LẬP mô HÌNH và KHẢO sát đặc TÍNH ĐỘNG lực học THẲNG ĐỨNG XE bán MOÓC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------

VŨ THÀNH NIÊM

LẬP MÔ HÌNH VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH
ĐỘNG LỰC HỌC THẲNG ĐỨNG XE BÁN MOÓC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

Hà Nội – Năm 2012


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----------------------------------------

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình
nào khác!
Hà Nội, ngày 5 tháng 4 năm 2012
Tác giả

Vũ Thành Niêm

1

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ………………………………………………………………...........1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ……………………………………...2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ……………………………………………….3
LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………………….4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU …………………………..9
1.1. Những vấn đề chung ………………………………………………………………9
1.2. Ảnh hưởng của dao động ô tô ……………………………………………………..9
1.3. Nguồn gây dao động ……………………………………………………………..10
1.4. Các chỉ tiêu đánh giá dao động …………………………………………………..11
1.4.1. Chỉ tiêu về độ êm dịu ……………………………………………………….12
1.4.2. Chỉ tiêu về tải trọng động ……………………………………………….......14
1.4.3. Chỉ tiêu về không gian bố trí treo …………………………………………...15
1.5. Phân tích chọn đối tượng, phương pháp nghiên cứu ……………………………..16
1.5.1. Đối tượng nghiên cứu ……………………………………………………….16
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu ………………………………………...…………16
1.6. Tính cấp thiết của đề tài ………………………………………………………….17
Kết luận chương 1 ……………………………………………………………………18
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC
HỌC THẲNG ĐỨNG XE BÁN MOÓC ……………............................19
2.1. Phương pháp lập hệ phương trình ……………………………………………......19
2.2. Cấu trúc xe bán mooc …………………………………………………………….20
2.3. Xây dựng mô hình ………………………………………………………………..21
2.3.1. Thiết lập các phương trình động lực học của xe bán mooc ………………....21
2.3.2. Các phương trình liên kết ……………………………………………….......27
Kết luận chương 2 ………………………………………………………………….....31


CHƯƠNG 3. GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH BẰNG MATLAB SIMULINK VÀ CÁC
PHƯƠNG ÁN KHẢO SÁT ……………………………………............31

3.1. Xây dựng chương trình mô phỏng bằng Simulink ……………………………….32
3.2. Số liệu đầu vào …………………………………………………………………...32
3.3. Tính toán các điều kiện đầu ……………………………………………………....35
3.3.1. Xây dựng hàm kích động …………………………………………………...35
3.3.2. Xác định lực cản không khí ban đầu Fw0x ………………………………......36
3.3.3. Tính các phản lực tĩnh tại các bánh xe FZi , st ………………………………...36
3.3.4. Xác định lực dọc ban đầu Fx0i ……………………………….......................36
3.3.5. Xác định hệ số trượt ban đầu s0i ………………………………....................37
3.3.6. Xác định mô men ban đầu M0i …………………………..............................37
3.4. Các phương án khảo sát…………………………………………………………..37
Kết luận chương 3 ………………………...…………………………………………..38
CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ …………………………….39
4.1. Kiểm chứng mô hình …………………………………………….……………….39
4.2. Khảo sát ảnh hưởng của biên dạng mặt đường tới đặc tính động lực học thẳng
đứng xe bán moóc ……………………………………………………………….44
4.3. Khảo sát ảnh hưởng của lực quán tính khi phanh tới đặc tính động lực học thẳng
đứng xe bán moóc ……………………………………………………………….58
KẾT LUẬN …………………………………………………………………………...95
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………..96


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

Giải nghĩa

z1 , z& 1 , &&
z1

m, m/s,
m/s2

Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương thẳng đứng của
khối lượng treo đầu kéo

z11 , z& 11

m, m/s

Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của cầu 1

z23 , z& 23

m, m/s

zk 1 , z& k1

m, m/s

z2 , z& 2 , &&
z2

m, m/s,
m/s2

Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của cầu
tương đương 2 và 3
Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của chốt

kéo (đầu kéo)
Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương thẳng đứng của
khối lượng treo rơ mooc

z24 , z& 24

m, m/s

Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của cầu 4

z25 , z& 25

m, m/s

Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của cầu 5

zk 2 , z& k 2

m, m/s

x1 , x& 1 , &&
x1
x2 , x& 2 , &&
x2

m, m/s,
m/s2
m, m/s,
m/s2

ϕ1 ,ϕ 2

rad

ξi , ξ&i , ξ&&i

m, m/s,
m/s2

ϕ Ai

rad

Góc lắc của cầu i

ϕ A 23

rad

Góc lắc của cầu tương 2 và 3

ϕ A 45

rad

Góc lắc của thanh cân bằng cầu 4, 5

h0i

m

Biên độ mặt đường cầu i

h1

m

Chiều cao từ trọng tâm đầu kéo đến tâm bánh xe

h2

m

Chiều cao từ trọng tâm rơ mooc đến tâm bánh xe

Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của chốt
kéo (rơ mooc)
Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương dọc của khối
lượng treo đầu kéo
Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương dọc của khối
lượng treo rơ mooc
Góc lắc của đầu kéo, rơ mooc
Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khối lượng không được
treo cầu i (i = 1 ÷ 5)

2


hk1

m

Chiều cao từ trọng tâm đầu kéo đến chốt kéo

hk2

m

Chiều cao từ trọng tâm rơ mooc đến chốt kéo

l1

m

Khoảng cách từ trọng tâm đầu kéo đến cầu 1

l2

m

l3

m

l4

m

2a

m

Khoảng cách giữa cầu 2 và 3

2b

m

Khoảng cách giữa cầu 4 và 5

2c

m

Chiều dài thanh cân bằng 4, 5

m1

kg

Khối lượng được treo đầu kéo

m2

kg

Khối lượng được treo rơ mooc

m23

kg

Khối lượng cầu tương đương 2 và 3

m45

kg

Khối lượng thanh cân bằng cầu 4, 5

mAi

kg

Khối lượng không được treo cầu i

Jy1

kgm2

Mô men quán tính trục y của khối lượng treo đầu kéo

Jy2

kgm2

Mô men quán tính trục y của khối lượng treo rơ mooc

JyA23

kgm2

Mô men quán tính trục y của cầu tương đương 2 và 3

JyA45

kgm2

Mô men quán tính trục y của thanh cân bằng cầu 4, 5

JyAi

kgm2

Mô men quán tính trục y của cầu i

C1

N/m

Độ cứng nhíp cầu 1

Khoảng cách từ trọng tâm đầu kéo đến trung điểm cầu
cân bằng 2, 3
Khoảng cách từ trọng tâm rơ mooc đến trung điểm cầu
cân bằng 2, 3
Khoảng cách từ trọng tâm rơ mooc đến thanh cân bằng
cầu 4, 5

3

C23

N/m

Độ cứng nhíp cầu cân bằng 2, 3

C4

N/m

Độ cứng nhíp cầu 4

C5

N/m

Độ cứng nhíp cầu 5

K1

Ns/m

Hệ số cản hệ thống treo cầu 1

K23

Ns/m

Hệ số cản hệ thống treo cầu cân bằng 2, 3

K4

Ns/m

Hệ số cản hệ thống treo cầu 4

K5

Ns/m

Hệ số cản hệ thống treo cầu 5

CLi

N/m

Độ cứng hướng kinh của lốp cầu i

Ckx, Ckz

N/m

Độ cứng khớp nối theo phương x, z

FCi

N

Lực đàn hồi của hệ thống treo cầu i

FKi

N

Lực cản của hệ thống treo cầu i

FCLi

N

Lực đàn hồi của lốp i

Fkx

N

Phản lực của khớp theo phương x

Fkz

N

Phản lực của khớp theo phương z

Fwx

N

Lực cản không khí

A

m2

Diện tích cản chính diện

c

Hệ số khí động

ρ

kg/m3

v

m/s

Fxi

N

Mật độ không khí
Vận tốc của xe
Lực dọc của lốp i

4

Fxi′

N

Lực dọc của khung tác dụng lên cầu i

FZi

N

Phản lực của đường tác dụng lên bánh i

Fzi,st

N

Tải trọng tĩnh của bánh xe thứ i

Mi

Nm

fi

Mô men cấp cho bánh i
Hệ số cản lăn bánh xe i

r0i

m

Bán kính tự do của lốp i

fti

m

Độ võng tĩnh lốp i

si

Hệ số trượt bánh i

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Sự phụ thuộc của gia tốc bình phương trung bình theo tần số ……………..13
Hình 1.2: Sơ đồ đặc tính đàn hồi ...................................................................................16
Hình 2.1: Các thông số kích thước của xe bán mooc ....................................................21
Hình 2.2: Các tọa độ suy rộng của mô hình xe bán mooc .............................................22
Hình 2..3: Mô hình động lực học của đầu kéo ..............................................................23
Hình 2..4: Mô hình động lực học cầu 1, 2, 3 của đầu kéo .............................................23
Hình 2..5: Mô hình động lực học cầu tương đương 2, 3 ...............................................24
Hình 2..6: Mô hình động lực học của bán mooc ...........................................................25
Hình 2..7: Mô hình động lực học cầu 4 và cầu 5 của bán mooc ...................................25
Hình 2..8: Mô hình động lực học thanh cân bằng cầu 4 và 5 .... ..................................26
Hình 2.9: Phản lực Fz của đường tác dụng lên các bán xe ............................................28

Hình 2.10: Mô hình lốp .................................................................................................29
Hình 2.11: Mô men phanh ............................................................................................31
Hình 3.1-3.6: Kiểm chứng mô hình .........................................................................38-42
Hình 3.7-3.24: Khảo sát ảnh hưởng của biên dạng mặt đường tới đặc tính động lực học
thẳng đứng xe bán moóc ..........................................................................................45-56
Hình 3.25-3.88: Khảo sát ảnh hưởng của lực quán tính khi phanh tới đặc tính động lực
học thẳng đứng xe bán moóc ...................................................................................59-93

6


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khi mà ô tô đã trở thành phương tiện đi lại ngày càng phổ biến, tốc độ
ô tô ngày càng tăng cao thì yêu cầu về độ êm dịu chuyển động ngày càng cao. Thêm
vào đó cũng cần có những đánh giá đúng mức ảnh hưởng của dao động ô tô đối với
con người và môi trường. Ở Việt Nam, ô tô tải vận chuyển hàng hóa ngày càng tăng
nên việc nghiên cứu dao động của đoàn xe đang được quan tâm nhằm xây dựng và bổ
sung các tiêu chuẩn kỹ thuật, tối ưu hóa cấu trúc trong thiết kế. Ngoài yêu cầu về độ
êm dịu chuyển động, ngày nay người ta buộc phải chú ý đến các tiêu chí khác như: an
toàn hàng hóa, ảnh hưởng của tải trọng động của bánh xe đến đường (áp lực đường), và
cuối cùng là mức độ giảm tải trọng dẫn đến làm giảm khả năng truyền lực khi tăng tốc
và phanh.
Trước nhu cầu trên tác giả đã lựa chon đề tài: “Lập mô hình và khảo sát đặc
tính động lực học thẳng đứng xe bán mooc”. Từ mô hình trên chúng ta có cơ sở để
nghiên cứu các ảnh hưởng của dao động đến con người, môi trường và hàng hóa, đưa
ra các chỉ tiêu đánh giá.
Phạm vi nghiên cứu động lực học thẳng đứng của đoàn xe rất rộng nên trong
khuôn khổ của đề tài chỉ tập trung vào các nội dung sau:
-

Xây dựng mô hình tính toán cho xe bán mooc.

-

Thiết lập các phương trình toán học mô tả dao động của xe bán mooc.

-

Giải hệ phương trình được thành lập trên máy tính.

-

Khảo sát các trạng thái dao động và mô phỏng kết quả trên máy tính, xem xét sự
thay đổi các thông số của nguồn gây dao động và các tác động bên ngoại ảnh
hưởng như thế nào đến dao động của xe bán mooc.

Tác giả xin trân trọng cảm ơn đến các thầy trong bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng –
Viện cơ khí động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt gửi lời cảm chân
thành tới PGS.TS.Võ Văn Hường – Thầy giáo hướng dẫn đề tài – đã tận tình giúp đỡ,

7


hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và các phương pháp giải quyết vấn đề cụ
thể đặt ra.
Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu có hạn nên đề tài khó tránh khỏi sai sót. Tác giả
rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn đồng
nghiệp nhằm bổ sung và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu tiếp theo.
Hà Nội, ngày 5 tháng 4 năm 2012
Tác giả

Vũ Thành Niêm

8


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 . NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG
Ngành công nghiệp ôtô thế giới đã phát triển trên một trăm năm. Những sản
phẩm của nó ngày càng chứa hàm lượng công nghệ cao hơn, ôtô ngày càng chạy nhanh
hơn, số lượng ngày càng nhiều, các xe tải ngày càng có khối lượng lớn hơn. Những yếu
tố phát triển đột biến đó đã đưa đến những áp lực mới cho xã hội như tai nạn giao
thông, mức độ phá hủy đường sá ngày càng nghêm trọng . Nghiên cứu để hoàn thiện
các kết cấu của ôtô nhằm nâng cao an toàn chuyển động và giảm ảnh hưởng xấu của
dao động với môi trường là một nhu cầu cấp thiết của nhiều quốc gia.
Nghiên cứu về dao động ôtô nói riêng và về động lực học ôtô nói chung ngày
càng được quan tâm đúng mức. Ôtô là liên kết của một hệ nhiều vật (MBS), các khối
lượng đó liên kết với nhau bằng các phần tử có đặc tính phi tuyến phức tạp, ví dụ như
đặc tính giảm chấn, đặc tính đàn hồi, sự va chạm của bánh xe.
-

Khi nghiên cứu dao động ô tô người ta thường quan tâm đến những vấn đề sau:
o Nguồn gây dao động
o Ảnh hưởng của dao động
o Các chỉ tiêu đánh giá dao động

1.2. ẢNH HƯỞNG CỦA DAO ĐỘNG Ô TÔ
- Đối với sức khỏe con người, đặc biệt là 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 ứng để xử lý tình
huống.

- Đối với hàng hóa: dao động của xe có thể làm hư hỏng hàng hóa như dập nát, gãy, vỡ
hoặc thay đổi tính chất của hàng hóa …
- 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.

9


- 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 do mỏi).
+ 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 nên 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.
+ Chuyển động tương đối giữa thân xe và cầu xe liên quan đến việc bố trí không
gian cho hệ treo khi thiết kế ô tô.
1.3 . NGUỒN GÂY DAO ĐỘNG
- Mấp mô mặt đường: Trong thực tế mấp mô mặt đường mang tính chất ngẫu nhiện.
Chúng thay đổi trong quá trình xe chuyển động.
- Gió: Cường độ gió, chiều hướng gió có tính chất ngẫu nhiên và về cơ bản tâm tác
động của gió không trùng với trọng tâm của xe.
- Lực quán tính
+ Lực quán tính do phanh xe.
+ Lực quán tính do tăng tốc.
+ Lực quán tính do quay vòng. Khi quay vòng ngoài gia tốc dọc còn xuất hiện
gia tốc ngang ảnh hưởng đến dao động của ô tô.
- Kích động do động cơ hoạt động. Những tác động của động cơ đến dao động ô tô phụ
thộc vào tình trạng làm việc, chế độ tải. Do vậy cũng mang tính chất ngẫu nhiên.

Đến nay yếu tố mấp mô của đường, vẫn được coi là nguồn chủ đạo gây dao động
ôtô. Để mô tả kích động về đường, có hai dạng sau:
• Mô tả bằng các hàm xác định trong đó có:
o Mấp mô đơn (xung)
o Mấp mô có quy luật điều hòa:

10


Hàm:

h = hosinωt

• Mô tả bằng các hàm ngẫu nhiên
h = f(t) ≈ (mf , Rr(τ))
Trong đó:
mf : giá trị trung bình
Rf : hàm tương quan
τ : Thời gian tương quan.
Chọn loại kích động nào là phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu. Nếu nghiên cứu
ảnh hưởng đến dao động ôtô của một vùng, khu vực thì nhất thiết phải có kích động
ngẫu nhiên. Còn nếu phát triển mô hình tối ưu hệ treo hoặc phân đoạn thiết kế chế thử
thì kích động theo nhóm 1 sẽ hiệu quả và dễ đánh giá hơn. Khi xây dựng mô hình rồi
mô phỏng dao động của xe thì việc kiểm tra mô hình bằng cách chọn các kích động là
dạng xung đơn hoặc tuần hoàn sẽ dễ dàng hơn mà vẫn đảm bảo tính chính xác. Khi đó
tín hiệu đầu vào là tường minh và tín hiệu ra của mô hình có thể đánh giá được.
Trong khuôn khổ đề tài tác giả sẽ chọn nguồn gây dao động là mấp mô mặt
đường với quy luật điều hòa: h=hosinωt và do lực quán tính khi phanh.
1.4 . CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG
Trước đây, người ta đánh giá ảnh hưởng dao động ôtô theo 2 chỉ tiêu là độ êm

dịu và tải trọng động, tượng trưng cho sự ảnh hưởng đến tuổi thọ chi tiết. Ngày nay, do
nhận thức mới về ảnh hưởng của dao động, các chỉ tiêu đựơc xác lập theo các tiêu chí
mới như sau:
1. Chỉ tiêu về độ êm dịu
+ Chỉ tiêu đối với khách
+ Chỉ tiêu đối với hàng hóa
2. Chỉ tiêu về tải trọng động
+ Chỉ tiêu về độ bền chi tiết
+ Chỉ tiêu về mức độ phá đường

11


+ Chỉ tiêu về an toàn động lực học
3. Chỉ tiêu về không gian bố trí hệ treo
1.4.1. Chỉ tiêu về độ êm dịu
Độ êm dịu chuyển động (“Drive comfort) là một khái niệm chỉ sự cảm nhận phủ
quan của người về dao động. Cảm giác đó được phỏng vấn trực tiếp các nhóm người
khác nhau và như vậy độ êm dịu (ngưỡng) là chủ quan. Lĩnh vực này được đông đảo
các nhà khoa học trong ngành cơ kỹ thuật, y tế, bảo hiểm lao động, kỹ thuật chống
rung, chống ồn quan tâm.
- Đối với con người: Người ta định nghĩa cường độ dao động KB là một hàm của gia
tốc bình phương trung bình, tần số dao động và thời gian tác dụng được tính toán phụ
thuộc vào phương tác dụng:
KB = f ( &&
z, f , t )

Theo tiêu chuẩn ISO 2631:
+ KB = 20 – Giới hạn êm dịu
+ KB = 50 – Giới hạn điều khiển

+ KB = 125 – Giới hạn gây bệnh lý
- Cường độ dao động theo phương thẳng đứng Kz được xác định như sau:
K z = 10az
K z = 20az
Kz =

160az
f

f

Với 1 ≤ f ≤ 4 Hz
Với 4 ≤ f ≤ 8 Hz
Với 8 ≤ f ≤ 80 Hz

- 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 mái với t ≤ 24 h.

12


6,3 ≤ Kz ≤ 12,5

Cảm giác mạnh

12,5 ≤ Kz ≤ 100

Cảm giác rất mạnh

Kz = 112

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

phút, gây ảnh hưởng tới sức khỏe.

Gia tốc bình phương trung bình theo phương z

Ảnh hưởng xấu đến sức khỏe,
t < 1 phút
Cảm giác rất mạnh
Cảm nhận mạnh
Giới hạn thoải mái, t < 1 phút
Cảm nhận tốt
Có thể cảm nhận được
Không cảm nhận được

Tần số kích động (Hz)

Hình 1.1: Sự phụ thuộc của gia tốc bình phương trung bình theo tần số
- Đối với hàng hóa: Theo hiệp hội đóng gói Đức BFSV, ngưỡng an toàn cho hàng hóa
như sau:
amax = 0,3g – Giới hạn cảnh báo
amax = 0,5g – Giới hạn can thiệp (g – gia tốc trọng trường)
Giới hạn cảnh báo: Hệ thống treo hoặc đường xá đã hỏng đến mức cần có kế
hoạch sửa chữa.
Giới hạn can thiệp: Đường đã hỏng nặng cần có kế hoạch sửa chữa ngay.

13


1.4.2. Chỉ tiêu về tải trọng động
* Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với đường
Sau những năm 1990, ôtô ngày càng có tải trọng lớn, tỷ trọng kinh tế của cầu và
đường trong ngành giao thông ngày càng được đánh giá cao. Các nhà nghiên cứu của
Anh, Mỹ đã đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của dao động ôtô đối với cầu và đường.
Người ta thấy rằng mức độ ảnh hưởng của dao động ôtô đế cầu và đường tỷ lệ với số
mũ bậc 4 của áp lực bánh xe với đường. Họ đã đưa ra khái niệm Road stress
Coefficient, tạm gọi là hệ số áp lực đường w, là hệ số có thể đánh giá mức độ ảnh
hưởng của dao động ôtô với cầu và đường. Trong một số tài liệu còn có tên tiếng Anh
là Dynamic wear factor. Theo đó, Wilkinson đã nêu ra công thức xác định hệ số áp lực
đường w như sau :
w = 1 + 6η 2 + 4η 4

η=

max( Fz ,dyn )

Fz , st

Khi bánh xe có i bánh xe thì áp lực toàn xe là
i

w=

∑ w(i) F

z , st

(i )

1

i

∑F

z , st

(i )

1

* Chỉ tiêu về độ bển chi tiết.
Ta định nghĩa lại hệ số tải trọng động cực đại như sau:
kdyn ,max = 1 +

max( Fz ,dyn )

Fz , st

Trong đó:
Kdyn,max : Hệ số tải trọng động cực đại
Fz,dyn

: Tải trọng động bánh xe

Fz,st

: Tải trọng tĩnh bánh xe

14

≤ 2,5


Với kích động ngẫu nhiên max (Fz,dyn) được xác định như sau:

σ Fz = Fz , RMS =
kdyn ,max = 1 +

và

T

2
1
F
t

−
F
dt
(
)
(
)
,
z
z
st
T ∫0

1,64 Fz , RMS
Fz , st

* Chỉ tiêu về an toàn động lực học
Giới hạn về chuyển động của ôtô, tức là khả năng truyền lực khi tăng tốc và
phanh, giữ ổn định quỹ đạo chuyển động, đều phụ thuộc vào mức độ tăng giảm tải
trọng động của bánh xe xuống đường. Do vậy, người ta đã tách ra định nghĩa hệ số tải
trọng động cực tiểu kdyn, min để chỉ ra sự giảm khả năng truyền lực của bánh xe.
kdyn ,min = 1 +

min( Fz ,dyn )
Fz ,st

0 ≤ kdyn,min ≤ 1

kdyn, min= 0,5

giới hạn cảnh báo

kdyn, min= 0

giới hạn can thiệp

1.4.3. Chỉ tiêu về không gian bố trí treo
Chỉ tiêu này chỉ ra khả năng chọn độ võng động và độ võng tĩnh cũng như việc
xác lập vị trí đặt vấu hạn chế hành trình treo.
t
n
f dyn
≤ y = max(ξ − z ) ≤ f dyn

Trong đó:
- (ξ − z ) : là chuyển vị tương đối giữa khối lượng không được treo và được treo.
n
- f dyn

: là độ võng động hành trình nén của hệ treo; vị trí đặt vấu hạn chế hàn

trình nén.
t
- f dyn

: là độ võng động hành trình trả của hệ treo; vị trí đặt vấu hạn chế hành

trình trả.

15

C = tg α : Độ cứng bộ phận
đàn hồi của hệ thống treo
n
f dyn
: Hành trình nén
t
f dyn
: Hành trình trả

s

: Không gian làm việc của

hệ thống treo

Hình 1.2: Sơ đồ đặc tính đàn hồi
1.5. PHÂN TÍCH CHỌN ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.5.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu được chọn là xe bán mooc 5 cầu. Việc chọn xe bán mooc 5
cầu có các lý do sau:
-

Đánh giá ảnh hưởng của dao động tới con người, đường và hàng hóa.

-

Thỏa mãn các chỉ tiêu đánh giá dao động.

-

Làm cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của dao động đến khả năng quay vòng và
phanh.

Do xe bán mooc có khối lượn và kích thước rất lớn nên khi xe chuyển động sẽ có
quán tính rất lớn. Mặt khác lực quán tính khi phanh cũng ảnh hưởng tới phản lực
thẳng đứng Fz nên xét mô hình động lực học thẳng đứng theo mô hình truyền thống
không còn phù hợp nữa. Khi đó ta không thể xét các ảnh hưởng của các yếu tố gây
dao động là lực quán tính được. Vì vậy theo yêu cầu của giáo viên hướng dẫn tác
giả đã sử dụng mô hình tổng quát chính là mô hình động lực học của xe.
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lập mô hình và khảo sát dựa trên mô
hình đó cùng với một số giả thiết.

16


Dao động ôtô là một hệ nhiều vật. Việc lập mô hình dựa vào phương pháp tách
cấu trúc, cho phép mô đun hóa các phần tử trong cơ hệ dễ dàng thay đổi cấu trúc và
đặc tính cụm, dễ thực hiện và phù hợp với tư duy mô phỏng trên máy tính.
Phương pháp tính: sử dụng phần mềm Matlab – Simulink để mô phỏng hệ
thống.
1.6. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Vận tải hàng hóa ngày càng phát triển nên xe bán mooc được sử dụng ngày càng
phổ biến. Việc nghiên cứu dao động xe bán mooc trở nên cấp thiết với những lý do
sau:
-

Do xe bán mooc có khối lượng, kích thước rất lớn gồm nhiều vật liên kết với

nhau nên khi chuyển động sẽ có quán tính rất lớn. Việc đảm bảo an toàn động
lực học cần được quan tâm đúng mức.

-

Do xe bán mooc dùng để vận tải hàng hóa nên cần chú ý đến độ êm dịu chuyển
động cho người và hàng hóa trên xe.

-

Do xe bán mooc có khối lượng rất lớn nên tải trọng động tác dụng xuống đường
rất lớn, mức độ phá đường cao.

-

Hiện nay, các chuyên gia về cầu và đường thường sử dụng phản lực tĩnh của ôtô
lên cầu và đường để nghiên cứu mô hình cầu và đường. Nếu mô hình ôtô đựơc
phát triển đúng thì sẽ xác định được các tải trọng động tác dụng lên cầu và
đường đúng đắn hơn. Các tải trọng động đó là thông số đầu vào của mô hình
cầu và đường; nó cho phép xác định thông số đẩu ra của mô hình cầu và đường
chính xác hơn. Từ đó, cho phép xác định phân luồng giao thông trên cầu
(khoảng cách và tốc độ các xe) nhằm giảm sự quá tải cho cầu , tăng tuổi thọ cho
cầu.

Do đó đề tài nghiên cứu dao động xe bán mooc góp phần hoàn thiện các thiết kế xe,
hoàn thiện các tiêu chuẩn, quy chuẩn, làm cơ sở trong thiết kế đường, cầu.

17

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Chương tổng quan đã phân tích được ảnh hưởng của dao động đối với con
người, đường và hàng hóa. Đưa ra được các nguồn gây dao động và các chỉ tiêu đánh
giá dao động. Phân tích chọn đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Trên cơ sở đó đề
tài được xây dựng với những nội dung chính sau:
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Xây dựng mô hình và lập hệ phương trình động lực học thẳng đứng
xe bán mooc.
Chương 3: Giải hệ phương trình bằng Matlab Simulink và các phưong án
khảo sát.
Chương 4: Phân tích, đánh giá kết quả.

18


CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ LẬP HỆ PHƯƠNG
TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC THẲNG ĐỨNG XE BÁN MOOC
2.1. PHƯƠNG PHÁP LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH
Khi nghiên cứu dao động ô tô 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. Để lập phương trình chuyển động cho hệ nhiều vật ta sử dụng phương pháp
Newton – Euler. Đó là phương pháp tách cấu trúc, mỗi vật thể trong hệ coi như một hệ
con. Việc thành lập phương trình cho một hệ con dựa vào nguyên lý lực cắt. Nguyên lý
đó là tại điểm cắt các nội lực của hệ cân bằng với các ngoại lực tác dụng. Các nội lực
và mô men cùng phương nhưng ngược chiều và có cùng độ lớn. 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.
* Giả thiết:
- Mô hình một dãy bỏ qua ảnh hưởng của lắc ngang. Coi Fz 2 bên là như nhau.

- Coi trọng tâm của khối lượng được treo trước m1 và trọng tâm của khối lượng
được treo sau m2 cùng nằm trong mặt phẳng đứng chứa trọng tâm khối lượng không
được treo.
- Coi các khối lượng được treo và không được treo tập trung tại trọng tâm của
nó.
- Giả thiết khớp nối giữa đầu kéo và rơ mooc là khớp mềm (tức là có xuất hiện
lực đàn hồi).
- Khi xe chuyển động có xuất hiện lực cản không khí đối với đầu kéo. Lực này
có hướng ngược chiều chuyển động của xe và hướng vào trọng tâm của đầu kéo. Bỏ
qua lực cản không khí đối với rơ mooc.

19


2.2. CẤU TRÚC XE BÁN MOOC
Đối với mô hình một vết xe bán mooc ta coi xe như một hệ nhiều vật bao gồm 9
khối lượng (ta gọi là vật) với quy ước sau:
Vật 1: Khối lượng được treo đầu kéo {m1, Jy1}
Vật 2: Khối lượng không được treo cầu 1 {mA1, JyA1}
Vật 3: Khối lượng không được treo cầu 2 {mA2, JyA2}
Vật 4: Khối lượng không được treo cầu 3 {mA3, JyA3}
Vật 5: Khối lượng không được treo cầu tương đương 2, 3 {mA23, JyA23}
Vật 6: Khối lượng được treo mooc {m2, Jy2}
Vật 7: Khối lượng không được treo cầu 4 {mA4, JyA4}
Vật 8: Khối lượng không được treo cầu 5 {mA5, JyA5}
Vật 9: Khối lượng thanh cân bằng cầu 4, 5 {mA45, JyA45}

20

7285

1300

1534

1330

2334

3985

1310

3050

1404

16384

Hình 2.1: Các thông số kích thước xe bán mooc

2.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH
2.3.1. Thiết lập các phương trình động lực học của xe bán mooc
Để thuận tiện cho việc xây dựng các phương trình trước tiên ta sẽ xây dựng các phương trình trên hệ tọa độ tương đối:
Dựa trên phương pháp tách cấu trúc và sử dụng phương trình Newton Euler ta tách xe bán mooc ra làm 9 khối lượng. Phân
tích các lực tác dụng lên từng vật và viết các phương trình cân bằng.

21

X2
V

X1

φ2
Z2

φ1
Z1

h2

h1

2c

C23

ξ5

C5
CL5

K5

φA45

C4

CL4

φA5

K4

ξ4

K23

ξ2

ξ3
CL3

φA4

2b

φA3

φA23

CL2

C1
CL1

φA2

2a

l3

l4

Hình 2.2: Các tọa độ suy rộng của mô hình xe bán mooc

22

l2

l1

K1

φA1

ξ1