Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số thiết kế hệ thống treo đến độ êm dịu xe đua F-SAE

Nguy ễn Thành Công và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 118 (04): 49 - 54 NGHIÊN C ỨU ẢNH H ƯỞNG C ỦA THÔNG S Ố THI ẾT K Ế HỆ TH ỐNG TREO ĐẾN ĐỘ ÊM D ỊU XE ĐUA F-SAE Nguy ễn Thành Công *, Nguy ễn Kh ắc Tuân, Lê V ăn Qu ỳnh Tr ường ĐH K ỹ thu ật Công nghi ệp – ĐH Thái Nguyên TÓM T ẮT Độ êm d ịu và ổn định h ướng xe đua F-SAE là m ột trong các ch ỉ số quan tr ọng để đánh ch ất l ượng thi ết k ế của xe. M ục tiêu chính c ủa nghiên c ứu này phân tích ảnh h ưởng các thông s ố thi ết k ế hệ th ống treo đến độ êm d ịu c ủa xe d ựa vào tiêu chu ẩn ISO2631-1(1997-E). Để đánh giá các ảnh hưởng này, m ột mô hình dao động không gian c ủa xe được xây d ựng d ựa trên c ơ s ở các thông s ố kỹ thu ật c ủa xe đua F-SAE do TNUT s ản xu ất n ăm 2013. Ph ần m ềm Matlab-Simulink7.04 được sử dụng để mô ph ỏng và tính toán các thông s ố ảnh h ưởng. Các k ết qu ả nghiên c ứu cho th ấy s ự ph ối h ợp h ợp lý gi ữa thông s ố độ cứng và h ệ số cản c ủa h ệ th ống treo có ảnh h ưởng r ất l ớn đến độ êm d ịu, ổn định h ướng. Ngoài ra, nghiên c ứu này đã đư a ra m ột b ộ thông s ố thi ết k ế tối ưu cho h ệ th ống treo. Từ khóa: Xe F-SAE, h ệ th ống treo, thông s ố thi ết k ế, mô hình dao động, độ êm d ịu. GI ỚI THI ỆU* và đang được nhi ều nhà thi ết k ế xe đua F- Ô tô đua sinh viên FSAE là cu ộc thi được t ổ SAE th ế gi ới đặc bi ệt quan tâm. Trong s ố các ch ức b ởi Hi ệp h ội K ỹ sư ngành ô tô SAE công trình đã công b ố, tài li ệu [3,4] đã tính (Society of Automotive Engineering). Đây là toán, thi ết k ế các thông s ố hình h ọc h ệ th ống sân ch ơi b ổ ích dành cho sinh viên t ất c ả các treo xe đua F-SAE để nâng cao ổn định tr ường đại h ọc cao đẳng có chuyên ngành ô tô hướng c ủa xe; tài li ệu [4] t ập trung nghiên của các qu ốc gia trên th ế gi ới. Hàng n ăm, cứu ảnh h ưởng thông s ố thi ết k ế th ống treo cu ộc thi này quy t ụ hàng tr ăm đội đua đến t ừ đến độ êm d ịu c ủa xe đua F-SAE. Tuy nhiên các qu ốc gia khác nhau, t ừ nh ững qu ốc gia các nghiên c ứu này ch ỉ dừng l ại kh ảo sát mô phát tri ển m ạnh v ề công ngh ệ, công nghi ệp ô hình dao động 1/2 c ủa xe và kích thích dao tô đến các n ước đang phát tri ển mu ốn kh ẳng động là các hàm toán h ọc đơ n gi ản. định v ị th ế qu ốc gia mình trên tr ường qu ốc t ế. Chính vì v ậy, ý t ưởng chính c ủa bài báo này Ở Vi ệt Nam, thi ết k ế xe đua sinh viên v ẫn còn là nghiên c ứu ảnh h ưởng c ủa các thông s ố là v ấn đề mới m ẻ đối v ới sinh viên các trường thi ết k ế hệ th ống treo đến độ êm d ịu chuy ển đại h ọc. N ăm 2013, nhóm nghiên c ứu c ủa động c ủa xe. Để nghiên c ứu các ảnh h ưởng tr ường Đại h ọc K ỹ thu ật Công nghi ệp - Đại của nó, m ột mô hình dao động không gian c ủa học Thái Nguyên đã thi ết k ế và ch ế tạo thành xe được thi ết l ập và mô ph ỏng đánh giá d ựa công xe đua sinh viên th ế hệ th ứ nh ất. Hi ện vào tiêu chu ẩn ISO2631-1(1997-E)[8]. K ết nay s ản ph ẩm này đang được k ế hoàn thi ện, qu ả nghiên c ứu đã đư a ra được b ộ thông s ố tối ưu thi ết k ế các c ụm, h ệ th ống nh ằm nâng thi ết k ế tối ưu cho h ệ th ống treo xe F-SAE cao hi ệu su ất làm vi ệc c ủa xe đáp ứng các tiêu nh ằm nâng cao độ êm d ịu cho ng ười lái. chu ẩn c ủa SAE nh ằm đư a xe tham d ự các cu ộc thi qu ốc t ế. Các thông s ố thi ết k ế hệ MÔ HÌNH DAO ĐỘNG C ỦA XE F-SAE th ống treo có ảnh h ưởng tr ực ti ếp đến độ êm Xây d ựng mô hình dao động: Dựa vào k ết dịu và ổn định h ướng c ủa xe. Do v ậy, nó đã cấu c ụ th ể xe F-SAE do TNUT s ản xu ất (hình 1), mô hình dao động không gian c ủa xe được * Tel:0984381411; Email: nguyencong_124@.tnut.edu.vn xây d ựng nh ư hình 2. 49 Nguy ễn Thành Công và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 118 (04 ): 49 - 54 Dựa vào k ết c ấu th ực t ế của xe F-SAE thì kh ối l ượng không được treo r ất nh ỏ và có th ể bỏ qua, do v ậy h ệ th ống treo và l ốp xe được mắc n ối ti ếp v ới nhau. Độ cứng và h ệ số cản tươ ng đươ ng được xác định theo công th ức (1) và (2). K K K = L T (1) + K L KT C C C = L T (2) + Hình 1. Xe đua F-SAE do TNUT s ản xu ất CL CT Z Trong đó, K L, K T và C L, CT là độ cứng và h ệ số cản c ủa l ốp xe và h ệ th ống treo. M K2T C2T Thi ết l ập ph ươ ng trình dao động q2T ϕ Hi ện nay có r ất nhi ều ph ươ ng pháp thi ết l ập K2P C2P θ Jy hệ ph ươ ng trình vi phân mô t ả dao động c ủa Jx Y xe nh ư ph ươ ng trình Newton – Euler, ph ươ ng q2P BS X trình Lagrange II, nguyên lý D’alambe kết K1T C1T hợp nguyên lý h ệ nhi ều v ật. Trong nghiên c ứu b này các tác gi ả sử dụng nguyên lý D’alambe q1T K1P C1P kết h ợp c ơ h ệ nhi ều v ật để thi ết l ập ph ươ ng L q1P trình vi phân cho c ơ h ệ hình 1 và d ưới đây là a BT hệ ph ươ ng trình vi phân.  B   +−uφ +− u θ T − KZ1 j ( 1) a ( 1) q 1 j   Hình 2. Mô hình dao động xe F-SAE P 2  MZ ɺɺ +   + ∑   j= T ɺ uɺ u ɺ BT  +CZ +−( 1)φ a +− ( 1) θ − q   Các ký hi ệu trên hình 2:  1 j 2 1 j    B   M, Jx, Jy lần l ượt là kh ối l ượng đuợc treo +−uφ +− u θ S − KZ2 j ( 1) b ( 1) q 2 j   (bao g ồm c ả kh ối l ượng và gh ế ng ồi ng ười P 2  ∑   = 0 =  B   lái) và mô men quán tính treo tr ục X,Y; q 1P , j T +ɺ +−uφɺ +− u θ ɺ S −  CZ2 j ( 1) b ( 1) q 2 j    2   q1T , q2P , q 2T lần l ượt là các kích thích c ủa m ặt đuờng lên l ốp xe. (3) K1T,P , K 2T,P và C 1T,P , C 2T,P lần l ượt là độ cứng    +−uφ +− u θ BT − KZ1 j ( 1) a ( 1) q 1 j   và h ệ số cản t ươ ng đươ ng c ủa l ốp xe và h ệ P 2  J φɺɺ −   a + th ống treo trái và ph ải; a,b là to ạ độ tr ọng y ∑   j= T ɺ uɺ u ɺ BT  ϕ θ +CZ +−( 1)φ a +− ( 1) θ − q   tâm xe; Z, , lần l ượt là chuy ển v ị tại 1 j 2 1 j   tr ọng tâm thân xe theo ph ươ ng Z, X, Y; B , T B   +−uφ +− u θ S − B là b ề rộng v ết bánh tru ớc và sau; L là KZ2 j ( 1) b ( 1) q 2 j   S P 2  chi ều dài c ơ s ở xe. +∑   b = 0 = B   j T +ɺ +−uφɺ +− u θ ɺ S − CZ2 j ( 1) b ( 1) q 2 j   K1T ,K 1P ,K 2T ,K 2P lần l ượt là h ệ số độ cứng c ủa 2   hệ th ống treo tr ước trái ph ải và h ệ th ống treo (4) sau trái ph ải c ủa xe. 50 Nguy ễn Thành Công và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 118 (04): 49 - 54 B   1 +−uφ +− u θ T − T KZ1j ( 1) a ( 1) q 1 j     2 P 2  B 1 2 θɺɺ − −v   T − a= atdt( ) (6) Jx ∑( 1) W ∫  =    2 T j T +ɺ +−uφɺ +− u θ ɺ BT − 0  CZ1j ( 1) a ( 1) q 1 j   2   Trong đó: aw là gia t ốc bình ph ươ ng trung B   2 +−uφ +− u θ S − bình; a là gia t ốc theo th ời gian (m/s ) và T là KZ2 j ( 1) b ( 1) q 2 j   P 2  B ∑(− 1)v   S = 0 th ời gian kh ảo sát (s). = B   2 j T +ɺ +−uφɺ +− u θ ɺ S − Điều ki ện ch ủ quan đánh giá độ êm d ịu ô tô CZ2 j ( 1) b ( 1) q 2 j   2   theo gia t ốc bình ph ươ ng trung bình theo (5) ph ươ ng th ẳng đứng dựa vào b ảng 1 d ưới đây: Trong đó: Bảng 1. Bảng đánh giá ch ủ quan độ êm d ịu ô tô theo ISO 2631-1 u = 1 i = ,1 j = P v = 1  j = T  khi  ;  khi  a (m/s 2) Cấp êm d ịu u = 2 i = ,2 j = T v = 2 j = P w     < 0.315 Tho ải mái 0.315÷0.63 Một chút khó ch ịu Mấp mô mặt đường ng ẫu nhiên (q ): hi ện ij 0.5 ÷ 1.0 Khó ch ịu nay, để miêu t ả mấp mô m ặt đường ng ẫu 0.8 ÷ 1.6 Không tho ải mái nhiên có r ất nhi ều ph ươ ng pháp nh ư đo tr ực 1.25 ÷ 2.5 Rất khó ch ịu ti ếp ho ặc theo ph ươ ng pháp th ống kê để xây > 2 Cực k ỳ khó ch ịu dựng hàm số th ực nghi ệm. Trong nghiên c ứu này các tác gi ả dựa vào tiêu chu ẩn MÔ PH ỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ K ẾT QU Ả ISO/TC108/SC2N67 v ề phân lo ại các m ặt Để gi ải h ệ ph ươ ng trình vi phân, ph ần m ềm đường [9] để xây d ựng hàm m ấp mô m ặt Matlab-Simulink 7.04 được s ử dụng mô đường ng ẫu nhiên. Hình 3 th ể hi ện m ấp mô ph ỏng và s ơ đồ mô ph ỏng Simulink t ổng th ể mặt đường ISO c ấp B. của xe đua F-SAE được th ể hi ện trên hình 4. 0.01 0.005 0 -0.005 Mat duong ISO cap B Map mo mat duong q1/m -0.01 0 5 10 15 20 25 30 Time t/s Hình 3. Mấp mô m ặt đường theo ISO c ấp B Đánh giá độ êm d ịu Hình 4. Sơ đồ mô ph ỏng xe F-SAE Để đánh giá ảnh h ưởng c ủa dao động đến c ơ th ể ng ười, Hiệp h ội Tiêu chu ẩn qu ốc t ế đã đư a Mô ph ỏng v ới b ộ số li ệu c ủa xe F-SAE do ra tiêu chu ẩn ISO 2631-1(1997) v ề đánh giá TNUT s ản xu ất [1] và khi ô tô chuy ển động ảnh h ưởng dao động đến con ng ười. Theo tiêu trên m ặt đường qu ốc l ộ ISO c ấp B v ới v ận t ốc chu ẩn này t ần s ố dao động kích thích t ừ ngu ồn v=80km/h. Gia t ốc dao động theo ph ươ ng phát kính thích đến các v ị trí kh ảo sát n ằm th ẳng đứng t ại v ị trí tr ọng tâm c ủa thân xe trong kho ảng t ừ 0.5 đến 80Hz. Để đánh giá độ được th ể hi ện trên hình 5. êm d ịu gh ế ng ồi ng ười lái, các tác gi ả ch ọn ch ỉ Các thông s ố thi ết k ế hệ th ống treo nh ư độ tiêu đánh giá theo tiêu chu ẩn ISO 2631- cứng và h ệ số cản ảnh h ưởng nh ư th ế nào t ới 1(1997) và thông qua gia t ốc bình ph ươ ng độ êm d ịu c ủa xe, s ẽ được ti ếp t ục phân tích ở trung bình được xác định theo công th ức: ph ần d ưới đây. 51 Nguy ễn Thành Công và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 118 (04 ): 49 - 54 2 Ảnh h ưởng h ệ số cản ) 2 Để đánh giá ảnh h ưởng c ủa nó đến độ êm d ịu 0 chuy ển động c ủa xe, các giá tr ị hệ số cản /(m/s z a tươ ng đươ ng C = [0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 -2 1.8 2]xC 0 trong đó C0 = [C 1T , C 1P , C 2T , C 2P ] là 0 5 10 Time/s giá tr ị hệ số gi ảm c ủa xe thi ết k ế trong tài li ệu Hình 5. Gia t ốc dao động theo ph ươ ng Z [1] với 3 giá tr ị độ cứng tươ ng đươ ng K = [0.5 tại v ị trí tr ọng tâm c ủa thân xe 1 1.5]xK 0 trong đó K0 = [K 1T, K 1P , K 2T , K 2P ] là các giá tr ị độ cứng c ủa xe thi ết k ế trong tài Ảnh h ưởng c ủa độ cứng li ệu [1] được ch ọn để đánh giá ảnh h ưởng c ủa Để đánh giá ảnh h ưởng c ủa độ cứng đến độ chúng đến gia t ốc bình ph ươ ng trung bình các êm d ịu, thì các thông s ố độ cứng t ươ ng đươ ng ph ươ ng (a wz , a wϕ, a wθ). K = [0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2]xK 0 trong đó K 0 = [K 1T , K 1P , K 2T , K 2P ] là các giá 1 0.5K tr ị độ cứng c ủa xe thi ết k ế trong tài li ệu [1] 0 1.0K 0.8 0 với 3 giá tr ị hệ số gi ảm ch ấn t ươ ng đươ ng C = ) 2 1.5K đ 0 [0.5 1.0 1.5]xC 0 trong ó C 0 = [C 1T , C 1P , C 2T , 0.6 /(m/s C2P ] là giá tr ị hệ số gi ảm ch ấn c ủa xe thi ết k ế wz trong tài li ệu [1] được ch ọn để kh ảo sát ảnh a 0.4 hưởng c ủa chúng đến gia t ốc dao động bình 0.2 ph ươ ng trung bình t ại v ị trí tr ọng tâm thân xe. 0 0.5 1 1.5 2xC C/(N.s/m) 0 Hình 6 th ể hi ện s ự ảnh h ưởng c ủa độ cứng Hình 7. Ảnh h ưởng c ủa h ệ số gi ảm ch ấn đến a- tươ ng đươ ng v ới 3 giá tr ị hệ số cản gi ảm ch ấn khác nhau đến gia t ốc bình ph ươ ng trung bình wz tại v ị trí tr ọng tâm thân xe. 1.5 0.5K 0.8 0 ) 1.0K 2 0 1 1.5K 0.6 0 ) 2 /(rad/s 0.5 C φ 0.4 0 0.5 w /(m/s a wz 1.0 C a 0.2 0 1.5C 0 0 0 0.5 1 1.5 2 xC 0 0 xK C/(N.s/m) 0 0.5 1 1.5 2 0 K/(N/m) Hình 8. Ảnh h ưởng c ủa h ệ số gi ảm ch ấn đến a wϕ Hình 6. Ảnh h ưởng c ủa h ệ số độ cứng đến awz Từ hình 6 chúng ta có th ể th ấy r ằng khi giá tr ị 1 0.5K K t ăng lên, thì các giá tr ị awz tăng d ẫn t ới độ 0 ) 1.0K êm d ịu chuy ển động c ủa xe theo ph ươ ng đứng 2 0 1.5K 0 gi ảm xu ống. Khi K>0.8K 0 tươ ng đươ ng độ 0.5 /(rad/s cứng h ệ th ống treo ≥ 140000 v (trong đó θ KT w 140000 − v a v=0.8K 0) thì giá tr ị gia t ốc bình ph ươ ng trung 2 0 0 0.5 1 1.5 2 xC bình theo ph ươ ng đứng a wz ≥0.4m/s đối chi ếu 0 Bảng 2 tiêu chu ẩn ISO 2631-1 v ề đánh giá C/ N.s/m ch ủ quan thì ng ười lái xe b ắt đầu có c ảm giác Hình 9. Ảnh h ưởng c ủa h ệ số gi ảm ch ấn đến a wθ một chút khó ch ịu. 52 Nguy ễn Thành Công và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 118 (04): 49 - 54 Từ các hình 7, 8 và 9 chúng ta th ấy r ằng khi xe đạt được giá tr ị tối ưu khi xe chuyên động hệ số cản tươ ng đươ ng t ăng lên thì các giá tr ị trong điều ki ện kh ảo sát. awz , a wϕ, a wθ gi ảm xu ống sau đó l ại có xu - Sự ph ối h ợp lý gi ữa độ cứng và h ệ số cản hướng t ăng lên điều đó d ẫn t ới độ êm d ịu của h ệ th ống treo là y ếu t ố quan tr ọng nh ằm chuy ển động c ủa xe có xu h ướng nâng cao nâng cao độ êm d ịu chuyên động c ủa xe. sau đó là có xu h ướng bi ến đổi x ấu. Khi h ệ số gi ảm ch ấn t ươ ng đươ ng n ằm trong vùng TÀI LI ỆU THAM KH ẢO 0.6C 0 ≤C≤ 1.2C 0 tươ ng đươ ng h ệ số cản c ủa gi ảm ch ấn c ủa h ệ th ống treo [1]. Nguy ễn Kh ắc Tuân,2013. “ Gi ải mã công ngh ệ thi ết k ế, ch ế tạo xe đua sinh viên F-SAE” Đề tài 880n 880 m ≤C ≤ (trong đó n=0.6C 0 và cấp c ơ s ở, ĐH K ỹ Thu ật Công Nghi ệp TN. 880−nT 880 − m [2]. SAE Inc, USA, 2004 Formula SAE Rules m=1.2C ), thì các giá tr ị a , a ϕ, a θ nằm 0 wz w w 2004, pp. 104-109. trong vùng t ối ưu, độ êm d ịu c ủa xe theo các [3]. Adam Theander.2004, Design of a ph ươ ng được nâng cao và khi C=0.8C 0 tươ ng Suspension for a Formula Student Race Car . đươ ng h ệ số cản gi ảm ch ấn c ủa h ệ th ống treo Trita-ave-26.ISSN, pp. 87-93. 880 u [4]. Christian Andrade PID 2283035 Jaime C = (trong đó u=0.8C 0), thì các giá T 880 − u Cardona PID 2117551,2009. Redesign and optimization of a Formula SAE open wheel race tr ị awz , a wϕ, a wθ đạt được giá tr ị tối ưu thi ết k ế. car suspension . pp. 56-44. Từ các k ết qu ả mô ph ỏng phân tích chúng ta [5]. Peter Mucka (2002). Active suspension of a th ấy r ằng s ự ph ối h ợp h ợp lý độ cứng và h ệ heavy-vehicle driven axle . Journal of số cản có ảnh h ưởng r ất l ớn đến độ êm d ịu MechanicalEngineering, Vol.53: pp. 342-350. chuy ển động c ủa xe. Do v ậy, khi thi ết k ế hệ [6]. Syabillah Sulaiman, et al . Groundhook th ống treo chúng ph ải l ưu tâm đến yêu t ố này Control of Semi-Active suspension For Heavy nh ằm nâng cao hi ệu qu ả hệ th ống treo. Vehicle , International Journal of Research in KẾT LU ẬN Engineering and Technology (IJRET) Vol. 1, No. 3, 2012 ISSN 2277 – 4378. Thông qua ph ươ ng pháp mô ph ỏng b ằng [7]. Fernando J.D’Amato, Daniel E Viasolo,USA máy tính để đánh giá ảnh h ưởng các thông s ố Accepted 13 September 1999 Fuzzy control for thi ết k ế hệ th ống treo đến độ êm d ịu chuy ển active suspensions . động xe, chúng ta rút ra được các k ết lu ận [8]. ISO 2631-1 (1997). Mechanical vibration dưới đây: and shock-Evanluation of human exposure to - Khi giá tr ị độ cứng h ệ th ống treo whole-body vibration , Part I: General 140000 v requirements, The International Organization for K ≤ thì độ êm d ịu chuy ển c ủa xe T 140000 − v Standardization. th ỏa mãn tiêu chu ẩn ISO 2631-1 khi xe [9]. ISO 8068(1995). Mechanical vibration-Road chuy ển động trong điều ki ện kh ảo sát. surface profiles - reporting of measured data. [10]. Milliken, William F. & Milliken, Douglas L. - Khi giá tr ị hệ số cản c ủa giảm (1995), Race Car Vehicle Dynamics , SAE Inc, 880 u ch ấnC = , độ êm d ịu chuyên động c ủa USA. T 880 − u 53 Nguy ễn Thành Công và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 118 (04 ): 49 - 54 SUMMARY STUDY ON INFLUENCE OF DESIGN PARAMETERS OF SUSPENSION SYSTEM ON F-SAE RACING CAR RIDE COMFORT Nguyen Thanh Cong *, Nguyen Khac Tuan, Le Van Quynh College of Technology – TNU The ride comfort and stable movement of the F-SAE racing car is one of the important indicators to evaluate the quality of vehicle design. Thus, the aim of this study was to analyze the influences of design parameters suspension system on vehicle ride comfort movement based on the international standard ISO 2631-1(1997-E). In order to evaluate the influences, a 3-D vibration model is established based on the technical parameters of the F-SAE racing car that produced by TNUT in 2013. Matlab7.04/Simulink software is used to simulate and calculate the impact factors. The results show that the influence of the stiffness and damping parameters in the suspension systems on the vehicle ride comfort and stable movement is very obvious. In addition, this study has been given a set of the optimal design parameters for suspension system. Key words: F-SAE racing car, suspension system, design parameters, vibration model, ride comfort. Ngày nh ận bài: 13/3/2014; Ngày ph ản bi ện: 15/3/2014; Ngày duy ệt đă ng: 25/3/2014 Ph ản bi ện khoa h ọc: PGS.TS. Lưu V ăn Tu ấn – Tr ường ĐH Bách Khoa Hà N ội * Tel:0984381411; Email: nguyencong_124@.tnut.edu.vn 54