Nghiên cứu điều khiển giảm chấn thủy lực của hệ thống treo cabin xe đầu kéo

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRỊNH NGỌC TÚ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN GIẢM CHẤN THỦY LỰC CỦA HỆ THỐNG TREO CABIN XE ĐẦU KÉO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Thái Ngun - Năm 2020 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Sau thời gian hai năm học tập, rèn luyện nghiên cứu trường Để đánh giá kết học tập nghiên cứu mình, em lựa chọn thực đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu điều khiển giảm chấn thủy lực hệ thống treo cabin xe đầu kéo” Được giúp đỡ Thầy, Cô giáo Khoa đặc biệt hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS TS Lê Văn Quỳnh nỗ lực thân, đề tài em hoàn thành đáp ứng nội dung đề tài thạc sĩ kỹ thuật khí động lực Em xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân em Các số liệu, kết có Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác trừ cơng bố tác giả Thái Nguyên, ngày… tháng… năm 2020 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Phòng Đào tạo Khoa kỹ thuật Ô tô Máy động lực cho phép thực luận văn Xin cảm ơn Phòng Đào tạo Khoa kỹ thuật Ơ tơ Máy động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi học tập làm luận văn Em xin chân thành biết ơn quý thầy cô giáo tham gia giảng dạy tận tình hướng dẫn tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS TS Lê Văn Quỳnh tập thể cán giáo viên Khoa Kỹ thuật Ơ tơ & MĐL, Hội đồng bảo vệ đề cương hướng dẫn cho em hoàn thành luận văn theo kế hoạch nội dung đề Trong trình thực đề tài có nhiều cố gắng song kiến thức kinh nghiệm chun mơn cịn hạn chế nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp quý báu quý thầy cô bạn đồng nghiệp để luận văn tơi hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, ngày… tháng… năm 2020 HỌC VIÊN Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .iii MỤC LỤC .iv DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Hệ thống treo ô tô hệ thống treo cabin .4 1.2 Hệ thống treo bán tích cực hệ thống treo tích cực 1.3 Phân tích tiêu đánh giá độ êm dịu cabin người điều khiển[2,3] 11 1.3.1 Tần số gia tốc dao động 11 1.3.2.Chỉ tiêu độ êm dịu Hiệp hội kỹ sư Đức VDI 12 1.3.3 Đánh giá độ êm dịu theo tiêu chuẩn ISO[20] 16 1.4.Tình hình nghiên cứu nước quốc tế 18 1.4.1 Đối với nhà nghiên cứu Việt Nam 18 1.4.2 Đối với nhà nghiên cứu giới 19 1.5 Mục đích, đối tượng phương pháp nghiên cứu 21 1.6 Kết luận .22 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH DAO ĐỘNG TOÀN XE VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 23 2.1 Xây dựng mơ hình dao động tồn xe 23 2.2.1 Các giả thiết mô hình dao động tương đương 23 2.1.2 Mơ hình dao động xe đầu kéo 25 2.1.3 Thiết lập phương trình vi phân mơ tả dao động 25 2.1.4 Phân tích lựa chọn kích thích dao động 36 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn v 2.2 Các phương pháp điều khiển hệ thống treo 40 2.2.1 Điều khiển Skyhook 41 2.2.2 Điều khiển Groundhook 42 2.2.3 Điều khiển lai (giữa Skyhook Groundhook) 42 2.2.4 Điều khiển mờ[20] 43 2.3 Thiết kế điều khiển cho hệ thống treo cabin 45 2.3.1 Kết cấu giảm chấn lưu thủy lực lượng từ tính 45 2.3.2 Biến vào bao gồm: 46 2.3.3 Xác định tập mờ 46 2.3.4.Tập luật điều khiển: 48 2.4 Kết luận .51 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TREO BÁN CHỦ ĐỘNG CABIN 52 3.1 Mô 52 3.1.1 Sơ đồ khối tổng thể .52 3.1.2 Thông số đầu vào cho mô 53 3.1.3 Kết mô thảo luận 54 3.2 Phân tích hiệu hệ thống treo bán chủ động cabin 56 3.2.1 Trường hợp 1: 56 3.2.2 Trường hợp 2: 59 3.3 Kết luận chương 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hệ thống treo phẩn từ đàn hồi nhíp .5 Hình 1.2 Hệ thống treo phận đàn hồi khí nén Hình 1.3 Hệ thống treo có kết hợp khí nén giản chấm thủy lực Hình 1.4 Mộ số hệ thống treo cabin Hình 1.5 Mơ hình hệ thống treo .8 Hình 1.6 Hệ thống treo tích cực hồn tồn 10 Hình 1.7 Các đường cong cảm giác dao động điều hòa 13 Hình 1.8 Sơ đồ xác định thực nghiệm hệ số độ êm dịu K 14 Hình 2.1 Mơ hình dao động xe đầu kéo cầu 25 Hình 2.2 Sơ đồ lực tác dụng lên ghế ngồi 27 Hình 2.3 Sơ đồ mơ tả khối lượng cabin xe 28 Hình 2.4 Sơ đồ lực mơ men tác dụng lên thân xe đầu kéo 30 Hình 2.5 Sơ đồ lực mơ men tác dụng lên sơ mi-rơ mc 32 Hình 2.6 Hàm điều hồ mấp mơ 36 Hình 2.7 Chiều cao mấp mơ mặt đường theo tiêu chuẩn ISO A (mặt đường có chất lượng tốt) .39 Hình 2.8 Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO B (mặt đường có chất lượng tốt) .39 Hình 2.9 Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO C (mặt đường có chất lượng bình thường) 40 Hình 2.10 Điều khiển Skyhook, (a) Ý tưởng (b) Thực 41 Hình 2.11 Điều khiển Groundhook,(a) Ý tưởng (b) Thực .42 Hình 2.12 Sự kết hợp điều khiển Skyhook Groundhook, (a) Ý tưởng (b) Thực 43 Hình 2.13 Hệ thống điều khiển tự động với điều khiển mờ[8,9] 44 Hình 2.14 Kết cấu nguyên lý làm việc giảm chấn thủy lực lưu chất từ tính 45 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii Hình 2.15 Mặt cắt giảm chấn thủy lực lưu chất từ tính 46 Hình 2.16 Hàm thuộc Matlab 48 Hình 2.17 Mối quan hệ giá trị luật hợp thành 48 Hình 3.1 Sơ đồ mô tổng thể dao động Matlab-Simulink R2012b 52 Hình 3.2 Gia tốc theo phương thẳng đứng theo miền thời gian ghế ngồi người điều khiển 55 Hình 3.3 Gia tốc góc lắc dọc cabin theo miền thời gian .55 Hình 3.4 Sơ đồ đánh giá hiệu hệ thống treo bán chủ động cabin 57 57 Hình 3.5 So sánh hệ thống treo bán cabin chủ động với hệ thống treo cabin bị động: Gia tốc theo phương thẳng đứng ghế ngồi người điều khiển Trường hợp 57 Hình 3.6 So sánh hệ thống treo bán cabin chủ động với hệ thống treo cabin bị động: Gia tốc góc lắc dọc cabin Trường hợp 58 Hình 3.7 So sánh hệ thống treo bán cabin chủ động với hệ thống treo cabin bị động: Gia tốc theo phương thẳng đứng ghế ngồi người điều khiển Trường hợp 59 Hình 3.8 So sánh hệ thống treo bán cabin chủ động với hệ thống treo cabin bị động: Gia tốc góc lắc dọc cabin Trường hợp 60 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 .16 Bảng 2.1 Các lớp mấp mô mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068[15] 39 Bảng 2.2 Bảng luật điều khiển Fuzzy 49 Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật xe sơ mi-rơ moóc cầu [13] 53 Bảng 3.2 So sánh giá trị gia tốc bình phương trung bình ghế ngồi người điều khiển góc lắc dọc cabin trước sau điều khiển giảm chân thủy lực Trường hợp 58 Bảng 3.3 So sánh giá trị gia tốc bình phương trung bình ghế ngồi người điều khiển góc lắc dọc cabin trước sau điều khiển giảm chân thủy lực Trường hợp 60 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Thông số Khối lượng người điều khiển ghế Khối lượng cabin Khối lượng thùng sơ mi- rơ moóc Khối lượng khung trước 10 Khoảng cách tâm cầu trọng tâm kh trước sơ mi- rơ moóc Khoảng cách tâm cầu thứ trọng tâm trước sơ mi- rơ moóc Khoảng cách tâm cầu thứ trọng tâm trước sơ mi- rơ moóc Khoảng cách tâm cầu thứ trọng tâm sơ mi- rơ moóc Khoảng cách tâm cầu thứ trọng tâm sơ mi- rơ moóc Khoảng cách từ trọng tâm thùng sơ moóc chốt kéo 11 Độ cứng hệ thống treo cầu 12 Độ cứng hệ thống treo cầu 13 Độ cứng hệ thống treo cầu 14 Độ cứng hệ thống treo cầu 15 Độ cứng hệ thống treo cầu 16 Độ cứng lốp xe 17 Độ cứng lốp xe 18 Độ cứng lốp xe Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Gia toc goc a  2(rad/s) Hình 3.6 So sánh hệ thống treo bán cabin chủ động với hệ thống treo cabin bị động: Gia tốc góc lắc dọc cabin Trường hợp Bảng 3.2 So sánh giá trị gia tốc bình phương trung bình ghế ngồi người điều khiển góc lắc dọc cabin trước sau điều khiển giảm chân thủy lực Trường hợp Kết so sánh giá trị gia tốc bình phương trung bình ghế ngồi người điều khiển gia tốc trung bình góc lắc dọc cabin trước sau điều khiển giảm chấn thủy lực Trường hợp thể Bảng 3.2 Từ kết so sánh Bảng 3.2 thấy giá trí gia tốc bình phương trung bình theo phương đứng gia tốc bình phương trung bình góc lắc cabin Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 59 giảm 17.4%; 25.4% Điều có nghĩa độ êm dịu cabin cải thiện đáng kể so với hệ thống treo bị động cabin 3.2.2 Trường hợp 2: Trường hợp 2: điều kiện khai thác xe chuyển động đầy tải mặt đường ISO loại C với vận tốc v=70km/h So sánh trước sau điều khiển giảm chấn thủy lực, gia tốc theo phương thẳng đứng ghế ngồi người điều khiển gia tốc góc lắc dọc cabin theo miền thời gian xe chuyển động đầy tải mặt đường ISO loại C với Gia toc a s (m/s ) vận tốc v=70km/h thể Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.7 So sánh hệ thống treo bán cabin chủ động với hệ thống treo cabin bị động: Gia tốc theo phương thẳng đứng ghế ngồi người điều khiển Trường hợp Từ kết Hình 3.7 Hình 3.8, Chúng ta xác định giá gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng gh ế người điều khiển gia tốc góc lắc dọc bình phương trung bình cabin điều khiển hệ số cản thủy lực hệ thống treo bán chủ động cabin Trường hợp aws=0.7507m/s2 awϕ =3.0723rad/s2 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 60 Kết so sánh giá trị gia tốc bình phương trung bình ghế ngồi người điều khiển gia tốc trung bình góc lắc dọc cabin trước sau điều khiển giảm chấn thủy lực Trường hợp thể Bảng 3.3 Từ kết so sánh Bảng 3.3 thấy giá trí gia tốc bình phương trung bình theo phương đứng gia tốc bình phương trung bình góc lắc cabin giảm 12.5%; 20.3% Điều có nghĩa độ êm dịu cabin Gia toc goc a  2(rad/s) cải thiện đáng kể so với hệ thống treo bị động cabin Hình 3.8 So sánh hệ thống treo bán cabin chủ động với hệ thống treo cabin bị động: Gia tốc góc lắc dọc cabin Trường hợp Bảng 3.3 So sánh giá trị gia tốc bình phương trung bình ghế ngồi người điều khiển góc lắc dọc cabin trước sau điều khiển giảm chân thủy lực Trường hợp Thông số Hệ thống treo bị động Hệ thống bán chủ động Giảm % Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN 61 3.3 Kết luận chương Sau hồn thành nội dung chương 3, rút số kết luận sau: Các giá trị gia tốc bình phương trung bình theo phương đứng ghế ngồi người điều khiển gia tốc bình phương trung bình góc lắc dọc cabin giảm 17.4%; 25.4% so với hệ thống treo bị động xe chuyển động mặt đường ISO cấp B với vận tốc v=70km/h Tương tự, giá trị gia tốc bình phương trung bình theo phương đứng ghế ngồi người điều khiển gia tốc bình phương trung bình góc lắc dọc cabin giảm 12.5%; 20.4% so với hệ thống treo bị động xe chuyển động mặt đường ISO cấp B với vận tốc v=70km/h Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian nghiên cứu, với nỗ lực thân hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Lê Văn Quỳnh thầy Khoa Kỹ thuật Ơ tơ – Máy Động lực, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên với động viên kích lệ bạn bè, đồng nghiệp, em hoàn thành nội dung luận văn thạc sĩ Luận văn đạt số kết sau đây: - Phân tích tính cấp thiết để tài; -Đưa tiêu đánh giá độ êm dịu cho phương tiện giao thông nói chung để làm sở phân tích đánh giá hiệu hệ thống treo bán chủ động cabin ; - Xây dựng mơ hình dao động hai chiều với cầu chủ động cho xe sơ mi roo móc; -Xây dựng mơ hình tốn để mơ hàm kích thích ngẫu nhiên; - Ứng dụng lý thuyết điều khiển thông xây dựng điều khiển Fuzzy Logic để điều khiển hệ số cản giảm chấn thủy lực lưu chất từ tính - Phân tích hiệu hệ thống treo bán chủ động cabin so với hệ thống treo bị động cabin: Các kết cho thấy hệ thống treo bán chủ động xe cải thiện kể độ êm dịu chuyển động xe hoạt động điều kiện khai thác khác nhau, cụ thể: + Các giá trị gia tốc bình phương trung bình theo phương đứng ghế ngồi người điều khiển gia tốc bình phương trung bình góc lắc dọc cabin giảm 17.4%; 25.4% so với hệ thống treo bị động xe chuyển động mặt đường ISO cấp B với vận tốc v=70km/h + Các giá trị gia tốc bình phương trung bình theo phương đứng ghế ngồi người điều khiển gia tốc bình phương trung bình góc lắc dọc cabin giảm 12.5%; 20.4% so với hệ thống treo bị động xe chuyển động mặt đường ISO cấp B với vận tốc v=70km/h Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 63 Tuy nhiên luân văn số hạn chế, hy vọng tương lai hoàn thiện theo hướng sau đây: - Thí nghiệm để nhận dạng xác định thơng số đầu vào cho tốn phân tích dao động - Phân tích đánh giá thêm tải trọng động nhằm nâng cao độ thân thiện với mặt đường -Áp dụng phương pháp điều khiển tối ưu để điều khiển thông số thiết kế hệ thống treo nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động giảm tác động xấu đến mặt đường - Thí nghiệm thực tế để so sánh với kết mô để kiểm chứng tính đắn mơ hình Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh( 2010), Lý thuyết ô tô, NXBKHKT Đào Mạnh Hùng , Dao động ô tô – máy kéo, Trường ĐH GTVT Hà Nội Đức Lập (1994), Dao động ôtô, Học viện kỹ thuật quân sự, Hà Nội Vũ Đức Lập (2001), Ứng dụng máy tính tính tốn xe qn , Học viện kỹ thuật quân sự, Hà Nội Đào Mạnh Hùng(2005), Nghiên cứu ảnh hưởng biên dạng mặt đường đến tải trọng tác dụng lên ô tô quốc lộ 1A đoạn đường Hà nội- Lạng sơn, đề tài cấp bộ, Đại học giao thông vận tải Hà nội Hoàng Đức Thị (2016), Nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống treo ô tô tải hạng nặng đến mặt đường quốc lộ, Luận văn thạc sĩ Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiêp-Đại học Thái Nguyên, Thái Nguyên Đặng Ngọc Minh Tuấn (2017), Nghiên cứu tối ưu thơng số thiết kế hệ thống treo khí cho ô tô tải hạng nặng nhằm giảm tác động xấu đến mặt đường quốc lộ, Luận văn thạc sĩ Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiêp-Đại học Thái Nguyên, Thái Nguyên Tiếng anh Nguyen Van Liem , Zhang Jianrun , Le Van Quynh , Jiao Renqiang Study of fuzzy control for cab's isolation system of heavy truck Vibroengineering PROCEDIA, Vol 10, 2016, p 309-314 Nguyen Van Liem , Zhang Jianrun , Le Van Quynh , Ride comfort performance of heavy truck with three control cases of semi-active isolation systems, Vibroengineering PROCEDIA, Vol 22, 2019, p 93-98 10 Van Liem Nguyen, Khac Tuan Nguyen, Evaluating the effect of the working conditions on the ride comfort and road friendliness of the heavy truck, Vibroengineering PROCEDIA, Vol 21, 2018, p 83-88 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 65 11 Leilei Zhao, Changcheng Zhou, Yuewei Yu, and Fuxing Yang, A method to evaluate stiffness and damping parameters of cabin suspension system for heavy truck, Vol 8(7) 1–9, 2016 12 Christine Ekberg Erik Hansson, Design and simul ation of active and semi-active cab susp ensions with fo cus to impr ove ride comfort of a heavy truck, Master’s thesis in Applied Mechanics, Chalmers University Of Technology Gothenburg, Sweden 2015 13 Alexander Gross and Roy Van Wynsberghe, Development of a 4-pointAir Cab Suspension System for Conventional Heavy Trucks, November 1214, 2001 14 Evers, W J E (2010) Improving driver comfort in commercial vehicles : modeling and control of a low-power active cabin suspension system Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven 15 S.S van Iersel, Passive and semi-active truck cabin suspension systems for driver comfort improvement, Eindhoven University of Technology, October, 2010 16 YAN Guang-hui,Zhang Shuo, Research on Modeling and Optimization control of Heavy Truck Cab Active Suspension System, Vols 687-691 (2014) pp 359-362 17 Erdem Kaymaz, Research On Active Control Of Heavy Truck Cab Suspension System, Bogaziỗi University 2017 18 Florin M Marcu , Semiactive Cab Susp ension Control for Semitruck Applications, April 3, 2009 19 Jihai Gu, Hui Wang, Chengwen Wang, Ming Pang, and Xiangyang Jin , The Parameter Optimization and Performance Analysis of the Suspension System in the Cab of a Heavy Truck, International Conference on Computer and Computing Technologies in Agriculture, CCTA 2013: Computer and Computing Technologies in Agriculture VII pp 16-24| Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 66 20 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 21 ISO 8068(1995) Mechanical vibration-Road surface profiles - reporting of measured data Website 22 https://en.wikipedia.org/wiki/Fuzzy_control_system Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ... giảm chấn hệ thống treo cầu 24 25 Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo cầu Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo cầu 26 Hệ số cản giảm chấn lốp cầu 27 Hệ số cản giảm chấn lốp cầu 28 Hệ số cản giảm chấn. .. người điều khiển giảm bệnh nghề nghiệp dao động gây Trước vấn đề nhằm nâng cao độ êm dịu cabin xe đầu kéo, em lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu điều khiển giảm chấn thủy lực hệ thống treo cabin xe đầu kéo? ??... cabin người điều khiển Hệ thống treo cabin thơng thường gồm có hệ thống treo phận đàn hồi lò xo giảm chấn thủy lực; hệ thơng có phận đàn hồi khí nén giảm chấn thủy lực (Hình 1.4) hệ thống treo điện