Đánh giá độ êm dịu, ổn định của hệ thống treo khi chuyển từ cơ khí sang hệ thống treo khí

Nội dung text: Đánh giá độ êm dịu, ổn định của hệ thống treo khi chuyển từ cơ khí sang hệ thống treo khí

1. ĐÁNH GIÁ ĐỘ ÊM DỊU , ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG TREO KHI CHUYỂN TỪ CƠ KHÍ SANG HỆ THỐNG TREO KHÍ ASSESS THE LEVEL OF SMOOTH AND STABLE OF THE SUSPENSION WHEN CONVERT FROM MECHANICAL SUSPENSION TO AIR SUSPENSION KS. Trương Quốc Công1, TS. Nguyễn Văn Trạng2 (1) Công ty cổ phần Cơ khí Xây dựng Giao thông - Tracomeco congtraco@gmail.com (2) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trangnv@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Báo cáo trình bày kết quả tính toán độ êm dịu và ổn định chuyển động của xe khi chuyển đổi hệ thống treo từ treo cơ khí sang treo khí. Các dao động cơ học của ô tô trong quá trình chuyển động bao gồm: biên độ, tần số, gia tốc, các yếu tố này có thể ảnh hưởng tới sự an toàn của hàng hóa và trạng thái của con người trên ô tô. Kết quả tính toán cho thấy được những ưu điểm vượt trội của hệ thống treo khí so với hệ thống treo cơ khí nhằm mục đích đảm bảo yêu cầu về độ êm dịu trong chuyển động, tạo điều kiện nâng cao tính an toàn cho hàng hóa trên xe, đảm bảo duy trì sức khoẻ, giảm thiểu những mệt mỏi vật lý và tâm sinh lý của lái xe và hành khách. Từ khoá: Hệ thống treo cơ khí, hệ thống treo khí, tần số, êm dịu, ổn định ABSTRACT This report illustrates the result of calculation of the level of smooth and stable of the bus when converting suspension from mechanical suspension to air suspension. The mechanical vibrations of the automobile in moving process includes: amplitude, frequency, acceleration, These factors may affect the safety of goods and the human state in the bus. This result also shows the great strengths of air suspension than mechanical suspension so that the requirement of smooth level in movement is guaranteed which is a good condition to rise the safety of goods in the bus, maitain human health, reduce physical fatigue and psychological tireness of drivers and passengers. Key word: mechanical suspension, air suspension, frequency, smooth, stable. 1.Giới thiệu Trong nước và trên thế giới đã có rất nhiều đến vấn đề sử dụng hệ thống treo khí trên nghiên cứu liên quan đến việc thử nghiệm và những xe có tải trọng lớn, nó làm giảm bớt ứng dụng hệ thống treo khí nén trong việc các rung động từ mặt đường tác dụng lên và nâng cao độ êm dịu và ổn định cho xe. Tác điều chỉnh chiều cao của xe. Dựa trên những giả Hồ Xuân Trường với đề tài “ tính toán kết quả nghiên cứu đã đạt được ta mạnh dạn mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống tiến hành chuyển đổi hệ thống treo của xe treo khí “ tác giả đã đưa ra được kết luận hệ bus từ cơ khí sang khí. Với mục đích phục thống treo khí có khả năng khắc phục được vụ hành khách công cộng và người khuyết những hạn chế của hệ thống treo thông tật, đầu tiên ta tiến hành hạ sàn, sử dụng hệ thường. Một nghiên cứu của khác của thống nâng hạ cửa bằng khí nén ở cửa sau Zhengchao. Xie [Zhengchao. Xie, A Noise- phối hợp với việc sử dụng hệ thống treo Insensitive Semi-Active Air Suspension for bằng khí nén cho nên đã đưa ra được dòng Heavy-Duty Vehicles with an Integrated sản phẩm đáng tin cậy. Fuzzy - Wheelbase Preview Control, University of Macau, 2013, 12.] có đề cập 1
2. 2. Kiểm tra độ bền hệ thống treo và 2.1.2 Về độ êm dịu của xe. tính toán kiểm tra ổn định a. Tính toán dao động riêng độc lập của Dự kiến thiết kế kỹ thuật xe khách CNG 75 chỗ trên cơ sở ô tô sát xi xe khách hệ thống treo trước và sau: Huyndai New Super Aero City thỏa mãn QCVN 10 : 2011/BGTVT. Do sát xi xe Tần số dao động n: nguyên thủy là loại sàn cao, trước tiên ta tiến 300 hành hạ sàn để thành xe bán thấp, bố trí bình n (lần/phút) chứa CNG ở giữa gầm xe để đảm bảo an f toàn và tối ưu hóa sức chở, phân bố trọng lượng đạt yêu cầu. Cơ cấu nâng hạ người Trong đó: f: độ võng (cm) khuyết tật sẽ bố trí ở cửa sau để tăng tính tiếp cận. b. Tính toán tần số dao động liên kết 2.1 Về độ bền và tính êm dịu Do có sự thay đổi về các giá trị như 2.1.1 Về độ bền tọa độ trọng tâm của ô tô, giá trị của các Do hạ sàn nên phải tiến hành tính toán lại độ bền và tính ổn định của xe [1,2,4,7] khối lượng được treo, nên cần đánh giá Các thông số đầu vào: lại thông số êm dịu của ô tô thiết kế theo - Khối lượng phân bố lên trục (trước/sau) khi không tải (kg): 3900 / 7450 tần số dao động liên kết : - Khối lượng phân bố lên trục (trước/sau) 2 2 2 2 2 2 khi đầy tải (kg): 6000 / 10000 2 (1 2 ) (1 2 ) 4.1.2.1 .2 1,2 - Khối lượng cầu (trước/sau) (kg) : 2.(1 1.2 ) 390 / 650 (rad/s) (1) - Khối lượng hệ thống treo (trước/sau) (kg) : 440 / 710 Bảng kết quả tính toán tần số dao động Bảng kết quả tính toán: Khối lượng BẢNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN đặt lên hệ Treo trước Treo sau thống treo không tải Treo trước Treo sau (kg) Khi ô tô n1, n2 (lần/phút) 88,08 84,35 2770 6130 không tải Khi ô tô 1, 2 (lần/phút) 89,54 74,84 5170 8640 đầy tải Số bầu hơi 02 04 đầy tải Treo trước Treo sau n1, n2 (lần/phút) 82,26 79,75 Qua phần tính toán phân bố tải trọng lên các trục của xe khách (thành phố) 1, 2 (lần/phút) 79,01 66,07 TRACOMECO HM CNG B75, ta thấy khối lượng đặt lên các trục xe nhỏ hơn sức chở cho phép của cầu do nhà thiết kế ô tô chassi Kết luận: thông báo. Vì vậy, ta không cần phải tính toán kiểm tra độ bền của hệ thống treo. - Thoả mãn điều kiện êm dịu của xe: 2
3. [n1, n2] ≤ 150 lần/phút. 60 lần/phút ≤ [1, 2] ≤ 90 lần/phút 2.2 Tính toán kiểm tra ổn định của ô tô. 2.2.1 Ổn định dọc ô tô. Tính toán kiểm tra ổn định dọc ô tô chính là tính góc giới hạn ổn định dọc ô tô khi lên dốc và khi xuống dốc: - Khi ô tô lên dốc, giới hạn ổn định ô tô theo chiều dọc sẽ là: Hình 3: Sơ đồ tính toán ổn định ngang Góc nghiêng ngang giới hạn của đường  được xác định như sau: + Không tải: 0 = arctg (B/2.hg0 ) (6) + Đầy tải:  = arctg (B/2.hg ) (7) 2.2.3 Vận tốc giới hạn khi quay vòng với bán kính quay vòng nhỏ nhất Rmin. Bán kính quay của trọng tâm khi ô tô quay vòng với bán kính quay vòng nhỏ nhất ở chế độ không tải: Hình 1 : Sơ đồ tính toán ổn định dọc khi ô R R 2 b2 (8) tô lên dốc tt0 min 0 Bán kính quay của trọng tâm khi ô tô quay vòng với bán kính nhỏ nhất ở chế độ + Không tải: L0 = arctg(b0/hg0). (2) đầy tải. + Đầy tải: L = arctg (b/hg). (3) - Khi ô tô xuống dốc: R R 2 b 2 tt min (9) Vận tốc giới hạn khi quay vòng với bán kính quay vòng nhỏ nhất Rmin: +Khi xe không tải: B.g.R V tt0 (10) gh0 2.h g0 + Khi xe đầy tải: B.g.R V tt Hình 2: Sơ đồ tính toán ổn định khi ô tô gh 2.h xuống dốc g (11) + Không tải: X0 = arctg (a0/hg0). (4) + Đầy tải: X = arctg(a/hg). (5) 2.2.2. Ổn định ngang ô tô. 3
4. nhất trên ôtô, với góc bé, ta có mối quan Kết quả tính toán hệ hình học như sau: Z2t = Z – a.tg Z – a. Thông số Z2s = Z – b.tg Z – b. Ô tô TRACOMEC Ta chọn các tọa độ suy rộng như sau: O HM CNG TT q1 = Z ; q2 = ; q3 = Z1t ; q4 = Z1s B75 L X  (độ) (độ) (độ) 3.1 Phương trình dao động : 1 Không tải 57.35 72,88 44,00 Ma trận khối lượng : 2 Đầy tải 57,93 69,40 40,54 m2 0 0 0 0 J 0 0 Kết luận: y M = Các giá trị giới hạn về ổn định của ô tô 0 0 m 0 phù hợp với quy chuẩn QCVN 10 : 1t 2011/BGTVT và điều kiện đường xá thực tế, 0 0 0 m bảo đảm ô tô hoạt động ổn định trong các [ 1s ] điều kiện chuyển động. Ma trận giảm chấn C : C= C C C .b C .a C C 3.Tính toán êm dịu [3,6,8,9] 2t 2s 2s 2t 2t 2s C .a 2 C .b2 C2s .b C2t .a 2t 2s C2t .a C2s .b C2t C2t .a C2t 0 [ C2s C2s .b 0 C2s ] Ma trận độ cứng K : K = K2t K2s K2s .b K2t .a K2t K2s 2 2 K 2s .b K 2t .a K2t .a K2s.b K2t .a K .b 2s K K .a K K 0 2t 2t 1t 2t K K .b 0 K K Hình 5 : Sơ đồ tính toán mô hình phẳng [ 2s 2s 1s 2s ] dao động ôtô Xét sơ đồ tính toán hình trên, khối lượng 3.2 Hệ phương trình vi phân chuyển được treo m2 đặt ở trọng tâm của ô tô di động của hệ 4 bậc tự do chuyển đi lên một đoạn Z từ điểm T2 đến điểm T ’, điểm A di chuyển đến điểm A với 2 1 Dạng ma trận: M x C x Kx f (12) khoảng cách Z2t, điểm B di chuyển đến điểm B1 với khoảng cách Z2s, chuyển động dao Véctơ hàm kích động: động của ôtô được phân làm hai chuyển động 0 riêng biệt: 0 1 Chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng K .q (1 cost) đứng Z còn gọi là chuyển động nhún, f = 2 1t 0 chuyển động xoay góc gọi là chuyển động 1 2 l lắc dọc. Đây là hai loại dao động quan trọng K1sq0 1 cost [ 2 L ] 4
5. Hệ phương trình vi phân chuyển động của Giải thuật của chương trình là tạo vòng dao động ô tô trong mặt phẳng thẳng đứng lặp tính tổng khi chỉ số i chạy từ i = 0 đến hệ 4 bậc tự do, được viết như sau: hết chiều dài thời gian khảo sát. S=0; for i=1:length(time) m2 Z C2t C2s Z C2s .b C2t .a S=S+giatoc(i).^2*0.001; end C2t .Z 1t C2s Z 1s K 2t K 2s .Z S=sqrt(S/tf) 3.3.2 Tính toán tần số dao động riêng K 2s .b K 2t .a . K 2t .Z1t K 2s .Z1s 0 Tần số dao động riêng của hệ được giải ở J C .b C .a .Z trạng thái khi không có kích động từ ngoài y 2s 2t vào, lực cản giảm chấn bằng 0. Phương trình 2 2 chuyển động tổng quát có dạng: C2s .b C2t .a . C2t .a.Z 1t M.x Kx 0 hay M.x Kx (15) C2s .b.Z 1s K2s .b K2t .a .Z 2 x  .x (16) K .b2 K .a 2 . K .a.Z 2s 2t 2t 1t Với  là tần số dao động riêng của hệ. K2s .b.Z1s 0 Thay (17) vào phương trình (16), ta có quan 2 hệ sau: K –  .M = 0 m1t .Z 1t C2t .Z C2t .a. Phương trình trên được viết lại: K 2 C2t .a. C2t .Z 1t .E 0 (17); Với   M K .Z K .a. 2t 2t Phương trình này dẫn đến việc giải bài K1t K2t .Z1s toán trị riêng và vectơ riêng, sử dụng hàm 1 eig của Matlab ta viết đoạn chương trình tính K .q 1 cost 2 1t 0 toán tần số riêng như sau: % Tính tần số dao động riêng không có m Z C Z C .b. C .Z 1t 1s 2s 2s 2s 1s giảm chấn: K .Z K .b. K K .Z 2s 2s 1s 2s 1s [V,D] = eig(K,M); 1 2. .l omegad0 = sqrt(D); omegad0; K1s .q0 1 cos t 2 L { TSR = omega0/(2*pi); (13) Khi khảo sát hệ dao động có giảm chấn, không chịu lực kích động từ bên ngoài, hệ dao 3.3 Đánh giá dao động của hệ thống treo động sẽ được mô tả bởi quy luật không tuần Để đánh giá mức độ êm dịu của hệ thống hoàn, nhưng tọa độ của vật thể vẫn thay đổi treo, ta chọn hai tiêu chuẩn đánh giá quan một cách tuần hoàn. Vì thế người ta quy ước trọng nhất là tần số dao động riêng có giảm rằng hệ có tần số riêng, tiêu chuẩn tần số về độ chấn và trọng số gia tốc r.m.s theo Tiêu êm dịu trong dao động ô tô được đánh giá dựa Chuẩn Việt Nam TCVN 6964-1:2001 vào tần số riêng này. 3.3.1 Trọng số gia tốc (r.m.s) Gọi  là tần số dao động riêng của hệ d 0 1 T 2 không có giảm chấn, d1 là tần số dao động 1 2 aw aw (t)dt (14) riêng của hệ có giảm chấn. Ta có thể đưa ra T 0 một đại lượng không thứ nguyên đặc trưng 5
6. cho sự dập tắc dao động là tỷ số tắt dần: K  K 0 (18) Tần số riêng của hệ có giảm chấn được tính thông qua tần số riêng của hệ không có giảm chấn theo công thức:   1  2 d1 d 0 1 (19) Bằng phương pháp tính toán như trên ta tiến hành tính toán cho cả hai hệ thống treo Hình 7 : Biểu đồ tần số dao động riêng và cơ khí và khí trên 2 dạng profin mặt đường trọng số gia tốc với profin mặt đường dạng khác nhau ( bước nhảy , nửa hình sin) với tải nửa hình sin trọng từ không tải đến đầy tải để đánh giá Từ biểu đồ thông qua bảng số liệu ta tính êm dịu cho cả hai hệ thống. Kết quả tính thấy tần số dao động riêng của hệ thống treo toán được thể hiện qua sơ đồ sau : khí giảm đáng kể , giảm 9,17% ở chế độ không tải và 18,17% khi đầy tải. Điều này chứng tỏ rằng hệ thống treo khí êm dịu hơn so với hệ thống treo cơ khí 18.17% . Trọng số gia tốc ở chế độ tải trung bình và tốc độ thấp (15m/s) thì có tăng so với hệ thống treo cơ khí nhưng không đáng kể ( tăng cao nhất 0.31%) nhưng nó dần ổn định và giảm khi ô tô đạt tốc độ gần 20m/s. Khi ô tô đầy tải thì giá trị này giảm so với hệ thống treo cơ khí ( giảm cao nhất 1.1% ). Điều này khẳng định Hình 6 : Biểu đồ tần số dao động riêng và rằng với ô tô có hệ thống treo khí làm cho trọng số gia tốc với profin mặt đường dạng người ngồi trên đó cảm thấy dễ chịu hơn. bước nhảy Từ hai bảng số liệu so sánh trên ta thấy rõ Từ biểu đồ thông qua bảng số liệu ta thấy ràng với hệ thống treo khí thì ô tô chuyển động tần số dao động riêng của hệ thống treo khí êm dịu hơn nên giúp người ngồi trên đó cảm giảm đáng kể , giảm 9,17% ở chế độ không thấy dễ chịu hơn đặc biệt trên những loại tải và 18,17% khi đầy tải. Điều này chứng tỏ đường xấu , tải trọng đầy , tốc độ cao. rằng hệ thống treo khí êm dịu hơn so với hệ Như chúng ta đã biết đường xá ở Việt Nam thống treo cơ khí 18.17% . không được tốt lắm, xe Bus thì luôn quá tải Trọng số gia tốc ở chế độ tải trung bình ( trong giờ cao điểm, thì với ô tô Bus sử dụng khoảng 2946 kg , khoảng 45 người ) và tốc độ hệ thống treo khí nén đã đáp ứng được những thấp (15m/s) thì có tăng so với hệ thống treo nhu cầu cần thiết và ngày càng cao trong vận cơ khí nhưng không đáng kể ( tăng cao nhất chuyển hành khách công cộng. 0.78%) và vẫn còn trong giới hạn cho phép Cùng với việc hạ thấp sàn kết hợp sử dụng nhưng nó dần ổn định và giảm khi ô tô đạt tốc hệ thống treo khí nén, sử dụng thêm hệ thống độ hơn 20m/s. Khi ô tô đầy tải thì giá trị này điều khiển khí nén bằng điện từ thì việc giúp giảm, giảm tới 8,63% so với hệ thống treo cơ người khuyết tật lên xuống xe rất đơn giản. khí. Điều này khẳng định rằng với ô tô có hệ Sản phẩm với hướng chuyển đổi trên đã thống treo khí làm cho người ngồi trên đó cảm được tổng công ty công nghiệp ô tô Việt Nam thấy dễ chịu hơn. giao cho công ty Tracomeco nơi tôi làm việc 6
7. thực hiện, và sản phẩm đã được cục đăng kiểm Việt Nam cấp phép lưu hành. Kết luận : Qua tính toán và đánh giá thì phương án chuyển đổi hệ thống treo cơ khí sang hệ thống treo khí là rất khả thi vì nó đảm bảo về an toàn và đặc biệt là êm dịu hơn hẳn hệ thống treo cơ khí. Kết quả kiểm chứng là sản phẩm này đã được đưa vào lưu thông trên thị trường và được khách hàng rất ưng ý. 7
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Cẩn - Phan Đình Kiên, Thiết kế và tính toán ôtô máy kéo, Tập 2, NXB. ĐHTHCN, Hà Nội, 1984. [2] Nguyễn Hữu Cẩn - Dư Quốc Thịnh - Phạm Minh Thái - Nguyễn Văn Tài - Lê Thị Vàng, Lý thuyết ôtô máy kéo, NXB. KHKT, Hà nội, 2005. [3] Nguyễn Văn Phụng, Lý thuyết tính toán dao động ôtô, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh, 1997. [4] Nguyễn Tuấn Kiệt, Động lực học kết cấu cơ khí, NXB. Đại học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh, 2002. [5] Nguyễn Hoài Sơn - Nguyễn Thanh Việt - Bùi Xuân Lâm, Ứng dụng Matlab trong kỹ thuật, Tập 1, NXB. Đại học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh, 2001. [6] Nguyễn Hoài Sơn, Dao động trong kỹ thuật, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh, 1997. [7] Lâm Mai Long , Cơ học chuyển động ôtô, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh, 2001. [8] Hung V.Vu, Ramin S.Esfandiari, Dynamic System: modeling and analysis, pp 401 - 564. The McGraw – Hill Companes, Inc, Singapore, 1998. [9] Thomas D. Gillespie, Fundamentals of vehicle dynamics, Society of Automotive Engineers, Inc. 400 Commonwealth Drive Warrendale, PA 15096-0001. 8
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ