Đáp ứng động lực học của ô tô chuyển động có kể đến mấp mô mặt đường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo HÀ HẢI PHI ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ơ TƠ CHUYỂN ĐỘNG CĨ KỂ ĐẾN MẤP MƠ MẶT ĐƯỜNG Chun ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số: 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2017 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HÀ HẢI PHI MSHV: 1570324 Ngày, tháng, năm sinh: 17/12/1991 Nơi sinh: Đăk Nông Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số: 60520116 I TÊN ĐỀ TÀI: “Đáp ứng động lực học ô-tô chuyển động có kể đến mấp mơ mặt đường” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mơ hình học dao động xe nhiều cầu (mơ hình 1/4, 1/2 với trục, trục) xây dựng phương trình vi phân chuyển động Đề cập đến mấp mô mặt đường đầu vào tải kích động Mơ hình Simulink (Matlab) cho mơ hình xe 1/4, 1/2 trục, 1/2 trục Áp dụng số liệu thực tế, giải đáp ựng động lực học III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16/01/2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 22/07/2017 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên ): TS LÊ ĐÌNH TUÂN Tp HCM, ngày 22 tháng 07 năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy TS Lê Đình Tuân tận tâm hướng dẫn khoa học giúp đỡ tác giả hoàn luận văn Tác giả xin gửi lời cám ơn tới Thầy, Cô Bộ môn Kỹ thuật Ơ tơ Máy động lực, Khoa Kỹ thuật Giao Thơng Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh có ý kiến đóng góp cho luận văn, động viên giúp đỡ tác giả trình thực luận văn Tác giả xin bày tỏ biết ơn tới quan tâm Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh ủng hộ bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình làm luận văn Cuối tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình động viên, ủng hộ tác giả suốt thời gian làm luận văn./ Tác giả luận văn Hà Hải Phi TĨM TẮT Tính tốn dao động tơ có ý nghĩa vai trò vơ quan trọng, sở chủ yếu giúp đánh giá độ ổn định, an toàn động lực học theo phương thẳng đứng, êm dịu trình hoạt động tơ Mơ hình tính tốn mô dao động ô tô 1/4 1/2 sử dụng để tiến hành nghiên cứu Luận văn đề cập đến mấp mô mặt đường đầu vào tải kích động sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để lập mơ hình dao động tơ Các mơ hình học tơ trục trục xây dựng với hệ phương trình vi phân chuyển động tin cậy Các mơ hình dùng tham khảo để nghiên cứu chuyên sâu dao động ô tô Luận văn khai thác công cụ Matlab - Simulink để giải hệ phương trình vi phân để tìm đáp ứng động lực học hệ xe trục, trục ABSTRACT Vehicle vibration calculations play significant and extremely important role, and is based mainly help to assess the stability, vertical dynamic safe, smooth during vehicle’s operation 1/4 and 1/2 car vibration simulation model are used to conduct research The thesis refers to the road surface roughness as the input of agitated load and uses the Matlab - Simulink software to model the automobile vibration The two-axle and three-axle automobile mechanics models are formulated with reliable differential equations These models can be used for further study of automobile vibration This thesis utilizes the Matlab-Simulink tool to solve the differential equation system to find the dynamic response of the two-axle, three-axle vehicle LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Hà Hải Phi MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẤT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU CHUƠNG TỔNG QUAN ĐỘNG LỰC HỌC PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG 1.1 Giới thiệu 1.2 Đánh giá dao động ô tô đường 1.3 Các mơ hình dao động tơ 1.4 Một số mơ hình dao động có xét đến ảnh hưởng mấp mơ bề mặt 1.5 Hàm kích động 1.6 Phân tích chọn mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu 1.6.1 Mục tiêu nghiên cứu mơ hình dao động 1.6.2 Đối tượng nghiên cứu 1.6.3 Phương pháp nghiên cứu vi CHƯƠNG TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG Ô TÔ 10 2.1 Tiêu chí đánh giá độ êm dịu 10 2.2 Tiêu chí khơng gian hệ thống treo 13 2.3 Tiêu chí an toàn động lực học 14 CHƯƠNG XÂY DỤNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ CĨ XÉT ĐẾN ĐỘ MẤP MÔ MẶT ĐƯỜNG 16 3.1 Mơ hình động lực học xe 16 3.1.1 Mơ hình xe 1/4 18 3.1.1.1 Các giả thiết lập mơ hình 18 3.1.1.2 Mơ hình hệ thống treo 19 3.1.1.3 Mơ hình bánh xe 24 3.1.1.4 Hệ phương trình vi phân mơ tả dao động xe theo mơ hình 1/4 27 3.1.2 Mơ hình xe trục 28 3.1.2.1 Các giả thiết lập mơ hình 29 3.1.2.2 Hệ phương trình vi phân mơ tả hệ thống 30 3.1.3 Mô hình xe trục 33 3.1.3.1 Các giả thiết lập mơ hình 34 3.1.3.2 Hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống 36 3.2 Phương trình dao động ô tô theo phương pháp phần tử hữu hạn 39 3.3 Mô tả mấp mô biên dạng mặt đường dạng hàm ngẫu nhiên 42 3.3.1 Gia công số liệu 44 3.3.1.1 Chuẩn hóa 44 3.3.1.2 Khử trend 45 3.3.1.3 Lọc số liệu 46 3.3.2 Mô tả mấp mô biên dạng mặt đường dạng hàm ngẫu nhiên: 47 vii CHƯƠNG MƠ PHỎNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ CHUN ĐỘNG CĨ KẺ ĐẾN MẤP MÔ MẶT ĐƯỜNG 53 4.1 Đo độ mấp mô mặt đường thực tế: 53 4.2 Mô dao động phần mềm Matlab - Simulink 55 4.2.1 Sơ đồ Simulink mơ dao động tơ với mơ hình 1/4 56 4.2.2 Sơ đồ Simulink mô dao động tơ với mơ hình trục 57 4.2.3 Sơ đồ Simulink mô dao động tơ với mơ hình trục 58 4.3 Áp dụng số liệu thực vào mô hình xe trục 59 Kết luận chưong 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 TÀI LỆU THAM KHẢO 80 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1- Mơ hình dầm bề mặt mấp mơ chịu tải di động với bậc tự ố Hình 1.2 - Các mấp mơ mặt đường: a)Ảnh hưởng vệt bánh xe non hơi, b)vết lõm mặt đường, c) Mặt đường gợn sóng ố Hình 1.3 - Độ võng cầu có kể đến độ mấp mô tải di động không đổi tải di động biến thiên/st +f(t) Hình 2.1 - Các mức độ êm dịu 11 Hình 2.2 - Phân bố độ êm dịu chủng loại xe 12 Hình 2.3 - Giới hạn gia tốc phương 12 Hình 2.4 - Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian 13 Hình 2.5 - Mơ hình dao động 1/4 14 Hình 3.1 - Qui định hệ tọa độ 17 Hình 3.2 - Mơ hình xe 1/4 18 Hình 3.3 - Điểm cắt lực cắt 19 Hình 3.4- Mơ hình hệ thống treo 20 Hình 3.5 - Đặc tính đàn hồi hệ thống treo 21 Hình 3.6 - Sơ đồ xác định chế độ mở tiết lưu 23 Hình 3.7 - Mơ hình lốp 24 Hình 3.8 - Các lực bánh xe mặt phang 26 Hình 3.9 - Đặc tính lực hướng kính lốp 26 Hình 3.10 - Mơ hình xe trục 28 Hình 3.11 - Mơ hình xe trục 33 Hình 3.12 - Phân loại mặt đường theo mật độ phổ (đề xuất ISO) 50 Hình 3.13 - Mật độ phổ mô tả mấp mô mặt đường 51 Hình 4.1 - Thiết bị đo độ mấp mô mặt cầu 53 Hình 4.2 - Biểu đồ biểu thị biên dạng mấp mô mặt cầu Đa Phước 53 Hình 4.3 - Hàm phân bố xác suất cao độ mặt cầu Đa Phước 54 Hình 4.4 - Mật độ phổ công suất mấp mô mặt đường cấp 55 Hình 4.5 - Sơ đồ Simulink mô dao động ô tô với mô hình 1/4 57 Hình 4.6 - Sơ đồ Simulink mô dao động ô tô với mô hình xe trục 58 Hình 4.7 - Sơ đồ Simulink mô dao động ô tô với mơ hình xe trục 59 73 Biên độ, vận tốc gia tốc dao động trọng tâm thân xe khỉ xe chuyển động với vận tốc V = 100 km/h O vận tốc xe V = 80 km/h, cực tri biên độ gia tốc dao động đạt t = 6,3 s có giá tri zmiix = 4,3m/ s1 Giá tri đạt giới hạn cảnh báo (ngưỡng lập kế hoạch sửa chữa xe đường) theo tiêu chuẩn hiệp hội đóng gói Đức 74 Hình 4.31 - Biên dộ dao động Zs vận tốc xe V = 100km/h Hình 4.32 - Biên dộ dao động Zs vận tốc xe V = 100km/h 75 Biên độ, vận tốc gia tốc dao động trọng tâm thân xe khỉ xe chuyển động với vận tốc V = 100 km/h Hình 4.33 - Vận tơc dao động is vận tơc xe V = 100km/h Hình 4.34 - Gia tôc dao động Zs vận tôc xe V = 100km/h O vận tốc xe V = 100 km/h, cực tri biên độ gia tốc dao động đạt t = 5,1 s có giá tri =5,3m/ s2 Giá tri đạt giới hạn can thiệp (ngưỡng phải sửa chữa đường xe ngay) theo tiêu chuẩn hiệp hội đóng gói Đức 76 Hình 4.35 - Biên dộ dao động Zs vận tốc xe V = 120km/h Hình 4.36 - Biên dộ dao động (p vận tốc xe V = 120km/h 77 Biên độ, vận tốc gia tốc dao động trọng tâm thân xe khỉ xe chuyển động với vận tốc V = 100 km/h Hình 4.37 - Vận tôc dao động Zs vận tôc xe V = 120km/h Hình 4.38 - Gia tơc dao động Zs vận tôc xe V = 120km/h O vận tốc xe V = 120 km/h, cực tri biên độ gia tốc dao động đạt t = 4,2 s có giá tri zmiix =7,4m/s2 Giá tri đạt giới hạn can thiệp (ngưỡng phải sửa chữa đường xe ngay) theo tiêu chuẩn hiệp hội đóng gói Đức 78 So sánh biên độ dao động trọng tâm xe khỉ xe chuyển động vận tốc Bien dao dong, khấc nhau: Hình 4.39 - So sánh biên độ dao động Zs trọng tâm xe xe chuyển động vận tốc khác _ - _ £ - _ JF So sánh vận tôc dao động trọng tâm xe khỉ xe chuyên động vận tôc Thoi gian, s khác nhau: Hình 4.40 - So sánh vận tơc dao động Zs trọng tâm xe xe chuyên động vận tốc khác 77 So sánh vận tốc dao động trọng tâm xe khỉ xe chuyển động vận tốc khác nhau: Hình 4.41 - So sánh gia tôc dao động Zs trọng tâm xe khỉ xe chuyên động vận tốc khác 78 Kết luận chương Mơ hình dao động xe dựa nguyên lý tách vật Newton-Euler nhằm xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động Xây dựng mơ Simulink - Matlab xe trục với số liệu cụ thể Đề cập đến mấp mô mặt đường đầu vào tải kích động Ket cho thấy: - Ở vận tốc 20 km/h, 40 km/h gia tốc cực trị phương thẳng đứng nằm giới hạn an toàn Ở vận tốc 60 km/h, 80 km/h gia tốc cực trị phương thẳng đứng đạt ngưỡng giới hạn cảnh báo Ở vận tốc 100 km/h, 120 km/h gia tốc cực trị phương thẳng đứng đạt ngưỡng giới hạn can thiệp - Các thơng số tính tốn q trình nghiên cứu, kết tính tốn mô cần thiết kiểm chứng thực nghiệm Đây hạn chế chung sở vật chất nước ta 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Cho đến nghiên cứu đáp ứng động lực học ô tô chuyển động mô số hướng nghiên cứu ý Mơ hình động lực học tơ chuyển động ngày hồn thiện, mơ tương đối xác thực ứng xử hệ Luận văn phát triển mơ hình động lực học ô tô chuyển động xét đến yếu tố mấp mô mặt đường xe chạy đường yếu tố kích động làm thay đổi đặc trưng dao động hệ Một số kết đạt đóng góp luận văn: Đã phát triển mơ hình động lực học tơ chuyển động có xét đến độ mấp mô ngẫu nhiên mặt đường xe chạy Đã phát triển hệ phương trình vi phân động lực học tổng qt với mơ hình xe khác Đã đưa yếu tố mấp mô ngẫu nhiên mặt đường vào mơ hình mơ yếu tố kích động ảnh hưởng đến đặc trưng dao động Các đặc trưng độ mấp mô ngẫu nhiên xử lý thống kê từ kết đo đạc khảo sát cơng trình đường thực tế Kiến nghị Hướng nghiên cứu phát triển đề tài: - Tiếp tục hồn thiện chương trình xét đến đầy đủ đặc trưng xác suất độ mấp mô ngẫu nhiên (kỳ vọng toán, phương sai độ lệch chuẩn) - Đánh giá chi tiết dao động ô tô theo tiêu chuẩn Việt Nam quốc tế 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO • Tiếng Việt [1] Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2003) Phương pháp phần tử hữu hạn lý thuyết ỉập trình NXB Khoa học kỹ thuật, Tập & 2, Hà Nội [2] Nguyễn Thanh Hải (2000), Khảo sát ôtô nhiều cầu, Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật, Học Viện kỹ thuật Quân Hà Nội [3] Trịnh Minh Hoàng (2002), Khảo sát dao động xe tải cầu kích động ngẫu nhiên đường, Luận văn cao học, Đại học Bách Khoa Hà Nội [4] Đào Mạnh Hùng (2006), Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện khai thác đến tải trọng tác dụng lên tiết ôtô sử dụng Việt Nam, Luận án tiến sỹ kỹ thuật [5] Võ Văn Hường, Nguyễn Tiến Dũng, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc (2014) Động lực học ô tô NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội [6] Võ Văn Hường (2005), Nghiên cứu hồn thiện mơ hình khảo sát dao động tơ tải nhiều cầu, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội [7] p.c Muller, W.O Schiehlen, Nguyễn Đông Anh (1997), Dao động tuyến tinh, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [8] Vũ Đức Lập (2006), Dao động ôtô, Học viện Kỹ thuật Quân [9] Chu Quốc Thắng (1997) Phương pháp phần tử hữu hạn NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [10] Nguyễn Xuân Toản, Trần Văn Đức (2013) Tương tác động lực học xe ba trục cầu dầm liên tục có xét đến lực hãm xe Hội nghị Cơ học toàn quổc lần thứ 9, Hà Nội, tr 628-638 [11] Nguyễn Xuân Toản, Trần Đức Long, Trần Văn Đức (2011) Ảnh hưởng tốc độ khối lượng xe di động đến dao động cầu dầm liên tục nhiều nhịp Tạp chí Giao thơng Vận tải, số 8/2011 [12] Vũ Văn Toản (2007), Phân tích mơ hình tương ho xe - kết cẩu nhịp cầu, xây dựng hàm kích động hoạt tải đổi với cầu, Chuyên đề, Đại học Giao Thông Vận Tải [13] Vũ Văn Toản (2010), Xây dựng mơ hình tương tác xe cầu, Chun đề, Đại học Giao Thông Vận Tải [14] Vũ Văn Toản(2017), Phãn tích dao động kết cẩu nhịp cầu tác động 81 hoạt tải khai thác có xét đến độ mẩp mô mặt cầu, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Giao Thông Vận Tải [15] Nguyễn Mạnh Yên (1996) Phương pháp sổ học kết cẩu NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [16] Phan Quốc Bảo (2015), Nghiên cứu số giải pháp cải thiện độ êm thuận đoạn đuờng dẫn vào cầu khu vực đồng Sông Cửu Long, luận án tiến sỹ kỷ thuật, Viện khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải [17] Bộ Giao thông vận tải (2001), Tiêu chuẩn kiểm tra đánh giá độ phẳng mặt đuờng theo số độ gồ ghề quốc tế IRI - 22TCN 277:01 Tiếng Anh [18] M Géradin, D Rixen (2015), Mechanical vibrations : theory and application to structural dynamics , John Wiley & Sons, Ltd [19] Hansen, c, Gordaninejad F, Saiidi M, Chang F K (1997), “Control of bridges using magnetorheological fluid dampers,” Proceedings of the International Workshop on Structural Health Monitoring, Ed Fu-Kuo Chang, Stanford, California, pp 81-90 [20] Geert Lombaert, J p Conte, M ASCE (2012), "Random Vibration Analysis of Dynamic Vehicle-Bridge Interaction Due to Road Unevenness", Journal of Engineering Mechanics, 138, pp.816-825 [21] K Henchi, M Fafard, M Talbot, G.Dhatt (1998), "An efficient algorithm for dynamic analysis of bridges under moving vehicles using a coupled modal and physical components approach", Journal of Sound and Vibration, 212(4), pp 663683 [22] ISO 8608, Mechanical vibration - Road surface profiles - reporting of measured data, 1995 (E) [23] Kamopp D., M J Crosby, and R A Harwood, “Vibration control using semiactive force generators”, Journal of Engineering for Industry, 96, pp 619-626, 1974 [24] s.s Law, X.Q Zhu (2004), "Bridge dynamic responses due to road surface roughness and braking of vehicle", Journal of Sound and Vibration, 282, pp 805-830 82 [25] Ladislav Fryba (1999), Vibration of Solids and Structures under Moving loads, 3rd edition, Thomas Telford [26] Michaltsos G T, Konstantakopoulos T G (2000), “Dynamic response of a bridge with surface deck irregularities”, Journal of Vibration and Control, 6, pp 667-689 [27] Mitschke M (1992), "Dynamics of motor vehicles, B: Vehicle vibration" (in German), Springer, Berlin [28] Schiehlen Popp K (1993), "w: Fahrzeugdynamik", B G Teubner Stuttgat [29] Valáăek M, Novák M, Sika z, Vaculĩn o (1997), “Extended ground-hook New concept of semi-active control of truck’s suspension”, Vehicle System Dynamics, 27, pp 289-303 LỸ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: HÀ HẢI PHI Ngày, tháng, năm sinh: 17/12/1991 Nơi sinh: Đăk Nông Địa liên lạc: 577/6 Quốc 1$ 13 - Kp - p Hiệp Bình Phước - Q Thủ Đức Tp Hồ Chí Minh Q TRÌNH ĐÀO TẠO ... trưng trình bày theo động lực học phương thẳng ứng “Vertical Dynamics” nguồn dao động chủ yếu mấp mô mặt đường Đề tài: Đáp ứng động lực học ô tô chuyển động có kể đến mấp mô mặt đường góp phần... 46 3.3.2 Mô tả mấp mô biên dạng mặt đường dạng hàm ngẫu nhiên: 47 vii CHƯƠNG MÔ PHỎNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ CHUN ĐỘNG CĨ KẺ ĐẾN MẤP MÔ MẶT ĐƯỜNG 53 4.1 Đo độ mấp mô mặt đường thực... Chương - Tổng quan động lực học phương thẳng ứng; Chương - Tiêu chí dao động tơ; Chương - Xây dựng mơ hình động lực học ô tô có xét đến độ mấp mô mặt đường; Chương - Mô dao động ô tô; Kêt luận kiến