Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Mô phỏng và phân tích hiệu quả hệ thống treo thủy khí của ô tô tải hạng nặng đến khả năng thân thiện mặt đường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

----------------------------------

VŨ TRƯỜNG SƠN

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ HỆ THỐNG TREO THỦY

KHÍ CỦA Ô TÔ TẢI HẠNG NẶNG ĐẾN KHẢ NĂNG THÂN THIỆN

MẶT ĐƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Thái Nguyên - Năm 2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ TRƯỜNG SƠN

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ HỆ THỐNG TREO THỦY

KHÍ CỦA Ô TÔ TẢI HẠNG NẶNG ĐẾN KHẢ NĂNG THÂN THIỆN

MẶT ĐƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 80520116

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TRƯỞNG KHOA

KHOA HỌC

PGS.TS. Lê Văn Quỳnh

TS. Dương Thế Hùng

PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên - Năm 2018

i

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Vũ Trường Sơn

Học viên: Lớp cao học K19- Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp-

Đại học Thái Nguyên.

Nơi công tác: Công ty cổ phần đăng kiểm xe cơ giới giao thông Lào

Cai - 2401D

Tên đề tài luận văn thạc sỹ: Mô phỏng và phân tích hiệu quả hệ

thống treo thủy khí của ô tô tải hạng nặng đến khả năng thân thiện mặt

đường

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã số: 80520116 Sau gần hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, tác giả

lựa chọn thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp: Mô phỏng và phân tích hiệu

quả hệ thống treo thủy khí của ô tô tải hạng nặng đến khả năng thân

thiện mặt đường .

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của các thầy giáo TS. Dương

Thế Hùng, và sự nổ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành đáp được nội

dung đề tài thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực.

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. 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. Tất cả các

tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, trích dẫn rõ ràng.

Thái Nguyên, ngày….. tháng….. năm 2018

Tác giả luận văn

Vũ Trường Sơn

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập nghiên cứu làm đề tài luận văn thạc sĩ được sự

truyền đạt trao đổi phương pháp tư duy, lý luận của quý thầy cô trong Nhà

trường, sự quan tâm giúp đỡ tận tình của tập thể giảng viên Nhà trường, khoa

Kỹ thuật Ôtô & máy động lực trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp –Đại học

Thái Nguyên, gia đình và các đồng nghiệp.

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu Nhà trường,

Tổ đào tạo Sau đại học - Phòng đào tạo, quý thầy cô giáo tham gia giảng dạy

đã tận tình hướng dẫn tạo điều kiện để hoàn thành luận văn này, TS. Dương

Thế Hùng, PGS.TS. Lê Văn Quỳnh, ThS. Lê Xuân Long, ThS. Bùi Văn

Cường 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, thời gian thực hiện mặc dù đã có nhiều cố gắng song do

kiến thức và kinh nghiệm chuyên môn còn hạn chế nên chắc chắn luận văn

còn nhiều thiếu sót, rất mong được sự đóng góp quý báu của quý thầy cô và

các bạn đồng nghiệp tiếp tục trao đổi đóng góp giúp em để luận văn được

hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn !

HỌC VIÊN

Vũ Trường Sơn

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................. vi DANH MỤC CÁC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................... viii LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1 ...................................................................................................... 3 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .................................................. 3 1.1.Tổng quan về hệ thống treo ô tô tải .................................................... 3 1.1.1. Nhiệm vụ, một số bộ phận cơ bản, phân loại hệ thống treo ........... 3 1.1. 2. Giới thiệu một số kết cấu hệ thống treo xe tải ............................... 4 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài ............................. 18 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước.................................................. 18 1.2.2. Tình hình nghiên cứu nước ngoài ................................................. 19 1.3. Các chỉ tiêu đánh giá khả năng thân thiện mặt đường quốc lộ ........ 21 1.3.1. Chỉ số đánh giá tải trọng động bánh xe ........................................ 21 1.3.2. Chỉ tiêu về tải trọng theo tiêu chuẩn Đức ..................................... 22 1.4.Mục tiêu, phạm vi và nội dung nghiên cứu của luận văn ................. 23 1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................... 23 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu và đối đượng nghiên cứu ............................. 24 1.5. Kết luận chương ............................................................................... 24

CHƯƠNG 2 .................................................................................................... 25 XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XE TẢI HẠNG NẶNG 3 CẦU ... 25 2.1. Mô hình toán hệ thống treo thủy khí ................................................ 25 2.2. Mô hình toán hệ thống treo cao su ................................................... 27 2.3. Xây dựng mô hình dao động toàn xe tải .......................................... 28 2.3.1. Các giả thiết mô hình dao động tương đương............................... 28 2.3.2. Mô hình dao động toàn xe tải hạng nặng ...................................... 30 2.3.3. Thiết lập phương trình vi phân mô tả dao động ............................ 30 2.3.4. Mấp mô mặt đường dạng ngẫu nhiên ........................................... 38

iv

2.4. Kết luận: ........................................................................................... 41

CHƯƠNG 3 .................................................................................................... 42 MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ HỆ THỐNG TREO THỦY KHÍ ................................................................................................................. 42 3.1. Mô phỏng ......................................................................................... 42 3.1.1 Mô phỏng dao động của ô tô .......................................................... 42 3.1.2 Chọn thông số xe mô phỏng .......................................................... 43 3.1.3 Mô phỏng ....................................................................................... 45 3.2. Đánh giá hiệu quả hệ thống treo thủy khí ........................................ 48 3.2.1. Đánh giá hiệu quả hệ thống treo khí khí đi chuyển các mặt đường khác nhau ................................................................................................ 48 3.2.2. Đánh giá hiệu quả hệ thống treo thủy khí với vận tốc chuyển động thay đổi .................................................................................................... 49 3.2.3. Đánh giá hiệu quả hệ thống treo thủy khí với tải trọng thay đổi thay đổi .................................................................................................... 50 3.3. Kết luận ............................................................................................ 51

KẾT LUẬN VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ ...................................................... 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 54 PHU LỤC 1 .................................................................................................... 58 PHU LỤC 2 .................................................................................................... 60 PHỤ LỤC 3 .................................................................................................... 61 PHỤC LỤC 3 ................................................................................................. 69

v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Các lớp mấp mô mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068[17] .......................................................................................................... 40 Bảng 3.1. Thông số hệ thống treo thủy khí[37] .......................................... 43

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Hệ thống treo với các phần tử khí ..................................................... 6 Hình 1.2. Hệ thống treo thủy khí ...................................................................... 7 Hình 1.3. Hệ thống treo thủy khí trang bị van điều áp ...................................... 8 Hình 1.4.a.b Van điều chỉnh độ cao .................................................................. 9 Hình 1.4.c.d Van điều chỉnh độ cao ................................................................ 10 Hình 1.5. Cụm thủy khí tự động điều chỉnh.................................................... 12 Hình 1.6. Tự động điều chỉnh chiều cao ......................................................... 13 Hình 1.7. Kết cấu mõ nhíp .............................................................................. 14 Hình 1.8. Một số kết cấu đầu bắt nhíp quang nhíp ......................................... 15 Hình 1.9. Nhíp có độ cứng thay đổi ................................................................ 16 Hình 1.10. Hình dáng bề ngoài của xe tải AD250 của Trung Quốc ............... 17 Hình 1.11. Hệ thống treo cao su ...................................................................... 17 Hình 2.1. Mô hình dao động của hệ thống treo thủy khí ................................ 25 Hình 2.2. Mô hình dao động hệ thống treo cao su .......................................... 27 Hình 2.3 Mô hình dao động của ô tô tải hạng nặng 3 cầu .............................. 30 Hình 2.4. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên cabin ........................................ 32 Hình 2.5. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên thân xe ..................................... 34 Hình 2.6. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên cầu 1 ........................................ 35 Hình 2.7. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên cầu 2 ........................................ 36 Hình 2.8. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên cầu 3 ........................................ 37 Hình 2.9. Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO A (mặt đường có chất lượng rất tốt) ....................................................................................... 40 Hình 2.10. Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO C (mặt đường có chất lượng trung bình) ................................................................................ 41 Hình 2.11. Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO E (mặt đường có chất lượng rất xấu) ...................................................................................... 41 Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng tổng thể dao động bằng Matlab-Simulink 7.04 .... 43 Hình 3.2. So sánh lực động của bánh xe bên trái cầu thứ 3 với 2 hệ thống treo khi xe chuyển động trên các mặt đường ISO cấp B với vận tốc v=40 km/h .. 46

vii

Hình 3.3. So sánh lực động của bánh xe bên trái cầu thứ 3 với 2 hệ thống treo khi xe chuyển động trên các mặt đường ISO cấp C với vận tốc v=40 km/h. . 46 Hình 3.4. So sánh lực động của bánh xe bên trái cầu thứ 3 với 2 hệ thống treo khi xe chuyển động trên các mặt đường ISO cấp D với vận tốc v=40 km/h .. 47 Hình 3.5. So sánh lực động của bánh xe bên trái cầu thứ 3 với 2 hệ thống treo khi xe chuyển động trên các mặt đường ISO cấp E với vận tốc v=40 km/h. . 47 Hình 3.6. So sánh hiệu quả hệ thống treo thủy khí và cao su khi xe chuyển động trên các mặt đường khác nhau................................................................ 48 Hình 3.7. So sánh hiệu quả hệ thống treo thủy khí và cao su khi xe chuyển động trên mặt đường quốc lộ ISO cấp C và ISO cấp E với các vận tốc chuyển động khác nhau................................................................................................ 49 Hình 3.8. So sánh hiệu quả hệ thống treo thủy khí và hệ thống treo cao su khi xe chuyển động với vận tốc v=40km/h và 60km/h trên mặt đường quốc lộ ISO cấp C với các tải trọng khác nhau ................................................................... 50

viii

DANH MỤC CÁC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Đơn vị Thông số

m3 Thể tích bình khí V0

MPa Áp suất ban đầu bình khí pb

m Đường kính piston ds

m Đường kính lỗ tiết lưu d

bar pa Áp suất khí quyển

k Hằng số đoạn nhiệt

kg Khối lượng không được treo cầu 1 m1

kg Khối lượng không được treo cầu 2 m3

kg Khối lượng không được treo cầu 3 m5

kg Khối lượng thân xe m7

kg Khối lượng cabin m13

m Khoảng cách tâm hai bánh xe và tâm xe lct

Khoảng cách tâm cabin đến đệm cách dao động m l10 cabin theo phương x

Khoảng cách tâm cabin đến đệm cách dao động m lc1 cabin theo phương y

Khoảng cách từ đệm cách dao động sau cabin m l06 đến trọng tâm thân xe

Khoảng cách từ tâm gối đỡ cầu 2, 3 đến trọng m l04 tâm thân xe

Khoảng cách từ cầu 2,3 đến tâm gối đỡ cầu 2,3 m l42 theo phương x

Khoảng cách từ cầu 2,3 đến tâm gối đỡ cầu 2,3 m lr1 theo phương y

ix

N/m Độ cứng của HTT cầu trước k41

N/m Độ cứng của HTT cầu thứ 2 k51

N/m Độ cứng của HTT cầu thứ 3 k61

N/m Độ cứng của đệm cách dao động cabin trước k7

N/m Độ cứng của đệm cách dao động cabin sau k8

N/m Độ cứng của lốp xe cầu 1 k1

N/m Độ cứng của lốp xe cầu 2 k2

N/m Độ cứng của lốp xe cầu 3 k3

N.s/m Hệ số cản giảm chấn HTT cầu 1 c4

N.s/m Hệ số cản giảm chấn HTTcầu 2 c5

N.s/m Hệ số cản giảm chấn HTT cầu 3 c6

Hệ số cản giảm chấn đệm cách dao động cabin N.s/m c7 trước

Hệ số cản giảm chấn đệm cách dao động cabin N.s/m c8 sau

N.s/m Hệ số cản giảm chấn lốp cầu 1 c1

N.s/m Hệ số cản giảm chấn lốp cầu 2 c2

N.s/m Hệ số cản giảm chấn lốp cầu 3 c3

F N Lực theo phương đứng

Hệ số tải trọng động kdyn

DLC Hệ số tải trọng động bánh xe

M N.m Mô men

1

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống treo có một vai trò quan trọng nhằm nâng cao độ êm dịu

chuyển động của xe cũng như giảm các tác động xấu đến mặt đường giao

thông. Nghiên cứu thiết kế tối ưu hệ thống treo xe ô tô đã và đang nhiều nhà

nghiên cứu quan tâm cải tiến thiết kế theo hướng nâng cao hiệu quả sử dụng

của nó. Hệ thống treo gồm có ba bộ phần chính (1) bộ phận đàn hồi; (2) bộ

phận giảm chấn và (3) bộ phận dẫn hướng. Đối với các xe tải hạng nặng khai

thác tại các vùng khai thác mỏ, các công trường xây dựng thường chuyển

động trên các mặt đường off-road, hệ thống treo sử dụng phổ biến hệ thống

treo thủy khí. Do vậy, phân tích hiệu quả hệ thống treo thủy khí trang bị trên

các xe tải hạng năng là một trong chủ đề được các nhà nghiên cứu trong nước

và quốc tế quan tâm nghiên cứu. Xuất phát từ ý tưởng nghiên cứu em đã chọn

đề tài “Phân tích hiệu quả hệ thống treo thủy khí của ô tô tải hạng nặng đến

khả năng thân thiện mặt đường” dưới sự hướng dẫn khoa học thầy giáo TS.

Dương Thế Hùng.

Mục tiêu nghiên cứu: mục tiêu xây dựng mô hình dao động không

gian phi tuyến xe tải hạng nặng 3 cầu với 15 bậc tự do. Phần mềm

Matlab/Simulink được ứng dụng để mô phỏng và phân tích hiệu quả hệ thống

treo thủy khí theo hướng giảm các tác động xấu đến mặt đường. Hệ số tải

trọng động bánh xe DLC được chọn hàm mục tiêu để phân tích đánh giá hiệu

quả hệ thống treo thủy khí so với hệ thống treo có bộ phận đàn hồi là nhíp.

Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng mô hình dao động không gian với 15

bậc tự do với kích thích ngẫu nhiên của mặt đường quốc lộ để phân tích hiệu

quả hệ thống treo thủy khí theo hướng thân thiện với mặt đường quốc lộ.

Đối tượng: xe tải và hệ thống treo thống treo thủy khí.

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết: mô phỏng, phân tích

và đánh giá hiệu quả hệ thống treo thủy khí theo hướng thân thiện với mặt

đường quốc lộ.

2

Nội dung nghiên cứu:

Nội dung chính của luận văn như sau:

Chương 1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu;

Chương 2. Xây dựng và mô phỏng mô hình dao động xe tải hạng nặng;

Chương 3. Phân tích hiệu quả hệ thống treo thủy khí.

Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Luận văn đã xây dựng được mô hình tính

toán hệ thống treo thủy khí và mô hình dao động xe tải hạng năng với 15 bậc

tự do; Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của xe ô tô tải hạng

nặng; Mô phỏng, phân tích hiệu quả hệ thống treo xe tải hạng nặng dựa vào

hệ số tải trọng động bánh xe DLC.

Qua đây cho phép tôi được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các thầy

giáo TS. Dương Thế Hùng người hướng dẫn khoa học trực tiếp tôi trong suốt

thời gian làm luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới thầy ThS. Lê Xuân

Long, ThS. Bùi Văn Cường và các thầy trong khoa Kỹ thuật Ô tô-MĐL,

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp- Đại học Thái Nguyên.

Do điều kiện vừa nghiên cứu vừa công tác cũng như hạn chế về mặt

thời gian cũng như mặt kiến thức chắc chắn luận văn không tránh khỏi sự

thiếu xót, rất mong được sự đóng góp ý bổ sung thêm của quý thầy, cô giáo

và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn. !

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018

HỌC VIÊN

Vũ Trường Sơn

3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1.Tổng quan về hệ thống treo ô tô tải

1.1.1. Nhiệm vụ, một số bộ phận cơ bản, phân loại hệ thống treo

Khi ô tô chuyển động trên nền đường không bằng phẳng, do sự chép

hình của bánh xe khiến ô tô bị dao động và gây ra tải trọng động lớn. Tải

trọng động này ảnh hưởng xấu đến tính êm dịu và tiện nghi cho người sử

dụng, đồng thời làm giảm tuổi bền các chi tiết của ô tô. Hệ thống treo được

hiểu như hệ thống liên kết mềm (đàn hồi) giữa bánh xe thông qua cầu xe với

khung xe hoặc vỏ xe.

a) Nhiệm vụ:

Hệ thống treo thực hiện nhiệm vụ đỡ thân xe lên trên cầu xe; cho phép

bánh xe chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng đối với khung xe

hoặc vỏ xe; hạn chế những chuyển động không muốn có khác của bánh xe.

Cấu tạo chung của hệ thống treo bao gồm 3 bộ phận cơ bản: Bộ phận đàn

hồi; Bộ phận giảm chấn; Bộ phận dẫn hướng.

b) Một số bộ phận cơ bản

Bộ phận đàn hồi

+ Nối “mềm” giữa bánh xe và thùng xe giảm nhẹ tải trọng động tác

dụng từ bánh xe lên khung trên các địa hình khác nhau đảm bảo độ êm dịu

khi chuyển động.

+ Phần tử đàn hồi có nhiệm vụ đưa vùng tần số dao động của xe phù

hợp vùng tần số thích hợp với người sử dụng.

Bộ phận giảm chấn

+ Dập tắt dao động phát sinh trong quá trình xe chuyển động từ mặt

đường lên khung xe trong các địa hình khác nhau một cách nhanh chóng

bằng cách biến năng lượng dao động thành nhiệt năng tỏa ra môi trường.

+ Đảm bảo dao động của phần không treo nhỏ nhất, sự tiếp xúc của

bánh xe trên nền đường, nâng cao khả năng bám đường và an toàn trong

chuyển động.

4

Bộ phận dẫn hướng

+ Xác định tính chất chuyển động (động học) của bánh xe đối với

khung, vỏ xe.

+ Tiếp nhận và truyền các lực dọc, ngang và các mô men giữa bánh

xe với khung xe và ngược lại.

Ngoài ra trên một số hệ thống treo còn có: bộ phận ổn định ngang và

các ụ cao su tăng cứng hoặc hạn chế hành trình.

Phần tử ổn định ngang: Với chức năng là phần tử đàn hồi phụ làm

tăng khả năng chống lật thân xe khi có sự thay đổi tải trọng trong mặt phẳng

ngang.

Các phần tử phụ khác: vấu cao su, thanh chịu lực phụ,...có tác dụng

tăng cứng, hạn chế hành trình và chịu thêm tải trọng.

c) Phân loại

Việc phân loại hệ thống treo dựa theo các căn cứ sau:

- Theo loại bộ phận đàn hồi chia ra:

+ Loại bằng kim loại: nhíp lá, lò xo, thanh xoắn.

+ Loại khí: buồng khí nén dạng gấp, dạng sóng, có buồng khí nén

phụ.

+ Loại thuỷ khí: kết hợp giữa khí nén và giảm chấn thủy lực.

+ Loại cao su: các gối cao su, ống cao su đàn hồi

-Theo bố trí bộ phận dẫn hướng chia ra:

+ Loại phụ thuộc với dầm cầu liền.

+ Loại độc lập: một đòn, hai đòn,...

-Theo phương pháp điều khiển có thể chia ra:

+ Hệ thống treo bị động (Hệ thống treo không điều khiển),

+ Hệ thống treo chủ động (Hệ thống treo có điều khiển).

1.1. 2. Giới thiệu một số kết cấu hệ thống treo xe tải

a)Hệ thống treo khí[5]

*)Hệ thống treo khí liên kết giữa hai cầu (kiểu Moulton-Dunlop)

5

Phần tử đàn hồi là balon khí nitơ với áp suất nạp 17,5 bar (hình 1.1),

buồng thứ hai chia hai ngăn chứa dầu giữ vai trò giảm chấn thuỷ lực. Dung

dịch thuỷ lực bao gồm 50% cồn công nghiệp và một ít phụ gia chống o-xy

hoá được bơm vào hệ thống với áp suất 23 bar. Khi đàn hồi trong hệ này có

khối lượng không đổi ( thể tích thay đổi và do đó áp suất thay đổi).

Hành trình nén: Piston (1) đẩy màng (10) đi lên dồn chất lỏng đi qua van

nén (3) vào ngăn (4) nén khí nitơ và do vậy tiêu thụ được động năng kích

động từ đường. Có ba giai đoạn trong quá trình làm việc: (i) nếu mấp mô

đường bé, xe chuyển động chậm, chất lỏng chảy qua các lỗ thông qua thường

trực để cân bằng. (ii) nếu mấp mô đường tăng hơn, áp suất tăng trong buồng

dầu (8) đủ đẩy van nén (3) mở thêm các lỗ cho đầu chảy vào buồng (4) trong

khoảng khắc. (iii) nếu đường xấu, mấp mô lớn, tốc độ xe tăng, áp suất chất

lỏng tăng đột ngột, mở hết các lỗ van, cho phép nhiều chất lỏng lên buồng (4),

tạo ra lực cản thuỷ lực.

Hành trình trả: Khi xe vượt qua mấp mô, khí giãn ra đẩy chất lỏng từ

buồng (4) sang buồng (9). Quá trình xẩy ra trong hai giai đoạn: (i) khi mấp

mô bé hoặc xe đi chậm, thì chỉ có một ít chất lỏng quay lại buồng (8); chất

lỏng chảy qua các lỗ thông qua với tốc độ bé, do vậy lực cản thuỷ lực không

đáng kể.(ii) khi mấp mô lớn hơn hoặc xe chạy tốc độ lớn hơn thì áp suất chất

lỏng bị nén trong buồng (4) đẩy mở nhanh van trả, cho phép nhiều chất lỏng

đi qua hơn để về buồng (9). Vì mở nhanh van trả, áp suất thay đổi nhanh,

dòng chất lỏng thì bị giới hạn nên có xu hướng chảy chậm lại và vì vậy làm

chậm quá trình trả của khí đàn hồi.

Trong hành trình trả, chuyển động của piston chậm hơn một ít so với hành

trình nén vì ở hành trình này không có van giảm tải như hành trình nén. Với

chuyển vị bé, chất lỏng đều qua cùng một lỗ thông qua cho cả hai hành trình.

Khi một bánh xe sau hoặc trước đi qua một mấp mô, chất lỏng từ bánh xe đó

bị nén chảy sang buồng (9) của phía đối diện cùng phía làm cân bằng cho thân

xe; hạn chế lắc dọc. Với tốc độ dòng chảy của dầu không lớn thì áp suất của

nó không đổi và do vậy khí không bị biến dạng. Khi xe quay vòng, xuất hiện

6

lắc ngang hoặc xe chuyển động lên xuống như một khối thì hệ treo trước và

sau chuyển động cùng nhau, chất lỏng chuyển động đồng thời làm tăng áp

suất chất lỏng, tạo áp suất động đối với khí nitơ. Khi chuyển động vào trong,

diện tích hiệu dụng của piston (1) tăng lên làm cho độ cứng khí nén tăng cản

lại dao động lắc ngang. Tương tự, nếu thân xe đi xuống nhanh, diện tịch hiệu

dụng piston (1) làm tăng độ cứng khí nitơ, hạn chế chuyển động đi xuống của

thân xe.

Hình 1.1. Hệ thống treo với các phần tử khí

1. Piston côn; 2. vỏ giảm chấn; 3. van nén( mở); 4. màng ngăn; 5. buồng khí;

6. khí nitơ; 7. ống nối treo trước/sau; 8. buồng giảm chấn; 9. chất lỏng; 10.

piston màng

b)Hệ thống treo thuỷ khí điều chỉnh độ cao tự động (Citroen)[5]

Hệ treo trước có thể sử dụng kiểu MacPherson, hệ treo sau dùng loại

đòn dọc (hình 1.2). Hai thanh chống lắc ngang (9) được lắp cho treo trước và

sau nhằm tăng cứng xoắn cho hệ và để điều khiển van điều chỉnh độ cao (4).

7

Hình 1.2. Hệ thống treo thủy khí

Cấu tạo:

Bộ phận đần hồi: balon khí nitơ (1,2) và giảm chấn (5), xem hình

(10.71). Khi bánh xe đi qua mấp mô, piston bị đẩy lên, chất lỏng bị đẩy vào

khoang dưới của balon khí, màng (3) ép khí nitơ trong một thẻ tích bé. Nếu

bánh xe qua chỗ lõm, khí nén giãn ra, đẩy chất lỏng trở lại xy lanh giảm chấn,

làm piston chuyển động đi xuống. bằng cách thay đổi chất lỏng đi qua van

giảm chấn mà khí nén bị nén hoặc giãn nở làm thay đổi áp suất so với áp suất

ban đầu để hạn chế các lực động tác dụng lên thân xe (hình 10.71).

8

Hình 1.3. Hệ thống treo thủy khí trang bị van điều áp

1. Balon khí; 2. khí nitơ; 3. màng ngăn cách; 4. ống dẫn chất lỏng vào; 5.

xilanh; 6. đường dầu ra; 7. vấu hạn chế hành trình; 8. piston giảm chấn; 9.

cần piston; 10. van điều chỉnh độ cao; 11. đòn điều chỉnh; 12. thanh ổn định.

Bơm dầu và van đẳng áp (hình 1.3): Dầu được cấp từ bơm dầu piston-

đĩa quay lai bởi động cơ đốt trong; cấp dầu liên tục với một áp suất ổn định

xác định trước. Dầu áp suất cao được dự trữ trong bình tích áp (1), (trong đó

có một túi khí nitơ) để cấp khí khi có nhu cầu đột ngột; cho phép bơm chạy

không tải và loại được quá trình đóng ngắt bơm. Khi bơm chạy không tải, áp

suất chỉ đủ để đưa dầu về bình chứa (3) qua van điều chỉnh áp suất (5).Van

điều chỉnh áp suất và bình tịch áp điều chỉnh áp suất tối thiểu để hệ thống làm

việc và hạn chế áp suất tối đa (áp suất đóng của bơm 140 bar, áp suất cắt 165-

175 bar).

Van điều chỉnh độ cao (hình 1.4): Độ cao của xe được thay đổi tự động nhờ thay đổi thể tích dầu không chịu nén giữa buồng dầu của balon (1) và xy lanh (5). Khi tải trọng tăng thì thân xe bị hạ thấp làm biến dạng cơ cấu hướng hệ treo và làm quay thanh ổn định (12). Góc quay của thanh ổn định là giá trị

9

tương ứng chuyển vị tương đối của hệ thống treo so với vị trí tĩnh ban đầu. Chuyển vị này được chuyển tiếp đến van điều chỉnh độ cao(10) thông qua thanh xoắn điều khiển (16), một đầu của nó được kẹp chặt (13) với thanh ổn định (12), đầu kia kẹp với đòn điều chỉnh (11). Đầu kia của đòn (11) nối với van điều chỉnh độ cao (10).

Hình 1.4.a.b Van điều chỉnh độ cao 1. Dầu từ bơm tới; 2,3. cửa hồi về bình chứa; 4. màng cao su; 5. đường dầu đến xi lanh treo; 6. van trượt; 7. đĩa van; 8. cửa cản.

Để tránh sự điều chỉnh liên tục, cần có sự phản ứng chậm của van (10): dầu không được nạp ở hành trình nén và không được xả trong hành trình trả. Độ cao chỉ được điều chỉnh sau một thời gian ngắn, trong thời gian đó hệ thống treo phải có thời gian thay đổi mức tải của bộ phận đàn hồi. Mỗi khi xy lanh được nạp đầy hoặc ngừng nạp để đưa hệ treo về vị trí chuẩn, van độ cao phải phản ứng ngay tức khắc chuyển từ vị trí van nạp sang vị tri trung gian hay từ vị trí van xả sang vị trí trung gian. Hình (1.4) trình bày 4 trạng thái của van độ cao: (i) piston van trượt (6) chuyển từ vị trí đóng (hình 1.4 (b)) sang vị trí mở cấp dầu cho xy lanh treo (5), hình 1.4 (a); (ii) vị trí cắt (trung gian), hình 1.4 (b); (iii) piston (6) chuyển từ vị trí mở sang vị trí đóng (ii); (iv) piston chuyển từ vị trí xả sang trung gian.

10

Hình 1.4.c.d Van điều chỉnh độ cao

1. Dầu từ bơm tới; 2,3. cửa hồi về bình chứa; 4. màng cao su; 5. đường dầu đến xi lanh treo; 6. van trượt; 7. đĩa van; 8. cửa cản.

Piston van điều khiển độ cao từ vị trí trung gian sang trạng thái nạp,hình (1.4 (a)): Khi tải tăng, đòn treo bị hạ thấp làm quay thanh ổn định (12), làm xoắn thanh (16) dẫn đến đòn điều chỉnh bị nghiêng, tạo ra lực hướng trục tác dung vào piston (6) làm nó chuyển động sang trái, van từ trạng thái đóng sang trạng thái mở, cấp dầu vào xy lanh treo (5) để nâng thân xe lên làm thanh ổn định quay ngược lại, đẩy piston (6) về vị trí trung gian ngừng cấp dầu (ii). Việc quay về vị trí trung gian là rất nhanh vì piston (6) không bị lực cản nào và xe đã được đưa về độ cao ban đầu. Để làm chậm lại chuyển động của piston (6) từ vị trí đóng sang mở, van đĩa phải (7) đóng nên cửa không cản (9) đóng chỉ mở cửa cản (8) nên piston (6) chuyển động rất chậm. Piston điều khiển độ cao ở vị trí trung gian, hình (1.4(b)): Giảm tải trọng thẳng đứng của bánh xe tạo ra hiệu ứng giảm áp suất trong xy lanh treo. Piston (6) chuyển từ vị trí trung gian sang vị trí xả. Dầu thừa giữa piston và màng bị đẩy về bình chứa; độ cao của xe được giữ nguyên; van (6) ở vị trí trung gian (hình 1.4 b)). Quá trình ngắt xẩy ra rất chậm cho nên van (6) không phản ứng khi hệ treo dao động trong biên độ nhỏ của đường. Piston điều khiển độ cao từ vị trí nạp sang vị trí trung gian, hình (1.4c)):Khi xy lanh treo đã được cấp dầu đầy, thanh ổn định làm đổi hướng chuyển động của piston (6) từ vị trí nạp (hiện tại) sang vị trí trung gian như hình 1.4 (b). Chuyển động của piston sang vị trí cắt là nhanh vì van đĩa trái ở vị trí mở, trước hết nó thay đổi chiều chuyển động, chất lỏng trong cửa không cản (9) mở tiếp van đĩa phải, dầu thoát nhanh và nhờ đó van (6) đi nhanh về

11

Cụm treo có độ cao không đổi có hai bộ phận cơ bản là (1) khí đàn hồi

vị trí trung gian. Khi nó đạt vị trí trung gian, van đĩa trái lại đóng. Nhờ đó hạn chế chuyển động dư của (6) và hạn chế van điều khiển độ cao lặp lại việc điều chỉnh sau một giây. Piston điều khiển độ cao từ vị trí xả qua vị trí cắt, hình (1.4 (d)):Khi xy lanh treo nhiều dầu quá mức càn xả và khi đã đạt độ cao chuẩn, cần đóng nhanh cửa thoát về bình chứa. Van điều chỉnh độ cao có khả năng phản ứng nhanh để đóng đường thoát trong trường hợp này là do van đĩa phải mở, dầu thoát nhanh qua cả hai cửa (8,9), ngay lập tức thanh (16) đưa piston (6) về vị trí trung gian. Điều chỉnh độ cao bằng tay: Trong xe, lái xe có thể chọn 5 vị trí độ cao khác nhau: Vị trí chuẩn; hai vị trí cao và thấp nhất; hai vị trí trung gian giữa chuẩn và cao nhất. *) Cụm treo thuỷ khí tự điều chỉnh mức (hình 1.5, 1.6) và giảm chấn thuỷ lực và (2) bơm dầu điều khiển độ cao. Tần số dao động của khối lượng được treo gần không đổi có thể đạt được nhờ hai buồng khí trong (3) và ngoài (9); buồng ngoài là buồng chính, buồng trong là buồng phụ (hình 1.5). Buồng khí nén chính (9) được điều khiển bới sự lưu thông chất lỏng giảm chấn từ buồng trên piston (7) đến buồng có màng chứa khí (6). Buồng khí nén trong (3) là phần điều chỉnh, được điều khiển bởi buồng dưới piston, thay đổi chất lỏng cho buồng khí nén dự trữ (3). Kết cấu của cụm treo có một giảm chấn thuỷ lực. Xy lanh ngoài cùng cụm treo nối với khối lượng được treo, xy lanh trong cùng nối với van hút (13), hai xy lanh giữa tạo buồng khí phụ dự trữ. Giữa xy lanh ngoài với xy lanh thứ hai được chia ra buồng khí chính bởi màng chính (6). Piston (7) nối với khối lượng không được treo, trên đỉnh có gắn van xả (5). Trong lòng piston là xy lanh bơm (12) và piston bơm (10); thanh dẫn bơm điều khiển độ cao (11) gắn với bơm hút (13). Lỗ thông (14) điều khiển độ cao của hệ treo. Ngoài ra trong hệ còn có van nén (2), van trả (4) của giảm chấn thuỷ lực. Khí trong buồng trong bị nén do áp suất chất lỏng phía dưới piston. Độ cứng treo là độ cứng tổng cộng của hai buồng khí. Nguyên lý đàn hồi cụm treo

Có hai chu kỳ liên hệ mật thiết với nhau. Một là áp suất được hình thành phía trên, hai là áp suất thay đổi dưới piston. Ở hành trình nén (hình 1.5

12

(a)), piston chuyển động lên trên, chất lỏng qua van nén (2) vào xung quanh màng (6) và nén khí trong buồng chính. Đồng thời khi áp suất dưới piston giảm, khí nén trong buồng phụ giãn ra, chất lỏng đi qua lỗ thông (14) điền đầy cho khoang dưới piston. Biến dạng của màng (6) làm biến dạng đàn hồi khí và khí đi qua van nén (2) ép khí trong buồng chính. Vì vậy tần số dao động hành trình nén giảm đi. Ở hành trình trả (hình 1.5 (b)), chất lỏng chuyển động từ buồng khí ngoài qua van trả (4) vào buồng trên piston, đồng thời dầu cũng đi qua van trả (4) vào dưới xy lanh piston, cùng lúc piston nén dầu vào buồng khí phụ. Cũng giống như dầu di chuyển từ buồng khí chính đến buồng trên piston, cản sẽ tăng lên do van trả, chất lỏng đi qua một chu kỳ dài hơn.

Hình 1.5. Cụm thủy khí tự động điều chỉnh

1. Dầu; 2. van nén; 3. buồng phụ chứa khí; 4. van trả; 5. van xả bơm; 6.

màng chứa khí; 7. piston; 8. cửa thông; 9. buồng chính chứa khí; 10. piston

bơm; 11 thanh độ cao; 12. xilanh bơm; 13. van

13

Nguyên lý điều chỉnh độ cao tự động (hình 1.6)

Hình 1.6. Tự động điều chỉnh chiều cao

1. Dầu; 2. van nén; 4. van trả; 6. màng ngăn khí; 5. van xả; 7. piston; 9.

buồng chứa khí; 10. piston bơm; 12. xilanh bơm; 11. thanh độ cao; 13. van

hút

c). Nhíp xe tải[5]

Ở hệ treo xe tải, nhíp chịu hai loại tải cơ bản là tải trọng tĩnh và động

phương thẳng đứng; mô men xoắn khi hai bánh xe chuyển động khác pha.

Ngoài ra khi phanh và tăng tốc, nhíp còn chịu mô men uốn và chèn dập ở tai

14

nhíp. Khi tính toán nhíp ta cần đề cập 4 loại lực sau: Lực tác dụng thẳng

đứng; lực dọc do phanh/tăng tốc gây ra; lực ngang do lực ly tâm, đường

nghiêng, gió ngang gây ra.

*) Mõ nhíp

Mõ nhíp chịu cường độ lớn do tải trọng thẳng đứng, lực phanh và lực

ngang. Với các xe nhỏ, nhíp có một lá chính và cuốn một lá; nếu hai lá chính

cuốn lá đầu còn lá sau cuốn nửa vòng; các xe tải nặng thường hai lá chính,

cuốn lá thứ nhất và cuốn vòng to lá thứ hai (hình 1.7).

Hình 1.7. Kết cấu mõ nhíp

*) Một số kết cấu đầu bắt nhíp quang nhíp

Để giảm tải trọng uốn và xoắn cho nhíp, có thể sử dụng các kết cấu như

hình 1.. Quang nhíp bắt với cầu có thể kết cấu như trong hình 1.8.

*) Nhíp có độ cứng thay đổi

Ở các xe tải, tải trọng thường xuyên thay đổi là thay đổi tần số của khối

lượng được treo. Để giảm bớt sự thay đổi đó, người ta thường thiết kế nhíp

phụ (a), nhíp có chiều dài hiệu dụng thay đổi (b), nhíp có bán kính cong khác

nhau (c), nhíp một lá thiết diện thay đổi và nhíp phụ thiết diện thay đổi (d),

dầu nhíp đặc biệt thay đổi chiều dài hiệu dụng (e,f,g) trong hình (1.9).

15

(b) (a)

(d) (c)

(e) (f)

Hình 1.8. Một số kết cấu đầu bắt nhíp quang nhíp

16

Hình 1.9. Nhíp có độ cứng thay đổi

17

c). Hệ thống treo cao su[38, 39]

Hệ thống treo có bộ phận đàn hồi cao su được trang bị trên các loại xe

tải hạng nặng. Kết cấu treo trước hình 1.11(a) và kết cấu treo hình 1.11(b).

Hình 1.10. Hình dáng bề ngoài của xe tải AD250 của Trung Quốc

(a) Hệ thống treo cầu trước

(b) Hệ thống treo cầu sau

Hình 1.11. Hệ thống treo cao su

18

1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài

1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước

- Công trình “Trịnh Minh Hoàng, khảo sát dao động ô tô dưới kích động

mặt đường ngẫu nhiên, luận án thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà nội,

2002” nghiên cứu ảnh hưởng của thông số kết cấu và điều kiện làm việc của

ôtô đến độ êm dịu chuyển động. Trong luận án tác giả giải quyết bài toán dao

động 7 bậc tự do với kích động mặt đường là hàm phổ của Iasenko[11].

- Công trình “Võ Văn Hường, Nghiên cứu hoàn thiện mô hình khảo sát

dao động ô tô tải nhiều cầu, Luận án Tiến sỹ LA 111/05, 2004. ĐHBK Hà

Nội” nghiên cứu khá hoàn chỉnh dao động của ôtô nhiều cầu. Trong luận án

tác giả nghiên cứu đặc tính phi tuyến của phần tử đàn hồi của hệ thống treo,

lốp xe với mô hình không gian và giải quyết bài toán dao động bằng phương

pháp Matlab Simulink[12].

Công trình “ Đào Mạnh Hùng, báo cáo đề tài cấp bộ, năm 2005 đơn vị

chủ trì Trường Đại học Giao thông Vận tải” đã xây dựng mô hình dao động

xe tải ½ với kích thích ngẫu nhiên mấp mô mặt đường quốc lộ 1A đo được

làm tín hiệu đầu vào. Trong báo cáo đánh giá được ảnh hưởng của thông số

thiết kế hệ thống treo, tải trọng đến mặt đường quốc lộ dựa vào hệ số tài trọng

động bành xe DLC[5].

Công trình “Lê Văn Quỳnh và công sự trong bài báo khoa học của mình,

2012” nghiên cứu và đánh giá dao động của lớp xe tải 2 cầu, 3 cầu, 4 cầu và 5

cầu đến mức độ thân thiện mặt đường. Kết quả bài báo đã xây dựng mô hình

dao động ½ lớp xe tải hạng nặng dưới kích thích ngẫu nhiên của mặt đường

quốc lộ. Các ảnh hưởng của các thông số động lực học của lớp xe lần lượt

được phân tích dựa vào hệ số tải trọng động bánh xe DLC[14,15].

- Công trình [8] “Hoàng Đức Thị luận án thạc sĩ kỹ thuật Trường Đại

học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên 2016” nghiên cứu ảnh

hưởng thông số hệ thống treo xe tải đến khả năng thân thiện mặt đường quốc

19

lộ. Trong luận án tác giả xây dựng mô hình không gian dao động của ôtô ba

cầu với kích động ngẫu nhiên và giải quyết bài toán dao động bằng phương

pháp Matlab/Simulink. Từ hàm mục tiêu là hệ số tải trọng động bánh xe DLC,

các thông số thiết kế hệ thống treo như độ cứng và hệ số cản lần lượt được

phân tích.

- Công trình [9] “Đặng Ngọc Minh Tuấn luận án thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên 2017” tối ưu hệ

thống treo khí xe tải hạng nặng nhằm nâng cao khả năng thân thiện mặt

đường quốc lộ. Trong luận án tác giả xây dựng mô hình không gian dao động

của ôtô 5 cầu với kích động ngẫu nhiên và giải quyết bài toán dao động bằng

phương pháp Matlab/Simulink. Từ hàm mục tiêu là hệ số tải trọng động bánh

xe DLC, các thông số thiết kế hệ thống treo như độ cứng và hệ số cản lần lượt

được tối ưu thiết kế.

-Công trình“Nhóm tác giả với bài báo khoa học nghiên cứu ảnh hưởng

thông số thiết kế hệ thống treo cabin đến độ êm dịu chuyển động của xe,

2018” đã xây dựng mô hình dao động không gian phí tuyến với 15 bậc tự do

và kích thích ngẫu nhiên của mặt đường quốc lộ và đánh giá ảnh hưởng của

thông số thiết kế hệ thống treo cabin như độ cứng và hệ số cản đến độ êm dịu

chuyển động của xe phân phụ lục 3.

Tuy nhiên, chủ đề “Mô phỏng và phân tích hiệu quả hệ thống treo thủy

khí của ô tô tải hạng nặng đến khả năng thân thiện mặt đường” vẫn đang là

vấn đề mở cho nhà nghiên cứu trong nước và nước ngoài quan tâm nghiên

cứu.

1.2.2. Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Nghiên cứu hoàn thiện và phát triển hệ thống treo ô tô ngày càng được

các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao độ êm dịu của người

điều khiển cũng như giảm các tác động xấu mặt đường quốc lộ.Những năm

gần đây, vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống treo ô tô đến mặt đường

20

quốc lộ được nhiều khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu, X.

M. Shi and C. S. Cai (2009) nghiên cứu ảnh hưởng của động lực học ô tô đến

mặt đường giao thông trong đó thông số kết cấu của các hệ thống như hệ

thống treo, ngoài ra lốp xe, tải trọng,.. cũng được xem xét nghiên cứu[19];

Yongjie Lu, Shaopu Yang, et al (2010) đã tiến hành phân tích ảnh hưởng của

thông số kết cấu của xe như hệ thống treo, lốp xe,… và thông số khai thác đến

hệ số tải trọng động bánh xe DLC (Dynamic Load Coefficient) dưa vào mô

hình dao động không gian toàn xe ảo của xe tải[20]; Le Van Quynh, Zhang

Jianrun et al (2011) đưa ra mô hình dao động không gian phi tuyến của xe tải

nặng 5 cầu, từ đó phân tích tương tác qua lại giữa xe và mặt đường. Từ kết

quả nghiên cứu đề xuất nhà quản lý giao thông điều kiện mặt đường can thiệt

và sửa chữa[15].

Nghiên cứu thiết kế tối ưu các hệ thống treo cho ô tô theo hướng thân

thiện đường giao thông cũng được các nhà khoa học thế giới quan tâm nghiên

cứu từ rất sớm, Yi K and Hedrick J K (1989) đề xuất lý thuyết điều khiển tích

cực và bán tích cực cho hệ thống treo xe tải nhằm giảm tác hại xấu cho mặt

đường mặt đường giao thông[20]; Guglielmino E., Sireteanu T., Stammers

C.W., Ghita G. and Giudea M (2008) xuất bản ấn phẩm dưới dạng sách trong

đó tập hợp nhiều kết quả nghiên cứu về hệ thống treo điều khiển bán tự động

nhằm nâng cao khả năng thân thiện với đường giao thông và độ êm chuyển

động của xe [21]; Lu Sun (2002) đưa ra phương pháp thiết kế tối ưu thông số

hệ treo xe tải nhằm nâng cao đô thân thận với đường[22]; M.J.

Mahmoodabadi, A. Adljooy Safaie, A. Bagheri, N. Nariman-zadeh(2013) đưa

ra phương pháp tối ưu thông số thiết kế của các hệ thống động học của ô tô

trong đó có hệ thống treo sử dụng thuật toán di truyền[24]

Nghiên cứu hoàn thiện và phát triển hệ thống treo ô tô ngày càng được

các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao độ êm dịu của người

điều khiển cũng như giảm các tác động xấu mặt đường quốc lộ. Thiết kế và

21

mô phỏng hệ thống treo thủy khí cho xe ô tô được trình bày M. B. Darade và

N.D. Khaire [34], kết quả mô phỏng phân tích được hiệu quả hệ thống treo

trên mô hình 1/4. Phát triển mô hình toán và mô phỏng hệ thống treo thủy khí

được trình bày bởi Tian-hong Luo, Ting-qiong Cui, Wen-jun Luo, Xun-jia

Zheng, Chao Lin, et al[35], trong nghiên cứu này các tác giả sử dụng phần

mềm mô phỏng AMESim để đánh giá so sánh hiệu quả hệ thống treo khí.

Nâng cao hiệu quả hệ thống treo thủy khí một bộ điều khiển hệ thống treo

được thiết lập bởi D. Emami, S. A. Mostafavi, P. Asadollahzadeh[36], kết quả

nghiên cứu phân tích được hiệu quả hệ thống treo điều khiển. Tuy nhiên, các

công trình nghiên cứu ở trên vẫn chưa đề cấp đến phân tích đánh giá hiệu quả

hệ thống treo sử dụng mô hình động lực học toàn xe. Ý tưởng chính của đề tài

này, hệ số tải trọng động của bánh xe được chọn là các hàm mục tiêu để phân

tích hiệu quả hệ thống treo thủy khí so với hệ thống treo cao su, một mô hình

dao động không gian của ô tô được thiết lập để mô phỏng và đánh giá hiệu

quả với kích thích ngẫu nhiên của đường quốc lộ.

1.3. Các chỉ tiêu đánh giá khả năng thân thiện mặt đường quốc lộ

1.3.1. Chỉ số đánh giá tải trọng động bánh xe

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. Khi ô tô chuyển động trên các mặt đường và

cầu, tải trọng động bánh xe sẽ dẫn đến sức căng và biến dạng bền mặt. Sự tích

lũy lâu dài của biến dạng dẻo bề mặt sẽ nguyên nhân gây ra phá hủy bề mặt

như các vết nứt, lún,.. Để đánh giá ảnh hưởng của tải trọng động của bánh xe

đến khả năng thân thiện mặt đường, nhiều công trình nghiên cứu đưa ra hệ số

tải trọng động bánh xe DLC - Dynamic Load Coefficient [15,20-23]. Hệ số

DLC được định nghĩa bởi công thức (6).

22

(1-1)

trong đó: Fs- tải trọng tĩnh của bánh xe; FT,RMS- tải trọng động bánh xe tác

dụng lên mặt đường bình phương trung bình và nó được định nghĩa bởi công

thức (1-2 ).

(1-2)

Trong đó:

FT - Tải trọng động của bánh xe tác dụng lên mặt đường;N

T - Thời gian khảo sát(s).

Hệ số tải trọng bánh xe DLC phụ thuộc rất nhiêu yếu tố như thống số hệ

thống treo, lốp xe, tải trọng xe, vận tốc chuyển động, điều kiện mặt

đường...Trong đề tài này, hệ số tải trọng động bánh xe được chọn để phân tích

ảnh hưởng của hệ thống treo đến khả năng thân thiện với mặt đường giao

thông và sẽ được trình bày ở phần sau và chương trình tính toán được trình

bày phụ lục.

1.3.2. Chỉ tiêu về tải trọng theo tiêu chuẩn Đức

Tải trọng động cực đại (Fzdyn, max ) làm giảm tuổi thọ chi tiết, gây tổn hại

cho đường. Hệ số tải trọng động Kdyn, max đánh giá mức độ ảnh hưởng đến chi

tiết, hệ số áp lực đường W đánh giả mức độ ảnh hưởng của dao động với

đường[12].

a. Chỉ tiêu tải trọng động ảnh hưởng tới độ bền chi tiết.

Để khảo sát vấn đề này, tác giả sử dụng hệ số tải trọng động cực đại,

được định nghĩa như sau:

(1-3) Kdyn,max=1+

trong đó:

Kdyn, max : Hệ số tải trọng động cực đại

23

Fz,dyn : Tải trọng động bánh xe

Fz,st : Tải trọng tĩnh bánh xe

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

(1-4)

(1-5) và: kdy max =

b. 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 QII 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 đến 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 [12,] đã nêu ra công thức xác định hệ số áp lực đường w như sau:

W=1+6 2 +44 (1-6)

= (1-7)

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

W= (1-8)

Trong luận văn này tác giả chọn hệ số tải trọng bánh xe DLC là hàm

mục tiêu để đánh giá hiệu quả hệ thống treo thủy khí.

1.4.Mục tiêu, phạm vi và nội dung nghiên cứu của luận văn 1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu

Để phân phân tích hiệu quả hệ thống treo thủy khí xe tải hạng nặng, mô hình toán hệ thống treo thủy khí và mô hình dao động toàn xe với 15 bậc tự

24

do được thiết lập dưới kích thích mấp mô mặt đường quốc lộ. Hệ số tải trọng bánh xe DLC được chọn làm mục tiêu để đánh giá hiệu quả hệ thống treo thủy khí. Phần mềm Matlab/Simulink được áp dụng mô phỏng và đánh giá hiệu quả hệ thống theo thủy khí theo hướng thân thiện mặt đường.

Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ khoa học tác giả tập trung cứu

một số vấn đề sau:

- Xây dựng mô hình dao động xe tải hạng nặng 3 cầu; - Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động; - Mô phỏng và phân tích hiệu quả hệ thống thủy khí.

1.4.2. Phạm vi nghiên cứu và đối đượng nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng mô hình toán hệ thống treo thủy khí

và mô hình dao động không gian toàn xe tải hạng nặng.

Đối tượng: Một mô hình dao động toàn xe tải với 15 bậc tự do và hệ

thống treo thủy khí được xem xét đánh giá trong luận văn này.

1.4.3. Phương pháp nghiên cứu Lý luận và kết hợp mô phỏng bằng phần mềm Matlab simulink 7.0 để phân tích hiệu quả của hệ thống treo thủy khí theo hướng thân thiện mặt đường.

1.4.4. Nội dung nghiên cứu

Nội dung chính của luận văn như sau: Chương 1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu Chương 2. Xây dựng mô hình và mô phỏng dao động xe tải hạng nặng; Chương 3. Phân tích hiệu quả hệ thống treo thủy khí.

Kết luận và những kiến nghị.

1.5. Kết luận chương

Kết quả phân tích trong chương này đã đưa được các lập luận về cơ sở lý thuyết cho vấn đề cần nghiên cứu như phân tích hệ thống treo, các chỉ tiêu đánh giá mức độ thân thiện mặt đường và phân tích mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu.

25

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XE TẢI HẠNG NẶNG 3 CẦU

2.1. Mô hình toán hệ thống treo thủy khí

Hệ thống treo thủy khí đã và đang được các nhà nghiên cứu, thiết kế

hoàn thiện kết cấu để ứng dụng cho các loại xe tải hạng nặng “off-road”.

Trong khuôn khổ của luận văn thạc sĩ, em tiến hành xây dựng và phát triển

mô hình toán hệ thống treo thủy khí của Citroën HydrActive strut trong tài

liệu tham khảo[37]. Mô hình dao động của hệ thống treo thủy khí được thể

hiện trên hình 2.3.

(b) Mô hình dao động thủy khí (a) Hệ thống treo thủy khí

Hình 2.1. Mô hình dao động của hệ thống treo thủy khí

Giải thích các ký hiệu trên hình 2.3, ma, mb lần lượt là khối lượng của cầu xe

và khối lượng thân xe; za, zb là chuyển vị cầu xe và thân xe; k và c là độ cứng

và hệ số cản của hệ thống treo thủy khí.

Lực theo phương thẳng đứng hệ thống treo thủy khí được xác định theo

mô hình toán 2.3b và nhưng nguyên lý về thủy khí:

Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng có dạng:

26

(2-1)

trong đó:

Vb: Thể tích ban đầu của bình khí

Pb: Áp suất ban đầu của bình khí

V0: Thể tích của bình khí khi xe ở trạng thái cân bằng tĩnh

Pb: Áp suất của bình khí khi xe ở trạng thái cân bằng tĩnh

k: hằng số đoạn nhiệt của khí

Lưu lượng dòng chảy qua lỗ được xác định theo công thức:

(2-2)

Lưu lượng dòng chảy qua lỗ tiết lưu được xác định qua phương trình:

Với :

p1: Áp suất khí trong bình ở thời điểm bất kỳ

p: Áp suất dầu trong xi lanh ở thời điểm bất kỳ

A: Diện tích của lỗ

As: Diện tích của piston

Cd: Hệ số lưu lượng dòng chảy qua lỗ

xu: chuyển vị của khối lượng không được treo

xd: chuyển vị của lốp xe

Kết hợp 2 phương trình (2-1) và phương trình (2-2) ta xác định áp suất

dầu trong xi lanh ở thời điểm bất kỳ:

(2-3)

(2-4)

Từ phương trình trạng thái khí ta có:

27

Với:

(2-4)

(2-5)

Từ đó ta tìm được lực theo phương thẳng đứng của hệ thống treo thủy

khí:

(2-6)

Phương trình (2-6), lực theo phương đứng của hệ thống treo thủy khí

được xác định và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink trình bày trong

chương 3.

2.2. Mô hình toán hệ thống treo cao su

Hệ thống treo cao su đã và đang được ứng dụng cho các loại xe tải

hạng nặng “off-road”. Trong khuôn khổ của luận văn thạc sĩ, em tiến hành

xây dựng mô hình dao động hệ thống treo cao su theo tài liệu tham khảo[38,

39]. Mô hình dao động của hệ thống treo cao su được thể hiện trên hình 2.5

(a) Phân tử đán hồi cao su của hệ (b)Mô hình dao động hệ thống treo

thống treo sau cao su

Hình 2.2. Mô hình dao động hệ thống treo cao su

28

Trong tài liệu của tác giả Sun Beibei và một số cộng sự [38] đã tiến

hành thí nghiệm và đánh giá đặc tính động lực học của bộ phận đàn hồi của

hệ thống treo cao su xe AD250 của Trung Quốc. Lực đàn hồi là phi tuyến bậc

3 và lực theo phương đứng của hệ thống treo cao su dựa vào hình 2.4b được

xác định theo công thức dưới đây:

(2-27)

Phương trình (2-7), lực theo phương đứng của hệ thống treo cao su

được xác định và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink trình bày trong

chương 3 làm cơ sở đánh giá hiệu quả của hệ thống treo thủy khí theo hướng

thân thiện với mặt đường quốc lộ.

2.3. Xây dựng mô hình dao động toàn xe tải

2.3.1. Các giả thiết mô hình dao động tương đương

Ô tô là một cơ hệ hệ dao động bao gồm nhiều bộ phận nối với nhau.

Mỗi bộ phận được đặc trưng khối lượng và thông số đặc trưng. Bộ phận có

tác dụng giảm các dao động từ mặt đường lên khung vỏ là hệ thống treo. Hệ

thống treo là đối tượng chính khi nghiên cứu dao động.

Để nghiên cứu dao động xe ôtô một cách thuận lợi chúng ta cần phải

thiết lập dao động tương đương. Trong đó mô hình dao động ô tô cần có đầy

đủ các thông số liên quan đến dao động của ôtô.

Trước khi thiết lập mô hình dao động tương đương cần thống nhất một

số khái niệm sau:

a. Khối lượng được treo m

Khối lượng được treo m gồm những cụm chi tiết mà trọng lượng của

chúng tác dụng lên hệ thống treo. Đó là khung, thùng, hàng hoá, cabin và một

số chi tiết khác. Giữa chúng thực ra được nối với nhau một cách đàn hồi nhờ

các đệm đàn hồi, ổ tựa đàn hồi bằng cao su, dạ, nỉ, giấy công nghiệp, ... Hơn

nữa bản thân các bộ phận này cũng không phải cứng tuyệt đối, cho nên khối

29

lượng treo thực ra là một nhóm các khối lượng được liên kết đàn hồi thành

một hệ thống. Tuỳ nhiên dựa cách bố trí cụ thể của ôtô, mà có thể chia khối

lượng được treo thành 2 hoặc nhiều khối lượng, giữa các khối lượng liên kết

với nhau bằng các phần tử đàn hồi và giảm chấn. Tuy nhiên các mối đàn hồi

giữa các thành phần của khối lượng được treo có biến dạng rất nhỏ so với

biến dạng của hệ thống treo và lốp. Cho nên trong trường hợp đơn giản có thể

coi rằng khối lượng được treo m là một khối lượng đồng nhất ở dạng phẳng

hoặc dạng không gian theo mục đích của các nhà nghiên cứu.

b. Khối lượng không được treo ma

Khối lượng không được treo gồm những cụm mà trọng lượng của

chúng không tác dụng trực tiếp lên hệ thống treo mà chỉ tác dụng lên lốp bánh

xe. Đó là: bán trục, dầm cầu, bánh xe, một phần chi tiết của hệ thống treo,

truyền động lái, nhíp, giảm chấn, một phần của trục các đăng.

Coi khối lượng không được treo là một vật thể đồng nhất, cứng tuyệt

đối và có khối lượng mb tập trung vào trọng tâm của cầu xe.

c. Hệ thống treo

Hệ thống treo trong ôtô có nhiệm vụ nối phần được treo M và phần

khối lượng không được treo m một cách đàn hồi. Hệ thống treo cùng với lốp

làm giảm những chấn động gây nên do sự mấp mô mặt đường khi xe chuyển

động. Hệ thống treo gồm những bộ phận sau:

- Bộ phận đàn hồi: Lò xo, nhíp, thanh xoắn, bình khí ... Nó được biểu

diễn bằng một lò xo có độ cứng k.

- Bộ phận giảm chấn: có nhiệm vụ dập tắt các chấn động. Nó được đặc

trưng bằng hệ số cản giảm chấn c.

- Bộ phận dẫn hướng: gồm có các thành đòn và có nhiệm vụ truyền lực

và mô men theo các phương phương.

d. Bánh xe

Bánh xe ngoài tác dụng là hệ thống di chuyển và đỡ toàn bộ trọng

lượng của xe còn có tác dụng làm giảm các chấn động từ mặt đường lên xe,

30

tăng độ êm dịu cho xe. Bánh xe là hình ảnh thu nhỏ của hệ thống treo, có

nghĩa là cũng bao gồm một thành phần đàn hồi và một thành phần giảm chấn,

đặc trưng độ cứng k và hệ số cản c.

2.3.2. Mô hình dao động toàn xe tải hạng nặng

Để đánh giá hiệu quả của hệ thống treo khí so với hệ thống treo phần tử

đàn hồi lá nhíp, một ô tô tải 3 cầu hạng nặng AD250 của Trung Quốc sản xuất

[38,39] được chọn để xây mô hình dao động. Mô hình dao động được thể hiện

trên hình 2.5

Hình 2.3 Mô hình dao động của ô tô tải hạng nặng 3 cầu

Giải thích các ký hiệu trên hình 1: k6, k7, k8, k9 lần lượt là độ cứng đặc trưng của hệ thống treo cabin ; c6, c7, c8,c9 là hệ số cản đặc trưng cho hệ thống treo cabin; k4r, k4l, k5r, k5l, k6r, k6l, lần lượt là độ cứng đặc trưng của hệ thống treo ; c4r, c4l, c5r, c5l, kc6r, c6l, là hệ số cản đặc trưng cho hệ thống treo; l01, l04, l42, l43,… là các khoảng cách tương ứng; m1, m3, m5,… là các khối lượng không được treo; I và I2, I4, I6, I11, I12,.. là các momen quán tính tương ứng của khối lượng; zn, z11, z12, z13, z14,…là các chuyển vị theo phương thẳng đứng. q1r, q2l , q3r là hàm mấp mô mặt đường. 2.3.3. Thiết lập phương trình vi phân mô tả dao động

31

Dựa vào mô hình dao động để các phương trình vi phân mô tả dao động

của cơ hệ để khảo sát và lựa chọn các thông số thiết kế của hệ thống treo.

Hiện nay có rất nhiều phương pháp để thiết lập phương trình vi phân miêu tả

chuyển động của cơ hệ như: phương trình Lagrange loại II, nguyên lý

D’Alambe, nguyên lý Jourdain kết hợp phương trình Newton – Euler. Tuy

nhiên để thuận lợi cho mô phỏng bằng máy tính em sử dụng nguyên lý

D’Alambe kết hợp cơ sở lý thuyết hệ nhiều vật để thiết lập hệ phương trình vi

phân mô tả dao động của xe. Phần thiết lập hệ phương trình mô tả dao động

trong luận văn này được phối hợp cùng với luận văn của tác giả Dương Đức

Minh để đánh giá hiệu quả của hệ thống treo thủy khí cho xe tải hạng năng 3

cầu.

Dựa vào cơ sở hệ nhiều vật tách các vật ra khỏi cơ hệ và thay vào đó là

các phản lực liên kết. Sau đó sử dụng nguyên lý D’Alambe để thiết lập hệ

phương trình cân bằng cho từng vật của cơ hệ sau đó liên kết chúng lại với

nhau bằng quan hệ lực và momen.

Theo nguyên lý D’Alambe:

(2-8)

trong đó:

: là tổng các ngoại lực tác dụng lên vật.

: là tổng các lực quán tính tác dụng lên vật.

a) Thiết lập các phương trình vi phân mô tả dao động CABIN

Theo lý thuyết hệ nhiều vật chúng ta tách liên kết của vật cabin ra khỏi

cơ hệ và thay vào đó các phản lực liên kết. Hình 2.6 thể hiện sơ đồ lực và mô

men tác dụng lên đầu xe:

32

Hình 2.4. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên cabin

Thiết lập phương trình cân bằng lực và mô men tác dụng lên thân xe

tương tự như cầu trước, ta có:

Phương trình cân bằng lực tác dụng lên cabin

(2-9)

Các lực F06 , F07 , F08 , F09 là lực của hệ thống treo cabin

Trong đó:

(2-10)

Lực giảm chấn:

(2-11)

Lực đàn hồi:

(2-12)

Vậy giá trị các lực giảm chấn và đàn hồi như sau:

(2-13)

Phương trình cân bằng mô men theo trục dọc của thân xe:

33

(2-14)

Các lực F6 , F7 , F8 , F9 được tính như trên, thay vào công thức ta có

(2-15)

Phương trình cân bằng mô men theo trục ngang của thân xe:

(2-16)

Tương tự ta thay các giá lực ta có

(2-18)

Z06, Z07, Z08, Z09 là chuyển vị tại các đầu mút bên trái và bên phải của hệ

thống treo cabin tương tứng. Các chuyển theo phương thẳng đứng Z06, Z07,

Z08, Z09 có liên hệ với chuyển vị tại trọng tâm cabin z13 và chuyển vị góc z14,

z15.

(2-19)

Vì chuyển vị góc z14 và z15 quá nhỏ do vậy tg z14 z14và tg z15 z15. Khi đó (2-

12) trở thành:

34

(2-20)

b) Thiết lập các phương trình vi phân mô tả dao động thân xe

Hình 2.8 thể hiện sơ đồ lực và mô men tác dụng lên cầu thân xe. Thiết

lập phương trình cân bằng lực và mô men tác dụng lên cầu xe ,ta có:

Hình 2.5. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên thân xe

*) Phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng

(2-21)