Tóm tắt luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tối ưu các thông số hệ thống treo ô tô khách sử dụng tại Việt Nam

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