ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA





ĐINH PHƯỚC THẢO

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ
KHI XÉT ĐẾN MẤP MÔ CỦA MẶT ĐƯỜNG BẰNG
PHẦN MỀM MATLAB

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 8.52.01.03

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. TRẦN XUÂN TÙY

Phản biện 1: PGS.TS.LƯU ĐỨC BÌNH

Phản biện 2: PGS.TS. PHẠM ĐĂNG PHƯỚC

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

cùng sự gơi ý của giáo viên hướng dẫn tôi quyết định chọn đề tài
“nghiên cứu mô phỏng dao động của ô tô khi xét đến mấp mô của
mặt đường bằng phần mềm Matlab”
II.
Mục địch nghiên cứu.
Vận dụng lý thuyết dao động ô tô kết hợp với cộng cụ mô phỏng
Matlab để khảo sát các thông số dao động của ô tô.
Đánh giá tính khoa học và chất lượng của ô tô được khảo sát.
Đề ra những giải pháp nâng cao độ êm dịu chuyển động của ô tô
đảm bảo được chỉ tiêu về độ êm dịu nhằm thỏa mản tối đa yêu cầu
của người tiêu dùng.
III.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu.
 Phạm vi nghiên cứu.
- Xây dựng mô hình toán học của hệ dao động
- Mô phỏng quá trình dao động của xe tải 2 cầu khi tính đến
mấp mô bề mặt đường bằng phần mềm Matlab.
I.


2

Nghiên cứu có thể mở rộng để áp dụng nghiên cứu dao động
khi tính đến mặt phẳng mấp mô cho các dòng xe khác nhau.
IV.
Phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu quan hệ đường, ô tô, người.
+ Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường.
+ Nghiên cứu các dao động của ô tô.

1.1.2.
1.2.
1.2.1.

Chương 1. TỔNG QUAN DAO ĐỘNG TRÊN Ô TÔ
Tác động của rung động lên cơ thể người.
Rung động toàn thân.
Tác động của rung động cục bộ
Các chỉ tiêu và mô hình dao động ô tô.
Các chỉ tiêu đánh giá độ dao động

Người

Hệ thống phanh
Thân xe

Hệ thống treo

Đường
Hình. 1: Mô hình “ Đường-Xe-Người”
1.2.2. Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động:
Để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, các nước có nền
công nghiệp ô tô hàng đầu trên thế giới đã đưa ra các chỉ tiêu đánh
giá độ êm dịu khác nhau. Dựa vào các công trình nghiên cứu của
nước ngoài và các tài liệu của viện khoa học kĩ thuật bảo hộ lao
động Việt Nam, đưa ra một số chỉ tiêu đặc trưng cho độ êm dịu
chuyển động của ô tô như sau:
a.Chỉ tiêu về tần số:
Con người khi tham gia vào giao thông cũng là một hệ dao
động, di chuyển là hoạt động thường xuyên của con người đã trở

động của ô tô như chỉ tiêu tính êm dịu chuyển động dựa vào gia tốc
dao động và thời gian tác động của nó.
1.2.3. Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng
xuống nền đường:
1.3.
Mô hình dao động.
Ôtô thuộc hệ cơ học nhiều vật, dao động với dải tần số thấp
không vượt quá 50Hz. Việc lập và chọn mô hình dao động phải theo
3 tiêu chí sau:
- Mục tiêu nghiên cứu (đề tài này khảo sát theo mục đích chẩn đoán)
- Cấu trúc riêng của đối tượng nghiên cứu.
- Khả năng tính toán và phương tiện tính toán.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật khả năng tính
toán hầu như không bị hạn chế (có nhiều phần mềm rất mạnh hỗ trợ
tính toán), nên chủ yếu khi chọn và lập mô hình thường căn cứ vào
mục tiêu và đặc điểm kết cấu của đối tượng.
Về mục tiêu nghiên cứu có thể bao hàm các vấn đề sau:
1. Nghiên cứu tối ưu hệ treo, kể cả hệ treo tích cực. Đối với mục
tiêu này thì chỉ cần khảo sát mô hình ¼ (một trong 4 bánh).


5

2. Nghiên cứu về dao động liên kết, thường dùng mô hình phẳng;
mô hình phẳng cũng còn dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của đường.
3. Nghiên cứu sự trượt và lật dưới tác động của ngoại lực như
đường mấp mô, gió bên nên thường sử dụng mô hình ½ hoặc mô
hình full.
a. Mô hình ¼
Mô hình ¼ bao gồm hai khối lượng được treo (thay thế cho

nghĩa trong bài toán
q
điều khiển, tối ưu hệ
treo.
Hình Mô hình 1/4
b. Mô hình dao động liên kết
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 trái và phải là như nhau. Khối lượng treo được qui dẫn về


6

trọng tâm phần treo biểu 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 .
z3
J

z'1



lf
c12

k12
z1


Mô hình không gian xe hai cầu được đưa ra như trong hình 2.5
[7]. Xe con có khối lượng bé nhưng lại có yếu tố phi tuyến hình học
và vật lý lớn nên không thể bỏ qua khi lập mô hình. Đặc điểm kết
cấu là vỏ chịu lực (unibody), hệ treo độc lập có yếu tố phi tuyến
hình học cao.

Hình 1. 1 Mô hình không gian xe con


7

1.4.
Tổng quan về hệ thống treo trên ô tô.
1.4.1. Công dụng và yêu cầu của hệ thống treo.
Hệ thống treo ở đây được hiểu là hệ thống liên kết mềm giữa
bánh xe và khung xe hoặc vỏ xe. Mối liên kết treo của xe là mối liên
kết đàn hồi có chức năng chính sau đây:
Tạo điều kiện cho bánh xe thực hiện chuyển động tương
đối theo phương thẳng đứng đối với khung xe hoặc vỏ xe theo
yêu cầu dao động “êm dịu”, hạn chế tới mức có thể chấp nhận
được những chuyển động không muốn có khác của bánh xe như
lắc ngang, lắc dọc.
Truyền lực giữa bánh xe và khung xe bao gồm lực thẳng
đứng, lực dọc và lực bên.
Trên hệ thống treo, sự liên kết giữa bánh xe và khung vỏ
cần thiết phải mềm nhưng cũng phải đủ khả năng để truyền lực,
quan hệ này được thể hiện ở các yêu cầu chính sau đây:
Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính
năng kỹ thuật của xe (xe chạy trên đường tốt hay xe chạy trên các
loại đường khác nhau, hay đường đồi núi, xe du lịch hay chở

Trên xe ôtô giảm chấn được sử dụng với các mục đích sau:
+ Giảm và dập tắt các va đập truyền lên khung khi bánh xe
lăn trên nền đường không bằng phẳng nhằm bảo vệ được bộ
phận đàn hồi và tăng tính tiện nghi cho người sử dụng.
+ Đảm bảo dao động của phần không treo (unsprung) ở
mức độ nhỏ nhất, nhằm làm tốt sự tiếp xúc của bánh xe với mặt
đường đảm bảo tính năng lái và tăng tốc cũng như chuyển động
an toàn.
+ Nâng cao các tính chất chuyển động của xe như khả năng
tăng tốc, khả năng an toàn khi chuyển động.
Để dập tắt các dao động của xe khi chuyển động giảm chấn sẽ
biến đổi cơ năng thành nhiệt năng nhờ ma sát giữa chất lỏng và các
van tiết lưu.
Trên ôtô hiện nay chủ yếu sử dụng là giảm chấn ống thuỷ lực
có tác dụng hai chiều ở cấu trúc hai lớp.
1.4.2.3. Thanh ổn định và các đòn dẫn đường.

Hình. Thanh ổn định trong cơ cấu treo
Trên các loại xe con ngày nay thanh ổn định hầu như đều có.
Trong trường hợp xe chạy trên nền đường không bằng phẳng hoặc
quay vòng, dưới tác dụng của lực li tâm phản lực thẳng đứng của 2
bánh xe trên một cầu thay đổi sẽ làm cho tăng độ nghiêng thùng xe
và làm giảm khả năng truyền lực dọc, lực bên của bánh xe với mặt
đường. Thanh ổn định có tác dụng khi xuất hiện sự chênh lệch phản
lực thẳng đứng đặt lên bánh xe nhằm san bớt tải trọng từ bên cầu
chịu tải nhiều sang bên cầu chịu tải ít hơn. Cấu tạo chung của nó có


9


phận đàn hồi bằng kim loại (nhíp lá, lò xo xoắn…); loại khí;
loại thủy lực; cao su…
- Phân loại theo sơ đồ bộ phận dẫn hướng chia ra: cơ cấu
treo phụ thuộc với cầu liền; loại độc lập với cầu cắt.
- Phân loại theo phương pháp dập tắt chấn động: loại dùng
giảm chấn thủy lực; loại giảm chấn nhờ ma sát cơ (ma sát trong
bộ phận đàn hồi hoặc bộ phận dẫn hướng)
Nhưng khi phân loại người ta chủ yếu dựa vào sơ đồ bộ phận
dẫn hướng và chia ra 2 nhóm chính là hệ thống treo độc lập và hệ
thống treo phụ thuộc:
1.4.2.

a) Hệ thống treo phụ thuộc;
b) Hệ thống treo độc lập.
1- Thùng xe; 2- Bộ phận đàn hồi; 3- Bộ phận giảm chấn;
4- Dầm cầu; 5 - Các đòn liên kết của hệ treo
Hình 1. 2 Sơ đồ hệ thống treo


11

Chương 2: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ
2.1. Phương pháp lập hệ phương trình.
Khi nghiên cứu dao động ôtô ta thấy nó là một hệ nhiều vật bao
gồm hữu hạn các vật liên kết đàn hồi với nhau và chuyển động
tương đối với biên độ lớn và tần số thấp từ 0 đến 50Hz. Để lập
phương trình chuyển động cho hệ nhiều vật ta sử dụng phương trình
Newton Euler
Phương pháp Newton Euler thân thiện hệ nhiều vật và với
người sử dụng hơn. Đó là phương pháp tách cấu trúc, mỗi vật trong

m x j=Fj ; j
2.2. Cấu trúc ô tô
Đối với xe con ta coi xe như một hệ nhiêu vật bao gồm: một
khối lượng đươc treo là thân xe và bốn khối lượng không được treo
là các bánh xe .
Các yếu tố về kết cấu của xe như: Vị trí trọng tâm, hình dáng
khí động học của xe cũng ảnh hưởng đến quá trình chuyển động của
xe vì thế ta cần xét đến khi khảo sát chuyển động của xe.
Khi xe chuyển động xe sẽ chịu tác động của các lực thực tế đó
là: Fx ,Fy, Fz các lực này được mô tả tổng quát trên các sơ đồ sau.


13

Sơ đồ cấu trúc ô tô.

Sơ đồ cấu trúc xoay vòng


14

Chương 3: ỨNG DỤNG MATLAB MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG
3.3.1. Giới thiệu phần mền Matlab-Simulink
Matlab (MATric LABoratory) là một công cụ phần mềm của
MathWork với giao diện cực mạnh cùng lợi thế trong kĩ thuật lập
trình đáp ứng được những vấn đề hết sức đa dạng: từ các lĩnh vực
kỹ thuật chuyên ngành như điện, điện tử, điều khiển tự động, rôbôt
công nghiệp, vật lý hạt nhân cho đến các ngành xử lý toán chuyên
dụng như thống kê, kế toán ... Matlab có bộ lệnh rất mạnh giúp nó
có thể giải quyết các loại bài toán khác nhau, đặc biệt là các hệ

15

Dasylab...sau khi xử lý nó có thể phản hồi tín hiệu trở lại để điều
khiển đối tượng đó.
3.1.1. Thiết lập mô hình.
a) Mô hình dao động một phần tử khối lượng.

Hình Sơ đồ lực tác động
Trên hình 3.2 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. Trong thực tế có thể gặp mô hình này ở dạng ghế ngồi của
máy kéo được mô hình hóa [1].
b) Mô hình dao động hai phần tử
z2

m2

Clock

m2*g

chuyen vi z2

c2

k2

chuyen vi than xe


Hình: Mô hình vật lý dao động hai phần tử và sơ đồ mô phỏng tổng
thể


16

Trong đó:
 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 hẹ số cản của lốp;
 k2 và c2 là độ cứng của lò xo và hệ số cản của giảm
chấn thủy lực.
c) Mô hình dao động liên kết
Mô hình dao động liên kết (mô hình phẳng) được trình bày như
sơ đồ hình 3.19. Ta có thể gặp mô hình này trong thực tế ở xe ô tô
hai cầu dùng cơ cấu treo phụ thuộc. 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 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)

z2

m2*g
k21

q1

q2

Hình Mô hình dao động liên kết


17

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 trái và phải là như nhau. Khối lượng treo được quy dẫn về
trọng tâm phần treo biểu thị qua giá trị khối lượng m3 (đại diện cho
khối lượng được treo là thân xe) và m1, m2
3.3.2. Một số kết quả khảo sát mô hình
a) Mô phỏng mô dao động của ô tô trong matlab
Mô hình dao động được thiết lập với ¼ xe được thể hiện ở
x2
M1
Fqt1

Flx1

Fms1

x
M

x

k

b

u
u

Hình 3. 2 Mô hình phân tích lực


18

Trong đó:
Fms1 – là lực ma sát của bộ giảm chấn;
Fms2 – là lực ma sát của lốp;
Flx1 – lực lò xo của nhíp;
Flx2 – lực lò xo của lốp;
Fqt1 – lực quán tính của khối lượng M1;
Fqt2 – lực quán tính của khối lượng M2;
x1 – chuyển vị của khung xe;
x2 – chuyện của trục bánh xe (cầu);
u – độ nhấp nhô của mặt đường.
Mô tả toán học:
- Lực ma sát của bộ giảm chấn:


- Lực quán tính của khối lượng M1:

Fqt1  M1

dx 2
dt 2

- Lực quán tính của khối lượng M2:

d2x 2
Fqt2  M 2 2
dt
(5)
Mô tả toán học mối quan hệ giữa các tín hiệu trong hệ thống:
- Phương trình cân bằng lực trên khối lượng M2:
Fqt2 = Flx1 + Fms1 – Flx2 – Fms2


19

d2x 2
dx dx
dx du
 M 2 2  k1 (x1  x 2 )  b1 ( 1  2 )  k 2 (x 2  u)  b 2 ( 2  )
dt
dt
dt
dt dt
(6)
- Phương trình cân bằng lực trên khối lượng M1:

M1s 2  b1s  k1

+

b1s + k1

Hình 3. 3 Sơ đồ khối
Mô phỏng trong Matlab/Simulink thể hiện trên hình 4.

x1(s)


20
x1

U_out

To Workspace

To Workspace2
1
2

a8.s + a9.s +1

U(s)
Step

Transfer Fcn2
-KGain5

kg
320

Ghi chú
Thay đổi khi
khảo sát

k1

Độ cứng của nhíp

k2

Độ cứng của lốp
N/m
300
Độ giảm chấn của phuộc
Thay đổi khi
N.s/m 450-800
thủy lực
khảo sát
Độ giảm chấn của lốp
N.s/m
320
Độ nhấp nhô của mặt đường m
0,05

b1
b2
u

khi xe đi qua đoạn đường xấu, thân xe không được dao động với biên
độ lớn, và dao động phải tắt dần một cách nhanh chóng. Vì khoảng
cách X1 – W rất khó để đo đạc, bên cạnh đó lốp xe biến dạng rất ít,
có thể bỏ qua, ta chọn khoảng cách X1 – X2 thay cho X1 – W như là
đầu ra của hệ thống này.
Trong hệ thống này, sự gồ ghề của đường đi ( tín hiệu W ) có thể
được xem như là một đầu vào hàm xung tín hiệu. Hàm xung này có
thể là lúc xe đúng vừa ngang qua ổ gà. Trong trường hợp muốn thiết
kế một bộ điều khiển hồi đáp, chúng ta sẽ đặt ra những giả định về
tiêu chuẩn của đầu ra ( X1 – X2) như sau:
Độ vọt lố không quá 5%.
Thời gian đáp ứng nhỏ hơn 5 giây.
Ví dụ, khi xe gặp một đoạn gồ lên 10 cm thì thân xe ( hành khách )
sẽ dao động trong khoảng +/- 5 mm và sẽ trở lại trạng thái “mượt”
trong ít hơn 5 giây.
b) Đồ thị đáp ứng nấc với đầu vào U(s) là hàm nấc đơn vị
Đồ Thị đáp ứng xung G

Từ đồ thị trên, ta thấy hệ thống này dao động tắt dần. Người
ngồi trong xe sẽ cảm thấy dao động nhẹ. Tuy nhiên, xe tốn một
khoảng thời gian rất dài để đạt được trạng thái ổn đinh, không chấp
nhận được ( từ khoảng 30 tới 50 giây). Tiếp theo, ta xét tới đáp ứng
nấc của tín hiệu đầu vào W(s) với biên độ 0.1 m.
Ta được đồ thị đáp ứng G2