Xem mẫu
1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận án
Khi ô tô chuyển động có rất nhiều yếu tố gây ra dao động làm mất tính an
toàn và êm dịu chuyển động. Đây là hai chỉ tiêu động lực học quan trọng,
không thể tách rời nhưng lại mâu thuẫn với nhau trong quá trình chuyển động,
được quyết định chủ yếu bởi chất lượng của hệ thống treo. Tuy nhiên, trong
hầu hết các thiết kế mới ô tô khách và nghiên cứu cải thiện hệ thống treo ô tô ở
nước ta hiện nay thường tập trung chủ yếu vào chỉ tiêu độ êm dịu mà ít quan
tâm đến an toàn chuyển động. Trên cơ sở lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu, bài
toán thiết kế tối ưu hệ thống treo ô tô với hai hàm mục tiêu đồng thời là độ an
toàn và êm dịu chuyển động có thể được giải quyết nhanh chóng nhờ các phần
mềm tiên tiến.
Xuất phát từ những thực trạng trên, đề tài “Nghiên cứu tối ưu các thông số
hệ thống treo ô tô khách sử dụng tại Việt Nam” nhằm nghiên cứu hoàn thiện
kết cấu hệ thống treo để nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động là thực sự
cần thiết và có ý nghĩa khoa học trong điều kiện thực tế của Ngành Công
nghiệp Ô tô Việt Nam.
Mục đích nghiên cứu của luận án
Mục đích cơ bản của luận án là xây dựng phương pháp thiết kế tối ưu các
thông số của hệ thống treo ô tô khách sản xuất lắp ráp và sử dụng trong nước
dựa trên lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống treo ô tô Huyndai County HD
29 E3.
Phạm vi nghiên cứu của luận án là một số thông số kỹ thuật của hệ thống
treo như: độ cứng của phần tử đàn hồi, thanh ổn định, ghế người lái và lốp xe;
hệ số cản của giảm chấn.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết
và đánh giá thực nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Có thể coi luận án là một trong những nghiên cứu đầu tiên về tối ứu hóa đa
mục tiêu trong thiết kế kỹ thuật ở Việt Nam. Thông qua việc nghiên cứu lý
thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu, luận án góp phần hoàn thiện phương pháp tính
toán thiết kế hệ thống treo nhằm nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động
của ô tô khách sản xuất lắp ráp và sử dụng trong nước, đồng thời giới thiệu một
phương pháp thiết kế ô tô khoa học dựa trên các công cụ tính toán hiện đại.
Bên cạnh những đóng góp giá trị về mặt lý thuyết, kết quả nghiên cứu của
luận án còn có thể được ứng dụng để nâng cao chất lượng sản phẩm của các
doanh nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô trong nước, giúp các doanh nghiệp có một
nhãn quan toàn diện về chất lượng sản phẩm hiện tại để chế tạo ra những sản
phẩm có chất lượng ngang tầm thế giới trong tương lai.
2
Bố cục luận án
Xuất phát từ mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu.
Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, bố cục của luận án gồm các chương như
sau:
Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tối ưu hệ thống treo ô tô khách
Chương 3: Xây dựng mô hình dao động và tối ưu một số thông số hệ thống
treo ô tô khách Hyundai County HD 29 E3
Chương 4: Thí nghiệm
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Ô tô là một hệ dao động phức tạp, bao gồm nhiều bộ phận được liên kết với
nhau, mỗi bộ phận có khối lượng và đặc tính dao động riêng. Khi xe chuyển
động, có rất nhiều yếu tố gây ra dao động của khối lượng được treo và không
được treo. Trong đó mấp mô không đều có tính ngẫu nhiên của bề mặt đường
được coi là nguồn kích thích chính, tác động lên bánh xe qua hệ thống treo gây
ra dao động của khối lượng được treo.
Như vậy, nghiên cứu hệ thống treo của xe ô tô là nghiên cứu dao động của
khối lượng được treo và khối lượng không được treo, hay nói cách khác là
nghiên cứu dao động của xe ô tô nhằm khử bỏ tới mức thấp nhất các dao động
để đảm bảo các chỉ tiêu làm việc của xe.
1.1. Tình hình nghiên cứu dao động ôtô
Có thể thấy, nội dung lĩnh vực nghiên cứu dao động ô tô bao hàm các vấn
đề sau: chỉ tiêu đánh giá dao động, mô hình dao động, các yếu tố gây dao động
và thí nghiệm dao động.
1.1.1. Các chỉ tiêu đánh giá dao động ôtô
Có nhiều chỉ tiêu khác nhau để đánh giá dao động ô tô: chỉ tiêu về độ êm
dịu chuyển động, chỉ tiêu về an toàn chuyển động, chỉ tiêu về không gian làm
việc của hệ thống treo.
1.1.1.1. Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động
Có nhiều chỉ tiêu để đánh giá độ êm dịu chuyển động. Trong đó gia tốc dao
động kể đến đồng thời biên độ, tần số dao động và có ảnh hưởng trực tiếp đến
lái xe, hành khách, hàng hóa. Vì vậy, gia tốc dao động là chỉ tiêu quan trọng có
tính chất quyết định đến độ êm dịu chuyển động. Trong giới hạn cho phép, luận
án chỉ tập trung nghiên cứu đánh giá độ êm dịu chuyển động theo chỉ tiêu gia
tốc dao động.
Cơ sở để xác định chỉ tiêu về gia tốc dao động chính là giá trị bình phương
trung bình (root mean square - RMS) của gia tốc, Mitschke [54,55]:
Tùy thuộc vào điều kiện và mục đích nghiên cứu, có thể đánh giá độ êm dịu
chuyển động theo giá trị bình phương trung bình của gia tốc người lái, gia tốc
thẳng đứng thân xe, gia tốc lắc ngang, gia tốc lắc dọc hoặc có thể đánh giá theo
3
giá trị bình phương trung bình của tất cả các gia tốc kể trên theo biểu thức toán
học sau:
f1
1 1
4 T
T
T
2
Z d (t )dt
0
1
T
Z 2 (t )dt
0
T
T
1
1
2 (t )dt
2 (t )dt
T
T
0
0
(1.1)
1.1.1.2. Chỉ tiêu đánh giá an toàn chuyển động
Có nhiều chỉ tiêu để đánh giá an toàn chuyển động. Tuy nhiên, tải trọng
động thẳng đứng tác dụng giữa bánh xe với mặt đường là nguyên nhân chính
gây mất an toàn chuyển động (mất tính điều khiển).
Khi ôtô chuyển động trên đường có biên dạng mang đặc tính ngẫu nhiên thì
dáng điệu của tải trọng thẳng đứng của bánh xe Fz(t) cũng mang đặc tính ngẫu
nhiên. Các giá trị của Fz(t) dao động xung quanh vị trí giá trị trung bình Fz (gọi
là kỳ vọng toán học), theo kết quả thử nghiệm thì giá trị này bằng giá trị tải
trọng tĩnh đặt trên bánh xe Fzt.
Tải trọng thẳng đứng của bánh xe Fz(t) được xác định bằng tổng của tải
trọng tĩnh và tải trọng động giữa bánh xe và bề mặt đường:
(1.2)
Fz (t ) Fzt Fzd (t )
Phương sai của tải trọng thẳng đứng bánh xe được xác định theo biểu thức
sau đây:
T
2
DF F
1
T
T
2
Fz (t ) Fz dt 1
T
0
T
2
Fzt Fzd (t ) Fz dt 1
T
0
F
2
zd (t )dt
(1.3)
0
Do đó, sai lệch bình phương trung bình của tải trọng thẳng đứng bánh xe
chính bằng giá trị bình phương trung bình của tải trọng động, được xác định
theo biểu thức toán học sau:
T
1
F DF RMS Fzd
T
0
T
2
Fz (t ) Fz dt 1
T
F
2
zd (t )dt
(1.4)
0
Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì sai lệch bình phương trung
bình F DF càng nhỏ càng tốt, có nghĩa là: F min
Có thể đánh giá chỉ tiêu an toàn chuyển động đối với ô tô có bốn bánh xe
theo biểu thức toán học tổng quát sau:
f2
1
4
4
T
i 1
1
T
0
2
Fzdi dt
(1.5)
1.1.2. Mô hình dao động
Có nhiều loại mô hình dao động ô tô khác nhau như mô hình ¼, mô hình ½
và mô hình không gian. Tuy nhiên, trong quá trình chuyển động, dưới các tác
động ngẫu nhiên của mặt đường và các lực quán tính do sự thay đổi các chế độ
chuyển động, nên thân xe sẽ dao động tịnh tiến theo phương thẳng đứng và dao
động góc quanh các trục lắc dọc và trục lắc ngang. Chuyển động phức tạp này
của thân xe có ảnh hưởng không nhỏ đến dao động của người lái, dao động của
4
cầu xe và các bánh xe. Để mô hình dao động sát với mô hình thực tế nhất, luận
án tập trung nghiên cứu mô hình dao động của ô tô khách trong không gian. Cho
phép nghiên cứu đồng thời dao động của người lái, dao động của thân xe, cầu xe
và các bánh xe dưới tác dụng kích thích ngẫu nhiên của biên dạng mặt đường và
các thành phần lực quán tính theo phương dọc và phương ngang tác dụng lên
thân xe trong quá trình chuyển động. Trong mô hình, có xét đến ảnh hưởng của
hệ thống thanh ổn định ngang đối với cầu trước và cầu sau.
1.1.3. Các yếu tố gây dao động
Khi ô tô chuyển động có nhiều yếu tố gây ra dao động, các yếu tố có thể kể
đến là: nội lực trong ôtô; các ngoại lực xuất hiện trong quá trình sử dụng như
tăng tốc, phanh, quay vòng; điều kiện ngoại cảnh như gió, bão; mấp mô mặt
đường. Trong các yếu tố kể trên mấp mô của đường là nguyên nhân chính gây
ra dao động của ô tô.
1.1.4. Thí nghiệm dao động ôtô
Thí nghiệm ôtô có bốn dạng: thí nghiệm đặc tính cụm để xác định thuộc
tính vật lý của chúng, thường áp dụng đối với các nhà máy chế tạo; thí nghiệm
xe trên bệ thử; thí nghiệm xe trên đường thực; thí nghiệm bằng mô hình lý
thuyết.
Ở Việt Nam, nguồn ngân sách phục vụ nghiên cứu khoa học rất hạn hẹp. Vì
vậy, để thuận tiện cho mục đích nghiên cứu, luận án lựa chọn phương pháp thí
nghiệm trên mô hình lý thuyết.
1.2. Tình hình nghiên cứu tối ƣu hệ thống treo ô tô khách
Trong hầu hết các nghiên cứu về hệ thống treo được công bố, các tác giả
thường tính toán các thông số của hệ thống treo trên cơ sở đảm bảo chỉ tiêu độ
êm dịu mà chưa quan tâm đến chỉ tiêu an toàn chuyển động. Tuy nhiên, khi
tăng độ êm dịu lại có thể gây mất an toàn chuyển động. Trong những năm gần
đây các công trình nghiên cứu hệ thống treo tập trung chủ yếu vào việc ứng
dụng các thành tựu kỹ thuật điều khiển điện tử để thiết kế hệ thống treo có điều
khiển. Có thể nói việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển điện tử vào thiết kế hệ
thống treo có điều khiển có rất nhiều ưu điểm. Tuy nhiên, thiết kế hệ thống treo
có điều khiển rất phức tạp và đặc biệt là giá thành hệ thống treo có điều khiển
rất cao so với hệ thống treo bị động, do vậy hệ thống treo có điều khiển chỉ phù
hợp cho những xe con du lịch đời mới. Ở nước ta, do điều kiện hạn hẹp về kinh
phí, trình độ công nghệ chưa cao nên hệ thống treo bị động vẫn được sử dụng
là chủ yếu. Do vậy, nghiên cứu thiết kế tối ưu đối với hệ thống treo bị động
trên ô tô nói chung và trên ô tô khách sản xuất lắp ráp trong nước là một nhu
cầu cấp thiết trong điều kiện như hiện nay.
1.3. Nhiệm vụ của luận án
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu và các phương pháp giải
bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu để tối ưu hệ thống treo ô tô khách.
Nghiên cứu xây dựng mô hình dao động của ô tô khách trong không gian.
Trên cơ sở mô hình dao động, nghiên cứu ứng dụng phần mềm Matlab Simulink xây dựng mô hình mô phỏng dao động của ô tô khách, mô hình này
cho phép nghiên cứu đồng thời các đặc trưng động lực học của ô tô trong
5
những điều kiện chuyển động khác nhau; lựa chọn phương pháp tối ưu hóa đa
mục tiêu thích hợp, xây dựng thuật toán và giải bài toán tối ưu hóa đồng thời
hai hàm mục tiêu an toàn và êm dịu chuyển động nhằm xác định các thông số
tối ưu của hệ thống treo ô tô khách sản xuất lắp ráp tại Việt Nam.
Tiến hành thí nghiệm xác định các thông số đầu vào và so sánh kết quả thí
nghiệm với kết quả khảo sát trên mô hình để chuẩn hóa mô hình lý thuyết.
Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƢU
HỆ THỐNG TREO Ô TÔ KHÁCH
2.1. Thông số thiết kế
Các thông số của một hệ kỹ thuật như khối lượng, mô men quán tính, độ
cứng của phần tử đàn hồi, hệ số cản của giảm chấn và các kích thước hình học
quyết định toàn bộ tính chất động lực học của hệ. Trong các thông số trên, một
số thông số không thể thay đổi giá trị do các ràng buộc kỹ thuật và được coi
như những hằng số thiết kế. Các thông số khác có thể được thay đổi trong
phạm vi giới hạn nhất định để tạo ra những đặc tính động lực học khác nhau
của hệ được chọn làm thông số thiết kế (biến thiết kế) và được biểu diễn bằng
véctơ các thông số thiết kế, Deb [32], [33]:
T
(2.1)
p p1, p2 ,..., ph h , pl p pu
Trong đó: h là số thông số thiết kế , pl và pu tương ứng là véc tơ giới hạn
dưới và giới hạn trên của các thông số thiết kế, pil pi piu , i 1(1)h .
2.2. Hàm mục tiêu (tiêu chuẩn tối ƣu)
Đối với một hệ động lực học, chúng ta thường mong muốn các thông số ra
y(t ), y(t ), y(t ) của hệ dưới một kích thích h(t ) nào đó phải nằm trong giới hạn
cho phép hoặc dao động ít nhất quanh một giá trị xác định theo yêu cầu đặt ra.
Hàm mục tiêu thường sử dụng là độ lệch chuẩn của thông số khảo sát (thông số
đầu ra) y(t) so với giá trị mong muốn y cho trước nào đó với khoảng thời gian
khảo sát là T, theo công thức tổng quát của Bestle [50]:
T
f :
1
T
)
y(t) y d (ty(t)
2
(2.2)
0
y(t)
y
0
T
t
Hình 2.1: Thông số ra và giá trị mong muốn
Khi nghiên cứu động lực học phương tiện, y(t) có thể là giá trị tải trọng
động từ bánh xe tác dụng xuống nền đường, còn y là giá trị tải trọng tĩnh, Hình
nguon tai.lieu . vn
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận án
Khi ô tô chuyển động có rất nhiều yếu tố gây ra dao động làm mất tính an
toàn và êm dịu chuyển động. Đây là hai chỉ tiêu động lực học quan trọng,
không thể tách rời nhưng lại mâu thuẫn với nhau trong quá trình chuyển động,
được quyết định chủ yếu bởi chất lượng của hệ thống treo. Tuy nhiên, trong
hầu hết các thiết kế mới ô tô khách và nghiên cứu cải thiện hệ thống treo ô tô ở
nước ta hiện nay thường tập trung chủ yếu vào chỉ tiêu độ êm dịu mà ít quan
tâm đến an toàn chuyển động. Trên cơ sở lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu, bài
toán thiết kế tối ưu hệ thống treo ô tô với hai hàm mục tiêu đồng thời là độ an
toàn và êm dịu chuyển động có thể được giải quyết nhanh chóng nhờ các phần
mềm tiên tiến.
Xuất phát từ những thực trạng trên, đề tài “Nghiên cứu tối ưu các thông số
hệ thống treo ô tô khách sử dụng tại Việt Nam” nhằm nghiên cứu hoàn thiện
kết cấu hệ thống treo để nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động là thực sự
cần thiết và có ý nghĩa khoa học trong điều kiện thực tế của Ngành Công
nghiệp Ô tô Việt Nam.
Mục đích nghiên cứu của luận án
Mục đích cơ bản của luận án là xây dựng phương pháp thiết kế tối ưu các
thông số của hệ thống treo ô tô khách sản xuất lắp ráp và sử dụng trong nước
dựa trên lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống treo ô tô Huyndai County HD
29 E3.
Phạm vi nghiên cứu của luận án là một số thông số kỹ thuật của hệ thống
treo như: độ cứng của phần tử đàn hồi, thanh ổn định, ghế người lái và lốp xe;
hệ số cản của giảm chấn.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết
và đánh giá thực nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Có thể coi luận án là một trong những nghiên cứu đầu tiên về tối ứu hóa đa
mục tiêu trong thiết kế kỹ thuật ở Việt Nam. Thông qua việc nghiên cứu lý
thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu, luận án góp phần hoàn thiện phương pháp tính
toán thiết kế hệ thống treo nhằm nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động
của ô tô khách sản xuất lắp ráp và sử dụng trong nước, đồng thời giới thiệu một
phương pháp thiết kế ô tô khoa học dựa trên các công cụ tính toán hiện đại.
Bên cạnh những đóng góp giá trị về mặt lý thuyết, kết quả nghiên cứu của
luận án còn có thể được ứng dụng để nâng cao chất lượng sản phẩm của các
doanh nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô trong nước, giúp các doanh nghiệp có một
nhãn quan toàn diện về chất lượng sản phẩm hiện tại để chế tạo ra những sản
phẩm có chất lượng ngang tầm thế giới trong tương lai.
2
Bố cục luận án
Xuất phát từ mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu.
Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, bố cục của luận án gồm các chương như
sau:
Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tối ưu hệ thống treo ô tô khách
Chương 3: Xây dựng mô hình dao động và tối ưu một số thông số hệ thống
treo ô tô khách Hyundai County HD 29 E3
Chương 4: Thí nghiệm
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Ô tô là một hệ dao động phức tạp, bao gồm nhiều bộ phận được liên kết với
nhau, mỗi bộ phận có khối lượng và đặc tính dao động riêng. Khi xe chuyển
động, có rất nhiều yếu tố gây ra dao động của khối lượng được treo và không
được treo. Trong đó mấp mô không đều có tính ngẫu nhiên của bề mặt đường
được coi là nguồn kích thích chính, tác động lên bánh xe qua hệ thống treo gây
ra dao động của khối lượng được treo.
Như vậy, nghiên cứu hệ thống treo của xe ô tô là nghiên cứu dao động của
khối lượng được treo và khối lượng không được treo, hay nói cách khác là
nghiên cứu dao động của xe ô tô nhằm khử bỏ tới mức thấp nhất các dao động
để đảm bảo các chỉ tiêu làm việc của xe.
1.1. Tình hình nghiên cứu dao động ôtô
Có thể thấy, nội dung lĩnh vực nghiên cứu dao động ô tô bao hàm các vấn
đề sau: chỉ tiêu đánh giá dao động, mô hình dao động, các yếu tố gây dao động
và thí nghiệm dao động.
1.1.1. Các chỉ tiêu đánh giá dao động ôtô
Có nhiều chỉ tiêu khác nhau để đánh giá dao động ô tô: chỉ tiêu về độ êm
dịu chuyển động, chỉ tiêu về an toàn chuyển động, chỉ tiêu về không gian làm
việc của hệ thống treo.
1.1.1.1. Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động
Có nhiều chỉ tiêu để đánh giá độ êm dịu chuyển động. Trong đó gia tốc dao
động kể đến đồng thời biên độ, tần số dao động và có ảnh hưởng trực tiếp đến
lái xe, hành khách, hàng hóa. Vì vậy, gia tốc dao động là chỉ tiêu quan trọng có
tính chất quyết định đến độ êm dịu chuyển động. Trong giới hạn cho phép, luận
án chỉ tập trung nghiên cứu đánh giá độ êm dịu chuyển động theo chỉ tiêu gia
tốc dao động.
Cơ sở để xác định chỉ tiêu về gia tốc dao động chính là giá trị bình phương
trung bình (root mean square - RMS) của gia tốc, Mitschke [54,55]:
Tùy thuộc vào điều kiện và mục đích nghiên cứu, có thể đánh giá độ êm dịu
chuyển động theo giá trị bình phương trung bình của gia tốc người lái, gia tốc
thẳng đứng thân xe, gia tốc lắc ngang, gia tốc lắc dọc hoặc có thể đánh giá theo
3
giá trị bình phương trung bình của tất cả các gia tốc kể trên theo biểu thức toán
học sau:
f1
1 1
4 T
T
T
2
Z d (t )dt
0
1
T
Z 2 (t )dt
0
T
T
1
1
2 (t )dt
2 (t )dt
T
T
0
0
(1.1)
1.1.1.2. Chỉ tiêu đánh giá an toàn chuyển động
Có nhiều chỉ tiêu để đánh giá an toàn chuyển động. Tuy nhiên, tải trọng
động thẳng đứng tác dụng giữa bánh xe với mặt đường là nguyên nhân chính
gây mất an toàn chuyển động (mất tính điều khiển).
Khi ôtô chuyển động trên đường có biên dạng mang đặc tính ngẫu nhiên thì
dáng điệu của tải trọng thẳng đứng của bánh xe Fz(t) cũng mang đặc tính ngẫu
nhiên. Các giá trị của Fz(t) dao động xung quanh vị trí giá trị trung bình Fz (gọi
là kỳ vọng toán học), theo kết quả thử nghiệm thì giá trị này bằng giá trị tải
trọng tĩnh đặt trên bánh xe Fzt.
Tải trọng thẳng đứng của bánh xe Fz(t) được xác định bằng tổng của tải
trọng tĩnh và tải trọng động giữa bánh xe và bề mặt đường:
(1.2)
Fz (t ) Fzt Fzd (t )
Phương sai của tải trọng thẳng đứng bánh xe được xác định theo biểu thức
sau đây:
T
2
DF F
1
T
T
2
Fz (t ) Fz dt 1
T
0
T
2
Fzt Fzd (t ) Fz dt 1
T
0
F
2
zd (t )dt
(1.3)
0
Do đó, sai lệch bình phương trung bình của tải trọng thẳng đứng bánh xe
chính bằng giá trị bình phương trung bình của tải trọng động, được xác định
theo biểu thức toán học sau:
T
1
F DF RMS Fzd
T
0
T
2
Fz (t ) Fz dt 1
T
F
2
zd (t )dt
(1.4)
0
Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì sai lệch bình phương trung
bình F DF càng nhỏ càng tốt, có nghĩa là: F min
Có thể đánh giá chỉ tiêu an toàn chuyển động đối với ô tô có bốn bánh xe
theo biểu thức toán học tổng quát sau:
f2
1
4
4
T
i 1
1
T
0
2
Fzdi dt
(1.5)
1.1.2. Mô hình dao động
Có nhiều loại mô hình dao động ô tô khác nhau như mô hình ¼, mô hình ½
và mô hình không gian. Tuy nhiên, trong quá trình chuyển động, dưới các tác
động ngẫu nhiên của mặt đường và các lực quán tính do sự thay đổi các chế độ
chuyển động, nên thân xe sẽ dao động tịnh tiến theo phương thẳng đứng và dao
động góc quanh các trục lắc dọc và trục lắc ngang. Chuyển động phức tạp này
của thân xe có ảnh hưởng không nhỏ đến dao động của người lái, dao động của
4
cầu xe và các bánh xe. Để mô hình dao động sát với mô hình thực tế nhất, luận
án tập trung nghiên cứu mô hình dao động của ô tô khách trong không gian. Cho
phép nghiên cứu đồng thời dao động của người lái, dao động của thân xe, cầu xe
và các bánh xe dưới tác dụng kích thích ngẫu nhiên của biên dạng mặt đường và
các thành phần lực quán tính theo phương dọc và phương ngang tác dụng lên
thân xe trong quá trình chuyển động. Trong mô hình, có xét đến ảnh hưởng của
hệ thống thanh ổn định ngang đối với cầu trước và cầu sau.
1.1.3. Các yếu tố gây dao động
Khi ô tô chuyển động có nhiều yếu tố gây ra dao động, các yếu tố có thể kể
đến là: nội lực trong ôtô; các ngoại lực xuất hiện trong quá trình sử dụng như
tăng tốc, phanh, quay vòng; điều kiện ngoại cảnh như gió, bão; mấp mô mặt
đường. Trong các yếu tố kể trên mấp mô của đường là nguyên nhân chính gây
ra dao động của ô tô.
1.1.4. Thí nghiệm dao động ôtô
Thí nghiệm ôtô có bốn dạng: thí nghiệm đặc tính cụm để xác định thuộc
tính vật lý của chúng, thường áp dụng đối với các nhà máy chế tạo; thí nghiệm
xe trên bệ thử; thí nghiệm xe trên đường thực; thí nghiệm bằng mô hình lý
thuyết.
Ở Việt Nam, nguồn ngân sách phục vụ nghiên cứu khoa học rất hạn hẹp. Vì
vậy, để thuận tiện cho mục đích nghiên cứu, luận án lựa chọn phương pháp thí
nghiệm trên mô hình lý thuyết.
1.2. Tình hình nghiên cứu tối ƣu hệ thống treo ô tô khách
Trong hầu hết các nghiên cứu về hệ thống treo được công bố, các tác giả
thường tính toán các thông số của hệ thống treo trên cơ sở đảm bảo chỉ tiêu độ
êm dịu mà chưa quan tâm đến chỉ tiêu an toàn chuyển động. Tuy nhiên, khi
tăng độ êm dịu lại có thể gây mất an toàn chuyển động. Trong những năm gần
đây các công trình nghiên cứu hệ thống treo tập trung chủ yếu vào việc ứng
dụng các thành tựu kỹ thuật điều khiển điện tử để thiết kế hệ thống treo có điều
khiển. Có thể nói việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển điện tử vào thiết kế hệ
thống treo có điều khiển có rất nhiều ưu điểm. Tuy nhiên, thiết kế hệ thống treo
có điều khiển rất phức tạp và đặc biệt là giá thành hệ thống treo có điều khiển
rất cao so với hệ thống treo bị động, do vậy hệ thống treo có điều khiển chỉ phù
hợp cho những xe con du lịch đời mới. Ở nước ta, do điều kiện hạn hẹp về kinh
phí, trình độ công nghệ chưa cao nên hệ thống treo bị động vẫn được sử dụng
là chủ yếu. Do vậy, nghiên cứu thiết kế tối ưu đối với hệ thống treo bị động
trên ô tô nói chung và trên ô tô khách sản xuất lắp ráp trong nước là một nhu
cầu cấp thiết trong điều kiện như hiện nay.
1.3. Nhiệm vụ của luận án
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu và các phương pháp giải
bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu để tối ưu hệ thống treo ô tô khách.
Nghiên cứu xây dựng mô hình dao động của ô tô khách trong không gian.
Trên cơ sở mô hình dao động, nghiên cứu ứng dụng phần mềm Matlab Simulink xây dựng mô hình mô phỏng dao động của ô tô khách, mô hình này
cho phép nghiên cứu đồng thời các đặc trưng động lực học của ô tô trong
5
những điều kiện chuyển động khác nhau; lựa chọn phương pháp tối ưu hóa đa
mục tiêu thích hợp, xây dựng thuật toán và giải bài toán tối ưu hóa đồng thời
hai hàm mục tiêu an toàn và êm dịu chuyển động nhằm xác định các thông số
tối ưu của hệ thống treo ô tô khách sản xuất lắp ráp tại Việt Nam.
Tiến hành thí nghiệm xác định các thông số đầu vào và so sánh kết quả thí
nghiệm với kết quả khảo sát trên mô hình để chuẩn hóa mô hình lý thuyết.
Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƢU
HỆ THỐNG TREO Ô TÔ KHÁCH
2.1. Thông số thiết kế
Các thông số của một hệ kỹ thuật như khối lượng, mô men quán tính, độ
cứng của phần tử đàn hồi, hệ số cản của giảm chấn và các kích thước hình học
quyết định toàn bộ tính chất động lực học của hệ. Trong các thông số trên, một
số thông số không thể thay đổi giá trị do các ràng buộc kỹ thuật và được coi
như những hằng số thiết kế. Các thông số khác có thể được thay đổi trong
phạm vi giới hạn nhất định để tạo ra những đặc tính động lực học khác nhau
của hệ được chọn làm thông số thiết kế (biến thiết kế) và được biểu diễn bằng
véctơ các thông số thiết kế, Deb [32], [33]:
T
(2.1)
p p1, p2 ,..., ph h , pl p pu
Trong đó: h là số thông số thiết kế , pl và pu tương ứng là véc tơ giới hạn
dưới và giới hạn trên của các thông số thiết kế, pil pi piu , i 1(1)h .
2.2. Hàm mục tiêu (tiêu chuẩn tối ƣu)
Đối với một hệ động lực học, chúng ta thường mong muốn các thông số ra
y(t ), y(t ), y(t ) của hệ dưới một kích thích h(t ) nào đó phải nằm trong giới hạn
cho phép hoặc dao động ít nhất quanh một giá trị xác định theo yêu cầu đặt ra.
Hàm mục tiêu thường sử dụng là độ lệch chuẩn của thông số khảo sát (thông số
đầu ra) y(t) so với giá trị mong muốn y cho trước nào đó với khoảng thời gian
khảo sát là T, theo công thức tổng quát của Bestle [50]:
T
f :
1
T
)
y(t) y d (ty(t)
2
(2.2)
0
y(t)
y
0
T
t
Hình 2.1: Thông số ra và giá trị mong muốn
Khi nghiên cứu động lực học phương tiện, y(t) có thể là giá trị tải trọng
động từ bánh xe tác dụng xuống nền đường, còn y là giá trị tải trọng tĩnh, Hình