CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
272
KHOA H
ỌC
SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ TRONG HỌC PHẦN LÝ THUYẾT Ô TÔ
USING NUMERICAL SIMULATION TOOLS IN THE AUTOMOBILE THEORY MODULE Trương Văn Chính1,*, Phan Nhật Trường1, Phạm Văn Quảng2, Phạm Việt Thành3 TÓM TẮT Bài báo này trình bày kết quả mô phỏng khảo sát dao động của ô tô. Đối tượ
ng
nghiên cứu là hệ thống treo dùng trên xe hai cầu mà chủ yếu là hệ thố
ng treo có
bộ phận đàn hồi là lò xo xoắn trụ hoặc nhíp lá và bộ phận giảm chấn kiểu ống thủ
y
lực. Trên cơ sở ứng dụng Matlab Simulink mô phỏng dao động của phần tử của hệthống treo để khảo sát sự ảnh hưởng các thông số đặc trưng về kết cấu như độnhớt của dầu thông qua hệ số cản c, độ cứng lò xò k đến biên độ dao động cực đạ
i,
gia tốc cực đại, thời gian ổn định của hệ… Ngoài ra cũng có thể khảo sát ả
nh
hưởng của điều kiện chuyển động thông qua việc thay đổi tần số và biên độ
kích
thích đầu vào. Mặt khác nghiên cứu cũng khảo sát mô hình dao động liên kế
thông qua mô hình phẳng nhằm khảo sát ảnh hưởng của đường và phân bố tả
i
trọng của xe. Từ khóa: Dao động, hệ thống treo, lý thuyết ô tô. ABSTRACT
This paper presents the simulation results of car's vibration survey. The object
of research is the suspension system used on two-
wheel drive vehicles, mainly the
suspension system
with elastic components such as cylindrical torsion springs or
leaf springs and hydraulic tube-
type dampers. Based on Matlab Simulink
application, simulate vibrations of suspension system elements to investigate the
influence of typical structural paramete
rs such as oil viscosity through resistance
coefficient c, spring stiffness k to Maximum oscillation amplitude, maximum
acceleration, system stability time... In addition, the influence of motion
conditions can also be investigated through changing the fre
quency and
amplitude of input stimulation. On the other hand, the project also examines the
link vibration model through a flat model to investigate the influence of the road
and vehicle load distribution. Keywords: Vibration, suspension system, automobile theory. 1Lớp Kỹ thuật Ô tô 03 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội2Lớp Kỹ thuật Ô tô 05 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nộ
i
3Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: tchinh.haui.automotive@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Đáp ứng nhu cầu chung của xã hội và nhu cầu riêng của chuyên ngành. Trong công nghiệp ô tô, mô phỏng được sử dụng để thiết kế, đánh giá các loại động cơ mới, hay các hệ thống mới. Mô phỏng là giải pháp tốt mang lại hiệu quả kinh tế cao. Mô phỏng ô tô có thể dự đoán độn toàn và độ tin cậy nhờ việc phân tích kỹ thuật số và thử nghiệm ảo trên máy tính. Các phần mềm mô phỏng ngày nay tích hợp đầy đủ để có thể mô phỏng toàn bộ các các hệ thống trên ô tô liên quan đến cơ khí, cơ điện tử, chất lỏng, nhiệt, điện từ, điện tử, bán dẫn và điều khiển. Môn học chuyên ngành Lý thuyết ô tô đã cung cấp những kiến thức cơ bản của ô tô. Tuy nhiên ô tô ngày nay ngày càng hiện đại và được trang bị những công nghệ mới. Bên cạnh đó, ô tô ngày nay cũng đòi hỏi những yêu cầu cao hơn về vận tốc xe do sự phát triển mạnh của các tuyến đường cao tốc, số người sử dụng xe ngày càng nhiều và đa dang hơn, công nghệ lắp ráp sản xuất cũng thay đổi phù hợp hơn. Vì vậy để hiểu sâu hơn và nhanh chóng tiếp cận với yêu cầu thực tiễn, việc ứng dụng công cụ mô phỏng vào các môn học kỹ thuật chuyên ngành nói chung và môn học Lý thuyết ô tô là vấn đề cấp thiết. 2. CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU Nghiên cứu dao động của ô tô liên quan đến việc tìm các quan hệ động học, động lực học của các khối lượng dao động (khối lượng cầu xe và thân xe phân bố trên các bánh xe) với các thông số đặc trưng của các phần tử hệ thống treo khi chịu kích thích từ mặt đường. Như vậy bài toán phải xây dựng mô hình dao động của ô tô khi chịu kích thích cho một bánh xe và cho hai bánh xe cùng bên. Nội dung của mô hình là các phương trình vi phân dao động diễn tả mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và các thông số đặc trưng của dao động. Các hệ phương trình vi phân này và các điều kiện giới hạn được coi là mô hình toán của hệ thống. Từ mô hình toán xây dựng mô hình bằng Matlab Simulink để mô phỏng động học và có những kết luận sau khi chạy mô phỏng. 2.1. Mô hình dao động một phần tử khối lượng Trên hình 1 trình bày mô hình dao động của một phần tử khối lượng. Trong đó m là khối lượng phần thân xe phân bố trên bánh xe đang khảo sát, k là độ cứng của lò xo, c là hệ số cản của giảm chấn thủy lực. Lập phương trình chuyển động, hệ phương trình vi phân cấp hai xây dựng dựa vào định luật II Newton: m. g − k. (z − q)− c. (z − q )= m. z (1) Môđun mô phỏng như hình 2.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 273
q
kc
z
m*g
m Hình 1. Mô hình vật lý mô tả dao động một phần tử khối lượng Hình 2. Môđun chính mô phỏng dao động một phần tử một bậc tự do 2.2. Mô hình dao động hai phần tử khối lượng Hình 3. Mô hình vật lý dao động hai phần tử Hình 3 trình bày mô hình dao động của một cụm cơ cấu treo trên một bánh xe. + m1: khối lượng cầu xe bánh xe (phần không được treo) + m2: khối lượng thân xe (được treo) phân bố trên bánh xe + k1 và c1 là độ cứng và hệ số cản giảm chấn của lốp + k2 và c2 là độ cứng của lò xo và hệ số cản của giảm chấn thủy lực Lập phương trình vi phân mô tả chuyển động: m. z+ k(z− q) + c(z− q ) + k(z− z) +
c(z− z) − m. g = 0 m. z+ k(z− z) + c(z− z) − m. g = 0 (2) Môđun mô phỏng như hình 4. Hình 4. Môđun mô phỏng dao động hai phần tử 2.3. Mô hình dao động liên kết Mô hình dao động liên kết (mô hình phẳng) được trình bày như sơ đồ hình 5. Ta có thể gặp mô hình này trong thực tế ở xe ô tô hai cầu dùng cơ cấu treo phụ thuộc. Hình 5. Mô hình dao động liên kết Trong đó: + m1, m2: khối lượng không được treo trước và sau + m3: khối lượng thân xe ở một bên trục dọc (được treo) + k11, k21: hệ số cứng của lốp trước và sau + k12, k22: hệ số cứng của lò xo cụm treo trước và sau + c12, c22: hệ số cản giảm chấn của lốp trước và sau + c12, c22: hệ số cản của giảm chấn thủy lực cụm treo trước và sau + J: mô men quán tính khối lượng của thân xe với trục ngang y + lf, lr: là khoảng cách từ trọng tâm phần được treo tới cầu trước và sau + g: gia tốc trọng trường lấy bằng 9,8 (m/s2) Mô hình động lực học này biểu thị dao động liên kết ô tô 2 cầu ở dạng mô hình phẳng, có nghĩa là ô tô được giả thiết đối xứng qua trục dọc của xe và xem độ mấp mô của biên dạng đường ở dưới bánh xe trước trái và sau trái là như nhau. Khối lượng treo được quy dẫn về trọng tâm phần treo biểu
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
274
KHOA H
ỌC
thị qua giá trị khối lượng m3 (đại diện cho khối lượng được treo là thân xe) và m1, m2 (đại diện cho khối lượng không được treo là cầu xe) với 4 bậc tự do là Z3, , Z1, Z2. Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động: M. z+ k(z′− z)+ k(z′− z) +c(z′− z) + c(z′− z) − m. g = 0 m. z+ k(z− q)+ c(z− q )+ k(z− z′) +c(z− z′) − m. g = 0 m. z+ k(z− q)+ c(z− q )+ k(z− z′) +c(z− z′) − m. g = 0 J. ϕ
−[k(z− z′)+ c(z− z′)]. l +[k(z− z′) + c(z− z′)]. l= 0 Hình 6. Sơ đồ tổng thể mô phỏng dao động liên kết Mô đun mô phỏng như hình 7, 8, 9. Hình 7. Mô hình dao động thân xe Hình 8. Mô hình dao động cầu sau Hình 9. Mô hình dao động cầu trước 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Khảo sát đặc tính dao động của một phần tử của hệ thống treo Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng lò xo k, hệ số cản c, và khối lượng m đến biên độ và thời gian đạt ổn định của hệ. Qua kết quả khảo sát trên hình 10, có thể thấy rõ sự ảnh hưởng của trị số độ cứng k của lò xo đến biên độ dao động. Tăng độ cứng của lò xo từ k1 đến k3 biên độ dao động giảm xuống. Tuy nhiên đồ thị cũng khẳng định về định tính phù hợp của mô hình nghiên cứu, cho phép chẩn đoán trong sửa chữa máy, ví dụ nếu thay đối một lò xo quá cứng sẽ làm xấu đi tính chất chuyển động êm dịu của ô tô. Cũng có thể chẩn đoán rằng, trong trường hợp hệ số cản của hệ treo bị giảm sút (thiếu dầu hoặc hết dầu) thì biên độ dao động của thân xe tăng lên đáng kể, mặt khác thời gian đạt ổn định lâu hơn, gây mệt mỏi cho hành khách và chóng hỏng. Bên cạnh đó ta thấy rằng nếu tăng khối lượng dao động (xe chất tải nặng hơn) thì tần số dao động có giảm do kωm nhưng biên độ dao động tăng cao và hệ dao động lâu đạt đến trạng thái ổn định hơn. Điều này có thể giải thích do quán tính của hệ tăng lên. 3.2. Khảo sát đặc tính dao động của hệ hai phần tử trong cơ cấu treo Để khảo sát tính chất dao động của ô tô với tư cách là một hệ hai khối lượng, khối lượng được treo gồm khung gầm, động cơ, người trên xe, phần khối lượng không được treo gồm khối lượng cầu xe và bánh xe.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 275
a) Dao động khối lượng được treo b) Dao động khối lượng không được treo Hình 11. Dao động của từng phần tử trong hệ dao động hai khối lượng k1 < k2 < k3 c1 < c2 < c3 m1 < m2 < m3 Hình 10. So sánh tính chất dao động khi thay đổi k, m, c
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
276
KHOA H
ỌC
a) Vận tốc dao động của khối lượng được treo b) Vận tốc dao động của khối lượng không được treo Hình 12. Vận tốc dao động của từng phần tử trong hệ dao động hai khối lượng a) Gia tốc dao động của khối lượng được treo b) Gia tốc dao động của khối lượng không được treo Hình 13. Gia tốc dao động của từng phần tử trong hệ dao động hai khối lượng Kết quả khảo sát (theo số liệu tham khảo ở tài liệu [8]) cho thấy mô hình phản ánh đúng bản chất của hệ dao động. Ban đầu hai khối lượng dao động với biên độ lớn rồi ổn định dần, do có sự tham gia của bộ giảm xóc thủy lực. Như vậy việc thiết lập mô hình dao động và mô phỏng trên đồ thị cho phép khảo sát được ảnh hưởng của đơn yếu tố của từng tham số của hệ. 3.3. Khảo sát đặc tính dao động của phần tử của hệ thống treo trong mô hình dao động liên kết a) Chuyển vị cầu sau trái b) Vận tốc dao động cầu sau trái Hình 14. Đặc tính dao động của phần tử cầu sau theo phương z a) Chuyển vị cầu trước trái b) Vận tốc dao động cầu trước trái Hình 15. Đặc tính dao động của phần từ cầu sau theo phương z