Phân tích dao động và lựa chọn thông số tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động

nghiệp-Nơi công tác: Trường Cao đẳng Lào Cai Tên đề tài luận văn thạc sỹ: Phân tích dao động và lựa chọn thông số tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động Chuy

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN ĐỨC THUẬN

PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG VÀ LỰA CHỌN THÔNG SỐ TỐI ƯU

HỆ THỐNG TREO Ô TÔ KHÁCH NHẰM NÂNG CAO

ĐỘ ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Thái Nguyên – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Nguyễn Đức Thuận

Học viên: Lớp cao học K19- Trường Đại học Kỹ thuật Công Đại học Thái Nguyên

nghiệp-Nơi công tác: Trường Cao đẳng Lào Cai

Tên đề tài luận văn thạc sỹ: Phân tích dao động và lựa chọn thông số

tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã số:

Sau gần hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, em lựa

chọn thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp: Phân tích dao động và lựa chọn

thông số tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Lê Văn

Quỳnh và sự nổ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành đáp được nội

dung đề tài thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân em Các

số liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bốtrong bất kỳ một công trình nào khác trừ công bố của chính tác giả

Thái Nguyên, ngày… tháng… năm 2018

HỌC VIÊN

Nguyễn Đức Thuận

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập nghiên cứu làm đề tài luận văn thạc sĩ, em đãtiếp nhận được sự truyền đạt trao đổi phương pháp tư duy, lý luận của quýthầy cô trong Nhà trường, sự quan tâm giúp đỡ tận tình của tập thể giảng viênNhà trường, khoa Kỹ thuật Ô tô & MĐL, quý thầy cô giáo trường Đại học Kỹthuật Công nghiệp –Đại học Thái Nguyên, gia đình và các đồng nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường, Tổ đào tạoSau đại học -Phòng đào tạo, quý thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tìnhhướng dẫn tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này

Em cũng xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Lê VănQuỳnh, ThS Lê Xuân Long, ThS Bùi Văn Cường và tập thể cán bộ giáo viênkhoa Kỹ thuật Ô tô & MĐL, hội đồng bảo vệ đề cương đã hướng dẫn cho emhoàn thành luận văn theo đúng kế hoạch và nội dung đề ra

Trong quá trình, thời gian thực hiện mặc dù đã có nhiều cố gắng song dokiến thức và kinh nghiệm chuyên môn còn hạn chế nên chắc chắn luận văncòn nhiều thiếu sót, rất mong được sự đóng góp quý báu của quý thầy cô vàcác bạn đồng nghiệp tiếp tục trao đổi đóng góp giúp em để luận văn đượchoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

HỌC VIÊN

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3

1.1.Tổng quan về hệ thống treo ô tô khách 3

1.1.1 Nhiệm vụ, một số bộ phận cơ bản, phân loại hệ thống treo 3

1.1.2 Giới thiệu một số kết cấu hệ thống treo xe khách[5] 5

1.2 Phương pháp tối ưu thông số thiết kế hệ thống treo 13

1.2.1 Phương pháp tối ưu một hàm mục tiêu 13

1.2.2 Phương pháp tối ưu nhiều hàm mục tiêu 15

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài 16

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 16

1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 18

1.4 Các chỉ tiêu, phương pháp đánh giá độ êm dịu chuyển động 21

1.4.1 Cường độ dao động 21

1.4.2 Gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động 22

1.4.3 Chỉ tiêu về tải trọng động[11] 23

1.5.Mục tiêu, phạm vi và nội dung nghiên cứu của luận văn 24

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 24

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu 25

1.5.3 Phương pháp nghiên cứu 25

1.5.4 Nội dung nghiên cứu 25

1.6 Kết luận chương 25

CHƯƠNG 2 26

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XE KHÁCH 2 CẦU 26

2.1 Xây dựng mô hình dao động của xe khách 26

2.1.1 Các giả thiết mô hình dao động tương đương 26

2.1.2 Mô hình dao động xe khách 2 cầu 27

2.1.3 Thiết lập phương trình vi phân mô tả dao động 28

2.1.4 Phân tích và lựa chọn kích thích dao động 39

2.2 Mô phỏng dao động toàn xe 47

2.2.1 Mô phỏng dao động của ô tô 47

2.2.2 Chọn thông số xe mô phỏng 48

2.2.3 Mô phỏng 50

2.3 Kết luận: 52

CHƯƠNG 3 53

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN THÔNG SỐ THIẾT KẾ TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG TREO XE KHÁCH 53

3.1 Phân tích hàm tối ưu 53

3.2 Phân tích và lựa chọn vùng thông số vùng độ cứng tối ưu 54

3.3 Phân tích ảnh hưởng và lựa chọn vùng thông số hệ số cản tối ưu 56

3.4 Phối hợp thỏa hiệp các thông số thiết kế hệ thống treo và đánh giá 58

3.5 Kết luận 60

KẾT LUẬN VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 1 67

PHỤ LỤC 2 69

PHỤ LỤC 3 73

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 22Bảng 2.1 Các lớp mấp mô mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068[22] 45Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của xe khách 2 cầu[28] 49Bảng 3.1 Bảng thỏa hiệp của hàm mục tiêu aws(m/s2), aw(rad/s2)

và aw(rad/s2)

58Bảng 3.2 Kết quả so sánh trước và sau khi tối ưu 59

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

H

ì nh 1 1 H ệ t h ốn g t r eo s au p hụ th u ộ c l o ại s ử dụn g n h í p l á 5

Hình 1.2 Hệ thống treo sau phụ thuộc sử dụng bộ nhíp kép 7

Hình 1.3 Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng Balon khí nén- nhíp lá trên ô tô tải 7

H ì nh 1 4 H ệ th ố n g t r eo s au p hụ th u ộ c s ử d ụ n g B a l o n k h í n é n 8

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển 9

Hình 1.6 Điều khiển hệ thống cấp khí nén 9

Hình 1.7 Hệ thống treo trước phụ thuộc sử dụng Balon khí nén 10

Hình 1.8 Hệ thống treo cân bằng sử dụng buồng khí nén 12

Hình 1.9 Buồng đàn hồi khí nén 12

Hình 2.1 Mô hình dao động của ô tôt khách 28

Hình 2.2 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên ghế trước 29

Hình 2.3 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên cầu trước 30

Hình 2.4 Hệ thống treo sau xe khách 34

Hình 2.5 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên cầu trước 34

Hình 2.6 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên thân xe 38

Hình 2.7 Hàm điều hoà của mấp mô 40

Hình 2.8 Sơ đồ đo mấp mô mặt đường và xử lý kết quả đo[8] 42

Hình 2.9 Kết quả đo mấp mô mặt đường quốc lộ 1A đoạn đường Hà Nội -Lạng Sơn (đoạn 1) 42

Hình 2.10 Kết quả đo mấp mô mặt đường quốc lộ 1A đoạn đường Hà Nội -Lạng Sơn đã qua xử lý (đoạn 1) 43

Hình 2.11 Kết quả đo mấp mô mặt đường quốc lộ 1A đoạn đường Hà Nội -Lạng Sơn (đoạn 2) 43

Hình 2.12 Kết quả đo mấp mô mặt đường quốc lộ 1A đoạn đường Hà Nội -Lạng Sơn đã qua xử lý (đoạn 2) 44

Hình 2.20 Gia tốc góc lắc ngang của thân khi xe chuyển động trên mặt

đường iso loại B với vận tốc v=80km/h 51

Hình 3.1 Ảnh hưởng độ cứng đến gia tốc bình phương trung bình tại vị trí

trong tâm của xe khi xe chạy trên mặt đường ISO cấp B 55

Hình 3.2 Ảnh hưởng hệ số cản đến gia tốc bình phương trung bình tại vị trí

trong tâm của xe khi xe chạy trên mặt đường ISO cấp B 57

Hình 3.3 Gia tốc ghế ngồi người điều theo phương thẳng đứng khi xe chuyển

động trên đường loại B, với vận tốc v=80km/h trước và sau tối ưu 59

Hình 3.4 Gia tốc góc lắc dọc xe khi xe chuyển động trên đường loại B, với

vận tốc v=80km/h trước và sau tối ưu 60

Hình 3.5 Gia tốc góc lắc ngang xe khi xe chuyển động trên đường loại B, với

vận tốc v=80km/h trước và sau tối ưu 60

LỜI NÓI ĐẦU

Ô tô là hệ dao động phức tạp, gồm nhiều bộ phận được liên kết vớinhau, mỗi bộ phận có khối lượng và đặc tính dao động riêng Khi xe chuyểnđộng, có rất nhiều yếu tố gây ra dao động của khối lượng được treo và khôngđược treo Phân tích các nguồn gây dao động như mấp mô mặt đường, daođộng động cơ đốt trong, dao động gió, truyền lên khối lượng được treo cóvai trò quan trọng cải tiến hệ thống treo Hệ thống treo có vai trò quan trọnghạn chế dao động truyền lên thân xe và giảm tải trọng động truyền xuống mặtđường Do vậy, phân tích dao động và lựa chọn thông số tối ưu hệ thống treo

ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động là một trong chủ đề đượccác nhà nghiên cứu trong nước và quốc tế quan tâm nghiên cứu Xuất phát từ

ý tưởng nghiên cứu em đã chọn đề tài “Phân tích dao động và lựa chọn

thông số tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động” dưới sự hướng dẫn khoa học thầy giáo PGS.TS Lê Văn Quỳnh.

Mục tiêu nghiên cứu: mục tiêu xây dựng mô hình dao động không

gian tuyến tính dao động xe khách 2 cầu với 8 bậc tự do Phần mềmMatlab/Simulink được ứng dụng để mô phỏng và phân tích dao động của xe.Gia tốc bình phương trung bình theo phương đứng của ghế ngồi người điềukhiển, góc lắc dọc và ngang của thân xe khách được chọn là các hàm mục tiêu

để lựa chọn thông số tối ưu cho xe khách

Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng mô hình dao động không gian tuyến

tính với kích thích ngẫu nhiên của mặt đường quốc lộ để phân tích dao động

và và lựa chọn thông số tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êmdịu chuyển động

Đối tượng: Xe khách và hệ thống treo.

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết: mô phỏng, phân tích và

lựa chọn thông số tối ưu hệ thống treo xe khách

Nội dung nghiên cứu:

Nội dung chính của luận văn như sau:

Chương 1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu;

Chương 2 Xây dựng và mô phỏng mô hình dao động cho xe khách; Chương 3 Phân tích dao động và lựa chọn bộ thông số thiết kế tối ưu

cho hệ thống treo

Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Luận văn đã xây dựng được mô hình dao

động xe khách với 8 bậc tự do; Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả daođộng của xe ô tô khách; Mô phỏng, phân tích dao động và lựa chọn thông sốcủa hệ thống treo xe khách dựa vào tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1(1997) vềảnh hưởng của dao động đến sức khỏe con người

Qua đây cho phép tôi được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáoPGS.TS Lê Văn Quỳnh người hướng dẫn khoa học trực tiếp tôi trong suốtthời gian làm luận văn Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy ThS LêXuân Long, ThS Bùi Văn Cường cùng toàn thể các thầy cô trong khoa Kỹthuật Ô tô-MĐL, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp- Đại học TháiNguyên

Do điều kiện vừa nghiên cứu vừa công tác cũng như hạn chế về mặtthời gian cũng như mặt kiến thức chắc chắn luận văn không tránh khỏi sựthiếu xót, rất mong được sự đóng góp ý bổ sung thêm của quý thầy, cô giáo

và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018

HỌC VIÊN Nguyễn Đức Thuận

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1.Tổng quan về hệ thống treo ô tô khách

1.1.1 Nhiệm vụ, một số bộ phận cơ bản, phân loại hệ thống treo

Khi ô tô chuyển động trên nền đường không bằng phẳng, do sự chéphình của bánh xe khiến ô tô bị dao động và gây ra tải trọng động lớn Tảitrọng động này ảnh hưởng xấu đến tính êm dịu và tiện nghi cho người sửdụng, đồng thời làm giảm tuổi bền các chi tiết của ô tô Hệ thống treo đượchiểu như hệ thống liên kết mềm (đàn hồi) giữa bánh xe thông qua cầu xe vớikhung xe hoặc vỏ xe

a) Nhiệm vụ:

Hệ thống treo thực hiện nhiệm vụ đỡ thân xe lên trên cầu xe; cho phépbánh xe chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng đối với khung xehoặc vỏ xe; hạn chế những chuyển động không muốn có khác của bánh xe

Cấu tạo chung của hệ thống treo bao gồm 3 bộ phận cơ bản: Bộ phận đàn hồi;

+ Phần tử đàn hồi có nhiệm vụ đưa vùng tần số dao động của xe phùhợp vùng tần số thích hợp với người sử dụng

Bộ phận giảm chấn

+ Dập tắt dao động phát sinh trong quá trình xe chuyển động từ mặtđường lên khung xe trong các địa hình khác nhau một cách nhanh chóng bằngcách biến năng lượng dao động thành nhiệt năng tỏa ra môi trường

+ Đảm bảo dao động của phần không treo nhỏ nhất, sự tiếp xúc củabánh xe trên nền đường, nâng cao khả năng bám đường và an toàn trongchuyển động

Phần tử ổn định ngang: Với chức năng là phần tử đàn hồi phụ làm

tăng khả năng chống lật thân xe khi có sự thay đổi tải trọng trong mặt phẳngngang

Các phần tử phụ khác: vấu cao su, thanh chịu lực phụ, có tác dụng

tăng cứng, hạn chế hành trình và chịu thêm tải trọng

c) Phân loại

Việc phân loại hệ thống treo dựa theo các căn cứ sau:

- Theo loại bộ phận đàn hồi chia ra:

+ Loại bằng kim loại: nhíp lá, lò xo, thanh xoắn

+ Loại khí: buồng khí nén dạng gấp, dạng sóng, có buồng khí nén phụ.+ Loại thuỷ khí: kết hợp giữa khí nén và giảm chấn thủy lực

+ Loại cao su: các gối cao su, ống cao su đàn hồi

-Theo bố trí bộ phận dẫn hướng chia ra:

+ Loại phụ thuộc với dầm cầu liền

+ Loại độc lập: một đòn, hai đòn,

-Theo phương pháp điều khiển có thể chia ra:

+ Hệ thống treo bị động (Hệ thống treo không điều khiển),

+ Hệ thống treo chủ động (Hệ thống treo có điều khiển)

và cứng lớn, liên kết với khung xe qua các tai nhíp do vậy đảm bảo khả năngtruyền lực hay đóng vai trò của bộ phận dẫn hướng trong khi bánh xe dịchchuyển.

11 1 2 3 4 5

10 9 8

6 7

Hình 1.1 Hệ thống treo sau phụ thuộc loại sử dụng nhíp lá

1: Khung xe 4: Ụ cao su tăng cứng

2: Ụ hạn chế 5: Tai nhíp sau

3: Giảm chấn 6: Miếng vát

7: Dầm cầu 8: Bulông quang nhíp 9: Bộ nhíp lá

10: Kẹp nhíp 11: Tai nhíp trước

Kết cấu trên hình 1.1, nhíp lá được xếp thành bộ (9) được kẹp chặt (10)kẹp chống xô ngang nhíp Trong quá trình làm việc, bộ nhíp biến dạng, bánh

xe dịch chuyển lên phía trên bị hạn chế bởi ụ cao su (2) Ụ cao su (4) có tác

dụng tăng cứng bởi nó có khả năng thay đổi chiều dài làm việc của bộ nhípkhi bộ nhíp khi biến dạng chạm vào ụ (4) Bộ nhíp, hai đầu liên kết với khungqua tai (11) và (5), tai (5) có kết cấu đặc biệt (6) dạng miếng vát bố trí treogiúp lá nhíp tỳ và trượt theo bán kính cong của miếng vát do vậy có khả năngthay đổi chiều dài làm việc của lá nhíp tức là thay đổi độ cứng của hệ thốngtreo Bộ nhíp được cố định với dầm cầu (7) thông qua quang nhíp (8) Giảmchấn (3) liên kết một đầu với khung xe, một đầu với tai giảm chấn đặt trêndầm cầu Hệ thống treo sau phụ thuộc thường liên kết trên dầm cầu thường tạonên góc nghiêng nhỏ cho cầu chủ động.

Với những xe tải có dải phân bố tải trọng ở trạng thái không tải hoặc íttải đến trạng thái đầy tải lớn, hệ thống treo thường bố trí bộ phận đàn hồi nhíp

lá kép (nhíp chính và nhíp phụ) Bộ nhíp chính làm việc khi xe “non” tải, đếnmột giá trị tải trọng nào đó thì bộ nhíp phụ sẽ làm việc Với cách bố trí trênlàm cho hệ thống treo thay đổi được độ cứng nhưng vẫn đảm bảo tần số daođộng của hệ thống nằm trong giới hạn cho phép Kết cấu của hệ thống treo sửdụng bộ nhíp kép được thể hiện trên hình 1.2

Bộ nhíp chính và phụ được bắt chặt trên dầm cầu nhờ 2 bulông quangdài (11), hai đầu của bộ nhíp chính liên kết với tai nhíp trước (9) và quangtreo sau (2) đóng vai trò truyền lực dọc, ngang chính khi bộ nhíp chịu tải Bộnhíp phụ không làm việc ở chế độ không tải, có hai đầu tựa lên các mặt bíchcho phép thay đổi chiều dài khi làm việc So với hệ thống treo sử dụng bộnhíp đơn, với bộ nhíp phụ có độ cứng tổng cộng lớn hơn, do vậy để dập tắtdao động tốt, hệ thông treo bố trí 4 giảm chấn loại ống, mỗi bên 2 chiếc Dưới

bộ nhíp chính có miếng vát (3) Miếng vát có nhiệm vụ tạo góc nghiêng chocầu chủ động phù hợp với việc giảm góc nghiêng cho truyền động các đăng

và dẫn hướng của bộ nhíp lá, buồng đàn hồi được bố trí đặt nối tiếp với bộnhíp lá (2) như thể hiện trên hình1.3.

1 3

2

4

Hình 1.3 Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng Balon khí nén- nhíp lá trên ô tô tải

1: Buồng khí nén 3: Giảm chấn 2: Nhíp lá 4: Thanh ổn định

Bộ nhíp lá thường có số lượng các lá ít, độ cứng nhỏ nên cho phép hệthống treo “mềm” khi không tải Bộ nhíp liên kết như trên hệ thống treophụ thuộc thông thường.

1

2 5

4 3

Hình 1.4 Hệ thống treo sau phụ thuộc sử dụng Balon khí nén.

1: Buồng khí nén 2: Giảm chấn 3: Giá đỡ 4: Đòn dẫn hướng 5: Nhíp lá

Buồng đàn hồi khí nén có thể đặt trực tiếp lên dầm cầu hoặc được đặttrên cánh tay đòn, cho phép hạ thấp chiều cao trọng tâm xe được bố trí trên hệthống treo phụ thuộc cầu sau như thể hiện trên hình 1.4 Do đặc điểm kết cấu

bố trí và tận dụng khả năng dẫn hướng của bộ nhíp lá, bộ nhíp lá 1/4 (5) được

sử dụng vừa là bộ phận đàn hồi, vừa là bộ phận dẫn hướng và đóng vai tròtruyền lực dọc Giảm chấn (2) được bố trí nghiêng, theo chiều tạo điều kiệnthuận lợi dập tắt dao động và tăng tuổi thọ cho giảm chấn.Bộ nhíp (5), đòntruyền lực dọc (4) và tay đòn 3 đươc bắt chặt lên dầm cầu thông qua cácbulông quang

Sự hoạt động của hệ thống treo khí nén được đảm bảo bởi hệ thống tựđộng cung cấp khí nén, tự động điều chỉnh chiều cao sàn xe như thể hiện trênhình 1.5 theo nguyên lý cơ bản sau: Khi tăng tải buồng khí nén bị ép lại, sẽlàm thay đổi khoảng cách giữa giá đỡ của các buồng chứa khí và thân xe, dẫntới làm quay đòn của van mở đường nối khí nén của máy nén khí (buồng chứakhí dự trữ) với buồng khí nén Hiện tượng dẫn khí nén vào bình chứa đàn hồi

kéo dài cho đến khi chiều cao trở lại vị trí ban đầu Khi giảm tải trọng hiệntượng xảy ra ngược lại.

5: Giá đỡ buồng đàn hồi

Sự điều khiển cấp khí có thể thực hiện thông qua van điều khiển cóthể là cơ khí hoặc van điện từ Trên hệ thống đàn hối khí nén điều khiển điện

từ như thể hiện trên hình 1.6

Bốn cảm biến dạng điện trở (2) xác định khoảng cách giữa cầu xe vàthân xe Khi tăng tải các buồng đàn hồi bị ép lại, làm quay đòn nối gắn trêncầu xe, cảm biến thay đổi điện trở và chuyển thành tín hiệu gửi về bộ điềukhiển trung t âm (ECU) Bộ điều khiển trung tâm (1) nhận tín hiệu và xử lý,chuyển lệnh điều khiển cho van điện từ (3) Van điện tử mở đường khí néncấp thêm áp suất cho buồng đàn hồi, nâng thân xe trở lại trạng thái cân bằng

ban đầu Tương tự như khi giảm tải, khí nén thoát ra khỏi buồng đàn hồi chođến khi vị trí của cảm biến vị trí trở lại vị trí ban đầu Chiều cao thân xeluôn được giữ ở một vị trí ban đầu tương ứng với tải trọng tĩnh.

Van điện từ còn có thể cho phép giảm thấp chiều cao thân xe giúphành khách lên xuống dễ dàng nhờ một công tắc vị trí bố trí bên cạnh ngườilái

c) Phần tử đàn hồi khí nén

2 3 4 5 1

9 8 7 6

Hình 1.7 Hệ thống treo trước phụ thuộc sử dụng Balon khí nén

1: Buồng khí nén 2: Đòn dẫn hướng dọc trên 3: Đòn dẫn hướng dọc dưới

4: Thanh ổn định ngang 5: Giá đỡ buồng khí nén

Trên hình 1.7 là hệ thống treo phụ thuộc cầu trước của xe buýt, sử dụngphần tử đàn hồi là buồng khí nén (1) (ballon khí) và 2 giảm chấn cho hai bên.Buồng khí nén cũng như lò xo đàn hồi chỉ có khả năng truyền lực theophương thẳng đứng nên hệ thống treo còn có các đòn dẫn hướng bao gồm 1đòn dọc trên (2) bố trí chính giữa, 2 đòn dọc dưới (3) bố trí mỗi bên và 1 đònngang (9) Hệ thống treo trước còn bố trí thanh ổn định ngang (4) Buồng đàn

hồi tiêu chuẩn được lựa chọn phù hợp với tải trọng đặt lên cầu xe, một mặtcủa buồng đàn hồi đặt lên mặt tựa giá đỡ buồng đàn hồi (5), mặt trên có mặtbích được liên kết với khung hoặc thân xe thông qua mối ghép bulông Lượngkhí nén cấp vào buồng đàn hồi nhờ van điều khiển có đòn xác định vị trí cầu

xe (8) khi có sự thay đổi tải trọng ở trạng thái không tải hay có tải, nhờ đó mà

độ cứng của hệ thống treo được thay đổi và vị trí sàn xe gần như được duy trìcân bằng ở các chế độ trên

Hệ thống treo cân bằng sử dụng buồng đàn hồi khí nén thường bố trítrên các xe khách lớn, xe tải có tải trọng lớn, xe đầu kéo hoặc các cầu sau của

xe buýt với khả năng phát huy tính phi tuyến của phần tử đàn hồi khí nén nhưthể hiện trên hình 1.8

Các đòn dẫn hướng (đòn giằng cầu) bao gồm các đòn trên (1) bố trídạng chữ V và các đòn dọc dưới (3) Buồng khí nén có thể đặt trực tiếp lêncầu hoặc để lên các tay đòn cân bằng

d) Buồng khí nén:

Bộ phận đàn hồi khí nén với đường đặc tính đàn hồi phi tuyến, kết cấu

và việc lắp đặt khá đơn giản, được sử dụng trên các loại xe có chất lượng tốt:

xe con, xe buýt chất lượng cao, xe tải có trọng tải lớn

Buồng đàn hồi khí nén (ballon khí nén) có hai loại tiêu chuẩn là loạibuồng dạng sóng (a) và buồng gấp (b) như thể hiện trên hình 1.9 Mặt bíchtrên của buồng có lỗ bắt bu lông với thân xe, đế của buồng liên kết với dầmcầu hoặc giá đỡ trên dầm cầu Mặc dù kết cấu khác nhau nhưng chúng đềuhoạt động theo một nguyên tắc là không khí bị nén trong buồng đàn hồi tạo

ra lực đàn hồi Lực đàn hồi của buồng khí nén tỷ lệ với áp suất khí nén vàdiện tích buồng đàn hồi, trong đó nó tỷ lệ với đường kính hữu ích của chúng.Với một lượng khí nhất định trong buồng kín, khi bị nén sẽ làm gia tăng ápsuất ngược lại khi chúng bị kéo ra làm tăng thể tích dẫn đến áp suất giảm

Điều này cho phép duy trì gần như không đổi chiều cao sàn xe khi xe đi trênđường địa hình.

2 1

6 5 4 3

Hình 1.8 Hệ thống treo cân bằng sử dụng buồng khí nén.

1: Đòn giằng cầu trên; 2: Tấm cân bằng;3: Đòn giằng cầu dưới;4: Giảm

chấn;5: Buồng khí nén;6: Thanh ổn định ngang

(a) (b)

Hình 1.9 Buồng đàn hồi khí nén

(a)Buồng đàn hồi khí nén dạng sóng (b)Buồng đàn hồi khí

Buồng đàn hồi chỉ cho phép khả năng chịu tải trọng thẳng đứng, không

có khả năng truyền lực dọc, lực bên do vậy cần phải có bộ phận dẫn hướngriêng biệt bao gồm các đòn dọc, đòn ngang liên kết giữa cầu xe và thân xe

k x

Bộ phận đàn hồi khí nén bố thường bố trí trên hệ thống treo phụ thuộctrên ô tô tải, buýt, một số trên hệ thống treo độc lập của ô tô con Số lượngballon khí nén trên mỗi hệ thống treo tuỳ thuộc tải trọng của xe Khí nén cấpcho buồng đàn hồi thông qua hệ thống cung cấp khí nén tự động và thường

từ nguồn chung với hệ thống phanh Ngày nay, hệ thống treo hiện đại thường

sử dụng phần tử đàn hồi khí nén kết hợp với giảm chấn có điều khiển (hệthống treo bán tích cực)

1.2 Phương pháp tối ưu thông số thiết kế hệ thống treo

1.2.1 Phương pháp tối ưu một hàm mục tiêu

Tối ưu hàm mục tiêu là phương pháp tối ưu 1 hay nhiều biến thiết kểsao cho một hàm mục tiêu đạt được nhỏ nhất hoặc lớn nhất và dưới đây là môhình toán:

trong đó: x ( L ) , k (U ) là giới hạn dưới và trên của điều kiện dàng buộc,

x={x 1 ,x 2 , x k } là các biến tối ưu

Áp dụng mô hình toán tối ưu một hàm mục tiêu để tối ưu các thông sốthiết kế của hệ thống treo nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động ô tô (Ridecomfort) hoặc đảm khả năng thân thiện mặt đường giao thông (' R o a d - Fr

i e n d l y ' S us p e ns i o n ) và dưới dây 1 số nghiên cưu điển hình:

Nghiên cứu [16] áp dụng tối ưu 1 hàm mục tiêu để tối ưu các thông sốcủa hệ thống treo nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động của xe theo phươngthẳng đứng Nghiên cứu dựa vào gia tốc bình phương trung bình theo phương

thẳng đứng trong tiêu chuẩn ISO 2631-1(1997), các tác tiến hành tối ưu cácthông số thiết kế hệ thống treo như C1T, C1P, C2T, C2P, K1T, K1P, K2T, K2P saocho giá trị gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng đạt giá trịnhỏ nhất

Để đạt được giá trị gia tốc trung bình của người lái nhỏ nhất (awzmin)các tác giả sử dụng mô hình tối ưu dưới đây:

trong đó: x ( L ) k k, x (U ) là giới hạn dưới và trên của điều kiện dàng buộc, x={ k1t,

k1p, k2t, k2p, c1t, c1p, c2t, c2p } là các biến tối ưu

Điều kiện chuyển vị tương đối khối lượng được treo và không đượctreo thỏa mãn điều kiện:

0.01Zij-ij0.07(m) (1-5)Nghiên cứu[25] áp dụng tối ưu 1 hàm mục tiêu để tối ưu các thông sốcủa hệ thống treo cân bẳng sao tải trọng động tác dụng lên mặt đường giaothông đạt giá trị nhỏ nhất bởi mô hình dao động 3 bậc tự do Nghiên cứu sửdụng mô hình toán tối ưu dưới đây:

Hàm mục tiêu:

minĐiều kiện ràng buộc:

(1-6)

trong đó: x k k ( L ) , x (U ) là giới hạn dưới và trên của điều kiện dàng buộc, x={k1, k2,

c1, c2} là các biến tối ưu

1.2.2 Phương pháp tối ưu nhiều hàm mục tiêu

Tối ưu nhiêu hàm mục tiêu hàm mục tiêu là phương pháp tối ưu hai haynhiều biến thiết kể sao cho hai hay nhiều hàm mục tiêu đạt được nhỏ nhấthoặc lớn nhất và dưới đây là mô hình toán tối ưu:

trong đó: x ( L ) , k (U ) là giới hạn dưới và trên của điều kiện dàng buộc,

x={x 1 ,x 2 , x k } là các biến tối ưu

Các phương pháp tối ưu hai hoặc nhiều hàm mục tiêu như: phươngpháp ràng buộc; phương pháp tổng số; phương pháp tổng trọng số chấp nhậnđược đối với bài toán tối ưu 2 mục tiêu; phương pháp tổng trọng số chấp nhậnđược cho bài toán tối ưu đa mục tiêu; thuật toán di truyền tối ưu nhiều mụctiêu (Multi-Objective Genetic Algorithm) và sư dụng kỹ thuật pareto trên cơ

sở thuật đoán di truyền di truyền (PGA)

Áp dụng phương pháp và thuật thuật toán tối ưu nhiều hàm mục tiêu đểtối ưu các thông số thiết kế của hệ thống treo nhằm nâng hiệu quả làm việccủa chúng như nghiên cứu [26] các giả áp dụng tối ưu pareto dựa trên thuật

toán di truyền để tối ưu các thông số thiết kế hệ thống treo với mô hình daođộng ½ với 5 bậc tự do và kích thích dao động là hàm toán học đơn giản.

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

* Nghiên cứu về biên dạng mặt đường

- Công trình nghiên cứu về mấp mô đường và chế tạo thiết bị đo xóckiểu phản ứng của MDX-73 của GS Nguyễn Xuân Đào và được thử nghiệmtrên các tuyến đường chính của Việt Nam[6], từ đó ban hành quy trình củangành (TCVN-1015/QĐKT4)

- Công trình nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng mặt đường đến tảitrọng tác dụng lên ôtô tại Quốc lộ 1A Trong công trình này tác giả đo đạc vàthu thập được số liệu mấp mô biến dạng đường trên tuyến đường 1A Hà Nội-Lạng Sơn, xử lý số liệu và đưa vào bài toán dao động để xác định tải trọng tácdụng lên ôtô[8]

* Nghiên cứu về dao động ô tô

- Công trình “Trịnh Minh Hoàng, khảo sát dao động ô tô dưới kích động mặt đường ngẫu nhiên, luận án thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà nội,

2002” nghiên cứu ảnh hưởng của thông số kết cấu và điều kiện làm việc củaôtô đến độ êm dịu chuyển động Trong luận án tác giả giải quyết bài toán daođộng 7 bậc tự do với kích động mặt đường là hàm phổ của Iasenko[9]

- Công trình “Võ Văn Hường, Nghiên cứu hoàn thiện mô hình khảo sát dao động ô tô tải nhiều cầu, Luận án Tiến sỹ LA 111/05, 2004 ĐHBK Hà

Nội” nghiên cứu khá hoàn chỉnh dao động của ôtô nhiều cầu Trong luận ántác giả nghiên cứu đặc tính phi tuyến của phần tử đàn hồi của hệ thống treo,lốp xe với mô hình không gian và giải quyết bài toán dao động bằng phươngpháp Matlab Simulink[11]

- Công trình “Đặng Việt Hà luận án tiến sĩ kỹ thuật Trường Đại học Giaothông Vận tải Hà Nội, 2010” nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số đến độ

êm dịu chuyển động của xe khách đóng tại Việt Nam Trong luận án tác giảxây dựng mô hình không gian dao động của ôtô hai cầu với hàm toán học đơngiản và giải quyết bài toán dao động bằng phương pháp Matlab/Simulink Từhàm mục tiêu là gia tốc phương thẳng đứng ghế ngồi lớn nhất và gia tốc bìnhphương trung bình theo phương đứng của ghế ngồi, các thông số thiết kế hệthống treo như độ cứng và hệ số cản lần lượt được phân tích Cuối cùng, mộtthí nghiệm đo để kiểm chứng sự đúng đắn của mô hình dao động của xekhách đóng tại Việt Nam[6].

- Công trình “Nguyễn Khắc Minh luận án thạc sĩ kỹ thuật Trường Đạihọc Giao thông Vận tải Hà Nội, 2011” xây dựng mô hình dao động xe du lịchvới 7 bậc tự do, từ đó phân tích dao động theo phương thẳng đứng của xe.Cuối cùng, các thông số hệ thống treo như độ cứng và hệ số cản lần lượt đượclựa chọn dựa vào các chỉ tiêu về độ êm dịu chuyển động của xe [12]

- Công trình “Trần Thanh An luận án tiến sĩ kỹ thuật Học viện Kỹ thuậtQuân sự, 2012” Nghiên cứu tối ưu các thông số hệ thống treo ô tô khách sửdụng tại Việt Nam Trong luận án tác giả đã xây dựng mô hình dao độngkhông gian 8 bậc tự do với kích thích mấp mô mặt đường hàm toán học đơngiản và mô phỏng cơ hệ bằng phần mềm Matlab/Simulink Các thông số hệthống treo của xe khách lần lượt được tối ưu dựa vào các giải thuật tối ưu ditruyền Cuối cùng, một thí nghiệm toàn xe khách được thiết lập và kết quả thínghiệm kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình[13]

- Công trình “Lê Thanh Duẩn luận án thạc sĩ kỹ thuật Đại học Bách khoa

Hà Nội, 2012” Khảo sát dao động xe khách.Trong luận án tác giả đã xây dựng

mô hình dao động không gian xe khách và mô phỏng cơ hệ bằng phần mềmMatlab/Simulink Phân tích dao động của xe khách gồm có phân tích ảnhhưởng của các thông số hệ thống treo đến độ êm dịu chuyển động của xekhách[14]

-Công trình“Nhóm tác giả với bài báo khoa học nghiên cứu ảnh hưởngđiều kiện khai thác đến độ êm dịu chuyển động của xe, 2018” đã xây dựng

mô hình dao động không gian tuyến với 9 bậc tự do và kích thích ngẫu nhiêncủa mặt đường quốc lộ và đánh giá ảnh hưởng của điều kiện mặt đường, vậntốc và khành khách đến độ êm dịu chuyển động của xe ở phần mục lục

Tuy nhiên, chủ đề “Phân tích dao động và lựa chọn thông số tối ưu hệthống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động” vẫn là vấn đề

mở cho nhà nghiên cứu trong nước quan tập nghiên cứu

1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Trên thực tế việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm dao động của ô

tô được tiến hành một cách hệ thống từ những năm đầu của thế kỷ trước Từnhững năm 40 của thế kỉ 20 việc nghiên cứu này chủ yếu dựa trên các sơ đồtính toán đơn giản Các sơ đồ khi nghiên cứu lý thuyết thường là loại mộtkhối lượng với một bậc tự do, biên dạng của mấp mô mặt đường sử dụng khitính toán được lựa chọn là hàm có chu kỳ đơn giản Các nghiên cứu phần lớndựa vào nghiên cứu thực nghiệm

Những năm 50 đã nghiên cứu mô hình dao động của ô tô là mô hìnhnhiều khối lượng có kể đến hệ thống treo, giảm chấn và độ cứng của lốp xe.Mấp mô mặt đường được tính tới là một nguồn kích thích dao động

Từ những năm 50 của thế kỉ trước trở lại đây, việc nghiên cứu dao độngcủa ô tô bằng lý thuyết được sử dụng khá phổ biến, trong giai đoạn này ứngdụng lý thuyết hàm ngẫu nhiên điều này cho phép nghiên cứu nguồn kíchthích từ mặt đường là hàm gần giống với biên dạng của mặt đường thực tế

* Nghiên cứu các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ôtô:

Để nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của dao động đến sức khoẻ conngười và tìm ra các vùng thông số đặc trưng của dao động như: tần số, vậntốc, gia tốc, biên độ dao động … mà các dao động trong khu vực đó có ảnhhưởng đến sức khoẻ con người cần sự phối hợp nghiên cứu của các chuyên

gia thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau: công nghệ ôtô; bảo hộ lao động, y tế, tậptrung chủ yếu ở các vấn đề Vấn đề ảnh hưởng của các biên độ và tần số rungđộng đối với cơ thể con nguời được đề cập đến trong nhiều tài liệu khác nhau[17,19-20] Việc đưa ra các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu của chuyển động củacác ôtô phụ thuộc vào sự phát triển của khoa học của từng nước, phụ thuộcvào tâm sinh lý hành khách của mỗi nước và các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịukhác nhau.

* Nghiên cứu các hệ thống treo và các phần tử hệ thống treo nhằm nâng cao

độ êm dịu chuyển động của ôtô:

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là các ngànhcông nghệ thông tin, điều khiển tự động, công nghệ vật liệu đã góp phầnkhông nhỏ để phát triển công nghiệp ôtô Các hệ thống ôtô, trong đó hệ thốngtreo và các phần tử của hệ thống treo đã được cải tiến đáng kể theo hướngnâng cao chất lượng của độ êm dịu chuyển động của ôtô Năm 1984 phần tửgiảm chấn được điều khiển đầu tiên đưa vào áp dụng cho hệ thống treo đãđánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong nghiên cứu hoàn thiện hệ thốngtreo Từ đó một loạt các công trình ra đời như: Công trình [18] đã nghiên cứutối ưu hệ thống treo tích cực và bán tích cực dựa trên mô hình mô hình 1/4 vớikích thích ngẫu nhiên từ mặt đường Trong nghiên cứu này, các tác giả

Ahmadian và Marjoram bằng việc sử dụng mô hình treo bán tích cực (semi active suspension) 1/4 xe với các phần tử điều khiển là giảm chấn dạng ON-

OFF đã khảo sát đặc tính tần số - biên độ của gia tốc khối lượng phần đượctreo, dịch chuyển của hệ thống treo và của lốp xe với tác động đầu vào có vậntốc dịch chuyển theo phương thẳng đứng ngẫu nhiên Trong những năm gầnđây việc ứng dụng điều khiển mở dùng để điều khiển giảm chấn được nghiêncứu tương đối tỉ mỉ trong các công bố [18]

Cùng với sự phát triển của hệ thống treo bán tích cực (semi active suspension) thì hệ thống treo tích cực (active suspension) cũng phát triển song

song có nghĩa là hệ thống treo điều khiển hai thông số là điều khiển phần tửgiảm chấn và điều khiển phần tử đàn hồi của các hệ thống treo.

* Nghiên cứu nguồn gây dao động:

Dao động của ôtô khi chuyển động không phải dao động tự do mà làdao động cưỡng bức, trong đó có nguồn gây kích thích xuất phát từ mấp môđường Từ thập kỷ 50, các nước phát triển trên thế giới như: Mỹ, Anh, Pháp,Đức, Nga đã có nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ, thiết bị và đãban hành các quy trình đo đạc, đánh giá chất lượng đường ôtô thông qua chỉtiêu độ mấp mô Nghiên cứu phương pháp đo đạc và sử lý các số số liệu đểtìm ra các quy luật của mốp mô đường là một vấn đề rộng lớn được nhiều tácgiả trên thế giới quan tâm và các hướng nghiên cứu như sau: Mô hình hoámấp mô mặt đường (thực hiện việc mô hình hoá, các tác giả phải khảo sát cácloại mặt đường, từ đó phân chia đường ra từng loại Trong đó tác giả Iasenko

và Prutrikov [9] trong các công trình nghiên cứu của mình đã phân chia cácdạng mấp mô Phương pháp thực nghiệm (đo đạc trực tiếp trên mặt đườngbằng các thiết bị đặc biệt) quy luật của các mấp mô sẽ được biểu diễn dướidạng số, kết quả này rất thuận tiện cho việc xử lý bằng máy tính thành cáchàm toán học mô tả mấp mô của đường với sai số có thể chấp nhận được hoặcbằng các phép toán xác suất thống kê đối với đại lượng ngẫu nhiên, rời rạc.Các nghiên cứu về mặt đường ngẫu nhiên còn được trình bày trong cáccông trình [18, 21, 22] Các nhà thiết kế đường giao thông trên thế giới đã đưa

ra tiêu chuẩn ISO 8068(1995) về cách phân loại mặt đường quốc lộ và đượcphân cấp thành 8 cấp[22] và nó hiện nay đã được nhiều nhà nghiên cứu sửdụng là kích thích ngẫu nhiên đầu vào cho bài toán dao động ô tô

2 2

1.4 Các chỉ tiêu, phương pháp đánh giá độ êm dịu chuyển động

Đánh giá độ êm dịu chuyển động hiện nay các nhà nghiên sử dụng cácchỉ tiêu dưới đây để đánh giá độ êm dịu với hành khách, hàng hóa và độ êmdịu với mặt đường quốc lộ

1.4.1 Cường độ dao động

* Tiêu chuẩn VBI2057 của Đức đưa ra hệ số KB đánh giá dao động[23,24]: Theo đó ba ngưỡng được dùng để đánh giá:

- KB = 20 giới hạn êm dịu;

- KB = 50 giới hạn điều khiển;

- KB = 125 giới hạn gây bệnh lý;

Cường độ dao động KB là một hàm của gia tốc, phương tác dụng, thờigian và tần số tác dụng Như vậy để xác định KB, đối với xe tải ta phải xác

định gia tốc của Cabin, trong tính toán sau này là Z1

lượng được treo trước

, gia tốc tại tâm khối

KB = f( Z1 ,f 1, )Chỉ tiêu về an toàn hàng hoá: Chỉ tiêu về an toàn hàng hoá hiện nay mớichỉ thấy Hiệp hội Đóng gói Đức BFSV [24] nêu vấn đề Dựa vào đó, vớinghiên cứu ảnh hưởng của dao động với đường, Mitschke đề ra ngưỡng cho

an toàn hàng hoá như sau [23,24]:

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

* Theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 [17]: đưa ra chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu

chuyển động ô tô thông qua gia tốc bình phương trung bình theo phươngthẳng đứng dựa theo vào các công trình nghiên cứu của thế giới Gia tốc bìnhphương trung bình theo phương thẳng đứng được xác định theo công thứcdưới đây:

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

az - Gia tốc theo phương thẳng đứng theo thời gian

T - Thời gian khảo sát

Điều kiện chủ quan đánh giá độ êm dịu ô tô theo độ lệch gia tốc quânphương thẳng đứng ISO 2631-1 [17] dựa vào Bảng 1-1 dưới đây:

Bảng 1-1 Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 a

a Chỉ tiêu tải trọng động ảnh hưởng tới độ bền chi tiết.

Để khảo sát vấn đề này, tác giả sử dụng hệ số tải trọng động cực đại,được định nghĩa như sau:

(1-15)

và: kdy max = 1 ,64 F Z , R M S

 1

F z ,st

(1-16)

b Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với đường

Sau những năm 1990, ôtô ngày càng có tải trọng lớn, tỷ trọng kinh tếcủa cầu và đường trong ngành giao thông ngày càng được đánh giá cao Cácnhà nghiên cứu của Anh, Mỹ QII đã đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng củadao động ôtô đối với cầu và đường Người ta thấy rằng mức độ ảnh hưởngcủa dao động ôtô đến cầu và đường tỷ lệ với số mũ bậc 4 của áp lực bánh xevới đường Họ đã đưa ra khái niệm Road stress Coefficient, tạm gọi là hệ số

áp lực đường W, là hệ số có thể đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động ôtôvới cầu và đường Trong một số tài liệu còn có tên tiếng anh là Dynamic wearfactor Theo đó, Wilkinson [11] đã nêu ra công thức xác định hệ số áp lựcđường w như sau:

1.5.Mục tiêu, phạm vi và nội dung nghiên cứu của luận văn

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu

Để phân phân tích dao động cũng như lựa chọn thông số tối ưu cho hệthống treo xe khách, một mô hình dao động không gian tuyến tính ô tô khách

2 cấu với 08 bậc tự do với kích thích ngẫu nhiên của mấp mô mặt đường quốc

lộ được thiết lập Chỉ số gia tốc bình phương trung bình (R.M.S) của ghế ngồingười điều khiển và góc lắc dọc và ngang tại vị trí trọng tâm thân xe dựa vàotiêu chuẩn ISO 2631-1(1997) được chọn làm mục tiêu để đánh giá Phần mềmMatlab/Simulink được dùng tính toán và mô phỏng Các thông số thiết kế của

hệ thống treo lần lượt được lựa chọn nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển độngcủa xe

Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ khoa học tác giả tập trung cứumột số vấn đề sau:

- Xây dựng mô hình dao động xe khách 2 cầu;

- Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động;

- Mô phỏng và phân tích dao động của xe khách;

- Lựa chọn thông số tối ưu của hệ thống treo

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng mô hình dao động không gian tuyến

tính với 8 bậc tự do của xe khách để phân tích dao động và lựa chọn thông sốthiết kế tối ưu cho hệ thống treo dựa gia tốc bình phương trung bình (R.M.S)của tiêu chuẩn ISO 2631-1(1997)

Đối tượng: Một mô hình dao động không gian của xe khách với 08 bậc

tự do đuợc thiết lập để phân tích và lựa chọn thông số tối ưu hệ thống treo xekhách

1.5.3 Phương pháp nghiên cứu

Lý luận và kết hợp mô phỏng bằng phần mềm Matlab simulink 7.0 đểphân tích và lựa chọn thông số tối ưu cho hệ thống treo xe khách nhằm nângcao độ êm dịu chuyển động của xe

1.5.4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung chính của luận văn như sau:

Chương 1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Chương 2 Xây dựng mô hình và mô phỏng dao động xe khách;

Chương 3 Phân tích dao động và lựa chọn thông số tối ưu cho hệ thống

treo xe khách

Kết luận và những kiến nghị.

1.6 Kết luận chương

Kết quả phân tích trong chương này đã đưa được các lập luận về cơ sở

lý thuyết cho vấn đề cần nghiên cứu như phân tích hệ thống treo, các phươngpháp tối ưu thông số hệ thống treo và tổng quan về vấn đề nghiên cứu

CHƯƠNG 2.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XE KHÁCH 2 CẦU

2.1 Xây dựng mô hình dao động của xe khách

2.1.1 Các giả thiết mô hình dao động tương đương

Ô tô là một cơ hệ hệ dao động bao gồm nhiều bộ phận nối với nhau.Mỗi bộ phận được đặc trưng khối lượng và thông số đặc trưng Bộ phận cótác dụng giảm các dao động từ mặt đường lên khung vỏ là hệ thống treo Hệthống treo là đối tượng chính khi nghiên cứu dao động

Để nghiên cứu dao động xe ô tô một cách thuận lợi chúng ta cần phảithiết lập dao động tương đương Trong đó mô hình dao động ô tô cần có đầy

đủ các thông số liên quan đến dao động của ôtô

Trước khi thiết lập mô hình dao động tương đương cần thống nhất một

số khái niệm sau:

a Khối lượng được treo m

Khối lượng được treo m gồm những cụm chi tiết mà trọng lượng củachúng tác dụng lên hệ thống treo Đó là khung, thùng, hàng hoá, cabin và một

số chi tiết khác Giữa chúng thực ra được nối với nhau một cách đàn hồi nhờcác đệm đàn hồi, ổ tựa đàn hồi bằng cao su, dạ, nỉ, giấy công nghiệp, Hơnnữa bản thân các bộ phận này cũng không phải cứng tuyệt đối, cho nên khốilượng treo thực ra là một nhóm các khối lượng được liên kết đàn hồi thànhmột hệ thống Tuy nhiên dựa cách bố trí cụ thể của ô tô, mà có thể chia khốilượng được treo thành 2 hoặc nhiều khối lượng, giữa các khối lượng liên kếtvới nhau bằng các phần tử đàn hồi và giảm chấn Tuy nhiên các mối đàn hồigiữa các thành phần của khối lượng được treo có biến dạng rất nhỏ so vớibiến dạng của hệ thống treo và lốp Cho nên trong trường hợp đơn giản có thểcoi rằng khối lượng được treo m là một khối lượng đồng nhất dạng khônggian

b Khối lượng không được treo m a

Khối lượng không được treo gồm những cụm mà trọng lượng củachúng không tác dụng trực tiếp lên hệ thống treo mà chỉ tác dụng lên lốp bánh

xe Đó là: bán trục, dầm cầu, bánh xe, một phần chi tiết của hệ thống treo,truyền động lái, nhíp, giảm chấn, một phần của trục các đăng

Coi khối lượng không được treo là một vật thể đồng nhất, cứng tuyệtđối và có khối lượng m tập trung vào tâm cầu xe

c Hệ thống treo

Hệ thống treo trong ô tô có nhiệm vụ nối phần được treo m và phầnkhối lượng không được treo m một cách đàn hồi Hệ thống treo cùng với lốplàm giảm những chấn động gây nên do sự mấp mô mặt đường khi xe chuyểnđộng Hệ thống treo gồm những bộ phận sau:

- Bộ phận đàn hồi: Lò xo, nhíp, thanh xoắn, bình khí Nó được biểudiễn bằng một lò xo có độ cứng k

- Bộ phận giảm chấn: có nhiệm vụ dập tắt các chấn động Nó được đặctrưng bằng hệ số cản giảm chấn c

- Bộ phận dẫn hướng: gồm có các thành đòn và có nhiệm vụ truyền lực

và mô men theo các phương phương

d) Bánh xe

Bánh xe ngoài tác dụng là hệ thống di chuyển và đỡ toàn bộ trọnglượng của xe còn có tác dụng làm giảm các chấn động từ mặt đường lên xe,tăng độ êm dịu cho xe Bánh xe là hình ảnh thu nhỏ của hệ thống treo, cónghĩa là cũng bao gồm một thành phần đàn hồi và một thành phần giảm chấn,đặc trưng bởi kt và ct

2.1.2 Mô hình dao động xe khách 2 cầu

Để phân tích dao động và lựa chọn thông số thiết kế tối ưu cho hệ thốngtreo, một ô tô khách 2 cầu với hệ thống treo khí dạng phụ thuộc được chọn đểxây mô hình dao động toàn xe Mô hình dao động được xây dựng trên cơ sở

f 1 f2

s 2

(a) Nhìn từ mặt bên của xe (b) Nhìn từ mặt trước của xe

Hình 2.1 Mô hình dao động của ô tôt khách

Giải thích các ký hiệu trên hình: kij là độ cứng của hệ thống treo; cij là

hệ số giảm chấn hệ thống treo; ktlj là độ cứng của lốp; Ctlj là hệ số giảm chấncủa lốp; m là khối lượng được treo của xe khách; ma1 and ma2 là khối lượngkhông được treo của cầu trước và cầu sau; a, b là khoảng cách từ trọng tâmcủa xe đến cầu trước và sau, sn là khoảng cách từ trọng tâm của xe đến hai vịtrí ghế khảo sát, rk , fk, ek là các khoảng cách; ,  và ak là chuyển vị góccủa

trọng tâm xe và của khối lượng không được treo; I, Iak là mô men quán tínhcủa khối lượng được treo và không được treo của xe; qkj là mấp mô mặtđường; v là vận tốc chuyển động của xe (i=1,2,3; k=1,2; n=1÷6; j=trái, phải )

2.1.3 Thiết lập phương trình vi phân mô tả dao động

Dựa vào mô hình dao động để các phương trình vi phân mô tả dao độngcủa cơ hệ để phân tích dao động và lựa chọn các thông số thiết kế của hệthống treo Hiện nay có rất nhiều phương pháp để thiết lập phương trình viphân miêu tả chuyển động của cơ hệ như: phương trình Lagrange loại II,nguyên lý D’Alambe, nguyên lý Jourdain kết hợp phương trình Newton –Euler Tuy nhiên để thuận lợi cho mô phỏng bằng máy tính em sử dụng

Dựa vào cơ sở hệ nhiều vật tách các vật ra khỏi cơ hệ và thay vào đó làcác phản lực liên kết Sau đó sử dụng nguyên lý D’Alambe để thiết lập hệphương trình cân bằng cho từng vật của cơ hệ sau đó liên kết chúng lại vớinhau bằng quan hệ lực và momen.

Theo nguyên lý D’Alambe:

a) Thiết lập các phương trình vi phân mô tả ghế ngồi người lái

Theo lý thuyết hệ nhiều vật chúng ta tách liên kết của vật ra khỏi cơ hệ

và thay vào đó các phản lực liên kết, sơ đồ lực tác dụng lên cầu trước đượcthể hiện hình 2.4

Hình 2.3 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên cầu trước

Phương trình cân bằng lực cầu trước:

-Lực truyền từ đường truyên qua lốp xe tác dụng lên cầu trước

+ Lực đàn hồi của lốp bên trái cầu trước:

F ktl1  ktl1 (z a1ld  q 1l )

+ Lực giảm chấn của lốp bên trái cầu trước:

(2-9)