PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Ở Việt Nam, thiết kế xe đua sinh viên vẫn còn là vấn đề mới mẻ
đối với sinh viên các trường đại học, năm 2013 nhóm nghiên cứu của
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp-Đại học Thái Nguyên đã thiết
kế và chế tạo thành công xe đua sinh viên thế hệ thứ nhất. Hiện nay
sản phẩm này đang được kế hoàn thiện, tối ưu thiết kế các cụm, hệ
thống nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của xe đáp ứng các tiêu
chuẩn của SAE nhằm đưa xe tham dự các cuộc thi quốc tế. Các thông
số thiết kế hệ thống treo có ảnh hưởng trực tiếp đến độ êm dịu và ổn
định hướng của xe. Do vậy, nó đã và đang được nhiều nhà thiết kế xe
đua F-SAE thế giới đặc biệt quan tâm. Trong số các công trình đã
công bố, nhiều tài liệu đã tính toán, thiết kế các thông số hình học hệ
thống treo xe đua F-SAE để nâng cao ổn định hướng của xe, tập trung
nghiên cứu ảnh hưởng thông số thiết kế thống treo đến độ êm dịu của
xe đua F-SAE. Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ dừng lại khảo sát mô
hình dao động 1/2 của xe và kích thích dao động là các hàm toán học
đơn giản.
Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo
hệ thống treo cho xe Formula Student’’ làm luận văn thạc sỹ dưới
sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Khắc Tuân. Trong luận văn
này, tác giả sử dụng mô hình dao động không gian và tiêu chuẩn về độ
êm dịu ISO2631-1 để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số thiết kế
hệ thống treo đến độ êm dịu chuyển động của xe. Kết quả nghiên cứu
đã đưa ra được bộ thông số thiết kế tối ưu cho hệ thống treo xe F-SAE
nhằm nâng cao độ êm dịu cho người lái.
1
2. Mục đích, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
2.1. Mục đích của đề tài
Đề tài Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống treo cho xe
Formula Student nhằm khảo sát mô hình mô phỏng dao động của xe
để lựa chon các thông số tối ưu qua đó tiến hành chế tạo một hệ thống
treo hoàn chỉnh cho xe Formula. Kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp
vào quá trình giải mã công nghệ và chế tạo thử xe Formula SAE của
trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp.
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Xe đua sinh viên Formula Student sản xuất bởi nhóm nghiên cứu
Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với chế tạo thực nghiệm.
3. Ý nghĩa của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Nâng cao độ êm dịu cho xe Formula Student khi chuyển động
trên mặt đường ngẫu nhiên.
- Đề tài đóng góp một kết quả vào hướng nghiên cứu dao động
cho xe F-SAE.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Chế tạo hệ thống treo để hoàn thiện xe Formula Student, qua đó
giới thiệu sản phẩm khoa học, quảng bá thương hiệu cho Trường ĐH
Kỹ Thuật Công Nghiệp.
2
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu xe Formula Student (F-SAE):
Formula Student là cuộc thi thiết kế xe đua của sinh viên được tổ
chức bởi SAE International, SAE được gọi là Hiệp hội kĩ sư ô tô
(Society of Automotive Engineers). Cuộc thi này lần đầu tiên tổ chức
vào năm 1978 tại trường đại học University of Houston ở Mỹ.
1.2. Tổng quan về hệ thống treo và các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu
trong chuyển động của ô tô.
1.2.1. Vai trò của hệ thống treo.
1.2.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống treo
1.2.3. Giới thiệu một số loại hệ thống treo
1.3. Các chỉ tiêu, phương pháp đánh giá độ êm dịu chuyển động.
1.3.1. Cường độ dao động.
1.3.2. Gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động.
Theo tiêu chuẩn ISO 2631-1[12]: đưa ra chỉ tiêu đánh giá độ êm
dịu chuyển động ô tô thông qua gia tốc bình phương trung bình theo
phương thẳng đứng dựa theo vào các công trình nghiên cứu của thế
giới. Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng được
xác định theo công thức dưới đây:
2/1
0
2
)(
1
=
∫
T
WWZ
dtta
T
a
Trong đó:
- a
wz
: Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng.
- a
z
: Gia tốc theo phương thẳng đứng theo thời gian .
- T
: Thời gian khảo sát.
3
Điều kiện chủ quan đánh giá độ êm dịu ô tô theo độ lệch gia tốc
quân phương thẳng đứng ISO 2631-1[12] dựa vào Bảng 1.1 dưới đây:
Bảng 1.1. Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1.
a
WZ
giá trị (m
2
/s) Cấp êm dịu
< 0.315 m.s
-2
Thoải mái
0.315m.s
-2
-0.63m.s
-2
Một chút khó chịu
0.5m.s
-2
- 1 m.s
-2
Khá khó chịu
0.8 m.s
-2
- 1.6 m.s
-2
Không thoải mái
1.25 m.s
-2
- 2.5 m.s
-2
Rất khó chịu
> 2 m.s
-2
Cực kỳ khó chịu
Ưu điểm của tiêu chuẩn VBI2057 và tiêu chuẩn ISO 2631-1 là
thuận lợi cho việc phân tích và đánh giá dao động toàn bộ của xe.
Thông qua các mô hình dao động vật lý và toán học của toàn bộ xe
hoặc các phần mền chuyên dùng ADAMS, LMS hoàn toàn xác định
gia tốc dao động theo miền thời hoặc miền tần số. Hiện nay phương
pháp này đã được các nhà khoa học trên khắp thế giới áp dụng ISO
2631-1 để phân tích độ êm dịu của dao động các phương tiện dao
thông.
1.3.3. Chỉ tiêu về tải trọng động.
1.4 Tổng quan các nghiên cứu về lĩnh vực dao động của ô tô.
1.4.1 Ở trong nước.
1.4.2 Trên thế giới.
1.5 Mục tiêu, phạm vi và nội dung nghiên cứu của luận văn.
1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu.
Đề tài Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống treo cho xe
Formula Student nhằm khảo sát mô hình mô phỏng dao động của xe
để lựa chon các thông số tối ưu qua đó tiến hành chế tạo một hệ thống
treo hoàn chỉnh cho xe Formula. Kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp
4
vào quá trình giải mã công nghệ và chế tạo thử xe Formula SAE của
trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp.
1.5.2. Phạm vi nghiên cứu và đối đượng nghiên cứu.
Phạm vi nghiên cứu: Xác định các thông số dao động như
chuyển dịch, vận tốc, gia tốc của thân xe và cầu xe, các chỉ tiêu về độ
êm dịu chuyển động của ô tô dưới tác động kích thích từ mặt đường.
Đối tượng: Xe đua sinh viên Formula Student sản xuất bởi nhóm
nghiên cứu Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp.
1.5.3. Phương pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với chế tạo thực nghiệm.
1.5.4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung chính của luận văn như sau:
Chương 1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Chương 2. Thiết kế hệ thống treo xe F-SAE
Chương 3. Xây dựng mô hình dao động xe F-SAE
Chương 4. Mô phỏng dao động và lựa chọn các thông số cho
hệ thống treo xe F-SAE
Chương 5. Chế tạo hệ thống treo xe F-SAE
Kết luận và những kiến nghị.
5
CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO F-SAE.
2.1. Phân tích, lựa chọn hệ thống treo cho xe F-SAE.
Từ các đặc điểm phân tích ở mục 1.2.3 ta lựa chọn kết cấu
hệ thống treo cho xe F-SAE là hệ thống treo Mac Pherson. Hệ treo
này chính là biến dạng của hệ treo 2 đòn ngang nếu coi đòn ngang trên
có chiều dài bằng 0 và đòn ngang dưới có chiều dài khác 0. Chính nhờ
cấu trúc này mà ta có thể có được khoảng không gian phía trong xe để
bố trí hệ thống truyền lực. Sơ đồ cấu tạo của hệ treo trên Hình 2.1 bao
gồm: đòn ngang dưới, giảm chấn đặt theo phương thẳng đứng làm
nhiệm vụ của trụ xoay đứng có một đầu được bắt khớp cầu với đầu
ngoài của đòn ngang tại B, đầu còn lại được bắt vào khung xe. Bánh
xe được nối cứng với vỏ giảm chấn. Lò xo được đặt lồng vào giữa vỏ
giảm chấn và trục giảm trấn.
1- Giảm chấn đồng thời là trụ đứng.
2- Đòn ngang dưới.
3- Bánh xe.
4- Lò xo.
5- Trục giảm trấn.
Sơ đồ cấu tạo hệ Mc.Pherson.
Nếu ta so sánh với hệ treo 2 đòn ngang thì hệ treo Mc.Pherson kết
cấu ít chi tiết hơn, không chiếm nhiều khoảng không và có thể giảm
nhẹ được trọng lượng kết cấu. Nhưng nhược điểm chủ yếu của hệ treo
Mc.Pherson là do giảm chấn vừa phải làm chức năng của giảm chấn
lại vừa làm nhiệm vụ của trụ đứng nên trục giảm chấn chịu tải lớn nên
6
A
giảm chấn cần phải có độ cứng vững và độ bền cao hơn do đó kết cấu
của giảm chấn phải có những thay đổi cần thiết.
2.2. Xác định các thông số cơ bản của hệ thống treo.
Các thông số kĩ thuật của hệ thống treo :
- Tải trọng toàn xe G: G
= 350 (kg).
- Tải trọng đặt lên HTT trước trái, phải G
1T
=G
1P
=75 (kg).
- Tải trọng đặt lên HTT sau trái phải G
2T
=G
2P
= 100 (kg).
- Chiều dài cơ sở của xe L: L = 2500 (mm).
- Khoảng sáng gầm xe : H
min
: H
min
= 80 (mm).
- Bán kính bánh xe r
bx
: r
bx
= 250 (mm).
- Chiều rộng cơ sở của cầu trước B
01
: B
01
= 2000 (mm).
- Chiều rộng cơ sở của cầu sau B
02
: B
02
= 1950 (mm).
- Chiều cao trọng tâm xe H
g
: H
g
= 370 (mm).
- Khoảng cách từ trọng tâm của xe tới cầu trước a: a = 1500 (mm).
- Khoảng cách từ trọng tâm của xe tới cầu sau b: b = 1000 (mm).
2.2.1. Các thông số kĩ thuật của xe Formual SAE.
2.2.2. Xác định hệ số độ cứng và hệ số cản của hệ thống treo.
2.3. Tính toán thiết kế hệ thống treo Mac Pherson.
2.3.1. Các thông số hình học của hệ thống treo.
+ Góc nghiêng ngang trụ đứng
δ
0
:
δ
0
= 8
o
.
+ Góc nghiêng ngang bánh trước
γ
0
:
γ
0
= 1
o
30’.
+ Bán kính bánh xe quay quanh trụ đứng r
0
: r
0
= 25 (mm).
+ Độ võng tĩnh f
t
: f
t
= 140 (mm).
+ Độ võng động f
đ
: f
đ
= 119 (mm).
+ Độ võng tĩnh tĩnh của hệ treo khi không tải f
0t
: f
0t
= 93,3 (mm).
7
+ Khoảng cách từ tâm quay bánh xe tới đòn dưới k
c
: k
c
= 85
(mm).
+ Khoảng cách từ mặt đường tới tâm quay trụ đứng h
O2
: h
O2
=
880(mm)
2.3.2. Động học hệ thống treo Mc.Pherson.
8
CHƯƠNG 3 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XE
FOMULAR STUDENT
3.1. Mô hình dao động của xe F-SAE.
3.1.1. Các phương pháp xây dựng mô hình dao động.
3.1.2. Xây dựng mô hình vật lý.
Các giả thiết :
- Coi thân xe đối xứng qua trục dọc của xe.
- Coi toàn bộ thân xe, động cơ, ghế nghồi và người lái là một tấm
phẳng đồng nhất và tuyệt đối cứng đặt tại trọng tâm xe.
- Coi bánh xe lăn không trượt và luôn tiếp xúc với đường.
- Do khối lượng không được treo là nhỏ nên ta bỏ qua.
- Bốn lốp xe ta coi như là bốn hệ thống lò xo và giảm chấn, tương
tự 4 hệ thống treo coi như 4 hệ thống lò xo giảm chấn.
- Mấp mô mặt đường coi mấp mô mặt đường ngẫu nhiên.
3.2. Thiết lập phương trình vi phân mô tả dao động.
Theo nguyên lý D’alambe ta có :
0
=+
qt
FF
Trong đó:
9
Mô hình kể đến khối luợng M, Jx, Jy
X
Y
Z
q
2P
q
1P
q
1T
q
2T
K
1P
C
2P
C
1P
K
1T
K
2P
C
2T
K
2T
ϕ
θ
C
1T
b
a
BT
BS
L
M
Jx
Jy
F
: là tổng các vectơ ngoại lực tác dụng lên vật.
qt
F
: là vectơ lực quán tính tác dụng lên vật.
Thiết lập các phương trình dao động thân xe:
Mô hình khối lượng được treo ba bậc tự do gồm: dịch chuyển
thẳng đứng, góc lắc dọc và góc lắc ngang trong mô hình dao động
không gian của xe F-SAE. Với quy ước gốc toạ độ của các bậc tự do
tại vị trí cân bằng tĩnh, phương trình động học của thân xe như sau:
1 1 2 2
1 2 1 2
2 2 1 1
2 2 2 2
Z T P P T
t s t s
x T T P P
y P T P T
F Mz F F F F
B B B B
M J F F F F
M J aF aF bF bF
ϕ
θ
ϕ
θ
= = + + +
= = + − −
= = + − −
∑
∑
∑
&&
&&
&&
3.3. Phân tích nguồn kích thích dao động.
3.3.1. Kích thích mặt đường là hàm toán học đơn giản.
3.3.2. Kích thích mặt đường ngẫu nhiên.
Đối với xe đua, hầu hết được chuyển động trên mặt đường bằng
phẳng và nó đuợc thiết kế sát với mấp mô mặt đường của các tuyến
quốc lộ. Trong luận văn này, tác giả sử dụng mấp mô mặt đường dựa
vào tiêu chuẩn ISO/TC108/SC2N67.
Theo tiêu chuẩn ISO mấp mô của mặt đường có mật độ phổ
S
q
(n
0
) và được định nghĩa bằng công thức thực nghiệm:
( ) ( )
ω
−
=
0
0
n
n
nSnS
qq
10
Sơ đồ các lực và mô men tác dụng lên thân xe.
X
Y
Z
ϕ
θ
F
qt
F2P
F1P
F1T
F2T
M
θ
M
ϕ
Trong đó n là tần số sóng của mặt đường (chu kỳ/m), n
0
là tấn số
mẫu (chu kỳ/m), S
q
(n) là mật độ phổ chiều cao của mấp mô mặt
đường (m
3
/chu kỳ), S
q
(n
0
) là mật độ phổ tại n
0
(m
3
/chu kỳ), ω là hệ số
tần số được miêu tả tần số mật độ phổ của mặt đường (thường ω=2).
Hàm mấp mô mặt đường ngẫu nhiên được giả định là quá trình ngẫu
nhiên Gauss và nó được tạo ra thông qua biến ngẫu nhiên Fourier
ngược:
( )
ii,mid
N
i
i,mid
q
tfcos.f
f
)n(Svn
)t(q
φπ∆
+=
∑
=
2
2
1
2
0
2
0
(3-36)
Trong đó
f
i
ff
i,mid
∆
2
12
1
−
+=
với i=1,2,3…n,
i
φ
là pha ngẫu nhiên phân
bố
π÷
20
.
Căn cứ số liệu Bảng 3.1 các loại đường được phân cấp theo tiêu
chuẩn ISO với v=16.7m.s
-1
; f
1
=0.5Hz; f
2
=30Hz; n
0
=0.1m
-1
tác giả đã
tiến hành lập chương trình toán bằng phần mền Matlab 7.04 để mô
phỏng các hàm mấp mô ngẫu nhiên của mặt đường quốc lộ. Hình 2
thể hiện các loại mấp mô ISO cấp B.
Bảng 3.1. Các loại mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO
8068[11].
11
Mấp mô mặt đường theo ISO cấp B
0 5 10 15 20 25 30
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
Time t/s
Map mo mat duong q1/m
Mat duong ISO cap B
Cấp A B C D E F G
Tình trạng
mặt đường
Rất tốt Tốt
Bình
thường
Xấu
Rất
xấu
Tồi
Quá
tồi
S
q
(n
0
) 16 64 256
102
4 4096
1638
4
6553
5
Ưu điểm: Phản ánh sát mấp mô mặt đường thực tế, chính vì vây trong
luận văn này sử dụng mấp mô mặt đuờng ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn
ISO để mô phỏng tối ưu các thông số cho xe F-SAE.
Nhược điểm: Miêu tả hàm mấp mô mặt đường phức tạp.
CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG VÀ LỰA CHỌN
THÔNG SỐ HỆ THỐNG TREO XE F-SAE
12
4.2. Mô phỏng dao động.
4.2.1. Các thông số mô phỏng.
Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật của xe F-SAE.
TT Thông số
Ký
hiệu
Giá trị Đơn vị
1 Khối lượng được treo M 350 kg
2
Khoảng cách từ trọng tâm đến
cầu trước
a 1 m
3
Khoảng cách từ trọng tâm đến
cầu sau
b 1,5 m
4 Vết bánh xe cầu trước B
t
2 m
5 Vết bánh xe cầu sau B
s
1,95 m
6 Độ cứng của HTT trước trái K
1t
19911 N/m
7 Độ cứng của HTT trước phải K
1p
19911 N/m
8 Độ cứng của HTT sau trái K
2t
22414 N/m
9 Độ cứng của HTT sau phải K
2p
22414 N/m
10 Độ cứng của lốp xe trước trái K
l1t
140000 N/m
11 Độ cứng của lốp xe trước phải K
l1p
140000 N/m
12 Độ cứng của lốp xe trước trái K
l2t
140000 N/m
13 Độ cứng của lốp xe trước sau K
l2p
140000 N/m
14 Hệ số cản giảm chấn trước trái C
1t
417 N.s/m
15 Hệ số cản giảm chấn trước phải C
1p
417 N.s/m
16 Hệ số cản giảm chấn sau trái C
2t
464 N.s/m
17 Hệ số cản giảm chấn sau phải C
2p
464 N.s/m
18 Hệ số cản của lốp xe trước trái C
l1t
880 N.s/m
19 Hệ số cản của lốp xe trước phải C
l1p
880 N.s/m
20 Hệ số cản của lốp xe sau trái C
l2t
880 N.s/m
21 Hệ số cản của lốp xe sau phải C
l2p
880 N.s/m
22 Mô men quán tính với trục X J
x
91 Nm.s
2
23 Mô men quán tính với trục Y J
y
569 Nm.s
2
24 Vận tốc khi khảo sát v 80 km/h
4.2.2 Mô phỏng dao động của xe F-SAE.
13
0 5 10
-2
-1
0
1
2
Thoi gian t (s)
Gia toc a
wz
(m/s
2
)
0 5 10
-1
-0.5
0
0.5
1
Thoi gian t (s)
Gia toc goc a
w
φ
(rad/s
2
)
0 5 10
-1
-0.5
0
0.5
1
Thoi gian t (s)
Gia toc goc a
w
θ
(rad/s
2
)
Để giải hệ phương trình mô tả dao động đã trình bày phần 2.2.3,
phần mềm Matlab-Simulink 7.04 được sử dụng mô phỏng. Sơ đồ mô
phỏng tổng thể dao động của xe được trình bầy ở phần dưới.
4.2.3. Kết quả mô phỏng dao động của xe F-SAE.
Chạy sơ đồ mô phỏng tổng thể ở phần 4.2.2 với thông số mô
phỏng Bảng 4.1 khi xe chuyển động trên mặt đường ISO B với vận tốc
v=80km/h. Dưới đây là kết quả dạng đồ thị gia tốc tại vị trí trọng tâm
thân xe :
Bảng 4.2 Gia tốc bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm thân xe.
Loại a
wz
(m/s
2
)
a
w
ϕ
(rad/s
2
) a
w
θ
(rad/s
2
)
14
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Thay doi do cung K (N/m)
Gia toc a
wz
(m/s
2
)
C=0.5Co (N.s/m)
C=1.0Co (N.s/m)
C=1.5Co (N.s/m)
xK
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Thay doi do cung K(N/m)
Gia toc goc a
w
θ
(rad/s
2
)
C=0.5Co(N.s/m)
C=1.0Co(N.s/m)
C=1.5Co(N.s/m)
xK
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
Thay doi do cung K (N/m)
Gia toc goc a
w
φ
(rad/s
2
)
C=0.5Co (N.s/m)
C=1.0Co (N.s/m)
C=1.5Co (N.s/m)
xK
0
đường
ISO B 0.4202 0.2546 0.2896
Từ kết quả Bảng 4.2 chúng ta thấy rằng khi ô tô chuyển động
trên đường ISO B, gia tốc bình phương trung bình là a
wz
=0.4202 m/s
2
theo Bảng1.1 của tiêu chuẩn ISO 2631-1 đánh giá chủ quan độ êm dịu
ô tô, thì người lái cảm giác một chút khó chịu.
4.2.4. Phân tích đánh giá ảnh hưởng thông số thiết kế hệ thống
treo đến độ êm dịu chuyển động của ô tô.
4.2.4.1 Ảnh hưởng của độ cứng K
Để đánh giá ảnh hưởng của độ cứng đến độ êm dịu, thì các thông số
độ cứng tương đương K=[0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2]xK
0
trong
đó K
0
=[K
1T
, K
1P
, K
2T
, K
2P
] là các giá trị độ cứng của xe thiết kế với 3
giá trị hệ số giảm chấn tương đương C=[0.5 1.0 1.5]xC
0
trong đó
C
0
=[C
1T
, C
1P
, C
2T
, C
2P
]
là giá trị hệ số giảm chấn của xe thiết kế trong
tài liệu[1] được chọn để khảo sát ảnh hưởng của chúng đến gia tốc dao
động bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm thân xe.
Gia tốc theo phương đứng. Gia tốc góc theo phương dọc
15
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Thay doi he so giam chan C (N.s/m)
Gia toc a
w z
(m/s
2
)
K= 0.5Ko (N/m)
K= 1.0Ko (N/m)
K= 1.5Ko (N/m)
xC
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Thay doi he so can C (N.s/m)
Gia toc goc a
w
φ
(rad/s
2
)
K=0.5Ko (N/m)
K=1.0Ko (N/m)
K=1.5Ko (N/m)
xC
0
Gia tốc góc theo phương ngang.
Nhận xét:
Nhìn Bảng 4.3 và Hình 4.3 a,b,c chúng ta có thể đưa ra một số
nhận xét dưới đây:
- Khi tăng độ cứng của K thì gia tốc bình phương trung bình theo
phương thẳng đứng, lắc dọc, lắc ngang đều tăng lên, điều đó có nghĩa
là độ êm dịu của xe đều giảm. Khi độ cứng của
0
0,8K K≥
(N/m), thì giá
trị gia tốc bình phương trung bình của thân xe a
wz
≥ 0,4m/s
2
theo tiêu
chuẩn ISO 2631-1 đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô, thì bắt đầu làm
cho người lái cảm giác một chút khó chịu.
- Khi giảm độ cứng của
0
0,4.K K≤
(N/m) thì gia tốc bình phương
trung bình thân xe giảm dần, điều đó có nghĩa là độ êm dịu của xe
tăng lên. Tuy nhiên, để đảm bảo độ cứng vững hệ thống treo khi xe
chuyển động trên mặt đường xấu hơn, thì chọn
0
0,4.K K≥
(N/m).
4.2.4.2. Ảnh hưởng của hệ số cản giảm chấn C.
Để đánh giá ảnh hưởng của nó đến độ êm dịu chuyển động của
xe, các giá trị hệ số cản tương đương C=[0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
1.8 2]xC
0
trong đó C
0
=[C
1T
, C
1P
, C
2T
, C
2P
]
là giá trị hệ số giảm của xe
thiết kế trong tài liệu[1]
với 3 giá trị độ cứng tương đương K=[0.5 1
1.5]xK
0
trong đó K
0
=[K
1T
, K
1P
, K
2T
, K
2P
] là các giá trị độ cứng của xe
thiết kế được chọn để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến gia tốc
bình phương trung bình các phương (a
wz
, a
w
ϕ
, a
w
θ
).
16
Hình 4.3. Gia tốc bình phương trung bình khi K thay đổi.
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
Thay doi he so can C (N.s/m)
Gia toc goc a
w
θ
(rad/s
2
)
K=0.5 Ko (N/m)
K=1.0 Ko (N/m)
K=1.5 Ko (N/m)
xC
o
Gia tốc theo phương đứng Gia tốc góc theo phương dọc
Gia tốc góc theo phương ngang.
Hình 4.4 Các gia tốc bình phương trung bình khi C thay đổi
Nhận xét:
- Từ các Hình a, b và c chúng ta thấy rằng khi hệ số cản tương
đương tăng lên thì các giá trị a
wz
, a
w
ϕ
, a
w
θ
giảm xuống sau đó lại có xu
hướng tăng lên điều đó dẫn tới độ êm dịu chuyển động của xe có xu
hướng nâng cao sau đó là có xu hướng biến đổi xấu.
- Khi hệ số giảm chấn tương đương nằm trong vùng 0.6C
0
≤C≤
1.2C
0
, thì các giá trị a
wz
, a
w
ϕ
, a
w
θ
nằm trong vùng tối ưu, theo tiêu
chuẩn ISO 2631-1 đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô, thì gia tốc bình
phương trung bình của xe nằm trong vùng mà người lái cảm giác thoải
mái.
- Khi thay đổi độ cứng của hệ thống treo theo chiều tăng, thì gia tốc
bình phương trung bình của thân xe tăng lên, điều đó có nghĩa là độ
êm dịu của xe giảm theo chiều K tăng.
17
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
0.2
0.22
0.24
0.26
0.28
0.3
0.32
0.34
0.36
0.38
0.4
He so giam chan C (N.s/m)
Gia toc binh phuong trung binh a
wz
(m/s
2
)
K=0.4Ko (N/m)
K=0.5Ko (N/m)
K=0.6Ko (N/m)
K=0.7Ko (N/m)
K=0.8Ko (N/m)
xCo
4.2.5. Lựa chọn tối ưu một số thông số chính cho hệ thống treo.
Ta tiến hành khảo sát sự phụ thuộc C và K để xác định những bộ
thông số cụ thể trong vùng tối ưu, ta có kết quả sau:
Nhận xét:
Theo tiêu chuẩn ISO, khi ô tô dao động gia tốc bình phương trung
bình theo phương thẳng đứng
315,0a
wz
≤
(m/s
2
) thì con người mới có
cảm giác thoải mái, dựa vào tiêu chuẩn này và kết quả khảo sát trên
Hình 4.5 ta có nhận xét:
- Nếu
0 0
0,6. 1,0.C C C≤ ≤
(N/m) và
0 0
0,5. 0,6.K K K≤ ≤
(N.s/m) thì độ êm
dịu chuyển động của ô tô càng tăng và đảm bảo tiêu chuẩn ISO.
- Nếu
0
0,6.K K≥
(N/m) và không phụ thuộc vào C ta thấy độ êm dịu
chuyển động của ô tô giảm, không đảm bảo theo tiêu chuẩn ISO.
- Nếu
0
0,5.K K≤
(N/m) và không phụ thuộc vào C ta thấy độ êm dịu
chuyển động của ô tô đảm bảo theo tiêu chuẩn ISO, nhưng trường hợp
này độ cứng vững của hệ thống treo sẽ thấp do độ cứng K giảm vì vậy
sẽ không đảm bảo tính ổn định hướng ô tô khi chuyển động.
18
Hình 4.5. Khảo sát ảnh hưởng C và K
đến độ êm dịu chuyển động ô tô sau khi tối ưu
0 2 4 6 8 10
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Thoi gian t (s)
Gia toc binh phuong trung binh a
wz
(m/s
2
)
Bo so lieu moi
Bo so lieu cu
0 2 4 6 8 10
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Thoi gian t (s)
Gia toc goc binh phuong trung binh a
w
φ
(rad/s
2
)
Bo so lieu cu
Bo so lieu moi
0 2 4 6 8 10
-1
-0.5
0
0.5
1
Thoi gian t (s)
Gia toc goc binh phuong trung binh a
w
θ
(rad/s
2
)
Bo so lieu cu
Bo so lieu moi
Kết luận: Vậy dựa trên các kết quả khảo sát Hình 4.5 ta chọn bộ
thông số của hệ thống treo trước như sau:
Bộ thông số
0 0
0 0
0,6. 1,0. ( / )
0,5. 0,6. ( . / )
C C C N m
K K K N s m
≤ ≤
≤ ≤
là bộ thông số tối ưu cho hệ
thống treo vì đảm bảo gia tốc bình phương trung bình đạt tiêu chuẩn
ISO 2631-1.
Áp dụng công thức (3.2),(3.4) ta tính được bộ số liệu tối ưu mới:
Bảng 4.6. Bộ số liệu mới được tối ưu
TT Ký hiệu
Bộ số liệu
nguyên
bản
Bộ số liệu
tối ưu mới
1 K
1T
(N/m) 19911 10717
2 K
1P
(N/m) 19911 10717
3 K
2t
(N.s/m) 22414 12182
4 K
2P
(N.s/m) 22414 12182
5 C
1T
(N/m) 417 537
6 C
1P
(N/m) 417 537
7 C
2T
(N.s/m) 464 642
8 C
2P
(N.s/m) 464 642
9 a
wz
(m/s
2
) 0.4202 0,2972
19
Với các thông số của Bộ số liệu mới số so với Bộ số liệu cũ, giá
trị gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng của Bộ số
liệu mới số giảm so với Bộ số liệu cũ từ 0,4202m/s
2
xuống còn
0,2972m/s
2
, với mức giảm trung bình là 29,27%, theo phương lắc dọc
giảm từ 0,2546 (rad/s
2
) xuống còn 0,1878(rad/s
2
) với mức giảm trung
bình là 26,23%, theo phương lắc ngang giảm từ 0,2896 (rad/s
2
) xuống
còn 0,1957(rad/s
2
) với mức giảm trung bình là 32,42%.
20
Hình 4.6. Kết quả so sánh a
wz ,
a
w
φ
a
w
θ
của Bộ số liệu mới với Bộ số liệu
cũ.
CHƯƠNG 5 - CHẾ TẠO HỆ THỐNG TREO F-SAE
Sau khi tính toán, thiết kế và lựa chọn các thông số tối ưu cho hệ
thống treo xe F-SAE tác giả cùng nhóm nhiên cứu gồm các thầy giáo
trong bộ môn Ôtô đã tiến hành chế tạo thực nghiệm hệ thống treo cầu
trước và cầu sau cho xe F-SAE tại trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp.
Sau gần một tháng thực hiện hăng say dưới đây là một số hình ảnh thể
hiện sản phẩm của đề tài nghiên cứu: Hình 5.1, Hình 5.2, Hình 5.3.
21
Hình 5.1. Hệ thống treo cầu sau xe F-SAE Hình 5.2 Lắp ráp các bộ phận trên xe F-SAE
KẾT LUẬN VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ
Sau một thời gian nghiên cứu, với sự nỗ lực của bản thân được sự
hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Khắc Tuân cùng với
sự giúp đỡ của các thầy trong bộ môn Ôtô – Khoa Cơ khí, Trường Đại
học Kỹ Thuật Công Nghiệp TN cùng với sự động viên kích lệ của bạn
bè tác giả đã hoàn thành cơ bản nội dung của luận văn thạc sĩ của
mình. Luận văn đã đạt được một số kết quả sau đây:
- Nghiên cứu các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô
tô theo tiêu chuẩn ISO.
- Xây dựng được mô hình dao động không gian của xe F-SAE với
3 bậc tự do.
- Ứng dụng thành công mấp mô mặt đường ngầu nhiên theo tiêu
chuẩn ISO 8068 vào bài toán phân tích dao động.
- Phân tích ảnh hưởng của thông số hệ thống treo đến độ êm dịu
chuyển động của xe.
- Lựa chọn thông số tối ưu cho hệ thống treo nhằm nâng cao
hiệu quả làm việc của chúng.
- Chế tạo thành công hệ thống treo cầu trước và cầu sau xe F-SAE.
KIẾN NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN:
- Phân tích ảnh hưởng của đặc tính phi tuyến hệ thống treo đến
hiệu quả làm việc của chúng.
- Phân tích các đặc tính phi tuyến của lốp xe và hiện tượng tách bánh.
- Áp dụng thụât toán tối ưu một hay nhiều hàm mục tiêu để tối
ưu các thông số hệ thống treo.
- Áp dụng lý thuyết điều khiển để điều khiển các thông số của hệ
thống treo nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của chúng.
22
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Khắc Tuân,2013. “Giải mã công nghệ thiết kế, chế tạo xe đua
sinh viên F-SAE” Đề tài cấp cơ sở, ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp TN.
[2] SAE Inc, USA,2004 Formula SAE Rules 2004.
[3] GS.TS. Vũ Đức Lập (1994), Dao động ôtô, Học viện kỹ thuật quân
sự, Hà Nội.
[4] Adam Theander.2004, Design of a Suspension for a Formula Student
Race Car. Trita-ave-26.ISSN
[5] Christian Andrade PID 2283035 Jaime Cardona PID 2117551,2009.
Redesign and optimization of a Formula SAE open wheel race car
suspension
[6] Milliken, William F. & Milliken, Douglas L. (1995), Race Car
Vehicle Dynamics, SAE Inc, USA.
[7] Võ Văn Hường (2004), Nghiên cứu hoàn thiện mô hình khảo sát dao
động ô tô tải nhiều cầu, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trường ĐHBK Hà
Nội.
[8] Trịnh Minh Hoàng(2002), Khảo sát dao động xe tải hai cầu dưới kích
động ngẫu nhiên của mặt đường, Luận án thạc sỹ kỹ thuật, Trường
ĐHBK Hà Nội.
[9] Lưu Văn Tuấn (1994), Nghiên cứu dao động xe ca Ba Đình trên cơ
sở đề xuất các biện pháp nâng cao độ êm dịu chuyên động, Luận án
tiến sỹ kỹ thuật, Trường ĐHBK Hà Nội, Hà Nội.
[10] Dodds C J, and Robson, J D(1973)The description of road surface
roughness. Journal of Sound and Vibration, 31(2), 175–183.
[11] ISO 8068(1995). Mechanical vibration-Road surface profiles -
reporting of measured data.
[12] ISO 2631-1 (1997). Mechanical vibration and shock-Evanluation of
human exposure to whole-body vibration, Part I: General
requirements, The International Organization for Standardization.
23
[13] Guglielmino E., Sireteanu T., Stammers C.W., Ghita G. and Giudea
M.(2008). Semi-active Suspension Control Improved Vehicle ride
and Road Friendliness. New York: Springer Publishing Company.
[14] Fernando J.D’Amato, Daniel E Viasolo,USA Accepted 13
September 1999Fuzzy control for active suspensions.
[15] Hohl GH. Ride comfort of off-road vehicles[C]. In: Proceedings of
the 8th international conference of the ISTVS, vol.I of III,
Cambridge, England, August 5-11; 1984.
[16] Le Van Quynh, Jianrun Zhang, Le Dinh Dat, Nguyen Kim Binh and
Luu Van Tuan (2010), Research on the Optimal Parameters of
Suspension Systems for Improved Ride Comfort Movement of the
Vehicle by Vibration Model with 8 D.O.F, 10th National Conference
of Solid Mechanics, Thai Nguyen, Vietnam, pp615-621.
[17] Mitschke M(1986)． Effect of road roughness on vehicle vibration．
IFF Report． 33( 1) : 165-198．
[18] Le Van Quynh, Jianrun Zhang, Xiaobo Liu and Wang yuan (2011),
Nonlinear dynamics model and analysis of interaction between
vehicle and road surfaces for 5-axle heavy truck, Journal of Southeast
University (Natural Science Edition), Vol 27(4):452-457.
[17]. Nguyễn Doãn Ý (2003), Giáo trình Quy hoạch thực nghiệm, NXB
Khoa học và Kỹ thuật.
[18]. Nguyễn Tiến Thọ, Nguyễn Thị Xuân Bẩy, Nguyễn Thị Cẩm Tú
(2001), Kỹ thuật đo lường kiểm tra trong chế tạo cơ khí, NXB Giáo
dục.
24
