TỔNG QUAN
Các nguyên nhân gây ra dao động của ô tô
Nguyên nhân bên trong gây ra hiện tượng rung lắc có thể bao gồm độ lệch tâm và hình dạng không đồng đều của bánh xe, sự không cân bằng của các bánh xe, cũng như các chi tiết quay của động cơ, hệ thống truyền lực và hệ thống treo.
Trong quá trình hoạt động của ô tô, các ngoại lực như gió và mấp mô trên mặt đường ảnh hưởng đến sự ổn định của xe khi tăng tốc, phanh và quay vòng Đặc biệt, mấp mô biên dạng đường được xác định là nguyên nhân chính gây ra dao động cho ô tô.
Khái niệm dao động ô tô
Dao động trên ô tô là một hệ dao động cơ học với nhiều khối lượng liên kết chặt chẽ, tương tác với bề mặt đường phức tạp Trong lý thuyết ô tô, khối lượng được giả định tập trung, chia thành hai phần: khối lượng được treo, bao gồm thân ô tô được đỡ bởi các lò xo, và khối lượng không được treo, như cầu mang bánh xe và các chi tiết khác không được đỡ bởi lò xo Khi xe di chuyển, thân xe có thể dao động theo các trục tọa độ khác nhau.
Hình 1 Các dạng dao động của thân xe
Dao động xung quanh trục dọc OX, hay còn gọi là sự lắc ngang, là hiện tượng chuyển động lắc của ô tô quanh trục dọc khi xe đi qua ổ gà hoặc đoạn đường mấp mô Hiện tượng này có ảnh hưởng lớn đến độ êm ái và an toàn trong quá trình di chuyển của xe.
Dao động xoay xung quanh trục ngang OY, hay còn gọi là sự lắc dọc, là hiện tượng dao động lên xuống của phần trước hoặc phần sau của ô tô quanh trục ngang đi qua trọng tâm Hiện tượng này thường xảy ra khi cả hai bánh xe của ô tô cùng di chuyển qua những vết lồi hoặc vết lõm trên mặt đường.
Sự dao động lên xuống theo trục OZ thẳng đứng là hiện tượng nhún của xe khi di chuyển trên những đoạn đường không bằng phẳng Điều này dẫn đến chuyển động lên xuống của toàn bộ xe, ảnh hưởng đến trải nghiệm lái xe và sự ổn định của phương tiện.
Dao động xung quanh trục OZ, hay còn gọi là sự xoay đứng, là quá trình di chuyển xoay của thân xe sang trái hoặc phải quanh trục thẳng đứng trong khi xe đang di chuyển.
Ảnh hưởng của dao động
Dao động của ô tô có ảnh hưởng tiêu cực đến con người và hàng hóa, làm giảm khả năng làm việc và tuổi thọ của các bộ phận trên xe Khi ô tô di chuyển, cơ thể người trải qua các dao động cưỡng bức, dẫn đến cảm giác mệt mỏi và giảm năng suất lao động Tác động của dao động lên cơ thể phụ thuộc vào tần số, cường độ, thời gian và hướng của dao động Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng dao động với tần số từ 3 Hz có thể gây ra những ảnh hưởng xấu đến sức khỏe.
5 Hz gây rối loạn sự lưu thông máu làm bị choáng Dao động với tần số từ 5 đến 11
Hz gây rối loạn đường tải trọng, ảnh hưởng đến dạ dày, ruột Dao động với tần số từ
Tần số dao động từ 11 đến 45 Hz có thể gây giảm thị lực và buồn nôn, nhưng mức độ tác động này khác nhau ở mỗi người và thay đổi trong một khoảng rộng Dao động của ô tô bao gồm nhiều tần số, cho phép phân chia thành dao động của khối lượng treo ở tần số thấp và khối lượng không treo ở tần số cao.
Dao động với tần số từ 15 đến 18 Hz gây cảm giác khó chịu trong thời gian ngắn cho con người Trong khi đó, dao động từ 15 đến 1500 Hz ít được cảm nhận nhưng có thể gây hại đến sức khỏe nếu tiếp xúc lâu dài Tình trạng dao động kéo dài có thể dẫn đến tổn thương cho cơ thể, với mức độ tổn thương phụ thuộc vào biên độ dao động, sự phân bố chuyển động bên trong cơ thể, chiều chuyển động và thời gian tiếp xúc Dao động từ ô tô có thể gây ra nhiều tác hại cho sức khỏe con người.
Bệnh cột sống có thể xảy ra khi cơ thể chịu dao động trong vùng tần số từ 4 đến 12 Hz Đối với bệnh tiêu hóa, những người tiếp xúc với dao động kéo dài có nguy cơ cao gặp phải vấn đề Ngoài ra, bệnh về hệ tuần hoàn cũng liên quan đến việc chịu dao động ở tần số 20 Hz, dẫn đến tăng nhịp tim và nhịp thở, gây ra rối loạn cho cơ thể.
Dao động ở tần số khoảng 0.1 Hz hoặc thấp hơn có thể gây ra say sóng do chuyển động lắc ngang và quay vòng Mặc dù một số dao động không gây hại cho sức khỏe, nhưng chúng làm giảm khả năng nhạy bén và khả năng thu thập, xử lý thông tin, điều này đặc biệt nguy hiểm cho các tài xế lái xe đường dài Ngoài ra, khi ô tô dao động, nó sẽ tạo ra các tải trọng động tác dụng lên khung vỏ, các cụm, hệ thống và các chi tiết của xe, cũng như bề mặt đường.
Đường xấu gồ ghề có ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền và tuổi thọ của ô tô, dẫn đến nhiều hệ quả đáng kể Cụ thể, khi ô tô vận tải di chuyển trên đường kém chất lượng, vận tốc trung bình giảm khoảng 40-50% so với khi chạy trên đường bằng phẳng Thời gian chạy giữa hai kỳ sửa chữa lớn cũng giảm từ 35-40%, trong khi suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên từ 50-70% Hơn nữa, năng suất vận chuyển giảm 35-40% và giá thành vận chuyển tăng từ 50-60%.
Dao động có ảnh hưởng rõ rệt đến độ bền của chi tiết ô tô, với gia tốc dao động tạo ra tải trọng quán tính Hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra, dẫn đến hư hỏng các chi tiết và khung vỏ của xe.
Các tiêu chí đánh giá độ êm dịu của chuyển động
Ảnh hưởng tiêu cực của dao động đến người và xe đã tạo ra nhu cầu cần thiết phải có các tiêu chí đánh giá độ dao động của ô tô Trước đây, việc đánh giá dao động chủ yếu dựa vào độ êm dịu và tải trọng động, tượng trưng cho tác động đến tuổi thọ của các chi tiết Hiện nay, các tiêu chí chính để đánh giá dao động ô tô đã được mở rộng và cải tiến.
1.4.1 Tiêu chí đánh giá dành cho con người
Tiêu chí dựa trên số liệu cảm giác theo gia tốc và vận tốc dao động
Hình 2 Đồ thị đặc trưng mức êm dịu chuyển động của ô tô
Hình 3 Các đường cong cảm giác như nhau ở dao động điều hoà
Hệ số K càng nhỏ thì con người càng dễ chịu đựng dao động
K= 0.1 tương ứng với ngưỡng kích thích K= 10 ÷ 25 với xe chạy trong thời gian dài
K= 25 ÷ 63 với xe chạy trong thời gian ngắn
Trong bối cảnh hiện tại tại Việt Nam, việc đo đạc toàn bộ giá trị gia tốc theo ba phương X, Y, Z là rất khó khăn Do đó, tiêu chí công suất chỉ có giá trị tham khảo Hy vọng rằng trong tương lai, với sự phát triển của công nghệ, chúng ta sẽ có thể áp dụng tiêu chí công suất để đánh giá độ êm dịu của chuyển động.
Tiêu chí cho người lái xe và hành khách ngồi lâu trong ô tô rất quan trọng, vì thời gian dài ngồi trên xe có thể gây mệt mỏi và ảnh hưởng đến sức khỏe Các nghiên cứu cho thấy, khi tiếp xúc với dao động trong khoảng 4 ÷ 8 Hz trong suốt 8 giờ, cơ thể con người sẽ cảm nhận được sự tác động tiêu cực từ gia tốc dao động, dẫn đến cảm giác khó chịu.
Gia tốc bình phương trung bình ảnh hưởng xấu đến sức khỏe là 0.63 m/s² Để tính toán hiệu quả, đồ thị gia tốc bình phương trung bình theo thời gian dao động cần được xem xét, bao gồm khoảng chia tần số Đối với dao động điều hòa, ba giá trị quan trọng cần biết là gia tốc bình phương trung bình, tần số và thời gian tác động Trong trường hợp dao động ngẫu nhiên với các tần số khác nhau, ba giá trị này cũng là cần thiết để đánh giá tác động trong khoảng thời gian tương đương.
Hình 4 Gia tốc bình phương trung bình phụ thuộc vào thời gian
Đối với dao động ngẫu nhiên với thời gian tác động khác nhau của các thành phần tần số, sự thay đổi diễn ra rộng hơn so với các dạng dao động trước Điều này yêu cầu xác định thời gian tác dụng của các thành phần thời gian tương ứng với dải tần cụ thể, chẳng hạn như từ 4-8 Hz.
1.4.2 Tiêu chí đối với hàng hóa Đối với xe tải là phương tiện chở hàng nên ngoài độ êm dịu cho lái xe cần có độ êm dịu cần thiết cho hàng hoá Tiêu chí an toàn hàng hoá do Hiệp hội đóng gói Đức BFSV nêu ra theo bảng dưới Dựa vào đó, với nghiên cứu ảnh hưởng của dao động với đường, đề ra ngưỡng cho an toàn hàng hoá như sau: amax= 3m/s2 là giới hạn cảnh báo (Hệ thống treo của ô tô hoặc đường xá đã hỏng đến mức cần có kế hoạch sửa chữa) amax= 5m/s2 là giới hạn can thiệp (Đường đã hỏng nặng, cần sửa chữa ngay) Bảng 1 Bảng tiêu chí về an toàn hàng hóa (Theo hiệp hội đóng gói Đức BFSV)
BFSV Ảnh hưởng đến hàng hoá
Thường xuyên Không thường xuyên
Z”max m/s2 Tần số Hz Z”max m/s2 Tần số Hz
Đối với hàng hoá trên thùng xe không có kẹp giữ, dây buộc yêu cầu gia tốc ở sàn xe không vượt quá gia tốc trọng trường Giá trị bình quân của gia tốc cần duy trì trong khoảng (0.15-0.3)g để đảm bảo an toàn cho hàng hoá.
Tiêu chí về tải trọng động
Khi xe di chuyển, dao động của các khối lượng ô tô tạo ra tải trọng động lên mặt đường, đồng thời gây ra phản lực từ mặt đường lên bánh xe Tải trọng động cực đại có thể dẫn đến hư hỏng mặt đường và giảm tuổi thọ của các bộ phận xe Ngoài ra, tải trọng động cũng ảnh hưởng đến an toàn động lực học của xe.
Tiêu chí về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền đường
Theo quan điểm an toàn chuyển động, lực tác dụng thẳng đứng giữa bánh xe và đường là yếu tố quan trọng để đánh giá Lực động đường Fd(t) phức tạp hơn, phụ thuộc vào dao động của ô tô, vận tốc và độ mấp mô của đường Khi bánh xe nảy khỏi mặt đường, lực tác dụng từ đường lên bánh xe bằng 0, dẫn đến mất tính điều khiển Để đánh giá dao động của ô tô trong an toàn chuyển động, cần xác định tỉ số giữa lực động Fd(t) và tải trọng tĩnh của bánh xe.
Khảo sát dao động của ô tô tập trung vào sự bám đường của lốp, nhằm đảm bảo rằng dao động của xe đáp ứng các tiêu chí về độ êm dịu trong khi vẫn duy trì độ bám đường Nếu không đạt được cả hai tiêu chí này, xe sẽ mất tính ổn định khi điều khiển và dẫn đến tăng tiêu hao nhiên liệu.
Hình 5 minh họa các giới hạn của gia tốc thẳng đứng trong các khoảng thời gian tác dụng theo hệ trục tọa độ quy định trong ISO 2631 Để đánh giá tác động của dao động lên con người, nhiều tiêu chuẩn quốc tế và tiêu chuẩn Việt Nam đã được thiết lập.
Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa ISO đã thiết lập tiêu chuẩn vào năm 1969 để đánh giá tác động của dao động lên con người khi di chuyển trên xe Tiêu chuẩn này xem xét cảm giác của người ngồi hoặc đứng trong thời gian 8 giờ dưới tác động của dao động thẳng đứng điều hòa Đặc biệt, nó tập trung vào tần số kích động nằm trong khoảng nhạy cảm nhất với dao động của con người.
(4 - 8 Hz) thì gia tốc bình phương trung bình theo các mức là:
Hình 6 Phân bố độ êm dịu các loại xe.
Một số phương pháp nghiên cứu về dao động ô tô
Mô hình hóa hệ thống:
Biểu diễn xe ẳ bao gồm bốn yếu tố đơn giản:
- Khối lượng treo đại diện cho khung xe
- Khối lượng không được bao gồm các thiết bị như khối lượng bánh xe, phanh, caliper, v.v
- Lốp được mô phỏng như một phần tử đàn hồi
- Các bộ phận cơ bản của hệ thống treo: bộ phận đàn hồi, bộ phận dẫn hướng và bộ phận giảm chấn
Hệ thống treo ẳ là một mô hình đặc trưng thường được sử dụng để nghiên cứu chuyển vị thẳng đứng của xe Mô hình này cho phép kiểm soát và phân tích hiệu suất của hệ thống treo, giúp hiểu rõ hơn về cách mà xe hoạt động trong các điều kiện khác nhau Tham khảo tài liệu [4], mô hình xe ẳ bị động được biểu thị rõ ràng, mang lại cái nhìn sâu sắc về chức năng và cấu trúc của hệ thống treo.
Mô hình một phần tư phi tuyến giúp cân bằng các lực lượng trong hệ thống xe, từ đó cho phép viết các phương trình động học bậc hai.
Mz̈(t) = F k (t) + F d (t) − Mg mz̈(t) = −F k (t) − F d (t) + F t (t) − mg Các ký hiệu trong công thức này được tham khảo từ tài liệu [5], trong đó z, zt và zr đại diện cho vị trí thẳng đứng của khối lượng lơ lửng, vị trí thẳng đứng của khối không khối và đường tương ứng.
M và m là khối lượng được treo và khối lượng không được treo, tương ứng;
Fk, Fd là lực đàn hồi và lực cản giảm chấn tương ứng;
Ft là của phần tử đàn hồi liên kết khối lượng không được treo và mặt đất
Trong mô hình xe 1/4 giới hạn bị động của hệ thống treo được cho bởi
18 x là độ võng, dương nếu hệ thống treo bị nén và âm nếu hệ thống treo được kéo dài
L là chiều dài không tải của phần tử đàn hồi trong huyền phù sao cho Fk (t) = 0, khi x = 0
FL (t) được sử dụng để mô hình hóa các hiệu ứng chuyển tải trong quá trình lái và phanh Hệ thống treo chủ yếu liên quan đến độ mấp mô của đường, vì vậy, phân tích của chúng tôi sẽ tập trung vào khả năng của hệ thống treo trong việc xử lý mấp mô.
• Mô tả độ cứng của lốp:
F kt (t) = −k t (z t (t) − z r (t) − R t ) trong đó kt ∈R + và Rt ∈R + là độ cứng tuyến tính và chiều dài danh nghĩa (hoặc bán kính) của lò xo lốp tương ứng
• Mô tả tuyến tính của lực lò xo treo:
F k (t) = −k(z(t) − z t (t) − L) trong đó k∈R + và L∈R + là độ cứng tuyến tính và chiều dài danh định của lò xo treo tương ứng
• Mô tả tuyến tính của lực giảm chấn:
Các mô hình đơn giản này rất hữu ích cho việc tổng hợp bộ điều khiển và mô phỏng số hiệu quả Chúng không quá hạn chế cho các ứng dụng thực tiễn Dựa trên những giả định này, mô hình xe 1/4 đã được đơn giản hóa và có thể được viết lại như sau:
Phương trình mz̈(t) = −k(z(t) − z t (t) − L) − c(𝑧̇(𝑡) − 𝑧 𝑡 ̇ (t)) − mg chỉ đúng trong một miền hạn chế hơn, cụ thể là mô hình này chỉ có thể được coi là chính xác khi và chỉ khi các điều kiện nhất định được đáp ứng.
• Bỏ qua rối loạn đường cục bộ
Bánh xe phải luôn tiếp xúc với mặt đất để đảm bảo khả năng điều khiển của xe; khi bánh xe không còn liên kết với đường, xe sẽ không thể điều khiển được.
1.5.2 Điểm cân bằng của hệ thống
Từ mô hình xe 1/4 điểm cân bằng hệ thống được xác định như sau:
𝑚𝑔 + 𝑘𝐿 − 𝑘 𝑡 𝑅 𝑡 − 𝑘 𝑡 𝑧 𝑟 𝑒𝑞 ] Sau đó, bằng cách chọn z eq r = 0, điểm cân bằng có thể được viết lại là:
𝑘 𝑡 ] Điểm cân bằng này sau đó sẽ được sử dụng để xác định các điểm cố định trong dao động của hệ thống
1.5.3 Cỏc đặc tớnh mụ hỡnh xe ẳ
Hệ số hệ thống treo có những điểm bất biến, được gọi là bất biến vì chúng không thay đổi theo tần số dao động của hệ thống Những giá trị này có thể được xem như các tần số riêng của hệ thống treo.
Giải hệ phương trình vi phân cho thấy các nghiệm của phương trình, trong đó dao động không phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống Những dao động này được gọi là tần số dao động riêng của hệ thống, bao gồm 4 giá trị cụ thể liên quan đến khối lượng được treo.
{ ω 1 = 0 ω 2 = 1 mM√2√mM(Mk t + 2Mk + 2mk − α) ω 3 = √k t m ω 4 = 1 mM√2√mM(Mk t + 2Mk + 2mk + α)
Chúng ta hãy xem xét hàm truyền sau đây, trong đó s = jω là biến Laplace:
(Mm)s 4 + (cm + cM)s 3 + (Mk + mk + Mk t )s 2 + (ck t )s + k t k
Sau đó, mục tiêu là tìm kiếm η∈R + và ω∈R + sao cho,
|Mmω 4 − (cm + cM)jω 3 − (Mk + mk + Mk t )ω 2 + (ck t )jω + k t k| = η
(Mmω 4 − (Mk + mk + Mk t )ω 2 + k t k) 2 + ((ck t )ω − (cm + cM)ω 3 ) 2 = η
(ck t ω) 2 + (k t k) 2 − η((Mmω 4 − (Mk + mk + Mk t )ω 2 + k t k) 2
Sau đó, để giải quyết một phương trình như vậy trong khi đảm bảo tính độc lập tham số c, hệ thống sau đây phải được đáp ứng:
Phương trình [𝜔k t (Mmω 4 − (Mk + mk + Mk t )ω 2 + k t k)] 2 − [k t k(k t 𝜔 − (𝑚 + 𝑀)𝜔 3 )] 2 được giải để tìm nghiệm với ω≥0, dẫn đến các kết quả trong thuộc tính 2.1 Để đánh giá độ bám đường, hệ phương trình dưới đây được giải thông qua chỉ số (Fzt − zr (jω)) của mô hình xe, với ba điểm bất biến trong ω∈R + được xác định rõ ràng.
+ 16Mm 3 k 2 + 16M 3 mk 2 + 4m 2 M 2 k t 2 + 4mM 3 k t 2 + 4M 4 k t k Ở đây phương trình cần giải được là:
Việc xác định các tần số riêng của hệ thống là rất quan trọng, vì nó chứng minh rằng hệ thống dao động không phụ thuộc vào các thông số kết cấu tại tần số đó Những tần số này đóng vai trò là các điểm chuyển tiếp trạng thái trong dải tần số dao động và cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để điều khiển hệ thống hiệu quả Do đó, tác giả sẽ giới thiệu một số khảo sát nhằm đánh giá các điểm này.
1.5.4 Một số khảo sỏt và đỏnh giỏ mụ hỡnh ẳ
Nghiên cứu chỉ ra rằng giảm chấn và độ cứng lò xo có ảnh hưởng đáng kể đến dao động của hệ thống, thông qua hai chỉ tiêu chính là độ êm dịu và độ bám đường Đồng thời, nghiên cứu cũng xác định tần số riêng của mô hình hệ thống treo, cho thấy rằng hệ thống này không phụ thuộc vào các thông số kết cấu như độ cứng lò xo, độ cứng giảm chấn và độ cứng lốp.
Khảo sát hàm đáp ứng tần số của các hệ thống Fz (s), Fzdeft (s) và Fzdef (s) với các giá trị hệ thống treo C khác nhau và độ cứng k, cho thấy 7 tần số riêng của hệ thống Tại những tần số này, biên độ dao động duy trì không đổi bất chấp sự thay đổi các thông số kết cấu của hệ thống.
Hỡnh 8 Ảnh hưởng của độ cứng giảm chấn tới hệ thống treo ẳ
Tác giả đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của độ cứng lò xo trong hệ thống treo đến dao động của toàn bộ hệ thống, đồng thời chỉ ra những vị trí mà hệ thống không xảy ra dao động tại tần số riêng.
Hỡnh 9 Ảnh hưởng độ cứng của lũ xo tới dao động của hệ thống treo ẳ
1.5.5 Một số khảo sỏt và đỏnh giỏ mụ hỡnh ẵ
Nghiờn cứu tương tự trờn mụ hỡnh ẵ cũng cho ra một số kết quả
Hỡnh 10 Mụ hỡnh dao động ẵ phương trỡnh dao động mụ hỡnh ẵ :
Trong hệ thống treo của xe, các tham số quan trọng bao gồm độ cứng của lốp (kf, kr) và hệ số hệ thống treo (cf, cr) cho cả mặt trước và mặt sau Công thức tính toán cho z r là z trừ đi l r nhân với cos(∅), trong đó z và l là các biến liên quan đến hệ thống treo.
M, mtf và mtr là khung xe và khối bánh trước / sau tương ứng
Iy là quán tính lf và lr tương ứng là khoảng cách giữa trọng tâm và phía trước xe và phía sau zrf, zrr tương ứng là chuyển vị
Hỡnh 11 Ảnh hưởng của giảm chấn tới mụ hỡnh dao động ẵ
XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XE CON
Cơ sở lý thuyết chung về dao động
Dao động là quá trình mà một đại lượng vật lý thay đổi theo thời gian với ít nhất một đặc điểm lặp lại Ô tô được coi là một hệ dao động cơ học, bao gồm nhiều khối lượng liên kết chặt chẽ với mặt đường phức tạp Trong lý thuyết ô tô, khối lượng của xe thường được giả định là tập trung, chia thành hai phần: phần treo và phần không treo Dao động của phần treo rất phức tạp và có thể coi là sự kết hợp của nhiều dao động đơn giản Phần treo có khả năng thực hiện đồng thời ba dịch chuyển tịnh tiến theo các trục Ox, Oy, Oz và ba dịch chuyển góc quanh các trục này, trong đó dịch chuyển tịnh tiến theo trục Oz và dịch chuyển góc quanh trục Oy (lắc dọc) là đáng chú ý.
Ox ( lắc ngang) là có ảnh hưởng nhiều nhất đến độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động của ô tô
2.1.1 Các nguồn gây dao động
Mấp mô mặt đường là hiện tượng ngẫu nhiên, thay đổi theo quá trình di chuyển của xe, bao gồm độ cao và khoảng cách giữa các mấp mô.
Gió có độ mạnh, chiều hướng và tính chất ngẫu nhiên, thường xuyên thay đổi trong quá trình di chuyển của xe Điều này dẫn đến việc tâm tác động của gió không trùng với trọng tâm của xe, ảnh hưởng đến sự ổn định và điều khiển của phương tiện.
+ Lực quán tính do phanh xe;
+ Lực quán tính do tăng tốc;
+ Lực quán tính do xe quay vòng
Động cơ hoạt động là nguyên nhân chính gây ra sự kích động và dao động trong ô tô Mức độ ảnh hưởng của động cơ đến dao động ô tô phụ thuộc vào tình trạng làm việc của nó và tình trạng tải, do đó có tính chất ngẫu nhiên.
Chuyển động của ô tô trên mặt đường không bằng phẳng gây ra dao động cho cả phần không treo và phần treo của xe Độ mấp mô của mặt đường là yếu tố kích thích chính cho những dao động này Tuy nhiên, việc mô tả chính xác quy luật kích thích từ mấp mô mặt đường là phức tạp và tốn kém Do đó, trong nghiên cứu dao động ô tô, việc mô tả mấp mô mặt đường có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào mục tiêu nghiên cứu.
+ Dạng bước nhảy hay dạng xung: Xe đi lên một mấp mô
Với mf : giá trị trung bình
Khi nghiên cứu dao động ô tô, việc xây dựng mô hình và mô phỏng dao động là rất quan trọng Để kiểm tra mô hình, việc lựa chọn các kích động dạng xung đơn hoặc tuần hoàn giúp dễ dàng hơn và vẫn đảm bảo tính chính xác Tín hiệu đầu vào rõ ràng và tín hiệu đầu ra của mô hình có thể được đánh giá một cách hiệu quả.
Trong đồ án, biên dạng mặt đường được mô tả bằng hàm sin, với các thông số d1 là khoảng cách giữa hai đỉnh mấp mô và d2 là sai lệch độ mấp mô giữa vị trí cao nhất và thấp nhất của mặt đường, như được thể hiện trong hình 2.1.
Hình 12 Biên dạng mặt đường mô tả bằng hàm sin Hàm toán học tuần hoàn sin để mô tả được xác định như sau:
𝑑 1 𝑡 Trong đó: T: chu kỳ (s); w: tần số góc (rad/s); h0: biên độ hàm tuần hoàn mô tả mấp mô mặt đường (m); v: vận tốc của xe (m/s)
2.1.2 Ảnh hưởng của dao động ô tô
Dao động của xe có thể gây mệt mỏi và căng thẳng cho lái xe, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng phản xạ và xử lý tình huống trong quá trình lái Điều này đặc biệt quan trọng đối với sức khỏe của người lái, khi mà sự chú ý và phản ứng nhanh là cần thiết để đảm bảo an toàn trên đường.
- Đối với hàng hoá: dao động của xe có thể làm hư hỏng hng hoá như dập nát, gãy, vỡ hoặc thay đổi tính chất của hàng hoá…
Khi xe di chuyển trên đường, sự dao động của ô tô tạo ra tải trọng động kết hợp với tải trọng tĩnh của xe, dẫn đến hư hỏng cho đường và cầu cống.
Mặt đường tác động lên xe gây ra dao động và va đập, dẫn đến sự thay đổi tải trọng trên các chi tiết ô tô Điều này ảnh hưởng đến độ bền lâu của các bộ phận, làm xuất hiện các dạng hỏng mỏi.
Dao động ô tô ảnh hưởng đến khả năng truyền lực, điều khiển hướng di chuyển, và ổn định của xe Những dao động này tạo ra tải trọng động trên các bánh xe, làm thay đổi độ bám đường và gây ra gia tốc lắc, từ đó ảnh hưởng đến chuyển động tổng thể của xe.
+ Chuyển động tương đối giữa thân xe và cầu xe liên quan đến việc bố trí không gian cho hệ treo khi thiết kế ô tô
2.1.3 Các chỉ tiêu đánh giá độ dao động
Khi ô tô di chuyển trên đường, dao động xuất hiện trong toàn bộ hệ thống xe do tác động của các mấp mô trên mặt đường Những dao động này không chỉ ảnh hưởng đến người lái và hành khách mà còn đến hàng hóa được vận chuyển, cũng như độ bền và tuổi thọ của các cấu kiện ô tô Việc ô tô liên tục dao động trong thời gian dài có thể dẫn đến mệt mỏi cho người lái và hành khách, giảm hiệu suất làm việc, và tiềm ẩn nguy cơ mắc các bệnh về thần kinh và não, gây ra mất phản ứng linh hoạt và khả năng điều khiển chính xác, từ đó làm tăng nguy cơ tai nạn giao thông.
Khi xem xét dao động của ô tô từ góc độ sử dụng, độ êm dịu trong chuyển động của ô tô được hiểu là sự kết hợp của các tính chất giúp giảm thiểu tác động của dao động, nhằm bảo vệ con người, hàng hóa và các cấu trúc của xe.
Theo quan điểm an toàn chuyển động, dao động của ô tô ảnh hưởng đến giá trị phản lực pháp tuyến giữa bánh xe và mặt đường Khi phản lực pháp tuyến giảm so với tải trọng tĩnh, khả năng tiếp nhận các lực dọc, ngang như lực kéo, lực phanh và lực bám ngang sẽ giảm, dẫn đến nguy cơ tách bánh khỏi đường và mất an toàn khi xe di chuyển, phanh hoặc quay vòng Ngược lại, khi phản lực pháp tuyến tăng, tải trọng động tác dụng lên nền đường cũng gia tăng, ảnh hưởng đến các kết cấu của xe.
Để đánh giá chất lượng xe một cách khách quan và chính xác, cần nghiên cứu và phát triển lý thuyết dao động trong các lĩnh vực liên quan Nghiên cứu tổng quát về dao động xe giúp giải quyết mối quan hệ giữa "Đường-Xe-Người".
Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng
Ô tô là một hệ thống cơ học phức tạp, bao gồm nhiều bộ phận quan trọng như thân vỏ xe, trục, bánh xe, động cơ, hệ thống truyền lực, cùng với các phần tử đàn hồi và giảm chấn.
Trong nghiên cứu hệ thống treo ô tô, chúng ta phân chia khối lượng của xe thành hai loại chính: khối lượng được treo, bao gồm toàn bộ khối lượng nằm trên hệ thống treo, và khối lượng không được treo, là khối lượng nằm dưới hệ thống treo và trên bánh xe.
Số bậc tự do của mỗi khối lượng được định nghĩa là số tọa độ độc lập cần thiết để xác định vị trí của khối lượng đó trong không gian tại từng thời điểm.
Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu dao động của hệ thống treo, có thể xây dựng mô hình vật lý theo các tỷ lệ 1/4 hoặc 1/2 trong mặt phẳng dọc, ngang hoặc mô hình không gian Trong mặt phẳng dọc, dao động thẳng đứng và quay quanh trục ngang đi qua trọng tâm khối lượng ảnh hưởng đến độ êm dịu của chuyển động xe Còn trong mặt phẳng ngang, chuyển vị góc của khối lượng treo quanh trục dọc quyết định tính dẫn hướng và mức độ ổn định của xe Mô hình ô tô cần phải sát thực tế, đơn giản, thuận tiện trong tính toán, phù hợp với mục đích nghiên cứu và đảm bảo cho kết quả chính xác nhất.
Trong luận văn, tác giả áp dụng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật để xây dựng mô hình động lực học ô tô Quy trình này bao gồm các bước cơ bản nhằm thiết lập mô hình động lực học một cách hiệu quả.
- Phân tích cấu trúc ô tô và đặt các giả thiết;
- Định nghĩa hệ quy chiếu;
- Thiết lập hệ phương trình vi phân;
- Giải hệ phương trình vi phân bằng phương pháp số
Sau khi giải hệ phương trình vi phân, từ các kết quả thu được đánh giá chất lượng của ô tô
2.2.1 Phân tích cấu trúc ô tô và các giả thiết Ô tô con có khối lượng và kích thước nhỏ Ô tô được thiết kế có khối lượng phân bố đối xứng qua mặt phẳng dọc Thân xe được phân thành phần được treo trước và sau, tương ứng là các cầu xe trước và sau
Với đặc điểm cấu trúc như vậy, các giả thiết trong quá trình mô tả động lực học được sử dụng:
- Mô hình động lực học không gian;
- Mô hình ô tô con có trục đối xứng theo trục dọc của xe;
Thân xe được coi như một tấm phẳng với khối lượng ma nằm tại trọng tâm Khi phân tích dao động của xe trong chuyển động thẳng, thân xe có ba chuyển động độc lập, bao gồm chuyển động tịnh tiến theo trục thẳng đứng z và hai góc xoay: φy (góc lắc dọc quanh trục ngang y) và φx (góc lắc ngang quanh trục dọc x).
Các cầu xe, bao gồm cầu trước và cầu sau, được coi là các chất điểm với khối lượng m1, m2, m3, m4 đặt tại trọng tâm của chúng Mỗi bánh xe thực hiện chuyển động tịnh tiến theo trục thẳng đứng (ξ1, ξ2, ξ3, ξ4).
- Thân xe được nối với các bánh xe thông qua hệ thống treo (đặc trưng bởi các độ cứng Ci và hệ số giảm chấn Ki);
- Các bánh xe được liên kết với mặt đường đặc trưng bởi độ cứng CLi;
- Bỏ qua thành phần cản lốp;
- Bỏ qua tác động của gió đến chuyển động của xe;
- Bánh xe tiếp xúc điểm với mặt đường
Với các phân tích và giả thiết ở các mục trên ta xây dưng được mô hình vật lý cho xe con như các hình dưới đây:
Hình 13 Sơ đồ không gian xe con Định nghĩa các ký hiệu:
- ma : khối lượng được treo
- m1, m2 : khối lượng 2 bánh xe trước
- m3, m4 : khối lượng 2 bánh xe sau
- Jx : mô men quán tính trục x của khối lượng được treo
- Jy : mô men quán tính trục y của khối lượng được treo
- z : chuyển vị theo phương thẳng đứng của khối lượng được treo
- φx : góc lắc ngang của thân xe
- φy : góc lắc dọc của thân xe
- ξ1 : chuyển vị thẳng đứng của khối lượng không được treo trước bên phải
- ξ2 : chuyển vị thẳng đứng của khối lượng không được treo trước bên trái
- ξ3 : chuyển vị thẳng đứng của khối lượng không được treo sau bên trái
- ξ4 : chuyển vị thẳng đứng của khối lượng không được treo sau bên phải
- Ci : độ cứng của lò xo của bánh xe thứ i (i=1,2,3,4)
- Ki : hệ số cản giảm chấn của bánh xe thứ i (i=1,2,3,4)
- CLi : độ cứng hướng kính của lốp xe thứ i (i=1,2,3,4)
- l1 : khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước
- l2 : khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau
- b : khoảng cách giữa 2 bánh xe cầu trước, sau
- hi : mấp mô mặt đường tại các bánh xe thứ i (i=1,2,3,4)
2.2.3 Xây dựng mô hình toán học a) Xác định các lực đặt lên hệ
Sử dụng phương pháp Newton Euler để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của hệ Đầu tiên, cần tách cấu trúc và xác định lực tác động lên các vật trong hệ theo các sơ đồ tương ứng.
Hình 14 Sơ đồ đặt lực
Quy ước ký hiệu các lực:
- 𝐹 𝐶1 : Lực đàn hồi hệ thống treo trước bên phải
- 𝐹 𝐶2 : Lực đàn hồi hệ thống treo trước bên trái
- 𝐹 𝐶3 : Lực đàn hồi hệ thống treo sau bên trái
- 𝐹 𝐶4 : Lực đàn hồi hệ thống treo sau bên phải
- 𝐹 𝐾1 : Lực cản giảm chấn trước bên phải
- 𝐹 𝐾2 : Lực cản giảm chấn trước bên trái
- 𝐹 𝐾3 : Lực cản giảm chấn sau bên trái
- 𝐹 𝐾4 : Lực cản giảm chấn sau bên phải
- 𝐹 𝐶𝐿1 : Lực đàn hồi của lốp trước bên phải
- 𝐹 𝐶𝐿2 : Lực đàn hồi của lốp trước bên trái
- 𝐹 𝐶𝐿3 : Lực đàn hồi của lốp sau bên trái
- 𝐹 𝐶𝐿4 : Lực đàn hồi của lốp sau bên phải b) Xây dựng mô hình toán học mô tả dao động của xe
*) Khối lượng không được treo
- Phương trình cân bằng theo phương ξ1
- Phương trình cân bằng theo phương ξ2
- Phương trình cân bằng theo phương ξ3
- Phương trình cân bằng theo phương ξ4
- Phương trình cân bằng theo phương Z
- Phương trình cân bằng mô men quanh trục x qua trọng tâm xe
- Phương trình cân bằng mô men quanh trục x qua trọng tâm xe
*) Xác định các quan hệ động học
- Các lực trên bộ phận đàn hồi của hệ thống treo
- Các lực trên bộ phận giảm chấn của hệ thống treo
- Lực từ các bánh xe
*) Biến đổi các phương trình
Các phương trình (2.24), (2.25), (2.26), (2.27), (2.28), (2.29), (2.30) tạo thành một hệ phương trình mô tả dao động của xe
- Viết lại hệ phương trình dưới dạng ma trận:
- [𝑠]: Là vectơ tọa độ suy rộng của hệ:
- [𝑀]: Là ma trận khối lượng có dạng đường chéo:
- [𝐾]: Là ma trận độ cản:
- [𝐶]: Là ma trận độ cứng:
- [𝐹]: Là vectơ kích thích mặt đường:
Từ phương trình (2.31) ta viết lại dưới dạng:
𝑠̈] ta có phương trình trạng thái:
𝑠̇] : Ma trận hàm trạng thái cỡ 14x1
] : Ma trận đầu ra cỡ 21x1
- 𝑢 = [𝐹]: Ma trận đầu vào cỡ 7x1
Với I là ma trận đơn vị cỡ 7x7, O là ma trận 0 cỡ 7x7, những ma trận K, C, M tính như trên
Phương trình (2.33) là phương trình trạng thái mô tả dao động của xe
2.2.4 Ứng dụng chương trình Simulink trong phần mềm MATLAB để khảo sát dao động của xe Để giải hệ phương trình vi phân trước đây người ta thường giải bằng tay sử dụng phương pháp số gần đúng như phương pháp Runge Kutta, Euler, Cauchy, phương
Để giải một hệ phương trình vi phân, việc áp dụng 45 pháp đạo hàm liên tiếp có thể trở nên phức tạp và tốn thời gian, đặc biệt khi đối mặt với các hệ số phi tuyến Tuy nhiên, nhờ vào sự phát triển của công nghệ tin học, nhiều phần mềm đã được phát triển để đơn giản hóa quá trình này Một trong những phần mềm phổ biến trong lĩnh vực kỹ thuật là MATLAB, đặc biệt là với Toolbox Simulink, SimMechanics, và SimDriveline, giúp giải quyết hiệu quả các bài toán kỹ thuật phức tạp.
Simulink là một Toolbox mở rộng của MATLAB, cho phép lập trình hệ thống dưới dạng sơ đồ cấu trúc Để mô phỏng các hệ thống được mô tả bằng phương trình vi phân, phương trình trạng thái, hàm truyền đạt hay sơ đồ cấu trúc, người dùng cần chuyển đổi chúng thành các khối cơ bản trong Simulink Phương pháp lập trình này giúp người nghiên cứu dễ dàng hình dung và hiểu rõ hơn về hệ thống đang khảo sát.
Trong môi trường Simulink, người dùng có thể tận dụng các khả năng tính toán và phân tích dữ liệu mạnh mẽ của Matlab, cùng với các toolbox khác như xử lý tín hiệu số, logic mờ, điều khiển mờ, nhận dạng, điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu.
Sau khi xây dựng mô hình khảo sát hệ thống, bước tiếp theo là nhập các thông số đầu vào cho mô hình Có nhiều phương pháp thực hiện việc này, nhưng hai cách cơ bản nhất thường được sử dụng là
Để nhập dữ liệu vào mô hình, bạn chỉ cần kích đúp chuột vào các khối, sau đó cửa sổ Block Parameters sẽ xuất hiện cho phép bạn nhập và thay đổi thông tin theo ý muốn Phương pháp này phù hợp cho các mô hình đơn giản và khi việc khảo sát không phức tạp, không cần thiết phải tự động hóa.
- Nhập thông số đầu vào cho mô hình bằng cách soạn thảo m.file sau đó vào menu Configuration Parameters\Data Import/Export để nhập vào mô hình hoặc
46 chạy trực tiếp mfile Cách này cho phép nhập thông số đầu vào và điều khiển việc khảo sát hệ thống một cách tự động
Thông số động lực học của xe khảo sát
Việc xác định chính xác các thông số động lực học của hệ thống treo gặp nhiều khó khăn, vì vậy trong đồ án, tôi đã sử dụng các thông số của xe từ phần mềm mô phỏng Carsim Carsim là phần mềm chuyên dụng cho việc thiết kế, kiểm định và hiệu chỉnh các hệ thống trên xe, dựa trên việc so sánh với kết quả tính toán, dữ liệu thí nghiệm và thông tin công bố từ các dòng sản phẩm ô tô khác nhau.
Hình 17 Xe cơ sở lựa chọn trong phần mềm Carsim
Hình 18 Thông số của hệ thống treo xe cớ sở
Xe cở sở được chọn là dòng xe C-Class, Hatchback 2012 với các thông số của xe như sau:
Bảng 9 Các thông số của hệ thống treo được tổng hợp trong bảng đây:
STT Tên gọi Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Khối lượng được treo m 1270 kg
2 Khối lượng không được treo cầu trước m1+m2 71 kg
3 Khối lượng không được treo cầu sau m3+m4 71 kg
4 Mô men quán tính theo trục y Jy 1536.7 kg.m^2
5 Mô men quán tính theo trục x Jx 536.6 kg.m^2
6 Khoảng cách cầu trước đến tâm l1 1.015 m
7 Khoảng cách cầu sau đến tâm l2 1.895 m
8 Khoảng cách từ bánh xe trước, sau đến tâm b 0.8375 m
9 Độ cứng lò xo cầu trước C1, C2 27000 N/m
10 Độ cứng lò xo cầu sau C3,C4 30000 N/m
12 Hệ số giảm chấn cầu trước K1, K2 1000 N.s/m
13 Hệ số giảm chấn cầu sau K3,K4 1000 N.s/m
14 Hệ số giảm chấn lốp KL 0 N.s/m
Kịch bản khảo sát ảnh hưởng hệ thống treo tới dao động ô tô
- Khảo sát ảnh hưởng của độ cản giảm chấn đến dao động của xe Để khảo sát ta cho kích động ở bốn bánh xe dạng ℎ = ℎ 0 sin 𝜔𝑡 = 𝑑 2
𝑑 1 𝑡 với d1=1 m, d2=0,1 m, vận tốc xe thay đổi trong khoảng v=2-20 m/s Giữ nguyên các thông số đầu vào cho độ cản giảm chấn K thay đổi trong dải [500 750 1000 1250
1500 1750 2000 ], chạy chương trình mô phỏng, lấy ra các giá trị 𝑧̈, (ℎ 1 − 𝜉 1 ), (ℎ 2 −
𝜉 2 ), (ℎ 3 − 𝜉 3 ), (ℎ 4 − 𝜉 4 ), để đánh giá kết quả
- Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng lò xo đến dao động của xe Để khảo sát ta cho kích động ở bốn bánh xe dạng ℎ = ℎ 0 sin 𝜔𝑡 = 𝑑 2
𝑑 1 𝑡 với d1=1 m, d2=0,1 m, vận tốc xe thay đổi trong khoảng v=2-20 m/s Giữ nguyên các thông số đầu vào cho độ cứng lò xo C thay đổi trong dải C=[22500 25000 27500
30000 32500 35000 37500], chạy chương trình mô phỏng, lấy ra các giá trị 𝑧̈, (ℎ 1 − 𝜉 1 ), (ℎ 2 − 𝜉 2 ), (ℎ 3 − 𝜉 3 ), (ℎ 4 − 𝜉 4 ), để đánh giá kết quả.
