Khảo sát dao động xe khách

Bộ giáo dục đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội

Lê xuân duẩn

Khảo sát dao động xe khách

Chuyên nghành
ô tô và xe chuyên dụng

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
chuyên nghành ô tô và xe chuyên dụng

Người hướng dẫn
Pgs.ts võ văn hường

Hà nội - năm 2012


Cộng hOà xú hộI chủ nghĩa việt nam
độc lập - tự do - hạnh phỳc

LỜI cam Đoan
Tụi xin cam đoan đừy là đề tài nghiờn cứu riờng của tụi dưới sự hướng dẩn
của Thầy giỏo PGS.TS. Vơ Văn Hường. Đề tài được thực hiện tại bộ mụn ễ tụ
và kỹ thuật chuyờn dụng, Viện cơ khớ động lực, Đại học Bỏch Khoa Hà Nội.
Cỏc số liệu, kết quả tŕnh bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng
ai cụng bố trong bất kỳ cụng tŕnh nào.

Nghệ An, ngày thỏng năm 2012
Tỏc giả

Lờ Xuừn Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Ký hiệu

Đơn vị

ý Nghĩa

A

m2

CL

N/m

Độ cứng hướng kính của lốp

Cy

N/m

Độ cứng ngang của lốp

C1j

N/m

Độ cứng nhíp trước

C2j

N/m

Độ cứng nhíp sau

K1j

N/m

Hệ số cản treo trước

Kn, Kt

N/m

Hệ số cản của hệ thống treo ở hành trình nén và hành
trình trả

B1

m

Chiều rộng cơ sở cầu trước

B2

m

Chiều rộng cơ sở cầu sau

s1

m

Khoảng cách giữa hai nhíp trước

s2

m

Khoảng cách giữa hai nhíp sau

Diện tích, thiết diện

hs1

Hệ số phát sinh do di chuyển vị trí đặt lực cầu trước

hs2

Hệ số phát sinh do di chuyển vị trí đặt lực cầu sau

Ct

Nm/rad

Độ cứng thanh ổn định ngang

Ck

Nm/rad

Độ cứng chống xoắn của khung xe

θ

Rad, 0

Góc lắc dọc thân xe

ϕ1

Rad, 0

Góc lắc ngang khối lượng được treo trước

ϕ2

Rad, 0

Góc lắc ngang khối lượng được treo sau

ϕA1

Rad, 0

Góc lắc ngang cầu trước

ϕA2

Rad, 0

Góc lắc ngang cầu sau

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

1

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

ξA1

m

Chuyển vị phương thẳng đứng trọng tâm cầu trước

ξA2

m

Chuyển vị phương thẳng đứng trọng tâm cầu sau

Z1

m

Z2

m

FLij

N

Lực đàn hồi hướng kính của lốp

Fy

N

Lực đàn hồi theo phương ngang của lốp

FC

N

Lực đàn hồi của hệ thống treo

Fk

N

Lực cản của hệ thống treo

Fz,t

N

Tải trọng tĩnh phương thẳng đứng

FZ, dyn

N

Tải trọng động phương thẳng đứng

m

kg

Khối lượng toàn bộ xe

mA

kg

Khối lượng phần không được treo

m1

kg

Khối lượng đựơc treo trước

m2

kg

Khối lượng được treo sau

Mt

Nm/rad

Mô men chống xoắn của thanh ổn định ngang

Mk

Nm/rad

Mô men chống xoắn khung xe

Chuyển vị phương thẳng đứng trọng tâm khối lượng
được treo trước
Chuyển vị phương thẳng đứng trọng tâm khối lượng
được treo sau

W

Hệ số áp lực đường

KB, Kz

Cường độ dao động

Kdyn,max

Hệ số tải trọng động cực đại

f

Hz

Tần số

p0

pa

áp suất buồng khí nén ở trạng thái tĩnh

k

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Số mũ đa biến

2

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

a1

m

Khoảng cách từ cầu trước đến trọng tâm xe

a2

m

Khoảng cách từ cầu sau đến trọng tâm xe

Jy

kgm2

Jx1

kgm2

Jx2

kgm2

JAx1

kgm2

JAx2

kgm2

h11

m

Độ cao cầu trước

h12

m

Độ cao tâm quay tức thời khối lượng được treo trước

h13

m

Độ cao trọng tâm khối lượng được treo trước

h21

m

Độ cao cầu sau

h22

m

Độ cao tâm quay tức thời khối lượng được treo sau

h23

m

Độ cao trọng tâm khối lượng được treo sau

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Mô men quán tính đối với trục y đi qua trọng trâm của
thân xe
Mô men quán tính đối với trục dọc đi qua trọng tâm
khối lượng được treo trước
Mô men quán tính đối với trục dọc đi qua trọng tâm
khối lượng được treo sau.
Mô men quán tính đối với trục dọc đi qua trọng tâm
khối lượng không được treo trước
Mô men quán tính đối với trục dọc đi qua trọng tâm
khối lượng không được treo sau

3

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1: Sự phụ thuộc của gia tốc hiệu dụng theo tần số ............................. Trang 12
Hình 1.2: Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian ......................................... Trang 12
Hình 1.3 a: Phân bố độ êm dịu các loại xe ..................................................... Trang 13
Hình 1.3 b. Phân bố độ êm dịu các loại xe.....................................................Trang 14
Hình 1.4: Sơ đồ đặc tính đàn hồi .................................................................... Trang 16
Hình 2.1: Mô hình hệ thống treo .................................................................... Trang 18
Hình 2.2: Mô hình lốp .................................................................................... Trang 19
Hình 2.3: Đặc tính lực hướng kính của lốp .................................................... Trang 20
Hình 2.4: Mô hình vật lý 1/4 ........................................................................... Trang 22
Hình 2.5: Sơ đồ đặt lực mô hình 1/4................................................................ Trang 22
Hình 2.6: Sơ đồ Simulink cho mô hình dao động 1/4 ..................................... Trang 30
Hình 2.7: Khối tính lực đàn hồi của lốp.......................................................... Trang30
Hình 2.8: Khối tính phản lực Fz .................................................................... Trang 31
Hình 2.9: Khối mô tả hàm kích động ............................................................. Trang 31
Hình 2.10: Sự phụ thuộc cường độ dao động Kz vào tần số và biên độ .......... Trang33
Hình 2.11: Không gian làm của việc hệ treo cơ khí mô hình 1/4 ................... Trang 35
Hình 2.12: Phản lực Fz ................................................................................... Trang 36
Hình 2.13: Đồ thị phản lực Fz ........................................................................ Trang 37
Hình 3.1: Trạng thái cân bằng động ............................................................... Trang 41
Hình 3.2: Các thông số baloon khí nén .......................................................... Trang 41

Hình 3.3: Đặc tính độ cứng của bộ phận đàn hồi khí nén .............................. Trang 42
Hình 3.4: Đặc tính tải của bộ phận đàn hồi khí nén ....................................... Trang 42
Hình 3.5: Mô hình một phần tư với bộ phận đàn hồi khí nén ........................ Trang 44
Hình 3.6:Sơ đồ đặt lực phần thùng xe ............................................................ Trang 45
Hình 3.7: Sơ đồ Simulink cho mô hình 1/4 có HT treo khí nén ..................... Trang 50
Hình 3.8: Khối thân xe.................................................................................... Trang 51
Hình 3.9: Khối xác định Z&& , Z& , Z ................................................................. Trang 51
Hình 3.10: Khối xác định θ&& , θ& , θ

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

........................................................... Trang 52

4

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

Hình 3.11: Khối khối lượng được treo trước .................................................. Trang 52
Hình 3.12: Khối xác định ϕ&&1 , ϕ& 1 , ϕ 1 .......................................................... Trang 53
Hình 3.13: khối xác đinh Z&&1 ........................................................................... Trang 53
Hình 3.14: Khối khối lượng được treo sau ..................................................... Trang 54
Hình 3.15: Khối xác định ϕ&&2 , ϕ& 2 , ϕ 2 ........................................................ Trang 54
Hình 3.16: Khối xác đinh Z&&2 .......................................................................... Trang 55
Hình 3.17: Khối mô tả hệ thống treo trước..................................................... Trang 55
Hình 3.18: Khối mô tả hệ thống treo trước bên phải ...................................... Trang 56

Hình 3.19: Khối mô tả hệ thống treo trước bên trái ....................................... Trang 56
Hình 3.20: Khối xác định độ cứng của bộ phận đàn hồi trước ....................... Trang 57
Hình 3.21: Khối xác định hệ số cản giảm chấn .............................................. Trang 57
Hình 3.21: Khối mô tả hệ thống treo sau ........................................................ Trang 58
Hình 3.22: Khối mô tả hệ thống treo sau bên trái........................................... Trang 58
Hình 3.23: Khối mô tả hệ thống treo sau bên phải ......................................... Trang 58
Hình 3.24: Khối xác định độ cứng hệ thống treo sau .................................... Trang 59
Hình 3.25: Khối mô tả cầu trước .................................................................... Trang 59
Hình 3.26: Khối xác định ξ A1 , ξ&A1 , ξ&&A1 .......................................................... Trang 60
Hình 3.27: khối xác định

ϕ A1 , ϕ& A1 , ϕ&&A1 ........................................................ Trang 60

Hình 3.28: Khối xác định

y A1 , y& A1 , &&
y A1 ....................................................... Trang 61

Hình 3.29: Khối mô tả cầu sau ....................................................................... Trang 62
Hình 3.30: Khối xác định

ξ A2 , ξ&A2 , ξ&&A2 ........................................................ Trang 62

Hình 3.31: Khối xác định

ϕ A2 , ϕ& A2 , ϕ&&A2 ...................................................... Trang 62

Hình 3.32: Khối xác định

y A 2 , y& A 2 , &&

y A 2 ..................................................... Trang 63

Hình 3.34: Khối mô tả lốp trước..................................................................... Trang 63
Hình 3.35: Khối mô tả lốp trước bên phải ...................................................... Trang 64
Hình 3.36: Khối mô tả lốp trước bên trái.........................................................Trang 64

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

5

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

Hình 3.37: Khối mô tả lốp sau ........................................................................ Trang 65
Hình 3.38: Khối mô tả lốp sau bên phảii ........................................................ Trang 65
Hình 3.39: Khối mô tả lốp sau bên trái........................................................... Trang 66
Hình 3.40: Khối mặt đường ............................................................................ Trang 66
Hình 3.41: Khối kích động dạng sin ............................................................... Trang 67
Hình 3.42: Khối xác định mô men thanh ổn định ngang................................ Trang 67
Hình 3.43: Khối xác định mô men do xoắn khung xe .................................... Trang 67
Hình 4.1: Góc lắc ngang cabin ....................................................................... Trang 75
Hình 4.2: ảnh hưởng của độ cứng xoắn khung đến góc lắc thùng xe............. Trang 75
Hình 4.3: ảnh hưởng của độ cứng xoắn khung đến góc lắc cabin .................. Trang 76
Hình 4.4: ảnh hưởng của độ cứng xoắn khung đến góc lắc ngang cầu trước Trang 76
Hình 4.5: ảnh hưởng độ cứng xoắn khung đến tải trọng động bánh xe trước bên tráiTrang
77

Hình 4.6: ảnh hưởng của độ cứng xoắn khung đến góc lắc ngang cabin ....... Trang 79
Hình 4.7: ảnh hưởng của độ cứng xoắn khung đến góc lắc ngang cầu xe ..... Trang 80
Hình 4.8: Không gian làm việc hệ thống treo trước........................................Trang 83
Hình 4.9: Không gian làm việc hệ thống treo sau .......................................... Trang 83
Hình 4.10: Phản lực Fz ở bánh trước bên phải ............................................... Trang 84
Hình 4.11: Phản lực Fz ở bánh sau bên phải....................................................Trang 84
Hình 4.12: Cường độ dao động theo phương thẳng đứng của khối lượng được treo
……………………………………………………………………………….Trang 88
Hình 4.13: Gia tốc hiệu dụng theo phương thẳng đứng của khối lượng được treo
................................................................................................................. .......Trang 88
Hình 4.14: Hệ số tải trọng động cực đại.........................................................Trang 89
Hình 4.15: Hệ số tải trọng động cực tiểu.........................................................Trang 89
Hình 4.16: Hệ số áp lực đường........................................................................Trang 89

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

6

Lê Xuân Duẩn


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC kÝ

hiỆu VÀ CHỮ VIẾT

TẮT.........................................1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ...................................................................4
PHẦN MỞ ĐẦU....................................................................................................7

CHƯƠNG I: CÁC YẾU TỐ TÁC ĐỘNG GÂY DAO ĐỘNG Ô TÔ ............................. 9

1.1. Các yếu tố tác động gây dao động .................................................................... 9
1.2. Đánh giá các nguồn kích động gây dao động ô tô. .......................................... 9
1.3. Ảnh hưởng của dao động ô tô. ....................................................................... 10

1.4 Tiêu chí đánh giá dao động......................................................................
11
1.4.1. Chỉ tiêu về độ êm dịu ............................................................................. 11
1.4.2. Chỉ tiêu về tải trọng động ...................................................................... 14
1.4.3. Chỉ tiêu về không gian bố trí hệ treo .................................................... 15
1.4.4. Khả năng truyền lực ............................................................................. 16

CHƯƠNG II. LẬP MÔ HÌNH ¼ NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG Ô TÔ 17
2.1. Phương Pháp lập hệ phương trình ......................................................... 17
2.1.1. Mô hình hệ thống treo bánh xe ............................................................ 18
2.1.2. Các giả thiết xây dựng mô hình............................................................ 21
2.1.3. Xây dựng mô hình toán học ................................................................. 22
2.1.4 Sử dụng chương trình Simulink trong phần mềm MATLAB để khảo sát 23

2.4.2. Xây dựng mô hình
Simulink……………………………………….29
2.4.3. Khảo sát dao động ................................................................................. 31
2.4.4. Khảo sát phản lực Fz ............................................................................ 36
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XE KHÁCH ...................................................... 37

3.1. Phân tích đặc điểm cấu trúc xe khách và các giả thiết ………..38
3.1.1. Phân tích đặc điểm cấu trúc xe khách ................................................. 38

3.1.2. Các giả thiết khi xây dựng mô hình………………………………38
3.2. Phân tích đặc điểm dao động của các khối lượng và định nghĩa hệ toạ độ 39
3.2.1. Phân tích đặc điểm dao động của các khối lượng ............................... 39
3.2.2. Định nghĩa hệ trục toạ độ ..................................................................... 40
3.3. Mô hình vật lý ................................................................................................. 40
3.4. Xây dựng mô hình toán học ............................................................................ 43
3.4.1.Xác định các lực đặt lên hệ ........................................................................... 43
3.4.2. Xây dựng mô hình toán học mô tả dao động của xe. ................................... 45
3.4.2.1.Thân xe ................................................................................................ 45
3.4.2.2. Hệ dao động trước .............................................................................. 45
3.4.2.2.1. Khèi l-îng ®-îc treo
tr-íc……………………………………….45
3.4.2.3. Hệ dao động sau ................................................................................. 46
3.4.2.3.1 Khối lượng được treo sau ................................................................ 46
3.4.2.3.2 Khối lượng không được treo sau ..................................................... 47
3.4.2.3.3. Xác định quan hệ động học ............................................................ 47
3.4.2.4.4.Xác định lực căt................................................................................ 47

3.4.3.Ứng dụng chương trình MATLAB – Simulink mô tả hệ dao động
xe ………………………………………………………………………… 49
3.4.3.1.Kiểm nghiệm mô hình ......................................................................... 67
3.4.3.2 Kích động măt đường có dạng sin ...................................................... 68
3.4.3.3Kích động dạng bước nhảy .................................................................. 70
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KHẢO SÁT DAO ĐỘNG Ô TÔ BẰNG MÔ HÌNH 1/4
............................................................................................................................................. 71

4.1. Các phương án khảo sát. ................................................................................. 71
4.2. Nội dung khảo sát và các kết quả…………………………………………..71
4.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng xoắn khung xe CK đến dao động .. 73
4.2.2. Khảo ảnh hưởng của thanh ổn định đến dao động............................. 77

4.2.3. Khảo sát không gian làm việc hệ thống treo và lực Fz tại các bánh xe


.......................................................................................................................... 80
4.2.4. Khảo sát độ êm dịu của xe mẫu ............................................................ 85
KẾT LUẬN……………………………………………………………………….91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………….93


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận văn
Ngày nay cùng sự tiến bộ không ngừng khoa học và công nghệ ngành công nghiệp
ô tụ trên thế giới đang có những bước chuyển biến mạnh mẽ trong thiết kế và chế tạo.
Các mẩu xe mới liên tục ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của hành khách và
người sử dụng. Hướng phát triển mong muốn là tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu ôi nhiểm
môi trường, nõng cao chất lượng và an toàn lao động.
Ở nước ta, các nhà máy sản xuất lắp sáp đang đứng trước cơ hội phát triển khi
giao thông không ngừng mở rộng và nâng cấp, nhu cầu đi lại và vận chuyển ngày càng
gia tăng. Sự lựa chọn của người sử dụng hứng vào xe có chất lượng cao, trong đó đặc
biệt chú ư đến sự an toàn và thoái mái khi sử dụng.
Theo số liệu thống kê, hiện nay các cơ sở sản xuất lắp ráp ôt ô trong nước mổi
năm cho ra đời khoảng 20000 ô tô khách các loại.Theo dự báo của chính phủ, nhu cầu
sản lượng ô tô khách các loại đến 2020 là 30000 ụ tụ trờn năm, tăng 50%. Với phương
pháp thiết kế như hiện nay, các loại ô tô khách chế tạo trong nước khó đảm bảo được sự
thoả hiệp tối ưu giữa các mục tiêu mâu thuẫn nhau như các chỉ tiêu về chất lượng động
lực học, các chỉ tiêu về độ bền và chi phí sản xuất.

Khi ụ tô chuyển động có rất nhiều yếu tố giây dao động làm mất tính an toàn và
êm dịu chuyển động. Đõy là hai tiờu chí rất quan trọng, không thể tách rời nhưng lại
mâu thuẫn với nhau trong quá t́nh chuyển động, được quyết định chủ yếu bởi chất lượng
của hệ thống treo. Tuy nhiên, trong hầu hết các thiết kế mới ô tô khách và nghiên cứu hệ
thống treo ô tô ở nước ta hiện nay thường tập trung chủ yếu vào chỉ tiêu êm dịu và ít
quan tâm đến an toàn chuyễn động. Trên cơ sở lư thuyết, bài toàn khảo sát dao động hệ
thống treo ô tô với hai hàm mục tiêu đồng thời độ an toàn và êm dịu chuyễn động có thể
giải quyết nhanh chóng nhờ phần mền tiên tiến. Xuất phát từ những thực trạng trên, đề
tài “Khảo sat dao động ô tô khách ” nhằm nghiên cứu hoàn thiện kết cấu hệ thống treo để

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

7

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động là thực sự cần thiết và có ư nghĩa khoa học
trong điều kiện thực tế của ngành công nghiệp Ô tô Việt Nam.
Mục đích nghiên cứu của luận án.
Mục đích nghiên cứu của luận án là xây dựng mô h́nh nghiên cứu dao động ô tô
nhằm xác định các chỉ tiêu về êm dịu, an toàn động lực học và độ thân thiện với môi
trường ô tô khách sản xuất lắp ráp và sử dụng trong nước.
Đối tượng và mục tiêu nhiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu của luận án ụ tụ Hyundai - County HD 29 E3.Phạm vi
nghiên cứu của luận án là tính toán dao động và đánh giá dao động dựa theo các chỉ tiêu

của như : (i) độ êm dịu chuyển động, (ii) không gian treo, (iii) hệ số tải trọng liên quan
đến an toàn động lực học và áp lực .
Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu của luận án tính toán dao động bằng mô h́nh; lập mô
h́nh bằng phương pháp tách cấu trúc của hệ nhiều vật và sử dụng phương tŕnh NewtonEuler; mô phỏng bằng phần mền chuyên dụng MatLab-Simulink.
Ư nghĩa khoa học và thực tiển.
Thông qua viêc nghiên cứu lư thuyết luận án góp phần hoàn thiện phương pháp
tính toán hệ thống treo nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động ụ tô khách sản xuất
lắp sáp và sử dụng trong nước, đồng thời giới thiệu một phương pháp thiết kế khoa học
của hệ thống treo ô tô dựa trên các công cụ tính tính toán hiện đại.
Bên cạnh những đóng góp giá trị về mặt lư thuyết, kết quả nghiên cứu của luận
án c̣n có thể ứng dụng nâng cao chất lượng của sản phẩm của các doanh nghiệp sản xuất
lắp sáp ô tô trong nước, gúp các doanh nghiệp có một nhăn quan toàn diện về chất lượng
sản phẩm hiện tại để chế tạo ra những sản phẩn có chất lượng ngang tầm thế giới trong
tương lai.
Bố cục luận án.
Xuất phát từ mục đích, đối tượng phạm vi và phương pháp nghiên cứu. Ngoài phần
mở đầu và kêt luận chung, bố cục luận án bao gồm các chương như sau:
+ Chương 1 : Tổng quan về dao động (nguyên nhân gây dao động, tiêu chí đánh giá ảnh
hưởng của dao động

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

8

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

+ Chương 2 : Nghiên cứu dao động mô hình
+ Chương 3 : Xây dựng mô h́nh xe khách
+ Chương 4 : Ứng dụng khảo sát dao động xe khách
CHƯƠNG I: CÁC YẾU TỐ TÁC ĐỘNG GÂY DAO ĐỘNG Ô TÔ
1.1. Các yếu tố tác động gây dao động
- Mấp mô mặt đường: Trong thực tế mấp mô mặt đường mang tính chất ngẫu
nhiên, chúng thay đổi trong quỏ trỡnh xe chuyển động về độ cao mấp mô, khoảng cách
giữa các mấp mô…
- Gió, độ mạnh nhẹ, chiều hướng, tính chất là ngẫu nhiên, thay đổi trong quá trỡnh
xe chuyển động và về cơ bản tâm tác động của gió không trùng với trọng tâm của xe.
- Lực quỏn tớnh:
+ Lực quỏn tớnh do phanh xe;
+ Lực quán tính do tăng tốc;
+ Lực quỏn tớnh do xe quay vũng. Khi quay vũng xe ngoài gia tốc dọc cũn xuất
hiện gia tốc ngang ảnh hưởng tới dao động ô tô.
Kích động do động cơ hoạt động, những tác động của động cơ đến dao động ụ tụ
phụ thuộc vào tỡnh trạng làm việc của động cơ, tỡnh trạng tải do vậy cũng mang tớnh
chất ngẫu nhiờn.
1.2. Đánh giá các nguồn kích động gây dao động ô tô.
Trong các yếu tố gây dao động ở trên thỡ yếu tố mấp mụ mặt đường được coi là
nguồn chủ đạo gây dao động ô tô. Vỡ mụ tả chớnh xỏc quy luật kớch động của mấp mô
mặt đường là tốn kém, và phức tạp nên trong nghiên cứu dao động ô tô thỡ tuỳ thuộc vào
mục tiờu nghiờn cứu mà ta cú thể mụ tả mấp mụ mặt đường theo các dạng sau:
+ Dạng sin: h = h0 sin(2π f )t
+ Dạng bước nhảy hay dạng xung: Xe đi lên một mấp mô.
+ Dạng ngẫu nhiờn: h = f (t ) ≈ (m f , R f (τ )) .
Trong đó:

mf : là giỏ trị trung bỡnh

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

9

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

Rf : hàm tương quan.

τ

: thời gian tương quan.

Khi nghiờn cứu dao động ô tô bằng việc xây dựng mô hỡnh rồi mụ phỏng dao
động của xe thỡ việc kiểm tra mụ hỡnh bằng cỏch chọn cỏc kớch động là dạng xung đơn
hoặc tuần hoàn sẽ dễ dàng hơn cả mà vẫn đảm bảo tính chính xác. Khi đó tín hiệu đầu
vào là tường minh và tín hiệu ra của mụ hỡnh cú thể đánh giá được.
Khi nghiên cứu ô tô dưới kích động là một số loại đường cụ thể buộc ta phải làm
thí nghiệm, đo đạc, nghiên cứu, khảo sát các loại đường đó và sử dụng hàm ngẫu nhiên
để mô tả. Hiện nay đó cú nhiều cụng trỡnh của cỏc tác giả trong ngoài nước nghiên cứu
quy luật phân bố ngẫu nhiên của đường và mô tả chúng. Trong giới hạn của luận văn khi
nghiên cứu dao động ô tô dưới kích động của đường ta có thể sử dụng kết quả của những
công trỡnh nghiờn cứu đó cú.
1.3. Ảnh hưởng của dao động ô tô.

Đối với sức khoẻ của người đặc biệt là của lái xe, dao động của xe có thể gây mệt
mỏi, căng thẳng cho lái xe ảnh hưởng đến hoạt động lái xe đặc biệt là phản xạ để xử lý
tỡnh huống.
Đối với hàng hoá: dao động của xe có thể làm hư hỏng hàng hoá như dập lát, góy,
vỡ hoặc thay đổi tính chất của hàng hoá…
Đối với đường: khi xe chạy trên đường, dao động của ô tô gây ra tải trọng động
cùng với tải trọng tĩnh của xe làm hư hỏng đường và cầu cống.
Đối với ô tô:
+ Tác động từ mặt đường lên xe gây ra dao động làm va đập, và gây ra tải trọng
thay đổi đối với các chi tiết ô tô ảnh hưởng đến độ bền lâu của chi tiết (xuất hiện các
dạng hỏng mỏi chi tiết).
+ Ảnh hưởng đến khả năng truyền lực cũng như tính điều khiển hướng chuyển
động của xe, ổn định chuyển động, …Thật vậy, dao động ô tô tạo lên các tải trọng động
trên các bánh xe làm thay đổi độ bám đường của bánh xe và tạo ra các gia tốc lắc làm
ảnh hưởng đến chuyển động của xe.

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

10

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

+ Chuyển động tương đối giữa thân xe và cầu xe liên quan đến việc bố trí không
gian cho hệ treo khi thiết kế ụ tụ.

1.4. Tiêu chí đánh giá dao động
1.4.1. Chỉ tiêu về độ êm dịu
- Đối với con người: Người ta định nghĩa cường độ dao động KB là một hàm của
gia tốc bỡnh phương trung bỡnh, tần số dao động và thời gian tác dụng được tính toán
phụ thuộc vào phương tác dụng:

K B = f ( &&
z, f ,t)
Theo tiờu chuẩn ISO 2631:
- Cường độ dao động theo phương thẳng đứng Kz được xác đinh như sau:
K z =10 a z

K z = 20 a z
Kz =

f

với 1 ≤ f ≤ 4 Hz

(1.1)

với 4 ≤ f ≤ 8 Hz

160a z
f

(1.2)

với 8 ≤ f ≤ 80 Hz

(1.3)

- Tiêu chuẩn ISO- 2631 đưa ra các ngưỡng Kz như sau:
Kz < 0,2

Không cảm nhận được dao động

0,2 ≤ Kz ≤ 0,4

Có thể cảm nhận được dao động

0,4 ≤ Kz ≤ 1,6

Cảm nhận tốt dao động

1,6 ≤ Kz ≤ 6,3

Giới hạn thoải mỏi với t < 24h

6,3 ≤ Kz ≤ 12,5

Cảm giỏc mạnh

12,5 ≤ Kz ≤ 100

Cảm giỏc rất mạnh

Kz = 112

Cảm giác như bị chấn động không chịu được nhiều hơn 1

phút, gây ảnh hưởng sức khỏe.

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

11

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

Gia tốc bỡnh phương trung bỡnh
theo phương z

ảnh hưởng xấu đến
sức khoẻ
hỳ
Cảm giỏc rất mạnh
Cảm nhận mạnh
Giới hạn thoải mỏi, t
1 phỳt
Cảm nhận tốt
Có thể cảm nhận được
Không cảm nhận được

Hỡnh 1.1. Sự phụ thuộc

Tần số kích động
của(Hz)
gia tốc bỡnh phương

trung bỡnh theo tần số

Khi thời gian kộo dài giới hạn này sẽ giảm dần, xem hỡnh 1.2

Hỡnh 1.2. Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

12

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

Để dễ dàng xem xét, người ta đưa ra quan hệ giới hạn gia tốc phụ thuộc tần số f
và tham số thời gian như hỡnh 1.2.
- Đối với hàng hoá: Theo Hiệp hội đóng gói Đức BFSV, ngưỡng an toàn cho hàng
hoá như sau:

amax= 0,3g – giới hạn cảnh bỏo
amax= 0,5g – giới hạn can thiệp

(g – gia tốc trọng trường)

+ Giới hạn cảnh báo: Hệ thống treo hoặc đường xá đó hỏng đến mức cần có kế
hoạch sửa chữa.
+ Giới hạn can thiệp: đường đó hỏng nặng, cần sửa chữa ngay.

Hỡnh 1.3.a. Phân bố độ ờm dịu cỏc loại xe

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

13

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

Hỡnh 1.3.b. Phân bố độ êm dịu các loại xe
1.4.2. Chỉ tiêu về tải trọng động
Khi xe chuyển động trên đường, dao động của các khối lượng ô tô tạo nên tải
trọng động tác động lên đường và phản lực từ đường tác dụng lên bánh xe. Tải trọng
động cực đại làm hư hỏng đường và giảm tuổi thọ của các chi tiết. Tải trọng động cũn
ảnh hưởng đến an toàn động lực học của xe.
a. Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với đường
Một số nghiên cứu tại Anh và Mỹ đó đưa ra rằng mức độ ảnh hưởng của dao động
ô tô đến cầu và đường tỷ lệ với số mũ bậc 4 của áp lực bánh xe với đường. Theo Mr.
Wilkinson đưa ra công thức xác định hệ số áp lực đường w như sau:

w = 1 + 6η 2 + 4η 4

η=

(1.4)

max( Fz ,dyn )

(1.5)

Fz , st

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

14

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường
i

W=

Xe cú i bỏnh xe thỡ ỏp lực toàn xe là:

∑ w (i ) F (i )
z , st

1

(1.6)

i

∑ Fz ,st ( i )
1

b. Chỉ tiêu về độ bền chi tiết
Hệ số tải trọng động cực đại: kdyn ,max = 1 +
Trong đó:

max ( Fz ,dyn )
Fz , st

≤ 2,5

(1.7)

kdyn,max: Hệ số tải trọng động cực đại

Fz,dyn

: Tải trọng động bánh xe

Fz,st : Tải trọng tĩnh bỏnh xe
Kích động ngẫu nhiên max(Fz,dyn) được xác định như sau:
T

Fz , RMS

1
[ Fz (t ) − Fz , st ]2 dt
=
∫
T 0

và kdyn ,max =

1, 64 Fz , RMS
Fz , st

+1

(1.8)

c. Chỉ tiêu về an toàn động lực học
Tải trọng động ảnh hưởng đến mức độ bám đường của bánh xe do vậy nó ảnh
hưởng trực tiếp đến khả năng truyền lực dọc khi tăng tốc và khi phanh, giữ ổn đinh quỹ
đạo chuyển động. Người ta định nghĩa hệ số tải trọng động cực tiểu kdyn,min để chỉ ra
giảm khả năng truyền lực của bánh xe

kdyn,min = 1 +

min ( Fz ,dyn )

0 ≤ kdyn ,min ≤ 1

Fz , st

Kdyn,min = 0,5

giới hạn cảnh bỏo

Kdyn,min = 0

giới hạn can thiệp

(1.9)

1.4.3. Chỉ tiờu về khụng gian bố trớ hệ treo
Khả năng chọn độ vừng động, độ vừng tĩnh và vị trớ đặt ụ hạn chế hành trỡnh của
hệ treo.

f d y n tr ≤ m a x ( ξ − z ) ≤ f d y n n

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

15

(1.10)

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

Trong đó:

(ξ − z )

PGS.TS. Vừ Văn Hường

- chuyển vị tương đối giữa khối lượng được treo và khối

lượng không được treo.

f dyn tr - độ vừng động hành trỡnh trả của hệ treo.
f dyn n - độ vừng động hành trỡnh nộn của hệ treo, là vị trớ đặt ụ hạn chế hành
trỡnh.

C = tg α : Độ cứng bộ
phận đàn hồi HT treo
n
f dyn
: Hành trỡnh nộn
t
f dyn
: Hành trỡnh trả

s

: Khụng gian

làm việc
của hệ thống treo.
Hỡnh 1.4. Sơ đồ đặc tính đàn hồi

1.4.4. Khả năng truyền lực

Khả năng truyền lực của bánh xe cả hai phương dọc và ngang đều phụ thuộc phản
lực từ đường lên bánh xe theo phương thẳng đứng. Như vậy, tải trọng động âm (Fzmin) có
ý nghĩa quyết định.

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

16

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

CHƯƠNG 2. LẬP Mễ HèNH 1/4 NGHIấN CỨU DAO ĐỘNG Ô TÔ
Mô hình 1/4 đơn giản và hiệu quả trong việc khảo sát thiết kế tối ưu hệ treo; là mô
hình cơ sở để lập mô hình 3D.
2.1. Phương pháp lập hệ phương trỡnh
Khi nghiên cứu dao động ôtô ta thấy nó là một hệ nhiều vật bao gồm hữu hạn
các vật liên kết đàn hồi với nhau và chuyển động tương đối với biên độ lớn và tần số
thấp từ 0 đến 50Hz.
Phương pháp Newton-Euler thân thiện hệ nhiều vật và với người sử dụng hơn. Đó
là phương pháp tách cấu trúc, mỗi vật trong hệ được coi là một hệ con. Việc thành lập
phương trỡnh cho một hệ con dựa vào nguyờn lý lực cắt. Nguyờn lý đó là, tại điểm cắt
các nội lực của hệ cân bằng với các ngoại lực tác dụng; các nội lực và mômen cùng
phương nhưng ngược chiều và có cùng cường độ. Cần chú ý rằng khi sử dụng phương
pháp tách vật và nguyên lý lực cắt, cơ hệ và hệ con cần được thiết lập ở trạng thái cân
bằng tĩnh. Khi đó các lực cắt trở thành ngoại lực gây dao động cho các vật.
Việc lập và chọn mụ hỡnh phải theo 3 tiờu chớ sau:

1) Mục tiờu nghiờn cứu;
2) Cấu trúc riêng của đối tượng nghiên cứu;
3) Khả năng tính toán và phương tiện tính toán.
Ngày nay, khả năng tính toán hầu như không bị hạn chế, nên chủ yếu khi chọn và
lập mô hỡnh thường căn cứ vào mục tiêu và đặc điểm kết cấu của đối tượng.
Về mục tiêu nghiên cứu có thể bao hàm các vấn đề như sau:
+ Nghiên cứu tối ưu hệ treo, cả hệ treo tích cực. Đối với mục tiêu này thỡ mụ
hỡnh 1/4 là đủ.
+ Nghiên cứu về dao động liên kết, thường dùng mô hỡnh phẳng; mụ hỡnh phẳng
cũng cũn dựng để nghiên cứu ảnh hưởng của đường.
+ Nghiên cứu sự trượt và lật dưới tác động của ngoại lực như đường mấp mô, gió
bên nên thường sử dụng mô hỡnh 1/2.
Sau đây là một số mô hỡnh cơ bản được trỡnh bày trong nhiều tài liệu và nhiều
khi khụng ai rừ ai là tỏc giả đầu tiên.

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

17

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

Trước khi xây dựng mô hỡnh 1/4 ta cần cú cỏc mụ hỡnh của cỏc hệ thống và cỏc
chi tiết liờn quan.
2.1.1. Mụ hỡnh hệ thống treo và bỏnh xe
a. Mụ hỡnh hệ thống treo

Hệ thống treo được đặc trưng bởi độ cứng của bộ phận đàn hồi C và hệ số cản của
giảm chấn K. Nếu bỏ qua ma sát giữa các lá nhíp thỡ cú thể khỏi quỏt hệ thống treo như
hỡnh sau:

Hỡnh 2.1. Mụ hỡnh hệ thống treo
- Lực đàn hồi của hệ thống treo được xác định như sau:
t
t
⎧C∞ (ξ − z − fdyn
) − Cfdyn
⎪
Fc = ⎨C(ξ − z)
⎪C (ξ − z − f n ) − Cf n
dyn
dyn
⎩ ∞

Trong đó:

Kh
i
Kh
i

t
(ξ − z ) < − f dyn
t
n
≤ (ξ − z ) < f dyn
f dyn

(2.1)

n
(ξ − z ) ≥ f dyn

Kh

t
f dyn
: Độ vừng động hành trỡnh trả
n
f dyn
: Độ vừng động hành trỡnh nộn

C

: Độ cứng của hệ thống treo

Z

: Chuyển vị của khối lượng được treo

ξ

: Chuyển vị của khối lượng không được treo

- Lực cản của giảm chấn được xác định như sau:

⎧⎪ K n (ξ& − Z& )

Fk = ⎨
⎪⎩ K t (ξ& − Z& )
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Hành trỡnh nộn
Hành trỡnh trả

18

(2 2)

Lê Xuân Duẩn


Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

Trong đó:
Kn: Hệ số cản giảm chấn hành trỡnh nộn
Kt: Hệ số cản giảm chấn hành trỡnh trả
Do vậy: F = FC + FK

(2.3)

Trên đây chỉ là mô hỡnh phổ biến trong thực tế nghiờn cứu thỡ với loại xe nào ta
sẽ cú mụ hỡnh cụ thể.
b. Mụ hỡnh bỏnh xe
Nhiều nghiên cứu đó cho thấy lốp cú thể được mô tả gồm các phần tử đàn hồi
theo các hướng khác nhau và các phần tử giảm chấn. Như vậy lốp có thể được miêu tả

như một hệ thống treo hỡnh 3.2. Trong mụ hỡnh lốp, ta thấy lực FZ và Fy là hai lực tương
tác bánh xe và đường, có thể gọi là lực khớp đặc biệt. ξ là chuyển vị lên xuống của cầu,
h là chiều cao mấp mô đường, y là dịch chuyển ngang của lốp, CL là độ cứng hướng kính
của lốp và KL là hệ số cản của lốp theo phương hướng kính. Cy là độ cứng theo phương
ngang và Ky là hệ số cản của lốp theo phương ngang.

Hỡnh 2.2: Mụ hỡnh lốp
Phương trỡnh cõn bằng lực phớa bỏnh xe theo phương thẳng đứng là:

mξ&& = − FC − FK + FCL + FKL

(2.4)

Phương trỡnh cõn bằng lực phớa nền đường: FZ = FCL + FKL

(2.5)

Trong đó:
FZ: phản lực bánh xe xuống đường
FCL = CL(h - ξ):

Lực đàn hồi lốp

FKL = K L ( h& − ξ&) : Lực cản của lốp

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

19

Lê Xuân Duẩn

Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Vừ Văn Hường

Fz,t = (m + mA)g : Tải trọng tĩnh
Khi dao động, bánh xe chuyển động lên xuống bởi hai quá trỡnh nộn và trả
(hỡnh 1.7) :

FC
Fz,dy
FCL=CL (hξ)

-ft

(h

mg

FZ

Fz,dy
FZ,

dyn

≡

FZ

O

mg
(h
-ft

O(FZ

)

(h

Hỡnh 2.3: Đặc tính lực hướng kính của
lốp

- Quỏ trỡnh nộn cú hai giai đoạn:

+ Giai đoạn cân bằng tĩnh: -ft ≤ (h-ξ) ≤ 0 và -mg ≤ FC ≤ 0
+ Giai đoạn cân bằng động:

(h-ξ) ≥ 0 và FC ≥ 0

- Quỏ trỡnh trả bắt đầu khi:
(h-ξ) ≤ - ft và FC = 0
Tại thời điểm (h-ξ) = - ft xảy ra hiện tượng tách bánh. Đây là thời điểm gián đoạn,
làm cho hệ phương trỡnh phi tuyến mạnh.

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

20

Lê Xuân Duẩn