Bài viết khảo sát dao động toàn xe của xe ô tô điện HaUI-EV2 với hệ thống treo cầu trước dạng độc lập - Mc.Pherson và hệ thống treo cầu sau dạng phụ thuộc sử dụng nhíp lá. Để mô tả dao động của toàn xe, nhóm tác giả sử dụng phương pháp D.Alambe để xây dựng hệ phương trình gồm 7 phương trình vi phân, mô tả 7 bậc tự do của xe.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Mơ dao động xe điện HaUI-EV2 Simulating the vibration of the HaUI-EV2 electric vehicle Nguyễn Anh Ngọc1,*, Trần Phúc Hòa2, Lê Hồng Qn1 Khoa Cơng nghệ Ơ tơ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Trung tâm Quản lý ký túc xá, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: ngocnguyencnoto@haui.edu.vn; ngocbk46@gmail.com Tel: +84-437655121#310; Mobile: 0985 523 446 Tóm tắt Từ khóa: Mơ dao động; Hệ phương trình vị phân; MathlabSimulink; Xe điện HaUI-EV2 Bài báo khảo sát dao động tồn xe xe tơ điện HaUI-EV2 với hệ thống treo cầu trước dạng độc lập - Mc.Pherson hệ thống treo cầu sau dạng phụ thuộc sử dụng nhíp Để mơ tả dao động tồn xe, nhóm tác giả sử dụng phương pháp D.Alambe để xây dựng hệ phương trình gồm phương trình vi phân, mơ tả bậc tự xe Sử dụng phần mềm Mathlab-Simulink để giải hệ phương trình vi phân với kích động khác từ mặt đường lên thân xe Từ đưa thơng số đánh giá tính chất dao động tồn xe: biên độ dao động, góc lắc, vận tốc, gia tốc lực tác dụng lên khung xe… Thông qua tiêu chuẩn đánh giá mức độ êm dịu dao động xe, đưa thiết kế phù hợp cho hệ thống treo xe điện HaUI-EV2 nhằm nâng cao tối đa độ ổn định thân xe độ êm dịu chuyển động Abstract Keywords: Vibration simulation; Differential equations; MathlabSimulink; HaUI-EV2Electric vehicle This paper studies on the vibration of the HaUI-EV2 electric vehicle withMc Pherson front suspension system and dependent leaf-spring rear suspension system To demonstrate the vibration of the vehicle, the D.Alambe method was used to create the seven differential equations that describes the vehicle’s seven degrees of freedom Mathlab-Simulink software was used to solve these differential equations with hard driving conditions and road Thereafter, the oscillation factors were determined such as: the maximum deformation, angle of rotations, velocity, acceleration and forces affecting the vehicle’s frame Throughout the qualities of vibration consonant level of the commercial vehicle, the most appropriate improvement designs of vehicle’s suspensions will be cproposed to enhance the maximum vehicle stability and the vibration refinement Ngày nhận bài: 13/7/2018 Ngày nhận sửa: 09/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Khi ô tô chuyển động, xe nhận kích động từ mặt đường qua bánh xe Kích động làm giảm tính tiện nghi cho người xe ảnh hưởng tới độ bền kết cấu ô tô [1] Hệ thống treo giúp giảm tác động lên xe q trình di chuyển, liên kết mềm bánh HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 xe khung xe Đồng thời truyền lực từ bánh xe lên thân xe ngược lại để xe di chuyển bánh xe Để đánh giá chất lượng hệ thống treo mặt dao động, nhóm nghiên cứu tiến hành đánh giá số: biên độ dao động, tần số dao động, gia tốc dao động, hệ số êm dịu chuyển động - K Để đánh giá chất lượng dao động xe, nhóm nghiên cứu sử dụng thơng số tần số dao động, gia tốc dao động hệ số êm dịu chuyển động - K để đánh giá chất lượng dao động xe [2] Tần số dao động: n = 60 ÷ 90 (lần/phút) Bình phương trung bình các gia tốc theo phương X, Y, Z [3]: s Y 0, m s Z 2,5 m s Xc 1,0 m 2 c c Hệ số êm dịu chuyển động xác định theo trị số biên độ gia tốc Z bình phương trung bình Zc [3]: K 12,5 0, 01. Z 18 0, 01. Zc Hệ số K nhỏ độ êm dịu tô cao Các giá trị cho phép hệ số K: + Khi lâu: K = 10 ÷ 25 + Khi ngắn: K = 25 ÷ 63 Do đặc thù xe điện bố trí ác quy gầm xe, nên trọng tâm xe hạ thấp, cải thiện khả động học xe Xe ô tô điện HaUI-EV2 thiết kế dẫn động cầu sau, cầu trước có nhiệm vụ dẫn hướng Để đảm bảo hệ thống treo đáp ứng tốt dao động, độ cứng vững không gian khoang lái ta sử dụng hệ thống treo Mc.Pherson cho cầu trước Cầu sau có tải trọng lớn hơn, nên yêu cầu hệ thống treo cứng vững hơn, để đáp ứng yêu cầu sử dụng hệ thống treo phụ thuộc sử dụng nhíp cho cầu sau Bài báo khảo sát dao động xe ô tô điện HaUI-EV2 theo mơ hình hệ khơng gian bậc tự do, đồng thời đưa cải tiến để hoàn thiện hệ thống treo xe MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG 2.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình - Bỏ qua thay đổi hình học hệ thống treo trình dao động - Coi khung xe tuyệt đối cứng - Thân xe giả thiết đối xứng qua trục dọc xe - Ơ tơ chuyển động - Trong q trình di chuyển bánh xe tiếp xúc với mặt đường 2.2 Mô hình khảo sát Phần treo (là thân xe, người, acqui, động cơ, ) coi vật có khối lượng M đặt trọng tâm xe Chuyển động phần treo hợp chuyển động: chuyển động HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 tịnh tiến theo phương Z, chuyển động quay xung quanh trục ngang Y, chuyển động quay quanh xung quanh trục X Momen quán tính khối lượng phần treo với trục ngang trục dọc qua trọng tâm phần treo tương ứng J y , J x Phần treo phần không treo liên kết với qua phận đàn hồi giảm chấn hệ thống treo đặc trưng hệ số đàn hồi C1T , C1P , C 2T , C P hệ số cản giảm chấn là: K 1T , K 1P , K 2T , K P Trong số: - Đại diện cho phía trước - Đại diện cho phía sau T - Đại diện cho bên trái P - Đại diện cho bên phải Phần không treo trước chia thành khối lượng m1T , m1P Mỗi khối lượng không treo trước liên kết với đường thơng qua lị xo có độ cứng C L1T , C L1P giảm chấn có hệ số cản K L1T , K L1P - đại diện cho độ cứng độ dập tắt dao động lốp xe trước Hình Mơ hình vật lý mơ dao động tồn xe Phần khơng treo sau đại diện khối có khối lượng m2 – bao gồm cầu xe, nhíp Và chia thành khối lượng nhỏ m2T , m2 P Mỗi khối lượng không treo trước liên kết với đường thơng qua lị xo có độ cứng C L 2T , C L P giảm chấn có hệ số cản K L1T , K L1P Các thông số đặc trưng cho độ đàn hồi lốp dập tắt dao động lốp sau Cầu trước - độc lập nên có chuyển động tịnh tiến cầu theo phương Z mà khơng có chuyển quay quanh trục X Cầu sau - phụ thuộc, nên ngồi chuyển động tính tiến cầu xe theo phương Z, cịn có chuyển động xoay quanh trục X HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.3 Thiết lập hệ phương trình vi phân Để xác định thơng số dao động xe ta cần phải từ mơ hình học thiết lập phương trình vi phân mơ tả chuyển động dao động hệ Có nhiều phương pháp để thiết lập phương trình vi phân chuyển động hệ như: phương trình Lagrange loại II theo nguyên lý D’Alambe [3] Theo nguyên lý D’Alambe: F Fqt (1) Trong đó: F : tổng ngoại lực tác dụng lên vật Fqt : tổng lực quán tính tác dụng lên vật Ở đây, xây dựng mơ hình hệ gồm vật: thân xe, khối lượng không treo trước trái-phải, khối lượng không treo sau mặt đường Mô hình xây dựng gồm vật: * Vật 1: Thân xe (phần khối lượng treo) coi vật có khối lượng M đặt trọng tâm G momen quán tính: J y , J x Chuyển động thân xe hợp ba chuyển động: + Chuyển động tịnh tiến theo phương Z ứng với toạ độ suy rộng Z + Chuyển động quay quanh trục Y tương ứng toạ độ suy rộng φ + Chuyển động quay quanh trục X tương ứng toạ độ suy rộng θ Hình Mơ hình dao động khối lượng không treo trước trái, phải * Vật 3: Các khối lượng khơng treo phía trước bên trái, phải treo phụ thuộc phía sau + Khối lượng không treo trước coi hai vật có khối lượng bên trái bên phải m1T , m1P chuyển động tịnh tiến theo phương Z tương ứng toạ độ suy rộng 1T , 1P Hình Mơ hình dao động khối lượng không treo sau HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 * Vật 4: Khối lượng không treo cầu sau - cầu xe, nhíp bánh xe + Khối lượng không treo sau coi vật có khối lượng m2, chuyển động tịnh tiến theo phương Z tương ứng toạ độ suy rộng Z2, chuyển động quay quanh trục X với toạ độ suy rộng β + Được chia nhỏ thành hai vật có khối lượng bên trái bên phải m 2T , m P chuyển động tịnh tiến theo phương Z tương ứng toạ độ suy rộng ξ 2T , ξ P * Vật 5: Mặt đường - nguồn kích thích tơ dao động tập hợp mấp mơ ngẫu nhiên tồn chiều dài Kích động mặt đường dạng tuyến tính hàm ngẫu nhiên Sau phân tích xe thành vật riêng biệt với đầy đủ đại lượng cần thiết lập phương trình vi phân mơ tả dao động hệ theo nguyên lý D’Alambe Như vậy, sau phân tích xây dựng phương trình vi phân cho vật thiết lập hệ phương trình vi phân tốn học gồm phương trình vi phân mơ tả dao động hệ MZ - FC1T FK 1T FC1P FK 1P FC 2T FK 2T FC P FK P (2) J y aFC1T FK1T aFC1P FK 1P bFC 2T FK 2T bFC P FK P = (3) B B B B J X T FC1T FK 1T T FC1P FK 1P S FC 2T FK 2T S FC P FK P 2 2 (4) j2 BS ( F2T FL 2T F2 P FL P ) (5) mZ2 ( F2T FL 2T ) ( F2 P FL P ) (6) m1P 1P FC1P FK 1P FCL1P FKL1P (7) - m1T ξ1T +[FC1T + FK1T ]+[FCL1T + FKL1T ]= (8) 2.4 Ứng dụng Matlab Simulink mô dao động Dựa vào hệ phương trình vi phân mơ tả dao động tồn xe tơ, sử dụng khối chức Matlab - Simulink để mơ mơ hình dao động khơng gian tơ Sau tiến hành giải hệ phương trình đưa thông số đánh giá dao động toàn xe [4] 2.4.1 Sơ đồ tổng thể Sơ đồ tổng thể mơ mơ hình dao động khơng gian dựa hệ phương trình vi phân dao động hệ hình Sơ đồ tổng thể chứa khối chức riêng, khối thể phần tử đặc trưng mơ hình Bản thân khối chứa lịng khối chức cụ thể để xử lý tín hiệu vào Trong có khối xử lý như: Khối cầu trước trái, khối cầu trước phải, khối cầu sau, khối thân xe khối mặt đường Với điều kiện kích động từ mặt đường khác nhau, khối mặt đường thay đổi tín hiệu đầu vào từ thu dao động kích thích tương ứng tác dụng lên hệ thống treo tồn xe HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Sơ đồ tổng thể mơ dao động toàn xe 2.4.2 Khối “Khung xe” Bao hàm phương trình vi phân: + Chuyển động tịnh tiến trọng tâm thân xe theo phương Z + Chuyển động quay thân xe quanh trục x tương ứng toạ độ suy rộng θ + Chuyển động quay quanh trục y tương ứng toạ độ suy rộng φ Khối “Khung xe” chứa khối chức là: Khối “Z”, khối “phi” khối “ teta” tương ứng với dao động thân xe, hình Hình Sơ đồ mô tả khối khung xe HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Các khối chức khác khối cầu trước trái, phải; khối cầu sau khối mặt đường sơ đồ hóa Simulink để mô thông số hệ thống treo xe điện HaUI-EV2 Sau xây dựng sơ đồ mô môi trường Simulink, ta nhập thông số xe (bảng 1) thu kết mô phần sau Bảng Thông số khảo sát dao động xe ô tô điện HaUI-EV2 Thông số Khoảng cách từ toạ độ trọng tâm xe đến cầu trước (m) Khoảng cách từ toạ độ trọng tâm xe đến cầu sau (m) Khoảng cách vết hai bánh xe cầu trước (m) Khoảng cách vết hai bánh xe cầu sau (m) Độ cứng treo trước bên trái bên phải (N/m) Độ cứng treo sau bên trái bên phải (N/m) Độ cứng lốp trước bên trái phải (N/m) Độ cứng lốp sau bên trái phải (N/m) Ký hiệu Giá trị a 1.087 b 0.773 Bt 1.335 Bs 1.345 C1T = C1P 18000 C2T = C2P 28271 CL1T = CL1P CL2T = CL2P 140000 140000 Thông số Hệ số cản giảm chấn trước bên trái phải (N.s/m) Hệ số cản giảm chấn sau bên trái phải (N.s/m) Hệ số cản giảm chấn lốp trước bên trái phải (N.s/m) Hệ số cản giảm chấn lốp sau bên trái phải (N.s/m) Khối lượng không treo bên trái bên phải (kg) Khối lượng khơng treo sau (kg) Mơ men qn tính theo trục X (kg.m2) Mơ men qn tính theo trục Y (kg.m2) Khối lượng toàn xe (kg) Ký hiệu Giá trị K1T = K1P 974 K2T = K2P 3000 KL1T = KL1P KL2T = KL2P 20 20 m1T = m1P 10 m2 60 Jx 400 Jy 1051 M 1165 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đánh giá dao động xe Các thơng số kích động đầu vào mặt đường cho đây: - Trường hợp hàm kích động dạng STEP - Độ cao xung H = 42 (mm) - Vận tốc xe V = 5(m/s) Hàm xung kích động dạng step sử dụng toán giả thiết tác động lên hai bánh xe trái phải thời điểm Hình Dao động khung xe - Z HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Gia tốc dao động theo phương Z Từ đồ thị thấy, giai đoạn độ thể rõ với biên độ dao động gia tốc dao động lớn, mức độ dao động lớn nhiều so với trường hợp Sau đó, dao động dạng tắt dần, sau 5(s) gần khơng cịn tượng dao động, hình Điều phù hợp với lý thuyết dao động [1], trường hợp kích động từ mặt đường dạng xung nên tốc độ thay đổi lớn, dẫn đến hệ dao động chịu lực kích thích dao động lớn thời gian ngắn Ở đây, chúng đa đánh giá hệ số êm dịu chuyển động thông trạng thái: + Trạng thái có gia tốc dao động lớn + Trạng thái sau giai đoạn độ trạng thái ổn định Ta có bảng tính tốn thơng số sau (bảng 2): Bảng Bảng xác định tiêu chí đánh giá dao động xe chưa cải tiến Đại lượng Tần số dao động (dd/phút) Gia tốc lắc dọc (rad/s2) Gia tốc thẳng đứng (m/s2) Hệ số K Lớn 76,92 9,64 7,99 175,51 Đánh giá Đạt Chưa đạt Chưa đạt Chưa đạt Ổn định 85,67 0,94 0,97 18,06 Đánh giá Đạt Đạt Đạt Đạt Các tiêu đánh giá trường hợp cực đại không đạt yêu cầu, nhiên thời gian diễn ngắn 0,39 (s), kết chấp nhận Tuy nhiên, cần cải thiện lại thông số hệ thống để hạn chế giá trị mức cho phép 3.2 Trường hợp thay đổi độ cứng nhíp Để giảm gia tốc trình dao động, giảm độ cản nhớt giảm chấn, giảm độ cứng lò xo thay đổi thơng số hình học hệ thống treo (chiều rộng sở, chiều dài sở,…) [5] Tuy nhiên, để thay đổi mang lại hiệu tốt với điều kiện ảnh hưởng đến kết cấu xe thời gian thực nhanh chóng nhất, nên lựa chọn cách thay đổi độ cứng phận đàn hồi hệ thống treo Từ kết kiểm bền, nhíp cịn thừa bền nên việc giảm độ cứng nhíp khơng ảnh hưởng nhiều đến độ bền hệ thống treo Do đó, nhóm nghiên cứu tiến hành giảm bề rộng của nhíp từ b = 55 mm xuống cịn b = 50 mm Kết tính tốn có nhíp có độ cứng C = 25700 (N/m) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Sau mơ dao động, tiêu đánh giá xe sau thay đổi kết cấu so sánh kết với chưa có thay đổi Việc so sánh thực xác định tỷ lệ trị số tiêu xe sau thay đổi, chia cho xe trước thay đổi trạng thái ổn định (bảng 3) Bảng Bảng xác định tiêu chí đánh giá dao động xe sau thay đổi thông số kết cấu Đại lượng Tần số dao động (dd/phút) Gia tốc lắc dọc (rad/s2) Gia tốc thẳng đứng (m/s2) Hệ số K Lớn 77,92 -9,64 7,99 174,57 So sánh với xe chưa thay đổi (%) 95,07 89,66 88,80 68,26 Từ bảng thấy, hệ số K trường hợp sau cải tiến có giá trị thấp ban đầu nhiều có tỷ lệ thay đổi % lớn tương ứng với 68,26% Dưới đồ thị so sánh dao động xe trước thay đổi với độ cứng C = 28271 N/m sau với độ cứng C = 25700 N/m trường hợp chịu kích động dạng Step từ mặt đường, hình Hình So sánh dao động thân xe thep phương Z Từ đồ thị ta thấy, xe sau cải tiến có biên độ dao động thấp so với chưa cải tiến, thời gian dập tắt dao động nhanh Hình So sánh gia tốc dao động theo phương Z HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Từ đồ thị ta thấy, gia tốc dao động trường hợp sau cải tiến có biên độ thấp chưa cải tiến Như vậy, giảm tác động có hại đến hành khách; tăng độ êm cho xe giảm tác động đến khung gần xe KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình dao động khơng gian, bậc tự ô tô điện HaUIEV2, với hệ thống treo cầu trước dạng Mc.Pherson treo cầu sau dạng phụ thuộc sử dụng nhíp Sử dụng hàm kích động Step để xác định, đánh giá mức độ dao động hệ thống treo Thông qua phần mềm Mathlab-Simulink, đưa thông số đánh giá cho dao động xe tần số dao động, biên độ, gia tốc dao động Đồng thời đánh giá qua “hệ số độ êm dịu chuyển động”, qua đưa đề xuất thay đổi độ cứng phận đàn hồi để tăng độ êm dịu cho hệ thống treo đảm bảo độ bền, cứng vững hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N.H Cẩn, D.Q Thịnh, P.M Thái, N.V Tài, L.T Vàng, 2003 Lý thuyết ô tô máy kéo NXB Khoa học kỹ thuật [2] T.M Hoàng, 2001 Khảo sát dao động xe tải hai cầu kích động ngẫu nhiên mặt đường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - ĐHBKHN [3] N V Vìn, 2014 Động lực học thẳng đứng hệ thống treo ô tô Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên [4] P M Hiếu, 2017 Giáo trình Tin học ứng dụng kỹ thuật ô tô NXB Khoa học Kỹ thuật [5] N A Ngọc, L H Quân, T M Hồng, 2010 Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số kết cấu đến dao động xe Minibus đóng Việt Nam Số 2.2010, Tạp chí Khoa học Công nghệ, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội ... biên độ dao động, tần số dao động, gia tốc dao động, hệ số êm dịu chuyển động - K Để đánh giá chất lượng dao động xe, nhóm nghiên cứu sử dụng thông số tần số dao động, gia tốc dao động hệ số êm... thông số hệ thống treo xe điện HaUI-EV2 Sau xây dựng sơ đồ mô môi trường Simulink, ta nhập thông số xe (bảng 1) thu kết mô phần sau Bảng Thông số khảo sát dao động xe ô tô điện HaUI-EV2 Thông số Khoảng... biên độ dao động gia tốc dao động lớn, mức độ dao động lớn nhiều so với trường hợp Sau đó, dao động dạng tắt dần, sau 5(s) gần khơng cịn tượng dao động, hình Điều phù hợp với lý thuyết dao động