Nghiên cứu mô phỏng hoạt động của giảm chấn thủy lực một lớp vỏ trong hệ thống treo ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ MINH DUY NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA GIẢM CHẤN THUỶ LỰC MỘT LỚP VỎ TRONG HỆ THỐNG TREO Ô TÔ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ MINH DUY NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA GIẢM CHẤN THUỶ LỰC MỘT LỚP VỎ TRONG HỆ THỐNG TREO Ô TÔ Chuyên ngành: Kỹ thuật khı́ đô ̣ng lưc̣ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HỒ HỮU HẢI Hà Nội – Năm 2017 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Hồ Hữu Hải Đề tài đƣợc thực mơn Ơ tơ xe chuyên dụng – Viện Cơ khí Động lực – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Các kết trình bày luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017 T c iả Lê Minh Duy LỜI CẢM ƠN Với tƣ cách tác giả Luận văn này, xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Hồ Hữu Hải thầy thời gian qua hƣớng dẫn, tƣ vấn hỗ trợ cho tận tình để thực hồn thành luận văn theo tiến độ đề Đồng thời, xin chân thành cảm ơn đến quý thầy, quý cô Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội sở đối tác Trƣờng, lời cảm ơn đến quý Lãnh đạo anh, chị đồng nghiệp giúp đỡ, tạo điều kiện sở vật chất, thiết bị thời gian học làm đề tài luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể học viên lớp 15BCKĐL-VL, gia đình, bạn bè, ngƣời quan tâm, động viên chia với thời gian học tập làm luận văn T c iả Lê Minh Duy MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT DANH MỤC TÊN HÌNH DANH MỤC TÊN BẢNG LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TREO 12 1.1 Lịch sử hình thành 12 1.2 Công dụng, phân loại yêu cầu hệ thống treo 13 1.3 Cấu tạo hệ thống treo 16 1.4 Đặc tính giảm chấn 22 1.5 Nghiên cứu mô giảm chấn 24 1.6 Kết luận 24 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG GIẢM CHẤN MỘT LỚP VỎ BẰNG MATLAB- SIMULINK 26 2.1 Giới thiệu Matlab Simulink 26 2.2 Cơ sở xây dựng mơ hình 33 2.3 Mô dao động giảm chấn lớp vỏ Simulink 37 2.4 Kết luận 47 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 48 3.1 Điều kiện mô 48 3.2 Kết mô 50 3.3 Kết luận 57 KẾT LUẬN CHUNG 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ĐẠI LƢỢNG KÝ HIỆU ĐƠN VỊ Kgn Hệ số cản giảm chấn hành trình nén Pa Kgt Hệ số cản giảm chấn hành trình trả Pa Vg Vận tốc piston giảm chấn m/s Z Độ dịch chuyển piston giảm chấn m p Áp suất chất lỏng Pa Qa Lƣu lƣợng chảy khỏi khoang A m3/s Qb Lƣu lƣợng chảy khỏi khoang B m3/s Va Thể tích khoang A m3 Vb Thể tích khoang B m3 pA Áp suất khoang A Pa pB Áp suất khoang B Pa A1 Diện tích phía dƣới piston m2 A2 Diện tích phía bên piston m2 QAB Lƣu lƣợng dầu lọt từ khoang A sang khoang B m3/s QBA Lƣu lƣợng dầu lọt từ khoang B sang khoang A m3/s FL Lực tác dụng N/m M Khối lƣợng đƣợc treo Kg A Diện tích tiết diện tiết lƣu m2 Δp Độ chênh áp suất trƣớc sau tiết lƣu Pa p Áp suất chất khí V Thể tích khoang chứa m3 n Khối lƣợng mol phân tử Mol T Nhiệt độ chất khí R Hằng số chất khí N/m2 K Jmol-1 K-1 Fgc Lực cản giảm chấn N pA Áp suất khoang A Pa pB Áp suất khoang B Pa p0 Áp suất ban đầu khoang khí nén Pa A Khối lƣợng riêng dầu khoang A Kg/m3 B Khối lƣợng riêng dầu khoang B Kg/m3 0 Khối lƣợng riêng dầu trạng thái bình thƣờng Kg/m3  Hệ số lƣu lƣợng chảy qua van pa Áp suất khí K Modun đàn hồi dầu m3/s Pa Gpa Sign (x) Hàm dầu x AAB Tiết diện lỗ van nén m2 ABA Tiết diện lỗ van trả m2 Diện tích van nén nhẹ m2 Diện tích van nén mạnh cực đại m2 pk Áp suất van giảm tải Pa l Chiều dài ban đầu khoang A B m Dịch chuyển piston tự m M Khối lƣợng piston tự kg pC Áp suất khoang khí nén C Pa V0 Thể tích ban đầu khoang khí nén m3 Z(t) Dịch chuyển khối lƣợng đƣợc treo m Fđh Lực đàn hồi N C Độ cứng phần tử đàn hồi h(t) Độ cao mấp mô mặt đƣờng CL Độ cứng lốp N/m KL Hệ số cản lốp Ns/m N/m m h Biên dạng đƣờng m Z1 Dịch chuyển khối lƣợng đƣợc treo m Z2 Dịch chuyển khối lƣợng đƣợc treo m ̇ Vận tốc dịch chuyển khối lƣợng đƣợc treo m/s ̈ Gia tốc khối lƣợng đƣợc treo m/s2 ̇ Vận tốc dịch chuyển khối lƣợng không đƣợc treo m/s ̈ Gia tốc khối lƣợng không đƣợc treo m/s2 DANH MỤC TÊN HÌNH TÊN HÌNH TÊN NỘI DUNG HÌNH TRANG Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống treo 15 Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo giảm chấn hai lớp vỏ 18 Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo giảm chấn ống thuỷ lực lớp vỏ 20 Hình 1.4 Đặc tính giảm chấn hệ thống treo 23 Hình 2.1 Khối chất lỏng dịng chảy 33 Hình 2.2 Sự dịch chuyển pitton xy lanh 35 Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo giảm chấn ống thuỷ lực lớp vỏ 38 Hình 2.4 Sơ đồ mơ hình hệ thống treo ¼ khối lƣợng 42 Hình 2.5 Mơ hình mơ giảm chấn lớp vỏ hệ thống 44 treo ¼ khối lƣợng Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống treo ¼ hai khối lƣợng 44 Hình 2.7 Mơ hình mơ phỏnghệ thống treo ¼ hai khối lƣợng 46 Hình 3.1 Sơ đồ giảm chấn lớp vỏ 48 Hình 3.2 Đồ thị giảm chấn thay đổi theo dịch chuyển piston 50 tần số kích thích dạng hình sin với tần số Hz Hình 3.3 Đồ thị lực cản giảm chấn thay đổi theo biên độ dao động với tần số kích thích Hz 51   Z   C1 Z1  Z   Fgc M2  (2.46)  Z   Z dt (2.47)     Z1   C1 Z1  Z   Fgc  Kl h  Z1  Cl h  Z1  M1  Z1   Z1dt (2.49)  Z1   Z1dt (2.50) (2.48) Mơ hình mơ nhƣ hình 2.7 Hình 2.7: Mơ hình mơ phỏnghệ thống treo ¼ hai khối ượng 46 2.4 Kết luận Trong nội dung chƣơng giới thiệu tổng quan cách sử dụng phần mềm đƣợc sử dụng để mô trình hoạt động giảm chấn, phƣơng trình vi phân Đồng thời Chƣơng chƣơng đề tài, tiến hành tìm hiểu ứng dụng phầm mềm Matlab – Simulink, sở lý thuyết tài liệu tham khảo xây dựng đƣợc mơ hình mơ giảm chấn lớp vỏ đặt mơ hình mơ hệ thống treo ¼ nhằm mơ khảo sát đặc tính giảm chấn 47 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 3.1 Điều kiện mơ Van m t chiều Đũ đẩy C m làm kín Xy lanh Buồng chứa d u Piston Van m t chiều 8, C Khoang chứa khí A Khoang chứa d u B Khoang chứa d u C 42 B A Hình 1: Sơ đồ gi m ch n m t lớp vỏ Giảm chấn lớp vỏ gồm có khoang, đ c khoang chứa dầu A, B khoang khí nén C Khi xe dao động, giảm chấn lớp vỏ dầu chảy qua lại khoang A B, có thêm khoang khí nén C có áp suất thay đổi thể tích bị thay đổi trình làm việc giảm chấn Các dạng mấp mơ mặt đƣờng dùng mô c dạng: bƣớc nhảy hình sin Hàm kích thích hình dạng hình sin dùng để khảo sát đặc tính giảm chấn với biên độ kích thích thay đổi: cm, cm, 4cm cm Tần số kích thích khơng đổi Hz Hàm số kích thích dạng bƣớc nhảy dùng để khảo sát đặc tính hệ thống treo Giá trị bƣớc nhảy 5cm, xảy vào thời điểm t = 1s Các thông số nhập vào mơ hình mơ c giá trị nhƣ sau: 48 Bản 3.1: C c thôn số mô phỏn KÝ HIỆU GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ A1 10.10-4 m2 A2 12,6.10-4 m2 0 980 kg/m3  0.8 Pa 105 Pa K 2.109 Pa C 19000 N/m  0,00001 m2/N p0 106 Pa l 0,24 M pk 2.106 Pa V0 0,00009 m3 m 0,037 Kg n 1,4 const AAB 6,6.10-7 m2 max AAB 6,6.10-6 m2 const ABA 1,48.10-6 m2 max ABA 1,48.10-5 m2 1 0,5 2 0,5 M 360 49 Kg CL 40000 N/m KL 250 Ns/m M1 36 kg 3.2 Kết mô Mô lực cản giám chấn chịu kích thích điều hịa hình sin với tần số Hz 1200 1000 Luc can giam chan [N] 800 600 400 200 -200 -400 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0.005 0.01 0.015 0.02 pis n hi n số Dich chuyen [m] Hình : Đồ hị ự n gi h n h y đổi h í h hí h dạng hình sin với dị h h yển n số Hz Kết mô đồ thị hình 3.2 cho thấy vị trí piston lực cản giảm chấn đạt giá trị lớn vận tốc dịch chuyển đ lớn Khi độ dịch chuyển biên độ lực cản giảm chấn (vì đ vận tốc dịch chuyển 0) Lực cản hành trình nén nhỏ lực cản hành trình trả (khơng đối xứng qua trục hoành) 50 * Đồ thị lực cản iảm chấn thay đổi biên độ thay đổi: Khi biên độ thay đổi tần số kích thích không đổi, kết mô phỏnglực cản giảm chấn theo biên độ nhƣ hình 3.2 6000 x=2cm x=3cm x=4cm x=5cm 5000 Luc can giam chan [N] 4000 3000 2000 1000 -1000 -2000 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Dich chuyen [m] Hình 3.3 : Đồ hị ự n gi h n h y đổi h i nđ d đ ng với n số í h thích Hz Từ kết mô phỏng, c thể thấy biên độ dao động tăng dần, lực cản giảm chấn tăng lên, tăng nhiều hành trình trả Điều phù hợp thực tế, biên độ lớn, tần số vận tốc dao động điểm c biên độ lớn dẫn đến lực cản giảm chấn tăng lên Tuy nhiên, qui luật tăng khơng tuyến tính mà biên độ tăng lực cản giảm chấn tăng nhanh 51 * Mô phỏn khảo s t lực cản iảm chấn p suất mở van iảm tải thay đổi: Khi tần số kích thích khơng đổi, áp suất mở van giảm tải thay đổi, kết mô phỏnglực cản giảm chấn theo biên độ (tần số kích thích Hz) nhƣ hình 3.4 7000 pk=0,5 MPa pk=1 MPa pk=2 MPa pk=3 MPa 6000 5000 Luc can giam chan [N] 4000 3000 2000 1000 -1000 -2000 -3000 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Dich chuyen [m] Hình 3.4 : Đồ hị ự gi h n h y đổi h (với ps v n gi i pk n số í h hí h Hz) Từ đồ thị, c thể nhận thấy van giảm tải mở muộn áp suất pk lớn đ lực cản hành trình nén lớn Lực cản cực đại giảm chấn hành trình nén hầu nhƣ khơng thay đổi, nhiên vị trí gần điểm chết hành trình, qui luật lực cản c điểm gãy 52 * Mô phỏn khảo s t lực cản iảm chấn theo vận tốc: Kết mô lực cản giảm chấn biến thiên theo vận tốc dao động nhƣ hình 3.5 6000 5000 Luc can giam chan [N] 4000 3000 2000 1000 -1000 -2000 -3000 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 Van toc dich chuyen [m/s] Hình 3.5 : Đồ hị ự gi h n h y đổi h v n ố d đ ng Dựa vào đồ thị ta thấy lực cản giảm chấn tăng vận tốc giảm chấn tăng lên, nhằm mục đích dập tắt dao động đảm bảo độ êm dịu cho xe Tuy nhiên, kết mô cho thấy qui luật phụ thuộc lực cản giảm chấn vào vận tốc gần tuyến tính mà thơi Nếu coi tuyến tính, chấp nhận sai số lớn (đặc biệt sau van giảm tải mở) 53 * Mô phỏn khảo s t dao độn khối lƣợn đƣợc treo theo thời gian chịu kích thích mấp mơ mặt đƣờn dạn bƣớc nhảy (sử dụn mơ hình hệ thốn treo khối lƣợn ) 0.25 Map mo Van toc Dich chuyen 0.2 Chuyen vi [m], Van toc [m/s] 0.15 0.1 0.05 -0.05 -0.1 0.5 Hình 3.6: Đồ hị d 1.5 đ ng Thoi gian [s] 2.5 hối ượng đượ 3.5 theo hời gi n Kết mô dao động khối lƣợng đƣợc treo vƣợt qua mấp mô mặt đƣờng dạng bƣớc nhảy nhƣ hình 3.6 từ đồ thị, c thể nhận thấy c mấp mô vận tốc dao động tăng nhanh giảm nhanh trƣớc cân 54 * Mô phỏn khảo s t biến thiên p suất dầu bên tron iảm chấn chịu kích thích mấp mô mặt đƣờn dạn bƣớc nhảy 1.5 x 10 khoang A khoang B 1.4 Ap suat [Pa] 1.3 1.2 1.1 0.9 0.8 0.5 1.5 Thoi gian [s] Hình 3.7: Đồ h y đổi p s 2.5 ng gi 3.5 h n Kết mô biến thiên áp suất dầu khoang giảm chấn chịu kích thích dạng bƣớc nhảy nhƣ hình 3.7 Từ kết mơ nhận thấy áp dầu giảm chấn khoang B xe qua mô mặt đƣờng dạng bƣớc nhảy bị nén nhanh đến áp suất cao, sau đ chuyển sang hành trình trả, áp suất dầu khoang thay đổi không nhiều trƣớc ổn định Áp suất khoang A hai hành trình nén trả thay đổi khơng lớn Sau q trình dao động, áp suất dầu hai khoang lại tái lập cân Mô khảo sát dao động hệ thơng với mơ hình hệ thống treo ¼ hai khối lƣợng Kết mô dao động hệ thống xe qua mấp mô dạng bƣớc nhảy nhƣ hình 3.8 3.9 55 0.6 kich thich van toc chuyen dich CHuyen dich [m], van toc [m/s] 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 0.5 1.5 2.5 3.5 Thoi gian [s] đ ng Hình 3.8: hối ượng hơng đượ 0.3 kich thich van toc chuyen dich CHuyen dich [m], van toc [m/s] 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 -0.05 0.5 1.5 2.5 3.5 Thoi gian [s] Hình 3.9: đ ng hối ượng đượ 56 Từ đồ thị kết mô c thể thấy khối lƣợng đƣợc treo hệ thống treo khối lƣợng dao động với vận tốc dao động nhỏ hơn, chậm đạt đến dịch chuyển cực đại hệ thống treo khối lƣợng Vận tốc dao động khối lƣợng không đƣợc treo lớn khối lƣợng đƣợc treo 3.3 Kết luận Nội dung chƣơng luận văn đánh giá kết mô đƣợc xây dựng đƣợc mơ hình mơ giảm chấn lớp vỏ đặt mơ hình mơ hệ thống treo ¼ giảm chấn Các kết mơ phù hợp với lý thuyết, vậy, tiến hành thực sở nghiên cứu mô phỏng, để hiểu sâu ảnh hƣởng thông số ta cần tiến hành thực triên sở khoa học vừa lý thuyết kết hợp với thực tiễn 57 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn hoàn thành mục tiêu đặt xây dựng đƣợc mơ hình mô giảm chấn lớp vỏ đặt mô hình mơ hệ thống treo ¼ khối lƣợng nhằm mơ khảo sát đặc tính giảm chấn Kết khảo sát dao động điều hoà cho thấy đặc tính giảm chấn phù hợp với lý thuyết Kết mô khảo sát cho thấy thời điểm mở van giảm tải phụ thuộc vào độ chênh lệch áp suất khoang giảm chấn (hay lực tác dụng lên giảm chấn) phụ thuộc vào vận tốc dịch chuyển piston Kết khảo sát dao động hệ thống treo đơn giản cho thấy dao động khối lƣợng không đƣợc treo đƣợc dập tắt nhanh chóng Mơ hình mơ đƣợc xây dựng c thể ứng dụng mơ hình mô hệ thống treo đầy đủ nhằm mô khảo sát dao động xe sử dụng giảm chấn lớp vỏ Luận văn c thể mở rộng theo hƣớng mô khảo sát ảnh hƣởng thông số kết cấu (nhƣ diện tích tiết diện van nén, trả, áp suất buồng khí nén, ) đến đặc tính giảm chấn đặc tính dao động hệ thống treo 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lý thuyết ôtô máy kéo, Nguyễn Hữu Cẩn - Dƣ Quốc Thịnh - Phạm Minh Thái Nguyễn Văn Tài - Lê Thị Vàng, Nxb Khoa học Kỹ thuật, 2008 Thiết kế tính tốn tơ máy kéo (I, II, III), Nguyễn Hữu Cẩn - Phan Đình Kiên, Giáo trình, 1998 Chi tiết máy (I, II), Nguyễn Trọng Hiệp, Nxb Giáo Dục, 1997 Thiết kế tính tốn hệ dẫn động khí (I, II), Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, Nxb Giáo Dục, 1998 Trang bị thủy khí tơ xe máy, Bộ mơn tô Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, 1999 Tính tốn sức kéo tơ, Phạm Minh Thái, 1991 Máy thủy lực truyền động thủy lực, Nguyễn Phú Vịnh Máy thủy lực thể tích, Hồng Thị Bích Ngọc Chuẩn đốn trạng thái kỹ thuật động ô tô, Nguyễn Khắc Trai, 2000 10 Hƣớng dẫn làm đồ án môn học: Thiết kế hệ thống lái ô tô máy kéo bánh xe, Phạm Minh Thái 11 Tính tốn thiết kế hệ thống lái, Nguyễn Văn Chƣởng 12 Kết cấu ô tô, Nguyễn Khắc Trai - Nguyễn Trọng Hoan - Hồ Hữu Hải - Phạm Huy Hƣờng - Nguyễn Văn Chƣởng - Trịnh Minh Hoàng, Nxb Bách Khoa Hà Nội, 2009 13 Thiết kế tính tốn ô tô, Nguyễn Trọng Hoan, 2011 14 Kỹ thuật đo, Ninh Đức Tốn - Nguyễn Trọng Hùng, Nxb Giáo Dục, 2007 15 J Watton, Fluid power systems modeling, simulation, analog and microcomputer control Nxb Prentice Hall, 1989 59 16 U Ferdek, J Luczcko Modeling and analysis of a twin-tube hydraulic shock absorber, Journal of theoretical and applied mechanics, Warsaw 2012 17 Đồ án Thiết kế hệ thống treo sinh viên Lƣơng Tấn Đạt – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội – năm 2017 18 Đồ án Thiết kế tính tốn hệ thống treo sinh viên Nguyễn Cơng Thạnh – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội – năm 2017 60 ... LÊ MINH DUY NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA GIẢM CHẤN THUỶ LỰC MỘT LỚP VỎ TRONG HỆ THỐNG TREO Ô TÔ Chuyên ngành: Kỹ thuật khı́ ? ?ô ̣ng lưc̣ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG... cứu mô hoạt động giảm chấn thuỷ lực lớp vỏ hệ thống treo ô tô? ?? 1.6 Kết luận Trong nội dung chƣơng luận văn giới thiệu đƣợc tổng quan hệ thống treo trình bày đƣợc hoạt động loại giảm chấn thuỷ lực. .. mơ giảm chấn thuỷ lực lớp vỏ Matlab/simulink sở tham khảo tài liệu động lực học hệ thuỷ lực mơ số tình hoạt động điển hình giảm chấn hệ thống treo tô Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu : giảm chấn lớp