Nghiên cứu độ êm dịu của loại xe khách hai tầng giường HYUNDAI UNIVERSE -2F nằm chạy ở các tỉnh phía Nam

Nội dung text: Nghiên cứu độ êm dịu của loại xe khách hai tầng giường HYUNDAI UNIVERSE -2F nằm chạy ở các tỉnh phía Nam

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ĐỘ ÊM DỊU CỦA LOẠI XE KHÁCH HAI TẦNG GIƯỜNG HYUNDAI UNIVERSE - 2F NẰM CHẠY Ở CÁC TỈNH PHÍA NAM SYSTEM OPTIMAL CONTROL PHOTOVOLTAICS (1)Nguyễn Khôi Nguyên, (2)PGS.TS. Nguyễn Văn Phụng (1)Trường Đại học Công nghệ Đồng Nai, (2)Trường Đại Học SPKT TP.HCM TÓM TẮT Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu tính êm dịu của xe HYUNDAI UNIVERSE -2F. Ở đây, các mô hình vật lý và toán học áp dụng cho xe trong không gian 3 chiều (3D). Mô hình xe đầy đủ (7 DOF) được thiết lập. Quá trình phân tích và tính toán được thực hiện trong trường hợp xe đầy tải. Kết quả tính toán cho thấy mối quan hệ giữa các thông số của hệ thống treo với độ mấp mô của mặt đường ảnh hưởng đến xe. Từ đó làm cơ sở tham khảo để tiến hành đề xuất phương án thiết kế nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động của xe và đề xuất lắp các biển báo vận tốc nguy hiểm, độ mấp mô của mặt đường cho các tài xế biết khi di chuyển qua các tuyến đường này. ABSTRACT The aim of this topic is to study the smooth movement of HYUNDAI UNIVERSE -2F. in the study, the models of physic and math applied for the three-dimensional space (3D). The completed model of car (7 DOF) is set up. The process of analysis and calculation is implemented in case of full-load vehicles. The result of calculation shows the relationship between the parameters of hanging system and roughness of road surface effects the vehicles. Therefore the proposed design options in order to enhance the smooth movement of vehicles and suggest installing the signs of dangerous speed and the roughness of road surface that the drivers can recognize when driving on these roads. I. GIỚI THIỆU Để đáp ứng nhu cầu đi lại cũng như vận chuyển hàng hóa về chất lượng và số lượng, công nghệ ô tô đã không ngừng thay đổi và phát triển, cải tiến sản phẩm để liên tục cho ra những sản phẩm mới, tiện nghi hơn phù hợp với nhu cầu điều kiện kinh tế của mỗi người, với đặc điểm hàng hóa, phù hợp với đặc điểm điều kiện địa hình đường xá ở mỗi địa phương, phù hợp với tiêu chuẩn quy định ở mỗi quốc gia và vùng lãnh thổ. Chính vì vậy mà loại xe khách giường nằm hai tầng HYUNDAI UNIVERSE-2F được ra đời. Ở Việt nam loại xe này được một số công ty ô tô Trường Hải, công ty ô tô 3-2, công ty ô tô 1-5 nhập khẩu, lắp ráp và phân phối. II. TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU 1. Mô hình dao động toàn xe trong không gian 3 chiều (3D) Để thuận tiện trong việc tính toán, thiết kế , toàn xe bao gồm 3 vật thể có khối lượng riêng biệt liên kết với nhau bằng các bộ phần đàn hồi, giảm chấn, đây là các bộ phận chính yếu thuộc hệ thống treo. Vì xe khảo sát sử dụng hệ thống treo phụ thuộc trước và sau nên phần không được treo ở phía trước và sau. 1
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Hình 2.1: Mô hình tính toán dao động của xe Hyundai Universe - 2F trong không gian 3 chiều. Trong đó: m: khối lượng phần được treo mf, mr: khối lượng phần không được treo trước và sau Ix, Iy: mô men quán tính khối lượng của phần được treo quang trục Ox, Oy. a1,2; b1,2: tọa độ trọng tâm của phần được treo. ktf, ktr: độ cứng của lốp xe trước và sau. cf, cr: hệ số cản của giảm chấn trước và sau. kf, kr: độ cứng của phần tử đàn hồi trước và sau. φ, θ: góc xoay quanh trục Ox, Oy của phần được treo. y1, y2, y3, y4: hàm kích động từ mặt đường. Phương trình Lagrange áp dụngcho mô hình dao động toàn xe. d ∂K ∂K ∂D ∂V − + + = fr dt ∂q r ∂qr ∂q r ∂qr Trong đó: K – Động năng của hệ V – Thế năng của hệ D – Hàm tiêu tán Rayleigh r – x, φ, θ, x1, x3. 2
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Động năng K của hệ: 1 1 1 2 1 1 K = mx 2 + I φ 2 + I θ + m x 2 + m x 2 2 2 x 2 y 2 f 1 2 r 3 Thế năng V của hệ: 1 1 V = k x − x + b φ − a θ 2 + k x − x − b φ − a θ 2 2 f 1 1 1 2 f 1 2 1 1 1 + k x − x − b φ + a θ 2 + k x − x + b φ + a θ 2 2 r 3 1 2 2 r 3 2 2 1 1 1 1 + k x − y 2 + k x − y 2 + k x − y 2 + k x − y 2 2 tf 1 1 2 tf 1 2 2 tr 3 3 2 tr 3 4 Hàm tiêu tán D của hệ: 1 2 1 2 D = c x − x + b φ − a θ + c x − x − b φ − a θ 2 f 1 1 1 2 f 1 2 1 1 2 1 2 + c x − x − b φ + a θ + c x − x + b φ + a θ 2 r 3 2 2 2 r 3 1 2 Từ hệ phương trình vi phân tổng quát: m x + c x + k x = F Với ma trận khối lượng [m], hệ số giảm chấn [c], hệ số độ cứng [k], và ngoại lực tác dụng F, vectơ chuyển vị x. x m 0 0 0 0 0 φ 0 I 0 0 0 0 x x = θ m = 0 0 Iy 0 0 F = 0 x1 0 0 0 mf 0 y1 + y2 ktf x3 0 0 0 0 mr y3 + y4 ktr c11 c12 c13 −2cf −2cr c c c c c 21 22 23 24 25 c = c31 c32 c33 2a1cf −a2cr −2cf c42 2a1cf 2cf 0 −2cr c52 −2a2cr 0 2cr c11 = 2cf + 2cr c21 = c12 = b1cf − b2cf − b1cr + b2cr c31 = c13 = 2a2cr − 2a1cf 2 2 2 2 c22 = b1cf + b2cf + b1cr + b2cr 3
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT c32 = c23 = a1b2cf − a1b1cf − a2b1cr + a2b2cr 2 2 c33 = 2cfa1 + 2cra2 c42 = c24 = b2cf − b1cf c52 = c25 = b1cr − b2cr k k k −2k −2k 11 12 13 f r k k k k k 21 22 23 24 25 k = k31 k32 k33 2a1kf −2a2kr −2kf k42 2a1kf 2kf + 2ktf 0 −2kr k52 −2a2kr 0 2kr + 2ktr k11 = 2kf + 2kr k21 = k12 = b1kf − b2kf − b1kr + b2kr k31 = k13 = 2a2kr − 2a1kf 2 2 2 2 k22 = kr + b1kf + b2kf + b1kr + b2kr k32 = k23 = a1b2kf − a1b1kf − a2b1kr + a2b2kr k42 = k24 = b2kf − b1kf k52 = k25 = b1kr − b2kr 2 2 k33 = 2kfa1 + 2kra2 Ta có hệ phương trình vi phân dao động của xe: mx + cf 2x − 2x 1 + b1φ − b2φ − 2a1θ + cr 2x − 2x 3 − b1φ + b2φ + 2a2θ +kf 2x − 2x1 + b1φ − b2φ − 2a1θ + kr 2x − 2x3 − b1φ + b2φ + 2a2θ = 0 Ixφ + b1cf x − x 1 + b1φ − a1θ − b2cf x − x 1 − b2φ − a1θ −b1cr x − x 3 − b1φ + a2θ + b2cr x − x 3 + b2φ + a2θ +b1kf x − x1 + b1φ − a1θ − b2kf x − x1 − b2φ − a1θ −b1kr x − x3 − b1φ + a2θ + b2kr x − x3 + b2φ + a2θ = 0 Iy θ − a1cf x − x 1 + b1φ − a1θ − a1cf x − x 1 − b2φ − a1θ +a2cr x − x 3 − b1φ + a2θ + a2cr x − x 3 + b2φ + a2θ 4
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT −a1kf x − x1 + b1φ − a1θ − a1kf x − x1 − b2φ − a1θ +a2kr x − x3 − b1φ + a2θ + a2kr x − x3 + b2φ + a2θ = 0 mfx 1 − cf 2x − 2x 1 + b1φ − b2φ − 2a1θ − kf 2x − 2x1 + b1φ − b2φ − 2a1θ +ktf 2x1 − y1 − y2 = 0 mrx 3 − cr 2x − 2x 3 − b1φ + b2φ + 2a2θ − kr 2x − 2x3 − b1φ + b2φ + 2a2θ +ktr 2x3 − y3 − y4 = 0 2. Các thông số dao động của xe khách Hyundai Universe -2F. Từ các thông số cơ sở của xe ta xác định các thông số dao động của xe trên cơ sở ứng dụng lý thuyết để tính toán. - Khối lượng không được treo trước của xe: mf = 1000 kg - Khối lượng không được treo sau của xe: mr = 800 kg - Mô men quán tính của khối lượng được treo: d 2 + I = m. vbxt = 14100. 1,0252 = 14813,8 kg. m2 x 2 2 + Iy = m. ε. a1. a2 = 14100.0,55.3,818.2,332 = 69047,23 kg. m Trong đó: dvbxt : vết bánh xe trước m : khối lượng phần được treo ε : hệ số phân bố tải trọng của phần được treo - Độ cứng lốp xe: + Lốp trước: mt. g 6000.9,8 ktf = = 22,5 ≈ 905165,5 (N/m) 2. 1 − λ . r0 2 1 − 0.945 12 + 25,4. 10−3 2 + Lốp sau: ms. g 9900.9,8 ktr = = 22,5 ≈ 1493523(N/m) 2. 1 − λ . r0 2 1 − 0.945 12 + 25,4. 10−3 2 Trong đó: mt : khối lượng phân bố lên trục trước 5
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT ms : khối lượng phân bố lên cầu sau r0 : bán kính thiết kế của bánh xe. g : gia tốc trọng trường λ : hệ số biến dạng lốp. - Độ cứng của bộ phận đàn hồi (bầu hơi): (thông số từ phòng kỹ thuật Trường Hải) + Độ cứng của bộ phận đàn hồi trước: kf = 154000 (N/m) + Độ cứng của bộ phận đàn hồi sau: kr = 147010 (N/m) - Độ cản của giảm chấn: + Giảm chấn trước: cf = 8865.8 Ns/m + Giảm chấn sau: cr = 8463.4 Ns/m 3. Hàm kích động từ mặt đường khảo sát. Dạng bán bình phương hàm sin là dạng hàm kích động tiêu biểu mô tả biên dạng mặt đường có độ cao mấp mô dạng bán hình sin, được thể hiện bằng mô hình toán học: 0 t t start 2 2 v y d2 (sin ( t )) ; t start t t end (3.36) d1 0 t t start Cả hai bánh xe trước (hoặc sau) bị kích động đồng thời do tiếp xúc với bậc cao, hay các giá trị lực kích động do biên dạng mặt đường có độ lớn bậc y1, y2 gây ra, đây chính là nguyên nhân chính gây ra dao động. Giải hệ phương trình vi phân ở trên với y1 = y2, biên dạng bậc hình bán bình phương hàm sin với bước sóng mấp mô d1 = 1 (m), độ cao mấp mô d2 = 0.05 (m), và y3 = y4. Để tính toán được các thông số dao động từ hệ phương trình vi phân ở trên, tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab R2012a để tính toán các thông số dao động. 6
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT III. KẾT QUẢ 1. Mô phỏng với các tốc độ khác nhau. Với : ωks : Tần số dao động của xe khảo sát sau khi tính toán dao động. Z ks : Gia tốc dao động cực đại của xe khảo sát sau khi tính toán dao động. RMS Z ks : Giá trị bình phương trung bình của xe khảo sát sau khi tính toán dao động. A) Mô phỏng với vận tốc: v = 10 (m/s).  Chuyển vị thân xe. Hình 3.1. Đồ thị chuyển vị thân xe với vận tốc 10 (m/s). . Tần số dao động của xe : ωks = 1,25 (Hz)  Gia tốc chuyển động thẳng đứng của xe Hình 3.2. Đồ thị gia tốc chuyển động thẳng đứng của xe với vận tốc 10 (m/s). 2 . Giá trị gia tốc cực đại: Z ks = 3,11(m/s ) 2 . Giá trị trung bình của gia tốc dao động: RMS(Z ks ) = 0,292(m/s ). 7
8. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT B) Mô phỏng với vận tốc: v = 15 (m/s).  Chuyển vị thân xe. Hình 3.3. Đồ thị chuyển vị thân xe với vận tốc 15 (m/s). . Tần số dao động của xe : ωks = 1,34 (Hz)  Gia tốc chuyển động thẳng đứng của xe. Hình 3.4. Đồ thị gia tốc chuyển động thẳng đứng của xe với vận tốc 15 (m/s). 2 . Giá trị gia tốc cực đại: Z ks = 2,586(m/s ) 2 . Giá trị trung bình của gia tốc dao động: RMS(Z ks ) = 0,212(m/s ). 8
9. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT C) Mô phỏng với vận tốc: v = 20 (m/s).  Chuyển vị thân xe. Hình 3.5. Đồ thị chuyển vị thân xe với vận tốc 20 (m/s). . Tần số dao động của xe : ωks = 1,96 (Hz)  Gia tốc chuyển động thẳng đứng của xe. Hình 3.6. Đồ thị gia tốc chuyển động thẳng đứng của xe với vận tốc 20 (m/s). 2 . Giá trị gia tốc cực đại: Z ks = 1,761(m/s ) 2 . Giá trị trung bình của gia tốc dao động: RMS(Z ks ) = 0,15(m/s ). 2. Các trường hợp nguy hiểm trong dao động khi xe chuyển động.  Vận tốc tới hạn. Tỉ số tần số dao động: ω r = ωmm 9
10. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Trong đó: 휔 – Tần số dao động tự nhiên của xe ứng với độ mấp mô mặt đường. 휔 – Tần số kích động của mặt đường tác dụng lên xe. – Tỷ số tần số (hay hệ số cộng hưởng). Với: 2πV 휔 = 1 2 g ωmm = 1+(2rξ)2 d2. 2 1−r2 +(2rξ)2 Trong đó: V – Vận tốc của sóng mấp mô mặt đường (tương ứng với vận tốc xe) ξ – Tỷ số giảm chấn. g – Gia tốc trọng trường. Khi xảy ra công hưởng thì (tần số kích động của mặt đường bằng tần số dao động tự nhiên của xe) ứng với độ mấp mô mặt đường, lúc đó r = 1 Vậy vận tốc tới hạn của xe khi xe chuyển động trên mặt đường có biên dạng mấp mô khảo sát là: d g V = 1 (m/s) 2π 1+(2ξ)2 d . 2 (2ξ)2 d1 = 1m; d2 = 0,05m m V = 9,41 ≈ 34(km/h) 1 s d1 = 1m; d2 = 0,1m m V = 6,65 ≈ 24(km/h) 2 s  Độ mấp mô nguy hiểm: Để bánh xe dẫn hướng không bị nẩy khỏi mặt đường thì: đ ≤ 푃푡 → . 푍 ≤ . → 푍 ≤ Trong đó: đ – Tải trọng động tác dụng lên xe. 푃푡 –Tải trọng tĩnh của xe. 푍 – Gia tốc chuyển động thẳng đứng của xe. Áp dụng giá trị biên độ của đặc tính tần số gia tốc: Với: 1+(2.ξ.r)2 N = m. Z t = m. y. ω2. đ (1−r2)2+(2.ξ.r)2 Pt = m.g Áp dụng giá trị biên độ của đặc tính tần số gia tốc: 1 + (2. ξ. r)2 y. ω2 ≤ g (1 − r2)2 + (2. ξ. r)2 Suy ra : g y≤ 2πV 1+(2.ξ.r)2 ( )2 d1 (1−r2)2+(2.ξ.r)2 Trong đó: y : Độ cao mấp mô tới hạn của mặt đường. g : Gia tốc trọng trường. 10
11. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT c 휉 = : Tỷ số giảm chấn. 2 k.m Khi xe chuyển động với V = 20 (m/s), d1 = 10 (m), ta có: g 9,8 y ≤ = 2πV 1+(2.ξ.r)2 1+4.(0.226)2.(0.57)2 ( )2 (12,56)2 d1 (1−r2)2+(2.ξ.r)2 (1−(0.57)2)2+4.(0.226)2 Độ cao mấp mô nguy hiểm của mặt đường là: y ≤ 0,076 m = 7,6 (cm) IV) KẾT LUẬN Từ kết quả tính toán cho thấy trọng số gia tốc RMS ở các vận tốc chuyển động khác nhau (khi xe di chuyển qua những đoạn đường có biên dạng mấp mô như khảo sát) đều thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 6964 – 1:2001 nên điều đó làm cho người nằm trên xe dễ chịu hơn ít ảnh hưởng đến sức khỏe khi hành khách đã chọn xe giường nằm làm phương tiện di chuyển đi những quãng đường xa. Xác định được các thông số tới hạn như: vận tốc nguy hiểm ứng với biên dạng đường khảo sát, độ cao mấp mô tới hạn đối những đoạn đường mà xe khách HYUNDAI UNIVERSE - 2F đi qua. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Reza N.Jazar. Vehicle Dynamics Theory and Application, Springer, 2008. [2] Nguyễn Văn Phụng. Lý thuyết tính toán dao động ô tô, Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật, 1997. [3] TS Nguyễn Hoài Sơn.Dao Động Trong Kỹ Thuật.Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật, 2007 [4] GS. TSKH Nguyễn Hữu Cẩn. Lý thuyết ô tô máy kéo. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2005. [5] TS Nguyễn Hoài Sơn.Ứng Dụng Matlab Trong tính Toán Kỹ Thuật.NXB ĐHQG, 2000. [6] Ngô Kiều Nhi.Dao Động Kỹ Thuật.NXB ĐHQG, 2011. [7] GS.TSKH Nguyễn Văn Khang. Dao Động Kỹ Thuật.Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2004. [8] Nguyễn Đức Thành.Matlab Và Ứng Dụng Trong Điều Khiển.NXB ĐHQG, 2011. [9] Thông số kỹ thuật xe khách giường nằm Hyundai Universe - 2F của công ty cổ phần ô tô Trường Hải [10] Tài liệu hướng dẫn sử dụng Matlab từ internet. Thông tin tác giả chính: Họ tên: Nguyễn Khôi Nguyên Đơn vị: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: 0977041993 Email: khoinguyenauto4989@gmail.com 11
12. 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 Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.