TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO DAO ĐỘNG TRÊN Ô TÔ SVTH NGUYỄN MINH TÚ PHAN HỮU MINH MSSV 13145482 TP Hồ Chí Minh, Tháng 03 năm 2017 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Tú Phan Hữu Minh Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Giảng viên hướng dẫn: Ngày nhận đề tài: MSSV:13145482 MSSV: Lớp:13145CL1 ĐT: Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế, thiết bị đo dao động ô tô Các số liệu, tài liệu ban đầu: Nội dung thực đề tài: Sản phẩm: TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: MSSV MSSV Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) năm 20… CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: MSSV: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong trình phát triển kinh tế quốc dân phục vụ đời sống xã hội, việc vận chuyển hàng hố, hành khách có vai trò to lớn Với việc vận chuyển bằng tơ có khả đáp ứng tốt nhiều mặt so với phương tiện vận chuyển khác đặc tính đơn giản, an tồn, động Trong loại hình vận chuyển vận chuyển bằng tơ loại hình thích hợp vận chuyển loại đường ngắn trung bình Ơ tơ đến nhiều vùng, nhiều khu vực địa điểm mà phương tiện vận chuyển khác khó thực Ngày nhu cầu vận chuyển hàng hoá, hành khách tăng nhanh, mật độ vận chuyển lớn Đồng thời với sự mở rộng phát triển đô thị ngày tăng nhanh vận chuyển bằng tơ lại có ưu nước cơng nghiệp phát triển, công nghiệp ô tô ngành kinh tế mũi nhọn Trong nước ta ngành cơng nghiệp ô tô dừng lại mức khai thác, sử dụng, sửa chữa bảo dưỡng Những năm 1985 trở trước ô tô hoạt động Việt Nam ô tô nhập ngoại với nhiều chủng loại nhiều công ty nước sản xuất Từ năm đầu thập kỷ 90 thực việc liên doanh, liên kết với công ty nước ngồi Nên Việt Nam có 14 liên doanh hoạt động như: TOYOTA, MERCEDES - BENZ VMC, DEAWOO, MITSUBISHI, NISSAN, FORD Tại liên doanh ô tô lắp ráp dây chuyền công nghệ đại Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam chuyển sang giai đoạn Công nghệ lắp ráp ô tô nước ta phát triển từ loại hình lắp ráp SKD sang CKD1, CKD2 tương lai lắp ráp IKD Trong loại hình lắp ráp IKD nhiều chi tiết, hệ thống tổng thành thiết kế chế tạo nước hệ thống treo, khung vỏ Tuy ô tô lắp ráp dây chuyền công nghệ đại, áp dụng thành tựu khoa học kỹ thuật Song điều kiện đường xá chất lượng Việt Nam, xe chưa đáp ứng số yêu cầu đòi hỏi độ êm dịu chuyển động, tính tiện nghi, tính an tồn chuyển động Ngun nhân việc xe khơng đáp ứng yêu cầu xe chuyển động đường khơng bằng phẳng bị kích động liên tục mấp mô mặt đường gây lên dao động ô tô Mặc khách, hầu hết xe khách, xe bus xuất phát từ gầm xe tải, chuyển sang xe khách tồn nhiều vấn đề cần giải độ êm dịu chuyển động, bố trí chung hệ thống truyền lực, phân bố tải trọng lên cầu xe.Vì cần phải có biện pháp kiểm tra lại chất lượng sản phẩm sau lắp ráp theo thực tế sử dụng nước nhằm định hướng lâu dài cho công nghiệp ô tô nước ta Xuất phát từ phân tích sự gợi ý thầy giáo hướng dẫn em làm đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, thiết bị đo dao động ô tô” Em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn Ts Lê Thanh Phúc tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin kính chúc thầy ln mạnh khoẻ có nhiều cống hiến sự nghiệp phát triển ngành ô tô nói riêng ngành giao thông vận tải nói chung Việt Nam CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sản xuất tơ việt nam Hiện nay, công nghiệp ô tô Việt Nam gồm có ba thành phần: Các cơng ty liên doanh ô tô Các doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô phát triển sở công ty khí quốc doanh - Các doanh nghiệp tư nhân Tùy theo mức độ phức tạp vận hành chuyên môn hóa mà nghành cơng nghiệp lắp ráp tơ tồn hình thức sau:  Phương thức lắp ráp dạng CBU  Phương thức lắp ráp dạng SKD  Phương thức lắp ráp dạng CKD  Dạng CKD1  Dạng CKD2  Phương pháp lắp ráp dạng IDK  Dạng IKD1  Dạng IKD2  Dạng IKD3 1.2 Các hướng nghiên cứu dao động ô tô 1.2.1 Các nghiên cứu nước: Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam trình hình thành phát triển dần trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn hàng đầu đất nước Từ thực tế đó, có số đề tài thuộc chuyên ngành ô tô đề cập đến vấn đề dao động ô tô như: Luận án tiến sỹ tác giả Lưu Văn Tuấn đề mục tiêu nâng cao độ êm dịu cho xe khách Ba Đình đóng sở IFA, luận án tác giả ý mô tả thuộc tính đàn hồi khung vỏ kết cấu đặc trưng xe ca: xe ca có kết cấu khung - vỏ chịu lực Luận án tiến sỹ tác giả Võ Văn Hường “Nghiên cứu hoàn thiện mơ hình khảo sát dao động ơtơ tải nhiều cầu” Tác giả nghiên cứu sâu lập mô hình dao động khơng gian cho xe tải có yếu tố dao động ngang, khung xoắn chịu lực, ổn định, có hệ thống treo có đặc tính phi tuyến, hàm kích động riêng rẽ tổng hợp Báo cáo tác giả Đào Mạnh Hùng xây mơ hình xác định lực động biên dạng mặt đường đến tải trọng tác dụng lên ô tô quốc lộ 1A đọan Hà Nội - Lạng Sơn 1.2.2 Các nghiên cứu dao động ô tô giới Lần đầu tiên vào năm 1970 Mitschke tập trung vào tác phẩm tiếng "Dynamik der Kraftfahrzeuge" tập hợp tất cơng trình nghiên cứu trước đó, bao gồm 200 trích dẫn Nội dung nghiên cứu dao động xe với mơ hình 1/4 xe Sau đó, tác giả đề cập tiêu đánh giá dao động ơtơ, cách tiếp cận mang tính cổ điển Những năm sau này, 1980, Werner Schiehlen trình bày phương pháp hệ nhiều vật Ngồi ra, máy tính phát triển thuộc tính cụm hệ treo, bánh xe nghiên cứu sâu nhiên nghiên cứu tập trung chủ yếu vào xe Ngày giới nghiên cứu dao động ô tô nghiên cứu sâu rộng tập trung nghiên cứu dao động ô tô tổng thể hệ thống “Đường – Xe - Người”: Lúcio F.S Patrício đồng nghiệp (2006) nghiên cứu mơ hình dao động khơng gian Anil Shirahatt (2008) nghiên cứu dao mơ hình dao động khơng gian có xét ảnh hưởng đến ghế ngồi G Genta L Morello nghiên cứu tiêu đánh giá độ êm dịu thông số ảnh hưởng đến độ êm dịu thơng qua đặc tính tần số biên độ 1.3 Tổng quan nghiên cứu dao động tơ Ơ tơ hệ dao động nằm mối liên hệ chặt chẽ với đường có mối liên hệ phức tạp Dao động ô tô ảnh hưởng đến người , hàng hoá chuyên chở , độ bền cụm tổng thành ảnh hưởng tới độ an toàn chuyển động tơ , mà ảnh hưởng tới tuổi thọ đường Đặc biệt Trong trình chuyển động , sự kích thích động học mấp mơ bề mặt đường kích thích động lực học động làm cho ô tô dao động ô tô dao động làm phát sinh tải trọng động lớn tác dụng nên hệ thống chịu tải xe khung, cấu tống thành… ảnh hưởng đến độ bền tuổi thọ chúng Ơ tơ coi hệ thống dao động nằm mối liên hệ chặt chẽ “ Đường - Ơ tơ - Con người” Con người Đường Hệ thống Lái Động HTTL.phanh Hệ thống treo Thân xe Lực khởi động Mối quan hệ phụ : Mối quan hệ : Hình vẽ sơ đồ quan hệ hệ thống: “ Đường - Ơ tơ - Con người” Ngày , việc nghiên cứu dao động ô tô đạt thành tựu đáng kể Dao động ô tô nghiên cứu tổng thể hệ thống “ Đường - Ô tô - Con người ” Điều tạo điều kiện thuận lợi để thiết kế sát với thực tế ,song đòi hỏi việc kể đến biên dạng thực tế đường tính chất quan thể người chịu tác động dao động Vì việc nghiên cứa hệ thống “ Đường - Ơ tơ - Con người ” chia thành hướng nghiên cứu : - Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường - Nghiên cứu dao động ô tơ - Nghiên cứu cảm giác sự an tồn hàng hoá chuyên chở 1.3.1 Nghiên cứu biên dạng mặt đường Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường thường tiến hành bằng thực nghiệm lý thuyết nhằm mục đích xác định quy luật kích thích dao động ô tô Bằng phương pháp đo ghi biên dạng đường khác tiến hành xử lý kết nhận xác xuất thống kê Dao động ô tô chuyển động dao động tự mà dao động cưỡng bức, nguồn gây kích thích độ mấp mô bề mặt đường Độ mấp mô mặt đường khơng có quy luật.Vậy để giải tốn dao động trước tiên ta phải xác lập biên dạng đường bằng hàm tốn học Tuỳ theo kích thước hình học mấp mơ tính chất thay đổi chúng mà biên dạng đường phân thành nhóm đặc trưng khác Theo IASENKO PRUTRIKOP cơng trình biên dạng bề mặt đường phân thành ba nhóm chủ yếu sau: Nhóm 1: Mấp mơ đơn vị Nhóm 2: Mấp mơ có dạng hàm điều hoà ( hàm sin hay cos ) Nhóm 3: Mấp mơ thay đổi liên tục với hình dạng - Phương pháp thực nghiệm: Đo đạc trực tiếp mặt đường bằng dụng cụ đo đặc biệt Quy luật mấp mô biểu diễn dạng số Kết thuận tiện cho việc dùng máy tính để xử lý Phương pháp cho kết xác tốn kém, đòi hỏi phải có thiết bị đo đặc biệt - Sau có giá trị tung độ mặt đường (chiều cao biên dạng) biểu diễn trình ngẫu nhiên, người ta xác định đặc tính, tính hàm ngẫu nhiên gồm: + Tung độ trung bình mấp mơ mặt đường vọng số toán học + Độ lệch quân phương phương sai tung độ mặt đường + Hàm đối xạ tung độ mặt đường - Khi giải toán dao động người ta tìm hàm đặc trưng chuyển vị hệ, kết hợp mật độ phổ, mặt đường để tìm phương sai độ lệch quân phương thông số dao động - Bằng số liệu đặc tính thống kê biên dạng đường , người ta xây dựng mơ hình biên dạng đường sở cho tính tốn sau 1.3.2 Nghiên cứu dao động ô tô Nghiên cứu dao động tơ cần thiết với mục đích cải thiện độ êm dịu chuyển động, chất lượng kéo, tính kinh tế, tính dẫn hướng, độ ổn định chuyển động, độ bền độ tin cậy Vì nghiên cứu dao động ô tô xác lập mối quan hệ dao động ô tô với tiêu cuả chất lượng khai thác kể trên: nghiên cứu tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động, nghiên cứu tiêu độ an toàn chuyển động tải trọng tác dụng xuống đường, thiết lập mơ hình dao động tơ, giải tốn dao động tơ, mối tương quan thông số ô tô, hệ thống treo với tiêu chất lượng khai thác, nghiên cứu nguồn gây dao dộng , nghiên cứu chế tạo phần tử hệ thống treo có tính cho phép nâng cao độ êm dịu chuyển động, độ an toàn độ bền, độ tin cậy Nghiên cứu dao động ô tô thường tiến hành sau: - Thay ô tô bằng hệ dao động tương đương hay khác tuỳ theo quan điểm mục đích nghiên cứu - Sau tiến hành thiết lập phương trình chuyển động hệ sở sử dụng phương pháp học giải tích ngun lý Dalambe Hình 2.1.2b: Mơ hình cấu treo trước Trong đó: F1: Là lực tác dụng m lên cấu treo trước FC1: lực đàn hồi lò xo có độ cứng C1 gây FK1: Là lực cản giảm chấn có hệ số cản K1 gây Ta có phương trình cân bằng sau: F1 = FC1 + FK1 Trong đó: FK1 = K1.Z’tđ1 FC1 = C1.Ztđ1 Chuyển dịch tương đối treo trước với khối lượng không treo m hay biến dạng nhíp trước xác định sau: Ztđ1 = Z1 – 1 Thay vào phương trình ta F1 = K1.(Z’1 – ’1) + C1.(Z1 – 1)  Ta phân tích lực tác dụng lên khối lượng không treo cầu sau ô tơ: Hình 2.1.2 c: Mơ hình khối lượng khơng treo cầu cầu sau Trong đó: F2: Là lực tác dụng khối lượng treo tác dụng lên cầu sau FCl2: Là lực đàn hồi lốp có độ cứng CL2 gây ra: FKl2: Là lực cản lốp có hệ số cản KL2 gây ra: Ta có phương trình cân bằng: Trong đó: FKl2 = Kl2.’2tđ FCl2 = Cl2.2tđ Biến dạng lốp xe hay chuyển dịch tương đối treo sau với khối lượng không treo (m2) xác định sau 2tđ = 2 – q2 Do phương trình có dạng sau: gg g g m2   F2  K L (  q )  CL (  q2 )  m2 g  Ta phân tích lực tác dụng lên cấu treo sau là: Hình 2.1.2 d :Mơ hình cấu treo sau Trong đó: F2: Là lực tác dụng m lên cấu treo sau FC2: Là lực đàn hồi lò xo có độ cứng C2 gây FK2: Là lực cản giảm chấn có hệ số cản K2 gây Ta có phương trình cân bằng sau: F2 = FC2 + FK2 Trong đó: FK2 = K2.Z’tđ2 FC2 = C2.Ztđ2 Chuyển dịch tương đối treo sau với khối lượng khơng treo hay biến dạng nhíp sau xác định sau: Ztđ2 = Z2 – 2 Thay vào phương trình ta F2 = K2.(Z’2 – ’2) + C2.(Z2 – 2)  Vậy lực tác dụng lên phần khối lượng treo là:  m a F1 b f2 Hình 2.1.2 e: Mơ hình khối lượng treo xe Trong đó: F1: Là lực tác dụng m lên cấu treo trước F2: Là lực tác dụng m lên cấu treo sau Phương trình cân bằng: m.z’’ = – F1 – F2 – m g CHƯƠNG THIẾT BỊ ĐO DAO ĐỘNG 3.1 Giới thiệu thiết bị Thiết bị bao gồm board mạch Arduino cảm biến MPU6050 kết nối với bằng giao tiếp I2C ( chân SDA VÀ SCL chân giao tiếp I2C, chân SCL chân Clock, có tác dụng đồng hóa việc truyền liệu thiết bị, việc tạo xung clock thiết bị chủ (Master) Chân lại chân SDA chân truyền liệu (DATA) 3.1.1 Arduino Arduino bo mạch vi điều khiển nhóm giáo sư sinh viên Ý thiết kế đưa đầu tiên vào năm 2005 Mạch Arduino sử dụng để cảm nhận điều khiển nhiều đối tượng khác Nó thực nhiều nhiệm vụ từ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác Ngoài mạch có khả liên kết với nhiều module khác module đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A, ….để tăng khả ứng dụng mạch Vi điều khiển Điện áp hoạt động Tần số hoạt động Dòng tiêu thụ Điện áp vào khuyên dùng ATmega328 (họ 8bit) 5V – DC (chỉ cấp qua cổng USB) 16 MHz 30mA 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn Số chân Digital I/O Số chân Analog Dòng tối đa chân I/O Dòng tối đa (5V) Dòng tối đa (3.3V) Bộ nhớ flash 1.Cáp USB 6-20V – DC 14 (6 chân PWM) (độ phân giải 10bit) 30 mA 500 mA 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader IC Atmega 16U2 Cổng nguồn Cổng USB 1a Đầu cắm cổng USB mạch Arduino Nút reset ICSP Atmega 16U2 1b Đầu cắm cổng USB máy tính Chân xuất tín hiệu IC Atmega 328 11 Chân cấp nguồn cho cảm biến 10 Chân lấy tín hiệu Analog Chân ICSP Atmega 328  Cáp USB Đây dây cáp thường bán kèm theo bo, dây cáp dùng để cắm vào máy tính để nạp chương trình cho bo dây đồng thời lấy nguồn từ nguồn usb máy tính bo hoạt động Ngồi cáp USB dùng để truyền liệu từ bo Arduino lên máy tính Dây cáp có đầu, đầu 1a dùng để cắm vào cổng USB bo Arduino, đầu 1b dùng để cắm vào cổng USB máy tính  IC Atmega 16U2 IC lập trình chuyển đổi USB –to-Serial dùng để giao tiếp với máy tính thơng qua giao thức Serial (dùng cổng COM)  Cổng nguồn Cổng nguồn nhằm sử dụng nguồn điện bên ngồi pin, bình acquy hay adapter cho bo Arduino hoạt động Nguồn điện cấp vào cổng nguồn DC có hiệu điện từ 6V đến 20V, nhiên hiệu điện tốt mà nhà sản xuất khuyên dùng từ đến 12V  Cổng USB Cổng USB bo Arduino dùng để kết nối với cáp USB  Nút reset Nút reset sử dụng để reset lại chương trình chạy Đơi chương trình chạy gặp lỗi, người dùng reset lại chương trình  ICSP ATmega 16U2 ICSP chữ viết tắt In-Circuit Serial Programming Đây chân giao tiếp SPI chip Atmega 16U2 Các chân thường sử dự án Arduino  Chân xuất tín hiệu Có tất 14 chân xuất tín hiệu Arduino Uno, chân có dấu ~ chân băm xung (PWM), tức điều khiển tốc độ động độ sáng đèn Hình thể rõ chân để băm xung  IC ATmega 328 IC Atmega 328 linh hồn bo mạch Arduino Uno, IC sử dụng việc thu thập liệu từ cảm biến, xử lý liệu, xuất tín hiệu ra,…  Chân ICSP ATmega 328 Các chân ICSP ATmega 328 sử dụng cho giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface), số ứng dụng Arduino có sử dụng chân này, ví dụ sử dụng module RFID RC522 với Arduino hay Ethernet Shield với Arduino  Chân lấy tín hiệu Analog Các chân lấy tín hiệu Analog (tín hiệu tương tự) từ cảm biến để IC Atmega 328 xử lý Có tất chân lấy tín hiệu Analog, từ A0 đến A5  Chân cấp nguồn cho cảm biến Các chân dùng để cấp nguồn cho thiết bị bên role, cảm biến, RC servo,…trên khu vực có sẵn chân GND (chân nối đất, chân âm), chân 5V, chân 3.3V thể hình Nhờ chân mà người sử dụng không cần thiết bị biến đổi điện cấp nguồn cho cảm biến, role, rc servo,…Ngoài khu vực có chân Vin chân reset, chân IOREF Tuy nhiên chân thường sử dụng nên tài liệu xin không sâu 3.1.2 MPU6050 MPU-6050 chip tích hợp thiết bị dò chuyển động (Motion Tracking) 6trục kết hợp quay hồi chuyển trục(3-axis gyroscope), đo gia tốc trục(3-axis accelerometer), tính tốn chuyển động tín hiệu số (Digital Motion Processor – DMP) MPU6050 đọc liệu từ cảm biến gia tốc quay hồi chuyển, sau lưu vào ghi liệu Các vi xử lý/vi điều khiển đọc thơng tin qua bus I2C MPU-6050 cảm biến hãng InvenSense MPU-6050 giải pháp cảm biến chuyển động đầu tiên giới có tới (mở rộng tới 9) trục cảm biến tích hợp chip Tùy thuộc vào yêu cầu bạn, cảm biến MPU-6050 hoạt động chế độ tốc độ xử lý cao chế độ đo góc quay xác (chậm hơn) MPU-6050 có khả đo phạm vi: Con quay hồi chuyển: ± 250 500 1000 2000 dps Gia tốc: ± ± ± ± 16g VCC 5V/3V3 GND 0V SCL Chân SCL giao tiếp I2C SDA Chân SDA giao tiếp I2C XDA Chân liệu (kết nối với cảm biến khác) XCL Chân xung (kết nối với cảm biến khác) AD0 Bit địa I2C INT Chân ngắt 3.2 Tính tốn trước đo Hai chân SCL SDA hoạt động chế độ mở, để sử dụng cần phải có trở kéo, thiết bị bus i2c hoạt động mức thấp Giá trị thường sử dụng cho điện trở 2K ứng với 16g 4k ứng với 8g Phạm vi gia tốc cảm biến chọn 8g để có thang đo sát với giá trị thực tế cao sai số nhỏ Vậy, để đo giá trị thực tế ta tính theo công thức sau: att   a  4000  a0 Với: att : giá trị gia tốc thực tế (m / s ) a : giá trị gia tốc cảm biến đo (m / s ) a0  �g �9,81   0, 0024 32768 32768 : độ nhạy (độ nhạy thay đổi thay đổi phạm vi gia tốc ) 3.3 Qúa trình đo Bước 1: Kết nối Arduino MPU6050 hình vẽ: Bước 2: Kết nối Arduino máy tính: Kết nối với máy tính Bước 3: Giữ cảm biển cân bằng cho mặt cảm biến song song với mặt phẳng ghế: Bước 3: Sử dụng Matlab để đo giá trị gia tốc sau lập trình: Ấn “run” để chạy chương trình Bước : kết thu Khi khơng dao động Khi có dao động