Luận án Nghiên cứu dao động của ô tô khách có sử dụng hệ thống treo khí nén

0 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƢƠNG MẠNH HÙNG NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH CÓ SỬ DỤNG HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT H Nội - 2017 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƢƠNG MẠNH HÙNG NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH CÓ SỬ DỤNG HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN Chuyên ngành: KỸ THUẬT Ô TÔ – MÁY KÉO Mã số : 62.52.01.16.03 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS-TS. Đ o Mạnh Hùng 2.TS.Nguyễn Tuấn Anh LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT H Nội - 2017 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các số liệu, kết quả đưa ra trong luận án là trung thực. TÁC GIẢ LUẬN ÁN i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................ iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................................... vii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................. 5 1.1. Xu hƣớng phát triển ô tô khách ở Việt Nam. .................................................... 5 1.1.1. Đặc điểm và sự phát triển mạng lưới giao thông ở Việt Nam ......................... 5 1.1.2. Hiện trạng phát triển ô tô khách ở Việt Nam. ................................................. 6 1.1.3. Tình hình sản xuất lắp ráp ô tô khách ở Việt Nam .......................................... 8 1.2. Hệ thống treo h n n. ....................................................................................... 10 1.2.1. Đặc điểm hệ thống treo khí nén ..................................................................... 10 1.2.2. Hệ thống treo khí nén trên ô tô khách ........................................................... 11 1.2.3. Các mô hình nghiên cứu động lực học hệ thống treo khí nén ....................... 12 1.3. Khái quát về các công trình nghiên cứu liên quan đến nội dung đề tài ........ 15 1.3.1. Các công trình nghiên cứu trên thế giới có liên quan đến tài ....................... 18 1.3.2. Các công trình nghiên cứu dao động ô tô trong nước. ................................. 20 1.4. Vấn đề còn tồn tại v hƣớng nghiên cứu. ........................................................ 23 1.5. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án .................................................................... 24 KẾT LUẬN CHƢƠNG I .......................................................................................... 24 Chƣơng II. THIẾT LẬP MÔ HÌNH DAO ĐỘNG Ô TÔ KHÁCH SỬ DỤNG HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN ............................................................................................ 26 2.1. Mô hình động lực học của lò xo h n n .......................................................... 26 2.1.1. Cơ sở lý thuyết nhiệt động học ...................................................................... 26 2.1.2. Các thông số đặc trưng của l o h n n ..................................................... 28 2.1.3. Mô hình toán học của lò xo khí nén ............................................................... 29 2.2. Đ c t nh đ n hồi lò xo h n n. ......................................................................... 33 2.2.1. Đặc t nh đ n hồi t nh. .................................................................................... 33 2.2.2. Đặc t nh động lực học lò xo khí nén. ............................................................. 35 2.3. Mô hình dao động ô tô h ch với hệ thống treo khí nén. ............................... 38 2.3.1 C c giả thiết hi dựng ô h nh ............................................................... 38 2.3.2. Mô h nh dao động 1/4 ô tô với hệ thống treo khí nén.................................... 39 ii 2.3.3. Mô h nh dao động ô tô trong không gian với hệ thống treo khí nén ............. 42 2.4. C c ch tiêu đ nh gi dao động ô tô .................................................................. 54 2.4.1. Chỉ tiêu đ nh gi độ êm dịu chuyển động ..................................................... 54 2.4.2. Chỉ tiêu đ nh gi an to n chu ển động ......................................................... 55 KẾT LUẬN CHƢƠNG II......................................................................................... 60 Chƣơng III. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH SỬ DỤNG HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN ....................................... 61 3.1. Mô phỏng mô hình nghiên cứu dao động ô tô trong Matlab Simulink ......... 61 3.2. Ô tô khách UNIVERSE. .................................................................................... 66 3.3. Khảo s t dao động riêng của ô tô ..................................................................... 68 3.3.1. Tần số dao động riêng của ô tô theo phương thẳng đứng ............................. 68 3.3.2. Tần số dao động riêng lắc ngang .................................................................. 69 3.4. Khảo s t dao động của ô tô trong miền thời gian. .......................................... 69 3.4.1. Ảnh hưởng của mấp mô mặt đường. .............................................................. 69 3.4.2. Ảnh hưởng của p suất trong l o h n n ................................................... 74 3.4.3. Ảnh hưởng của thể tích bình khí phụ ............................................................. 77 3.5. Khảo s t dao động của ô tô trong miền tần số ................................................ 81 3.5.1. Ảnh hưởng của áp suất trong l o h n n đến êm dịu chuyển động. .......... 82 3.5.2. Ảnh hưởng của thể tích bình khí phụ đến êm dịu chuyển động ..................... 85 3.5.3. Ảnh hưởng của thể tích bình khí phụ đến tính ổn định chuyển động ............ 86 KẾT LUẬN CHƢƠNG III ....................................................................................... 88 Chƣơng IV: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .......................................................... 89 4.1. Mục đ ch của nghiên cứu thực nghiệm ............................................................ 89 4.2. Thí nghiệm x c định độ cứng tĩnh lò xo h n n ............................................. 89 4.2.1. Điều kiện khi thực hiện thí nghiệm ................................................................ 89 4.2.2. Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm .................................................................. 90 4.2.3. Phương ph p thực hiện thí nghiệm ................................................................ 91 4.2.4. Kết quả thí nghiệm ......................................................................................... 92 4.3. Thí nghiệm x c định độ cứng động lực học lò xo khí nén ............................. 94 4.3.1. Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm .................................................................. 94 4.3.2. Phương ph p thực hiện thí nghiệm ................................................................ 94 4.3.3. Kết quả thí nghiệm ......................................................................................... 97 4.4. Sử dụng kết quả thí nghiệm để chuẩn hóa mô hình lý thuyết ..................... 100 4.4.1. Sử dụng kết quả lý thuyết để chuẩn hóa đường đặc t nh t nh l o h n n 101 4.4.2. Sử dụng kết quả thí nghiệ để chuẩn hóa ô h nh dao động trong không gian ô tô khách ....................................................................................................... 102 iii 4.5. Thí nghiệm x c định tần số dao động riêng của ô tô h ch theo phƣơng thẳng đứng. .............................................................................................................. 103 4.5.1. Mục đ ch th nghiệm .................................................................................... 103 4.5.2. Giới thiệu thiết bị thí nghiệm ....................................................................... 104 4.5.3. Phương ph p thực hiện thí nghiệm ............................................................. 107 4.5.4. Kết quả thí nghiệm ....................................................................................... 110 KẾT LUẬN CHƢƠNG IV .......................................................................................... 111 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................. 112 MỘT SỐ KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT ....................................................................... 115 HƢỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN .......................................... 115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................. 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 117 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 1 PL1. THÍ NGHIỆM ĐO ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC HỌC LÒ XO KHÍ NÉN ........ 1 PL2.THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH TĨNH LÒ XO KHÍ NÉN .............. 12 PL3. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM ............................................................ 22 PL5. THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA XE THÍ NGHIỆM ..................................... 27 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Ký hiệu Ý nghĩa ý hiệu Đơn vị 1 ms Khối lượng được treo kg 2 mu Khối lượng không được treo kg 3 s1k , s2k Độ cứng của hệ thống treo trước và sau N/m 4 s1c , s2c Hệ số cản của hệ thống treo trước và sau Ns/m 5 u1k Độ cứng của lốp trước N/m 6 u2k Độ cứng của lốp sau N/m 7 u1c Hệ số cản của lốp trước Ns/m 8 u2c Hệ số cản của lốp sau Ns/m 9 a,b Khoảng cách t tr ng tâm tới tr c trước, tr c sau. m 10 zs Dịch chuyển của khung xe m 11 zsA, zsB Dịch chuyển thẳng đứng của thân xe và cầu xe tại vị trí liên kết với thanh ổn định tại các điểm A và B m 12 zu Dịch chuyển của cầu xe m 13 zd Dịch chuyển của người lái m 14 L Chiều dài cơ sở m 15 B Chiều rộng vết bánh xe m 16 gh Chiều cao tr ng tâm ô tô m 17 yJ Mô men quán tính khối lượng được treo quanh tr c Ox kg.m 2 18 xJ Mô men quán tính khối lượng được treo quanh tr c Oy kg.m 2 19 uJ Mô men quán tính khối lượng không được treo quanh tr c Ox kg.m 2 20 ek , vk Đặc trưng cho độ cứng của lò xo khí nén N/m 21 fl , rl Khoảng cách t tr ng tâm ô tô đến tr c trước, tr c sau theo phương nằm ngang m 22 xa , ya Gia tốc d c, gia tốc ngang m/s 2 23 g Gia tốc tr ng trường m/s2 24 rh Khoảng cách t tr c lắc ngang đến tr ng tâm ô tô m 25 hp Khoảng cách t tr c lắc d c đến tr ng tâm ô tô m 26 p Áp suất bên trong lò xo khí nén Pa 27 qi Biên độ mấp mô mặt đường m 28 V Thể tích bình chứa khí nén m3 29 Vb ,Vr Thể tích lò xo khí nén và của bình khí ph m 3 30 n Chỉ số nén đa biến 31 Ae Diện tích tác d ng của lò xo khí nén m 2 32 As Tiết diện đường ống dẫn khí nén m 2 33 F Lực tác d ng lên lò xo khí nén N 34 Fui Lực liên kết giữa bánh xe với mặt đường N 35 Fau Phản lực chống lắc tác d ng lên cầu xe N 36 Fas Lực tác d ng lên thân xe tại vị trí thanh liên kết với thanh ổn định ngang N 37 Ma Mô men ổn định do thanh chống lắc sinh ra N.m v 38 Maf Mô men ổn định do thanh chống lắc sinh ra cầu trước N.m 39 Mar Mô men ổn định do thanh chống lắc sinh ra cầu sau N.m 40 Kd Độ cứng động lực h c của lò xo khí nén N/m 41 Kt Độ cứng tĩnh của lò xo khí nén N/m 42 β Hệ số phi tuyến của lò xo khí nén 43 ξ Hệ số kể đến tổn thất n ng lượng tổng cộng của dòng khí chảy trong đường ống 44  Khối lượng riêng của khí nén (1.293) kg/m 3 45 fn Tần số dao động riêng Hz 46 ls Chiều dài đường ống nối với bình khí ph m 47 v Vận tốc chuyển động của ô tô m/s 48 O Véc tơ không, ma trận số không 49 I Ma trận đơn vị 50 sf Véc tơ lực liên kết của hệ thống treo khí nén ở các bánh xe 51 uf Véc tơ lực liên kết giữa các bánh xe với mặt đường 52 u Véc tơ các kích thích 53 x Véc tơ trạng thái 54 y Véc tơ các thông số ra (thông số đánh giá) 55 ys Véc tơ t a độ suy rộng của khối lượng được treo 56 yu Véc tơ t a độ suy rộng của khối lượng không được treo 57 z Véc tơ các t a độ suy rộng 58 zs Véc tơ dịch chuyển của của thân xe tại vị trí lắp hệ thống treo 59 zsA Véc tơ dịch chuyển của thân xe tại vị trí liên kết với thanh ổn định tại điểm A 60 zsd Véc tơ dịch chuyển của vị trí người lái. 61 zu Véc tơ dịch chuyển của cầu xe tại vị trí bánh xe 62 zuB Véc tơ dịch chuyển của cầu xe tại vị trí liên kết với thanh ổn định tại điểm B 63 zuS Véc tơ dịch chuyển của cầu xe tại vị trí đặt hệ thống treo ở bánh xe thứ i 64 wS Véc tơ chuyển vị của khối lượng khí nén 65 qs Véc tơ các lực suy rộng tác d ng lên thân xe 66 qu Véc tơ kích thích mặt đường 67 A, B Các ma trận trạng thái 68 D, E Các ma trận thông số đánh giá 69 C Ma trận hệ số cản 70 Cs, Css Ma trận hệ số cản của giảm chấn hệ thống treo 71 Cuu Ma trận hệ số cản của lốp xe 72 Cβ Ma trận hệ số cản của lò xo khí nén 73 Guw ,Gsw Ma trận kích thước hình h c 74 Gfs,Gvs Ma trận kích thước hình h c của ô tô 75 Gs Ma trận kích thước hình h c xác định dịch chuyển thân xe 76 GsA Ma trận kích thước xác định dịch chuyển thân xe tại điểm A 77 Gu Ma trận kích thước hình h c xác định dịch chuyển cầu xe 78 GuB Ma trận kích thước hình h c xác định dịch chuyển cầu xe tại vi điểm B 79 GuS Ma trận kích thước hình h c xác định dịch chuyển của cầu xe tại vị trí đặt hệ thống treo ở bánh xe thứ i 80 gd Ma trận kích thước xác định vị trí người lái 81 K, KSS Ma trận độ cứng hệ thống treo 82 Ke,Kv, Kw Ma trận độ cứng hệ thống treo khí nén 83 Ku, Kuu Ma trận độ cứng của bánh xe 84 M Ma trận khối lượng 85 Ms Ma trận khối lượng được treo 86 Mu Ma trận khối lượng không được treo 87 Mw Ma trận khối lượng khối khí nén 88 Q Ma trận kích thích DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Giải th ch 1 eVDV Estimate Vibration Dose Value Giá trị gia tốc tới hạn 2 ISO International Organization for Standardization Tổ chức Quốc tế về Tiêu chuẩn hóa 3 LTR Lateral load Transfer Ratio Hệ số phân bố tải tr ng ngang 4 NHTSA National Highway Traffic Safety Administration Cơ quan quản trị an toàn lưu thông Đường bộ quốc gia 5 RMS Root Mean Square Giá trị bình phương trung bình của gia tốc 6 PSD Power Spectral Desity Mật độ phổ công suất 7 SSF Static Stability Factor Hệ số ổn định tĩnh DANH MỤC CÁC BẢNG CHƢƠNG I Bảng 1.1. Hệ thống giao thông đường bộ Việt Nam ........................................................... 5 CHƢƠNG III Bảng 3.1: T a độ của các điểm đặt lực ............................................................................. 45 Bảng 3.2: Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô dùng treo nhíp và treo khí nén ................ 71 Bảng 3.3: Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô dùng treo nhíp và treo khí nén ................ 73 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của áp suất trong lò xo khí nén đến dao động ô tô. ...................... 74 Bảng 3.5: Ảnh hưởng của áp suất trong lò xo khí nén đến dao động ô tô. ....................... 77 Bảng 3.6: Chỉ tiêu đánh giá dao động về an toàn và êm dịu chuyển động của ô tô. ........ 79 Bảng 3.7: Chỉ tiêu đánh giá dao động về an toàn và êm dịu chuyển động của ô tô. ........ 81 CHƢƠNG IV vii Bảng 4.1. Tần số dao động riêng của ô tô theo phương thẳng đứng ............................... 110 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƢƠNG I Hình 1.1. Khung gầm sắt xi ô tô cơ sở. ............................................................................... 9 Hình 1.2. Hàn khung xương vỏ ô tô khách ....................................................................... 10 Hình 1.3. Ô tô khách được sản xuất lắp ráp tại Việt Nam................................................. 10 Hình 1.4. Hệ thống treo khí nén ô tô khách ...................................................................... 11 Hình 1.5. Hệ thống treo khí nén ô tô tải ............................................................................ 12 Hình 1.6. Mô hình lò xo khí nén đơn giản [29] ................................................................. 12 Hình 1.7. Mô hình NISHIMURA [29] .............................................................................. 13 Hình 1.8. Mô hình VAMPIRE [66] ................................................................................... 13 Hình 1.9. Mô hình SIMPAC [64] ...................................................................................... 14 Hình 1.10. Mô hình lò xo khí nén GENSYS theo phương d c [26] ................................. 14 CHƢƠNG II Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống treo khí nén ............................................................................... 26 Hình 2.2. Mô hình vật lý lò xo khí nén [29],[56] .............................................................. 29 Hình 2.3. Mô hình toán h c lò xo khí nén GENSYS [26] ................................................ 32 Hình 2.4. Đặc tính tĩnh lò xo khí nén ................................................................................ 34 Hình 2.5. Độ cứng tĩnh lò xo khí nén ................................................................................ 34 Hình 2.6. Đặc tính động lực h c lò xo khí nén.................................................................. 36 Hình 2.7. Ảnh hưởng của p0 đến đặc tính động lực h c lò xo khí nén.............................. 37 Hình 2.8. Ảnh hưởng của Vr0 đến đặc tính động lực h c lò xo khí nén. ........................... 38 Hình 2.9. Mô hình 1/4 ô tô với hệ thống treo khí nén ....................................................... 40 Hình 2.10. Các lực tác d ng lên khối lượng được treo ..................................................... 40 Hình 2.11. Các lực tác d ng lên khối lượng không được treo .......................................... 41 Hình 2.12: Mô hình dao động của ô tô khách trong không gian ....................................... 43 Hình 2.13. Sơ đồ xác định lực và mô men ổn định. .......................................................... 49 CHƢƠNG III Hình 3.1. Sơ đồ mô phỏng dao động trong không gian ô tô khách với hệ thống treo khí nén ..................................................................................................................................... 62 Hình 3.2. Sơ đồ mô phỏng dao động trong không gian ô tô khách với hệ thống treo nhíp ........................................................................................................................................... 62 Hình 3.3. Sơ đồ mô phỏng kích thích mặt đường ............................................................. 63 Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng kích thích mặt đường ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO [69] .. 63 Hình 3.5. Sơ đồ mô phỏng dao động thân xe sử d ng hệ thống treo khí nén trong không gian .................................................................................................................................... 64 Hình 3.6. Sơ đồ mô phỏng động lực h c hệ thống treo khí nén ........................................ 64 Hình 3.7. Sơ đồ mô phỏng các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô khách sử d ng hệ thống treo nhíp ............................................................................................................................. 65 Hình 3.8. Sơ đồ mô phỏng dao động trong không gian thân xe sử d ng hệ thống treo nhíp ........................................................................................................................................... 65 viii Hình 3.9. Sơ đồ mô phỏng các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô khách có hệ thống t