chương 10 dao động ô tô máy kéo, môn học lý thuyết ô tô

chương 10, dao động ô tô máy kéo, môn học lý thuyết ô tô

CHƯƠNG X DAO ĐNG ÔTÔ MY KEO I khái nim v tính êm du ca ôtô : 1.1 Là chØ tiªu quan trọng xe : - Ảnh hưởng tới hành kh¸ch , hàng ho¸ , tuổi thọ ca xe : Khi xe chuyn ng ng không b»ng phẳng thường chịu tải trọng dao động b mt ng nhp nhô to , gây nh hưởng tới hành kh¸ch , hàng ho¸ , ti thọ xe VD: Số liệu thống kê cho thấy : + Khi ôtô chy ng xu , g gh so vi ôtô chy ng phẳng Vn tc V giảm 40 ÷ 50 % Qu·ng đường chạy hai kì i tu gim 35 ữ 40 % Xut tiêu hao nhiên liu tng 50 ữ 70 % iu dẫn đến : Năng xuÊt vận chuyÓn giảm 35 ÷ 40 % Gi¸ thành vận chuyển tăng 50 ÷ 60 % +Khi xe chạy rung xóc nhiều dẫn đến mỏi mệt , say xe cho hành kh¸ch - Sự phụ thuộc tÝnh ªm dịu : + KÕt cÊu xe : Phơ thc tríc hÕt lµ hƯ thèng treo Phụ thuộc vào đặc điểm cờng độ kích đêm Phụ thuộc vào tốc độ láI xe +lực kích thích gây dao động không cân liên hộp máy mấp mô bề mặt đờng 1.2 Chỉ tiêu đẻ đánh giá tính êm dịu : Để đánh giá tính êm dịu chuyển động ôtô ngời ta dùng số tiêu : 1.2.1 Tần số dao động thích hộp : - Ôtô có chuyển động êm dịu xe chạy địa hình dao động phát sinh có tần số nàm khoảng 60 ữ 85 lần /phút - Trong thùc tÕ: Khi tiÕn hµnh thiÕt kÕ hƯ thống treo ngờ ta thờng lấy giá trị tần số dao động thích hợp : 60 ữ 85 dao động/ phút Đối với xe du lịch xe tải thi tần số nàm khoảng : 85-120 dao động / phút 1.2.2 Giatốc thích hợp - Chỉ tiêu đánh giá tính êm dịu chuyển động dựa vào giá trị gia tốc thẳng đứng dao động số lần va đập độ nhấp nhô bề mặt đờng gây nên km đờng chạy : Đồ thị :(hinh 1) - Muốn đánh giá đợc xe có tính êm dịu chuyển động hay không ngờ ta cho ôtô chạy đoạn đờng định , thời gian dụng cu đo đạt xe xẽ ghi lại số lần va đập j tính trung bình 1km đờng gia tốc thẳng đứng xe tơng ứng Dựa vào thông số , ngời ta so sánh với đồ thị chuẩn xem xe thí nghiệm đạt đợc độ êm dịu chuyển động thang bậc +VD: Trên đoạn đờng định đo đợc : 10 lần va chạm / km Gia tốc thẳng j = 4m/s Tra đồ thị ta xác định định đợc A Nh vậy: Xe thí nghiệm có mức độ êm dịu chuyển động theo tiêu cho ta đợc kết nhanh , cha thật xác theo phơng pháp cha tính tới thời gian tác động gia tốc thời gia tốc thẳng đứng J xÊu xÊu A trung b× nh tèt rÊt tèt Hinh Đồ thị đặc trng tính êm dịu ôtô J : gia tốc thẳng đứng (m/s ) i : số lần va đập / km 1.3 Chỉ tiêu tính êm dịu chuyển động dựa vào gia tốc giao động thời gian tác động chúng : - Khi ngờ ngồi ôtô , đặc biêt ngờ lái : dao động làm cho ngờ mệt mỏi , dẫn đến giảm xuất làm việc ảnh hởng lâu dài đến sức khoẻ - Thí nghiệm cho thÊy : Keo dµi tiÕng cho thÊy nhạy cảm ngời : Dải tần số ữ Hz Trong dải giá trị cho phép toàn phơng gia tốc nh sau : Dễ chịu : 0,1 m/s Gây mệt mỏi : 0,315 m/s Gây ảnh hởng tới sức khoẻ : 0,63 m/s II.Sơ đồ dao động tơng đơng ô tô máy kéo Dao động ô tô mặt phẳng toạ độ Hệ dao động ô tô - máy kéo chuyển động hệ dao động nhiều bậc tự phức tạp (xem hình X-2) Để tìm đợc quy luật nguyên nhân chủ yếu gây dao động, ta xét dao động mặt phẳng toạ độ nh dao động mặt phẳng toạ độ nh dao động riêng biệt Trong mặt phẳng ZX có hai dao động, dao động theo phơng thẳng đứng theo trục Z dao động góc xoay quanh trục Y tơng tự nh mặt phẳng ZY XY có dao động ngang, dọc dao động góc quanh trục X, Y Tất dao động ảnh hởng tới ngời, song mức độ ảnh hởng có khác Khi nghiên cứu tính êm dịu chuyển động, qua nhiều thí nghiệm ngời ta nhận thấy so với dao động mặt phẳng XZ dao động thành phần mặt phẳng XY ZY không đáng kể bỏ qua Hình X-2 Hệ giao động không gian ô tô hai cầu Khái niệm khối lợng đợc treo khối lợng không đợc Trong sơ đồ dao động, ngời ta chia khối lợng ô tô làm hai thành phần: khối lợng đợc treo M khối lợng không đợc treo m a Khối lợng đợc treo Khối lợng đợc treo M gồm cụm, chi tiết mà trọng lợng chúng tác động lên hệ thống treo nh khung, thùng, cabin, động số chi tiết gắn liền với chúng Những cụm máy chi tiết kể đợc lắp đặt với đệm cao su đàn hồi, nỉ giấy bìa công nghiệp v.v Hơn nữa, thực tế thân cụm chi tiết không cứng hoàn toàn mà có đàn hồi, biến dạng riêng, nhng so với biến dạng hƯ thèng treo th× chóng rÊt nhá bÐ, cã thĨ bỏ qua Trong hệ dao động tơng đơng, khối lợng đợc treo đợc xem nh vật thể đồng nhất, cứng hoàn toàn, đợc biểu diễn nh AB có khối lợng M tập trung vào trọng tâm T Các điểm A, B ứng với vị trí cầu trớc cầu sau xe Tại vị trí cầu trớc cầu sau có khối lợng M1 M2, toạ độ trọng tâm phần đợc treo đợc thể qua kích thớc a b (hình X-3) Hình X-3 Mô hình hoá khối lợng đợc treo b Khối lợng không treo đợc Khối lợng không treo m bao gồm cụm, chi tiết máy trọng lợng chúng không tác dụng lên hệ thống treo Đó cầu, hệ thống chuyển động phần đăng Cũng nh phần khối lợng đợc treo, ta bỏ qua ảnh hởng biến dạng riêng cụm mối nối đàn hồi chúng, coi phần không đợc treo vật thể đồng cứng hoàn toàn có khối lợng m tập trung vào tâm bánh xe (hình X-4) Sự biến dạng đàn hồi lốp đợc đặc trng hệ số cứng Cl c Hệ số khối lợng Tỷ số khối lợng đợc treo M khối lợng không đợc treo m gọi hệ số khối lợng =M/m(X-1) Hình X-4 Mô hình hoá khối lợng không đợc treo Hệ số khối lợng có ảnh hởng lớn tới tính êm dịu chuyển động Giảm khối lợng đợc treo giảm đợc lực va đập truyền lên khung vỏ; tăng khối lợng đợc treo giảm đợc dao ®éng khung vá Cho nªn thiÕt kÕ xe, cã khuynh hớng tăng hệ số này, mà trớc hết giảm trọng lợng phần không đợc treo Thông thờng 6,5 ữ 7,5 xe du lịch đầy tải ữ xe vận tải Sơ đồ hoá hệ thống treo Trong sơ đồ dao động tơng đơng ô tô phần đàn hồi hệ thống treo đợc biểu diễn nh lò xo có hệ số cứng C l phận cảm chấn với đại lợng đặc trng hệ số cản K Hệ thống treo đợc biểu diễn nh (hình X-5) Điểm ®iĨm nèi hƯ thèng treo víi khung xe, cßn ®iĨm điểm đặt hệ thống treo lên cầu xe Hình X-5 Sơ đồ dao động tơng đơng hệ thống treo Sơ đồ dao động tơng đơng a Ô tô hai cầu Với khái niệm nêu trên, hệ dao động ô tô hai cầu đợc biểu diễn nh hình (X-6) Trong đó: M - Khối lợng đợc treo toàn xe; M1, M2 - khối lợng đợc treo phân cầu trớc cầu sau; m1, m2 - khối lợng không đợc treo phân cầu trớc cầu sau; C1, C2 - hệ số cứng thành phần đàn hồi hệ thống treo tríc vµ sau; C’1, C’2 - hƯ sè cøng cđa lốp trớc sau; Hình X-6 Sơ đồ dao động tơng đơng ô tô a, b - toạ độ trọng tâm phần khối lợng đợc treo; L - chiều dài sở ô tô; K1, K2 - hệ số cản thành phần cản hệ thống treo trớc sau ô tô ba cầu Sơ đồ dao động tơng đơng ô tô ba cầu với hệ thống treo hai cầu sau hệ thống treo cân đợc biểu diễn (hình X-7) Trong : M2 - khối lợng đợc treo phân cầu sau; m2, m3 - khối lợng không đợc treo vị trí cầu sau; C2 - hệ số cøng cđa hƯ thèng treo sau; K2 - hƯ sè c¶n hƯ thèng treo sau; C’12, C’13 - hƯ sè cứng lốp cầu cầu sau; K12, K13 - hệ số cản lốp sau Các ký hiệu khác xem (hình X-7) Hình X-7 Hệ số dao động tơng đơng treo sau cân ô tô ba cầu dao động thẳng đứng mặt phẳng dọc III Phơng trình dao động ô tô Để xác lập đợc qui luật dao động ô tô, ta xet sơ đồ dao động đơn giản ô tô nh hình X-10 Sơ đồ tính toán đợc xác lập với giả thiết đơn giản sau: Cha ®Ĩ ý tíi lùc kÝch ®éng ®é mấp mô mặt đờng gây xe chuyển động Cha để ý đến khối lợng không đợc treo Cha để ý đến lực cản phận cản Với giả thiết đơn giản trên, dao động ô tô đợc coi nh dao động AB đặt hai gối tựa đàn hồi tơng ứng với tâm cầu trớc cầu sau Hệ số cứng thu gọn hệ thống treo lốp đợc ký hiệu lµ C1, C2 B1 v T B′ MZ Z B Z2 z1 c11 z1 C2 Z a b L Hình X-10 Sơ đồ dao động đơn giản ô tô khối lợng đợc treo M đợc tập trung trọng tâm T cách cầu trớc cầu sau xe khoảng cách tơng ứng a b có lực kích thích, đoạn thẳng AB chuyển động tới vị trí A1B1 gồm hai chuyển động thành phần: chuyển động tịnh tiến từ AB tới AB với đoạn dịch chuyển z dới tác động lực quán tính Mz Chuyển động quay mét gãc ϕ quanh trơc Y ®i qua träng tâm T làm AB chuyển từ AB tới A1B1 Dịch chuyển thẳng đứng z1,z2 vị trí A B đợc xác định nh sau: = - atgϕ ≈ ζ - aϕ ζ2 = ζ + btgϕ +b (X-2) Góc nhỏ nên tg Chuyển động thẳng đứng chuyển động quay khối lợng đợc treo M đợc biểu thị hệ phơng trình sau: Mz +C1z1 + C2z2 = Mp2ϕ = C1z1a - C2z2b Trong ®ã: ` (X-3) dz2 / dt2= z dϕ2/dt2 = ϕ (X-4) ρ - bán kính quán tính khối lợng đợc treo trục Y qua trọng tâm T Đạo hàm hai lần phơng trình (X-2) theo thời gian ngời ta ®ỵc: z = z + bϕ   z = z - aϕ  (X-5) Tõ hƯ ph¬ng trình z=- = (X-3) ta có giá trị sau: (C1z1a - C2z2) M (C1z1a - C2z2b) MP (X-6) Thay giá trị z bỉeu thức (X-6) vào hệ phơng trình (X-5) ta cã: a (C1z1 + C2z2) (C1z1a + C2z2b) M MP b Z2 = (C1z1 - C2z2) + (C1z1a - C2z2b) M MP z1 = - Sau khai triển rút gọn ta đợc hệ phơng trình: ab a2 Mz1 + C1z1(1 + ) + C2z2(1 - ) = P P ab b Mz2 + C2z2(1 + ) + C1z1(1 - ) = P P (X-7) Thay gi¸ trị z1 từ phơng trình thứ hệ phơng trình (X-7) giá trị z1 từ phơng trình thứ vào phơng trình thứ hai hệ phơng trình (X-7) vµ rót gän ta cã: C1 L2 ab − P Z =0 z1 + 2 Z + P +b M p2 + b2 ( ) (X-8) C1 L2 ab − P Z =0 z2 + 2 Z + P +b M p2 + b2 ( ) Từ hệ phơng trình (X-8) ta thấy dao động hai vị trí AB tơng ứng với dao động khối lợng đợc treo phân cầu trớc, cầu sau có ảnh hởng lẫn nhau, nghĩa trình chuyển động cầu trớc gặp độ mấp mô bề mặt đờng dao động xuất cầu trớc gây dao động cầu sau ngợc lại ảnh hởng dao động qua lại hai cầu đợc đặc trng hệ số liên kết : ab P   P2 + b2   ab − P  µ1 = P + a à1 = (X-9) Trong trờng hợp à1 = à2 = tức = ab xẩy trờng hợp dao động cầu xe độc lập lẫn Trong thực tế trờng hợp không xẩy mà dao động cầu xe có ảnh hởng qua lại với nhau, nghĩa à1 # à2 # # Bán kính quán tính trờng hợp đợc tính theo biểu thức: = ab (X-10) : - hệ số phân bố khối lợng ô tô = 0,8 ữ 1,2 Hệ số ảnh hởng lớn đến dao động ô tô = dao động cầu xe độc lập với Tần số dao động riêng phần khối lợng đợc treo phân cầu trớc, cầu sau đợc tính theo biểu thức: C1 L2 2 P +b M   C L2  ω2 = P + a M 12 = ( ) ( ) (X-11) : - tần số dao động đặc trng cho dao động khối lợng đợc treo điểm A điểm B cố định; - tần số dao động đặc trng cho dao ddoonogj khối lợng đợc treo điểm B điểm B điểm A cố định Thay (X-9) (X-11) vào (X-8) ta đợc : z1 + µ1z2 + ω21z1 = z2 + µ2z1 + ω22z2 = (X-12) NghiƯm tỉng qu¸t cđa hệ phơng trình (X-12) có dạng : z1 = Asin1t + BsinΩ2t z2 = CsinΩ1t + DsinΩ2t Trong ®ã : 1, - tần số dao động liên kết; A, B, C D - số Phơng trình đặc tính hệ phơng trình (X-12) phơng trình trùng phơng có dạng : 12 + 22 ω12ω 22 Ω − Ω + =0 − µ1 µ − µ1 µ (X-13) Gi¶i phơng trình (X-13) ta đợc biểu thức để tính tần số dao động liên kết nh sau: 12, = ( )  ω2 +ω2 ± 2(1 − µ1 µ )  (ω − ω 22 ) + µ1 µ 2ω12ω 22   (X-13) BiĨu thøc trªn cho thÊy dao động ô tô phức tạp gồm hai dao động điều hoà có tần só dao động liên kết 1, Tần số dao động liên kết « t« phơ thc vµo nhiỊu u tè mµ tríc hết phụ thuộc vào thông số cấu tạo ô tô nh khối lợng đợc treo, toạ độ trọng tâm phần đợc treo, bán kính quán tính phần đợc treo, độ cứng hệ thống treo v.v Trờng hợp à1 = à2 = dao động xảy cầu xe độc lập lẫn nhau, phơng trình dao động ô tô đơn giản nhiều (xem hình X - 11) v Z1 B( M ) T(M) M 1Z1 C1Z1 a b L Hình X-11 Sơ đồ dao động độc lập ô tô cầu trớc Phơng trình dao động xe cầu trớc có dạng : M1z1 + C1z1 = (X-14) Tần số dao động riêng đợc tính b»ng biĨu thøc : ω12 = C1 M1 (X-15) Lóc phơng trình (X-14) có dạng : z1 + 21 z1 = (X-16) Nghiệm phơng trình : z1 = Asin ω1t (X-17) Nh vËy dao ®éng có quy luật theo hàm số sin điều hoà với chu kú dao ®éng : T1 = 2π = ω1 M1 C1 (X-18) Số lần dao động phút đợc xác định theo biểu thức : n1 = 300 (X-19) f t1 Trong ®ã : ft1 - ®é tĩnh hệ thống treo trớc Đối với ô tô du lịch độ võng tĩnh tải đầy có giá trị khoảng 20 ữ 50 cm, xe tải từ đến 12 cm, xa khách từ 11 đền 15 cm Dao động cầu sau ta xét tơng tự Nếu kể tới thành phần cản, tức hệ thống treo xe có lắp ống giảm chấn để dập tắt dao động phát sinh xe chạy sơ đồ tính toán đợc biểu diễn hình (X-12) Khi hệ thống treo có lắp giảm chấn thuỷ lực lực cản giảm chấn thủ lùc ë vËn tèc b×nh thêng sÏ tØ lƯ víi A Z M Z1 K1 Z1 C1 Z Hình X-12 Sơ đồ dao động tự tắt dần ô tô vận tốc dao động Phơng trình dao động trờng hợp có dạng : M1z1 + K1z1 + C1z1 = 20) (X- Ta đặt : K1 M = 2h vµ K1 M = Phơng trình (X-20) có dạng : z1 + 2h1z1 + ω21z1 = (X-21) ë : h - hệ số tắt chấn động : Để giải đợc phơng trình (X-21) ta đa hệ số tỉ lệ tắt chấn động = h1 (X- 22) Hệ số thể mối tơng quan hai đại lợng đặc trng cho hệ thống treo hệ số cản giảm chấn hệ số cứng phận đàn hồi (nhíp, lò xo) Đây thông số quan trọng hệ dao động xe Nghiệm phơng trình đặc tính phơng trình vi phân (X-21) có dạng : 1,2 = - h1 ± h 12 − ω12 (X- 23) kết toán tuỳ thuộc dạng nghiệm số (X-23) Có ba trờng hợp nh sau xảy a Trờng hợp thứ : h1 > tức > Đặt Ω12 = h12 - ω12 (X-24) Ω1 - tÇn sè dao động xe có phận cản cầu trớc; - tần số dao động riêng cầu trớc Nghiệm phơng trình dao động (X-21) có d¹ng : z1 = Ae-h1tsh(Ω1t + ϕ0) (X- 25) NghiƯm phơng trình (X-21) trờng hợp cho thấy hệ thống treo có lắp thành phần cản với đại lợng đặc trng hệ số cản K dao động đợc dập tắt, nhng với > trình dập tắt theo quy luật hình sin hypecbol, trình dập tắt đột ngột, cần tránh thiết kế hệ thống treo ô tô b Trờng hợp thứ hai : h1 = tức = Nghiệm phơng trình đặc tính nghiệm kép nghiệm phơng trình dao ®éng (X-21) cã d¹ng sau: z1 = eh1t(A1 + A2t) (X- 26) trình dập tắt dao động cịng cã quy lt h×nh sin hypecbol Trong thiÕt kÕ hệ thống treo cần tránh trờng hợp d 3z dt 120 20 z d z dt 80 10 40 dz dt 2 40 10 Z cm d 3z dt 20 30 10 12 40 0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 t(s) Hình X-13 Dao động tắt dần c Trờng hỵp thø ba : h1 < ω tøc Ψ < trờng hợp nghiệm phơng trình đặc tính nghiệm phức nghiệm phơng trình dao động (X-21) có dạng : z1 = Ae-h1t sin(1t + 0) 27) (X- Quá trình dập tắt dao động trờng hợp theo quy luật hình sin điều hoà, trình từ từ êm dịu (hình X-13) Nh thiết kế hệ thống treo ô tô phải chän < Ψ1 < NÕu chän Ψ1 ≈ thời gian dập tắt dao động lâu lực cản đển dập tắt dao động bé Nếu chọn trình dập tắt dao ®éng sÏ nhanh nhng ®ét ngét theo quy luËt sin hypecbol c Thông thờng ô tô hệ số tắt động có giá trị khoảng = 0,15ữ 0,3 (xem hình X-14) / 1,0 0,5 0,5 Vïng Sư dơng cđa H×nh X-14 Vïng sư dơng cđa hƯ sè tû lƯ t¾t dao ®éng  ... Hệ số dao động tơng đơng treo sau cân ô tô ba cầu dao động thẳng đứng mặt phẳng dọc III Phơng trình dao động ô tô Để xác lập đợc qui luật dao động ô tô, ta xet sơ đồ dao động đơn giản ô tô nh... ảnh hởng tới sức khoẻ : 0,63 m/s II.Sơ đồ dao động tơng đơng ô tô máy kéo Dao động ô tô mặt phẳng toạ độ Hệ dao động ô tô - máy kéo chuyển động hệ dao động nhiều bậc tự phức tạp (xem hình X-2)... yếu gây dao động, ta xét dao động mặt phẳng toạ độ nh dao động mặt phẳng toạ độ nh dao động riêng biệt Trong mặt phẳng ZX có hai dao động, dao động theo phơng thẳng đứng theo trục Z dao động góc