Đề tài Nghiên cứu tối ưu các thông số hệ thống treo ô tô khách sử dụng tại Việt Nam

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: 2 2 2 2 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) 4 T T T T df Z t dt Z t dt t dt t dt T T T T                    (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 zF (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: ( ) ( )z zt zdF t F F t  (1.2) Phương sai của tải trọng thẳng đứng bánh xe được xác định theo biểu thức sau đây: 2 2 2 2 0 0 0 1 1 1 ( ) ( ) ( ) T T T F F z z zt zd z zdD F t F dt F F t F dt F t dt T T T                  (1.3) 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:   2 2 0 0 1 1 S ( ) ( ) T T F F zd z z zdD RM F F t F dt F t dt T T           (1.4) Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì sai lệch bình phương trung bình F FD  càng nhỏ càng tốt, có nghĩa là: minF  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: 4 2 2 1 0 1 1 4 T zdi i f F dt T               (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]: 1 2, ,..., , T h l u hp p p     p p p p (2.1) 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, , 1(1)l ui i ip p p i 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 ( ), ( ), ( )t t ty y y của hệ dưới một kích thích ( )th 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]: 2 0 1 : ( ) ( ) T f y t y d t T     (2.2) 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 y(t) y(t) T t y 0 Hình 2.1: Thông số ra và giá trị mong muốn 6 2.1. Trường hợp các thông số khảo sát là gia tốc, vận tốc hay biên độ dịch chuyển của thân xe hoặc cầu xe, giá trị mong muốn 0y  , khi đó công thức (2.2) biểu thị giá trị bình phương trung bình của các đại lượng khảo sát. 2.3. Các điều kiện ràng buộc Điều kiện ràng buộc là các đẳng thức và bất đẳng thức mô tả mối quan hệ giữa các thông số thiết kế và khoảng xác định của mỗi thông số. Điều kiện ràng buộc có thể biểu diễn ở dạng các phương trình ràng buộc ( ) 0, 1(1) ,jg j l p bất phương trình ràng buộc ( ) 0, 1(1) ,kh k m p hay đơn giản là miền giới hạn của các thông số thiết kế , 1(1) .l ui i ip p p i h   , Bestle [50]: 2.4. Bài toán tối ƣu đa mục tiêu Quá trình tối ưu hóa một cách hệ thống và đồng thời các hàm mục tiêu khác nhau được gọi là tối ưu hóa đa mục tiêu. Nhiệm vụ của bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu tổng quát là xác định véc tơ thông số thiết kế T 1 2, ,..., hp p p  p = , để tối thiểu véc tơ hàm mục tiêu T 1 2, ,..., nf f f   f , ràng buộc bởi hệ các phương trình ( )  0g p và bất phương trình ( )  0h p , giới hạn biên đối với thông số thiết kế là ,l up p :   T 1 2min ( ) ( ), ( ),..., ( ) , : , , ( ) , ( ) , . n h l m l u f f f P P              0 0 f p p p p p g h g p h p p p p p (2.3) Véc tơ hàm mục tiêu có thể đạt được ( )f p được biểu thị bằng ánh xạ từ véc tơ thông số thiết kế p thuộc miền thông số thiết kế P sang miền mục tiêu F (Hình 2.2). Ánh xạ của các hàm mục tiêu ( ), 1(1)if i np , tương ứng với các giá trị Pp xác định không gian mục tiêu hay miền mục tiêu có thể đạt được.  : ( ) ,nF P  f p p (2.4) Hình 2.2: Ánh xạ từ miền thông số thiết kế sang miền mục tiêu 2.5. Tập nghiệm tối ƣu Edgeworth - Pareto (EP) Một điểm EP Pp được gọi là nghiệm tối ưu EP nếu không tồn tại một điểm Pp nào thỏa mãn điều kiện ( ) ( ),EPi if f i p p và ( ) ( ) EP j jf fp p dù chỉ một j . Những điểm thỏa mãn điều kiện trên thuộc tập nghiệm tối ưu EP. p2 p1 f2 f1 p f(p) Ánh xạ f Miền mục tiêu F Miền thông số P hIR nIR 7 :EP EPP P p    : ( )EPP f f p p p (2.5) ( ) ( )EPf fp p được hiểu là:    ( ) ( ) ( ) ( )EP EPi if f i f f   p p p p Hình 2.3: Tập nghiệm tối ưu EPP và tập mục tiêu tối ưu EPF Trong tập nghiệm tối ưu EP thì EPP không nhất thiết phải nằm trên biên của miền nghiệm chấp nhận được P nhưng tập các mục tiêu tối ưu : ( )EP EPF  f p luôn xác định trên biên của không gian mục tiêu F , vì thế EPF còn được gọi là biên Pareto được thể hiện qua Hình 2.3. Cần lưu ý rằng tất cả những điểm thuộc tập nghiệm tối ưu EP EPP đều là nghiệm của bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu. Do vậy, người thiết kế phải quyết định lựa chọn một kết quả thích hợp phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng bài toán. 2.6. Phƣơng pháp hàm chặn (  Constraint Method) giải bài toán tối ƣu hóa hai mục tiêu Những nghiên cứu của Bestle [50] chỉ ra rằng, bản chất của phương pháp hàm chặn là lựa chọn một mục tiêu ( )hf p để tối ưu trong khi các mục tiêu còn lại được đưa vào dạng bất đẳng thức ràng buộc: min ( ) r h P f p p với   : ( ) , \r i i nP P f i I r   p p (2.6) Đối với bài toán tối ưu hai mục tiêu thì phương pháp hàm chặn có thể được biểu diễn như sau: 2 2min ( ) P f p p với  2 1 1: ( )P P f   p p (2.7) Hình 2.4: Phương pháp hàm chặn đối với bài toán tối ưu hai mục tiêu P EP F EP p2 p1 f2 f1 Ánh xạ f Miền mục tiêu F Miền thông số P hIR nIR F1 * F2 * f1 * f2* f2 f1 f1 * F 1 * 1  FEP f1 2* F 2 * f2 * f2 1* f ( p*) f (P 2) (: )PF  f 8 Từ Hình 2.4, ta có thể hình dung được quá trình làm việc của phương pháp hàm chặn đối với trường hợp tối ưu hai mục tiêu. Với 2f là mục tiêu cần tối ưu trong khi 1f được xem như một ràng buộc với 1 1f  , bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu được đưa về dạng tối ưu hóa một mục tiêu, bằng cách tối thiểu hóa một hàm mục tiêu riêng lẻ 2f và bổ xung thêm điều kiện ràng buộc 1 1f  . Với ràng buộc này, không gian mục tiêu ban đầu có thể bị giảm còn 2 2( )F P f , là phần phía trên, bên trái của không gian F và được giới hạn bởi 1 . Nghiệm của bài toán phụ thuộc nhiều vào giá trị của rằng buộc 1 . Nếu * *1 1 1 1: ( )f f   p được lựa chọn, khi giá trị của 1 thay đổi, sẽ không có một nghiệm nào khả thi đối với bài toán đã cho. Mặt khác, nếu 2* *1 1 1 2: ( )f f   p được lựa chọn thì toàn bộ không gian khảo sát là khả thi và kết quả là bài toán tìm được nghiệm *2F . Điểm *1F và * 2F là các điểm tối ưu độc lập của từng hàm mục tiêu 1f và 2f . Khi tối thiểu riêng hàm mục tiêu 2f thì giá trị nhỏ nhất của nó là * 2f , tương ứng với giá trị này ta sẽ xác định được một điểm *2p thuộc miền thông số. Thay chính giá trị của *2p vào hàm mục tiêu 1f ta được 2* 1f : * * 2 2 2 * 2* 1 2 1 min ( ) ( ) : P f f P f f      p p p p (2.8) Từ đó xác định được điểm *2F trên miền mục tiêu, đó là * 2* * 2 1 2( , )F f f . Đối với điểm *1F , tối thiểu riêng hàm mục tiêu 1f thì giá trị nhỏ nhất của nó là *1f , tương ứng với giá trị này ta xác định được một điểm * 1p thuộc miền thông số. Thay chính giá trị của *1p vào hàm mục tiêu 2f ta được 1* 2f : * * 1 1 1 * 1* 2 1 2 min ( ) ( ) : P f f P f f      p p p p (2.9) Tương tự, cũng có thể xác định được điểm *1F trên miền mục tiêu, đó là * * 1* 1 1 2( , )F f f . Một lợi thế đáng chú ý của phương pháp hàm chặn là những nghiệm tối ưu Edgeworth - Pareto có thể được tìm thấy ngay cả khi không gian mục tiêu không lồi. Hơn thế nữa những nghiệm tối ưu này có thể được phân bố đều trên biên Pareto bằng cách thay đổi những giá trị của 1 trong khoảng giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của hàm mục tiêu 1f . Số điểm tối ưu (N) trên biên Pareto ( EPF ) nằm giữa các điểm tối ưu riêng * *2 1,F F có thể được xác định bởi việc lựa chọn giá trị rằng buộc 1 như sau: 9 2* 1 1 1k f k    với 1(1)k N (2.10) 2* * 1 1 1 : 1 f f N      với * * 2* *1 1 1 1 1 2: ( ), : ( )f f f f p p (2.11) * ip biểu thị những điểm tối ưu độc lập của hàm mục tiêu ( )if p được tối thiểu là *if . * : min ( ), 1,2i i P f f i    p p (2.12) Công thức trên có nghĩa là 1 giảm dần từ 2* 1f về * 1f với một hiệu số không đổi là 1 . Phương pháp hàm chặn  có nhiều ưu điểm, đặc biệt là có thể tìm ra được các nghiệm tối ưu Pareto trong vùng không gian mục tiêu lõm. Kết luận chƣơng 2 Khái quát được bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu và các phương pháp giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu. Trong đó, tập trung nghiên cứu kỹ phương pháp hàm chặn  , làm cơ sở cho việc xây dựng thuật toán và giải bài toán tối ưu hóa các thông số hệ thống treo ô tô khách. Chƣơng 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG VÀ TỐI ƢU MỘT SỐ THÔNG SỐ HỆ THỐNG TREO ÔTÔ KHÁCH HYUNDAI COUNTY HD 29 E3 Để tối ưu các thông số hệ thống treo ô tô khách, trước hết cần xây dựng mô hình vật lý, mô hình toán và mô hình mô phỏng dao động của ô tô khách trong không gian. Mô hình này cho phép nghiên cứu đồng thời các đặc trưng động lực học của ô tô trong những điều kiện chuyển động khác nhau. Ứng dụng phương pháp tối ưu đa mục tiêu trong thiết kế kỹ thuật, xây dựng thuật toán và giải bài toán tối ưu 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 Hyundai County HD 29 E3. 3.1. Xây dựng mô hình dao động ô tô khách 3.1.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình Bỏ qua ảnh hưởng của các nguồn dao động trên ô tô như động cơ và hệ thống truyền lực; phân bố khối lượng đối xứng theo trục dọc xe; khối lượng được treo và cầu xe được coi là cứng tuyệt đối; các phần tử đàn hồi và giảm chấn trong mô hình có đặc tính tuyến tính; bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đường có biên độ mấp mô tương ứng qi (i = 1,2,3,4). 3.1.2. Mô hình dao động của ô tô khách trong không gian Với các giả thiết nêu trên, mô hình vật lý dao động của ô tô khách trong không gian có xét đến dao động của người lái có thể được xây dựng như mô tả trên Hình 3.1. 10 Trong mô hình, người lái và ghế ngồi được xem như là một chất điểm có khối lượng md liên kết với thân xe qua phần tử đàn hồi có độ cứng cd và phần tử giảm chấn có hệ số cản kd. Thân xe có khối lượng ms và các mô men quán tính khối lượng Jx, Jy. Đặc trưng quán tính của cầu trước và cầu sau là khối lượng muf, mur và mô men quán tính khối lượng Juf, Jur. Hệ thống treo phụ thuộc có hệ số cản ksi và độ cứng csi liên kết các cầu xe với thân xe. Tác dụng của thanh ổn định phía trước và phía sau được đặc trưng bằng độ cứng chống xoắn caf và car. Liên kết giữa các cầu với mặt đường được thực hiện thông qua các bánh xe có độ cứng cui. Các bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đường có biên độ mấp mô tương ứng qi (i = 1,2,3,4). Mô hình có 8 bậc tự do, gồm: - Dịch chuyển theo phương thẳng đứng của người lái Zd; - Ba chuyển động của thân xe là dịch chuyển theo phương thẳng đứng của trọng tâm Z, góc lắc dọc Θ và góc lắc ngang Φ; ba chuyển động này được mô tả bằng véc tơ các tọa độ suy rộng của thân xe: ys = [Z, Ф, Θ] T ; - Bốn bậc tự do của khối lượng không được treo là dịch chuyển thẳng đứng Zuf, Zur và dịch chuyển góc Φuf, Φur của cầu trước và cầu sau được biểu diễn qua véc tơ các tọa độ suy rộng của khối lượng không được treo: yu = [Zuf, Zuf, Фuf, Фur] T . Tám bậc tự do của mô hình có thể được biểu diễn bằng véc tơ các tọa độ suy rộng của mô hình: z = [Zd, Z, Ф, Θ, Zuf, Zuf, Фuf, Фur] T = [Zd , ys T , yu T ] T . lf lr 2tr q2 xC zs4 zs2 zs1 zs3 hr zu3 zu4 zu2 yC   q4 q3 v cu4 cu3 ks 4 ks3 cs3 cs4 cu2 cs2 ms, Jx, Jy car md ryd Z hp 2br rxd kd cd Zur , ur Zd mur, Jur muf , Juf 2tf S3 B4 S4 A3 A4 2ar s xm a s ym a 2sr B2 S2 B3 Hình 3.1: Mô hình dao động của ôtô khách trong không gian C 11 Ngoại lực tác dụng lên mô hình là các kích thích từ mặt đường qi ở bốn bánh xe và các lực quán tính đặt tại trọng tâm: Fjx = msax theo phương dọc và Fjy = msay theo phương ngang. Theo nguyên lý Đalămbe, hệ phương trình dao động tương ứng với 8 bậc tự do của mô hình như sau:         4 1 4 2 1 4 2 1 2 1 4 3 2 1 , , , , , , d d d s si d i x s r si syi af ar d yd s y r i y s p si sxi d xd s x p i uf uf si ui i ur ur si ui i uf uf si syi ui uyi af i i m Z F m Z F F J m h F r M M F r m a h J m h F r F r m a h m Z F F m Z F F J F r F r M                                       2 1 4 4 3 3 , .ur ur si syi ui uyi ar i i J F r F r M                                    (3.1) Trong đó phương trình đầu tiên biểu diễn dao động của người lái, ba phương trình tiếp theo mô tả dao động của thân xe (khối lượng được treo) và bốn phương trình cuối cùng thể hiện các dao động của cầu trước và cầu sau (khối lượng không được treo). Các ký hiệu: Fd biểu diễn lực liên kết giữa ghế lái và thân xe, Fsi và Fui biểu diễn lực liên kết của hệ thống treo tại vị trí bánh xe thứ i và lực liên kết giữa các bánh xe thứ i với mặt đường (i = 1,2,3,4); Maf và Mar biểu diễn mô men chống lắc sinh ra do hệ thống ổn định ngang ở cầu trước và cầu sau; rs và ru là tọa độ của các điểm đặt lực được cho trong Bảng 3.1. Bảng 3.1: Tọa độ của các điểm đặt lực 3.1.3. Biểu diễn hệ phương trình dao động dưới dạng ma trận Để thuận tiện cho việc phân tích và khảo sát mô hình, hệ phương trình dao động (3.1) cần được biểu diễn ở dạng ma trận dựa trên các quan hệ hình học giữa các chuyển vị và một số phép biến đổi. Tọa độ i rsxi rsyi ruxi ruyi Bánh trước trái 1 lf sf lf tf Bánh trước phải 2 lf -sf lf -tf Bánh sau trái 3 -lr sr -lr tr Bánh sau phải 4 -lr -sr -lr -tr 12   M z K z C z Q u (3.2) Trong đó:   T 8 1 , , , , , ,d uf ur uf urZ Z Z Z      z x là véc tơ các tọa độ suy rộng;   T TT T 1 2 3 4 7 1 0, , 0, , , , , ,s y r s x pm a h m a h q q q q        s u u q q x là véc tơ các ngoại lực suy rộng hay véc tơ các kích thích; Các ma trận khối lượng M, ma trận hệ số cản K, ma trận độ cứng C và ma trận ngoại lực Q. 3.1.4. Biểu diễn phương trình dao động ở dạng không gian trạng thái Để thuận tiện cho việc phân tích và khảo sát hệ phương trình chuyển động bằng phần mềm Matlab - Simulink, phương trình ma trận (3.2) được biểu diễn dưới dạng phương trình không gian trạng thái như sau: , .      x A x B u y D x E u (3.3) x là véc tơ trạng thái, bao gồm các tọa độ suy rộng z và đạo hàm bậc nhất của nó z :       T T T 16 1 16 1 16 1 , ;                z z x z z x z zx x x (3.4) y là véc tơ các thông số ra (thông số đánh giá) bao gồm gia tốc dao động của người lái dZ ; gia tốc dao động thân xe , , Z   ; tải trọng động ở các bánh xe zdiF và chuyển dịch tương đối của khối lượng được treo và không được treo tại các vị trí bánh xe zi si uiz z   .   T 1 2 3 4 1 2 3 4 12 1 , , , , d zd zd zd zd z z z zZ Z F F F F        y , , , , , , , x (3.5) Trong đó các thành phần gia tốc dao động đặc trưng cho các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô được xác định thông qua đạo hàm bậc hai của véc tơ tọa độ suy rộng:       T 4 4 4 4 1 4 8 , , , , dZ Z            I 0 z G x x x (3.6) Tải trọng động ở các bánh xe cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn với các lực liên kết giữa bánh xe với mặt đường và được xác định như sau:       T T 1 2 3 4 1 2 3 4 24 3 4 4 2 4 7 , , , , , , , , zd zd zd zd u u u uF F F F F F F F .                  u fu u u fu u C G z C 0 I u C G z C G u G x x x (3.7) Các ma trận trạng thái A, B và ma trận thông số đánh giá D, E được xác định như sau: 13 Fzd Body Motions ax u y -ms*hp ms*hr Vertical Vibrations z_dd Total Loads Fz theta _dd phi _dd zs_dd Suspension deftections delta _z 0 Static Loads Fzt State -Space x' = Ax+Bu y = Cx+Du Speed v Road Excitations qu Long .acc. du /dt Lateral acc . ay Dynamic Loads Fzd Driver Vibration zd_dd ys _dd zs_dd phi_dd theta_dd                     8 8 8 8 8 7 1 1 1 16 16 16 7 1 1 1 1 1 1 24 8 4 4 8 12 7 12 16 , , , .                                             u fu u fs 0 I 0 A B M C M K M Q G M C G M K G M Q D C G 0 E C G 0G 0 x x x x x x x7x xx (3.8) 3.2. Mô hình mô phỏng dao động của ô tô khách trong không gian Dựa vào mô hình toán và hệ phương trình không gian trạng thái, có thể thiết lập mô hình Matlab - Simulink giải hệ phương trình dao động của ôtô khách trong không gian, được giới thiệu trên Hình 3.2. Gồm khối các thông số đầu vào “inputs” mô tả véc tơ các ngoại lực suy rộng hay véc tơ các kích thích u; khối mô hình “model” biểu diễn hệ phương trình dao động ô tô khách ở dạng không gian trạng thái; khối các thông số ra “outputs” xác định véc tơ các thông số ra hay thông số đánh giá của mô hình y. 3.3. Tối ƣu hóa hệ thống treo ô tô khách Hyundai County HD 29 E3 3.3.1. Bài toán tối ưu hóa hệ thống treo ô tô khách Để xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu, trước hết cần xác định các hàm mục tiêu và thông số thiết kế phù hợp với mục đích nghiên cứu. Nhiệm vụ của bài toán tối ưu đa mục tiêu hệ thống treo ô tô khách là xác định các thông số của hệ thống treo nhằm giảm thiểu dao động của thân xe, đảm bảo độ êm dịu cho người lái và hành khách; đồng thời hạn chế sự thay đổi của tải trọng Hình 3.2: Mô hình dao động ô tô khách 8 bậc tự do trong Matlab - Simulink a) inputs b) model c) outputs 14 động ở các bánh xe, đảm bảo an toàn chuyển động của ô tô thông qua khả năng duy trì sự tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường. Chỉ tiêu về độ êm dịu và an toàn chuyển động có thể được xác định bằng các biểu thức toán học sau đây: 2 2 2 2 0 1 2 1 1 1 / , 0 02 41 1 , . 4 1 d T zdi T T Z dt Z dt m s T T F dt N Ti f f                            (3.9) Thông số thiết kế của bài toán được chọn là độ cứng ghế người lái cd; hệ số cản của giảm chấn ksf, ksr; độ cứng nhíp csf, csr và độ cứng của các thanh ổn định ngang caf, car của hệ thống treo cầu trước và cầu sau. Ràng buộc của bài toán tối ưu là giới hạn của các thông số thiết kế được xác định trên cơ sở những thay đổi có thể thực hiện được trong điều kiện thực tế, giới hạn chuyển dịch tương đối của khối lượng được treo và không được treo tại các vị trí bánh xe:  max max 0,05 s uz z và độ võng tĩnh của hệ thống treo cầu trước và cầu sau: / 2 0,10; / 2 0,10sf srm g c m g csrsf   . Bài toán tối ưu đa mục tiêu ô tô khách có thể viết ở dạng tổng quát như sau:   T 1 2 T T , : , , , , , , , , 7 1 25000, 5000, 5000, 100000, 100000, 0, 0 : 100000, 15000, 15000, 300000, 300000, 15000, 15 d sf sr sf sr af ar min f f c k k c c c c P P                 l u l u f(p) f(p) p p p p p p p x   T .000 max max 0,05 / 2 0,10 / 2 0,10 sf sf sr sr m g c m g c                              s uz z (3.10) Nhiệm vụ của bài toán là xác định tập hợp nghiệm tối ưu Edworth-Pareto p * P EP . Mô hình Matlab - Simulink (Hình 3.2) với các thông số kỹ thuật của ô tô khách Hyundai County HD 29 E3 sản xuất lắp ráp tại Việt Nam (Phụ lục 1,2) được sử dụng để đánh giá các chỉ tiêu êm dịu và an toàn chuyển động trong quá trình tối ưu. Ô tô được mô phỏng chuyển động thẳng đều với vận tốc v = 13km/h, gia tốc theo phương dọc và ngang ax = 0, ay = 0, các bánh xe bên trái leo qua mấp mô dạng xung hình thang cân có chiều cao q1max = q3max = 0.1m. Thời gian trễ của tín hiệu q3 là td = (lf + lr)/v. 3.3.2. Kết quả tối ưu sử dụng phương pháp hàm chặn Nội dung của phương pháp là đưa bài toán tối ưu hai mục tiêu trở về bài toán tối ưu một mục tiêu là chỉ tiêu an toàn chuyển động f2, còn chỉ tiêu độ êm dịu f1 được biểu diễn dưới dạng bất phương trình ràng buộc giới hạn bởi hàm chặn ε, Tuấn Anh [25]: 15     2 1 1 2 2 , : .min f P P f P     p p p p (3.11) Để giải bài toán, trước hết cần xác định các cực tiểu riêng F1 * và F2 * nhờ các bài toán tối ưu hóa các mục tiêu riêng biệt f1 và f2, Phụ lục 3. Sau khi giải các bài toán trên với giá trị ban đầu (điểm xuất phát) p0 = p l , có thể xác định vị trí của các cực tiểu riêng trong miền mục tiêu nhờ các véc tơ: T T* 1 1min 2max T T* 2 1max 2min , 0.5755, 1206 , , 0.6058, 1144 . f f f f               f f (3.12) Chia miền giá trị của f1 thành N = 19 điểm cách đều giữa hai điểm mút f1min và f1max. Khoảng cách giữa các điểm được xác định theo công thức: 2* * 1max 1min1 1 1 0.6058 0.5755 : 0.001515 1 1 19 1 f ff f N N            (3.13) Hình 3.3: Tập nghiệm tối ưu trong miền không gian mục tiêu Tập nghiệm tối ưu Edworth - Pareto trong miền mục tiêu biểu diễn trên Hình 3.3 là kết quả nhận được sau khi giải N bài toán tối ưu đơn (3.11) tương ứng với giá trị của các hàm chặn ε1k thay đổi từ f1max đến f1min, Phụ lục 4. Giá trị cụ thể của bài toán tối ưu hệ thống treo ô tô khách Hyundai County HD 29 E3 chỗ ngồi được cho trong Bảng 3.2. Cần lưu ý rằng tất cả các điểm trên Hình 3.3 với các giá trị tương ứng cho trong Bảng 3.2 đều là nghiệm tối ưu EP. Phụ thuộc điều kiện hoạt động của ô tô khách, ta có thể chọn nghiệm tối ưu được khoanh tròn như trên Hình 3.3 làm kết quả cuối cùng của bài toán tối ưu hệ thống treo ô tô khách Hyundai County HD 29 E3. Từ đó có thể xác định các giá trị tối ưu của thông số thiết kế p* và hàm mục tiêu *f tương ứng với nghiệm được lựa chọn như sau: T* T* 100000, 7265, 11297, 106193, 154709, 6711, 5683 , 0.5906, 1171 .         p f (3.14) So với ô tô nguyên thủy: T T 52537, 7733, 9804, 193844, 177007, 5000, 5000 , 1.032, 1245 .         p f (3.15) Nghiem toi uu lua chon 16 Cả hai chỉ tiêu về êm dịu và an toàn chuyển động của ô tô khách sau khi tối ưu hệ thống treo đều được cải thiện rõ rệt. Bảng 3.2: Kết quả tối ưu hệ thống treo ô tô khách Hyundai County HD 29 E3 3.4. Đánh giá dao động của ô tô khách với hệ thống treo tối ƣu trong miền thời gian 3.4.1. Dao động ô tô dưới kích động của mấp mô mặt đường 3.4.1.1. Kích thích mặt đƣờng dạng xung Ô tô được mô phỏng chuyển động thẳng với vận tốc không đổi, ax = ay = 0, mấp mô dạng xung đơn vị có chiều cao q1 = q3 = 0,1[m], q2 = q4 = 0. TT Mục tiêu Thông số thiết kế tối ưu f1 f2 cd ksf ksr csf csr caf car [m/s2] [N] [N/m] [Ns/m] [N/m] [Nm/rad] 1 0,5755 1206 100000 6981 10493 106193 154709 8 0 2 0,5770 1197 100000 7014 10217 106193 154709 712 986 3 0,5785 1190 100000 7061 10022 106193 154709 1094 2133 4 0,5801 1186 100000 7143 10031 106193 154709 1748 2889 5 0,5816 1183 100000 7261 10218 106193 154709 2559 3353 6 0,5831 1181 100000 7358 10434 106193 154709 3285 3784 7 0,5846 1180 100000 7402 10663 106193 154709 4005 4206 8 0,5861 1178 100000 7387 10884 106193 154709 4737 4618 9 0,5876 1176 100000 7345 11069 106193 154709 5443 5001 10 0,5891 1174 100000 7276 11211 106193 154709 6118 5358 11 0,5906 1171 100000 7265 11297 106193 154709 6711 5683 12 0,5921 1168 100000 7234 11347 106193 154709 7281 6002 13 0,5936 1165 100000 7206 11361 106193 154709 7817 6313 14 0,5952 1161 100000 7180 11344 106193 154709 8323 6617 15 0,5967 1157 100000 7152 11303 106193 154709 8800 6911 16 0,5982 1154 100000 7120 11244 106193 154709 9251 7194 17 0,5997 1151 100000 7080 11173 106193 154709 9675 7461 18 0,6012 1148 100000 7027 11096 106193 154709 10073 7708 19 0,6027 1145 100000 6956 11021 106193 154709 10439 7930 20 0,6042 1144 100000 6839 11260 106193 154709 10465 8648 21 0,6058 1144 100000 6901 11200 106193 154709 10519 8551 Hình 3.4: Gia tốc dao động của người lái, thân xe và sự thay đổi tải trọng bánh xe với kích thích mặt đường dạng xung, v = 10km/h 17 Có thể thấy giá trị của gia tốc và tải trọng đạt cực đại tại thời điểm các bánh xe bên trái bắt đầu leo lên mấp mô, Hình 3.4. Bảng 3.3: Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô trước và sau khi tối ưu với kích thích mặt đường dạng xung TT Vận tốc v [km/h] Hệ thống treo Ô tô Hyundai County 29 E3 Chỉ tiêu êm dịu f1 [m/s 2 ] Chỉ tiêu an toàn f2 [N] 1 5[km/h] Hệ thống treo nguyên thủy 0,9910 1519,0 Hệ thống treo tối ưu 0,7574 1119,8068 Tỷ lệ thay đổi -23,57% -26,28% 2 10[km/h] Hệ thống treo nguyên thủy 0,5571 871,3508 Hệ thống treo tối ưu 0,4230 645,9323 Tỷ lệ thay đổi -24,08% -25,87% 3 20[km/h] Hệ thống treo nguyên thủy 0,2892 525,4681 Hệ thống treo tối ưu 0,2191 390,5804 Tỷ lệ thay đổi -24,23% -25,66% 4 40[km/h] Hệ thống treo nguyên thủy 0,1432 279,3483 Hệ thống treo tối ưu 0,1093 237,2226 Tỷ lệ thay đổi -23,67% -15,08% 5 80[km/h] Hệ thống treo nguyên thủy 0,0743 150,0964 Hệ thống treo tối ưu 0,0552 128,5426 Tỷ lệ thay đổi -25,67% -14,36% 3.4.1.2. Kích thích mặt đƣờng ngẫu nhiên Biên độ kích thích ngẫu nhiên của mặt đường ngẫu nhiên được mô phỏng theo tiêu chuẩn ISO với chất lượng đường trung bình. Kết quả mô phỏng và đánh giá dao động của ô tô trước và sau tối ưu được thể hiện trong Bảng 3.4. Bảng 3.4: Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô trước và sau khi tối ưu với kích thích mặt đường ngẫu nhiên TT Vận tốc v [km/h] Hệ thống treo Ô tô Hyundai County 29 E3 Chỉ tiêu êm dịu f1 [m/s 2 ] Chỉ tiêu an toàn f2 [N] 1 5[km/h] Hệ thống treo nguyên thủy 0,6858 1738,4 Hệ thống treo tối ưu 0,5120 1337,7 Tỷ lệ thay đổi -25,34% -23,06% 2 10[km/h] Hệ thống treo nguyên thủy 0,9540 2578,2 Hệ thống treo tối ưu 0,7121 2065,9 Tỷ lệ thay đổi -25,36% -19,87% 3 20[km/h] Hệ thống treo nguyên thủy 1,3188 3902,3 Hệ thống treo tối ưu 0,9911 3306,4 Tỷ lệ thay đổi -24,85% -15,26% 4 40[km/h] Hệ thống treo nguyên thủy 1,6436 5063,3 Hệ thống treo tối ưu 1,2199 4492,2 Tỷ lệ thay đổi -25,78% -11,27% 5 80[km/h] Hệ thống treo nguyên thủy 1,8605 6527,9 Hệ thống treo tối ưu 1,3931 5854,9 Tỷ lệ thay đổi -25,12% -10,30% 3.4.2. Dao động ô tô dưới kích động của lực quán tính 3.4.2.1. Dao động của ô tô khi phanh Ô tô được mô phỏng phanh trên đường bằng phẳng với vận tốc ban đầu v0 = 50km/h đến khi dừng hẳn, gia tốc dọc chậm dần đều ax = 5m/s 2 . Kết quả mô phỏng được thể hiện trên Hình 3.5. Các thông số dao động có giá trị lớn tại thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình phanh. Gia tốc lắc ngang thân xe  có giá trị rất nhỏ so với gia tốc lắc dọc  . Do tác dụng của lực quán tính khi phanh, các bánh xe cầu trước được tăng tải trong khi các bánh xe cầu sau bị giảm tải. 18 Bảng 3.5: Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô trước và sau tối ưu khi phanh TT Vận tốc trƣớc khi phanh Hệ thống treo Ô tô Hyundai County 29 E3 Chỉ tiệu êm dịu f1 [m/s 2] Chỉ tiêu an toàn f2 [N] 1 50[km/h] Hệ thống treo nguyên thủy 0,1003 360,3723 Hệ thống treo tối ưu 0,0948 359,7957 Tỷ lệ thay đổi -5,5% -0,16% 3.4.2.2. Dao động của ô tô khi quay vòng Ô tô được mô phỏng quay vòng trên đường bằng phẳng với vận tốc không đổi v0 = 30km/h, gia tốc ngang tăng dần từ 0 đến giá trị ổn định ay = 5m/s 2 . Kết quả mô phỏng được thể hiện trên Hình 3.6. Sự thay đổi giá trị được bắt đầu tại thời điểm biến đổi gia tốc ngang, gia tốc lắc ngang thân xe có giá trị lớn hơn nhiều so với thành phần gia tốc dao động thẳng đứng và gia tốc lắc dọc thân xe. Do ảnh hưởng của lực quán tính ly tâm nên có sự phân bố lại tải trọng giữa các bánh xe bên trái và các bánh xe bên phải, các bánh xe bên trái giảm tải trong khi các bánh xe bên phải được tăng tải. Hình 3.5: Gia tốc dao động của người lái, thân xe và sự thay đổi của tải trọng bánh xe khi phanh Hình 3.6: Gia tốc dao động của người lái, thân xe và sự thay đổi của tải trọng bánh xe khi quay vòng, ay = 5m/s 2 19 Bảng 3.6: Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô trước va sau tối ưu khi quay vòng TT Gia tốc ngang ay [m/s 2 ] Hệ thống treo Ô tô Hyundai County 29 E3 Chỉ tiêu êm dịu f1 [m/s 2 ] Chỉ tiêu an toàn f2 [N] 1 3m/s2 Hệ thống treo nguyên thủy 0,0157 1466,1 Hệ thống treo tối ưu 0,0145 987,1251 Tỷ lệ thay đổi -7,55% -32,67% 2 4m/s2 Hệ thống treo nguyên thủy 0,0147 1917,0 Hệ thống treo tối ưu 0,0137 1288,7991 Tỷ lệ thay đổi -6,52% -32,77% 3 5m/s2 Hệ thống treo nguyên thủy 0,0134 2348,2 Hệ thống treo tối ưu 0,0126 1570,711 Tỷ lệ thay đổi -5,71% -33,11% 4 6m/s2 Hệ thống treo nguyên thủy 0,0159 2760,1 Hệ thống treo tối ưu 0,0144 1852,3031 Tỷ lệ thay đổi -9,33% -32,89% 5 7m/s2 Hệ thống treo nguyên thủy 0,0129 3151,6 Hệ thống treo tối ưu 0,0125 2108,1052 Tỷ lệ thay đổi -3,42% -33,12% 3.5. Đánh giá dao động của ô tô khách với hệ thống treo tối ƣu trong miền tần số Xét ảnh hưởng của biên độ mặt đường q1 = 0,1[m] đến các thông số ra, giả thiết các kích thích khác có giá trị bằng không (q2 = q3 = q4 = ax = ay = 0). Các hàm truyền đạt được xác định như sau: 1 2 14 24 34 44 54 64 1 1 1 1 1 1 3 4 31 2 4 74 84 94 104 114 124 1 1 1 1 1 1 , , , , , , , , , , , . d zd zd zd zd zz z z Z F FZ W W W W W W q q q q q q F F W W W W W W q q q q q q                  (3.16) 3.5.1. Dao động của người lái và thân xe Hình 3.7: Gia tốc dao động của người lái và thân xe, q1 = 0,1m 20 3.5.2. Sự thay đổi của tải trọng bánh xe 3.5.3. Chuyển dịch tương đối của khối lượng được treo và không được treo tại các vị trí bánh xe Hình 3.8: Sự thay đổi tải trọng bánh xe, q1 = 0,1m Hình 3.8: Chuyển dịch tương đối của khối lượng được treo và không được treo tại các vị trí bánh xe, q1 = 0,1m 21 Kết luận Chƣơng 3 Xây dựng được mô hình vật lý, mô hình toán và mô hình mô phỏng dao động của ô tô khách trong không gian có xét đến dao động của người lái và ảnh hưởng của thanh ổn định ngang cầu trước, cầu sau. Trên cơ sở mô hình mô phỏng dao động tám bậc tự do của ôtô khách trong không gian và phương pháp hàm chặn (ε - Constraint Method), xây dựng thuật toán giải bài toán tối ưu hóa đồng thời hai hàm mục tiêu an toàn và êm dịu chuyển động để xác định các thông số tối ưu của hệ thống treo ô tô khách Hyundai County HD 29 E3 sản xuất lắp ráp tại Việt Nam. Các kết quả tối ưu hệ thống treo trong miền thời gian với các chế độ chuyển động khác nhau và trong miền tần số đều cho thấy các chỉ tiêu về êm dịu và an toàn chuyển động của ô tô được cải thiện rõ rệt so với hệ thống treo nguyên thủy. Chƣơng 4: THÍ NGHIỆM 4.1. Mục đích thí nghiệm Xác định thông số đầu vào cho bài toán lý thuyết, đồng thời kết quả thí nghiệm là cơ sở để chuẩn hóa mô hình lý thuyết. 4.2. Đối tƣợng thí nghiệm Thí nghiệm được thực hiện trên ô tô khách Huyndai County HD 29 E3 sản xuất lắp ráp tại Việt Nam. 4.3. Các thông số cần đo Các loại khối lượng của ô tô chọn khảo sát; độ cứng hệ thống treo, lốp, ghế lái; hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo và ghế lái; gia tốc dao động tại các vị trí trên xe. Kết quả thí nghiệm đo các loại khối lượng; độ cứng hệ thống treo, lốp, ghế lái; hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo và ghế lái tham khảo trong Phụ lục 2, Đặng Việt Hà [5]. Trong chương này NCS chỉ trình bày quá trình thí nghiệm đo gia tốc dao động tại các vị trí trên xe ô tô. 4.4. Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm Thiết bị đo dao động LMS, loại 16 kênh cùng với gói phầm mềm đi kèm là sản phẩm được sản xuất tại Vương Quốc Bỉ, Hình 4.1. Hình 4.1: Bộ thu thập dữ liệu cùng máy tính xách tay chạy các phần mềm 4.5. Tiến hành thí nghiệm - Thí nghiệm được thực hiện tại Học viện KTQS với điều kiện đường bê tông khô, chiều dài 200 [m], độ dốc bằng 0; 22 0 1 2 3 4 5 6 7 -60 -40 -20 0 20 40 60 time(s)  " [d e g /s 2 ] 0 1 2 3 4 5 6 7 -30 -20 -10 0 10 20 30 time(s)  " [d e g /s 2 ] 0 1 2 3 4 5 6 7 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 time(s) g ia t o c t a i tr o n g t a m p h a n t re o ( m /s 2 ) 0 1 2 3 4 5 6 7 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 time(s) g ia t o c t a i g h e l a i (m /s 2 ) - Ôtô chuyển động với vận tốc không đổi v = 13[km/h] (ax = ay = 0); Hình 4.2: Xe và các thành viên tham gia thí nghiệm - Các bánh xe bên trái phía người lái lần lượt leo qua mấp mô dạng xung hình thang cân có chiều cao q1 = q3 = 0,1[m]; - Các bánh xe bên phải chuyển động trên đường bằng (q2 = q4 = 0); - Thời gian trễ của tín hiệu q3 là td = (lf + lr)/v. Thí nghiệm được tiến hành với việc đo gia tốc dao động tại một số vị trí trên ô tô. 4.6. Kết quả thí nghiệm Hình 4.3: Gia tốc dao động người lái và thân xe 23 4.7. Sử dụng các kết quả thí nghiệm để chuẩn hóa mô hình lý thuyết 4.8. So sánh kết quả thu đƣợc từ mô hình lý thuyết đã đƣợc chuẩn hóa và kết quả thu đƣợc từ thí nghiệm Kết quả tính toán từ các giá trị thu được từ mô hình lý thuyết đã được chuẩn hóa và giá trị thu được từ thí nghiệm cho ta các giá trị sai số tương đối như sau: Z  = 7,32 (%); Zd  = 5,47 (%);   = 6,25 (%);   = 4,16 (%). Kết luận chƣơng 4 Chương 4 đã thực hiện được những nội dung cơ bản sau: Đo và tính toán gia tốc dao động tại vị trí vị trí người lái dZ , gia tốc tại trọng tâm thân xe Z , gia tốc lắc dọc  và lắc ngang  của ô tô khách Hyundai County HD 29 E3. Những kết quả thí nghiệm này là cơ sở cho việc chuẩn hóa mô hình lý thuyết được xây dựng ở Chương 3. Kết quả tính toán sai số tương đối giữa giá trị thu được từ lý thuyết ứng với mô hình đã được chuẩn hóa và giá trị thu được từ thí nghiệm cho thấy độ tin cậy của mô hình lý thuyết. Trên cơ sở đó, có thể sử dụng mô hình lý thuyết để nghiên cứu các đặc trưng động lực học cơ bản của ôtô trong những điều kiện chuyển động khác nhau và là cơ sở khoa học để thiết kế tối hệ thống treo ô tô khách. KẾT LUẬN CHUNG Nghiên cứu tối ưu các thông số hệ thống treo ô tô khách sản xuất lắp ráp và sử dụng tại Việt Nam là rất cần thiết trong giai đoạn hiện nay. Luận án đã hoàn thành được các mục tiêu nghiên cứu và đóng góp được những kết quả mới sau đây: 1. Xây dựng được mô hình vật lý, mô hình toán và mô hình mô phỏng 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 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. Đặc biệt, mô hình đã đề cập đến các yếu tố ảnh hưởng của hệ thống thanh ổn định ngang cầu trước và cầu sau đối với dao động của ô tô. Kết quả nghiên cứu được công bố trong các công trình [2], [3], [4]. 2. 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. Dựa trên mô hình dao động không gian 8 bậc tự do của ô tô khách có xét đến dao động của người lái, lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu 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: cd = 100000 [N/m], ksf = 7265 [Ns/m], ksr = 11297 [Ns/m], csf = 106193 [N/m], csr = 154709 [N/m], caf = 6711 [Nm/rad], car = 5683 [Nm/rad], f1 = 0,5906 [m/s 2 ], f2 = 1171 [N]. 24 Các kết quả khảo sát dao động của ô tô khách Hyundai County HD 29 E3 trong miền thời gian ứng với các chế độ chuyển động khác nhau và trong miền tần số cho thấy các chỉ tiêu về êm dịu và an toàn chuyển động của ô tô được cải thiện rõ rệt so với hệ thống treo nguyên thủy, Bảng 3.3 - 3.6. Kết quả nghiên cứu còn được công bố trong các công trình [1], [5]. 3. Tiến hành thí nghiệm làm cơ sở cho việc chuẩn hóa mô hình lý thuyết. Các kết quả tính toán sai số tương đối giữa giá trị thu được từ lý thuyết và thí nghiệm ( Z  = 7,32 %; Zd  = 5,47 %;   = 6,25 %;   = 4,16 %) cho thấy độ tin cậy của mô hình lý thuyết. Trên cơ sở đó, có thể sử dụng mô hình lý thuyết để nghiên cứu các đặc trưng động lực học cơ bản của ôtô trong những điều kiện chuyển động khác nhau và là cơ sở khoa học để thiết kế tối ưu hệ thống treo ô tô khách nói riêng và ô tô nói chung. 4. Thông qua việc nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế hệ thống treo ô tô khách sản xuất lắp ráp và sử dụng trong nước, luận án giới thiệu một phương pháp thiết kế ô tô khoa học dựa trên các công cụ lý thuyết và tính toán hiện đại. Các kết quả của luận án có thể được ứng dụng để nghiên cứu thiết kế tối ưu hệ thống treo trên các loại xe ô tô khác nhau . Bên cạnh những đóng góp về mặt khoa học, luận án còn có ý nghĩa thực tiễn, giúp các doanh nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô trong nước có cơ sở để sản xuất, chế tạo ra những sản phẩm có chất lượng cao. KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Do một số nguyên nhân khách quan và chủ quan nên đề tài còn một số hạn chế cần tiếp tục mở rộng nghiên cứu: Nghiên cứu chế tạo hệ thống treo theo các thông số đã tối ưu thay thế cho hệ thống treo nguyên thủy; Tối ưu hóa các thông số hình học của xe ô tô khách nhằm nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động.