Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của mặt đường tới dao động của ô tô con

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN TOÀN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA MẶT ĐƢỜNG TỚI DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ CON LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN TOÀN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA MẶT ĐƢỜNG TỚI DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ CON Chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số đề tài: 17AKH-CKĐL06 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐÀM HỒNG PHÚC HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác! Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2019 Tác giả Nguyễn Xuân Toàn LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Viện sau đ i h c, Các th y cô giáo Trƣờng Đ i h c Bách khoa Hà Nội tận tình giảng d y giúp đỡ tơi suốt q trình h c tập hoàn thiện đề tài nghiên cứu Đ c iệt, xin trân tr ng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS ĐÀM HỒNG PHÚC tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu để hồn thiện luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn n è, đồng nghiệp gia đình chia sẻ, động viên, giúp đỡ tơi q trình h c tập thực luận văn M c dù tác giả có nhiều cố gắng, song ản luận văn khó tránh kh i h n chế, khiếm khuyết nh t đ nh; nh mong nhận đƣợc ch góp chân thành th y giáo, giáo, ảo, đóng n è, đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu đƣợc hoàn thiện Các số liệu sử dụng đề tài hoàn toàn trung thực với thực tế, tài liệu tr ch dẫn có nguồn gốc r ràng, Những kết luận khoa h c luận văn chƣa đƣợc công ố Cơng trình nghiên cứu ản thân thực phù hợp với chuyên ngành đào t o Nếu có sai tơi xin hồn tồn ch u trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Nguyễn Xuân Toàn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC Ý HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .6 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .8 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO TRÊN ÔTÔ 10 1.1 Giới thiệu chung hệ thống treo ô tô 10 1.1.1 Giới thiệu số lo i hệ thống treo thông dụng 11 1.1.1.1 Hệ thống treo phụ thuộc .11 1.1.1.2 Hệ thống treo độc lập 13 1.2 hái niệm ch tiêu đánh giá độ êm d u chuyển động 17 1.2.1 hái niệm độ êm d u chuyển động .17 1.2.2 Các ch tiêu đánh giá độ êm d u chuyển động .18 1.2.2.1 Ch tiêu cƣờng độ dao động 18 1.2.2.2 Gia tốc ình phƣơng trung ình theo thời gian tác động .19 1.2.2.3 Ch tiêu tải tr ng động .20 1.2.2.4 Ch n ch tiêu đánh giá dao động để nghiên cứu 21 1.3 Xu hƣớng phát triển hệ thống treo 21 1.3.1 Hệ thống treo án t ch cực (Semi Active Suspensions ) 24 1.3.2 Hệ thống treo t ch cực (Active Suspensions) 25 1.4 Tình hình nghiên cứu dao động hệ thống treo nƣớc 26 1.4.1 Tình hình nghiên cứu dao động tơ nƣớc 26 1.4.1.1 Nghiên cứu biến d ng m t đƣờng 26 1.4.1.2 Nghiên cứu hệ thống treo nhằm nâng cao ch t lƣợng độ êm d u chuyển động ô tô .27 1.4.2 Tình hình nghiên cứu dao động hệ thống treo nƣớc 28 1.5 Nội dung luận văn 30 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MƠ PHỎNG 31 DAO ĐỘNG HỆ THỐNG TREO Ô TÔ CON 31 2.1 Các giả thiết 31 2.2 Xây dựng mơ hình dao động hệ phƣơng trình vi phân mơ ph ng 31 2.1.1 Xây dựng mơ hình dao động ¼ hệ phƣơng trình vi phân mơ ph ng 31 2.1.2 Xây dựng mơ hình dao động ½ hệ phƣơng trình vi phân mơ ph ng 33 2.1.3 Xây dựng mơ hình khơng gian hệ phƣơng trình vi phân mô ph ng .36 2.2 Phân t ch lựa ch n mơ hình dao động 42 2.2.1 Mơ hình 1/4 .42 2.2.2 Mơ hình dao động ½ .42 2.2.3 Mơ hình dao động khơng gian 42 2.2 Xây dựng mơ hình mơ ph ng 42 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG HẢO SÁT ẢNH HƢỞNG MẶT ĐƢỜNG .45 3.1 Đánh giá mơ hình mơ ph ng 45 3.1.1 Các d ng nguồn k ch th ch m t đƣờng 45 3.1.1.1 M p mô m t đƣờng hình sin 45 3.1.1.2 M p mô m t đƣờng d ng ngẫu nhiên ISO 46 3.1.1.3 ch th ch m t đƣờng d ng xung 46 3.1.1.4 Lựa ch n k ch th ch m t đƣờng để nghiên cứu 46 3.1.2 hảo sát dao động ô tô 47 3.1.2.1 Ch n thông số xe mô ph ng 47 3.1.2.2 Mơ hình khối tổng thể Matla -simulink 48 3.1.3 So sánh kết th nghiệm .49 3.1.3.1 Chuẩn trƣớc th nghiệm .49 3.1.3.2 Kết thí nghiệm đo dao động tơ dƣới k ch động gờ giảm tốc k ch th ch m t đƣờng d ng xung hình thang .51 3.2 hảo sát ảnh hƣởng m t đƣờng đến dao động ô tô .53 3.2.1 Mô ph ng m p mô m t đƣờng theo ISO 8608 .53 3.2.1.1 Tiêu chuẩn ISO 8608 53 3.2.1.2 Phƣơng pháp xây dựng hàm m p mô m t đƣờng theo ISO 8608 55 3.2.2 hảo sát ảnh hƣởng m t đƣờng đến dao động ô tô 57 3.2.2.1 ết d ng đồ th xe chuyển động với vận tốc V=40km/h 58 3.2.2.2 ết d ng đồ th xe chuyển động với vận tốc V=60km/h 60 3.2.2.4 Đánh giá độ êm d u tơ thơng qua gia tốc ình phƣơng trung ình .65 ẾT LUẬN VÀ IẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM HẢO 68 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa ma kg hối lƣợng đƣợc treo muf kg hối lƣợng không đƣợc treo trƣớc mur kg hối lƣợng không đƣợc treo sau kf kN/m Độ cứng treo trƣớc kr kN/m Độ cứng treo sau cf kN.s/m Hệ số cản treo trƣớc cr kN.s/m Hệ số cản treo sau kt kN/m Độ cứng lốp ct kN.s/m Hệ số cản lốp Gt N Tr ng lƣợng xe DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1[16] .19 Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật xe Kia-morning 2015 47 Bảng 3.2 : Tiêu chuẩn ISO 8608 phân loại đường 54 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 Hệ thống treo phụ thuộc (1) hệ thống treo độc lập (2) 11 Hình Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng phần tử đàn hồi nhíp 11 Hình Hệ thống treo phụ thuộc nối sử dụng phần tử đàn hồi lị xo xoắn 12 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ treo đòn ngang 14 Hình Sơ đồ cấu tạo hệ Mc.Pherson 15 Hình Mối quan hệ động học hệ treo Mc.Pherson .15 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ treo hai đòn dọc 16 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ treo hai đòn dọc 17 Hình Sự phụ thuộc hệ số giảm chấn đến độ an toàn êm dịu chuyển động ôtô 22 Hình 10 Ưu điểm xe trang bị hệ thống treo có điều khiển .23 Hình 11 Đường đặc tính giảm chấn hệ thống treo bán tích cực 24 Hình 12 Sơ đồ mơ cấu tạo nguyên lý hoạt động phận sinh lực 26 Hình Mơ hình ¼ hệ thống treo ô tô 32 Hình 2 Các lực tác dụng vào khối lượng treo 32 Hình Các lực tác dụng lên khối lượng không treo 33 Hình Mơ hình 1/2 hệ thống treo tô 34 Hình Các lực tác dụng lên khối lượng treo 35 Hình Các lực tác dụng vào khối lượng không treo 35 Hình Mơ hình vật lý cho hệ thống treo tồn xe 37 Hình Sơ đồ phân tích lực cho hệ thống treo tồn xe 38 Hình Sơ đồ mơ phương trình số hệ phương trình vi phân dao động hệ thống treo tơ .43 Hình 10 Sơ đồ mơ phương trình số hệ phương trình vi phân dao động hệ thống treo ô tô .43 Hình 11 Sơ đồ mơ phương trình số hệ phương trình vi phân dao động hệ thống treo ô tô .44 Tiêu chuẩn ISO 8608 cịn mơ tả lo i đƣờng thơng qua hàm mật độ phổ nhƣ hình 3.9 Hình Mật độ phổ loại đường theo tiêu chuẩn ISO 8608 3.2.1.2 Phƣơng pháp xây dựng hàm mấp mô mặt đƣờng theo ISO 8608 Từ tiêu chuẩn ISO 8608 ngƣời ta xây dựng hàm ngẫu nhiên mô tả m t đƣờng [1,R] Hàm mật độ phổ đƣợc mô tả ằng công thức sau: Gd (n)  lim n 0  x2 n đó: n khoảng t n số,  x2 giá tr quân phƣơng thành ph n t n hiệu tƣơng ứng với t n số không gian n Nếu đo n đƣờng có chiều L ta có n = 1/L Giả thiết ta ch n chiều dài tham chiếu B (thƣờng l y ằng chiều dài vết tiếp xúc lốp với đƣờng), t n số lý thuyết lớn nh t là: 55 nmax  B t n số thực lớn nh t là: neff  nmax  2B hi giá tr t n số ni dải t n số đƣợc xác đ nh ởi: ni  i.n với i iến thiên từ đến N: N nmax L  n B Biểu thức đƣợc viết l i nhƣ sau: Gd (n)   x2  ni , n   x2  i. n, n   n n (3.2) Nếu mô tả m t đƣờng thơng qua hàm điều hồ có d ng: h( x)  Ai cos(2 ni x   )  Ai cos(2 i.n.x   ) với Ai iên độ, ni t n số không gian  pha ngẫu nhiên ( iến thiên khoảng 0, 2), giá tr quân phƣơng h(x) đƣợc viết: Ai2   2 x (3.3) ết hợp iểu thức (3.2) (3.3) ta đƣợc: Gd (ni )   x2  ni  n  Ai2 2n Thay Ai từ cơng thức vào ta có đƣợc iểu thức mô tả chiều cao m p mô m t đƣờng nhƣ sau: N h( x)   2.n.Gd  i.n .cos(2 i.n.x  i ) i 0 ết hợp iểu thức ta đƣợc: N  n  h( x)   n 2k.103   cos(2 i.n.x  i )  in  i 0 ết t nh toán đƣợc thể hình 3.10 56 Hình 10 Mơ tả mấp mơ mặt đường theo ISO 8608 3.2.2 Khảo sát ảnh hƣởng mặt đƣờng đến dao động ô tô Để đánh giá ảnh hƣởng m p mô m t đƣờng đến dao động ô tô con, điều kiện đƣờng quốc lộ theo tiêu chuẩn ISO 8068[16] c p A, B, C, D (với ISO c p A lo i m t đƣờng tốt c p D lo i m t đƣờng x u) đƣợc ch n để đánh giá ảnh hƣởng m p mô m t đƣờng đến độ êm d u chuyển động xe với thông số xe nhƣ Bảng 3.1, 57 3.2.2.1 Kết dạng đồ thị xe chuyển động với vận tốc V=40km/h Hình 11 Đồ thị so sánh dịch chuyển bánh xe cấp đường với vận tốc 40km/h Hình 12 Đồ thị so sánh dịch chuyển thân xe cấp đường với vận tốc 40km/h 58 Hình 13 Đồ thị so sánh vận tốc thân xe cấp đường theo với vận tốc 40km/h Hình 14 Đồ thị so sánh gia tốc thân xe cấp đường theo với vận tốc 40km/h Nhận xét : - T i thời điểm t = 1(s) biên d ng m t đƣờng d ch chuyển bánh xe c p đƣờng đ t độ cao hmax = 0,05m với đƣờng c p D nhƣng d ch thân xe dao động với iên độ lớn chút Tuy nhiên t i thời điểm gia tốc đ t giá 59 tr x p x m/s2 vận tốc đ t giá tr x p x m/s Sau khoảng 0,1s gia tốc đ t giá tr m/s2 vận tốc đ t giá tr 0,31 m/s - T i thời điểm t = 5,1(s) biên d ng m t đƣờng d ch chuyển bánh xe c p đƣờng đ t giá tr th p nh t hmin = - 0,028m với đƣờng c p D nhƣng d ch thân xe dao động với iên độ lớn chút Tuy nhiên t i thời điểm gia tốc đ t giá tr cực đ i m/s2 vận tốc đ t giá tr cực đ i 0,44 m/s 3.2.2.2 Kết dạng đồ thị xe chuyển động với vận tốc V=60km/h Hình 15 Đồ thị so sánh dịch chuyển bánh xe cấp đường với vận tốc 60km/h 60 Hình 16 Đồ thị so sánh dịch chuyển thân xe cấp đường với vận tốc 60km/h Hình 17 Đồ thị so sánh vận tốc thân xe cấp đường theo với vận tốc 60km/h 61 Hình 18 Đồ thị so sánh gia tốc thân xe cấp đường với vận tốc 60km/h Nhận xét: - T i thời điểm iên độ m t đƣờng đ t cực đ i t = 1(s) d ch chuyển bánh xe thân xe c p đƣờng vận tốc 60km/h có biên d ng giống với d ch chuyển bánh xe thân xe c p đƣờng vận tốc 40km/h Tuy nhiên iên độ th p c p đƣờng - T i thời điểm iên độ m t đƣờng đ t cực tiểu t = (s) giá tr gia tốc vận tốc dao động thân xe đ t cực đ i có giảm khơng đáng kể 3.2.2.2 Kết dạng đồ thị xe chuyển động với vận tốc V=80km/h 62 Hình 19 Đồ thị so sánh dịch chuyển bánh xe cấp đường với vận tốc 80km/h Hình 20 Đồ thị so sánh dịch chuyển thân xe cấp đường với vận tốc 80km/h 63 Hình 21 Đồ thị so sánh vận tốc thân xe cấp đường với vận tốc 80km/h Hình 22 Đồ thị so sánh gia tốc thân xe cấp đường với vận tốc 80km/h 64 Nhận xét: - T i thời điểm iên độ m t đƣờng đ t cực đ i t = 1(s) d ch chuyển bánh xe thân xe c p đƣờng vận tốc 80km/h có biên d ng giống với d ch chuyển bánh xe thân xe c p đƣờng vận tốc 40km/h 60km/h nhiên biên độ th p hai vận tốc c p đƣờng - T i thời điểm iên độ m t đƣờng đ t cực tiểu t = (s) giá tr gia tốc vận tốc dao động thân xe đ t cực đ i có giảm khơng đáng kể 3.2.2.4 Đánh giá độ êm dịu ô tô thông qua gia tốc bình phƣơng trung bình a Đánh giá ảnh hưởng mặt đường đến độ êm dịu ô tô vận tốc 40km/h Loại đƣờng Gia tốc bình phƣơng Đánh giá trung bình A 0,405 Một chút khó ch u B 0,463 Một chút khó ch u C 0,569 há khó ch u D 0,658 há khó ch u b Đánh giá ảnh hưởng mặt đường đến độ êm dịu ô tô vận tốc 60km/h Loại đƣờng Gia tốc bình phƣơng Đánh giá trung bình A 0,403 Một chút khó ch u B 0,461 Một chút khó ch u C 0,562 Khá khó ch u D 0,641 há khó ch u 65 c Đánh giá ảnh hưởng mặt đường đến độ êm dịu ô tô vận tốc 80km/h Loại đƣờng Gia tốc bình phƣơng Đánh giá trung bình A 0,400 Một chút khó ch u B 0,458 Một chút khó ch u C 0,518 há khó ch u D 0,634 há khó ch u Kết luận: - Khi ch y tốc độ 40km/h, 60km/h, 80km/h gia tốc ình phƣơng trung bình giảm d n, điều có nghĩa độ êm d u ô tô tăng lên - Với dải tốc độ 40km/h, 60km/h, 80km/h ch y c p đƣờng A, B giá tr gia tốc ình phƣơng trung ình thân xe awz  0,315 m/s2 theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 (1997) đánh giá chủ quan độ êm d u tơ, tô đ u làm cho ngƣời lái hành khách chút khó ch u - Với dải tốc độ 40km/h, 60km/h, 80km/h ch y c p đƣờng C, D giá tr gia tốc ình phƣơng trung ình thân xe awz  0,5 m/s2 theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 (1997) đánh giá chủ quan độ êm d u tơ, tô đ u làm cho ngƣời lái hành khách khó ch u 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận kiến nghị Với mục đ ch nghiên cứu ảnh hƣởng m t đƣờng đến dao động hệ thống treo xe ô tô con, đề tài đ t đƣợc số kết sau: - Xây dựng đƣợc mơ hình vật lý, mơ hình tốn mơ ph ng dao động hệ thống treo xe ô tô - hái quát d ng m p mô m t đƣờng (nguồn dao động) đƣa phƣơng pháp xây dựng phƣơng trình mô tả m p mô m t đƣờng theo ISO 8608 - Xây dựng đƣợc chƣơng trình Matla Simulink mơ ph ng m p mô m t đƣờng theo ISO 8608 - Xây dựng đƣợc chƣơng trình Matlab Simulink xác đ nh đƣợc thông số động lực h c hệ thống treo trƣờng hợp cụ thể - Đƣa so sánh độ êm d u hệ thống treo xe ô tô trƣờng hợp làm việc khác - Xây dựng đƣợc đồ th d ch chuyển thân xe – bánh xe - gia tốc – vận tốc làm sở để t nh gia tốc ình phƣơng trung ình theo thời gian tác động qua đánh giá độ êm d u xe ô tô 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hữu Cẩn Một số tác giả khác (1998), Lý Thuyết ôtô máy kéo, NXB Khoa h c Kỹ thuật, Hà Nội Phan Nguyên Di (1996), Cơ học hệ nhiều vật, HVKTQS, Hà Nội Nguyễn Xn Dũng (2010), Xây dựng mơ hình động lực h c ô tô quân nhiều c u hệ mô ph ng, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, H c viện kỹ thuật quân Hà Nội, Hà Nội Đ ng Việt Hà (2010), Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến độ êm dịu chuyển động ô tô khách đóng Việt Nam, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Đ i h c Giao thông Vận tải - Hà Nội, Hà Nội V Văn Hƣờng (2004), Nghiên cứu hồn thiện mơ hình khảo sát dao động tô tải nhiều cầu,Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trường ĐHBK Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Văn hang (2007), Động lực học hệ nhiều vật, NXB khoa h c kỹ thuật Nguyễn Văn hang (1998), Dao động kỹ thuật, NXB Khoa h c Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulation dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB khoa h c kỹ thuật Lê Văn Quỳnh (2006), Nghiên cứu dao động ghế ngồi xe khách đóng Việt Nam, Luận văn th c sỹ khoa h c, Trƣờng ĐHB Hà Nội, Hà Nội 10 Đỗ Sanh (1992), Cơ học, NXB Giáo dục, Hà Nội 11 Nguyễn Khắc Trai (1997), Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động tô, Nhà xu t Giao thông vận tải 12 Lưu Văn Tuấn (1994), Nghiên cứu dao động xe ca Ba Đình sở đề xu t biện pháp nâng cao độ êm d u chuyên động, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trường ĐHBK Hà Nội, Hà Nội 13 Dodds C J, and Robson, J D(1973)The description of road surface roughness Journal of Sound and Vibration, 31(2), 175–183 14 G Centa (1997), Motor Vehicle Dynamics: Modeling and Simulation, 68 Singapore, World Scientific 15 Natick, MA (2004), The Student Edition of MATLAB User’s Guide, The Mathworks, Inc Version 5, Massachusetts 01760 - 2098 16 ISO 2631-1(1997) Mechanical vibration and shock-Evanluation of human exposure to whole-body vibration, Part I: General requirements, The International Organization for Standardization 17 ISO 8068(1995) Mechanical vibration-Road surface profiles - reporting of measured data 18 Le Van Quynh, Jianrun Zhang, Le Dinh Dat, Nguyen Kim Binh and Luu Van Tuan (2010), Research on the Optimal Parameters of Suspension Systems for Improved Ride Comfort Movement of the Vehicle by Vibration Model with D.O.F, 10th National Conference of Solid Mechanics, Thai Nguyen, Vietnam, pp615-621 19 Le Van Quynh, Jianrun Zhang, Xiaobo Liu and Wang yuan (2011), Nonlinear dynamics model and analysis of interaction between vehicle and road surfaces for 5-axle heavy truck, Journal of Southeast University (Natural Science Edition), Vol 27(4):452-457 69 ... tiêu đánh giá dao động để nghiên cứu Qua phân tích ch tiêu đánh giá mức độ ảnh hƣởng dao động nhƣ ch tiêu đánh giá độ êm d u chuyển động ô tô, tác giả ch n ch tiêu đánh giá độ êm d u chuyển động. .. với đường Sau năm 1990, ô tô ngày có tải tr ng lớn, tỷ tr ng kinh tế c u đƣờng ngành giao thông ngày đƣợc đánh giá cao Các nhà nghiên cứu Anh, Mỹ đ t v n đề nghiên cứu ảnh hƣởng dao động ô tô c... hƣởng dao động ô tô dựa vào nhiều ch tiêu ch tiêu đƣợc thể dƣới đây: 1.2.2.1 Chỉ tiêu cƣờng độ dao động Để đánh giá dao động ô tô, theo tiêu chuẩn VBI-2057 Đức đƣa hệ số B đánh giá dao động: Theo