Nghiên cứu điều khiển đệm cách dao động bán chủ động ca bin xe lu rung (Luận văn thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.79 MB, 101 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TRẦN VĂN TẤN
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỆM CÁCH DAO ĐỘNG
BÁN CHỦ ĐỘNG CA BIN XE LU RUNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Thái Nguyên - 2019
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TRẦN VĂN TẤN
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỆM CÁCH DAO ĐỘNG BÁN CHỦ
ĐỘNG CA BIN XE LU RUNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 8520116
KHOA CHUYÊN MÔN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PHÓ TRƯỞNG KHOA
TS. Nguyễn Trung Kiên
PGS TS. Lê Văn Quỳnh
PHÒNG ĐÀO TẠO
Thái Nguyên - 2019
i
LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Trần Văn Tấn
Học viên: Lớp Cao học K19 Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái
Nguyên.
Tên đề tài luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu điều khiển đệm cách dao động bán
chủ động cabin xe lu rung”
Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
Mã số: 85 20116
Sau thời gian hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường. Để đánh
giá kết quả học tập nghiên cứu của mình, em lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp
là: “Nghiên cứu điều khiển đệm cách dao động bán chủ động cabin xe lu
rung”. Được sự giúp đỡ của các Thầy, Cô giáo trong Khoa và đặc biệt là sự
hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Lê Văn Quỳnh và sự nỗ lực của bản
thân, đề tài của em đã được hoàn thành đáp ứng được nội dung đề tài thạc sĩ kỹ
thuật cơ khí động lực.
Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân em. Các số
liệu, kết quả có trong Luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong
bất kỳ một công trình nào khác trừ công bố của chính tác giả.
Thái Nguyên, ngày….. tháng….. năm 2019
HỌC VIÊN
Trần Văn Tấn
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, rèn luyện, nghiên cứu tại trường cũng như quá
trình làm đề tài Luận văn thạc sĩ của mình, em đã tiếp nhận được sự truyền đạt,
trao đổi phương pháp tư duy, lý luận, của các thầy cô giáo Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, sự quan tâm giúp đỡ tận tình của
tập thể Cán bộ, giáo viên Khoa Kỹ thuật Ô tô & MĐL, sự giúp đỡ của đồng
nghiệp, bạn bè và gia đình.
Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Lê Văn
Quỳnh và tập thể cán bộ giáo viên Khoa Kỹ thuật Ô tô & MĐL, Hội đồng bảo
vệ đề cương đã hướng dẫn cho em hoàn thành luận văn theo đúng kế hoạch và
nội dung đề ra.
Trong quá trình thực hiện đề tài mặc dù đã có nhiều cố gắng song do kiến
thức và kinh nghiệm chuyên môn còn hạn chế nên luận văn không thể tránh
khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của quý thầy
cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 01 năm 2019
HỌC VIÊN
Trần Văn Tấn
iii
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1....................................................................................................... 4
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU..................................................... 4
1.1. Tổng quan về đệm cách dao động.............................................................. 4
1.1.1. Một số loại đệm cách dao động trên máy xây dựng ............................... 4
1.1.2. Đệm cách dao động trên xe lu rung ........................................................ 5
1.2. Phát triển hệ thống đệm cách dao động ..................................................... 7
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài ....................................... 9
1.3.1. Đối với nhà nghiên cứu trên thế giới....................................................... 9
1.3.2. Đối với nhà nghiên cứu Việt Nam ........................................................ 11
1.4. Phân tích và lựa chọn các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu .......................... 13
1.4.1. Tần số và gia tốc dao động.................................................................... 13
1.4.2.Chỉ tiêu về độ êm dịu được Hiệp hội kỹ sư Đức VDI .......................... 14
1.4.3.Đánh giá độ êm dịu theo tiêu chuẩn ISO ............................................... 18
1.5. Kết luận .................................................................................................... 20
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG CỦA XE LU .............. 21
MỘT BÁNH ĐƠN XS120 .............................................................................. 21
2.1. Xây mô hình dao động của xe lu rung bánh đơn ..................................... 21
2.1.1. Giả thiết ................................................................................................. 21
2.1.2. Mô hình dao động xe lu rung bánh đơn ................................................ 22
2.1.3. Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động ............................... 23
2.2.4.Phân tích hàm kích thích dao động ........................................................ 31
2.2.Phân tích các bộ điều khiển và lựa chọn ................................................... 36
2.2.1. Phân tích các bộ điều khiển cổ điển[7] ................................................. 36
2.2.2 Điều khiển thông minh và điều khiển tối ưu.......................................... 43
2.3. Cơ sở lý thuyết Fuzzy)[6] ........................................................................ 48
iv
2.3.1. Tập mờ và logic mờ .............................................................................. 48
2.3.2.Định nghĩa tập mờ .................................................................................. 48
2.3.3. Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ .................................................... 49
2.3.4. Các phép toán trên tập mờ .................................................................... 50
2.3.5. Biến ngôn ngữ và giá trị của nó: ........................................................... 53
2.3.6. Luật hợp thành mờ: ............................................................................... 53
2.3.7.Giải mờ ................................................................................................... 56
2.3.8.Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ ................................................. 57
2.4.Xây dựng bộ điều khiển mờ ...................................................................... 58
2.4.1.Biến vào bao gồm:.................................................................................. 58
2.4.2. Xác định tập mờ .................................................................................... 58
2.4.3.Tập luật điều khiển: ................................................................................ 59
2.4.4.Chọn thiết bị hợp thành: ......................................................................... 60
2.5. Kết luận .................................................................................................... 61
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ HỆ THỐNG ĐỆM
CÁCH DAO ĐỘNG CABIN .......................................................................... 63
3.1. Mô phỏng ................................................................................................. 63
3.2. Mô phỏng các điều kiện làm việc của xe sử dụng đệm cách dao động bị
động ................................................................................................................. 65
3.2.1. Điều kiện 1: Xe di chuyển đến công trường làm việc .......................... 65
3.2.2. Điều kiện 2: Xe hoạt đông trên công trường ........................................ 66
3.3. Phân tích đánh giá hiệu quả đệm cách dao động bán tích cực................. 70
3.3.1. Điều kiện 1: Xe di chuyển đến công trường làm việc .......................... 70
3.3.2. Điều kiện 2: Xe hoạt đông trên công trường ........................................ 72
3.4. Kết luận .................................................................................................... 78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 80
v
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Một số loại đệm cách dao động ........................................................ 5
Hình 1.2. Đệm cách dao động trang bị trên xe lu rung bánh đơn ..................... 6
Hình 1.3. Đệm cách dao động cao su bánh lu ................................................... 6
Hình 1.4. Đệm các dao động cao su ca bin nguyên bản ................................... 7
Hình 1.5. Hệ thống giảm chấn bán tích cực và ý tưởng của Skyhook[15] ....... 8
Hình 1.6. Các đường cong cảm giác như nhau ở dao động điều hòa ............. 15
Hình 1.7. Sơ đồ xác định thực nghiệm hệ số độ êm dịu K ............................. 16
Hình 2.1. Mô hình dao động ½ xe lu rung bánh đơn ...................................... 22
Hình 2.2. Sơ đồ lực tác dung lên ghế ngồi ..................................................... 25
Hình 2.3. Đệm cabin bán tích cực ................................................................... 25
Hình 2.4. Sơ đồ lực tác dụng lên cabin .......................................................... 26
Hình 2.5. Sơ đồ lực tác dụng lên thân xe ........................................................ 28
Hình 2.6. Sơ đồ lực tác dụng lên thân xe ....................................................... 28
Hình 2.7. Mô hình bánh xe tiếp xúc điểm trên mặt đường cứng .................... 31
Hình 2.8. Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO A (mặt đường có
chất lượng rất tốt) ............................................................................................ 34
Hình 2.9. Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO B(mặt đường có
chất lượng trung bình) ..................................................................................... 34
Hình 2.10. Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO C(mặt đường có
chất lượng xấu) ................................................................................................ 35
Hình 2.11. Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO D (mặt đường
có chất lượng rất xấu)...................................................................................... 35
Hình 2.12. Mô hình bánh lu luôn tiếp xúc với mặt nền sỏi đàn hồi ............... 36
Hình 2.13.Quá trình điều chỉnh các hệ số K khác nhau.................................. 37
Hình 2.14.Các quá trình quá độ điều chỉnh của quy luật PI ........................... 40
Hình 2.15 Cấu trúc bộ điều khiển ................................................................... 41
Hình 2.16. Sơ đồ bài toán LQR....................................................................... 43
Hình 2.17 Phép xâu chuỗi mờ có thể dùng để rút ra các định tính nếu - thì . 47
vi
Hình 2.18. Hình cấu trúc mạng neural sinh học ............................................. 48
Hình 2.19. Mô tả hàm phụ thuộc µA(x) của tập các số thực từ-5 đến 5......... 48
Hình 2.20. Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ a- Dạng hình thang, b- dạng
hình chữ “S”; c- Dạng hình chữ “Z” ............................................................... 49
Hình 2.21. Hợp của hai tập mờ có cùng cơ sở (a) Theo quy tắc Max, (b) theo
quy tắc Lukasiewwiez ..................................................................................... 50
Hình 2.22. Giao của hai tập mờ có cùng cơ sở ............................................... 51
Hình 2.23. Bù của tập mờ ............................................................................... 52
Hình 2.24. Phép bù của một tập mờ ................................................................ 52
Hình 2.25. Minh họa quy tắc hợp thành mờ ................................................... 56
Hình 2.26. Giải mờ bằng phương pháp cực đại .............................................. 57
Hình 2.27. Hàm thuộc trong Matlab ............................................................... 59
Hình 2.28. Mối quan hệ và các giá trị luật hợp thành .................................... 61
Hình 2.29. Quan hệ auy luận của hàm truyền đạt mờ ..................................... 61
Hình 3.1. Sơ đồ mô phỏng tổng thể Matlab/simulink.................................... 64
Hình 3.2.Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng của ghế ngồi
người điều khiển khi xe di chuyển đến công trường....................................... 65
Hình 3.3. Gia tốc góc bình phương trung của cabin khi xe di chuyển đến công
trường .............................................................................................................. 65
Hình 3.4. Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng của ghế ngồi
người điều khiển khi Xe đứng yên và nén với bánh lu được kích thích rung tần
số thấp ............................................................................................................. 66
Hình 3.5.Gia tốc góc bình phương trung của cabin khi xe di chuyển đến công
trường khi Xe đứng yên và nén với bánh lu được kích thích rung tần số
thấp .................................................................................................................. 67
Hình 3.6. Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng của ghế ngồi
người điều khiển khi Xe đứng yên và nén với bánh lu được kích thích rung tần
số cao ............................................................................................................... 67
vii
Hình 3.7. Gia tốc góc bình phương trung của cabin khi xe di chuyển đến công
trường khi Xe đứng yên và nén với bánh lu được kích thích rung tần số
cao ................................................................................................................... 68
Hình 3.8. Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng của ghế khi
xe đi và làm việc tần số thấp .......................................................................... 68
Hình 3.9. Gia tốc góc bình phương trung bình của cabin khi xe di chuyển và
nén tần số thấp ................................................................................................. 69
Hình 3.10 Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng của ghế
khi Xe đi và làm việc tần số cao .................................................................... 69
Hình 3.11 Gia tốc góc bình phương trung bình của cabin khi xe di chuyển và
nén tần số cao .................................................................................................. 70
Hình 3.12. Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng của ghế
ngồi người điều khiển khi xe di chuyển đến công trường .............................. 71
Hình 3.13. Gia tốc góc bình phương trung bình của cabin khi xe di chuyển đến
công trường ..................................................................................................... 71
Hình 3.14.So sánh Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng
của ghế khi xe đứng yên và nén tần số thấp................................................... 72
Hình 3.15.So sánh Gia tốc góc bình phương của cabin khi xe đứng yên và nén
tần số thấp........................................................................................................ 73
Hình 3.16. So sánh Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng
của ghế khi xe đứng yên và nén tần số cao .................................................... 74
Hình 3.17. So sánh Gia tốc góc bình phương của cabin khi xe đứng yên và nén
tần số cao ......................................................................................................... 74
Hình 3.18. So sánh Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng
của ghế khi xe đi và àm việc tần số thấp........................................................ 75
Hình 3.19. So sánh Gia tốc góc bình phương trung của cabin khi xe đi và àm
việc tần số thấp ............................................................................................... 76
Hình 3.20. So sánh gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng
của ghế khi xe đi và làm việc tần số cao ........................................................ 77
viii
Hình 3.21.So sánh gia tốc góc bình phương trung bình của cabin khi xe đi và
làm việc tần số cao .......................................................................................... 77
ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1............... 18
Bảng 2.1. Các lớp mấp mô mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068 [25]
......................................................................................................................... 34
Bảng 2.2: Bảng mệnh đề hợp thành trong logic cổ điển ................................. 54
Bảng 2.3. Luật điều khiển Fuzzy .................................................................... 60
Bảng 3.1. Bảng thông số thiết kế xe lu rung[26] .......................................... 63
Bảng 3.2. Kết quả so sánh đệm cách dao động bị động và đệm cách dao động
bán tích cực ..................................................................................................... 70
Bảng 3.3. Kết quả so sánh đệm cách dao động bị động và đệm cách dao động
bán tích cực trong trường hợp xe di chuyển và nén ........................................ 72
Bảng 3.4. Kết quả so sánh đệm cách dao động bị động và đệm cách dao động
bán tích cực trong trường hợp xe di chuyển và nén ........................................ 73
Bảng 3.5. Kết quả so sánh đệm cách dao động bị động và đệm cách dao động
bán tích cực trong trường hợp xe di chuyển và nén ........................................ 75
Bảng 3.6. Kết quả so sánh đệm cách dao động bị động và đệm cách dao động
bán tích cực trong trường hợp xe di chuyển và nén ở tần số cao.................... 76
x
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa
ms
kg
Khối lượng ghế
mc
kg
Khối lượng của cabin
mff
kg
Khối lượng khung xe phía trước
mfr
kg
Khối lượng khung xe phía sau
md
kg
Khối lượng bánh lu
zd
m
Chuyển vị theo phương thẳng đứng của bánh lu
HTT
Hệ thống treo
ks
N/m
Độ cứng hệ thống treo ghế ngồi người điều khiển
kc r
N/m
Độ cứng đệm cách dao động trước của cabin
kcf
N/m
Độ cứng đệm cách dao động sau của cabin
kt
N/m
Độ cứng của lốp xe
kd
N/m
Độ cứng của hệ thống cách dao động bánh lu
cs
N.s/m
Hệ số cản hệ thống treo ghế ngồi người điều khiển
cc r
N.s/m
Hệ số cản đệm cách dao động trước của cabin
ccf
N.s/m
Hệ số cản đệm cách dao động sau của cabin
cd
N.s/m
Hệ số cản của hệ thống cách dao động bánh lu
ct
N.s/m
Hệ số cản của lốp xe
Fqt
N
Véc tơ lực quán tính tác dụng lên vật
F
N
Véc tơ lực ngoại lực
Zs
m
chuyển vị theo phương thẳng đứng của ghế ngồi người điều
khiển
xi
Chuyển vị của cabin theo phương thẳng đứng
Zc
m
Zf f
m
Ft
N
Tải trọng tĩnh tác dụng lên bánh xe
Hz
Tần số sóng mặt đường
S
m
Chiều dài sóng mặt đường
V
m/s
N
n0
Chu
kỳ/m
Chu
kỳ/m
S q ( n)
m3 /chu
kỳ
Rad
Chuyển vị theo phương thẳng đứng của khung xe phía
trước
Vận tốc xe
Tấn số sóng mặt đường
Tần số mẫu
Mật độ phổ chiều cao mấp mô mặt đường
Hệ số tần số được miêu tả tần số mật độ phổ của mặt đường
1
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, thị trường máy xây dựng không những yêu cầu ngày càng cao
về hiệu suất làm việc của máy mà còn yêu cầu ngày càng cao về độ êm dịu hoạt
động của máy. Xe lu rung là một loại máy xây dựng làm việc theo nguyên lý
sử dụng kết hợp trọng lượng của bản thân với dao động bánh lu để nén nền đất
sỏi đạt được mật độ bề mặt mong muốn, nó được sử dụng rộng rãi trong các
công trình làm đường giao thông, xây dựng,... Trong quá trình thiết kế, nhà
thiết kế luôn mong muốn lực kích thích dao động cho bánh lu đạt được giá trị
lớn nhất, nhưng ngược lại mong muốn dao động từ bánh lu truyền lên cabin
người lái nhỏ nhất. Mặt khác máy xây dựng thường không được trang bị hệ
thống treo giữa cầu xe và khung xe, nguồn dao động được truyền lên người
điều khiển thông qua hệ thống đệm cách dao động cabin và hệ thống treo ghế
ngồi. Do vậy, thiết kế tối ưu cũng như điều khiển tích cực cho hệ thống đệm
cách dao động cabin là một trong những đề tài mang tính cấp thiết. Nó không
chỉ làm giảm các ảnh hưởng dao động truyền lên thân người điều khiển, mà còn
làm giảm ảnh hưởng tiếng ồn đến môi trường xung quanh khi xe hoạt động.
Từ những lý do trên, có thể thấy rằng việc đặt vấn đề nghiên cứu điều
khiển đệm cách dao động cabin xe lu rung là rất cấp thiết, có ý nghĩa khoa học
và ý nghĩa thực tiễn vô cùng to lớn. Chính vì vậy em đã chọn đề tài “Nghiên
cứu điều khiển đệm cách dao động bán chủ động cabin xe lu rung” làm đề tài
Luận văn thạc sỹ của mình với sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo PGS. TS
Lê Văn Quỳnh.
* Mục đích của đề tài:
- Xây dựng mô hình dao động của xe để khảo sát các thông số của đệm
cách dao động bán tích cực cabin xe lu rung;
2
- Điều khiển tích cực thông số hệ số cản cho hệ thống đệm cách dao động
cabin xe lu rung theo quan điểm nâng cao độ êm dịu cho người điều khiển khi
xe hoạt động.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu đưa ra phương pháp điều khiển thông số hệ số cản
cho đệm cách dao động bán chủ động cabin xe lu rung theo hướng nâng cao độ
êm dịu cho người điều khiển. Ngoài ra kết quả đề tài sẽ góp phần bổ sung cho
cơ sở lý thuyết hoàn thiện thiết kế đệm cách dao động cabin xe lu rung theo
hướng thân thiện với người điều khiển.
* Đối tượng nghiên cứu:
Hệ thống đệm cách dao động bán chủ động xe lu rung XS120.
* Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp lý thuyết: phân tích dao động và điều khiển bán chủ
động cho đệm cách dao động xe lu rung.
* Phạm vi nghiên cứu:
Trong phạm vi của đề tài, một mô hình dao động 1/2 của xe được thiết
lập để phân tích và mô phỏng hiệu quả giảm dao động của cabin. Dựa trên điều
kiện biên của thông số thiết kế là hệ thống đệm cách dao động tiến hành tối ưu
lựa chọn bộ thông số của hệ thống theo hướng nâng cao độ êm dịu hoạt động
của xe lu rung.
* Nội dung nghiên cứu:
- Tổng quan về đề tài nghiên cứu;
- Xây dựng và mô phỏng mô hình dao động cho xe lu rung;
- Mô phỏng và đánh giá
- Kết luận và kiến nghị.
3
Do trình độ bản thân và thời gian có hạn nên đề tài không tránh khỏi
những thiếu sót nhất định, rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô,
đồng nghiệp và độc giả quan tâm để đề tài của em được hoàn thiện hơn.
Qua đây cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo
PGS. TS. Lê Văn Quỳnh, người hướng dẫn khoa học trực tiếp cho em trong suốt
thời gian làm luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong
Khoa Kỹ thuật Ô tô & MĐL đã giúp đỡ em hoàn thiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn !
Thái Nguyên, ngày
tháng
2019
HỌC VIÊN
Trần Văn Tấn
năm
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về đệm cách dao động
Hệ thống treo trên ô tô nói chung và máy xây dựng nói riêng có nhiệm vụ
nối đàn hồi giữa khối lượng không được treo (cầu xe, bánh xe) với khối lượng
được treo (thân xe) tạo thành một hệ thống dao động. Ngoài hệ thống treo trên
ô tô và các máy xây dựng còn được trang bị các đệm cách dao động nhằm làm
giảm một cách có hiệu quả các lực va đập khi ô tô chạy trên đường mấp mô tác
dụng lên ca bin và dập tắt hoàn toàn mô men phản lực xuất hiện khi động cơ
làm việc, ngay cả ở trên các động cơ có tính cân bằng tốt nhưng trong quá trình
làm việc vẫn có hiện tượng rung xảy ra, làm giảm tuổi thọ của các chi tiết trên
ô tô và ảnh hưởng đến sức khỏe người điều khiển.
1.1.1. Một số loại đệm cách dao động trên máy xây dựng
Đệm cách dao động được đặc trưng chủ yếu hai thông số độ cứng của bộ
phận đàn hồi, và hệ số cản của bộ phận giảm chấn.
Bộ đàn hồi của đệm cách dao động nối mềm giữa nguồn kích thích dao
động và vùng lan truyền dao động đến bề mặt cần cách dao động. Bộ phận đàn
hồi gồm có cao su, khí nén, dây kim loại, điện từ,...
Bộ giảm chấn có tác dụng dập tắt các dao động lan truyền đến bề mặt cần
cách dao động. Bộ phận giảm chấn đệm cách dao động gồm có nội và ngoại
ma sát, thủy lực, điện từ,...
Một số kết cấu loại đệm cách dao động:
(a) Cao su
(b) Khí nén
5
(c)Điện từ
(e)Đệm cách dao động cao su thủy lực[27]
(c) Cao su thủy lực
(f) Mô hình dao động[27]
Hình 1.1. Một số loại đệm cách dao động
Hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực có điều khiển van tiết lưu
thông giữa các khoang được thể hiện trên các hình 1.1(e),(f). Ưu điểm của kết
cấu và mô hình là bộ phận đàn hồi cao su có khả năng dập tắt dao động ở các
tần số cao và hệ số cản thủy lực dập tắt dao động ở các tần số thấp. Do vậy các
kết cấu đệm cách dao động kết hợp có ưu điểm vượt trội giảm dao động truyền
cabin người điều khiển. Trong luận văn này tác giả chọn kết cấu này làm đối
tượng nghiên cứu.
1.1.2. Đệm cách dao động trên xe lu rung
Xe lu rung bánh đơn XS120 do hãng máy xây dựng Từ Châu sản xuất,
hình dáng bên ngoài hình 1.2. Hệ thống đệm cách dao động sử dụng vật liệu
cao su như hệ thống đệm cabin, động cơ, bơm và bánh lu.
Ưu điểm:
Đệm cách dao động cao su có khả năng chịu mài mòn cực tốt, khả năng
chống va đập và chống rung cao. Mặt khác nó còn đáp ứng nhu cầu khắt khe
của môi trường như chịu dầu, chịu nhiệt, chịu hóa chất, chống lão hóa.
6
Đệm cách dao động cao su có hiệu quả dập tắt dao động ở tần số kích
thích dao động cao, chính vì vậy đệm cao su hay được sử dụng ở các máy công
trình làm việc ở các vùng mỏ...
Hình 1.2. Đệm cách dao động trang bị trên xe lu rung bánh đơn
Nhược điểm:
Hệ thống đệm cao su có nhược điểm khả năng dập tắt dao động ở tần số
kích thích kém do hệ số cản sinh ra nội ma sát giữa các lớp cao su nhỏ.
Xe lu rung bánh đơn làm việc trên nguyên lý sử dụng trọng lượng của
bản thân kết hợp với dao động của bánh lu nhờ lực ly tâm từ quả văng để nén
các bề mặt nền đến mặt độ nén theo yêu cầu. Để giảm dao động truyền lên
khung xe trước, kết cấu xe lu rung hê thống đệm cách dao động cao su như hình
1.3.
Hình 1.3. Đệm cách dao động cao su bánh lu
7
Để nâng cao độ êm dịu cũng cho người điều khiển, trên xe trang bị đệm
cách dao động cabin giảm dao động truyền từ khung xe và bánh xe tác dụng
lên người điều khiển.
Hình 1.4. Đệm các dao động cao su ca bin nguyên bản
Ngoài ra, trên xe còn trang bị các đệm cách động cơ và bơm nhằm giảm
rung và ồn. Trong luận văn này tiến hành mô phỏng và điều khiển Fuzzy logic
hệ số cản thủy lực hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực hình 1.1(e),(f)
của cabin xe lu rung bánh đơn XS120 của Trung Quốc.
1.2. Phát triển hệ thống đệm cách dao động
Đặc tính đệm cách dao động cabin phát triển theo hướng nhằm nâng cao
độ êm dịu người điều khiển bằng cách hoàn thiện các đệm cách dao động bị
động bằng các phương phát điều khiển tích cực. Tuy nhiên, ý tưởng điều khiển
tích được đã có rất từ sớm và được áp dụng cho hệ thống treo của ô tô.
Năm 1974, Skyhook đưa ra ý tưởng tạo ra một lực tỷ lệ thuận với tốc độ
tuyệt đối của khung xe tạo ra bởi các van điều tiết để giảm chuyển động của
khối khung xe. Skyhook được giả định thích hợp giữa hệ thống tĩnh và khối
thân trên (hình phải). Tuy nhiên, lực Skyhook mong muốn được cung cấp bởi
các van điều tiết bán tích cực được tích hợp phần tĩnh và khối thân trên bị thụ
động và cần phải tính được vận tốc tương đối giữa các khối. Các lực giảm chấn
Skyhook tác động lên khung xe có thể thực hiện được theo lực cản dịu được
tạo ra bởi các van điều tiết, thuật toán Skyhook tính lực cản dịu như sau[15]:
8
bsky xc , x s ( x s xus ) 0
Fe , sky
, x s ( x s xus ) 0
0
Điều khiển bởi
van điều tiết
bsky
Fe, sky
ms
(1-1)
ms
bs
bs
mus
Fe(t)
mus
bt
bt
Hình 1.5. Hệ thống giảm chấn bán tích cực và ý tưởng của
Skyhook[15]
Trong đó, x s và x us là vận tốc của khung xe và bánh xe (theo mô hình 1/4). Nếu
lực Fe vượt quá giới hạn của các van điều tiết, khi đó các van điều tiết sẽ được
thiết lập ở trạng thái cứng nhất hoặc mềm nhất
Bộ điều khiển lực cản dịu Fe(t) được thực hiện bằng công thức:
Fe (t ) bact ( x s xus ) , bact R
(1-2)
Trong đó, hệ số của cơ cấu cơ cấu cản dịu bs trong khoảng [bs min, bs max]
bm ax , bm ax bact
bs bact , bm in bact bm ax
b , b b
act
m in
m in
(1-3)
Hệ thống bán tích cực chỉ có thể thay đổi độ nhớt của bộ giảm chấn, và
không làm tăng độ cứng cho bộ phận đàn hồi. Mặc dù bị hạn chế trong việc can
thiệp vào hệ thống treo cũng như đệm cách dao động, nhưng hệ thống bán bán
tích cực tốn kém ít chi phí và tiêu thụ năng lượng ít. Trong thời gian gần đây,
nghiên cứu về hệ thống treo bán tích cực được liên tục phát triển để tạo ra hiệu
9
quả cao nhất, thu hẹp khoảng cách giữa các hệ thống đệm cách bán tích cực và
hệ thống tích cực hoàn toàn.
Điều khiển hệ giảm chấn thủy lực tích cực: hệ thống treo tích cực sử dụng
các bộ chấp hành riêng biệt để tạo ra các lực đến từng bộ phận đàn hồi 1 cách
độc lập ở mỗi bánh xe để cải thiện độ êm dịu chuyển động. Tuy nhiên, nhược
điểm tính kinh tế của hệ thống cao. Trong phân này chủ yếu các nhà nghiên
cứu chỉ tập trung điều khiển tích cực lỗ tiết lưu của giảm chấn thủy lực.
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài
Theo thống kê các báo cáo, tài liệu khoa học công bố nghiên cứu về lĩnh
vực nghiên cứu ta có các công trình nghiên cứu trong nước và ngoài nước.
1.3.1. Đối với nhà nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay, các nghiên cứu về dao động xe lu rung nói riêng và và các máy
xây dựng nói chung chủ yếu tập trung vào nghiên cứu về hiệu quả đầm nén quả
bánh lu, nhiều công trình đã đưa ra các giải pháp cho điều khiển đầm nén thông
minh. Dưới đây là các công trình nghiên cứu chung về xe lu rung và máy xây
dụng nói chung:
Đối nghiên cứu hiệu quả rung động bánh lu những công trình nghiên cứu
R. Anderegg, Dominik A. von Felten, and Kuno Kaufmann[16], công trình này
trình phươn pháp điều khiển thông minh rung bánh lu để đạt được mật độ nén
theo yêu cầu;
Công trình Patrick B. Gorman and Michael A. Mooney[17] trình bày các
kết quả giám sát độ rung trong quá nén chặt của vật liệu nền đàn hồi. Kết quả
đạt được cung cấp cho việc sử dụng hiệu quả giám sát thời gian thực nén chặt
mặt nền của bánh lu;
Công trình nghiên Norman W. Facas và cộng sự [18]đưa ra mô hình quan
hệ động học bánh lu với nến đất và đưa ra mối tương quan giữa mật độ nền của
10
các lớp đất nén với gia tốc rung xe lu rung. Từ đó dựa kết quả đo độ cứng với
nền nén làm cơ sở để kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình;
Công trình nghiên cứu Paul J. van Susante và các công[19] đưa ra mô hình
động lực quan hệ bánh lu và khung xe trước của xe lu rung bánh đơn. Từ đó
phân tích đặc tính động lực quan hệ độ cứng của các lớp nén với tần số kích
thích rung động của bánh lu; và vông trình nghiên cứu R. Anderegg, Dominik
A. von Felten and Kuno Kaufmann[20] trình bày phương nén thông minh của
bánh lu. Kết quả nghiên cứu đưa ra cơ sở cho hệ thống điều khiển phản hồi linh
hoạt của bánh lu.
Công trình nghiên cứu Sergey Abramov Bài viết này mô tả một quy trình
thiết kế mô phỏng nhằm đạt được hiệu quả cải thiện của hệ thống treo bán chủ
động của xe. Các vấn đề liên quan đến thiết kế các loại xe có điều khiển
skyhook.Công trình đã khảo sát với mô hình không gian của xe.Các giá trị bình
phương gốc bình thường của gia tốc khối lượng và lực tải lốp được sử dụng để
đánh giá mức độ thoải mái và khả năng xử lý của xe dựa trên năm cấu hình
đường chuẩn được sử dụng trong các thử nghiệm công nghiệp
Đối với nghiên cứu hiệu quả các hệ thống đệm cách đến độ êm dịu hoạt
động của cabin cũng như người điều khiển, các công trình như công trình
nghiên cứu Ario Kordestani và các cộng sự [21] đưa ra mô hình không gian của
xe lu rung bánh đơn với 12 bậc tự, mô hình bao gồm hệ thống treo ghế ngồi
người điều khiển, hệ thống đệm cách dao động cabin, hệ thống đệm cách dao
động bánh lu và lốp xe. Một thí nghiệm đo dao động toàn xe được tiến hành
trên nền đàn hồi dẻo. Kết quả thí nghiệm được sử dụng để kiểm chứng tính
đúng đắn của mô hình động lực học xe lu rung bánh đơn. Từ đó tác giả tiến
hành phân tích ảnh hưởng của thông số hệ thống treo và đệm cách dao động
đến độ êm dịu hoạt động của xe thông qua tiêu chuẩn ISO 2631-1 (1997) về
ảnh hưởng của dao động đến sức khỏe con người; công trình nghiên cứu He
11
Tingjun[22] đưa ra mô hình dao động 1/2 của toàn xe và hệ thống đệm cách
dao động cabin bán chủ động chủ động. Kết quả hiệu quả hệ thống đệm cách
dao động cabin bán chủ động giảm đáng kế dao động truyền lên cabin so với
đệm cách dao động cabin bị động.
1.3.2. Đối với nhà nghiên cứu Việt Nam
Đối với Việt Nam theo thống kê của các công bộ khoa học, thì độ êm dịu
cabin xe ô tô nói chung và cabin máy xây dựng nói riêng đã và đang được
nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Một số kết quả nghiên cứu của nhà
khoa học trong nước những năm gần đây:
Công trình nghiên cứu Nguyễn Văn Liêm, Lê Văn Quỳnh, Nguyễn Khắc
Tuân[12] đưa ra được mô hình dao động không gian của xe tải hạng nặng với
13 bậc tự do. Công trình đã đưa ra 3 hàm mục tiêu để đánh giá ảnh hưởng các
thông số hệ thống treo cabin xe tải hạng nặng. Kết quả đã phân tích được ảnh
hưởng của thông số hệ thống treo cabin để độ êm dịu cabin xe tải hạng nặng và
đã đề xuất được bộ thông số tối ưu hệ thống treo cabin nhằm nâng cao độ êm
dịu chuyển động của ô tô.
Công trình Lê Văn Quỳnh, Hoàng Anh Tấn, Nguyễn khắc Minh[13]đã đề
xuất được mô hình dao động không gian của động cơ trong mô hình toàn thể
xe du lịch để nghiên cứu ảnh hưởng thông số hệ thống treo động cơ đến độ êm
dịu chuyển động khi ô tô chuyển động chịu kích thích mặt đường ngẫu nhiên.
Kết quả đã phân tích cả hai thông số độ cứng và hệ số cản của hệ thống treo
động cơ đến độ êm dịu chuyển động của ô tô.
Công trình nghiên cứu Lê Văn Quỳnh và Nguyễn Khắc Tuân[10]đã đề
xuất một mô hình dao động không gian toàn xe của xe lu rung bánh đơn để
nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống cách dao động cao su cabin xe lu rung đến
độ êm dịu khi xe hoạt động ở các điều kiện khác nhau. Kết quả nghiên cứu đã
chỉ ra được ảnh hưởng của hệ thống đệm cách dao động cao su cabin đến độ
12
êm dịu của người điều khiển và đề xuật được bộ thống số tối ứu cho đệm cách
cabin xe lu rung bánh đơn.
Công trình nghiên cứu Lê Văn Quỳnh và Nguyễn Khắc Tuân[9]đề xuất
được một phương pháp thí nghiệm đáng giá độ êm dịu của xe lu rung bánh đơn.
Độ êm dịu hoạt động của xe lu rung được đo thông qua tín hiệu gia tốc khi xe
hoạt động ở các điều kiện khác nhau. Kết quả đo được phân tích dựa vào tiêu
chuẩn ISO 2631-1(1997) và kết quả này cơ sở về mặt thực nghiệm cho việc
thiết kế tối ưu hệ thống đệm cách dao động cabin xe lu rung.
Công trình nghiên cứu Lê Văn Quỳnh và cộng sự[11]đã xây dựng được
mô hình động lực học phi tuyến của toàn bộ xe dựa vào sự tương tác giữa bánh
xe và mặt nền. Kết quả phân tích được ảnh hưởng điều kiện hoạt động và thông
số các hệ thống đệm cách dao động của xe lu rung bánh đơn đến độ êm dịu dựa
vào tiêu chuẩn ISO 2631: 1997 (E), ảnh hưởng của tiếng ồn và rung động đến
sức khoẻ con người để đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện đường khác nhau,
điều kiện hoạt động và tốc độ xe trên người lái xe.
Công trình Bùi Văn Cường[14] trong luận văn thạc sĩ của mình, tác giả
tối ưu thông số đệm cách dao động cabin cho xe lu rung bằng phương pháp
rằng buộc, tối ưu hàm đa mục tiêu nhằm đảm bảo giảm thiểu tác hại của dao
động đến sức chịu đựng của con người.
Công trình nghiên cứu Phùng Khắc Sáng[7] đã xây dựng mô hình mô
phỏng hệ thống treo tích cực; Đề xuất bộ điều khiển cho hệ thống treo tích cực.
Công trình nghiên cứu Vũ Thành Trung[8] đã trình bày kết quả nghiên
cứu ứng dụng cơ sở lý thuyết bộ điều chỉnh toàn phương tuyến tính để điều
khiển hệ thống treo bán tích cực cho ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu khi
chuyển động trên đường mấp mô. Đồng thời nhóm tác giả thiết lập mô hình
toán học và khảo sát trong miền thời gian của hệ thống treo bán tích cực ở các
chế độ làm việc khác nhau, thông qua đó thấy được kết quả độ êm dịu chuyển
