1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
- Cơng trình “Trịnh Minh Hồng, khảo sát dao động ơ tơ dưới kích động mặt đường ngẫu nhiên, luận án thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà nội, 2002” nghiên cứu ảnh hưởng của thơng số kết cấu và điều kiện làm việc của ơtơ đến độ êm dịu chuyển động. Trong luận án tác giả giải quyết bài tốn dao động 7 bậc tự do với kích động mặt đường là hàm phổ của Iasenko[11].
- Cơng trình “Võ Văn Hường, Nghiên cứu hồn thiện mơ hình khảo sát dao động ơ tơ tải nhiều cầu, Luận án Tiến sỹ LA 111/05, 2004. ĐHBK Hà Nội” nghiên cứu khá hồn chỉnh dao động của ơtơ nhiều cầu. Trong luận án tác giả nghiên cứu đặc tính phi tuyến của phần tử đàn hồi của hệ thống treo, lốp xe với mơ hình khơng gian và giải quyết bài tốn dao động bằng phương pháp Matlab Simulink[12].
Cơng trình “ Đào Mạnh Hùng, báo cáo đề tài cấp bộ, năm 2005 đơn vị chủ trì Trường Đại học Giao thơng Vận tải” đã xây dựng mơ hình dao động xe tải ½ với kích thích ngẫu nhiên mấp mơ mặt đường quốc lộ 1A đo được làm tín hiệu đầu vào. Trong báo cáo đánh giá được ảnh hưởng của thơng số thiết kế hệ thống treo, tải trọng đến mặt đường quốc lộ dựa vào hệ số tài trọng động bành xe DLC[5].
Cơng trình “Lê Văn Quỳnh và cơng sự trong bài báo khoa học của mình, 2012” nghiên cứu và đánh giá dao động của lớp xe tải 2 cầu, 3 cầu, 4 cầu và 5 cầu đến mức độ thân thiện mặt đường. Kết quả bài báo đã xây dựng mơ hình dao động ½ lớp xe tải hạng nặng dưới kích thích ngẫu nhiên của mặt đường quốc lộ. Các ảnh hưởng của các thơng số động lực học của lớp xe lần lượt được phân tích dựa vào hệ số tải trọng động bánh xe DLC[14,15].
- Cơng trình [8] “Hồng Đức Thị luận án thạc sĩ kỹ thuật Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, Đại học Thái Nguyên 2016” nghiên cứu ảnh hưởng thơng số hệ thống treo xe tải đến khả năng thân thiện mặt đường quốc
lộ. Trong luận án tác giả xây dựng mơ hình khơng gian dao động của ơtơ ba cầu với kích động ngẫu nhiên và giải quyết bài tốn dao động bằng phương pháp Matlab/Simulink. Từ hàm mục tiêu là hệ số tải trọng động bánh xe DLC, các thơng số thiết kế hệ thống treo như độ cứng và hệ số cản lần lượt được phân tích.
- Cơng trình [9] “Đặng Ngọc Minh Tuấn luận án thạc sĩ kỹ thuật Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, Đại học Thái Nguyên 2017” tối ưu hệ thống treo khí xe tải hạng nặng nhằm nâng cao khả năng thân thiện mặt đường quốc lộ. Trong luận án tác giả xây dựng mơ hình khơng gian dao động của ơtơ 5 cầu với kích động ngẫu nhiên và giải quyết bài tốn dao động bằng phương pháp Matlab/Simulink. Từ hàm mục tiêu là hệ số tải trọng động bánh xe DLC, các thơng số thiết kế hệ thống treo như độ cứng và hệ số cản lần lượt được tối ưu thiết kế.
-Cơng trình“Nhĩm tác giả với bài báo khoa học nghiên cứu ảnh hưởng thơng số thiết kế hệ thống treo cabin đến độ êm dịu chuyển động của xe, 2018” đã xây dựng mơ hình dao động khơng gian phí tuyến với 15 bậc tự do và kích thích ngẫu nhiên của mặt đường quốc lộ và đánh giá ảnh hưởng của thơng số thiết kế hệ thống treo cabin như độ cứng và hệ số cản đến độ êm dịu chuyển động của xe phân phụ lục 3.
Tuy nhiên, chủ đề “Mơ phỏng và phân tích hiệu quả hệ thống treo thủy khí của ơ tơ tải hạng nặng đến khả năng thân thiện mặt đường” vẫn đang là vấn đề mở cho nhà nghiên cứu trong nước và nước ngồi quan tâm nghiên cứu.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu nước ngồi
Nghiên cứu hồn thiện và phát triển hệ thống treo ơ tơ ngày càng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao độ êm dịu của người điều khiển cũng như giảm các tác động xấu mặt đường quốc lộ.Những năm gần đây, vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống treo ơ tơ đến mặt đường
quốc lộ được nhiều khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu, X. M. Shi and C. S. Cai (2009) nghiên cứu ảnh hưởng của động lực học ơ tơ đến mặt đường giao thơng trong đĩ thơng số kết cấu của các hệ thống như hệ thống treo, ngồi ra lốp xe, tải trọng,.. cũng được xem xét nghiên cứu[19]; Yongjie Lu, Shaopu Yang, et al (2010) đã tiến hành phân tích ảnh hưởng của thơng số kết cấu của xe như hệ thống treo, lốp xe,… và thơng số khai thác đến hệ số tải trọng động bánh xe DLC (Dynamic Load Coefficient) dưa vào mơ hình dao động khơng gian tồn xe ảo của xe tải[20]; Le Van Quynh, Zhang Jianrun et al (2011) đưa ra mơ hình dao động khơng gian phi tuyến của xe tải nặng 5 cầu, từ đĩ phân tích tương tác qua lại giữa xe và mặt đường. Từ kết quả nghiên cứu đề xuất nhà quản lý giao thơng điều kiện mặt đường can thiệt và sửa chữa[15].
Nghiên cứu thiết kế tối ưu các hệ thống treo cho ơ tơ theo hướng thân thiện đường giao thơng cũng được các nhà khoa học thế giới quan tâm nghiên cứu từ rất sớm, Yi K and Hedrick J K (1989) đề xuất lý thuyết điều khiển tích cực và bán tích cực cho hệ thống treo xe tải nhằm giảm tác hại xấu cho mặt đường mặt đường giao thơng[20]; Guglielmino E., Sireteanu T., Stammers C.W., Ghita G. and Giudea M (2008) xuất bản ấn phẩm dưới dạng sách trong đĩ tập hợp nhiều kết quả nghiên cứu về hệ thống treo điều khiển bán tự động nhằm nâng cao khả năng thân thiện với đường giao thơng và độ êm chuyển động của xe [21]; Lu Sun (2002) đưa ra phương pháp thiết kế tối ưu thơng số hệ treo xe tải nhằm nâng cao đơ thân thận với đường[22]; M.J. Mahmoodabadi, A. Adljooy Safaie, A. Bagheri, N. Nariman-zadeh(2013) đưa ra phương pháp tối ưu thơng số thiết kế của các hệ thống động học của ơ tơ trong đĩ cĩ hệ thống treo sử dụng thuật tốn di truyền[24]
Nghiên cứu hồn thiện và phát triển hệ thống treo ơ tơ ngày càng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao độ êm dịu của người điều khiển cũng như giảm các tác động xấu mặt đường quốc lộ. Thiết kế và
mơ phỏng hệ thống treo thủy khí cho xe ơ tơ được trình bày M. B. Darade và N.D. Khaire [34], kết quả mơ phỏng phân tích được hiệu quả hệ thống treo trên mơ hình 1/4. Phát triển mơ hình tốn và mơ phỏng hệ thống treo thủy khí được trình bày bởi Tian-hong Luo, Ting-qiong Cui, Wen-jun Luo, Xun-jia Zheng, Chao Lin, et al[35], trong nghiên cứu này các tác giả sử dụng phần mềm mơ phỏng AMESim để đánh giá so sánh hiệu quả hệ thống treo khí. Nâng cao hiệu quả hệ thống treo thủy khí một bộ điều khiển hệ thống treo được thiết lập bởi D. Emami, S. A. Mostafavi, P. Asadollahzadeh[36], kết quả nghiên cứu phân tích được hiệu quả hệ thống treo điều khiển. Tuy nhiên, các cơng trình nghiên cứu ở trên vẫn chưa đề cấp đến phân tích đánh giá hiệu quả hệ thống treo sử dụng mơ hình động lực học tồn xe. Ý tưởng chính của đề tài này, hệ số tải trọng động của bánh xe được chọn là các hàm mục tiêu để phân tích hiệu quả hệ thống treo thủy khí so với hệ thống treo cao su, một mơ hình dao động khơng gian của ơ tơ được thiết lập để mơ phỏng và đánh giá hiệu quả với kích thích ngẫu nhiên của đường quốc lộ.
1.3. Các chỉ tiêu đánh giá khả năng thân thiện mặt đường quốc lộ 1.3.1. Chỉ số đánh giá tải trọng động bánh xe 1.3.1. Chỉ số đánh giá tải trọng động bánh xe
Sau những năm 1990, ơtơ ngày càng cĩ tải trọng lớn, tỷ trọng kinh tế của cầu và đường trong ngành giao thơng ngày càng được đánh giá cao. Các nhà nghiên cứu của Anh, Mỹ,…đã đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của dao động ơtơ đối với cầu và đường. Khi ơ tơ chuyển động trên các mặt đường và cầu, tải trọng động bánh xe sẽ dẫn đến sức căng và biến dạng bền mặt. Sự tích lũy lâu dài của biến dạng dẻo bề mặt sẽ nguyên nhân gây ra phá hủy bề mặt như các vết nứt, lún,.. Để đánh giá ảnh hưởng của tải trọng động của bánh xe đến khả năng thân thiện mặt đường, nhiều cơng trình nghiên cứu đưa ra hệ số tải trọng động bánh xe DLC - Dynamic Load Coefficient [15,20-23]. Hệ số DLC được định nghĩa bởi cơng thức (6).
s RMS T F F DLC . (1-1)
trong đĩ: Fs- tải trọng tĩnh của bánh xe; FT,RMS- tải trọng động bánh xe tác dụng lên mặt đường bình phương trung bình và nĩ được định nghĩa bởi cơng thức (1-2 ). 2 1 0 2 , 1 ( ) T T RMS T F t dt T F (1-2) Trong đĩ:
FT - Tải trọng động của bánh xe tác dụng lên mặt đường;N
T - Thời gian khảo sát(s).
Hệ số tải trọng bánh xe DLC phụ thuộc rất nhiêu yếu tố như thống số hệ thống treo, lốp xe, tải trọng xe, vận tốc chuyển động, điều kiện mặt đường...Trong đề tài này, hệ số tải trọng động bánh xe được chọn để phân tích ảnh hưởng của hệ thống treo đến khả năng thân thiện với mặt đường giao thơng và sẽ được trình bày ở phần sau và chương trình tính tốn được trình bày phụ lục.
1.3.2. Chỉ tiêu về tải trọng theo tiêu chuẩn Đức
Tải trọng động cực đại (Fzdyn, max ) làm giảm tuổi thọ chi tiết, gây tổn hại cho đường. Hệ số tải trọng động Kdyn, max đánh giá mức độ ảnh hưởng đến chi tiết, hệ số áp lực đường W đánh giả mức độ ảnh hưởng của dao động với đường[12].
a. Chỉ tiêu tải trọng động ảnh hưởng tới độ bền chi tiết.
Để khảo sát vấn đề này, tác giả sử dụng hệ số tải trọng động cực đại, được định nghĩa như sau:
Kdyn,max=1+ max( ) 1,5 , st z zdyn F F (1-3) trong đĩ:
Fz,dyn : Tải trọng động bánh xe Fz,st : Tải trọng tĩnh bánh xe
Với kích động ngẫu nhiên max (Fz,dyn) được xác định như sau:
Fz ZRMS T Fz t Fzst dt T F , 1 ( ( ) , )2 (1-4) và: kdy max = 1,64 1 , , st z RMS Z F F (1-5)
b. Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với đường
Sau những năm 1990, ơtơ ngày càng cĩ tải trọng lớn, tỷ trọng kinh tế của cầu và đường trong ngành giao thơng ngày càng được đánh giá cao. Các nhà nghiên cứu của Anh, Mỹ QII đã đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của dao động ơtơ đối với cầu và đường. Người ta thấy rằng mức độ ảnh hưởng của dao động ơtơ đến cầu và đường tỷ lệ với số mũ bậc 4 của áp lực bánh xe với đường. Họ đã đưa ra khái niệm Road stress Coefficient, tạm gọi là hệ số áp lực đường W, là hệ số cĩ thể đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động ơtơ với cầu và đường. Trong một số tài liệu cịn cĩ tên tiếng anh là Dynamic wear factor. Theo đĩ, Wilkinson [12,] đã nêu ra cơng thức xác định hệ số áp lực đường w như sau:
W=1+6 2 +44 (1-6) = st z dyn z F f , , ) max( (1-7) Khi xe cĩ i bánh xe thì áp lực tồn xe là: W= i st z i st z i F i F i w 1 , 1 , ) ( ) ( ). ( (1-8)
Trong luận văn này tác giả chọn hệ số tải trọng bánh xe DLC là hàm mục tiêu để đánh giá hiệu quả hệ thống treo thủy khí.
1.4.Mục tiêu, phạm vi và nội dung nghiên cứu của luận văn 1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu
Để phân phân tích hiệu quả hệ thống treo thủy khí xe tải hạng nặng, mơ hình tốn hệ thống treo thủy khí và mơ hình dao động tồn xe với 15 bậc tự
do được thiết lập dưới kích thích mấp mơ mặt đường quốc lộ. Hệ số tải trọng bánh xe DLC được chọn làm mục tiêu để đánh giá hiệu quả hệ thống treo thủy khí. Phần mềm Matlab/Simulink được áp dụng mơ phỏng và đánh giá hiệu quả hệ thống theo thủy khí theo hướng thân thiện mặt đường.
Trong khuơn khổ một luận văn thạc sĩ khoa học tác giả tập trung cứu một số vấn đề sau:
- Xây dựng mơ hình dao động xe tải hạng nặng 3 cầu; - Thiết lập hệ phương trình vi phân mơ tả dao động; - Mơ phỏng và phân tích hiệu quả hệ thống thủy khí.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu và đối đượng nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng mơ hình tốn hệ thống treo thủy khí và mơ hình dao động khơng gian tồn xe tải hạng nặng.
Đối tượng: Một mơ hình dao động tồn xe tải với 15 bậc tự do và hệ thống treo thủy khí được xem xét đánh giá trong luận văn này.
1.4.3. Phương pháp nghiên cứu
Lý luận và kết hợp mơ phỏng bằng phần mềm Matlab simulink 7.0 để phân tích hiệu quả của hệ thống treo thủy khí theo hướng thân thiện mặt đường.
1.4.4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung chính của luận văn như sau:
Chương 1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Chương 2. Xây dựng mơ hình và mơ phỏng dao động xe tải hạng nặng;
Chương 3. Phân tích hiệu quả hệ thống treo thủy khí.
Kết luận và những kiến nghị. 1.5. Kết luận chương
Kết quả phân tích trong chương này đã đưa được các lập luận về cơ sở lý thuyết cho vấn đề cần nghiên cứu như phân tích hệ thống treo, các chỉ tiêu đánh giá mức độ thân thiện mặt đường và phân tích mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu.
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG MƠ HÌNH DAO ĐỘNG XE TẢI HẠNG NẶNG 3 CẦU 2.1. Mơ hình tốn hệ thống treo thủy khí
Hệ thống treo thủy khí đã và đang được các nhà nghiên cứu, thiết kế hồn thiện kết cấu để ứng dụng cho các loại xe tải hạng nặng “off-road”. Trong khuơn khổ của luận văn thạc sĩ, em tiến hành xây dựng và phát triển mơ hình tốn hệ thống treo thủy khí của Citroën HydrActive strut trong tài liệu tham khảo[37]. Mơ hình dao động của hệ thống treo thủy khí được thể hiện trên hình 2.3. zb za DÇu Khi p1 p
(a)Hệ thống treo thủy khí
z za b k c mb ma
(b)Mơ hình dao động thủy khí
Hình 2.1. Mơ hình dao động của hệ thống treo thủy khí
Giải thích các ký hiệu trên hình 2.3, ma, mb lần lượt là khối lượng của cầu xe và khối lượng thân xe; za, zb là chuyển vị cầu xe và thân xe; k và c là độ cứng và hệ số cản của hệ thống treo thủy khí.
Lực theo phương thẳng đứng hệ thống treo thủy khí được xác định theo mơ hình tốn 2.3b và nhưng nguyên lý về thủy khí:
0 0
k k
b b
p V p V (2-1)
trong đĩ:
Vb: Thể tích ban đầu của bình khí Pb: Áp suất ban đầu của bình khí
V0: Thể tích của bình khí khi xe ở trạng thái cân bằng tĩnh Pb: Áp suất của bình khí khi xe ở trạng thái cân bằng tĩnh k: hằng số đoạn nhiệt của khí
Lưu lượng dịng chảy qua lỗ được xác định theo cơng thức:
QA zs( bza).sign(zbza) (2-2) Lưu lượng dịng chảy qua lỗ tiết lưu được xác định qua phương trình:
1 . . 2 . d p p Q C A g Với :
p1: Áp suất khí trong bình ở thời điểm bất kỳ p: Áp suất dầu trong xi lanh ở thời điểm bất kỳ A: Diện tích của lỗ
As: Diện tích của piston
Cd: Hệ số lưu lượng dịng chảy qua lỗ
xu: chuyển vị của khối lượng khơng được treo xd: chuyển vị của lốp xe
Kết hợp 2 phương trình (2-1) và phương trình (2-2) ta xác định áp suất dầu trong xi lanh ở thời điểm bất kỳ:
1 . . 2 . .( ). ( ) d s b a b a p p C A g A z z sign z z (2-3) 2 2 1 2 2