Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động đến an toàn chuyển động của loại xe khách khi chuyển động trên đường (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động đến an toàn chuyển động của loại xe khách khi chuyển động trên đường (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THIỆN KIM NGÂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẾN AN TOÀN CHUYỂN ĐỘNG CỦA LOẠI XE KHÁCH KHI CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƯỜNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 S K C0 0 4 6 8 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THIỆN KIM NGÂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẾN AN TOÀN CHUYỂN ĐỘNG CỦA LOẠI XE KHÁCH KHI CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƢỜNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN PHỤNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 trang 1
3. QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI trang 2
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Lê Thiện Kim Ngân Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17/9/1986 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Thừa Thiên Huế Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 120/68/20 KP6, Tân Tiến, Biên Hòa, Đồng Nai Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail: II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2004 đến 6/ 2009 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu về hệ thống đánh lửa trên xe Toyota Yaris trang 3
5. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 3/2009 – Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Văn Long Giang III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm - Tổng hợp những vấn đề phát sinh và Công Ty TNHH SYM 9/2009 - 2010 các biện pháp khắc phục trong quá Việt Nam trình lắp ráp xe tại nhà máy. Công ty TNHH Quản lý máy móc thiết bị trong dây 2010 - 2012 Olympus Việt Nam chuyền sản xuất máy ảnh kỹ thuật số + Thực hiện công việc kiểm định an toàn + Thực hiện công việc nghiên cứu đề tài khoa học, hội thi sáng tạo của tỉnh. Sở Khoa học và Công 2012 - Nay nghệ tỉnh Đồng Nai + Thực hiện công tác huấn luyện an toàn lao động cho các cơ sở trang 4
6. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lê Thiện Kim Ngân trang 5
7. LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, đặc biệt là quý thầy cô khoa Cơ khí Động Lực đã giảng dạy, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học này. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Phụng, ngƣời đã hết lòng và tận tình hƣớng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin gửi lời cám ơn đến ban lãnh đạo Trung Tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học và Công Nghệ - Sở Khoa học và Công Nghệ tỉnh Đồng Nai đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập. Mặc dù luận văn đã hoàn thành nhƣng chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Học viên Lê Thiện Kim Ngân trang 6
8. TÓM TẮT Việc xác định tải trọng động tác dụng lên thân xe có ý nghĩa và vai trò vô cùng quan trọng. Đề tài đƣợc tiến hành nghiên cứu theo phƣơng pháp đang đƣợc áp dụng trên thế giới khi nghiên cứu về dao động trên ô tô là vận dụng tối đa thành tựu công nghệ thông tin để rút ngắn thời gian tính toán, tăng độ tin cậy và năng suất tính toán. Luận văn tính toán xuất phát từ việc xây dựng mô hình toán học, thiết lập các phƣơng trình vi phân mô tả chuyển động của ô tô đã đƣợc mô hình hóa, bài toán dao động ô tô sẽ đƣợc giải bằng một chƣơng trình máy tính cho kết quả nhanh chóng và chính xác. Luận văn này sử dụng phần mềm Matlab để giải bài toán dao động ô tô. Mục đích của luận văn là nghiên cứu ảnh hƣởng của tải trọng động đến an toàn chuyển động của xe, dựa vào kết quả tính toán ta có thể xác định đƣợc điều kiện để xe chạy an toàn trên đƣờng, xác định đƣợc vận tốc tới hạn và độ cao mấp mô nguy hiễm mà tại đó xe có thể bị mất lái, mất phanh hoặc mất lực kéo. SUMMARY The determination of dynamic loads acting on the vehicle body significance and crucial role. Subject is studied by the method being applied worldwide ranged from a study of car is the maximum use of information technology achievements to shorten calculation time, increased reliability and yield calculations. Thesis calculations derived from the construction of mathematical models, set the differential equations describing the motion of the cars have been modeled, automotive oscillation problem will be solved by a computer program the results quickly and accurately. This paper uses Matlab software to solve the problem ranged cars. The aim of the thesis was to study the effects of dynamic loads to safe movement of the car, based on the results of calculations can determine the conditions for safe movement of vehicles on the road, determine the velocity to trang 7
9. term and dangerous bumpy altitude at which the vehicle can lose steering, braking or loss took scissors. trang 8
10. MỤC LỤC Trang tựa 1 Quyết định giao đề tài 2 Lý lịch cá nhân 3 Lời cam đoan 4 Lời cảm ơn 6 Tóm tắt 7 Mục lục 8 Danh mục các hình 11 DANH MỤC CÁC BẢNG 14 CHƢƠNG TỔNG QUAN 15 1.1 Đặt vấn đề 15 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc: 16 1.3 Mục đích nghiên cứu 17 1.4 Đối tƣợng nghiên cứu: 17 1.5 Phạm vi nghiên cứu 18 1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài 18 1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu 18 1.8 Nội dung đề tài 19 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 2.1 Kết cấu hệ dao động ôtô 20 2.1.1 Khối lƣợng đƣợc treo 20 2.1.2 Khối lƣợng không đƣợc treo 20 2.1.3 Hệ thống treo 20 2.1.4 Lốp 21 2.2 Thông số kết cấu, tác dụng các bộ phận của hệ thống treo 21 2.2.1 Thành phần đàn hồi 21 2.2.2 Bộ phận giảm chấn 22 trang 9
11. 2.2.3 Bộ phận dẫn hƣớng 23 2.2.4 Sự đàn hồi của lốp 23 2.3 Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền đƣờng 23 2.5 Các khái niệm tƣơng đƣơng 29 2.6 Các giả thiết 29 2.7 Mô hình không gian 29 2.8 Các chế độ tải trọng tác dụng 31 2.9 Xác định moment quán tính khối lƣợng 32 2.9.1 Xác định moment quán tính khối lƣợng phần đƣợc treo Ix, Iy 32 2.9.2 Tính Ixra monen quán tính khối lƣợng của cụm 4 bánh xe sau và cầu sau . 33 2.10 Tính toán độ cứng nhíp: 34 2.11 Xác định độ cứng lốp xe kktf, tr 35 2.12 Biên dạng mặt đƣờng dạng bán bình phƣơng hàm sin 36 CHƢƠNG 3THÔNG SỐ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG 37 3.1 Kết cấu xe Hyundai County 37 3.2 Thông số kỹ thuật xe Hyundai County 37 3.3 Tính toán độ cứng nhíp 39 3.4 Xác định độ cứng lốp xe 40 3.5 Tính momen quán tính khối lƣợng phần đƣợc treo 41 3.6 Tính momen quán tính khối lƣợng I xra của cầu sau 42 3.7 Thông số tính toán xe Huyndai County 43 3.8 Tính toán ổn định 44 3.8.1 Xác định bán kính quay vòng của ô tô 44 3.8.2 Tính ổn định dọc ô tô 46 3.8.3 Tính ổn định ngang ô tô 47 3.9 Áp dụng phƣơng trình Lagrange II để tính toán tải trọng động 49 Động năng K của hệ: 49 Thế năng V của hệ: 50 Hàm tiêu tán D của hệ: 50 trang 10
12. 3.10 Phƣơng pháp xác định tải trọng động 53 3.11 Kết quả tính toán cho trƣờng hợp biên dạng mặt đƣờng dạng bán bình phƣơng hàm sin 53 Tần số tự nhiên và dạng dao động: 53 Động lực học: 60 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 65 4.1 Kết luận 65 4.2 Hƣớng phát triển đề tài . 66 trang 11
13. DANH MỤC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Bố trí chung trên ô tô Huyndai County 16 Hình 2.1 Quan hệ tần số dao động riêng n phần đƣợc treo với độ võng tĩnh ft 20 Hình 2.2 Sự biến thiên của tải trọng thẳng đứng theo thời gian 20 Hình 2.3 Sự phân bố xác xuất tải trọng thẳng đứng đặt lên bánh xe 22 Hình 2.4Mô hình không gian hệ giao động ô tô khách 28 Hình 2.5 Chế độ tải trọng uốn 29 Hình 2.6 Chế độ tải trọng xoắn 30 Hình 2.7 Khối hộp thân xe chữ nhật đồng chất 31 Hình 2.8 Mô hình giả định tính toán momen quán tính khối lƣợng cầu sau 32 Hình 2.9 Thông số kích thƣớc lò xo lá 32 Hình 2.10 Mặt cắt của lốp xe 33 Hình 2.11 Biên dạng mặt đƣờng dạng bán bình phƣơng hàm sin 34 Hình 3.1 Kết cấu xe Hyundai County 35 Hình 3.2 Thông số kích thƣớc lò xo lá 37 Hình 3.3 Mặt cắt lốp xe 38 Hình 3.4 Khối hộp thân xe đồng chất 39 Hình 3.5 Mô hình giả định tính momen quán tính khối lƣợng cầu sau 40 Hình 3.6 Sơ đồ động học quay vòng của ô tô 45 Hình 3.7 Sơ đồ tính toán ổn định dọc khi xe lên dốc 46 Hình 3.8 Sơ đồ tính toán ổn định ngang của ô tô 47 Hình 3.9 Các dạng dao động thứ : 3,7,4 55 Hình 3.10 Biên độ gia tốc x theo tần số lực kích động, 56 Hình 3.11 Gia tốc theo tần số lực kích động, 56 Hình 3.12 Biên độ gia tốc theo tần số lực kích động 57 Hình 3.13 Gia tốc x theo thời gian 58 Hình 3.14 Gia tốc theo thời gian 59 trang 12
14. Hình 3.15 Gia tốc theo thời gian 60 Hình 3.16 Xung và biên độ tải trọng động 61 trang 13
15. DANH MỤC CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1 Liệt kê một số hàm biểu diễn các profil phổ biến 27 Bảng 3.1 Thông số xe Hyundai County 37 Bảng 3.2 Thông số lò xo lá 38 Bảng 3.3 Thông số tính toán xe Huyndai County 43 Bảng 3.4 Tổng hợp tần số dao động tự nhiên và hệ tọa độ tƣơng ứng 55 trang 14
16. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Hòa cùng sự phát triển của đất nƣớc trong nền kinh tế hội nhập, kinh tế phát triển nhu cầu sử dụng ô tô để đi lại và vận chuyển hàng hóa ngày càng tăng, đây chính là lý do làm cho thị trƣờng ô tô nói chung tăng trƣởng mạnh trong những năm qua. Bên cạnh đó theo nghị định số 23/2004/NĐ-CP quy định niên hạn sử dụng của ô tô tải và ô tô chở ngƣời ngày 13/01/2004, nhằm đổi mới phƣơng tiện chuyên chở hành khách liên tỉnh và trong thành phố. Quyết định số 177/2004/QĐ-TTg về việc phê duyệt quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn đến năm 2020. Ô tô khách tại các thành phố hiện nay có nhu cầu rất lớn đặc biệt là tại các thành phố lớn. Đến nay hiện cả nƣớc có trên mƣời doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô lớn. Ngày nay thực hiện chƣơng trình nội địa hóa ngành công nghiệp ô tô thì việc chế tạo phụ kiện trong nƣớc nhƣ: săm, lốp, ắc quy, ghế ngồi, dây điện, khung vỏ, dằm cầu là cần thiết và cũng đã có một số công ty bắt tay vào sản xuất nhƣ: Toyota Việt Nam, công ty Trƣờng Hải nhằm làm tăng tỉ lệ nội địa hóa sản phẩm lên 40% năm 2009, hƣớng đến mục tiêu xuất khẩu ô tô và phụ tùng đạt 5-10% giá trị tổng sản lƣợng của ngành và nâng dần giá trị kim ngạch xuất khẩu trong giai đoạn tiếp theo. Quá trình sản xuất ô tô của nƣớc ta nhƣ vậy chắc chắn sẽ không đồng bộ trong tổng ngành, trong khi cơ sở hạ tầng của nƣớc ta có quy mô đƣờng còn nhỏ hẹp, tỉ lệ đƣờng đất còn rất lớn, tỉ lệ đƣờng nhựa, bê tông xi măng hóa chƣa cao, chất lƣợng còn kém Nhƣ hiện nay, số lƣợng xe khi lƣu thông trên đƣờng bị lật rất nhiều nhƣ trƣờng hợp xe khách của hãng Mai Linh bị lật khi lƣu thông trên đƣờng gây tổn thất nghiêm trọng về ngƣời cũng nhƣ tài sản. Đó cũng là vấn đề băn khoăn của hành khách khi lựa chọn phƣơng tiện trong điều kiện phƣơng tiện đi lại ngày một nhiều, trang 15
17. và vấn đề an toàn vẫn luôn là tiêu chí hàng đầu mà hành khách lựa chọn. Vì thế cần phải có biện pháp kiểm tra lại chất lƣợng sản phẩm sau khi lắp ráp theo đúng thực tế sử dụng trong nƣớc nhằm định hƣớng lâu dài cho nền công nghiệp nƣớc ta. Xác định tải trọng động tác dụng lên thân xe trong các điều kiện hoạt động khác nhau đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình đánh giá tính chất an toàn khi xe chuyển động trên đƣờng. Trong quá trình chuyển động của xe trên mặt đƣờng có nhiều biên dạng mặt đƣờng mấp mô khác nhau, là nguyên nhân gây ra tải trọng động trực tiếp tác dụng lên thân xe. Có nhiều nghiên cứu liên quan về tải trọng động tác dụng lên thân xe, tính toán góc xoay và chuyển vị của thân xe, tính toán tải trọng tĩnh và động tác dụng lên thân xe, xác định biên dạng mặt đƣờng và tải trọng động tác dụng lên các bánh xe. Mục tiêu của công trình nghiên cứu này nhằm xây dựng phƣơng pháp tính toán tải trọng động tác dụng lên thân xe khi chuyển động trên bề mặt mấp mô của mặt đƣờng với vận tốc và chế độ tải khác nhau. Mô hình động lực học mô phỏng toàn xe trong không gian 3 chiều đƣợc nghiên cứu sử dụng trong quá trình tính toán mô phỏng. Các thông số tính toán lấy từ xe cơ sở Huyndai County. Sử dụng phƣơng pháp Newton-Euler để xác định các thông số động lực học cho các trƣờng hợp tải trọng tác dụng khác nhau. Từ đó tải trọng động đƣợc xác định. 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc: Một số đề tài nghiên cứu liên quan: Nghiên cứu đánh giá độ êm dịu của ô tô khách 29 chỗ ngồi sản xuất tại Việt Nam [15] Phân tích và đánh giá mức độ êm dịu của ô tô khách 29 chỗ ngồi lắp ráp sản xuất trong nƣớc Đề ra những giải pháp nâng cao độ êm dịu trên các dòng xe khách nói chung đƣợc sản xuất bởi các doanh nghiệp trong nƣớc Xác định tải trọng động lên Chassi xe SYM T880 bằng phương pháp mô phỏng [2] Tính toán tải trọng động tác dụng lên thân xe khi xe chuyển động trên đƣờng trang 16
18. Mô phỏng dao động của ô tô bằng phƣơng pháp Newton Modeling and Validation of 7-DOF Ride Model for Heavy Vehicle [3] Xây dựng mô hình động lực học 7 bậc tự do, đánh giá độ êm dịu khi chuyển động của ô tô tải nặng. Mục đích nhằm cải thiện hệ thống treo để giảm tính quay vòng thừa và cải thiện tính năng lái của ô tô. Sử dụng Matlab và phần mềm SIMTRUCK để mô phỏng dao động và các góc xoay của ô tô tải nặng khi ô tô hoạt động trên đƣờng. Kết quả mô phỏng của nghiên cứu đƣợc so sánh với kết quả khi khi mô phỏng bằng phần mềm SIMTRUCK. Mô phỏng ở các tốc độ hoạt động khác nhau của ô tô, các thông số kết quả bao gồm chuyển vị của thân xe, góc xoay ngang và xoay dọc của thân xe khi di chuyển trên đƣờng. Sử dụng phƣơng pháp Newton để tính toán dao động. 1.3 Mục đích nghiên cứu Ứng dụng phƣơng pháp Lagrange trong tính toán tải trọng động lên thân xe. Trong quá trình tính toán ta xét đến các ảnh hƣởng của quán tính. Xác định tải trọng động tác dụng lên thân xe Huyndai County trong các chế độ tải khác nhau. Xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến chuyển động an toàn của xe. 1.4 Đối tƣợng nghiên cứu: Chọn xe Hyundai County trang 17
19. Hình 1.1 Bố trí chung trên ô tô Huyndai County 1.5 Phạm vi nghiên cứu Các điều kiện chuyển động thực tế khi thiết kế Xác định mô hình động lực học dao động toàn xe trong không gian 3 chiều Tính toán mô phỏng xác định giá trị tải trọng động tác dụng lên thân xe dƣới lực kích động từ mặt đƣờng khi xe chuyển động 1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài Xác định đƣợc tải trọng tác dụng lên thân xe trong các chế độ tải trọng động khác nhau Xây dựng phƣơng pháp tính toán tải trọng động lên thân xe bằng phƣơng pháp Lagrange Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở để đánh giá mức độ ảnh hƣởng của tải trọng động đến an toàn chuyển động của xe khi di chuyển trên đƣờng Xác định đƣợc vận tốc tới hạn và độ cao mấp mô làm cho xe chuyển động mất an toàn 1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu Dao động trong kỹ thuật, luận văn thạc sĩ, lý thuyết tính toán dao động ô tô, ổn định trên ô tô, thu thập tài liệu trong sách, và các bài báo khoa học nghiên cứu về dao động trang 18
20. Áp dụng phƣơng pháp Lagrange, tính toán bằng phƣơng pháp mô phỏng thông qua phần mềm Matlab Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của gia tốc dao động đến an toàn chuyển động của xe khi hoạt động trên đƣờng Phƣơng pháp thực nghiệm: Phân tích, đo kiểm thực tế ô tô Huyndai County để xác định thông số tính toán 1.8 Nội dung đề tài Chƣơng 1 : Tổng quan Chƣơng 2 : Cơ sở lý thuyết Chƣơng 3 : Thông số tính toán mô phỏng Chƣơng 4 : Kết luận và hƣớng phát triển trang 19
21. CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Kết cấu hệ dao động ôtô 2.1.1 Khối lƣợng đƣợc treo Khối lƣợng đƣợc treo m2 gồm những cụm chi tiết mà trọng lƣợng của chúng tác động lên hệ thống treo nhƣ khung, thùng xe, hành khách, hàng hóa và một số các chi tiết khác .Trong hệ dao động tƣơng đƣơng, khối lƣợng đƣợc treo đƣợc xem là một vật thể đồng nhất, cứng hoàn toàn. 2.1.2 Khối lƣợng không đƣợc treo Khối lƣợng không đƣợc treo m1 là những cụm chi tiết mà trọng lƣợng của chúng không tác động lên hệ thống treo mà chỉ tác động lên lốp và truyền xuống mặt đƣờng. Ta có thể xem phần không đƣợc treo là vật thể đồng nhất, cứng hoàn toàn có khối lƣợng m1 tập trung vào tâm bánh xe. Hệ số khối lƣợng: tỷ số giữa khối lƣợng đƣợc treo m2 và khối lƣợng không đƣợc treo m1: m2 m m1 Hệ số khối lƣợng có ảnh hƣởng lớn tới độ êm dịu chuyển động. Giảm khối lƣợng không đƣợc treo sẽ giảm đƣợc lực va đập truyền lên khung xe, còn tăng khối lƣợng đƣợc treo sẽ làm giảm đƣợc dao động khung xe. Ôtô du lịch: m = 6,5 7,5 Ôtô tải: m = 4 5 2.1.3 Hệ thống treo Hệ thống treo là bộ phận bao gồm các phần tử đàn hồi, giảm chấn, liên kết và dẫn hƣớng. Các bộ phận này nối thùng xe với các cầu và bánh xe ôtô, từng bộ phận thực hiện nhiệm vụ sau đây: trang 20
22. S K L 0 0 2 1 5 4