Phân tích dao động và lựa chọn thông số tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động​

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGUYỄN ĐỨC THUẬN PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG VÀ LỰA CHỌN THÔNG SỐ TỐI ƯU HỆ THỐNG TREO Ô TÔ KHÁCH NHẰM NÂNG CAO ĐỘ ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Thái Nguyên – 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Họ tên: Nguyễn Đức Thuận Học viên: Lớp cao học K19- Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệpĐại học Thái Nguyên Nơi công tác: Trường Cao đẳng Lào Cai Tên đề tài luận văn thạc sỹ: Phân tích dao động lựa chọn thơng số tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số: Sau gần hai năm học tập, rèn luyện nghiên cứu trường, em lựa chọn thực đề tài luận văn tốt nghiệp: Phân tích dao động lựa chọn thông số tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động Được giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Lê Văn Quỳnh nổ lực thân, đề tài hoàn thành đáp 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 2018 HỌC VIÊN Nguyễn Đức Thuận iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu làm đề tài luận văn thạc sĩ, em tiếp nhận truyền đạt trao đổi phương pháp tư duy, lý luận quý thầy cô Nhà trường, quan tâm giúp đỡ tận tình tập thể giảng viên Nhà trường, khoa Kỹ thuật Ơ tơ & MĐL, q thầy giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp –Đại học Thái Nguyên, gia đình đồng nghiệp Em xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường, Tổ đào tạo Sau đại học -Phòng đào tạo, quý thầy giáo tham gia giảng dạy tận tình hướng dẫn tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Em xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Lê Văn Quỳnh, ThS Lê Xuân Long, ThS Bùi Văn Cường 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, thời gian thực có nhiều cố gắng song kiến thức kinh nghiệm chun mơn cịn hạn chế nên chắn luận văn cịn nhiều thiếu sót, mong đóng góp q báu q thầy bạn đồng nghiệp tiếp tục trao đổi đóng góp giúp em để luận văn hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! HỌC VIÊN iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC .iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1.Tổng quan hệ thống treo ô tô khách 1.1.1 Nhiệm vụ, số phận bản, phân loại hệ thống treo 1.1.2 Giới thiệu số kết cấu hệ thống treo xe khách[5] 1.2 Phương pháp tối ưu thông số thiết kế hệ thống treo 13 1.2.1 Phương pháp tối ưu hàm mục tiêu 13 1.2.2 Phương pháp tối ưu nhiều hàm mục tiêu 15 1.3 Tình hình nghiên cứu nước nước ngồi .16 1.3.1 Tình hình nghiên cứu nước 16 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 18 1.4 Các tiêu, phương pháp đánh giá độ êm dịu chuyển động 21 1.4.1 Cường độ dao động 21 1.4.2 Gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động 22 1.4.3 Chỉ tiêu tải trọng động[11] 23 1.5.Mục tiêu, phạm vi nội dung nghiên cứu luận văn 24 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 24 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu đối tượng nghiên cứu 25 1.5.3 Phương pháp nghiên cứu 25 1.5.4 Nội dung nghiên cứu .25 1.6 Kết luận chương 25 CHƯƠNG 26 XÂY DỰNG MƠ HÌNH DAO ĐỘNG XE KHÁCH CẦU .26 v 2.1 Xây dựng mơ hình dao động xe khách 26 2.1.1 Các giả thiết mơ hình dao động tương đương 26 2.1.2 Mơ hình dao động xe khách cầu 27 2.1.3 Thiết lập phương trình vi phân mô tả dao động 28 2.1.4 Phân tích lựa chọn kích thích dao động 39 2.2 Mô dao động toàn xe .47 2.2.1 Mô dao động ô tô 47 2.2.2 Chọn thông số xe mô 48 2.2.3 Mô 50 2.3 Kết luận: .52 CHƯƠNG 53 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN THÔNG SỐ THIẾT KẾ TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG TREO XE KHÁCH 53 3.1 Phân tích hàm tối ưu 53 3.2 Phân tích lựa chọn vùng thơng số vùng độ cứng tối ưu 54 3.3 Phân tích ảnh hưởng lựa chọn vùng thông số hệ số cản tối ưu 56 3.4 Phối hợp thỏa hiệp thông số thiết kế hệ thống treo đánh giá 58 3.5 Kết luận 60 KẾT LUẬN VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ .61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .63 PHỤ LỤC 67 PHỤ LỤC 69 PHỤ LỤC 73 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 22 Bảng 2.1 Các lớp mấp mô mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068[22] 45 Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật xe khách cầu[28] .49 Bảng 3.1 Bảng thỏa hiệp hàm mục tiêu aws(m/s2), aw(rad/s2) aw(rad/s2) 58 Bảng 3.2 Kết so sánh trước sau tối ưu 59 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ thống treo sau phụ thuộc loại sử dụng nhíp Hình 1.2 Hệ thống treo sau phụ thuộc sử dụng nhíp kép Hình 1.3 Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng Balon khí nén- nhíp tơ tải Hình 1.4 Hệ thống treo sau phụ thuộc sử dụng Balon khí nén Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Hình 1.6 Điều khiển hệ thống cấp khí nén Hình 1.7 Hệ thống treo trước phụ thuộc sử dụng Balon khí nén 10 Hình 1.8 Hệ thống treo cân sử dụng buồng khí nén 12 Hình 1.9 Buồng đàn hồi khí nén 12 Hình 2.1 Mơ hình dao động tơt khách 28 Hình 2.2 Sơ đồ lực mô men tác dụng lên ghế trước .29 Hình 2.3 Sơ đồ lực mơ men tác dụng lên cầu trước .30 Hình 2.4 Hệ thống treo sau xe khách 34 Hình 2.5 Sơ đồ lực mô men tác dụng lên cầu trước .34 Hình 2.6 Sơ đồ lực mơ men tác dụng lên thân xe 38 Hình 2.7 Hàm điều hồ mấp mơ 40 Hình 2.8 Sơ đồ đo mấp mô mặt đường xử lý kết đo[8] 42 Hình 2.9 Kết đo mấp mô mặt đường quốc lộ 1A đoạn đường Hà Nội Lạng Sơn (đoạn 1) 42 Hình 2.10 Kết đo mấp mô mặt đường quốc lộ 1A đoạn đường Hà Nội Lạng Sơn qua xử lý (đoạn 1) 43 Hình 2.11 Kết đo mấp mơ mặt đường quốc lộ 1A đoạn đường Hà Nội Lạng Sơn (đoạn 2) 43 Hình 2.12 Kết đo mấp mơ mặt đường quốc lộ 1A đoạn đường Hà Nội Lạng Sơn qua xử lý (đoạn 2) 44 viii Hình 2.13 Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO A (mặt đường có chất lượng tốt) .46 Hình 2.14 Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO B (mặt đường có chất lượng trung bình) 46 Hình 2.15 Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO C (mặt đường có chất lượng trung bình) 46 Hình 2.16 Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO E (mặt đường có chất lượng xấu) 46 Hình 2.17 Sơ đồ mô tổng thể dao động Matlab-Simulink 7.04 48 Hình 2.18 Gia tốc theo phương đứng xe chuyển động mặt đường iso loại B với vận tốc v=80km/h 50 Hình 2.19 Gia tốc góc lắc dọc thân xe chuyển động mặt đường ISO cấp B với vận tốc v=80km/h 51 Hình 2.20 Gia tốc góc lắc ngang thân xe chuyển động mặt đường iso loại B với vận tốc v=80km/h 51 Hình 3.1 Ảnh hưởng độ cứng đến gia tốc bình phương trung bình vị trí tâm xe xe chạy mặt đường ISO cấp B 55 Hình 3.2 Ảnh hưởng hệ số cản đến gia tốc bình phương trung bình vị trí tâm xe xe chạy mặt đường ISO cấp B 57 Hình 3.3 Gia tốc ghế ngồi người điều theo phương thẳng đứng xe chuyển động đường loại B, với vận tốc v=80km/h trước sau tối ưu .59 Hình 3.4 Gia tốc góc lắc dọc xe xe chuyển động đường loại B, với vận tốc v=80km/h trước sau tối ưu 60 Hình 3.5 Gia tốc góc lắc ngang xe xe chuyển động đường loại B, với vận tốc v=80km/h trước sau tối ưu 60 ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu aws aw aw F M KB W ISO k m ma1 ma1 ms1 a b e1 e2 f1 f2 s2 tiêu Từ lựa chọn vùng thông số tối ưu lập bảng thỏa hiệp để lựa chọn thông số hệ thống treo tối ưu nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động xe 61 KẾT LUẬN VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ Sau thời gian nghiên cứu, với nỗ lực thân hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Lê Văn Quỳnh với giúp đỡ thầy ThS Lê Xuân Long, ThS Bùi Văn Cường thầy Khoa Kỹ thuật Ơ tô – 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 xe khách để làm sở phân tích lựa chọn thông số tối ưu cho hệ thống treo xe khách; - Xây dựng mơ hình dao động khơng gian tuyến tính xe khách cầu với bậc tự do; -Xây dựng mơ hình tốn mơ phân tích dao động - Phân tích dao động tơ khách cụ thể phân tích ảnh hưởng thông số hệ thống treo đến độ êm dịu chuyển động xe - Phân tích lựa chọn thông số thiết kế tối ưu cho hệ thống treo xe khách, kết thể hiện: Tối ưu thông số hệ thống treo, ba hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ giá trị gia tốc bình phương trung bình ghế ngồi theo phương đứng góc lắc dọc lắc lần ngang xe lượt 0.1398 m/s 2; 0.0201 rad/s2 0.0564 rad/s2 giảm 29,68%; 35,99 % 34,8 % so với hệ thống treo ban đầu, điều có nghĩa độ êm dịu hoạt động xe cải thiện đáng kể xe hoạt động trường hợp Tuy nhiên luân văn số hạn chế, hy vọng tương lai hoàn thiện theo hướng sau đây: - Phân tích đặc tính phi tuyến lốp xe tượng tách bánh 62 Áp dụng thuật toán tối ưu nhiều hàm mục tiêu để tối ưu thông số hệ thống số thiết kế hệ thống treo xe khác thuật toán di truyền, thuật toán bày đàn, -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 63 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 toán xe quân , Học viện kỹ thuật quân sự, Hà Nội Võ Văn Hường (2008), Bài giảng kết cấu Ơ tơ, Trường ĐHBK Hà Nội độ Đặng Việt Hà(2010), Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến êm dịu chuyển động ô tô khách đóng Việt Nam, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường ĐHGTVT Hà Nội, Hà Nội Hoàng Đức Thị (2016), Nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống treo ô tô tải hạng nặng đến mặt đường quốc lộ,Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiêp-Đại học Thái Nguyên, Thái Nguyên 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 thơng vận tải Hà nội Trịnh Minh Hồng(2002), Khảo sát dao động xe tải hai cầu kích động ngẫu nhiên mặt đường, Luận án thạc sỹ kỹ thuật, Trường ĐHBK Hà Nội 10 Lưu Văn Tuấn (1994), Nghiên cứu dao động xe ca Ba Đình sở đề xuất biện pháp nâng cao độ êm dịu chuyên động, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trường ĐHBK Hà Nội, Hà Nội 11.Võ Văn Hường(2004), Nghiên cứu hồn thiện mơ hình khảo sát dao động ô tô tải nhiều cầu, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trường ĐHBK Hà Nội, Hà Nội 64 12 Nguyễn Khắc Minh(2011), Nghiên cứu, lựa chọn thông số hệ thống treo nhằm nâng cao hiệu làm việc hệ thống treo ô tô, Luận án thạc sĩ kỹ thuật, Trường GTVT, Hà Nội 13 Trần Thanh An (2012), Nghiên cứu tối ưu thông số hệ thống treo ô tô khách sử dụng Việt Nam, Luận án thạc sĩ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội 14 Lê Thanh Duẩn (2012), Khảo sát dao động xe khách, Luận án thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội 15 Lê Văn Quỳnh (2006), Nghiên cứu dao động ghế ngồi xe khách sản xuất Việt Nam, Luận án thạc sĩ kỹ thuật, Trường ĐHBK Hà Nội, Hà Nội 16 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 17 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 18 Guglielmino E., Sireteanu T., Stammers C.W., Ghita G and Giudea M (2008), Semi-active Suspension Control Improved Vehicle ride and Road Friendliness New York: Springer Publishing Company 19 BS 6841(1987): British Standard Guide to measurement and evaluation of human exposure to whole body meachanical vibration and repeated shock British Standards Institution 65 20 Hohl GH.(1984), Ride comfort of off-road vehicles In: Proceedings of the 8th international conference of the ISTVS, vol.I of III, Cambridge, England, August 5-11; 1984 21 Dodds C J, and Robson, J D(1973)The description of road surface roughness Journal of Sound and Vibration, 31(2), 175–183 22 ISO 8068(1995) Mechanical vibration-Road surface profiles - reporting of measured data 23 Mitschke M (1986) Effect of road roughness on vehicle vibration, IFF Report, 33(1): 165-198 (in German) 24 Mitschke M (1992), Dynamics of vehicle Berlin: Garmany Springer Press, (in German) 25 Lu Sun (2002) Optimum design of “road-friendly” vehicle suspension systems subjected to rough pavement surfaces Applied Mathematical Modelling, Vol 26, pp 635–652 26 M.J Mahmoodabadi, A Adljooy Safaie, A Bagheri, N Nariman-zadeh (2013), A novel combination of particle swarm optimization and genetic algorithm for pareto optimal design of a five-degree of freedom vehicle vibration model, Applied Soft Computing, Vol 13(5), pp 2577-2591 27 GB7031(1986): Pavement roughness made input the vehicle vibration (in Chinese) 28 Dragan Sekulic´, Vlastimir Dedovic´, Srdjan Rusov, Slaviša Šalinic, Aleksandar Obradovic(2013), Analysis of vibration effects on the comfort of intercity bus users by oscillatory model with ten degrees of freedom, Applied Mathematical Modelling, Vol.37, p.8629–8644 66 29 Xianghao Shen, Shumin Feng, Zhenning Li and Baoyu Hu (2016), Analysis of bus passenger comfort perception based on passenger load factor and in-vehicle time, SpringerPlus (2016) 5:62, pp.1-10 30.A F Azenan, Jalil Azlis-Sani(2018), Effects of Vibration on Intrastate Bus Drivers, IOP Conf Series: Journal of Physics: Conf Series 1049 (2018) 012094 31 M Cvetković, J Santos Baptista, M A Pires Vaz(2018) Occupational Vibration in Urban Bus and Influence on Driver’s Lower Limbs: a review, U.Porto Journal of Engineering, 4:1 (2018), pp 56-66 32 Kaldas, M and Soliman (2013), A Improvement of Bus Ride Comfort via Active Suspension and Connected Dampers, SAE Technical Paper 2013-010990, 2013, https://doi.org/10.4271/2013-01-0990 33.Mujde Turkkan and Nurkan Yagiz (2013), Fuzzy logic control for active bus suspension system Journal of Physics: Conference Series 410 (2013) 012006 67 PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH MIÊU TẢ MẤP MÔ MẶT ĐƯỜNG QUỐC LỘ THEO TIÊU CHUẨN ISO 8068 fl=0.4 ; fh=30; fn=200; n0=0.1; Gqn0=256e-6; w=2; roadtime=50; timestep=0.01; eventime=0; v=72/3.6; f=linspace(fl,fh,fn); Gqn=(Gqn0*n0^2*v)./(f.^2); Gqn=Gqn0*(n0./f).^w*v; phi=rand(fn-1,1)*2*pi; for j=1:(fn-1) phi(j)=rand*2*pi end roadpoint=roadtime/timestep+1; zg(1:roadpoint)=0 a=0 for i=1:roadpoint for j=1:fn-1 a=sqrt(2*Gqn(j))*(f(j+1)f(j))*sin(2*pi*f(j)*i*timestep+phi(j)); zg(i)=zg(i)+a; 68 end end zg(1:eventime/timestep)=0; time=0:timestep:roadtime; plot(time,zg) 69 PHỤ LỤC KHỐI CHƯƠNG TRÌNH CON TRONG SIMULINK-MATLAB Khối lực lốp xe cầu trước Khối lực lốp xe cầu sau 70 Khối mô chuyển vị cầu trước: Khối mô chuyển vị cầu sau: Khối lực hệ thống treo cầu trước: 71 Khối lực hệ thống treo cầu sau: Khối mô chuyển vị khối lượng treo: 72 Khối lực liên kết ghế xe: Khối mô chuyển vị ghế: 73 PHỤ LỤC BÀI BÁO QUỐC GIA Lê Xuân Long, Nguyễn Đức Thuận(2018), Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện khai thác đến độ êm dịu hành khách, Hội thảo quốc gia Ứng dụng công nghệ cao vào thực tiễn, Hà Nội, tháng 08 năm 2018 Nguyễn Đực Thuận(2017), Một số giải pháp đào tạo nghề Công nghệ Ơ tơ Lào Cai, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số số đặc biệt, pp13-15 ... vận tốc khành khách đến độ êm dịu chuyển động xe phần mục lục Tuy nhiên, chủ đề ? ?Phân tích dao động lựa chọn thông số tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động? ?? vấn đề... đường quốc lộ để phân tích dao động và lựa chọn thông số tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động Đối tượng: Xe khách hệ thống treo Phương pháp lựa nghiên cứu: Nghiên cứu... lên thân xe giảm tải trọng động truyền xuống mặt đường Do vậy, phân tích dao động lựa chọn thông số tối ưu hệ thống treo ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động chủ đề nhà nghiên cứu nước