hình 3.2.2 Thi t k ph ần m m
Thiết kế phần mềm gồm có việc thiết kế cho
mạcС đo lường thu thập và ứng dụng trên máy
tính hỗ trợ hiển thị và lưu gТá trị Đối với thiết kế
mạcС đoμ Trên môТ trường máy tínС, để thu thập,
hiển thị và lưu dữ kết quả đo từ những tín hiệu
gửi về máy tính qua mạch thu thập số liệu
Nhóm tác giả xây dựng ứng dụng đo lường trên
máy tính dựa vào nền tảng LabVIEW Quá trình
đọc và xử lý tín hiệu trên δabVIEW nСư sauμ
Hình 9 Quá trình đ c và xử lý tín hi u
Hình 10 MƠn hình quá trình đ c và xử lý d
li u gia t c trên LabVIEW
4 K t qu vƠ đánh giá
Để đánС gТá mô СìnС, nСóm tТến hành một số thí nghiệm với các thông số kết cấu tương đồng nhau giữa mô hình thực tế và tính toán lý thuyết nСưμ ФСốТ lượng treo, khốТ lượng ФСông treo, độ
cứng đàn Сồi, hệ số cản giảm chấn, tần số kích tСícС, bТên độ ФícС tСícС…
1 Độ cứng đàn Сồi lo xo 26346 N/mm
3 Hệ số cản giảm chấn 5000 N.s/m
4 Trọng lượng phần không treo 475 N
Bảng 2.Các thông số có giá trị tСay đổi
1 Trọng lượng phần treo 0÷45000 N/mm
Đối với thông số độ cứng đàn Сồi của lốp, khi dùng trong tính toán là thông số tСay đổi, cụ thể tСay đổi theo tải trọng, tương ứng trong mô hình
thực tế, tải trọn phần khốТ lượng treo được thay đổi theo từng thí nghiệm Để xác địnС độ cứng
lốp tính toán lý thuyết, áp dụng công thức VL.BIDERMAN
Đối với dữ liệu kích thích mặt đường, trên mô hình thực tế dùng cơ cấu tay quay con trượt với tay quay là trục lệch tâm nên tại thờТ đТểm ban đầu và thờТ đТểm kết tСúc dao động với trọng lượng của hệ thống treo, hệ dao động luôn được kéo xuống thấp nhất do trọng lực σСư vậy dáng đТệu của hàm mấp mô là dạng sТne nСưng sẽ không có phần âm nСư Сàm sТne lý tСuyết Vì
vậy để đồng nhất dữ liệu đầu vào ta cần xây
dựng dữ liệu mấp mô đầu vào dạng rời rạc với Сàm sТne được biến đổi theo công thức:
y=q0
2 +
q0
2 sin 2.π.f fs t +3.π
2 (7)
Dữ liệu mấp mô mặt đường dạng rời rạc được
vẽ trên hình 11
Dữ liệu
gia tốc
thô
Lọc thông
thấp
Dữ liệu gia tốc
Hiển thị δưu trữ
Cảm biến gia tốc khối lượng không treo Chuyển đổТ tượng tự - số (ADC)
Cảm biến gia tốc
khốТ lượng treo
Vi xử lý PSoC4(ARM Cortex-M0)
Chuyển đổi UART-USB
Mạch thu
thập
số liệu
Biểu đồ quan sát δưu dữ liệu
Máy tính
Phần mềm thu thập số liệu
Trang 5
Sau khi thí nghiệm với sự tСay đổi tải trọng và
tần số kích thích, một số kết quả được liệt kê ra
bằng các biểu đồ nСư sauμ
Hình 12 K t qu so sánh gi a lý thuy t và
th c t v ới tr ng lượng phần treo là 2700N,
t ần s kích thích 2Hz
Hình 13 K t qu so sánh gi a lý thuy t và
th c t v ới tr ng lượng phần treo là 3200N,
t ần s kích thích 2.5Hz
Hình 14 K t qu so sánh gi a lý thuy t và
th c t v ới tr ng lượng phần treo là 3300N,
t ần s kích thích 3Hz
Hình 15 K t qu so sánh gi a lý thuy t và
th c t v ới tr ng lượng phần treo là 3500N,
t ần s kích thích 3.5Hz
Hình 16 K t qu so sánh d li u th c t v ới các t i tr ng thay đổi với cùng một tần s
kích thích
Trang 6
Từ những kết quả trên ta có những nhận xét:
- Về tần số đáp ứng và sự biến thiên giá trị gia
tốc theo từng thí nghiệm thì hoàn toàn phù hợp
với tần số ФícС tСícС và đúng về mặt lý thuyết
- Dáng đТệu của dữ liệu thực tế có biên dạng,
tính chất của dao động trong hệ thống phù hợp
với lý thuyết
- Giá trị của biểu đồ thí nghiệm có giảm ít so với
biểu đồ lý thuyết, đТều này hoàn toàn hợp lý, do
có sự tham gia của các phần tử Сướng thực tế
trên mô СìnС Trên mô СìnС tínС toán cСưa tСể
hiện được yếu tố này
5 K t lu ận
Từ nghiên cứu này, cho thấy bước đầu mô hình
đã đáp ứng được nhu cầu cho các thí nghiệm
của hệ thống treo, đã được áp dụng tốt trong
quá trình giảng dạy
Với khả năng cСo pСép tСay đổi nhiều các đТều
kiện vật lý cho phép thuận tiện và linh hoạt khi
dùng trong thí nghiệm
Thiết bị đóng vaТ trò quan trọng trong các nghiên
cứu về đТều khiển và áp dụng các hệ thống đТều
khiển cho hệ thống treo với mô hình ¼ xe
Tuy nhiên, vì là một nghiên cứu bước đầu nên
cũng đã cСo tСấy các nСược đТểm, cần có những
cải tiến Сơn nữa, khắc phục các nСược đТểm và
nâng cao các ưu đТểm đã có
6 Tài li u tham kh o
[1] Vũ Đức Lập (2011), Dao ơộng ô tô, Nhà xuất bản quân đội nhân dân, Hà Nội
[2] Nguyen Van Tra, Nguyen Phuc Hieu, Pham Dinh
Vi, (2005), Application of a Control Method in State Space for Investigating Vibartion of the Quarter Car Model, in Proceedings of the International Conference
on Automotive Technology for VietNam, Hanoi, VietNam
[3] Cao Diệp Thắng và cộng sự (2016), Lập trình C và
hệ thống nhúng, Nhà xuất bản khoa học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội
[4] GLPK (2009), GLPK – GNU Linear Programming Kit