Tài liệu Nghiên cứu dao động của ô tô khách có sử dụng hệ thống treo khí nén

0 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƢƠNG MẠNH HÙNG NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH CÓ SỬ DỤNG HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT H Nội - 2017 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƢƠNG MẠNH HÙNG NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH CÓ SỬ DỤNG HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN Chuyên ngành: KỸ THUẬT Ô TÔ – MÁY KÉO Mã số : 62.52.01.16.03 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS-TS. Đ o Mạnh Hùng 2.TS.Nguyễn Tuấn Anh LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT H Nội - 2017 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các số liệu, kết quả đưa ra trong luận án là trung thực. TÁC GIẢ LUẬN ÁN i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................ iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................................. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................................... vii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................. 5 1.1. Xu hƣớng phát triển ô tô khách ở Việt Nam. .................................................... 5 1.1.1. Đặc điểm và sự phát triển mạng lưới giao thông ở Việt Nam ......................... 5 1.1.2. Hiện trạng phát triển ô tô khách ở Việt Nam. ................................................. 6 1.1.3. Tình hình sản xuất lắp ráp ô tô khách ở Việt Nam .......................................... 8 1.2. Hệ thống treo h n n. ....................................................................................... 10 1.2.1. Đặc điểm hệ thống treo khí nén ..................................................................... 10 1.2.2. Hệ thống treo khí nén trên ô tô khách ........................................................... 11 1.2.3. Các mô hình nghiên cứu động lực học hệ thống treo khí nén ....................... 12 1.3. Khái quát về các công trình nghiên cứu liên quan đến nội dung đề tài ........ 15 1.3.1. Các công trình nghiên cứu trên thế giới có liên quan đến tài ....................... 18 1.3.2. Các công trình nghiên cứu dao động ô tô trong nước. ................................. 20 1.4. Vấn đề còn tồn tại v hƣớng nghiên cứu. ........................................................ 23 1.5. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án .................................................................... 24 KẾT LUẬN CHƢƠNG I .......................................................................................... 24 Chƣơng II. THIẾT LẬP MÔ HÌNH DAO ĐỘNG Ô TÔ KHÁCH SỬ DỤNG HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN ............................................................................................ 26 2.1. Mô hình động lực học của lò xo h n n .......................................................... 26 2.1.1. Cơ sở lý thuyết nhiệt động học ...................................................................... 26 2.1.2. Các thông số đặc trưng của l o h n n ..................................................... 28 2.1.3. Mô hình toán học của lò xo khí nén ............................................................... 29 2.2. Đ c t nh đ n hồi lò xo h n n. ......................................................................... 33 2.2.1. Đặc t nh đ n hồi t nh. .................................................................................... 33 2.2.2. Đặc t nh động lực học lò xo khí nén. ............................................................. 35 2.3. Mô hình dao động ô tô h ch với hệ thống treo khí nén. ............................... 38 2.3.1 C c giả thiết hi dựng ô h nh ............................................................... 38 2.3.2. Mô h nh dao động 1/4 ô tô với hệ thống treo khí nén.................................... 39 ii 2.3.3. Mô h nh dao động ô tô trong không gian với hệ thống treo khí nén ............. 42 2.4. C c ch tiêu đ nh gi dao động ô tô .................................................................. 54 2.4.1. Chỉ tiêu đ nh gi độ êm dịu chuyển động ..................................................... 54 2.4.2. Chỉ tiêu đ nh gi an to n chu ển động ......................................................... 55 KẾT LUẬN CHƢƠNG II......................................................................................... 60 Chƣơng III. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH SỬ DỤNG HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN ....................................... 61 3.1. Mô phỏng mô hình nghiên cứu dao động ô tô trong Matlab Simulink ......... 61 3.2. Ô tô khách UNIVERSE. .................................................................................... 66 3.3. Khảo s t dao động riêng của ô tô..................................................................... 68 3.3.1. Tần số dao động riêng của ô tô theo phương thẳng đứng............................. 68 3.3.2. Tần số dao động riêng lắc ngang .................................................................. 69 3.4. Khảo s t dao động của ô tô trong miền thời gian. .......................................... 69 3.4.1. Ảnh hưởng của mấp mô mặt đường. .............................................................. 69 3.4.2. Ảnh hưởng của p suất trong l o h n n ................................................... 74 3.4.3. Ảnh hưởng của thể tích bình khí phụ ............................................................. 77 3.5. Khảo s t dao động của ô tô trong miền tần số ................................................ 81 3.5.1. Ảnh hưởng của áp suất trong l o h n n đến êm dịu chuyển động. .......... 82 3.5.2. Ảnh hưởng của thể tích bình khí phụ đến êm dịu chuyển động ..................... 85 3.5.3. Ảnh hưởng của thể tích bình khí phụ đến tính ổn định chuyển động ............ 86 KẾT LUẬN CHƢƠNG III ....................................................................................... 88 Chƣơng IV: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .......................................................... 89 4.1. Mục đ ch của nghiên cứu thực nghiệm ............................................................ 89 4.2. Thí nghiệm x c định độ cứng tĩnh lò xo h n n ............................................. 89 4.2.1. Điều kiện khi thực hiện thí nghiệm ................................................................ 89 4.2.2. Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm .................................................................. 90 4.2.3. Phương ph p thực hiện thí nghiệm................................................................ 91 4.2.4. Kết quả thí nghiệm ......................................................................................... 92 4.3. Thí nghiệm x c định độ cứng động lực học lò xo khí nén ............................. 94 4.3.1. Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm .................................................................. 94 4.3.2. Phương ph p thực hiện thí nghiệm................................................................ 94 4.3.3. Kết quả thí nghiệm ......................................................................................... 97 4.4. Sử dụng kết quả thí nghiệm để chuẩn hóa mô hình lý thuyết ..................... 100 4.4.1. Sử dụng kết quả lý thuyết để chuẩn hóa đường đặc t nh t nh l o h n n 101 4.4.2. Sử dụng kết quả thí nghiệ để chuẩn hóa ô h nh dao động trong không gian ô tô khách ....................................................................................................... 102 iii 4.5. Thí nghiệm x c định tần số dao động riêng của ô tô h ch theo phƣơng thẳng đứng. .............................................................................................................. 103 4.5.1. Mục đ ch th nghiệm .................................................................................... 103 4.5.2. Giới thiệu thiết bị thí nghiệm ....................................................................... 104 4.5.3. Phương ph p thực hiện thí nghiệm............................................................. 107 4.5.4. Kết quả thí nghiệm ....................................................................................... 110 KẾT LUẬN CHƢƠNG IV .......................................................................................... 111 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................. 112 MỘT SỐ KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT ....................................................................... 115 HƢỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN .......................................... 115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................. 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 117 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 1 PL1. THÍ NGHIỆM ĐO ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC HỌC LÒ XO KHÍ NÉN ........ 1 PL2.THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH TĨNH LÒ XO KHÍ NÉN .............. 12 PL3. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM ............................................................ 22 PL5. THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA XE THÍ NGHIỆM ..................................... 27 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Ký hiệu 1 ms 2 mu ks1 , ks2 3 cs1 , cs2 4 ku1 5 ku2 6 cu1 7 cu2 8 9 a,b 10 zs 11 zsA, zsB 12 13 14 15 16 zu zd L B hg 17 18 Jy 19 Ju 20 ke , kv 21 l f , lr 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 ax , a y 36 Fas 37 Ma Jx g hr hp p qi V Vb ,Vr n Ae As F Fui Fau Ý nghĩa ý hiệu Khối lượng được treo Khối lượng không được treo Độ cứng của hệ thống treo trước và sau Hệ số cản của hệ thống treo trước và sau Độ cứng của lốp trước Độ cứng của lốp sau Hệ số cản của lốp trước Hệ số cản của lốp sau Khoảng cách t tr ng tâm tới tr c trước, tr c sau. Dịch chuyển của khung xe Dịch chuyển thẳng đứng của thân xe và cầu xe tại vị trí liên kết với thanh ổn định tại các điểm A và B Dịch chuyển của cầu xe Dịch chuyển của người lái Chiều dài cơ sở Chiều rộng vết bánh xe Chiều cao tr ng tâm ô tô Mô men quán tính khối lượng được treo quanh tr c Ox Mô men quán tính khối lượng được treo quanh tr c Oy Mô men quán tính khối lượng không được treo quanh tr c Ox Đặc trưng cho độ cứng của lò xo khí nén Khoảng cách t tr ng tâm ô tô đến tr c trước, tr c sau theo phương nằm ngang Gia tốc d c, gia tốc ngang Gia tốc tr ng trường Khoảng cách t tr c lắc ngang đến tr ng tâm ô tô Khoảng cách t tr c lắc d c đến tr ng tâm ô tô Áp suất bên trong lò xo khí nén Biên độ mấp mô mặt đường Thể tích bình chứa khí nén Thể tích lò xo khí nén và của bình khí ph Chỉ số nén đa biến Diện tích tác d ng của lò xo khí nén Tiết diện đường ống dẫn khí nén Lực tác d ng lên lò xo khí nén Lực liên kết giữa bánh xe với mặt đường Phản lực chống lắc tác d ng lên cầu xe Lực tác d ng lên thân xe tại vị trí thanh liên kết với thanh ổn định ngang Mô men ổn định do thanh chống lắc sinh ra Đơn vị kg kg N/m Ns/m N/m N/m Ns/m Ns/m m m m m m m m m kg.m2 kg.m2 kg.m2 N/m m m/s2 m/s2 m m Pa m m3 m3 m2 m2 N N N N N.m v 38 39 40 41 42 Maf Mar Kd Kt β 43 ξ 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57  fn ls v O I fs fu u x y ys yu z 58 zs 59 zsA 60 61 zsd zu 62 zuB 63 zuS 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 wS qs qu A, B D, E C Cs, Css Cuu Cβ Guw ,Gsw Gfs,Gvs Gs GsA Gu GuB Mô men ổn định do thanh chống lắc sinh ra cầu trước N.m Mô men ổn định do thanh chống lắc sinh ra cầu sau N.m Độ cứng động lực h c của lò xo khí nén N/m Độ cứng tĩnh của lò xo khí nén N/m Hệ số phi tuyến của lò xo khí nén Hệ số kể đến tổn thất n ng lượng tổng cộng của dòng khí chảy trong đường ống Khối lượng riêng của khí nén (1.293) kg/m3 Tần số dao động riêng Hz Chiều dài đường ống nối với bình khí ph m Vận tốc chuyển động của ô tô m/s Véc tơ không, ma trận số không Ma trận đơn vị Véc tơ lực liên kết của hệ thống treo khí nén ở các bánh xe Véc tơ lực liên kết giữa các bánh xe với mặt đường Véc tơ các kích thích Véc tơ trạng thái Véc tơ các thông số ra (thông số đánh giá) Véc tơ t a độ suy rộng của khối lượng được treo Véc tơ t a độ suy rộng của khối lượng không được treo Véc tơ các t a độ suy rộng Véc tơ dịch chuyển của của thân xe tại vị trí lắp hệ thống treo Véc tơ dịch chuyển của thân xe tại vị trí liên kết với thanh ổn định tại điểm A Véc tơ dịch chuyển của vị trí người lái. Véc tơ dịch chuyển của cầu xe tại vị trí bánh xe Véc tơ dịch chuyển của cầu xe tại vị trí liên kết với thanh ổn định tại điểm B Véc tơ dịch chuyển của cầu xe tại vị trí đặt hệ thống treo ở bánh xe thứ i Véc tơ chuyển vị của khối lượng khí nén Véc tơ các lực suy rộng tác d ng lên thân xe Véc tơ kích thích mặt đường Các ma trận trạng thái Các ma trận thông số đánh giá Ma trận hệ số cản Ma trận hệ số cản của giảm chấn hệ thống treo Ma trận hệ số cản của lốp xe Ma trận hệ số cản của lò xo khí nén Ma trận kích thước hình h c Ma trận kích thước hình h c của ô tô Ma trận kích thước hình h c xác định dịch chuyển thân xe Ma trận kích thước xác định dịch chuyển thân xe tại điểm A Ma trận kích thước hình h c xác định dịch chuyển cầu xe Ma trận kích thước hình h c xác định dịch chuyển cầu xe tại vi 79 GuS 80 81 82 83 84 85 86 87 88 gd K, KSS Ke,Kv, Kw Ku, Kuu M Ms Mu Mw Q điểm B Ma trận kích thước hình h c xác định dịch chuyển của cầu xe tại vị trí đặt hệ thống treo ở bánh xe thứ i Ma trận kích thước xác định vị trí người lái Ma trận độ cứng hệ thống treo Ma trận độ cứng hệ thống treo khí nén Ma trận độ cứng của bánh xe Ma trận khối lượng Ma trận khối lượng được treo Ma trận khối lượng không được treo Ma trận khối lượng khối khí nén Ma trận kích thích DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu 1 eVDV 2 ISO 3 LTR 4 NHTSA 5 RMS 6 PSD 7 SSF Giải th ch Estimate Vibration Dose Giá trị gia tốc tới hạn Value International Organization Tổ chức Quốc tế về Tiêu for Standardization chuẩn hóa Hệ số phân bố tải tr ng Lateral load Transfer Ratio ngang National Highway Traffic Cơ quan quản trị an toàn lưu Safety Administration thông Đường bộ quốc gia Giá trị bình phương trung Root Mean Square bình của gia tốc Power Spectral Desity Mật độ phổ công suất Static Stability Factor Hệ số ổn định tĩnh DANH MỤC CÁC BẢNG CHƢƠNG I Bảng 1.1. Hệ thống giao thông đường bộ Việt Nam ........................................................... 5 CHƢƠNG III Bảng 3.1: T a độ của các điểm đặt lực ............................................................................. 45 Bảng 3.2: Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô dùng treo nhíp và treo khí nén ................ 71 Bảng 3.3: Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô dùng treo nhíp và treo khí nén ................ 73 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của áp suất trong lò xo khí nén đến dao động ô tô. ...................... 74 Bảng 3.5: Ảnh hưởng của áp suất trong lò xo khí nén đến dao động ô tô. ....................... 77 Bảng 3.6: Chỉ tiêu đánh giá dao động về an toàn và êm dịu chuyển động của ô tô. ........ 79 Bảng 3.7: Chỉ tiêu đánh giá dao động về an toàn và êm dịu chuyển động của ô tô. ........ 81 CHƢƠNG IV vii Bảng 4.1. Tần số dao động riêng của ô tô theo phương thẳng đứng ............................... 110 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƢƠNG I Hình 1.1. Khung gầm sắt xi ô tô cơ sở. ............................................................................... 9 Hình 1.2. Hàn khung xương vỏ ô tô khách ....................................................................... 10 Hình 1.3. Ô tô khách được sản xuất lắp ráp tại Việt Nam................................................. 10 Hình 1.4. Hệ thống treo khí nén ô tô khách ...................................................................... 11 Hình 1.5. Hệ thống treo khí nén ô tô tải ............................................................................ 12 Hình 1.6. Mô hình lò xo khí nén đơn giản [29] ................................................................. 12 Hình 1.7. Mô hình NISHIMURA [29] .............................................................................. 13 Hình 1.8. Mô hình VAMPIRE [66] ................................................................................... 13 Hình 1.9. Mô hình SIMPAC [64] ...................................................................................... 14 Hình 1.10. Mô hình lò xo khí nén GENSYS theo phương d c [26] ................................. 14 CHƢƠNG II Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống treo khí nén ............................................................................... 26 Hình 2.2. Mô hình vật lý lò xo khí nén [29],[56] .............................................................. 29 Hình 2.3. Mô hình toán h c lò xo khí nén GENSYS [26] ................................................ 32 Hình 2.4. Đặc tính tĩnh lò xo khí nén ................................................................................ 34 Hình 2.5. Độ cứng tĩnh lò xo khí nén ................................................................................ 34 Hình 2.6. Đặc tính động lực h c lò xo khí nén.................................................................. 36 Hình 2.7. Ảnh hưởng của p0 đến đặc tính động lực h c lò xo khí nén.............................. 37 Hình 2.8. Ảnh hưởng của Vr0 đến đặc tính động lực h c lò xo khí nén. ........................... 38 Hình 2.9. Mô hình 1/4 ô tô với hệ thống treo khí nén ....................................................... 40 Hình 2.10. Các lực tác d ng lên khối lượng được treo ..................................................... 40 Hình 2.11. Các lực tác d ng lên khối lượng không được treo .......................................... 41 Hình 2.12: Mô hình dao động của ô tô khách trong không gian ....................................... 43 Hình 2.13. Sơ đồ xác định lực và mô men ổn định. .......................................................... 49 CHƢƠNG III Hình 3.1. Sơ đồ mô phỏng dao động trong không gian ô tô khách với hệ thống treo khí nén ..................................................................................................................................... 62 Hình 3.2. Sơ đồ mô phỏng dao động trong không gian ô tô khách với hệ thống treo nhíp ........................................................................................................................................... 62 Hình 3.3. Sơ đồ mô phỏng kích thích mặt đường ............................................................. 63 Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng kích thích mặt đường ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO [69] .. 63 Hình 3.5. Sơ đồ mô phỏng dao động thân xe sử d ng hệ thống treo khí nén trong không gian .................................................................................................................................... 64 Hình 3.6. Sơ đồ mô phỏng động lực h c hệ thống treo khí nén ........................................ 64 Hình 3.7. Sơ đồ mô phỏng các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô khách sử d ng hệ thống treo nhíp ............................................................................................................................. 65 Hình 3.8. Sơ đồ mô phỏng dao động trong không gian thân xe sử d ng hệ thống treo nhíp ........................................................................................................................................... 65 viii Hình 3.9. Sơ đồ mô phỏng các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô khách có hệ thống treo nhíp .................................................................................................................................... 66 Hình 3.10. Ô tô thí nghiệm UNIVERSE K43-2F14.......................................................... 66 Hình 3.11. Sơ đồ hệ thống treo khí nén trên ô tô UNIVERSE K43-2F14 ........................ 67 Hình 3.12. Hệ thống treo trước.......................................................................................... 67 Hình 3.13. Hệ thống treo sau ............................................................................................. 68 Hình 3.14. Dao động riêng của ô tô theo phương thẳng đứng. ......................................... 68 Hình 3.15. Dao động lắc ngang tự do của thân xe ............................................................ 69 Hình 3.16. Các chỉ tiêu đánh giá dao động, v=60 km/h .................................................... 70 Hình 3.17. Tải tr ng tại các bánh xe với kích thích mặt đường dạng xung, v=60 km/h. . 70 Hình 3.18. Biên độ kích thích ngẫu nhiên của mặt đường. ................................................ 72 Hình 3.19. Các chỉ tiêu đánh giá dao động........................................................................ 72 Hình 3.20. Tải tr ng tại các bánh xe với kích thích mặt đường dạng ngẫu nhiên, v=60 km/h. .................................................................................................................................. 73 Hình 3.21. Các chỉ tiêu đánh giá dao động........................................................................ 75 Hình 3.22. Ảnh hưởng của áp suất khí trong lò xo khí nén đến tải tr ng tại các bánh xe. 75 Hình 3.23. Các chỉ tiêu đánh giá dao động........................................................................ 76 Hình 3.24. Ảnh hưởng của áp suất khí trong lò xo khí nén đến tải tr ng tại các bánh xe với kích thích mặt đường dạng xung. ................................................................................ 76 Hình 3.25. Các thông số đánh giá dao động ô tô với kích thích mặt đường dạng xung. .. 78 Hình 3.26. Tải tr ng tại các bánh xe với kích thích mặt đường dạng xung. ..................... 78 Hình 3.27. Tải tr ng tại các bánh xe với kích thích mặt đường ngẫu nhiên. .................... 80 Hình 3.28. Các thông số đánh giá dao động ô tô với kích thích mặt đường ngẫu nhiên. . 80 Hình 3.29. Kích thích mặt đường dạng hình sin ............................................................... 82 Hình 3.30. Đặc tính biên độ-tần số dịch chuyển người lái. ............................................... 83 Hình 3.31. Đặc tính biên độ-tần số gia tốc người lái......................................................... 83 Hình 3.32. Đặc tính biên độ-tần số của tải tr ng bánh xe. ................................................ 83 Hình 3.33. Đặc tính biên độ-tần số của dịch chuyển người lái. ........................................ 84 Hình 3.34. Đặc tính biên độ-tần số của gia tốc người lái. ................................................. 84 Hình 3.35. Đặc tính biên độ-tần số của tải tr ng bánh xe. ................................................ 84 Hình 3.36. Đặc tính biên độ-tần số của dịch chuyển người lái. ........................................ 85 Hình 3.37. Đặc tính biên độ-tần số của gia tốc người lái. ................................................. 85 Hình 3.38. Đặc tính biên độ-tần số của tải tr ng bánh xe. ................................................ 86 Hình 3.39. Đặc tính biên độ-tần số của góc lắc ngang thân xe. ........................................ 86 Hình 3.40. Đặc tính biên độ-tần số của gia tốc lắc ngang thân. ........................................ 87 CHƢƠNG IV Hình 4.1. Máy nén khí và đồng hồ đo áp suất lò xo khí nén. ............................................ 90 Hình 4.2. Thiết bị kéo-nén đo độ cứng tĩnh của lò xo khí nén. ......................................... 90 Hình 4.3. Màn hình hiển thị kết quả đo nén tĩnh lò xo khí nén. ........................................ 91 Hình 4.4. Lò xo khí nén. .................................................................................................... 91 Hình 4.5. Bình khí ph . ..................................................................................................... 92 Hình 4.6. Đặc tính nén tĩnh lò xo khí nén ở các giá trị khác nhau. ................................... 93 Hình 4.7. Quan hệ giữa lực và biến dạng khi lắp bình khí ph và không lắp bình khí ph . ........................................................................................................................................... 93 Hình 4.8. Kích gia tải động theo tần số. ............................................................................ 94 Hình 4.9. Lò xo khí nén thí nghiệm................................................................................... 95 ix Hình 4.10. Gá đặt thiết bị thí nghiệm. ............................................................................... 95 Hình 4.11. Thiết lập các thông số đo trên thiết bị gia tải. ................................................ 96 Hình 4.12. Đồ thị lực tác d ng lò xo khí nén tại tần số 1Hz. ............................................ 97 Hình 4.13. Độ cứng động lực h c lò xo khí nén. ............................................................. 98 Hình 4.14. Đồ thị lực tác d ng lò xo khí nén tại tần số 1Hz. ............................................ 99 Hình 4.15. Đồ thị biến dạng lò xo khí nén tại tần số 1Hz. ................................................ 99 Hình 4.16. Độ cứng động lực h c lò xo khí nén có bình khí ph ................................... 100 Hình 4.17. Sơ đồ tính toán trị số hiệu quả tính được t lý thuyết. .................................. 101 Hình 4.18. So sánh kết quả thí nghiệm với mô hình lý thuyết, n=1,3. ........................... 102 Hình 4.19. Kết quả so sánh giữa mô hình lý thuyết và thí nghiệm. ................................ 103 Hình 4.20. Máy tính chuyên dùng - hệ thu thập dữ liệu DEWETRON 3020. ............... 104 Hình 4.21. Cảm biến V1 ................................................................................................. 105 Hình 4.22. Cảm biến đo khoảng cách H7 ........................................................................ 105 Hình 4.23. Bộ nguồn rung EA-TWI 250-12 ................................................................... 106 Hình 4.24. Bộ chuyển đổi tín hiệu DATRON ................................................................. 107 Hình 4.25. Thí nghiệm xác định tần số dao động riêng theo phương thẳng đứng. ......... 107 Hình 4.26. Sơ đồ thí nghiệm đo dao động của ô tô theo phương thẳng đứng. ................ 108 Hình 4.27. Xác định kích thước cơ sở ô tô thí nghiệm. ................................................. 108 Hình 4.28. Xác định phân bố tải tr ng trên các cầu. ....................................................... 108 Hình 4.29. Gắn cảm biến lên sàn ô tô tại vị trí tr ng tâm. .............................................. 109 Hình 4.30. Đồ thị xác định chu kỳ dao động tắt dần của ô tô. ........................................ 109 1 MỞ ĐẦU Dao động ô tô là lĩnh vực được nhiều nhà khoa h c và các chuyên gia quan tâm nghiên cứu nhằm thiết kế và chế tạo ra ô tô có các tính n ng ưu việt đáp nhu cầu ngày càng cao của con người. Hướng phát triển hiện nay được tập chung vào các ô tô thân thiện với môi trường và tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao tiện nghi và an toàn chuyển động. Ở Việt Nam, ngành công nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô đang đứng trước cơ hội phát triển mạnh khi mạng lưới giao thông không ng ng được nâng cấp và mở rộng, nhu cầu đi lại của con người và vận chuyển hàng hóa ngày một gia t ng. Sự lựa ch n của người sử d ng hướng vào các ô tô có chất lượng cao, trong đó đặc biệt chú ý đến tính n ng an toàn cao và tiện nghi khi sử d ng của ô tô. Hệ thống treo là hệ thống quan tr ng trên ô tô, ảnh hưởng trực tiếp đến tính êm dịu, an toàn chuyển động, đặc biệt là khi ô tô di chuyển trên loại đường có chất lượng mặt đường xấu. Hệ thống treo không tốt sẽ gây ra lực động tác động xuống nền đường gây phá hủy mặt đường. Trên các ô tô hiện đại thường sử d ng hệ thống treo có phần tử đàn hồi thay đổi được độ cứng (sử dụng phần tử đ n hồi khí nén) việc kiểm soát không tốt độ cứng sẽ gây ra dao động lắc ngang lớn, làm mất ổn định thân xe, có nguy cơ gây lật xe. Đặc biệt là các ô tô chở khách giường nằm hai tầng, xe có chiều cao tr ng tâm lớn, sử d ng hệ thống treo khí nén khi chạy trên đường đèo. Do nhu cầu về tính tiện nghi trên các ô tô đòi hỏi ngày càng cao để đáp ứng nhu cầu đi lại bằng phương tiện ô tô cho các tuyến đường dài mà hệ thống treo khí nén hiện nay đang được sử d ng tương đối phổi biến trên ô tô khách, ô tô buýt do có những tính n ng ưu việt hơn so với hệ thống treo loại nhíp. Trong những n m gần đây ở Việt Nam đã nhập khẩu cũng như sản xuất nhiều loại ô tô khách, ô tô buýt có sử d ng hệ thống treo khí nén. Các ô tô này khi đưa vào sử d ng ở trong nước đã phát huy được tính tiện nghi khi chạy trên các tuyến đường dài. Làm t ng nhu cầu về số lượng xe để thay thế dần các ô tô cũ sử d ng hệ thống treo loại nhíp. Đây là điều kiện thúc đẩy sự phát triển ngành công nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô ở trong nước. Tuy nhiên, ở Việt Nam trong mấy n m gần đây vấn đề sử d ng ô tô khách đường dài có hệ thống treo khí nén còn tồn tại một số vấn đề nhất định về tính an toàn, tính ổn định khi ô tô hoạt động trên đường đèo dốc cần phải xem xét. Để sử d ng tốt hệ thống 2 này trên ô tô ở trong nước cần có các công trình nghiên cứu sâu hơn. Nghiên cứu giải pháp để để kiểm soát, nâng cao chất lượng của hệ thống treo khí nén cũng như các bộ phận chuyển động ô tô, đáp ứng yêu cầu về êm dịu và tính an toàn chuyển động là cần thiết. Do vậy, việc đặt vấn đề “Nghiên cứu dao động của ô tô khách có sử dụng hệ thống treo khí nén ”là một hướng nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn và cần thiết ở Việt Nam hiện nay. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu đánh giá dao động ô tô khách sử d ng hệ thống treo khí nén thông qua chỉ tiêu êm dịu và an toàn chuyển động ph c v cho công tác thiết kế, chế tạo cũng như khai thác ô tô khách sử d ng hệ thống treo khí nén được sản xuất, lắp ráp ở Việt Nam. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là ô tô khách có sử d ng hệ thống treo khí nén được sản xuất, lắp ráp ở Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về dao động ô tô khách có sử d ng hệ thống treo khí nén được sản xuất, lắp ráp ở Việt Nam. Phƣơng ph p nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm. Về nghiên cứu lý thuyết đã lựa ch n mô hình toán phần tử đàn hồi khí nén có và không có bình khí ph , trên cơ sở đó xây dựng mô hình dao động không gian ô tô khách sử d ng hệ thống treo khí nén, khảo sát mô hình dao động bằng Matlab - Simulink, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và sử d ng đến các chỉ tiêu về an toàn và êm dịu chuyển động. Sử d ng kết quả nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng tính chính xác của mô hình, hiệu chỉnh mô hình lý thuyết, đồng thời xác định các thông số đầu vào cho mô hình. Ý nghĩa hoa học - Lựa ch n mô hình toán h c để xây dựng được mô hình nghiên cứu động lực h c hệ thống treo khí nén và mô hình dao động ô tô khách trong không gian có kể đến yếu 3 tố phi tuyến của lò xo khí nén trong hệ thống treo. Lựa ch n các chỉ tiêu để khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của hệ thống treo khí nén đến dao động ô tô. - Luận án đóng góp nghiên cứu mới về một số thông số kết cấu và sử d ng hệ thống treo khí nén ảnh hưởng đến dao động ô tô khách được sản xuất và lắp ráp ở Việt Nam. Thông qua việc xây dựng mô hình dao động và nghiên cứu lý thuyết, luận án góp phần hoàn thiện phương pháp đánh giá hệ thống treo khí nén nhằm nâng cao tính êm dịu và an toàn chuyển động của ô tô khách được sản xuất lắp ráp và sử d ng trong nước. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần hoàn thiện cho việc thiết kế, chế tạo và sản xuất lắp ráp ô tô khách sử d ng hệ thống treo khí nén. - Luận án trình bày một số đề xuất về sử d ng hệ thống treo khí nén trên các ô tô khách, giúp các nhà quản lý có cơ sở để ban hành các quy định về khai thác, sử d ng ô tô khách có hệ thống treo khí nén một cách hiệu quả và an toàn. - Luận án có thể được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, h c viên chuyên ngành Cơ khí ô tô. Nội dung của luận n: Xuất phát t m c đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu, ngoài phần mở đầu và kết luận chung, bố c c của luận án bao gồm bốn chương như sau: Chƣơng I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Phân tích, đánh giá các công trình đã nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài luận án; xác định những vấn đề còn tồn tại; xác định vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Trình bày tổng quan về vấn đề sử d ng và sản xuất lắp ráp ô tô khách ở Việt Nam. Giới thiệu về đặc điểm của hệ thống treo khí nén dùng trên các ô tô khách. Lựa ch n mô hình toán h c để xây dựng mô hình động lực h c hệ thống treo khí nén nghiên cứu. Lựa ch n loại mô hình dao động ô tô khách để khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số trong hệ thống treo khí nén đến dao động ô tô. Chƣơng II: Thiết lập mô hình dao động ô tô h ch sử dụng hệ thống treo h n n Trình bày cơ sở lý thuyết về động lực h c. Lựa ch n mô hình toán h c xây dựng mô hình động lực h c phần tử đàn hồi khí nén. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết 4 cấu đến đặc tính động lực h c của phần tử đàn hồi khí nén. Xây mô hình dao động không gian ô tô khách có sử d ng hệ thống treo khí nén, mô hình có kể đến ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyến. Lựa ch n các chỉ tiêu, đánh giá tính êm dịu và an toàn chuyển động ô tô khách được sản xuất lắp ráp tại Việt Nam. Chƣơng III: Khảo s t c c yếu tố ảnh hƣởng đến dao động của ô tô h ch sử dụng hệ thống treo h n n Khảo sát dao động ô tô khách, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu của lò xo khí nén trong hệ thống treo đến dao động của ô tô. Khảo sát được tiến hành trên miền thời gian và miền tần số. Các chỉ tiêu về êm dịu và an toàn chuyển động được xem xét đồng thời để đánh giá kết quả khảo sát. Kết quả khảo sát đánh giá được ảnh hưởng của lò xo khí nén trong hệ thống treo khí nén đến dao động của ô tô khách. Chƣơng IV: Nghiên cứu thực nghiệm Xác định các thông số kết cấu lò xo khí nén, bình khí ph , tiến hành các thí nghiệm xác định đặc tính của phần tử đàn hồi khí nén, xác định một số thông số đầu vào cho mô hình hệ thống treo khí nén (độ cứng t nh độ cứng động lực học lò xo khí nén tần số dao động riêng của ô tô...). Thí nghiệm đo tần số dao động riêng của ô tô thí nghiệm. Sử d ng kết quả nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng tính chính xác của mô hình lý thuyết, hiệu chỉnh mô hình lý thuyết, đồng thời xác định các thông số đầu vào của mô hình lý thuyết. 5 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Ô tô là một hệ dao động tương đối phức tạp, gồm nhiều bộ phận được liên kết với nhau, mỗi bộ phận có khối lượng và đặc tính dao động riêng. Khi ô tô chuyển động trên đường có nhiều yếu tố gây ra dao động (mấp mô mặt đường, quá trình phanh, quay v ng tăng tốc...). Trong các yếu tố trên, mấp mô mặt đường được coi là nguồn kích thích chính. Với ô tô khách có chiều cao tr ng tâm lớn, chuyển động trên đường có chất lượng mặt đường xấu hoặc đường đèo dốc, thân xe xuất hiện dao động lắc ngang có thể gây mất ổn định, góc lắc lớn có thể dẫn đến lật đổ xe. Đồng thời với dao động lắc ngang là các dao động theo phương thẳng đứng, dao động này làm ảnh hưởng xấu tới người lái, hành khách và hàng hóa trên xe. Dao động với biên độ và tần số lớn, tác d ng trong thời gian dài sẽ làm cho hành khách bị mệt mỏi, giảm khả n ng duy trì các hoạt động thần kinh hoặc sinh lý. Nghiên cứu về hệ thống treo của ô tô được thông qua việc nghiên cứu đặc tính của dao động ô tô, xác định ảnh hưởng của các yếu tố đến dao động làm ảnh hưởng đến tính êm dịu và an toàn chuyển động ô tô. T đó đưa ra các giải pháp về kết cấu của hệ thống treo cũng như vật liệu chế tạo, để giảm các ảnh hưởng xấu do dao động tác động đến con người cũng như hàng hóa trên xe. 1.1. Xu hƣớng phát triển ô tô khách ở Việt Nam. 1.1.1. Đặc điểm và sự phát triển mạng lưới giao thông ở Việt Nam Theo Báo cáo Điều chỉnh quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ đến n m 2020 và định hướng đến 2030, hiện trạng về mạng lưới giao thông đường bộ của Việt Nam được thống kê như trong Bảng 1.1[5]. Bảng 1.1. Hệ thống giao thông đường bộ Việt Nam STT 1 2 3 4 5 6 Loại đƣờng Quốc lộ, cao tốc Đường tỉnh Đường huyện Đường xã Đường đô thị Đường chuyên dùng Chiều d i( m) 18.744 23.520 49.823 151.187 8.492 6.434 Tỷ lệ (%) 7,26 9,11 19,30 58,55 3,29 2,49 6 Mạng lưới đường bộ Việt Nam tính đến tháng 02/2014 có khoảng 300.000km đường các loại, chia thành loại: quốc lộ, đường tỉnh, đường huyện, đường xã và đường chuyên dùng. Hệ thống quốc lộ có chiều dài khoảng 19.457 km và gần 5.000 cầu đường bộ. Đường có tiêu chuẩn kỹ thuật cao và trung bình (cấp I II III) chiếm 47%, còn lại 53% là đường cấp thấp (cấp IV chiế 32% cấp V chiế 21%). Tỷ lệ đường có chiều rộng nền, mặt đường theo đúng cấp kỹ thuật còn thấp, chủ yếu có yếu tố hình h c về bán kính cong; chiều rộng mặt đường ≥7m có khoảng 46%, mặt đường 5÷ 6,9 m khoảng 33%, khoảng 21% còn lại là mặt đường có bề rộng dưới 5m. Theo quy hoạch đến n m 2020, Việt Nam sẽ xây dựng khoảng 20 đường cao tốc với chiều dài gần 5.900 km, vốn đầu tư trên 50 tỷ USD. Trong thời gian v a qua, hàng loạt các dự án đường cao tốc lớn đã hoàn thành và đưa vào sử d ng như tuyến: Cầu Giẽ Ninh Bình, Hà Nội - Hải Phòng, Nội Bài - Lào Cai ở các tỉnh phía Bắc, TP.Hồ Chí Minh - Trung Lương, … Các tuyến đường bộ cao tốc được sắp xếp ưu tiên đầu tư dựa trên nguyên tắc là các tuyến có hiệu quả kinh tế cao (nhu cầu vận tải lớn): các tuyến nằm gần các trung tâm kinh tế - xã hội như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Nha Trang, Cần Thơ…Các tuyến đường có khả n ng “kích cầu”, tạo đà cho sự phát triển kinh tế xã hội, nằm trong các vùng kinh tế tr ng điểm, các tuyến đường thuộc hai hành lang và một vành đai kinh tế Việt - Trung. Sự phát triển của mạng lưới giao thông như hiện nay là điều kiện thuận lợi cho phát triển phương tiện giao thông đường bộ, đặc biệt là phương tiện vận tải ô tô khách nội tỉnh cũng như ô tô khách đường dài, là cơ hội thuận lợi cho ngành công nghiệp sản xuất lắp ô tô ở trong nước phát triển. 1.1.2. Hiện trạng phát triển ô tô khách ở Việt Nam. Ngày nay khi mạng lưới giao thông đường bộ phát triển mạnh, thuận tiện cho việc phát huy thế mạnh của ngành vận chuyển hành khách bằng phương tiện vận tải ô tô. Ở Việt Nam, những n m gần đây đã xây dựng và đưa vào sử d ng một số tuyến đường có chất lượng cao, đường cao tốc nối liền các tỉnh và thành phố, đây là điều kiện thuận lợi cho việc phát triển dịch v vận chuyển hành khách bằng phương tiện vận tải ô tô nội tỉnh và liên tỉnh. 7 Ngành công nghiệp ô tô ngày càng phát triển, các công nghệ mới ra đời và được ứng d ng tạo ra các loại ô tô có tính tiện nghi, an toàn cao, đáp ứng được nhu cầu của người sử d ng. Ngày 25-2/2013 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 356 phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ đến n m 2020 và định hướng đến n m 2030, trong đó sẽ kiểm soát sự phát triển của xe máy, ô tô cá nhân. Đến n m 2020, theo định hướng phát triển phương tiện vận tải gồm ô tô các loại sẽ có khoảng 3,2 - 3,5 triệu xe, trong đó xe con 57%, xe khách 14% và xe tải 29%. Tỷ lệ đảm nhận vận tải hành khách công cộng trong những n m qua chỉ đạt 10-12% (mục tiêu chiến lược là 25-30% v o nă 2020). Cần nhanh chóng phát triển phương thức vận tải nhanh, khối lượng lớn đối tại các đô thị lớn (trước tiên là Thủ đô H Nội và thành phố Hồ Chí Minh); phát triển vận tải ở các đô thị theo hướng sử d ng vận tải công cộng là chính, đảm bảo hiện đại, an toàn, tiện lợi; phát triển hệ thống giao thông tĩnh; kiểm soát sự gia t ng phương tiện cá nhân; giải quyết ùn tắc giao thông và bảo đảm trật tự an toàn giao thông đô thị. Tổng khối lượng vận chuyển hành khách toàn quốc khoảng 6.240 triệu hành khách. Xu hướng phát triển ô tô khách hiện nay chủ yếu tập trung công nghệ vào các ô tô có số chỗ ngồi lớn, ph c cho các m c đích sau: ô tô chạy trên cung đường dài, chạy liên tỉnh, ô tô ph c v cho ngành du lịch. Các công nghệ mới ra đời được áp d ng cho hệ thống điều khiển như hệ thống lái, hệ thống treo. Trên các ô tô khách, ô tô buýt, đã thay thế dần phần tử đàn hồi kim loại bằng lò xo khí nén. Hệ thống treo khí nén có nhiều ưu việt, đem lại tính tiện nghi nâng cao tính êm dịu chuyển động cho các ô tô. Hệ thống này thích nghi tốt với việc thay đổi tải tr ng ô tô bằng việc thay đổi áp suất trong hệ thống, giảm các xung lực tác d ng lên thân xe khi ô tô đi trên các loại đường có nhiều mấp mô. Vì vậy, việc nghiên cứu “Dao động ô tô khách có sử dụng hệ thống treo khí nén” là vấn đề cần thiết và thiết thực ở Việt Nam vì hệ thống treo khí nén đang được dùng rất phổ biến trên các ô tô khách cỡ lớn được sản xuất và lắp ráp trong nước. Bên cạnh đó, ở trong nước hiện tại chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu, chưa có nhiều tài liệu kỹ thuật tiếng Việt hướng dẫn sử d ng cũng như thiết kế cho hệ thống khí nén. Ô tô khách hai tầng hiện đang được sử d ng phổ biến trên thế giới với hai phiên bản: loại có một sàn ( e ô tô h ch giường nằm hai tầng) và loại có hai sàn. Loại có một sàn với giường nằm hai tầng được sử d ng để vận tải hành khách trên những lộ trình dài 8 để nâng cao tính tiện nghi trong khi vẫn đảm bảo số lượng hành khách chuyên chở mà không làm t ng diện tích sàn. Loại hai sàn với ghế ngồi được sử d ng chủ yếu cho vận tải hành khách công cộng trong thành phố để nâng cao n ng lực vận chuyển hành khách, hoặc được sử d ng cho m c đích th m quan, du lịch trong các thành phố lớn. Ô tô khách hai tầng có lịch sử hình thành và phát triển rất lâu ở một số thành phố ở Châu Âu và ở Châu Á (chủ yếu là thuộc địa của Anh), xuất hiện ở Berlin n m 1906, Luân Đôn n m 1910 và ở Hồng Kông n m 1949 [64]. Ngày nay xe ô tô khách hai tầng được sử d ng phổ biến cho vận tải hành khách nội đô ở các thành phố lớn trên thế giới. Trong khu vực Đông Nam Á, loại ô tô này được sử d ng ở Singapore n m 1977, ở Surakarta-Indonesia cho m c đích du lịch. Ở Việt Nam, t cuối n m 2005 ô tô buýt hai tầng bắt đầu được sử d ng trong vận tải hành khách công cộng ở thành phố Hồ Chí Minh trên tuyến Bến xe Chợ Lớn - Thủ Đức. Trong một vài n m gần đây xe ô tô khách giường nằm hai tầng được sử d ng cho việc vận tải hành khách trên những lộ trình dài xuyên tỉnh nối liền các thành phố lớn. Loại xe này đã nâng cao chất lượng ph c v , tính tiện nghi, đáp ứng được nhu cầu của hành khách. 1.1.3. Tình hình sản xuất lắp ráp ô tô khách ở Việt Nam Ở Việt Nam những n m gần đây, ngành công nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô phát triển mạnh, các loại ô tô khách, ô tô buýt được sản xuất lắp ráp với số lượng lớn đang dần thay thế cho các loại ô tô nhập khẩu nguyên chiếc. Đặc biệt là ô tô khách giường nằm hai tầng ph c v các tuyến đường dài. N m 2006, những chiếc ô tô khách giường nằm đầu tiên đã được công ty vận tải Hoàng Long đưa vào ph c v khách hàng trên tuyến Hà Nội - Sài Gòn, sau đó trên các tuyến đường dài trên khắp cả nước như: tuyến Hà Nội - các tỉnh miền trung, Hà Nội Lào Cai… Trên các tuyến đường đều có xu hướng chuyển t ô tô khách ghế ngồi thông thường sang ô tô có giường nằm, đánh dấu sự thành công của dòng xe vận tải hành khách giường nằm trên thị trường. Ô tô khách giường nằm hai tầng ở Việt nam đa số được sản xuất lắp ráp trong nước, cải tạo t xe ô tô khách một tầng ghế ngồi thông thường hoặc nhập khẩu nguyên chiếc chủ yếu t Trung Quốc, Hàn Quốc. Theo thống kê của C c Đ ng kiểm Việt Nam tính đến tháng 9/2014, toàn quốc hiện có khoảng 4.553 xe chở khách giường nằm hai tầng, trong đó có 859 xe được hoán cải t xe chở khách ghế ngồi thông thường, 80 xe nhập