Nghiên cứu về dao động ô tô

Chơng 1
tổng quan về dao động ô tô
1.1. Dao động ô tô và các ảnh hởng của nó.
1.1.1. Dao động ô tô.
ô tô là một hệ dao động cơ học bao gồm nhiều khối lợng có mối liên kết
với nhau và nằm trong mối liên hệ chặt chẽ với bề mặt đờng có biên dạng phức
tạp. Trong lý thuyết ôtô [4,6] khi nghiên cứu dao động ôtô thờng giả thiết là
khối lợng của ôtô là tập trung, đợc chia làm hai phần đợc treo và không đợc
treo. Dao động của phần đợc treo là dao động phức tạp và có thể xem là tập hợp
một số dao động đơn giản. Khi đó phần đợc treo có thể thực hiện đồng thời 3
dịch chuyển tịnh tiến theo các trục toạ độ OX, OY, OZ và 3 dịch chuyển góc
xung quanh các trục này. Trong đó, dịch chuyển tịnh tiến theo phơng trục OZ
và dịch chuyển góc tơng đối xung quanh trục OY (lắc dọc), OX (lắc ngang) là
có ảnh hởng nhiều nhất tới độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động
của ôtô.
Các giá trị tần số, dịch chuyển, vận tốc dịch chuyển và gia tốc dịch chuyển
của các khối lợng khác nhau trên ôtô đợc xác định bởi các đặc trng về khối lợng
của chúng, các đặc tính của các phần tử của hệ thống treo, cũng nh chế độ vận
tốc chuyển động của ôtô và đặc trng của biên dạng bề mặt đờng.
1.1.2. Các nguồn gây dao động ô tô.
Đối với một cơ hệ bất kỳ, nguồn kích thích dao động có hai dạng là các
kích thích động học và kích thích lực học.
Trên ôtô có nhiều nguồn gây ra dao động của ô tô:
- Độ lệch tâm và hình dạng không đồng đều của bánh xe, độ không cân
bằng của các bánh xe và các chi tiết quay của động cơ, hệ thống
truyển lực.
- Các ngoại lực xuất hiện trong quá trình chuyển động của ôtô khi tăng
tốc, khi phanh, khi quay vòng.
3
- Các mấp mô bề mặt đờng
Cho đến nay mấp mô biên dạng đờng vẫn đợc coi là nguồn chính gây ra

dao động ô tô. Các mấp mô biên dạng đờng là kích động động học từ mặt đ-
ờng, có thể mô tả bằng nhiều cách:
- Mô tả bằng các hàm xác định thờng là các mấp mô dạng xung hoặc
mấp mô có dạng hàm điều hoà.
- Mấp mô biên dạng đờng mô tả bằng hàm ngẫu nhiên của chiều cao
nhấp nhô theo chiều dài đờng.
Việc nghiên cứu dao động của ô tô bằng mô hình ở giai đoạn phát triển mô
hình thì hai nhóm kích động đơn và tuần hoàn là hợp lý vì tín hiệu vào là tờng
minh cho phép quản lý tín hiệu ra của mô hình. Khi nghiên cứu dao động ôtô d-
ới tác dụng của đờng ở một vài loại đờng, ở một vài khu vực cụ thể, nhất thiết
phải đo đạc về đờng và nhất thiết phải sự dụng hàm ngẫu nhiên.
1.1.3. ảnh hởng của dao động đối với ô tô, đờng giao thông và cơ thể con
ngời .
Dao động ô tô ảnh hởng xấu đến con ngời, hàng hoá chuyên chở trên xe,
đến khả năng làm việc và độ bền của các cụm, các cơ cấu tổng thành trên xe.
a. ảnh hởng của dao động lên cơ thể con ngời.
Khi ô tô chuyển động sinh ra các dao động tác động lên ngời ngồi trên ô tô
làm cho cơ thể con ngời vừa thực hiện dao động riêng tắt dần và dao động cỡng
bức. Các ảnh hởng này đợc đề cập đến trong khái niệm độ êm dịu chuyển động
của ôtô. Lực kích thích tác động lên cơ thể con ngời bằng một trong hai đờng
truyền : Có thể là tác động vào phần mông (nêu ngồi trên ghế) hoặc tác động
vào bàn chân (nếu ngời đó đứng). Ngoài ra đối với ngời lái còn bị tác động từ
vô lăng vào tay ngời lái. Dao động phức tạp này gây biến đổi tâm sinh lý làm cơ
thể mỏi mệt giảm năng suất làm việc gây ảnh hởng lâu dài đến sức khoẻ.
ảnh hởng của dao động ô tô đối với cơ thể con ngời phụ thuộc vào rất
nhiều yếu tố : Thời gian tác động, hớng tác động, đặc tính của hàm kích dao
động(là ngẫu nghiên, liên tục, gián đoạn có chu kỳ hay không có chu kỳ)cũng
4
nh các đại lợng đặc trng cho dao động nh : Tần số, biên độ, vận tôc, gia tốc dao
động.

b. ảnh hởng của dao động ô tô đến độ bền xe, đơng giao thông và
độ an toànkinh tế chuyển động.
Khi ô tô dao động sẽ phát sinh các tải trọng động tác dụng lên khung vỏ
ôtô, lên các cụm, hệ thống và các chi tiết của xe cũng nh bề mặt đờng ảnh h-
ởng đến độ bền và tuổi thọ của ôtô và đờng. Theo số liệu thống kê ngời ta thấy
rằng, khi ôtô vận tải chạy trên đờng xấu gồ ghề, so với ôtô cùng loại chạy trên
đờng tốt bằng phẳng thì vận tốc trung bình giảm khoảng (40ữ50)%, quãng đờng
chạy giữa hai kỳ sửa chữa lớn giảm (35ữ40)%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng
(50ữ70)%, năng suất vận chuyển giảm (35ữ40)%, giá thành vận chuyển tăng
(50ữ60)% [6]. Đối với độ bền chi tiết ô tô thì ảnh hởng của của dao động đợc
thể hiện một cách rõ rệt. Khi dao động, gia tốc dao động gây ra các tải trọng
quán tính và có thể xẩy ra hiện tợng cộng hởng làm cho h hỏng các chi tiết,
khung vỏ của xe
Dao động của ôtô sẽ gây ra sự thay đổi giá trị phản lực pháp tuyến giữa
mặt tiếp xúc của bánh xe với bề mặt đờng. Nếu giá trị phản lực pháp tuyến giảm
so với trờng hợp tải trọng tĩnh thì sẽ giảm khả năng tiếp nhận các lực dọc (lực
kéo, lực phanh) và lực ngang, còn khi giá trị phản lực này tăng lên thì sẽ tăng
tải trọng động tác dụng xuống nền đờng.
Trong quá trình chuyển động xe có thể xảy ra hiện tợng tách bánh (bánh
bị nhấc khỏi mặt đờng) làm độ an toàn chuyển động giảm vì lúc đó mất khả
năng bám của bánh xe với mặt đờng. Đối với bánh xe chủ động khi có hiện tợng
tách bánh thì công của động cơ lúc này trở thành công vô ích năng lợng của
động cơ không trực tiếp đẩy ô tô chuyển động mà làm bánh xe quay không, sau
đó bánh xe lại tiếp tục tiếp xúc với mặt đờng tạo ra ma mát trợt giữa bánh xe vơí
mặt đờng làm mòn lốp, gây va đập trong hệ thống truyền lực. Nếu hiện tợng này
xẩy ra nhiều và liên tục sẽ làm tăng tiêu hao nhiên liệu ảnh hởng đến tính kinh
5
tế của ô tô. Ngoài ra chính các lực tác động thờng xuyên xuống mặt đờng phá
hỏng bề mặt đờng.
Dao động của ô tô chủ yếu phụ thuộc vào thông số kết cấu của hệ thống

treo. Vì vậy yêu cầu khi thiết kế chế tạo phải lựa chọn các thông số của hệ
thống treo hợp lý vừa đảm bảo độ êm dịu, độ bền, độ cứng vững, vừa tuân theo
điều kiện làm việc nhất định của hệ thống treo.
1.1.4. Các yếu tố ảnh hởng đến dao động ô tô.
Dao động ô tô phụ thuộc vào nhiều yếu tố thể tổng hợp thành 3 nhóm :
- Nhóm 1 là các thông số sử dụng nh vận tốc chuyển động của ô tô,
điều kiện chất tải,
- Nhóm 2 là các thông số mô tả nhấp nhô bề mặt đờng nh biên độ và
chiều dài sóng mặt đờng (đờng có biên dạng điều hoà) ; các hệ số nội
suy (với đờng có biên dạng bất kỳ đợc mô tả các ham xấp xỉ ) hoặc
các đặc trng thống kê của hàm ngẫu nhiên mô tả nhấp nhô bề mặt đ-
ờng.
- Nhóm 3 bao gồm các thông số kết cấu của xe nh: Đặc tính của hệ
thống treo (độ cứng và hệ số cản giảm chấn) ; độ cứng của lốp; các
khối lợng treo và không treo của ôtô và sự phân bố chúng ra các cầu;
độ cứng vững của khung vỏ xe, bố trí chung của xe
Các tham số kết cấu thi rất nhiều nhng để tờng minh cho mô hình khảo sát
trong trong chơng 2 đồ án này sẽ đề cập đến một số thông số kết cấu cơ bản
của hệ thống treo.
1.2. Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô
Đánh giá ảnh hởng của dao động có tính lịch sử. Trớc đây nguời ta đánh
giá ảnh hởng của dao động ô tô theo hai chỉ tiêu là độ êm dịu và tải trọng động
tởng trng cho sự ảnh hởng đến tuổi thọ chi tiết.
Ngày nay, dao động của ôtô đợc đánh giá các tiêu chí chính:
- Chỉ tiêu về độ êm dịu.
Chỉ tiêu đối với con ngời
Chỉ tiêu đối với hàng hoá.
6
- Chỉ tiêu về tải trọng động
Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống

nền đờng.
Chỉ tiêu về độ bền chi tiết.
Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với đờng.
- Chỉ tiêu về an toàn động lực.
- Chỉ tiêu về không gian bố trí treo.
1.2.1. Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động.
Độ êm dịu chuyển động là ảnh hởng của dao động ôtô đến con ngời và
hàng hoá khi xe chuyển động trên đờng. Việc đánh giá độ êm dịu chuyển động
là rất khó khăn do phụ thuộc nhiều vào sự cảm nhận chủ quan và sức chịu đựng
dao động của con ngời. Độ êm dịu chuyển động của ôtô có thể hiểu là tập hợp
các tính chất đảm bảo hạn chế các tác động ảnh hởng xấu của dao động tới con
ngời, hàng hoá, đến các kết cấu của ôtô.
Với khái niệm về độ êm dịu chuyển động ở trên, ta thấy: Một ôtô đảm bảo
độ êm dịu chuyển động có nghĩa là các thông số đánh giá độ êm dịu chuyển
động của nó nằm trong giới hạn cho phép, theo tiêu chuẩn đánh giá.
Để đánh giá độ êm dịu chuyển động, các tổ chức khác nhau trên thế giới
đã đa ra rất nhiều chỉ tiêu, tiêu chuẩn khác nhau. Dới đây là một số chỉ tiêu
chính để đánh giá độ êm dịu chuyển động theo các công trình nghiên cứu khác
nhau:
a. Chỉ tiêu đối với con ngời
- Chỉ tiêu về tần số dao động
Khi con ngời đi thì thực chất là đang thực hiện một dao động. ở mỗi ngời
do thói quen, vóc dáng khác nhau mà việc thực hiện bớc đi có khác nhau nhng
nói chung thông thờng thì con ngời thực hiện đợc khoảng 60ữ90 bớc đi trong
một phút, tức là tần số dao động tơng ứng từ 1ữ1,5 Hz. Do vậy ngời ta cho
7
rằng ôtô có chuyển động êm dịu là khi nó chạy trên mọi địa hình thì tần số dao
động riêng nằm trong khoảng 1ữ1,5 Hz.
Thực tế ngời ta thờng lấy giá trị tần số dao động thích hợp cho các loại
ôtô nh sau:

n = 60 ữ 85 lần /phút đối với xe du lịch.
n = 85 ữ 120 lần /phút đối với xe vận tải.
- Chỉ tiêu về gia tốc dao động.
Độ êm dịu chuyển động của ô tô còn đợc đánh giá trên cơ sở các thông
số về dao động của ô tô nh giá trị bình phơng trung bình của gia tốc theo các
phơng X, Y, Z là:
c
Z

,
c
X

,
c
Y

. Cụ thể theo [7]:

c
Z

2,5 (m.s-2)

c
Y

0,7 (m.s-2)

c

X

1,0 (m.s-2)
Các số liệu trên có thể xem là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyển
động của ôtô, bởi vì nó dựa trên cơ sở số liệu thống kê. Mặt khác, điều quan
trọng hơn là dao động ôtô truyền cho con ngời thực chất là tác động ngẫu
nhiên với dải tần số rộng và phức tạp theo cả hớng tác dụng.
- Chỉ tiêu dựa trên số liệu cảm giác theo gia tốc và vận tốc dao động.
Ngời ta đánh giá trên cơ sở cho rằng cảm giác con ngời khi chịu dao
động phụ thuộc vào hệ số độ êm dịu chuyển động K [7 ].
Hệ số K phụ thuộc vào tần số dao động, gia tốc dao động hoặc vận tốc
dao động , phơng dao động (theo phơng thẳng đứng và phơng ngang) và thời
gian tác động của chúng lên cơ thể con ngời.
Hệ số K xác định theo trị số của biên độ gia tốc
Z

hoặc bình phơng
trung bình
c
Z

theo công thức sau đây:
8

cyc
ZkZZK

..
.01,01
18

.
.01,01
5,12
22
=
+
=
+
=

(1.1)
Trong đó:
- tần số dao động (Hz);
Z

- gia tốc dao động (m.s
-2
);
c
Z

- bình phơng trung bình của gia tốc (m.s
-2
);
k
y
hệ số hấp thụ.
Nếu K = const thì cảm giác khi dao động sẽ không thay đổi.
Hệ số K càng nhỏ thì con ngời càng dễ chịu đựng dao động, K=0.1 tơng
ứng với ngỡng kích thích. Khi ngồi lâu dài trên xe K=10 25; khi ngồi ngắn

hạn K=25-63.
[Hz]
Hình1.1- Các đờng cong cảm giác nh nhau ở dao động điều hoà
Những công thức và số liệu đa ra ở trên là ứng với tác động lên con ngời
là hàm điều hoà.
Khi kích thích dao động ô tô là hàm ngẫu nhiên thì giá trị hệ sô K đợc
xác định theo công thức sau:


=
=
n
i
i
KK
1
(1.2)
9
Trong đó:
K
i
- hệ số độ êm dịu của thành phần thứ i.
n- số thành phần của hàm ngẫu nhiên.
Giá trị của K có thể xác định bằng tính toán hoặc xác định bằng thực
nghiệm. Trên hình 1.2 đa ra sơ đồ xác định hệ số K bằng thực nghiệm.
Hình 1.2: Sơ đồ xác định thực nghiệm hệ số độ êm dịu K
- Đánh giá cảm giác theo công suất dao động.
Chỉ tiêu này dựa trên giả thiết rằng: cảm giác của con ngời khi dao động
phụ thuộc vào trị số của công suất dao động truyền cho con ngời.
Công suất trung bình truyền đến con ngời sẽ là:

dttvtP
T
N
T
c
.)().(.
1
lim


=
(1.3)
Trong đó : p(t)- Lực tác động lên con ngời khi dao động.
v- Vận tôc dao động.
Số liệu thực nghiệm theo giá trị cho phép [N
c
].
+ [N
c
] = 0,2 ữ 0,3 (W) tơng ứng với cảm giác thoải mái.
+ [N
c
] = 6 ữ 10 (W) là giới hạn cho phép đối với ôtô có tính năng
thông qua cao.
u điểm cơ bản của chỉ tiêu này là nó cho phép kể đến tác dụng đồng thời
của dao động với các tần số khác nhau và theo các hớng khac nhau.
Năng lợng tổng cộng truyền đến con ngời có thể xác định nh sau:
10