(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tối ưu thông số thiết kế hệ thống đệm cách dao động động cơ đốt trong trên ô tô

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ ÁNH DƯƠNG

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU THÔNG SỐ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỆM
CÁCH DAO ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRÊN Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Thái Nguyên - 2021


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ ÁNH DƯƠNG

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU THÔNG SỐ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỆM
CÁCH DAO ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRÊN Ô TƠ
Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 8520116

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

P.TRƯỞNG KHOA

Th.S. Lê Xuân Long

PGS.TS. Lê Văn Quỳnh

PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên - 2021


i

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên:

Vũ Ánh Dương

Học viên: Lớp cao học K22- Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp-Đại học
Thái Nguyên.
Nơi công tác: Trường Cao đẳng Công nghệ Nông lâm Đông Bắc.
Tên đề tài luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu tối ưu thông số thiết kế hệ thống đệm
cách dao động động cơ đốt trong trên ô tô.
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 8520116
Sau gần hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, em lựa chọn
luận văn thạc sĩ với đề tài: Nghiên cứu tối ưu thông số thiết kế hệ thống đệm
cách dao động động cơ đốt trong trên ô tô. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn
tận tình của thầy giáo PGS.TS. Lê Văn Quỳnh, các thầy cơ trong khoa Kỹ thuật
Ơ tơ và Máy động lực và sự nổ lực của bản thân, luận văn đã được hoàn thành
đáp được nội dung luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực.

Em xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân em. Các số
liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong
bất kỳ một cơng trình nào khác trừ cơng bố của chính tác giả và nhóm nghiên
cứu của thầy hướng dẫn.
Thái Nguyên, ngày….. tháng….. năm 2021
HỌC VIÊN

Nguyễn Ánh Dương


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập nghiên cứu làm đề tài luận văn thạc sĩ, em đã tiếp
nhận được sự truyền đạt trao đổi phương pháp tư duy, lý luận của quý thầy cô
trong Nhà trường, sự quan tâm giúp đỡ tận tình của tập thể giảng viên Nhà
trường, khoa Kỹ thuật Ơ tơ & MĐL, q thầy cơ giáo trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp –Đại học Thái Nguyên, gia đình và các đồng nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường, Tổ đào tạo
Sau đại học -Phịng đào tạo, q thầy cơ giáo tham gia giảng dạy đã tận tình
hướng dẫn tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS. Lê Văn Quỳnh
và tập thể thầy cô giao khoa Kỹ thuật Ơ tơ & MĐL, hội đồng bảo vệ đề cương
đã hướng dẫn cho em hoàn thành luận văn theo đúng kế hoạch và nội dung đề
ra.
Trong quá trình, thời gian thực hiện mặc dù đã có nhiều cố gắng song do
kiến thức và kinh nghiệm chun mơn cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh
khỏi sai sót, rất mong được sự đóng góp q báu của q thầy cơ và các bạn
đồng nghiệp tiếp tục trao đổi đóng góp giúp em để luận văn được hoàn thiện
hơn.

Xin chân thành cảm ơn !

HỌC VIÊN

Vũ Ánh Dương


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... v
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. ix
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................... xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU......................... 3
1.1. Tổng quan hệ thống đệm cách dao động động cơ...................................... 3
1.1.2. Sự phát triển đệm cách dao động động cơ đốt trong .............................. 3
1.1.3. Phân tích một số kết của đệm cách dao động động cơ đốt trong ............ 5
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế ............................................. 9
1.3. Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu ..................................................................... 17
1.4 Mục tiêu, phạm vi, phương pháp và nội dung nghiên cứu ....................... 22
1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu............................................................................... 22
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 22
1.4.3 Phương pháp nghiên cứu........................................................................ 22
1.4.4 Nội dung nghiên cứu .............................................................................. 22
1.5. Kết luận chương 1 .................................................................................... 22
CHƯƠNG 2.................................................................................................... 23
XÂY DỰNG MƠ HÌNH DAO ĐỘNG ........................................................ 23
2.1. Các phương pháp xây dựng và mơ phỏng dao động................................ 23

2.2. Xây dựng mơ hình dao động tồn xe ....................................................... 25
2.2.2. Mơ hình dao động tương đương............................................................ 27
2.2.3. Thiết lập phương trình vi phân miêu tả dao động ơ tơ du lịch.............. 28
2.2.4. Nguồn kích thích dao động tác dụng lên cơ hệ ..................................... 34
2.3. Cơ sở về lý thuyết tối ưu thông số thiết kế .............................................. 38
2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................... 43
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU THIẾT KẾ................................ 44
3.1. Mô phỏng ................................................................................................. 44
3.1.1. Số liệu mô phỏng ................................................................................... 44


iv

3.1.2. Khối mô phỏng tổng thể........................................................................ 47
3.2. Mô phỏng các với chế độ làm việc khác nhau ......................................... 48
3.3. Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện khai thác đến độ êm diu chuyển động
......................................................................................................................... 51
3.4. Tối ưu thông số thiết kế hệ thống đệm cách dao động cơ ....................... 53
3.5. Phân tích hiệu quả của hệ thống đệm cách sau khi tối ưu ....................... 56
3.6. Kết luận .................................................................................................... 61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 64
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 67


v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
TT

Ký hiệu

Giải thích

1

mb

Khối lượng được treo

2

m1t

Khối lượng không được treo trước trái

3

m1p

Khối lượng không được treo trước phải

4

m2t

Khối lượng không được treo sau trái

5

m2p

Khối lượng không được treo sau phải

6

a

Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước

7

b

Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau

8

Bt

Vết bánh xe cầu trước

9

Bs

Vết bánh xe cầu sau

10

k1t

Độ cứng của HTT trước trái

11

k1r

Độ cứng của HTT trước phải

12

k2l

Độ cứng của HTT sau trái

13

k2r

Độ cứng của HTT sau phải

14

kt1l

Độ cứng của lốp xe trước trái

15

kt1r

Độ cứng của lốp xe trước phải

16

kt2l

Độ cứng của lốp xe sau trái

17

kt2r

Độ cứng của lốp xe sau phải

18

c1l

Hệ số cản giảm chấn trước trái


vi

TT

Ký hiệu

Giải thích

19

c1r

Hệ số cản giảm chấn trước phải

20

c2l

Hệ số cản giảm chấn sau trái

21

c2r

Hệ số cản giảm chấn sau phải

22

ct1l

Hệ số cản của lốp xe trước trái

23

ct1r

Hệ số cản của lốp xe trước phải

24

ct2l

Hệ số cản của lốp xe sau trái

25

ct2r

Hệ số cản của lốp xe sau phải

26

Ix

Mô men qn tính với trục X

27

Iy

Mơ men qn tính với trục Y

28

Ixe

Mơ men qn tính của động cơ với trục Xe

29

Iye

Mơ men quán tính của động cơ với trục Ye

30

v

Vận tốc khi khảo sát

31

x1

Tọa độ lực F1 theo phương X

32

y1

Tọa độ lực F1 theo phương Y

33

x2

Tọa độ lực F2 theo phương X

34

y2

Tọa độ lực F2 theo phương Y

35

x3

Tọa độ lực F3 theo phương X

36

y3

Tọa độ lực F3 theo phương Y

37

x4

Tọa độ lực F4 theo phương X


vii

TT

Ký hiệu

Giải thích

38

y4

Tọa độ lực F4 theo phương Y

39

me

Khối lượng động cơ

40

ke1

Độ cứng phần tử treo động cơ

41

ke2

Độ cứng phần tử treo động cơ

42

ke3

Độ cứng phần tử treo động cơ

43

ke4

Độ cứng phần tử treo động cơ

44

ce1

Hệ số cản của phần tử treo động cơ

45

ce2

Hệ số cản của phần tử treo động cơ

46

ce3

Hệ số cản của phần tử treo động cơ

47

ce4

Hệ số cản của phần tử treo động cơ

48

xe1

Tọa độ theo phương Xe của lực F1

49

ye1

Tọa độ theo phương Ye của lực F1

50

xe2

Tọa độ theo phương Xe của lực F2

51

ye2

Tọa độ theo phương Ye của lực F2

52

xe3

Tọa độ theo phương Xe của lực F3

53

ye3

Tọa độ theo phương Ye của lực F3

54

xe4

Tọa độ theo phương Xe của lực F4

55

ye4

Tọa độ theo phương Ye của lực F4

56

ne

Số vòng quay lớn nhất


viii

TT

Ký hiệu

57

i

Số xi lanh

58



Số kỳ

59

s

Hành trình piston

60

D

Đường kính xi lanh

61



Tỷ số nén

62

L

Chiều dài thanh truyền

63

mc

Khối lượng piston thanh truyền

64

r

65
66

Giải thích

Bán kính quay trục khuỷu

Memax/nemax Mơ men cực đại ở số vịng quay


Thơng số kết cấu


ix

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Đệm cách dao động động cơ đốt trong ............................................. 3
Hình 1.2. Sự phát triển về mặt công nghệ của đệm cách dao động động cơ .... 4
Hình 1.3. Một số loại đệm cao su ..................................................................... 5
Hình 1.4. Cách bố trí đệm cách dao động động cơ ........................................... 5
Hình 1.5. Các loại đệm cao su thủy lực ............................................................ 6
Hình 1.6. Đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động ........................... 7
Hình 1.7. Đệm cách dao động điều khiển chủ động ......................................... 8
Hình 1.8. Phương pháp bố trí đệm và quan hệ độ cứng[13] ........................... 12
Hình 1.9. Bố trí đệm và dao động các vị trí[14] ............................................. 12
Hình 1.10. Đệm cách dao động động cơ 2 xylanh bố trí V[15] ...................... 13
Hình 1.11. Hai loại đệm cách dao động động cơ[16] ..................................... 13
Hình 1.12. Đệm cao su thủy lực đề xuất Christopherson, J. và các cộng sự[17]
......................................................................................................................... 14
Hình 1.13. Đệm cao su thủy lực Sơ đồ động lực học của đệm[18] ................ 15
Hình 1.14. Đệm cách dao động chủ động trên ô tô Audi S8[19].................... 15
Hình 1.15. Mơ hình mơ phỏng và thực nghiệm[20] ....................................... 16
Hình 1.16. Mơ hình tốn tối ưu thiết kế đa mục tiêu[21] ............................... 17
Hình 1.17. Sơ đồ bố trí đệm cách dao động động động cơ[22] ...................... 17
Hình 1.18. Sơ đồ các tư thế đo do dao động truyền lên người [23]................ 19
Hình 1.19. Dao động truyền lên cơ thể người ở tư thế ngồi [23] ................... 19
Hình 1.20. Đo dao động ghế ngồi ................................................................... 20
Hình 1.21. Giới hạn tác động của dao động thẳng đứng [23] ......................... 21
Hình 2.1. Sơ đồ xây dựng mơ hình và phân tích dao động theo phương pháp 1

......................................................................................................................... 23
Hình 2.2. Sơ đồ xây dựng mơ hình và phân tích dao động theo phương pháp 2
......................................................................................................................... 24
Hình 2.3. Mơ hình dao động tồn xe............................................................... 27


x

Hình 2.4. Sơ đồ lực tác dụng lên khối lượng khơng được treo trước trái. ...... 30
Hình 2.5. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên thân xe ..................................... 32
Hình 2.6. Sơ đồ lực và mơ men tác dụng lên cụm động cơ và hệ thống truyền
lực .................................................................................................................... 33
Hình 2.7. Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO A (mặt đường có
chất lượng rất tốt) ............................................................................................ 37
Hình 2.8. Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO B (mặt đường có
chất lượng trung bình) ..................................................................................... 37
Hình 2.9. Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO C (mặt đường có
chất lượng trung bình) ..................................................................................... 37
Hình 2.10. Sơ đồ thuật tốn di truyền (GA).................................................... 41
Hình 3.1. Sơ đồ mô phỏng tổng thể Matlab/simulink thân xe ........................ 47
Hình 3.2. Sơ đồ mơ phỏng tổng thể Matlab/simulink động cơ đốt trong ....... 48
Hình 3.3. Các gia tốc theo miền thời gian trong trường hợp 2. ...................... 49
Hình 3.4. Các gia tốc theo miền thời gian trong trường hợp 2 ....................... 50
Hình 3.5. Các giá trị awz, awphi và awteta ở các tốc độ động cơ khác nhau ....... 51
Hình 3.6. Các giá trị awz, awphi và awteta ở các tốc độ động cơ khác nhau ....... 52
Hình 3.7. So sánh hiệu quả của hệ thống đệm cách dao động trước và sau tối
ưu ..................................................................................................................... 55
Hình 3.8. So sánh hiệu quả của hệ thống đệm cách dao động trước và sau tối
ưu ở trường hợp 1 ............................................................................................ 57
Hình 3.9. So sánh hiệu quả của hệ thống đệm cách dao động trước và sau tối

ưu ở trường hợp 2. ........................................................................................... 58
Hình 3.10. So sánh hiệu quả của hệ thống đệm cách dao động trước và sau tối
ưu ở trường hợp 3. ........................................................................................... 60


xi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1[23] ....... 18
Bảng 2.1. Các lớp mấp mô mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068[24]
......................................................................................................................... 36
Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của xe [6, 25] .............................................. 44
Bảng 3.2. Các giá trị awz, awphi và awteta ở các tốc độ động cơ khác nhau ........ 51
Bảng 3.3. Các giá trị awz, awphi và awteta ở các điều kiện mặt khác nhau .......... 52
Bảng 3.4. Kết quả thông số thiết kế đệm cách dao động trước và sau tối ưu . 54
Bảng 3.5. Kết quả so sánh hiệu quả hệ đệm cách dao động trước và sau tối ưu
ở trường hợp 1 ................................................................................................. 56
Bảng 3.6. Kết quả so sánh hiệu quả hệ đệm cách dao động bán chủ động ở
trường hợp 2 .................................................................................................... 59
Bảng 3.7. Kết quả so sánh hiệu quả hệ đệm cách dao động bán chủ động ở
trường hợp 3 .................................................................................................... 59


1

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, độ êm dịu chuyển động cho ô tô là một trong những chỉ tiêu quan
trọng để đánh giá chất lượng của ơ tơ cũng như tính cạnh tranh của sản phẩm. Chính
vì vậy, vấn đề này đã được các nhà sản xuất, nhà thiết kế và các nhà khoa học trên
khắp thế giới tập trung nghiên cứu và cải tiến hệ thống treo xe, đệm cách dao động

động cơ nhằm nâng cao độ êm dịu cũng như giảm ồn cho xe. Trong q trình hoạt
động, ơ tô phải chịu các nguồn gây ra dao động như mấp mơ mặt đường, động cơ,
lực gió, các nguồn này sẽ truyền lên thân xe làm cho người điều khiển và hành khách
cảm thấy mệt mỏi, thậm chí mặc bệnh nghề nghiệp nếu thường xuyên tiếp xúc với
nguồn gây ra dao động này. Để giảm các nguồn kích thích dao động này các nhà
nghiên cứu và thiết kế cải tiến hệ thống treo ô tô, hệ thống treo ghế ngồi và hệ thống
đệm cách động cơ đốt trong. Với lý do trên, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu tối ưu
thông số thiết kế hệ thống đệm cách dao động động cơ đốt trong trên ô tô” làm
luận văn thạc sỹ của mình dưới sự hướng dẫn trực tiếp thầy giáo PGS.TS Lê Văn
Quỳnh. Nội dung chính của luận văn:
- Tổng quan về đề tài nghiên cứu;
- Xây dựng mô hình dao động;
- Mơ phỏng và tối ưu thiết kế.
Đây là một lĩnh vực khoa học rộng trong khuôn khổ của một luận văn cao học,
đề tài chỉ tập trung vào xây dựng mơ hình dao động khơng gian tuyến tính cho xe du
lịch với hai nguồn kích thích từ mấp mô mặt đường và động cơ đốt trong, dựa vào
mơ hình dao động. Các thơng số thiết kế của hệ thống đệm cách dao động động cơ
bị động được tiến hành tối ưu nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động của ô tô. Các
giá trị của gia tốc bình phương trung bình theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 (1997) được
chọn là hàm mục tiêu. Các thông số thiết kế tối ưu của hệ thống đệm cách dao động
động cơ được tìm ra dựa vào giải thuật tối ưu đa mục tiêu.
Qua đây cho phép tơi được bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS.
Lê Văn Quỳnh người hướng dẫn khoa học trực tiếp tôi trong suốt thời gian làm luận
văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy trong Bộ mơn Kỹ thuật Ơ tô, Khoa


2

Kỹ thuật Ơ tơ và Máy động lực, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái
Nguyên và các bạn bè, đồng nghiệp, đặc biệt là Nhóm nghiên cứu “Điều khiển động

lực học, rung ồn phương tiện giao thông và máy” của Nhà trường đã giúp đỡ tơi
hồn thành luận văn này.
Do trình độ của bản thân và thời gian có hạn nên đề tài chắc chắn khơng tránh
được những sai sót rất mong sự đóng góp của các thầy cô, độc giả quan tâm để luận
văn của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn. !
Thái Nguyên, ngày

tháng

HỌC VIÊN

Vũ Ánh Dương

năm 2021