1.5.1.1. Nghiên cứu hệ dao động một phần tử khối lượng
Mô hình hóa dao động của một phần tử (một khối lượng) của hệ thống treo 1 bậc tự do (phương thẳng đứng). Trên cơ xở mô hình trên có thể khảo sát ảnh hưởng của các thông số đặc trưng về kết cấu như độ cứng k của lò xo, hệ số cản c của giảm chấn đến biên độ dao động cực đại, gia tốc cực đại, thời gian ổn định của hệ…Ngoài ra cũng có thể khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chuyển động thông qua việc thay đổi tần số, biên độ kích thích đầu vào.
1.5.1.2. Nghiên cứu hệ dao động hai phần tử khối lượng.
Khảo sát tính chất dao động của ô tô, với tư cách là một hệ hai khối lượng: phần khối lượng được treo gồm khối lượng khung, gầm, động cơ và người ngồi
trên xe; phần khối lượng không được treo gồm khối lượng cầu xe, bánh xe, cụm moay ơ và đĩa phanh. Trong thực tế ảnh hưởng tương tác giữa các phần tử dao động là rất phức tạp, việc xây dựng mô hình toán với vài giả thuyết nhất định sẽ rất thuận lợi cho việc nghiên cứu ảnh hưởng của đơn yếu tố hoặc đa yếu tố trong bài toán dao động xe ô tô, làm cơ xở khoa học cho chẩn đoán kỹ thuật hệ thống treo và các bánh xe.
1.5.1.3. Phương trình Lagrange loại 2
Xét hệ cơ học gồm n chất điểm có n tọa độ suy rộng với các liên kết ràng buộc là holonom phương trình Lagrange loại 2 , lập mô hình dao động trong không gian , sử dụng phương trình Lagrage loại II để thiết lập hệ phương trình vi phân dao động của xe.
1.5.1.4. Phương trình Dalambe
Theo nguyên lý Dalambe, bài toán động lực học hệ dao động sẽ đưa về bài toán tĩnh học trên cơ sở đưa lực quán tính vào cơ hệ, khi đó phương trình chuyền động sẽ được thiết lập trên cơ sở lấy tổng đại số các ngoại lực, phản lực và lực quán tính tác dụng lên hệ khảo sát. Khi đó, các phần tử của hệ dao động sẽ được tách độc lập và đặt ngoại lực cân bằng ở trạng thái tĩnh. Từ đó xây dựng các phương trình cho từng phần từ để giải hệ các phương trình đơn giản.
1.5.1.5. Khảo sát dao động của ô tô thông qua mô hình dao động liên kết
Khảo sát dao động của ô tô thông qua mô hình dao động liên kết (mô hình phẳng) nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của kích thích của đường tới chuyển động của ô tô và sự phân bố khối lượng của xe khi phanh hoặc tăng tốc.
1.5.1.6. Các chỉ tiêu và mô hình nghiên cứu dao động ô tô
Các chỉ tiêu đánh giá độ dao động
Khi ô tô chuyển động trên đường dao động xuất hiện trong toàn bộ hệ thống của xe dưới tác động kích thích của các mấp mô biên dạng đường. Dao động của ô tô ảnh hưởng đến bản thân người lái và hành khách, hàng hoá chuyên chở trên xe, độ bền, tuổi thọ của các kết cấu ô tô. Nghĩa là trong quá trình chuyển động ô tô luôn bị dao động, với thời gian kéo dài sẽ gây ra mệt mỏi với người lái và hành
khách, làm giảm hiệu suất công việc, có thể gây ra nguy cơ mắc bệnh thần kinh và não dẫn đến mất phản ứng linh hoạt và điều khiển chính xác gây ra tai nạn giao thông.
Vì vậy khi nói đến dao động của ô tô theo quan điểm của chế độ sử dụng thì độ êm dịu chuyển động của ô tô có thể hiểu là tập hợp các tính chất đảm bảo hạn chế các tác động của dao động có ảnh hưởng xấu tới con người, hàng hoá và các kết cấu của ô tô.
Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì dao động của ô tô gây ra sự thay đổi giá trị phản lực pháp tuyến giữa bề mặt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường. Nếu giá trị phản lực pháp tuyến giảm so với trường hợp tải trọng tĩnh thì sẽ làm giảm khả năng tiếp nhận các lực dọc, ngang (Lực kéo, lực phanh, lực bám ngang), dẫn đến hiện tượng tách bánh khỏi đường gây mất an toàn khi xe chuyển động, phanh và quay vòng... còn khi giá trị phản lực này tăng thì sẽ làm tăng tải trọng động tác dụng xuống nền đường và tác động ngược lại đối với các kết cấu của xe.
Từ các khái niệm trên để có thể đánh giá chất lượng xe một cách khách quan, chính xác cần phải nghiên cứu và phát triển lý thuyết dao động trong tất cả lĩnh vực liên quan. Nghiên cứu tổng quát về dao động xe đó là giải quyết mối quan hệ “Đường-Xe-Người”.
Ngõ¬i HÖ thèng phanh,l¸i. Th©n Xe HÖ thèng treo §õ¬ng Hình 1.12. Hệ thống “Đường-Xe-Người”
Quá trình nghiên cứu dao động của ô tô là quá trình xác định các thông số của hệ thống treo, tạo cơ sở cho việc thiết kế các phần tử của chúng: phần tử đàn hồi, phần tử giảm chấn và bộ phận dẫn hướng. Có như vậy mới tạo ra một hệ dao động có chất lượng tốt, các kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao khả năng thiết kế, cải tiến công nghệ ô tô, nâng cao hiệu quả sử dụng, tăng tính tiện nghi và năng suất vận chuyển của ô tô trong nền kinh tế quốc dân.
Các tính chất dao động của ô tô thường đánh giá theo 2 quan điểm:
- Quan điểm về độ êm dịu chuyển động mà thông số gia tốc dao động có tính chất quyết định vì nó tác dụng lên lái xe và hành khách.
- Quan điểm về độ an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền thì giá trị tải trọng động giữa bánh xe và nền đường là thông số mang tính chất quyết định.
Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động:
Để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, các nước có nền công nghiệp ô tô phát triển hàng đầu trên thế giới đã đưa ra các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu khác nhau. Dựa vào các công trình nghiên cứu của nước ngoài và các tài liệu của viện
khoa học kĩ thuật bảo hộ lao động Việt Nam, đưa ra một số chỉ tiêu đặc trưng cho độ êm dịu chuyển động của ô tô như sau:
- Chỉ tiêu về tần số:
Con người khi tham gia vào giao thông cũng là một hệ dao động, di chuyển là hoạt động thường xuyên của con người đã trở thành một thói quen. Khi con người di chuyển tương đương với hệ thực hiện dao động, số lần bước trong một phút thường trong khoảng 60-85 bước, tương ứng với tần số dao động khoảng 1- 1,5Hz. Vậy nên từ thói quen đó con người chịu dao động hợp lý trong khoảng tần số vừa nêu trên. Khi đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô với các điều kiện mặt đường cũng như kết cấu cụ thể thì tần số dao động của ô tô phải nằm trong giới hạn 1-1,5 Hz, thường lấy chuẩn để đánh giá dao động của ô tô như sau:
- Đối với xe du lịch n = 60-85 (dđ/ph) - Đối với xe vận tải n = 85-120 (dđ/ph). - Chỉ tiêu về gia tốc dao động.
Các thí nghiệm kéo dài trong 8 giờ liền cho thấy nhạy cảm hơn cả đối với người là dảy tần số 4-8 Hz. Trong dảy tần số này các giá trị cho phép của toàn phương gia tốc như sau [1].
Dễ chịu : 0,1 (m/s2) Gây mệt mỏi : 0,315 (m/s2) Gây ảnh hưởng tới sức khỏe : 0,63 (m/s2)
Các số liệu trên có thể xem là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, bởi vì nó dựa trên cơ sở số liệu thống kê. Mặt khác, điều quan trọng hơn là dao động ô tô truyền cho con người thực chất là tác động ngẫu nhiên với dải tần số rộng và phức tạp cả theo hướng tác dụng. Ngoài ra theo một số tài liệu tham khảo các tác giả còn đưa ra một số chỉ tiêu khác đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô như chỉ tiêu tính êm dịu chuyển động dựa vào gia tốc dao động và thời gian tác động của nó.
Theo quan điểm về an toàn chuyển động(xét theo khía cạnh về tính điều khiển) và tải trọng tác dụng xuống nền đường thì trị số lực tác dụng thẳng đứng giữa bánh xe với đường cũng là thông số quan trọng để đánh giá. Lực động Fd(t) xác định phức tạp hơn vì nó phụ thuộc vào tính chất dao động của ô tô, vận tốc chuyển động và độ mấp mô biên dạng đường.
Theo quan điểm về tải trọng tác dụng xuống nền đường thì sẽ dựa vào trị số lớn nhất của tải trọng bánh xe, nghĩa là tương ứng với giá trị dương của Fd(t) để đánh giá, nếu Fd(t) càng lớn thì sự ảnh hưởng do lực tác động tới lốp xe và các bộ phận chi tiết của xe và nền đường càng bị tác động xấu nhiều hơn. Mặt khác để giảm sự ảnh hưởng của Fd(t) thì trong trường hợp giảm tải trọng bánh xe so với giá trị tải trọng tĩnh, nghĩa là làm giảm khả năng tiếp nhận lực tiếp tuyến(nhất là khi phanh) và lực ngang(quan trọng khi quay vòng). Trong trường hợp đặc biệt bánh xe bị nảy khỏi mặt đường khi đó lực tác dụng từ đường lên bánh xe sẽ bằng 0 và ô tô sẽ mất tính điều khiển. Để đánh giá tính chất dao động của ô tô theo quan điểm về an toàn chuyển động cần xác định tỉ số giữa lực tác động Fd(t) và tải trọng tĩnh của bánh xe là RtK: k t d R F K
Khảo sát dao động của ô tô người ta quan tâm đến sự bám của lốp với mặt đường, nhằm đảm bảo dao động của ô tô thoả mãn các chỉ tiêu về độ êm dịu nhưng bánh xe vẫn phải bám đường, nếu không đạt 2 chỉ tiêu đó sẽ dẫn đến làm mất tính ổn định khi điều khiển xe, làm tăng tiêu hao nhiên liệu...
Giá trị gần đúng của lực tác dụng xuống nền đường có thể xác định như sau: )
( q K
Fd L
Trong đó: KL: độ cứng của lốp.
: chuyển dịch của bánh xe theo phương thẳng đứng. q : chiều cao mấp mô biên dạng đường.
Có thể xác định giá trị tdmax là giá trị cực đại của chuyển dịch tương đối của bánh xe với đường theo biểu thức:
) (
max Max q
td
Giá trị tdmax cũng có thể làm cơ sở đánh giá khả năng bám của lốp với đường.
- Mô hình dao động của Ô tô :
Ôtô thuộc hệ cơ học nhiều vật, dao động với dải tần số thấp không vượt quá 50Hz. Việc lập và chọn mô hình dao động phải theo 3 tiêu chí sau:
- Mục tiêu nghiên cứu (đề tài này khảo sát theo mục đích chẩn đoán) - Cấu trúc riêng của đối tượng nghiên cứu
- Khả năng tính toán và phương tiện tính toán.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật khả năng tính toán hầu như không bị hạn chế (có nhiều phần mềm rất mạnh hỗ trợ tính toán), nên chủ yếu khi chọn và lập mô hình thường căn cứ vào mục tiêu và đặc điểm kết cấu của đối tượng.
Về mục tiêu nghiên cứu có thể bao hàm các vấn đề sau:
1. Nghiên cứu tối ưu hệ treo, kể cả hệ treo tích cực. Đối với mục tiêu này thì chỉ cần khảo sát mô hình ¼ (một trong 4 bánh).
2. Nghiên cứu về dao động liên kết, thường dùng mô hình phẳng; mô hình phẳng cũng còn dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của đường.
3. Nghiên cứu sự trượt và lật dưới tác động của ngoại lực như đường mấp mô, gió bên nên thường sử dụng mô hình ½ hoặc mô hình full.
- Mô hình ¼
Mô hình ¼ bao gồm hai khối lượng được treo (thay thế cho khối lượng thân xe) và khối lượng không được treo (thay thế cho khối lượng bánh xe, cầu xe và các thành phần liên kết). Phần treo và không được treo liên kết với nhau thông qua các phần tử đàn hồi của treo và giảm chấn, có độ cứng là k, hệ số cản giảm chấn c như thể hiện trong hình 2.2
Để có thể chuyển mô hình vật lý thành mô hình động lực học hệ dao động ô tô, cần phải có một số giả thiết nhằm đơn giản cho việc tính toán nhưng vẫn đảm bảo tính đúng đắn của kết quả. Quá trình nghiên cứu trong mô hình ¼ chỉ xét dao
động của một trong bốn bánh xe, dao động của hệ là nhỏ, tuyến tính, xung quanh vị trí cân bằng tĩnh, bánh xe lăn không trượt và luôn tiếp xúc với đường...
Mô hình 1/4 có thể dùng để chọn tối ưu các thông số như độ cứng lốp, khối lượng không được treo m, độ cứng c và hệ số cản giảm chấn k theo các hàm mục tiêu vừa nêu trên. Việc này có ý nghĩa trong bài toán điều khiển, tối ưu hệ treo.
m1*g z1 q m1 c1 k1 k2 c2 z2 m2*g m2 Hình 1.13 - Mô hình 1/4
- Mô hình dao động liên kết
Mô hình động lực học này biểu thị dao động liên kết ô tô 2 cầu ở dạng mô hình phẳng, có nghĩa là ô tô được giả thiết đối xứng qua trục dọc của xe và xem độ mấp mô của biên dạng đường ở dưới bánh xe trái và phải là như nhau. Khối lượng treo được qui dẫn về trọng tâm phần treo biểu thị qua giá trị khối lượng m3 (đại diện cho khối lượng được treo là thân xe) và m1, m2
(đại diện cho khối lượng không được treo là cầu xe) với 4 bậc tự do là Z3, , Z1, Z2
. z3 q1 m1 J m3*g m2*g z'2 z2 q2 m2 k21 k22 c22 c12 k12 k11 m3 m1*g z1 z'1 lf lr
Mô hình này hiệu quả với bài toán bố trí chung, và là mô hình đơn giản khi nghiên cứu về đường và phân bổ tải khi phanh.
- Hàm kích động
Chuyển động của ô tô trên mặt đường không bằng phẳng sẽ sinh ra các dao động của khối lượng phần không được treo và khối lượng phần được treo của ô tô. Độ mấp mô của mặt đường là nguồn kích thích chính cho ô tô dao động. Khi nghiên cứu mô hình dao động của ô tô cần thiết phải mô tả toán học biên dạng của mặt đường, vì chiều cao mấp mô của biên dạng đường tại vị trí tiếp xúc của bánh xe với đường sẽ tham gia vào phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ. Hàm kích động là một yếu tố thuộc mô hình dao động, mô tả những yếu tố gây dao động, và thường được mô tả dưới dạng các hàm biên dạng sau:
- Kích thích dạng bậc với biên độ ho - Hàm sin: h = hosint - Hàm xung: 0 j k i t t f h
- Hàm dao động ngẫu nhiên: hf t mf,Rf τ
Với mf: giá trị trung bình Rf: Hàm quan hệ
: Thời gian tương quan.
Việc chọn loại kích động nào thì phụ thuộc cụ thể vào từng mục tiêu nghiên cứu. Nếu nghiên cứu về ảnh hưởng của đường thì buộc phải dùng hàm kích động ngẫu nhiên. Còn nếu tối ưu hệ treo thì dùng hàm sin và hàm xung là đủ. Trong phạm vi đề tài này chỉ khảo sát hệ dao động một phần tử khối luợng, hệ dao động hai phần tử khối lượng và hệ dao động liên kết, do đó chỉ dùng hàm sin. Ngoài mấp mô của đường là yếu tố gây dao động, còn có các yếu tố gây dao động khác mà ta có thể kể ra như sau:Gió ngang, gió dọc, góc quay vô lăng, đặc trưng qua gia tốc ngang với ngoại lực là lực quán tính li tâm khi vào cua.
Như vậy có tất cả 4 yếu tố gây ảnh hưởng đến dao động ôtô mà trong khi nghiên cứu cũng phải đề cập, hoặc là riêng về từng yếu tố một, hoặc đồng thời một
số yếu tố kết hợp. Trong phạm vi đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu kích động từ mặt đường theo hình sin.
Trong phương pháp này nhìn chung các tác giả sẽ từ cấu tạo và quá trình làm việc của ôtô với các lực kích động gây ra để xây dựng phương trình toán học cho hệ dao động sao đó sử dụng phương trình Lagrange loại 2, phương trình Dalambe, Phương pháp công di chuyển khả dĩ của hệ đa vật, Phương pháp hệ thống con để