Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống treo đến dao động của xe đua fsae

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống treo đến dao động của xe đua sinh viên FSAE 51... Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng các thông số kết cấu đến độ êm dịu chuyển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

NGUYỄN KIỀU HƯNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU HỆ THỐNG TREO ĐẾN DAO ĐỘNG

CỦA XE ĐUA FSAE

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực

Mã số : 8520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÁI NGUYÊN - 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

NGUYỄN KIỀU HƯNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU HỆ THỐNG TREO ĐẾN DAO ĐỘNG

CỦA XE ĐUA FSAE

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực

Mã số : 8520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

PGS.TS LÊ VĂN QUỲNH TS NGUYỄN KHẮC TUÂN

THÁI NGUYÊN - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Nguyễn Kiều Hưng

Học viên: Lớp Cao học K18 - Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Nơi công tác:

Tên đề tài luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết

cấu hệ thống treo đến dao động xe đua FSAE

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

Mã số: 8520116

Đây là công trình nghiên cứu của tôi với sự hướng dẫn của thầy giáo

TS Nguyễn Khắc Tuân Trong quá trình làm luận văn tôi có sử dụng tài liệu tham khảo là một số đề tài nghiên cứu, một số tiêu chuẩn ISO, tiêu chuẩn Việt Nam và kế thừa một số kết quả nghiên cứu của các đề tài đã được ứng dụng

để làm cơ sở cho luận văn

Tôi cam đoan các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018

Tác giả

Nguyễn Kiều Hưng

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập, nghiên cứu làm đề tài luận văn thạc sỹ, tôi đã nhận được sự truyền đạt, trao đổi phương pháp tư duy, lý luận của quý thầy

cô trong Nhà trường, Khoa Kỹ thuật Ô tô & Máy động lực Trường Đại học

Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên và các đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám hiệu nhà trường, Tổ đào tạo sau đại học - Phòng Đào tạo, quý thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Khắc Tuân và tập thể cán bộ giáo viên Khoa Kỹ thuật Ô tô & Máy động lực đã hướng dẫn cho tôi hoàn thành luận văn

Trong quá trình thực hiện, mặc dù đã có nhiều cố gắng song do kiến thức

và kinh nghiệm chuyên môn còn hạn chế nên luận văn còn nhiều thiếu sót, rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

Nguyễn Kiều Hưng

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN xii

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU 2

1.1 Giới thiệu về xe F-SAE (Formula Student) 4 1.2 Giới thiệu về hệ thống treo xe đua sinh viên 5 1.2.1 Phân tích đặc điểm cấu tạo của hệ thống treo xe đua sinh

1.4.4 Gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động 16 1.4.5 Chỉ tiêu đánh giá tải trọng động bánh xe 17

1.4.6 Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với môi trường 17

1.4.8 Chỉ tiêu về không gian bố trí hệ thống treo 18 1.4.9 Chỉ tiêu về độ bám của bánh xe với mặt đường 19

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DAO

ĐỘNG XE ĐUA SINH VIÊN

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG

SỐ KẾT CẤU HỆ THỐNG TREO ĐẾN DAO ĐỘNG XE ĐUA

3.2 THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ, CHẠY MÔ HÌNH VÀ

XUẤT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRONG ADAMS

43

3.3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KẾT

CẤU HỆ THỐNG TREO ĐẾN DAO ĐỘNG XE ĐUA FSAE

46

3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ chuyển động đến dao 46

động của xe

3.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống

treo đến dao động của xe đua sinh viên FSAE

51

DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN

Bảng 1.1 Một số hệ thống treo trên xe FSAE 12

Bảng 1.2 Mối liên hệ giữa tần số dao động với gia tốc và vận

Bảng 3.1 Thông số xe đua sinh viên FSAE do trường Đại học

Kỹ Thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên chế tạo

DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1 Phần tử dẫn hướng của hệ thống treo 6

Hình 1.2 Cấu tạo một bên của hệ thống treo của xe đua FSAE 7

Hình 1.3 Cấu tạo của đòn ngang dạng chữ A 7

Hình 1.4 Hai giảm chấn trước dọc theo xe, hai giảm chấn sau

ngang theo xe

8

Hình 1.5 Hai giảm chấn trước song song khung hai bên xe, hai

giảm chấn sau dọc theo xe

Hình 1.11 Sơ đồ liên hệ của hệ thống Người - Xe - Đường 13

Hình 2.1 Bệ thử dao động ô tô loại băng chuyển động 22

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý bệ thử dao động ô tô kiểu thủy lực

Hình 2.5 Sơ đồ các phương pháp mô phỏng 26

Hình 2.6 Phương pháp mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương

Hình 2.8 Mô phỏng hệ thống treo bằng phần mềm Adams 30

Hình 2.9 Hai giảm chấn thẳng đứng, với hai đòn chữ A 31

Hình 2.10 Hai giảm chấn đặt ngang, với hai đòn chữ A 31

Hình 2.11 Hai giảm chấn đặt thẳng trên hai đòn chữ A 31

Hình 2.13 Lực tác dụng lên khối lượng được treo và không được

treo

34

Hình 2.14 Cấu trúc Simulink nghiên cứu dao động mô hình ¼ xe 35

Hình 2.15 Mô hình ¼ hệ thống treo theo Adams 37

Hình 2.16 Màn hình mô phỏng và in kết quả trong Adams 38

Hình 2.17 Gia tốc theo phương thẳng đứng của khối lượng được

Hình 3.4 Đồ thị khi thay đổi thông số của hệ số cản 44

Hình 3.5 Đồ thị thay đổi thông số của lò xo 44

Hình 3.6 Gia tốc dài của khung theo phương X 45

Hình 3.7 Gia tốc dài của khung theo phương Y 45

Hình 3.8 Gia tốc dài của khung theo phương Z 45

Hình 3.9 Gia tốc bình phương trung bình của khung theo

Hình 3.18 Gia tốc theo phương Z khi C t = C c ; K t = 0,25K c 52

Hình 3.19 Gia tốc theo phương Z khi C t = C c ; K t = 0,5K c 52

Hình 3.20 Gia tốc theo phương Z khi C t = C c ; K t = 1,5K c 53

Hình 3.21 Gia tốc theo phương Z khi C t = C c ; K t = 2K c 53

Hình 3.22 Gia tốc khung xe theo phương Z khi thay đổi K và giữ

nguyên C

54

Hình 3.23 Gia tốc theo phương Z khi K t = K c ; C t = 02,5C c 55

Hình 3.24 Gia tốc theo phương Z khi K t = K c ; C t = 0,5C c 55

Hình 3.25 Gia tốc theo phương Z khi K t = K c ; C t = 1,5C c 55

Hình 3.26 Gia tốc theo phương Z khi K t = K c ; C t = 2C c 56

Hình 3.27 Gia tốc khung xe theo phương Z khi thay đổi C và giữ

nguyên K

57

Hình 3.28 Gia tốc bình phương trung bình khung xe theo

phương Z khi thay đổi cả C và K với v = 90km/h

58

Hình 3.29 Gia tốc bình phương trung bình khung xe theo

phương Z khi thay đổi cả C và K với v = 10km/h

59

Hình 3.30 Gia tốc bình phương trung bình khung xe theo

phương Z khi thay đổi cả C và K với v = 60km/h

59

Hình 3.31 Gia tốc bình phương trung bình khung xe theo

phương Z khi thay đổi cả C và K với v = 70km/h

60

Hình 3.32 Gia tốc bình phương trung bình khung xe theo

phương Z khi thay đổi cả C và K với v = 80km/h

60

Hình 3.33 Vùng gia tốc khung xe theo phương Z khi thay đổi C 61

Hình 3.34 Vùng gia tốc khung xe theo phương Z khi thay đổi K 62

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

hiệu

Đơn

vị

3 Độ cứng của phần tử đàn hồi hệ thống treo K 1 N/m

12 Chuyển vị thân xe theo phương thẳng đứng Z cm

13 Lực tác dụng từ mặt đường theo phương thẳng

PHẦN MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Xe đua sinh viên (Formula Student) hay còn gọi là Formula SAE là cuộc thi được tổ chức bởi hiệp hội kỹ sư ô tô SAE (Society of Automotive Engineers) dành cho sinh viên các trường Đại học và Cao đẳng chuyên ngành

kỹ thuật trên toàn thế giới, được bắt đầu vào năm 1981 Tuy nhiên, ở Việt Nam đây vẫn được coi là sân chơi hoàn toàn mới mẻ Mặc dù vậy, cũng đã có một số trường nghiên cứu và chế tạo thành công như Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên cho ra đời chiếc xe đua sinh viên thế hệ thứ nhất Năm 2014, nhóm sinh viên Đại học Bách Khoa Hà Nội cũng cho ra đời chiếc xe đua sinh viên và đã mang sang Nhật thi đấu Đó là niềm tự hào của không chỉ sinh viên mà còn của tất cả những ai theo ngành cơ khí động lực ở Việt Nam

Vì lý do đó, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống treo đến dao động của xe đua FSAE” làm luận

văn thạc sĩ dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Khắc Tuân Trong luận văn này, tác giả sử dụng mô hình xe đua sinh viên của trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên và một số công trình nghiên cứu trước đó để làm tư liệu Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng các thông số kết cấu đến độ êm dịu chuyển động của xe đua sinh viên, từ đó chọn

ra những thông số tối ưu cho hệ thống Luận văn dựa trên tiêu chuẩn về gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động (theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 (1997-E)) Kết quả của luận văn đã đưa ra được bộ thông số thiết kế tối ưu cho hệ thống treo xe FSAE nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động của

xe

2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Mục đích nghiên cứu:

Xây dựng được mô hình cho phép mô phỏng hoạt động, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống treo nhằm nâng cao tính êm dịu chuyển động của xe đua sinh viên FSAE

Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là hệ thống treo xe đua sinh viên

do nhóm tác giả Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên thiết kế và chế tạo

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu thông qua phương pháp mô hình hóa hệ thống và mô

phỏng số bằng phần mềm chuyên dụng

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU

Ý nghĩa khoa học của nghiên cứu:

- Việc nghiên cứu thông qua mô hình hóa và mô phỏng hệ thống treo cho phép nghiên cứu một cách chi tiết ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau đến động học và động lực học của ô tô mà không cần đến mô hình thực;

- Phương pháp nghiên cứu trong luận văn cho phép áp dụng nghiên cứu cho các hệ thống treo trên các loại ô tô khác nhau;

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu có thể giúp lựa chọn được các thông số kết cấu hợp lý, làm cơ sở định hướng khoa học cho giai đoạn thiết kế ban đầu

Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu:

Luận văn cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống treo đến độ êm dịu chuyển động của xe, từ đó xác định được vùng thông số kết cấu tối ưu của các chi tiết trong hệ thống treo trên ô tô Đây có thể là một tài liệu tham khảo cho việc tính toán, thiết kế chế tạo hệ thống treo trên các ô tô khác nhau Nếu được áp dụng trong thực tế nó sẽ góp phần giảm chi phí, tiết kiệm thời gian và giảm giá thành sản phẩm do giảm được thời

gian nghiên cứu thực nghiệm Do vậy, đề tài có ý nghĩa thực tiễn lớn nhất là

trong sự phát triển của xe đua sinh viên FSAE

5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu các nội dung sau:

Chương I TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG TREO XE ĐUA SINH VIÊN

+ Giới thiệu về xe F-SAE (Formula Student);

+ Giới thiệu về hệ thống treo xe đua sinh viên;

+ Tổng quan về các nghiên cứu;

+ Các tiêu chuẩn đánh giá;

Chương III NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG XE ĐUA SINH VIÊN VỚI

SỰ TRỢ GIÚP CỦA PHẦN MỀM ADAM

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến dao động xe đua FSAE bằng phần mềm Adam;

+ Nghiên cứu tối ưu một số thông số chính của xe đua FSAE

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Mục đích chương này là nghiên cứu tổng quan về xe đua và hệ thống treo xe đua sinh viên FSAE; phân tích các nghiên cứu có liên quan đến dao động xe đua sinh viên FSAE; tìm hiểu các tiêu chuẩn đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô nói chung từ đó đề xuất nội dung nghiên cứu của đề tài

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

Xe đua sinh viên (Formula Student) là chiếc xe có thể đạt tốc độ lên đến 100 km/h, có nghĩa bằng khoảng 1/3 tốc độ tối đa của một chiếc xe F1 ngoài trường đua

Mỗi bộ phận, hệ thống trên xe được quy định rõ ràng trong bộ luật do ban tổ chức đưa ra  21 Trong đó, một số tiêu chuẩn kỹ thuật quan trọng để một chiếc xe đua sinh viên được phép tham gia vào cuộc thi như sau:

+ Hình dạng xe:

- Xe phải có bốn bánh và khoang lái hở (giống xe đua công thức 1);

- Chiều dài cơ sở của xe phải không nhỏ hơn 1525 mm;

- Vết bánh trước hoặc bánh sau không nhỏ hơn 75% của vết bánh lớn nhất

+ Về động cơ:

Động cơ trên xe đua sinh viên được quy định phải là loại động cơ 4 kỳ, dung tích xy lanh không vượt quá 600cm3, công suất động cơ được giới hạn không quá 100 mã lực (tương đương khoảng 74 Kw)

+ Hệ thống treo:

- Mỗi chiếc xe đua sinh viên được tùy chọn sử dụng hệ thống treo Nhưng để đảm bảo tối ưu về độ êm dịu và ổn định hướng chuyển động, các đội đua thường sử dụng hệ thống treo độc lập Mac Pherson hoặc hệ thống treo xương đòn kép (Double – Wishbone Suspension);

- Xe phải được trang bị hệ thống treo đầy đủ với giảm chấn trước và sau, bánh xe dịch chuyển một khoảng ít nhất là 50,8 mm với 25,4 mm khi nén

và 25,4 mm khi trả;

- Kích thước lốp không nhỏ hơn 203,2 mm;

- Xe sử dụng lốp khô, nếu lốp ướt thì talong lốp (hoa lốp) phải lớn hơn 2,4 mm

- Hệ thống phanh phải có hai đường dầu độc lập;

- Đèn phanh tối thiểu là 15 W

1.2 Giới thiệu về hệ thống treo xe đua sinh viên

1.2.1 Phân tích đặc điểm cấu tạo của hệ thống treo xe đua sinh viên

Để đảm bảo tối ưu về độ êm dịu và ổn định hướng chuyển động, các xe đua sinh viên thường sử dụng hệ thống treo độc lập Mac Pherson hoặc hệ

thống treo xương đòn kép (Double – Wishbone Suspension) Mỗi hệ thống treo phía trước và phía sau đều được bố trí hai càng chữ A Hệ thống treo loại này còn được gọi là hệ thống treo độc lập trên hai đòn ngang

Hình 1.1 Phần tử dẫn hướng của hệ thống treo

1- Bánh xe; 2- Đòn trên; 3- Khớp trụ trên; 4- Khớp cầu trên; 5- Khớp

cầu dưới; 6- Khớp trụ dưới

Hình 1.1 mô tả hệ treo độc lập trên hai đòn ngang, bao gồm một đòn ngang trên, một đòn ngang dưới có các đầu trong liên kết với khung, vỏ xe bằng khớp trụ, các đầu ngoài liên kết bằng khớp cầu với đòn đứng Đòn đứng nối cứng với trục bánh xe Đòn đứng có chức năng như trụ đứng trong hệ thống treo phụ thuộc Bánh xe có thể quay quanh đường nối tâm của hai khớp cầu Hai bên bánh xe đều dùng hệ treo này và được đặt đối xứng qua mặt phẳng dọc giữa xe

Khớp cầu: Ràng buộc chuyển vị tương đối tại một điểm Như vậy khớp cầu hạn chế 3 bậc tự do tịnh tiến, còn lại 3 bậc tự do quay

Khớp trụ: Ràng buộc 5 bậc tự do, chỉ cho phép phần tử tịnh tiến dọc

Hình 1.2 Cấu tạo một bên của hệ thống treo của xe đua FSAE [24]

Các đòn chữ A được cấu tạo tương đơn đối đơn giản, gồm hai ống thép hợp kim hàn lại với nhau tạo ra một góc khoảng 450, đầu trong liên kết với khung hay vỏ xe bằng khớp trụ còn các đầu ngoài liên kết bằng khớp cầu với đòn đứng

Hình 1.3 Cấu tạo của đòn ngang dạng chữ A [25]

1.2.2 Một số sơ đồ hệ thống treo thực tế

Có rất nhiều cách bố trí hệ thống treo trên xe đua sinh viên tùy thuộc vào cách đặt bộ phận giảm chấn Sau đây tác giả sẽ giới thiệu một số hệ thống treo được ưa chuộng cho một chiếc xe FSAE [6,11,24,25]

Hình 1.4 Hai giảm chấn trước dọc theo xe, hai giảm chấn sau ngang theo xe

Hình 1.5 Hai giảm chấn trước song song khung hai bên xe, hai giảm chấn

sau dọc theo xe

Hình 1.6 Một giảm chấn trước ngang xe, một giảm chấn sau dọc xe

Hình 1.7 Hai giảm chấn trước dọc theo xe, hai giảm chấn sau đặt thằng đứng

Hình 1.8 Hai giảm chấn trước hợp thành hình chữ V, hai giảm chấn sau dọc

theo xe

Hình 1.9 Giảm giảm chấn trước và hai giảm chấn sau đặt thẳng đứng

1.3.3 Trong nước

Xe đua sinh viên là một lĩnh vực rất mới mẻ với sinh viên Việt Nam Tuy nhiên, đã có một số công trình nghiên cứu về dao động ô tô sinh viên như sau:

- Công trình “Giải mã công nghệ thiết kế, chế tạo xe đua sinh viên SAE” [4] Tác giả TS Nguyễn Khắc Tuân, đề tài cấp cơ sở, Đại học Kỹ Thuật

F-Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên, 2013 Trong công trình này, tác giả đã xây dựng được mô hình dao động không gian xe đua sinh viên, từ đó thiết kế nên chiếc xe đua FSAE Tác giả đã dùng chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình để đánh giá độ êm dịu chuyển động của xe đua sinh viên này và cho ra kết quả đáp ứng được yêu cầu đề ra

- Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống treo cho xe Formula Student  1 , Nguyễn Thành Công, 2014 Luận văn Thạc sỹ, Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên Trong công trình này, tác giả sử dụng

hệ thống treo trên chiếc xe đua sinh viên do nhóm nghiên cứu thuộc đại học

Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên chế tạo năm 2013 Tác giả đã

sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hệ thống treo và chỉ tiêu về gia tốc bình phương trung bình theo thời gian để đánh giá độ êm dịu chuyển động của xe Qua đó, tác giả đã lựa chọn được bộ thông số kết cấu tối ưu cho hệ thống treo xe đua sinh viên FSAE

- Nghiên cứu dao động ô tô bằng phần mềm Adams, Vũ Khắc Trai,

2011 [5] Luận văn Thạc sỹ, Trường Học viện Kỹ thuật Quân sự Trong công trình này, tác giả nghiên cứu dao động của ô tô bằng phương pháp hệ nhiều vật và mô hình hóa hệ dao động số Đồng thời tác giả có giới thiệu sơ lược về phần mềm Adam car và dùng mô hình hệ thống treo có sẵn trong thư viện để khảo sát dao động của ô tô

- Thiết kế, chế tạo xe đua sinh viên thuộc nhóm sinh viên đại học Bách Khoa Hà nội Nhóm tác giả đã cho ra đời một chiếc xe đua hoàn chỉnh và đã mang sang Nhật thi đấu năm 2014 với mã số 86 Đây là chiếc xe đua sinh viên đầu tiên của Việt Nam tham gia thi đấu trên trường quốc tế

1.3.4 Trên thế giới

Xe đua sinh viên là lĩnh vực được các nhà nghiên cứu ô tô trên thế giới rất quan tâm Hàng năm, có những cuộc thi được tổ chức để tạo điều kiện cho sinh viên trên toàn thế giới tham gia thi tài Từ đó, những chiếc xe mang thương hiệu sinh viên được ra đời Dưới đây là một số nghiên cứu về dao động xe đua sinh viên trên thế giới:

- Race Car Vehicle Dynamics [16], Milliken; William F & Milliken;

Douglas L (1995), SAE Inc, USA Cuốn sách này đặt ra những quy định kỹ của chiếc xe đua nói chung và các nội quy để các đội tham gia cuộc thi tuân theo

- Dynamik der Fahrzeuge [14], Mitschke (1970) Cuốn sách đó gồm

200 trích dẫn; riêng quyển B viết về dao động ôtô Trong đó hầu hết ông đề cập đến các mô hình dao động của ô tô du lịch

- Một số đội đua trên thế giới cho ra đời những chiếc xe đua sinh viên khá hoàn chỉnh cả về thiết kế lẫn tính năng vận hành, đặc biệt là hệ thống treo Hầu hết các đội đều sử dụng phần mềm Adam để thiết kế chiếc xe đua sinh viên của mình

Bảng 1.1 Một số hệ thống treo trên xe FSAE [22]

TREO TRƯỚC

HỆ THỐNG TREO SAU

ĐỘI MADI

FSM3 Indigo (2009) FSM3 Indigo (2010) FSM4 Rebel (2011) FSM5 (2012)

Hai càng A và thanh đẩy

Hai càng A và thanh kéo

ĐỘI MAMI

Iguana Evo (2009) Iguana Evo4 (2012) Iguana Generation 6 (2013)

Hai càng A và thanh đẩy

Hai càng A và thanh kéo

ĐỘI Bauman

Racing BRT-2

Hai càng A và thanh đẩy

Hai càng A và thanh kéo Nhìn chung, các nghiên cứu đều tập trung vào một số vấn đề sau:

- Nghiên cứu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô;

- Nâng cao độ êm dịu chuyển động của ô tô thông qua việc nghiên cứu các hệ thống treo và các phần tử hệ thống treo;

- Nghiên cứu nguồn gây dao động;

- Giải bài toán dao động ô tô

1.4 Các tiêu chuẩn đánh giá sự êm dịu chuyển động của ô tô

Theo quan điểm độ êm dịu chuyển động thì dao động của ô tô được nghiên cứu thông qua ảnh hưởng của nó đến cơ thể con người và hàng hóa trên xe

Độ êm dịu chuyển động của ô tô có thể hiểu là tập hợp các tính chất đảm bảo hạn chế các tác động ảnh hưởng xấu của dao động tới con người, hàng hoá, đến các kết cấu của ô tô và đường

Với khái niệm về độ êm dịu chuyển động ở trên, ta thấy: Một ô tô 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 Khi nghiên cứu dao động theo quan điểm này người ta sử dụng mô hình

người - xe - đường, sơ đồ nghiên cứu như hình 1.11

Hình 1.11 Sơ đồ liên hệ của hệ thống Người - Xe - Đường

Mô hình này phản ánh mối quan hệ qua lại giữa ô tô, con người và đường giao thông Trong các nghiên cứu trước đây thì các thông số dao động ảnh hưởng đến con người thường được xác định từ mô hình dao động tương đương của ô tô Các mô hình này được nghiên cứu một các riêng rẽ phụ thuộc vào các mục đích nghiên cứu Ví dụ như: mô hình ¼ dùng để đánh giá chất

lượng hệ thống treo [9,10]; mô hình phẳng đánh giá các dao động liên kết giữa các cầu cũng như giữa các bánh xe trong mặt phẳng dọc hoặc ngang xe;

mô hình toàn bộ xe nhằm xác định các thông số dao động góc xung quanh các trục dọc và ngang xe

Có rất nhiều tiêu chuẩn để đánh giá độ êm dịu chuyển động của xe như tần số dao động; gia tốc và vận tốc dao động; công suất dao động; gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động; chỉ tiêu về tải trọng động; chỉ tiêu về mức độ thân thiện với môi trường; chỉ tiêu về độ bền chi tiết; chỉ tiêu về không gian bố trí hệ thống treo; chỉ tiêu độ bám của bánh

xe với mặt đường; cường độ dao động;… Sau đây tác giả sẽ giới thiệu một

số tiêu chuẩn thường được dùng để đánh giá sự êm dịu chuyển động của

xe

1.4.1 Tần số dao động

Tần số dao động quyết định đến độ êm dịu chuyển động của xe Tần

số dao động được quy định cụ thể như sau:

Xe chở người: f = 1  1,5 Hz hay  = (1  1,5)2 rad/s

hoặc  = 60  90 lần/ph

Xe chở khách: f = 1,5  2 Hz hay  = (1,5  2)2 rad/s

hoặc  = 90  120 lần/ph

Trên xe đua sinh viên, tác giả chọn tần số dao động sau:

f = 1  1,5 Hz hay  = (1  1,5)2 rad/s hoặc  = 60  90 lần/ph

1.4.2 Gia tốc và vận tộc dao động

Gia tốc và vận tốc ảnh hưởng lớn đến độ êm dịu chuyển động của xe Gia tốc của xe (Z) được giới hạn như sau:

Giới hạn cảnh báo: Z = 3m/s2

Giới hạn can thiệp: Z = 5m/s2

Theo kết quả đề tài 58A-02-04 của Viện Bảo hộ lao động thì mức cho phép với thời gian tác động 480 phút đối với nhóm 1 (là hành khách trên các

phương tiện giao thông) ta có bảng thể hiện mối liên hệ giữa tần số giao động với gia tốc và vận tốc dao động như sau:

Bảng 1.2 Mối liên hệ giữa tần số dao động với gia tốc và vận tốc dao động

Tần số (Hz)

Mức cho phép Gia tốc (m/s 2 ) Vận tốc (m/s) Phương Z Phương X, Y Phương Z Phương X, Y

Kết hợp tần số dao động và gia tốc gia động, người ta đưa ra chỉ tiêu về

độ êm dịu K như sau:

K = 1, 25 2

1 0, 01

Z f

18

1 0, 01

c Z f

 (1-1)

Trong đó:

Z (m/s2); f (Hz); Z clà độ lệch quân phương gia tốctheo phương thẳng đứng

Độ êm dịu K được đánh giá như sau:

Với xe chạy trong thời gian dài thì K = 10  25;

Với xe chạy trong thời gian ngắn thì K = 25  63

Tuy nhiên, gia tốc tác động đến người ngồi trên xe thay đổi liên tục nên nếu dùng độ lệch quân phương gia tốc thì thích hợp hơn Nhưng hạn chế của việc dùng độ lệch quân phương gia tốc là chưa có tài liệu chính thức nào đưa

1.4.4 Gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động

Theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 (2005) [12] hay còn gọi là TCVN 6964-1:

2001 đưa ra chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của xe thông qua gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng

awz =

1/2 2

0

1 ( )

T t

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

T: Thời gian khỏa sát

aw(t): Gia tốc theo thời gian

Tiêu chuẩn ISO 2631-1  5 có ưu điểm là thuận lợi cho việc phân tích

và đánh giá dao động toàn bộ của xe Trong luận văn này, tác giả sử dụng tiêu chuẩn ISO 2631-1 để đánh giá sự êm dịu chuyển động của xe đua sinh viên Với việc tối ưu hóa các thông số kết cấu của hệ thống treo xe đua sinh viên đã cho ra kết quả là gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng awz

< 0,315 m/s2

1.4.5 Chỉ tiêu đánh giá tải trọng động bánh xe

Tải trọng động bình phương trung bình:

FdMRS =

1/2 2

0

1 ( )

T d

FdMRS: Tải trọng động bình phương trung bình;

Fd(t): tải trọng động theo thời gian;

T: Thời gian khảo sát

Hệ số tải trọng động DLC (Dynamic Load Coeficient):

DLC = dMRS

t

F

F (1-5) Trong đó: Ft: Tải trọng tĩnh

Với tải trọng động bình phương trung bình DLC = 0,05  0,3 thì xe đạt

độ êm dịu trong chuyển động

1.4.6 Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với môi trường

Càng ngày ô tô càng có tải trọng lớn Vì thế, tải trọng kinh tế của cầu đường trong lĩnh vực giao thông ngày càng được đánh giá cao Có rất nhiều nghiên cứu về sự ảnh hưởng của dao động ô tô đối với cầu đường, đi đầu là các nhà nghiên cứu của Anh, Mỹ Các nghiên cứu chỉ ra rằng mức độ ảnh hưởng của dao động ô tô đến cầu đường tỷ lệ với số mũ bậc 4 của áp lực bánh

xe lên đường Người ta đưa ra khái niệm hệ số áp lực đường W (Road stress Coeficient) [14] dùng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động ô tô với

cầu đường Từ đó, Wilkinson đã nêu ra công thức xác định hệ số áp lực đường W như sau:

Max(Fz,dyn): Tải trọng động cực đại bánh xe;

Fz,st: Tải trọng tĩnh bánh xe

Khi xe có n bánh xe thì áp lực tác dụng lên toàn bộ xe là:

W =

, 1

, 1

( )

n

z st n

n

z st n

1.4.7 Chỉ tiêu về độ bền chi tiết

Người ta đánh giá độ êm dịu chuyển động của xe nhờ chỉ tiêu về độ bền chi tiết thông qua hệ số tải trọng động cực đại theo công thức:

Fz,dyn: Tải trọng động bánh xe;

Fz,st: Tải trọng tĩnh bánh xe

1.4.8 Chỉ tiêu về không gian bố trí hệ thống treo

Chỉ tiêu về không gian bố trí hệ thống treo chỉ ra khả năng chọn độ võng động và độ võng tĩnh cũng như việc xác lập vị trí đặt vấu hạn chế hành trình treo:

ftdyn  y = max ( - z)  fndyn (1-10) Trong đó:

( - z): chuyển vị tương đối giữa khối lượng không được treo và khối lượng được treo;

1.4.9 Chỉ tiêu về độ bám của bánh xe với mặt đường

Chỉ tiêu về độ bám của bánh xe với mặt đường được đánh giá bằng độ lệch quân phương của dịch chuyển tương đối giữa tâm bánh xe và mặt đường thông qua công thức:

Dz   / 3; với  = 2,5 cm là biến dạng của lốp

- KB = 20: Giới hạn êm dịu;

- KB = 50: Giới hạn điều khiển;

- KB = 125: Giới hạn gây bệnh lý

1.5 Kết luận chương 1

Qua nghiên cứu các tài liệu đã công bố liên quan đến xe đua sinh viên

và hệ thống treo xe đua FSAE cho thấy, các công bố tập trung chủ yếu vào việc thiết kế một chiếc xe đua hoàn chỉnh và tiến hành thử nghiệm tổng thể

toàn xe, do vậy chưa xem xét kỹ bài toán tối ưu cho từng cụm, hệ thống của

xe đua FSAE trong đó có hệ thống treo Với mục tiêu cung cấp thêm cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu cho việc thiết kế tối ưu hệ thống treo xe đua sinh viên FSAE, đề tài này lựa chọn phương pháp nghiên cứu là mô phỏng lý thuyết bằng phần mềm chuyên dùng, lựa chọn chỉ tiêu đánh giá hệ thống treo là gia tốc dao động bình phương trung bình theo phương thẳng đứng theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 Nội dung chính của đề tài như sau:

- Chương 1: Nghiên cứu tổng quan;

- Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu dao động xe đua sinh viên;

- Chương 3: Nghiên cứu dao động xe đua sinh viên với sự trợ giúp của phần mềm Adam

phương pháp phù hợp để nghiên cứu dao động xe đua sinh viên

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG Ô TÔ

Khi ô tô chuyển động trên đường không bằng phẳng sẽ gây ra dao động

ở phần không được treo và phần được treo của ô tô Dao động của vỏ ô tô (phần được treo) sẽ xác định tính êm dịu chuyển động của ô tô

Tính êm dịu chuyển động của ô tô đặc trưng cho khả năng ô tô có thể chuyển động lâu dài trên đường mà không gây mệt mỏi cho người lái và hành hành khách mặc dù chịu các tác động của dao động

Dao động của ô tô thường đặc trưng bằng các thông số như: chu kỳ hay tần số dao động, biên độ dao động, gia tốc và tốc độ tăng trưởng gia tốc Vì vậy, các thông số trên thường được dùng làm chỉ tiêu để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô Ngày nay, chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động ô

tô thường được sử dụng nhất là gia tốc dao động bình phương trung bình theo phương thẳng đứng [12] với các giá trị được qui chuẩn theo tiêu chuẩn ISO

2631-1 (2005) như đã trình bày trong chương 1

2.1.1 Phương pháp thực nghiệm

Việc nghiên cứu dao động ô tô bằng phương pháp thực nghiệm có thể tiến hành trong phòng thí nghiệm hoặc trên đường Thử dao động trong phòng thí nghiệm cho phép rút ngắn thời gian tạo được các điều kiện dao động theo yêu cầu và giảm được phương tiện, kinh phí cho thí nghiệm

a Nghiên cứu dao động ô tô bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm

Khi nghiên cứu trong phòng thí nghiệm người ta có thể tạo ra dao động bằng phương pháp sau [27]:

- Ghìm chặt vỏ ô tô xuống sâu sau đó thả đột ngột để vỏ ô tô dao động;

- Nâng toàn bộ ô tô lên độ cao khoảng 50 - 60mm bằng bệ chuyên dùng

Việc nghiên cứu dao động ô tô có thể tiến hành trên các băng thử khác

nhau Trên hình 2.1 trình bày sơ đồ bệ thử dao động ô tô loại băng chuyển

động [25] Ô tô được giữ trên bệ thử bằng dây cáp Các bánh xe của ô tô được đặt trên băng chuyển động 2, trên băng có ụ nhấp nhô 1, khi ụ nhấp nhô 1 chạm vào các bánh xe trước hoặc các bánh xe sau sẽ gây lên dao động cho ô

tô Dao động này được ghi lại trên cuộn băng giấy 4 được dẫn động bằng động cơ điện 3 Ngoài ra nhờ các cảm biến khác ta có thể ghi được gia tốc và tốc độ dao động

Hình 2.1 Bệ thử dao động ô tô loại băng chuyển động

Trên hình 2.2 trình bày sơ đồ nguyên lý của băng thử với bộ rung kiểu

thủy lực điện từ [25]

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý bệ thử dao động ô tô kiểu thủy lực điện từ [27]

Trên hình 2.3 trình bày các đường cong dao động được ghi trên bệ thử

Từ các đường cong này ta có thể xác định được chu kỳ dao động T của vỏ ô

tô ( phần được treo) và Tbx của các bánh xe, xác định các chuyển dịch z1, z2 và

z3 Từ các thông số này có thể xác định tần số dao động và độ tắt dần của dao động

Hình 2.3 Các đường cong dao động của ô tô được ghi trên bệ thử [27]

1 Các bánh xe trước; 2 Vỏ ô tô nằm trên các bánh xe trước;

3 Các bánh xe sau; 4 Vỏ ô tô nằm trên các bánh xe sau

Nếu dùng các cảm biến gia tốc ta có thể ghi các gia tốc của các điểm và

từ đó phân tích được tác động của các thông số dao động đến con người và hàng hóa

Ngoài ra trong phòng thí nghiệm tùy theo mục tiêu nghiên cứu có thể tiến hành các thí nghiệm dao động khác nhau như xác định độ lắc ngang,

Hình 2.4 Thí nghiệm xác định độ lắc ngang của ô tô [27]

b Nghiên cứu dao động của ô tô bằng thực nghiệm trên đường

Khi thí nghiệm trên đường để xác định độ êm dịu chuyển động của ô

tô, người ta đo gia tốc thẳng đứng và gia tốc ngang, đo các chuyển dịch thẳng đứng của vỏ và bánh xe ô tô

Gia tốc của vỏ ô tô được ghi nhờ các gia tốc kế đặt ở các điểm khác nhau như ghế ngồi, sàn xe… Gia tốc góc của vỏ ô tô được ghi bằng các dụng

cụ loại con quay Chuyển dịch của vỏ ô tô được ghi bằng cách quay phim khi thí nghiệm hoặc bằng cách chụp ảnh các điểm phát sáng được gắn trên ô tô

Thí nghiệm được tiến hành cả khi đầy tải và khi không tải, riêng đối với ô tô du lịch thường chỉ tiến hành khi đầy tải Độ êm dịu chuyển động của

ô tô được xác định trên ba loại đường: tốt, xấu và trung bình

Tốc độ chuyển động của ô tô khi thí nghiệm được chọn tùy theo loại đường Thí dụ đối với ô tô du lịch dung tích nhỏ chạy trên đường nhựa tốt tốc

độ có thể đạt 50; 70 và 90km/h và đối với xe khách từ 30 - 90km/h, còn khi chạy trên đường nhựa xấu đã bị hư hỏng thì tốc độ đối với xe du lịch dung tích nhỏ là 30; 45; 60 và 75km/h, còn đối với xe khách và xe tải là 40; 45 và

60 km/h

Đối với đường đất xấu tốc độ thí nghiệm chỉ ở 10; 20 và 30 km/h Chiều dài đoạn đường thí nghiệm đối với đường nhựa tốt thường là 1000m còn đối với các loại đường xấu hơn có tốc độ thấp chiều dài đoạn đường thí nghiệm có thể chọn 700; 500 và 250m

2.1.2 Phương pháp mô phỏng nghiên cứu dao động ô tô

Mô phỏng là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số và dùng phương pháp số để tìm các lời giải Đây là phương pháp hữu hiệu để nghiên cứu đối tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật trong tự nhiên cũng như trong kỹ thuật Ngày nay, với sự trợ giúp đắc lực của khoa học máy tính người ta đã phát triển các mô hình hóa cho phép xây dựng các

mô hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu Đồng thời, việc thu nhận,

xử lý thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh chóng và chính xác Chính vì vậy phương pháp mô phỏng các vấn đề trong kỹ thuật đã phát triển và đang được áp dụng trong nhiều lĩnh vực hoạt động công nghiệp Việc mô phỏng tốt giúp ta nắm rõ bản chất của vấn đề, thể hiện được các khả năng có thể xảy ra trong thực tế

Khi mô phỏng dao động của ô tô có thể xem ô tô là một hệ cơ học nhiều vật bao gồm nhiều khối lượng như: thân vỏ, bánh xe, động cơ, hệ thống truyền lực giữa chúng có mối liên hệ rất phức tạp với nhau thông qua các phần tử đàn hồi và giảm chấn Tùy theo mục đích nghiên cứu có thể sử dụng hai phương pháp mô phỏng sau đây để nghiên cứu dao động ô tô [1, 5, 7, 13,

22, 23]:

- Mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương trình vi phân liên kết giữa các vật trong hệ;

- Mô phỏng thông qua mô tả các vật và liên kết

Sơ đồ hai phương pháp này trình bày trên hình 2.5

a) b)

Hình 2.5 Sơ đồ các phương pháp mô phỏng

a Mô phỏng thông qua xây dựng hệ phương trình vi phân

b Mô phỏng thông qua mô tả vật và liên kết

a Phương pháp mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương trình vi phân liên kết giữa các vật trong hệ

Đây là cách thức truyền thống đã được sử dụng trong nhiều năm qua, khi mô phỏng theo phương pháp này trước tiên ta phải phân tích mô hình thành cơ hệ nhiều vật và xây dựng các hệ phương trình vi phân cân bằng cho từng vật Phương pháp này tuy mất nhiều thời gian hơn nhưng lại giúp chúng

ta kiểm soát mô hình một cách cụ thể rõ ràng hơn Trình tự của phương pháp này thực hiện như sau:

+ Xây dựng mô hình tính toán: Để xây dựng được mô hình tính toán

trước tiên cần xây dựng mô hình cơ học từ hệ thống thực, xây dựng mô hình động lực học và đơn giản hóa mô hình này để nhận được mô hình tính toán

+ Xây dựng mô hình toán học: Mô hình toán học là hệ các phương

trình toán học biểu diễn hoạt động của hệ thống theo mô hình tính toán Mô

hình toán học có thể nhận được bằng nhiều phương pháp khác nhau [1] như phương pháp Newton, Lagrange II, D’alambe, nguyên lý Jodan

+ Giải mô hình toán học bằng phần mềm chuyên dùng: Khi có được

mô hình tính toán ta có thể nghiên cứu dao động của hệ bằng các phần mềm chuyên dụng Khảo sát dao động của hệ trên miền thời gian và miền tần số xác định các thông số “ra”, khi thay đổi các thông số “vào” và các thông số kết cấu Các phần mềm chuyên dùng để giải quyết các mô hình toán có thể kể tới như: MatrixX (từ các hệ tích hợp), EASY5 (của hãng Boeing) và Matlab với công cụ Simulink (của Mathworks Inc) Các phần mềm này đều có các khả năng tương đương, tùy thuộc vào mục tiêu bài toán mà ta lựa chọn phần mềm phù hợp

Hình 2.6 Phương pháp mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương trình vi