TỔNG QUAN VỀ DAO ĐỘNG Ô TÔ
Sự cần thiết của việc nghiên cứu dao động ô tô
Ôtô là phương tiện phổ biến toàn cầu, phục vụ nhiều mục đích từ chở người đến vận chuyển hàng hóa Sự phát triển của khoa học và công nghệ đã nâng cao yêu cầu về độ ổn định, an toàn và tiện nghi của ô tô.
Ô tô và các phương tiện vận tải là hệ dao động phức tạp, gồm nhiều bộ phận với đặc tính dao động riêng biệt liên kết với nhau Khi hoạt động, ô tô tạo ra các dao động ảnh hưởng trực tiếp đến hành khách và hàng hóa trên xe Các nguồn phát sinh dao động bao gồm mấp mô mặt đường, quá trình phanh, quay vòng và tăng tốc, tác động đến cả khối lượng treo và không treo.
Hệ thống treo là bộ phận quan trọng giúp giảm thiểu tác động từ các dao động bên ngoài lên thân xe, tạo ra sự êm dịu và ổn định trong quá trình di chuyển Nó là liên kết mềm giữa bánh xe và thân xe, chia xe thành hai phần: khối lượng được treo và khối lượng không được treo, và là đối tượng chính trong nghiên cứu dao động Hệ thống treo ô tô bao gồm các phần tử chính như phần tử đàn hồi, phần tử giảm chấn và phần tử dẫn hướng, với các thông số đặc trưng quyết định đến độ êm dịu và ổn định chuyển động của xe Những thông số này luôn gắn liền với các yếu tố khác của ô tô, tạo thành một thể thống nhất quan trọng cho hiệu suất vận hành.
Khối lượng treo là phần quan trọng của ô tô, bao gồm khung xe, vỏ xe, hệ thống động lực và các bộ phận liên kết Tất cả khối lượng này được hỗ trợ bởi hệ thống đàn hồi và dẫn hướng, được gọi là hệ thống treo.
Khối lượng không được treo trong ô tô bao gồm cầu, dầm cầu, hệ thống chuyển động (bánh xe) và cơ cấu dẫn động lái, không tác động lên hệ thống treo Một số bộ phận như nhíp, giảm chấn và trục các đăng vừa lắp trên phần được treo, vừa trên phần không được treo, vì vậy một phần khối lượng của chúng được xem là thuộc về phần được treo, trong khi nửa còn lại thuộc về phần không được treo.
Trong quá trình di chuyển của ô tô, các dao động dạng sóng cơ học được tạo ra và truyền trực tiếp đến cơ thể con người, làm cho cả cơ thể hoặc từng bộ phận dao động theo Mặc dù cường độ dao động ở mức trung bình, nhưng thời gian tác động kéo dài có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe nếu tần số dao động không phù hợp Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng dao động với tần số từ 3 - 5 Hz có thể gây ra các phản ứng ở cơ quan tiền đình, dẫn đến những rối loạn không mong muốn.
Ba loại loạn liên quan đến sự lưu thông máu có thể gây choáng, với tần số dao động từ 5 Hz đến 11 Hz gây rối loạn ở đường tai trong, ảnh hưởng đến dạ dày, gan và ruột Ngoài ra, dao động trong khoảng 11 – 45 Hz có thể làm giảm thị lực và gây buồn nôn.
Nghiên cứu cải thiện dao động của xe ô tô buýt tập trung vào việc phân tích dao động của khối lượng treo và không treo, nhằm tối ưu hóa hệ thống treo Mục tiêu là giảm thiểu dao động để đảm bảo sự êm dịu cho xe ô tô khi di chuyển trên đường.
Tác động của dao động ô tô lên cơ thể người
Ô tô và các phương tiện vận tải khi di chuyển sẽ phát sinh dao động do tác động từ môi trường bên ngoài như mặt đường và gió, cũng như từ hệ thống treo bên trong Những dao động này ảnh hưởng trực tiếp đến hành khách, truyền dưới dạng sóng cơ học lên cơ thể con người, khiến cho cả cơ thể hoặc từng bộ phận dao động Mức độ tác động của dao động cơ học lên cơ thể phụ thuộc vào các yếu tố như tần số, cường độ, thời gian và hướng tác động Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra những ảnh hưởng này.
- Dao động với tần số từ 3 đến 5 Hz gây rối loạn sự lưu thông máu làm bị choáng
- Dao động với tần số từ 5 đến 11 Hz gây rối loạn đường tai trong, ảnh hưởng đến dạ dày, ruột
Dao động trong khoảng tần số từ 11 đến 45 Hz có thể gây ra các triệu chứng như giảm thị lực và buồn nôn Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng này có sự khác biệt tùy thuộc vào từng cá nhân.
Dao động của ô tô có một dải tần số rộng, cho phép phân loại thành hai loại: dao động của khối lượng được treo ở tần số thấp và dao động của khối lượng không được treo ở tần số cao.
- Dao động với tần số từ 15 đến 18 Hz con người cảm nhận được và gây ra cảm xúc khó chịu trong thời gian ngắn
Rung động với tần số từ 15 đến 1500 Hz thường khó nhận biết đối với con người, nhưng nếu tiếp xúc trong thời gian dài, nó có thể gây ra tổn hại cho sức khỏe.
Tình trạng dao động kéo dài có thể gây tổn thương cho cơ thể con người, với mức độ tổn thương phụ thuộc vào biên độ dao động, sự phân bố chuyển động bên trong cơ thể, chiều chuyển động và thời gian tiếp xúc Dao động từ ô tô gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người.
Bệnh về cột sống: khi chịu dao động trong vùng tần số từ 4 đến 12 Hz
Bệnh về tiêu hóa: đối với những người chịu dao động trong thời gian dài
Những người chịu dao động đến tần số 20 Hz và kéo dài thì nhịp tim và nhịp thở tăng lên gây rối loạn cho cơ thể
Dao động ở những tần số khoảng 0.1 Hz hoặc thấp hơn gây ra say sóng do chuyển động lắc ngang, quay vòng
Một số dao động có thể không gây hại trực tiếp đến sức khỏe con người, nhưng chúng lại làm giảm khả năng nhạy bén và khả năng thu thập, xử lý thông tin Điều này đặc biệt nguy hiểm đối với các tài xế lái xe đường dài.
Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu
Trong nghiên cứu dao động ô tô, các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động dựa trên dao động của con người khi đi bộ, với các đặc trưng về tần số và gia tốc Nếu chỉ số dao động của người ngồi trên xe không vượt quá mức dao động khi đi bộ, thì độ êm dịu của xe được coi là chấp nhận được Việc lựa chọn các chỉ tiêu này phụ thuộc vào kết quả nghiên cứu khoa học, công nghệ sản xuất, lắp ráp ô tô, cơ sở hạ tầng và điều kiện khí hậu của từng khu vực, dẫn đến sự khác biệt trong các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu giữa các nước Một trong những chỉ tiêu quan trọng là tần số dao động.
- Đối với xe du lịch thì tần số dao động thích hợp là 60 đến 85 lần/phút
- Đối với xe tải thì tần số dao động thích hợp là 85 đến 120 lần/phút
- Đối với xe khách thì tần số dao động thích hợp là 60 đến 90 lần/phút
5 b Chỉ tiêu về gia tốc và vận tốc dao động
Hình 1.2 Đồ thị đặc trưng mức êm dịu chuyển động của ôtô
Để đánh giá tính êm dịu chuyển động của ôtô, người ta dựa vào giá trị gia tốc thẳng đứng và số lần va đập do độ mấp mô của bề mặt đường gây ra trên 1 km Trong quá trình thử nghiệm, ôtô sẽ chạy trên một đoạn đường nhất định, và thiết bị đo sẽ ghi lại số lần va đập trung bình cùng với gia tốc thẳng đứng tương ứng Dựa vào hai thông số này, người ta so sánh với đồ thị chuẩn để xác định mức độ êm dịu của xe Tuy nhiên, phương pháp này chưa hoàn toàn chính xác vì chưa tính đến thời gian tác động của gia tốc thẳng đứng.
Chỉ tiêu về gia tốc và vận tốc dao động được xác định dựa trên cảm giác xuất hiện trong quá trình dao động, với cảm giác này được đo bằng hệ số êm dịu chuyển động K Hệ số K là đại lượng không thứ nguyên, không phụ thuộc vào tần số và gia tốc dao động, mà chỉ liên quan đến hướng dao động tương ứng với trục cơ thể con người.
Trong đó: f : Tần số dao động
K càng nhỏ thì độ êm dịu của xe càng nâng cao, các giá trị K cho phép như sau:
K = 10 ÷ 25 với xe chạy trong thời gian dài
K = 25 ÷ 63 với xe chạy trong thời gian ngắn
Khi chịu tác động từ dao động ngẫu nhiên với nhiều tần số, chúng ta có thể phân tách thành các dao động điều hòa riêng lẻ Mỗi dao động điều hòa với tần số fi sẽ tương ứng với một giá trị Ki Từ đó, hệ số K chung có thể được tính toán dựa trên các giá trị này.
(1.3) c Chỉ tiêu về công suất dao động
Chỉ tiêu này dựa trên giả thuyết rằng cảm giác của con người về dao động phụ thuộc vào công suất mà họ nhận được Công suất trung bình truyền cho người chịu dao động được xác định là: lim 1 ( ) ( ).
P(t) : Lực tác động lên con người v(t) : Vận tốc dao động
Công thức trên sử dụng rất khó khăn nên có thể sử dụng biểu thức tính công suất trung bình truyền cho người chịu dao động như sau:
C zi ci zci cci xi ci yi ci i
: Thành phần gia tốc thẳng đứng truyền qua chân
: Thành phần gia tốc thẳng đứng truyền qua ghế
: Thành phần gia tốc dọc
: Thành phần gia tốc ngang
Tất cả các giá trị trên là toàn phương gia tốc đơn vị m/s²
Hệ số K được cho bởi thực nghiệm
Các giá trị cho phép của chỉ tiêu này là:
Nc = 6 ÷ 10 khó chịu d Chỉ tiêu về thời gian dao động
Chỉ tiêu này chủ yếu áp dụng cho những người lái xe và những người phải ngồi lâu trong ôtô Thời gian ngồi lâu có thể gây mệt mỏi cho cơ thể, ảnh hưởng đến sức khỏe và năng suất lao động Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ngồi lâu trong ôtô có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng.
Vào lúc 8 giờ, với tần số dao động trong khoảng 4 ÷ 8 Hz, các giá trị của toàn phương gia tốc dao động ảnh hưởng mạnh mẽ đến sức khỏe con người, tạo ra những cảm giác đặc biệt.
Gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe : 0.63 m/s²
Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ôtô rất quan trọng, trong đó tần số dao động là chỉ tiêu hàng đầu cần chú ý Để có đánh giá chính xác hơn về độ êm dịu, cần phối hợp với các chỉ tiêu khác Một trong những ưu điểm của chỉ tiêu này là khả năng tính toán và đo đạc dễ dàng trong điều kiện hiện tại của nước ta Chỉ tiêu hạn chế sự va đập của hệ thống treo được xác định theo công thức cụ thể.
S(t) : Chuyển vị tuyệt đối của tâm bánh xe theo thời gian
Z(t) đại diện cho chuyển vị tuyệt đối tại vị trí lắp đặt bộ hạn chế trên thân xe theo thời gian Giá trị D2 phải luôn đảm bảo không vượt quá giới hạn cho phép [D2] đã được quy định cho từng loại xe và loại mặt đường cụ thể Ngoài ra, tiêu chí về độ bám giữa bánh xe và mặt đường cũng cần được chú trọng.
Dao động khi bánh xe nhấc khỏi mặt đường có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền, tính an toàn và hiệu quả kinh tế của chuyển động Chỉ tiêu này được đánh giá thông qua phương dịch chuyển tương đối giữa tâm bánh xe và mặt đường, theo công thức cụ thể.
Với: q (t) hàm biểu diễn độ nhấp nhô của mặt đường
Giá trị Ds không được vượt quá giá trị cho phép [Ds] cho trước với từng loại xe và loại mặt đường.
Các tiêu chuẩn đánh giá về dao động ô tô
Để đánh giá ảnh hưởng của dao động lên con người, nhiều tiêu chuẩn đã được đặt ra:
Tiêu chuẩn này đánh giá tính êm dịu của chuyển động theo gia tốc thẳng đứng, đồng thời thiết lập các giới hạn cho phép đối với giá trị hiệu dụng của gia tốc thẳng đứng trong thùng xe Hiệu các mức cường độ hiệu dụng của gia tốc được định nghĩa thông qua biểu thức trên thanh đo loga.
Z hd : Giá trị hiệu dụng của gia tốc, [m/sec 2 ], được xác định bằng công thức:
: 10 -6 , [m/sec 2 ] là gia tốc chuẩn Đơn vị tính của
L dùng để đánh giá cường độ của gia tốc hiệu dụng Z hd
Theo tiêu chuẩn này, các giới hạn của gia tốc thẳng đứng được thể hiện qua hình dưới đây, trong đó các đồ thị minh họa mối quan hệ giữa hiệu các mức cường độ.
Gia tốc của thùng xe được đo với các tần số trung bình của dao động thùng xe trên giải tần 1/3 octava, sử dụng hệ trục tọa độ chia theo thang logarit thập phân.
Hình 1.3 Các giới hạn của gia tốc thẳng đứng trong các khoảng thời gian tác dụng cho phép theo và hệ trục tọa độ quy định trong ISO 2631
1.4.2 Tiêu chuẩn về dao động của Việt Nam
Tiêu chuẩn TCVN 6964 quy định các phương pháp đánh giá rung động toàn thân, tập trung vào ảnh hưởng đến sức khỏe và cảm giác tiện nghi của con người Tiêu chuẩn này cũng đề cập đến khả năng cảm nhận rung động và các triệu chứng như chóng mặt và buồn nôn Các phương pháp đánh giá rung động theo tiêu chuẩn này giúp xác định mức độ an toàn và thoải mái cho người sử dụng.
9 này bao gồm phép đo giá trị gia tốc trung bình bình phương (r.m.s)
Trọng số gia tốc r.m.s tính bằng m/s 2 cho dao động tịnh tiến và bằng rad/s 2 cho dao động quay Gia tốc r.m.s được tính theo công thức sau :
Trong đó: a w (t): gia tốc rung động của chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay, là hàm số theo thời gian, đơn vị là m/s 2 hoặc rad/s 2
T : khoảng thời gian đo tính bằng giây
Giả thiết các phản hồi liên quan với năng lượng, hai giá trị rung động tiếp xúc hàng ngày khác nhau được coi là tương đương khi: aw1 T1 1/2
(1.11) Trong đó: aw1 , aw2 : các giá trị gia tốc r.m.s theo tần số đối với lần tiếp xúc thứ nhất và thứ hai
T1 , T2 : khoảng thời gian cho lần tiếp xúc thứ nhất và thứ hai
Khi tiếp xúc với rung động từ hai hoặc nhiều khoảng tiếp xúc có cường độ và thời gian khác nhau, độ lớn của rung động tương ứng với tổng năng lượng có thể được đánh giá dựa trên tổng thời gian tiếp xúc.
, a w e : là độ lớn của rung động tương đương a wi : là độ lớn của rung động cho thời gian tiếp xúc Ti
Một số nghiên cứu chỉ ra rằng độ lớn của rung động tương đương khác có thể xác định theo công thức :
Giá trị rung động dự đoán e (VDV) được sử dụng trong một vài nghiên cứu: e(VDV) = 1,4aw T ẳ (1.14)
Trong đó : aw : là gia tốc r.m.s theo tần số
T : là khoảng thời gian tiếp xúc tính bằng giây Đánh giá rung động dựa vào đồ thị cho thấy các vùng cần chú ý để hướng dẫn sức khỏe Đối với các tiếp xúc dưới vùng trên, không có bằng chứng rõ ràng về ảnh hưởng đến sức khỏe, tuy nhiên cần thận trọng với các rủi ro tiềm ẩn Ngược lại, ở trên vùng đó, các rủi ro sức khỏe có khả năng xảy ra Khuyến cáo chính về thời gian tiếp xúc từ 4 đến 8 giờ được chỉ ra trong vùng gạch chéo của hình dưới Đối với thời gian tiếp xúc ngắn hơn, cần thực hiện các nghiên cứu thận trọng Các nghiên cứu khác cho thấy sự độc lập của thời gian qua mối tương quan sau: aw1 T1 1/4.
Chỉ dẫn đối với sức khỏe trong vùng này là các đường chấm chấm trên hình dưới:
Hình 1.4 Vùng chỉ dẫn sức khỏe của TCVN 6964
Bảng sự phản ứng của cơ thể đối với những mức rung động khác nhau (TCVN 6964):
Nhỏ hơn 0,315 m/s 2 Không có cảm giác, không thoải mái
Từ 0,315 đến 0,63 m/s 2 Có cảm giác chút ít về sự không thoải mái
Từ 0,5 đến 1 m/s 2 Có cảm giác rõ rệt về sự không thoải mái
Từ 0,8 đến 1,6 m/s 2 Không thoải mái
Từ 1,25 đến 2,5 m/s 2 Rất không thoải mái
Lớn hơn 2 m/s 2 Cực kỳ không thoải mái
Hiện nay, tình trạng ùn tắc giao thông thường xuyên xảy ra tại các trung tâm tài chính và văn hóa như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và các thành phố lớn khác trong cả nước, đặc biệt vào giờ cao điểm Đáng chú ý, hầu hết phương tiện lưu thông trong thời gian này là xe cá nhân, thường chỉ chở từ 1 đến 2 người.
Trước tình hình giao thông ùn tắc, chính phủ đã quyết định xây dựng mạng lưới giao thông công cộng hiện đại để giảm mật độ xe cộ Sự ra đời của mạng lưới xe buýt nhằm đáp ứng nhu cầu di chuyển của người dân Tuy nhiên, với hệ thống giao thông phức tạp và địa hình đa dạng hiện nay, cần tìm giải pháp để nâng cao độ êm ái và thoải mái cho hành khách trong quá trình di chuyển.
Các nghiên cứu dao động trên ô tô
1.5.1 Các nghiên cứu về dao động trong nước
Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ôtô Việt Nam đã có những bước tiến đáng kể trong việc nhập khẩu dây chuyền và công nghệ lắp ráp ô tô Tuy nhiên, nghiên cứu về dao động và các yếu tố ảnh hưởng đến dao động trên xe ô tô vẫn còn hạn chế Các công trình nghiên cứu chủ yếu là luận văn thạc sỹ và luận án tiến sỹ, tập trung vào các vấn đề như độ êm dịu, độ bền của khung vỏ, dao động ô tô, biên dạng mặt đường, điều kiện khai thác và tải trọng ô tô Tình hình nghiên cứu trong nước có thể được khái quát như trên.
Luận án tiến sĩ của Lưu Văn Tuấn tập trung vào việc nâng cao độ êm dịu cho xe ca, với sự chú ý đặc biệt đến thuộc tính đàn hồi giữa khung và vỏ - một cấu trúc đặc trưng cho loại xe này Kết cấu khung - vỏ chịu lực đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện trải nghiệm lái xe, mang lại sự thoải mái cho người sử dụng.
Luận án tiến sỹ của tác giả Nguyễn Văn Trà đã thành công trong việc ứng dụng lý thuyết điều khiển trong không gian trạng thái để nghiên cứu dao động của ô tô với hệ thống treo bị động và bán tích cực trên mô hình 1/4 Nghiên cứu tập trung vào khảo sát xe du lịch di chuyển trên đường có bề mặt phân bố ngẫu nhiên, nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động.
Luận án tiến sĩ của Đặng Việt Hà đã phát triển mô hình dao động 1/2 trong mặt phẳng dọc của ô tô khách hai trục, bao gồm cả ghế và người ngồi Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của các thông số hệ thống treo và ghế ngồi đến độ êm dịu chuyển động, từ đó đề xuất tiêu chuẩn nâng cao độ êm dịu cho ô tô khách Luận án cũng thành công trong việc ứng dụng thiết bị thí nghiệm hiện đại để xác định các thông số hệ thống treo, tạo cơ sở cho nghiên cứu hoàn thiện hệ thống treo ô tô Tuy nhiên, do hạn chế của mô hình, nghiên cứu chưa đề cập đến dao động lắc ngang trong việc đánh giá độ êm dịu chuyển động.
- Về độ bền của khung vỏ ô tô:
Luận án tiến sĩ của cố tác giả Nguyễn Phúc Hiểu đã áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ảnh hưởng của dao động lên khung xương ô tô trong quá trình di chuyển trên đường Tác giả tập trung vào việc nghiên cứu tác động của bề mặt đường và xác định các ngoại lực cần thiết cho việc tính toán độ bền của khung xương.
Luận án của Trần Minh Sơn nghiên cứu độ bền của khung vỏ xe khi di chuyển trên mặt đường mấp mô, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích hàm ngẫu nhiên.
Luận án tiến sỹ của Phạm Đình Vi đã trình bày các chỉ tiêu đánh giá dao động và khảo sát mô hình phẳng dao động của xe con, với nguồn kích thích từ mặt đường mấp mô có biên dạng ngẫu nhiên.
Luận án tiến sỹ của Võ Văn Hường tập trung vào việc hoàn thiện mô hình khảo sát dao động cho ô tô tải nhiều cầu, nghiên cứu sâu về dao động không gian với các yếu tố như dao động ngang, khung xoắn chịu lực và thanh ổn định Tác giả cũng xem xét hệ thống treo phi tuyến cùng với hàm kích động riêng rẽ và tổng hợp Ngoài ra, “Giáo trình dao động ôtô” của Vũ Đức Lập cung cấp các chỉ tiêu đánh giá dao động, mô hình dao động và phương pháp nghiên cứu, tạo nền tảng vững chắc cho nghiên cứu về dao động ô tô.
- Về biên dạng mặt đường:
Các tác giả đã giả định rằng chiều cao mấp mô của mặt đường ngẫu nhiên được mô tả bằng các hàm ngẫu nhiên có tính chất dừng, ergodic và tuân theo quy luật phân bố chuẩn.
Báo cáo của Đào Mạnh Hùng đã phát triển một mô hình nhằm xác định lực lượng động và biên dạng mặt đường liên quan đến tải trọng tác động lên ô tô trên quốc lộ 1A, đoạn từ Hà Nội đến Lạng Sơn.
Luận án tiến sĩ của Trần Minh Sơn đã giới thiệu chi tiết phương pháp nghiên cứu và áp dụng thuật toán biến đổi nhanh Fourier để xác định mật độ phổ năng lượng của mấp mô mặt đường.
Luận án tiến sĩ của Nguyễn Văn Trà nghiên cứu mặt đường ngẫu nhiên thông qua thiết bị tự chế và xử lý dữ liệu bằng phần mềm Matlab 6.0.
- Về điều kiện khai thác và tải trọng ô tô:
Luận án tiến sỹ của Đào Mạnh Hùng đã làm rõ bản chất của lực động thẳng đứng giữa bánh xe và mặt đường, đồng thời phân tích tính chính xác của hệ số tải trọng động lực học DLC trong việc đánh giá lực động Kết quả nghiên cứu này đóng góp tích cực cho việc lựa chọn chế độ tải trọng trong thiết kế và chế tạo các chi tiết ô tô trong nước, cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng tiêu chuẩn khai thác nhằm giảm thiểu hư hại đường và kéo dài tuổi thọ ô tô Tuy nhiên, luận án vẫn cần khảo sát thêm các loại mặt đường và tối ưu hóa cấu trúc hệ thống treo bị động.
Trong nghiên cứu của Trịnh Minh Hoàng, tác giả đã phân tích dao động của xe tải hai cầu khi chịu tác động ngẫu nhiên từ mặt đường Kết quả cho thấy rằng các thông số hệ thống treo, bao gồm hệ số cản giảm chấn và độ cứng của phần tử đàn hồi, không chỉ ảnh hưởng đến độ êm dịu của chuyển động mà còn có tác động tiêu cực đến mặt đường, gây ra tải trọng phá hủy.
Nhà nước đã đưa ra chính sách hỗ trợ nhằm nâng cao tỷ lệ nội địa hóa trong ngành công nghiệp ô tô Do đó, nghiên cứu và tính toán các thông số thiết kế để chế tạo chi tiết và cụm chi tiết ô tô, đặc biệt là hệ thống treo, đang trở thành nhu cầu thiết yếu trong bối cảnh hiện nay.
1.5.2 Nghiên cứu về dao động trên thế giới a Tình hình nghiên cứu về dao động
Lần đầu tiên vào năm 1970 Mitschke đã tập trung vào tác phẩm nổi tiếng
Mục đích, đối tượng, phương pháp nghiên cứu
1.6.1 Mục đích nghiên cứu Đề tài được thực hiện với mục đích là nghiên cứu về dao động của xe buýt trên các biên dạng đường khác nhau dựa trên các chỉ tiêu về gia tốc thân xe và chuyển vị thân xe Từ đó, tác giả đề xuất ra những giải pháp hợp lý nhằm nâng cao độ êm dịu và ổn định trên các dòng xe buýt được sản xuất bởi các doanh nghiệp trong nước
1.6.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ thời gian, nguồn lực và yêu cầu của luận văn Thạc sỹ, tác giả tiến hành nghiên cứu dựa trên các đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể.
Dựa trên các thông số ban đầu của xe buýt HB120-SL do công ty THACO Trường Hải sản xuất và thông tin từ nhà chế tạo, kết hợp với các phép đo và tính toán, chúng tôi tiến hành nghiên cứu về các thông số chuyển vị và gia tốc của thân xe buýt sản xuất tại Việt Nam.
Chỉ giới hạn ở ô tô buýt nói chung được sản xuất tại Việt Nam
Luận văn áp dụng các phương pháp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng tính toán dao động của xe buýt thông qua hệ phương trình mô phỏng dao động thân xe Các chỉ tiêu khảo sát thể hiện độ êm dịu của ô tô được xác định bằng phần mềm MATLAB SIMULINK.
Những số liệu cần thiết được cung cấp bởi nhà sản xuất và được đo đạc từ thực tế trên xe buýt được lựa chọn
Các thông số cần được đo đạc và tính toán của ô tô là:
Kết quả đánh giá độ êm dịu của xe được so sánh với các tiêu chuẩn đánh giá dao động, từ đó đề xuất các biện pháp cải tiến hệ thống treo nhằm nâng cao độ êm dịu cho xe buýt.
THIẾT LẬP VÀ KHẢO SÁT MÔ HÌNH DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ
Kết cấu hệ dao động trên xe buýt
Hệ thống treo là bộ phận quan trọng của ô tô, bao gồm khung xe, vỏ xe, hệ thống động lực và các cơ phận liên kết Tất cả khối lượng của các bộ phận này được đặt lên hệ thống đàn hồi và dẫn hướng, đảm bảo sự ổn định và thoải mái cho xe.
Hệ thống treo là một phần quan trọng của xe, nơi toàn bộ khối lượng của các bộ phận như khung xe, vỏ xe, hành khách, hàng hóa và các chi tiết khác được đặt lên Khối lượng được treo m này tác động lên hệ thống treo, và trong mô hình dao động tương đương, nó được coi là một vật thể đồng nhất và cứng hoàn toàn.
Hệ số khối lượng là tỷ số giữa khối lượng được treo m2 và khối lượng không được treo m1 :
Hệ số khối lượng ảnh hưởng đáng kể đến độ êm dịu trong chuyển động của xe Việc giảm khối lượng không treo giúp giảm lực va đập lên khung xe, trong khi tăng khối lượng treo sẽ làm giảm dao động của khung Đối với ôtô du lịch, hệ số khối lượng dao động từ 6,5 đến 7,5, còn ôtô tải có hệ số khối lượng từ 4 đến 5.
Cấu trúc của ô tô bao gồm cầu, dầm cầu, hệ thống chuyển động (bánh xe) và cơ cấu dẫn động lái, với trọng lượng của các bộ phận này không ảnh hưởng đến hệ thống treo Một số bộ phận như nhíp, giảm chấn, và trục các đăng được lắp đặt cả ở phần được treo và không được treo, do đó, một phần khối lượng của chúng được xem là thuộc về phần được treo, trong khi nửa còn lại thuộc về phần không được treo.
Khối lượng không được treo cầu trước mA1 và cầu sau mA2 là các chi tiết mà trọng lượng của chúng chỉ ảnh hưởng đến lốp và truyền lực xuống mặt đường, không tác động lên hệ thống treo Phần không được treo có thể được coi là một vật thể đồng nhất, cứng hoàn toàn với khối lượng (mA1 + mA2) tập trung tại tâm bánh xe.
Hình 2.1 Hệ thống treo của xe buýt
2.1.3 Kết cấu hệ thống treo
Hệ thống treo trên xe được trang bị nhằm thực hiện các nhiệm vụ sau:
Liên kết mềm giữa bánh xe và thân xe đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi tần số của các dao động kích thích thành các dao động phù hợp với sức khỏe con người.
- Dập tắt nhanh các dao động truyền từ mặt đường lên thân xe
Hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải các lực dọc, lực ngang và moment từ mặt đường lên thân xe và ngược lại, giúp xe chuyển động ổn định và an toàn hơn Để thực hiện các nhiệm vụ này, hệ thống treo cần có ba thành phần chính, trong đó thành phần đàn hồi là một yếu tố thiết yếu.
Bộ phận đàn hồi bao gồm một hoặc nhiều phần tử đàn hồi, được chia thành hai loại chính: kim loại và phi kim loại Phần tử đàn hồi kim loại thường là nhíp, lò xo xoắn ốc và thanh xoắn, được sử dụng trong các hệ thống treo phụ thuộc và độc lập Trong khi đó, phần tử đàn hồi phi kim loại bao gồm cao su, khí ép và thủy lực Để tận dụng ưu điểm của từng loại, người ta thường kết hợp hai hoặc nhiều phần tử đàn hồi với nhau.
Khi xem xét độ êm dịu của chuyển động, tần số dao động riêng n cần được xác định dựa vào độ võng tĩnh hiệu dụng ft Mối quan hệ giữa ft và n được thể hiện qua công thức tính tần số dao động riêng của hệ thống treo.
Độ võng tĩnh của hệ thống có thể xác định theo tần số dao động riêng n Đối với ôtô du lịch, độ võng ft không nên nhỏ hơn 150-300mm, trong khi đó xe buýt cần có độ võng ft không bé hơn 100-200mm Cả hai loại xe này có tần số dao động riêng n từ 60 đến 85 lần/phút, phù hợp với tần số đi bộ của con người.
Theo tài liệu thiết kế ôtô, để đảm bảo độ êm dịu trong chuyển động, tỉ số độ võng tĩnh fts của hệ thống treo sau và độ võng tĩnh ftt của hệ thống treo trước cần phải nằm trong giới hạn quy định.
- Ôtô du lịch : tt ts f f 0.8 0.9
- Ôtô tải và xe buýt : tt ts f f 1.0 1.2 Độ võng động fđ của hệ thống treo:
- Ôtô du lịch : fđ = (0,8 ÷0,9)ft;
Hình 2.2 Quan hệ tần số dao động riêng phần được treo với độ võng tĩnh b Bộ phận giảm chấn
Lực cản trong hệ thống treo có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng dập tắt dao động của vỏ cầu khi ôtô di chuyển trên đường không bằng phẳng Lực cản chủ yếu đến từ ma sát trong các phần tử đàn hồi, bao gồm ma sát giữa các lá nhíp, bạc lót, chốt nhíp, cũng như ma sát trong các khớp dẫn hướng và vật liệu lốp Để đạt được hệ thống treo vừa mềm mại vừa hiệu quả trong việc dập tắt dao động, cần giảm thiểu ma sát cơ học, từ đó để giảm chấn thủy lực có thể phát huy tối đa vai trò của mình trong việc kiểm soát dao động.
Bộ phận dẫn hướng trong hệ thống treo có vai trò quan trọng trong việc xác định chuyển động của bánh xe so với mặt tựa và vỏ xe, đồng thời giúp truyền lực và mômen giữa bánh xe và vỏ xe.
Lực phát sinh giữa bánh xe và mặt đường được chia thành ba phản lực chính: lực thẳng đứng Z, lực dọc X và lực ngang Y Các mô men do các lực X và Y tạo ra ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bám của bánh xe trên mặt đường.
Z, đại diện cho MX, MY, MZ, có thể có giá trị khác nhau cho bánh xe bên trái và bên phải Các chi tiết của hệ thống treo truyền tải các phản lực và mômen lên khung xe Tần số dao động riêng được ký hiệu là n, trong khi độ võng tĩnh hiệu dụng được ký hiệu là f.
Xây dựng mô hình dao động của ô tô buýt trong không gian
2.2.1 Các loại mô hình nghiên cứu dao động
Trong nghiên cứu dao động của ô tô, có nhiều mô hình khác nhau được phát triển bởi các tác giả tùy thuộc vào mục tiêu nghiên cứu cụ thể Bài viết này sẽ trình bày ba loại mô hình đặc trưng nhằm cung cấp cái nhìn tổng quát về phương pháp xây dựng mô hình.
Mô hình hệ thống treo bao gồm hai khối lượng: một khối lượng được treo (M) và một khối lượng không được treo (mA) Các thành phần đàn hồi (C), giảm chấn (K) và cản ma sát (R) đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết giữa hai khối lượng này.
Mô hình 1/4 được áp dụng để tối ưu hóa các thông số quan trọng như khối lượng không treo mA, độ cứng C, độ cứng lốp và hệ số cản K, dựa trên các chỉ tiêu đã được xác định.
Mô hình này bao gồm một khối lượng treo và hai khối lượng không treo, với các thông số là (m, Jx) và (mA, JAx) Các khối lượng này được kết nối qua hệ treo với các phần tử đặc trưng.
C, K Lốp là phần tử đàn hồi theo cả hai phương là y và z Ngoại lực F1 theo phương ngang và F2 theo phương z
Mô hình này hiệu quả với bài toán bố trí chung, và là mô hình đơn giản khi nghiên cứu về đường và phân bố tải khi phanh
Mô hình không gian của xe bao gồm khối lượng được treo và khối lượng không được treo, với khối lượng được treo được coi như một tấm phẳng cứng tuyệt đối Đây là mô hình tương đối đầy đủ, cho phép mô tả các yếu tố phi tuyến hình học và vật lý lớn.
2.2.2 Thiết lập hệ phương trình dao động xe buýt a Các giả thiết khi xây dựng mô hình Ô tô có thể được mô hình hóa như một hệ đa vật thể cấu tạo từ các tổng thành cứng tuyệt đối có liên kết và chuyển động phức tạp so với nhau Để đơn giản trong quá trình nghiên cứu, mô hình dao động của ô tô khách trong không gian được xây dựng dựa trên các giả thiết sau:
Bỏ qua tác động của các nguồn dao động trên ô tô, như động cơ và hệ thống truyền lực, ta có thể xem động cơ, hệ thống truyền lực, hành khách và hàng hóa như một phần cấu thành khối lượng của thân xe.
Thân xe có cấu trúc cứng với khối lượng m và mô men quán tính J x và J y theo các trục Nó có khả năng thực hiện ba loại dao động: dao động tịnh tiến theo phương thẳng đứng và hai dao động góc theo trục lắc dọc và lắc ngang.
- Coi như vận tốc của xe khi đi qua mấp mô là không thay đổi;
Hình 2.5 Mô hình không gian xe bus Động cơ Động cơ Lái xe
Cụm cầu và bánh xe được coi là một vật rắn, trong đó trục trước có khối lượng m_f và mô men quán tính J_f, còn trục sau có khối lượng m_r và mô men quán tính J_r Các trục này chỉ dao động theo phương thẳng đứng và dao động góc quanh trục qua trọng tâm, song song với phương chuyển động của ô tô.
Các cầu xe được kết nối với thân xe thông qua hệ thống treo, bao gồm phần tử đàn hồi với độ cứng C i, phần tử giảm chấn có hệ số cản Ki, và hệ thống thanh ổn định ngang với các mô men xoắn M1 và M2.
- Các bánh xe có độ cứng C L luôn tiếp xúc với mặt đường trong quá trình chuyển động, bỏ qua hệ số cản của lốp;
- Các phần tử đàn hồi và giảm chấn trong mô hình có đặc tính tuyến tính;
- Khối lượng của thân xe và các cầu phân bố đối xứng qua mặt phẳng đối xứng với trục dọc của ô tô;
Vị trí trục lắc dọc và lắc ngang của ô tô không thay đổi khi xe chuyển động Để khảo sát dao động của ô tô, cần thiết lập mô hình động lực học mô tả dao động khi xe di chuyển trên đường Nhiều mô hình như mô hình một phần tư, một phần hai ngang và một phần hai dọc được sử dụng trong nghiên cứu Trong nghiên cứu này, mô hình động lực học không gian được áp dụng để đảm bảo tính chính xác trong quá trình mô phỏng và tính toán.
Hình 2.6 Mô hình động lực học không gian
Phương pháp tách vật trong cơ học cho phép phân chia xe thành ba phần chính: khối lượng được treo (thân xe), khối lượng không được treo phía trước (cầu trước) và khối lượng không được treo phía sau (cầu sau) Theo các nguyên lý cơ bản của cơ học cổ điển, việc tách vật sẽ tạo ra các lực và phản lực tương ứng tại các vị trí liên kết trong hệ thống treo.
Tách khối lượng được treo (thân xe), lúc này nó sẽ thực hiện 3 chuyển động tương ứng với 3 bậc tự do: z, ,
Phương trình mô tả dao động tịnh tiến theo phương thẳng đứng của khối lượng được treo:
Khi bánh xe tiếp xúc với các chướng ngại vật trên mặt đường như ổ gà hay viên đá, thân xe sẽ bị nghiêng theo cả hai phương dọc và ngang Để mô tả sự dao động quay quanh trục dọc và ngang của thân xe, ta sử dụng một phương trình cụ thể.
Phần khối lượng không được treo cầu trước sẽ thực hiện hai chuyển vị tương ứng với hai bậc tự do, bao gồm chuyển vị tịnh tiến theo phương thẳng đứng và chuyển vị lắc ngang quanh trục X của cầu trước.
Tách phần khối lượng không được treo cầu sau, phương trình dao động của chúng có dạng:
Mô hình động lực học không gian 7 bậc tự do của xe có khả năng mô tả các dao động, tuy nhiên, cần xác định các phản lực liên kết trước khi thực hiện.
2.2.3 Xác định các lực và mô men liên kết a Lực đàn hồi của hệ thống treo
Xây dựng hàm kích thích mặt đường
Khi ô tô di chuyển, có nhiều yếu tố gây ra dao động, bao gồm nội lực trong xe, ngoại lực từ các hoạt động như tăng tốc, phanh và quay vòng, cũng như điều kiện thời tiết như gió và bão, cùng với tình trạng mặt đường không bằng phẳng.
Mấp mô của đường là yếu tố chính gây ra dao động của ô tô, và việc nghiên cứu biên dạng bề mặt đường thường được thực hiện qua lý thuyết hoặc thực nghiệm Mục tiêu của những nghiên cứu này là xây dựng quy luật kích thích dao động của ô tô, và có thể mô tả kích thích mặt đường theo nhiều dạng khác nhau.
Mô tả bằng các hàm xác định thường là các mấp mô dạng bậc (Nhóm 1)
Mấp mô có dạng hàm điều hoà (Nhóm 2)
Mấp mô biên dạng đường mô tả bằng hàm ngẫu nhiên của chiều cao nhấp nhô theo chiều dài đường (Nhóm 3)
Khi nghiên cứu dao động do ô tô di chuyển qua các mấp mô thuộc nhóm 1, giả thiết rằng tại thời điểm ô tô bắt đầu lên mấp mô, trạng thái hệ thống được xác định bởi tọa độ và đạo hàm bậc nhất của chúng Điều này có nghĩa là điều kiện ban đầu và kích thích từ mấp mô q(t) đã được biết trước, giúp dễ dàng xấp xỉ các kích động từ các loại mấp mô khác nhau và mô tả chúng dưới dạng hàm ảnh Bảng 2.1 trình bày một số dạng mấp mô đơn vị thường gặp.
Bảng 2.1 Một số dạng mấp mô mặt đường cơ bản và phương trình mô tả
TT Dạng mấp mô mặt đường Phương trình mô tả
Mấp mô đơn là các loại mấp mô có dạng bậc, dạng hình thang, dạng hình tam giác, dạng hình chữ nhật và mấp mô dạng xung đơn vị
Trong thực tế, khi ô tô chuyển động trên đường thường hay gặp mấp mô hình thang, có thể biểu diễn toán học mấp mô hình thang như sau:
Trong đó: v là vận tốc chuyển động của ô tô
Hình 2.7 Mấp mô đơn dạng hình thang
2.3.2 Mấp mô dạng tuần hoàn:
Trong đó: q 0 - chiều cao mấp mô sóng mặt đường;
- tần số kích thích; t - thời gian;
2.3.3 Mấp mô mặt đường dạng ngẫu nhiên
Biên dạng mặt đường có thể được mô tả bằng phương pháp thống kê thực nghiệm thông qua mật độ phổ công suất (PSD) Mật độ phổ công suất của mặt đường được thể hiện qua biên độ của mấp mô theo tần số góc không gian hoặc tần số theo thời gian.
Tần số góc không gian được ký hiệu là Ω, trong khi tần số không gian được tính bằng n = Ω/2π Tần số góc không gian chuẩn là Ω0 và tần số không gian chuẩn là n0 Mật độ phổ công suất tại tần số góc Ω và tần số n lần lượt được biểu diễn bằng Φ(Ω) và Φ(n) Cuối cùng, w là số mũ đặc trưng cho phổ công suất của đường.
Các cấp mấp mô mặt đường và các thông số liên quan được quy định trong tiêu chuẩn ISO 8608:2016 Trong đó, w=2 là số mũ đặc trưng của phổ công suất của đường, và các thông số mấp mô được thể hiện qua bảng 2.2.
Hiện nay, nhờ vào sự phát triển của công nghệ máy tính, nhiều phương pháp mới đã được áp dụng để xây dựng mấp mô ngẫu nhiên, phù hợp với từng phương chuyển động hoặc dạng cụ thể.
27 không gian như phương pháp Shaping Filter, phương pháp Stationary Gaussian
Random, phương pháp Sinusoidal Approximation Đề tài chọn phương pháp
Phương pháp Sinusoidal Approximation là một kỹ thuật phổ biến để xây dựng đường ngẫu nhiên, nhằm khảo sát dao động của xe theo các tiêu chuẩn hiện hành Giả sử xe di chuyển với vận tốc không đổi v trên chiều dài đường L, một biên dạng đường h(x) có thể được mô tả bằng tổng các hàm điều hòa.
Biên độ Ai, tần số góc không gian Ωi, và pha φi của hàm điều hòa ngẫu nhiên trong khoảng [0,2π] là các yếu tố quan trọng trong việc xác định phương sai của biên dạng mặt đường Phương sai này phụ thuộc vào tần số góc không gian, trong khi bước thời gian ΔΩ=(ΩN-Ω1)/N sẽ tạo ra mật độ phổ công suất Φ(Ω) Để tính toán Ai, cần áp dụng công thức cụ thể liên quan.
Bảng 2.2 Thông số của các cấp đường theo tiêu chuẩn ISO 8608:2016
Ngoài ra, có thể tạo ra đường ngẫu nhiên trong miền thời gian h(t) theo công thức sau:
Ứng dụng Matlab để mô phỏng và đánh giá dao động của xe
2.4.1 Giới thiệu chương trình MATLAB Simulink mô tả dao động xe khách
MATLAB (Matrix Laboratory) là phần mềm khoa học mạnh mẽ, cho phép thực hiện tính toán số và hiển thị đồ họa thông qua ngôn ngữ lập trình cao cấp Phần mềm này cung cấp tính năng tương tác linh hoạt, cho phép người dùng thao tác dữ liệu dưới dạng ma trận để thực hiện các phép tính và quan sát kết quả Người dùng có thể nhập dữ liệu vào MATLAB từ "Command line" hoặc thông qua các "mfiles" đã được lập trình sẵn MATLAB cũng cung cấp các toolbox tiêu chuẩn và cho phép người dùng tạo ra các hộp công cụ riêng, bao gồm các "mfiles" tùy chỉnh cho các ứng dụng cụ thể.
Chúng ta có thể sử dụng các tập tin trợ giúp của MATLAB cho các chức năng và các lệnh liên quan với các toolbox có sẵn
Màn hình tiêu chuẩn sau khi khởi động Matlab:
Hình 2.8 Màn hình khởi động Matlab
Phần mềm MATLAB, viết tắt của MATrix LABoratory, là công cụ mạnh mẽ để giải quyết các bài toán kỹ thuật, được phát triển bởi hãng Math Works và sử dụng ngôn ngữ lập trình C Nền tảng của MATLAB dựa trên các phần mềm do các nhà lập trình dự án LINKPACK viết bằng Fortran, cho phép người dùng thực hiện các phép toán trên ma trận, xử lý số liệu, tín hiệu, mô phỏng và đồ họa một cách dễ dàng Với cú pháp gần gũi với ngôn ngữ tự nhiên, MATLAB giúp tiết kiệm thời gian lập trình mà không cần khai báo biến Đặc biệt, người dùng có khả năng phát triển và cài đặt thêm các hàm vào thư viện chương trình, đáp ứng nhu cầu giải quyết các bài toán chuyên ngành.
Simulink là một công cụ mở rộng của MATLAB Simulink là một công cụ
Simulink là một công cụ mạnh mẽ để mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động, cho phép mô tả cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến cũng như các mô hình thời gian thực Với giao diện đồ họa thân thiện, người dùng có thể dễ dàng xây dựng mô hình dưới dạng sơ đồ khối thông qua thao tác "nhấn" và "kéo" chuột, tương tự như việc vẽ trên giấy Điều này tạo ra sự khác biệt rõ rệt so với các phần mềm mô phỏng trước đây, nơi người dùng phải nhập các phương trình vi phân và sai phân bằng ngôn ngữ lập trình phức tạp.
Lập trình trên Simulink sử dụng các đối tượng đồ họa gọi là Graphic Programming Unit, được xây dựng dựa trên ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc thay đổi giá trị thuộc tính trong các khối thành phần Loại hình lập trình này ngày càng được ưa chuộng trong kỹ thuật nhờ vào tính trực quan, dễ hiểu và dễ viết.
Thư viện khối chức năng của Simulink rất đa dạng, với các khối được phân chia thành nhiều nhóm khác nhau Mỗi khối chức năng có một hoặc nhiều đầu vào/ra, ngoại trừ các khối nguồn chỉ có đầu ra và các khối hiển thị, lưu trữ dữ liệu chỉ có đầu vào Người dùng có thể mô phỏng mô hình đã tạo trong Simulink thông qua lệnh trong cửa sổ lệnh của MATLAB hoặc sử dụng các menu có sẵn Việc sử dụng menu thích hợp cho các tác vụ tương tác, trong khi dòng lệnh thường được dùng cho các mô phỏng theo kịch bản nhất định.
Hình 2.9 Thư viện các nhóm chức năng của Simulink
Hình 2.10 Cửa sổ tra cứu thư viện của Simulink
Nội dung và trình tự thực hiện quá trình mô phỏng bằng Simulink thể hiện trên hình dưới đây:
Hình 2.11 Nội dung và trình tự mô phỏng bằng Simulink
2.4.2 Các điều kiện mô phỏng của xe
Thông số kỹ thuật của xe
Nghiên cứu này sử dụng xe tham khảo BUS THACO HB120-SL có thông số như bảng sau
Xây dựng mô hình toán học và cấu trúc mô phỏng
( Hệ phương trình vi phân và sơ đồ khối)
Xác lập các thông số của mô hình
( nhập các giá trị cho các khối con)
Xác lập điều kiện đầu ( điều kiện biên) Đưa các kích động vào hệ thống(Tín hiệu đầu vào)
Lựa chọn cách thức xuất kết quả Điều khiển việc thực thi quá trình mô phỏng
+ Thuật giải( thuật toán tích phân)
+ Độ lớn của bước tích phân
+Các tùy chọn xuất kết quả
Bảng 2.3: Thông số xe tham khảo
Trong bài viết này, chúng tôi cung cấp thông tin về các chỉ số kỹ thuật quan trọng của một thiết bị Khối lượng được treo là 15.220 kg, trong khi khối lượng không được treo cầu trước là 340 kg và cầu sau là 440 kg Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước là 1,845 m và đến cầu sau là 4,305 m Những thông số này rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất và an toàn trong quá trình sử dụng.
JX Moment quán tính khối lượng quy về trục dọc 196040 kgm 2
JY Moment quán tính khối lượng quy về trục ngang 253150 kgm 2
JX1 Moment quán tính khối lượng cầu trước 180 kgm 2
JX2 Moment quán tính khối lượng cầu đạt 220 kgm², với khoảng cách treo trước là 1,01 m và treo sau là 0,92 m Chiều rộng cơ sở cầu trước là 1,02 m, trong khi chiều rộng cơ sở cầu sau là 0,93 m.
C11 Độ cứng của lò xo 146640 N/m
C12 Độ cứng của lò xo 146640 N/m
C21 Độ cứng của lò xo 388870 N/m
C22 Độ cứng của lò xo 388870 N/m
K11 Độ cứng của giảm chấn 7347 Ns/m
K12 Độ cứng của giảm chấn 7347 Ns/m
K21 Độ cứng của giảm chấn 11106 Ns/m
K22 Độ cứng của giảm chấn 11106 Ns/m
CL11 Độ cứng của lốp 209067 N/m
CL12 Độ cứng của lốp 209067 N/m
CL21 Độ cứng của lốp 209067 N/m
CL22 Độ cứng của lốp 209067 N/m
2.4.3 Thiết lập sơ đồ khối trong môi trường Simulink Để mô phỏng dao động của xe ta xây dựng sơ đồ khối cho các phương trình dao động như sau:
Hình 2.12 Sơ đồ khối tổng quát chương trình mô phỏng dao động bằng Matlab Simulink
Hình 2.13 Sơ đồ khối mô phỏng chuyển vị và gia tốc của thân xe
Hình 2.14 Sơ đồ khối mô phỏng chuyển vị của cầu sau xe
Hình 2.15 Sơ đồ mô phỏng chuyển vị của cầu trước xe
Hình 2.16 Sơ đồ mô phỏng góc nghiêng của cầu sau xe
Hình 2.17 Sơ đồ mô phỏng góc nghiêng của cầu trước xe
Hình 2.18 Sơ đồ mô phỏng góc nghiêng dọc thân xe
Hình 2.19 Sơ đồ mô phỏng góc nghiêng ngang thân xe
Hình 2.20 Sơ đồ mô phỏng lực đàn hồi của lốp
Kết quả khảo sát
Quá trình mô phỏng dao động của xe được chia thành 3 trường hợp ứng với
2.5.1 Mấp mô mặt đường dạng bậc
Mấp mô dạng bậc được sử dụng khi xe đi vào chướng ngại vật (sỏi, đá, …) trong một thời gian ngắn Hàm kích thích từ mặt đường có dạng:
Hình 2.21 Mấp mô mặt đường dạng bậc
Chuyển vị và gia tốc của thân xe là những thông số quan trọng, phản ánh độ êm dịu và ổn định khi xe chuyển động Đồ thị Hình 2.22 minh họa sự thay đổi của chuyển vị thân xe theo thời gian, cho thấy chuyển vị lớn nhất có thể đạt 28,5 mm, 35,4 mm và 41,8 mm trong các trường hợp khảo sát Sau khi kết thúc giai đoạn kích thích, thân xe vẫn tiếp tục dao động với biên độ tương đối lớn.
Hình 2.22 Chuyển vị của thân xe theo mấp mô dạng bậc
Sự thay đổi gia tốc của thân xe được thể hiện trong đồ thị Hình 2.23, cho thấy giá trị gia tốc cực đại đạt 0,52 (m/s²), 0,61 (m/s²) và 0,73 (m/s²) khi xe sử dụng hệ thống treo bị động trong ba trường hợp khác nhau Giá trị này tiếp tục biến đổi liên tục trong thời gian dài sau khi kích thích từ mặt đường kết thúc, gây ra cảm giác khó chịu cho người sử dụng.
Theo TCVN 6964, gia tốc dao động của thân xe khi h0 = 50 mm và h0 = 60 mm đều nhỏ hơn gia tốc giới hạn ảnh hưởng xấu đến sức khỏe là a = 0.63 m/s² Do đó, xe buýt được lựa chọn đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn an toàn.
Độ ổn định và tính tiện nghi của mặt đường có thể bị ảnh hưởng nếu độ mấp mô tăng lên tới 70 mm Để đánh giá chính xác sự dao động, cần thực hiện mô phỏng trong các điều kiện mặt đường khác nhau.
Hình 2.23 Gia tốc của thân xe theo mấp mô dạng bậc
2.5.2 Kích thích mặt đường dạng tuần hoàn
Hàm sóng sin là một dạng kích thích phổ biến trong các bài toán mô phỏng dao động của xe Để mô tả mấp mô mặt đường, hàm sóng tuần hoàn được sử dụng và được viết dưới dạng cụ thể.
Với h0 = 50 (mm); h0 = 60 (mm); h0 = 70 (mm), = 3 (rad/s), = 0
Hình 2.24 Mấp mô mặt đường dạng tuần hoàn
Hình 2.25 minh họa sự chuyển vị của thân xe theo mấp mô tuần hoàn, cho thấy sự dao động liên tục của thân xe so với mốc tọa độ ban đầu, với giá trị chuyển vị cực đại đạt 81,2 mm, 99,4 mm và 118,5 mm trong ba trường hợp khảo sát Giá trị chuyển vị này dao động ổn định quanh ngưỡng cân bằng Đồng thời, gia tốc của thân xe (Hình 2.26) cũng dao động ổn định với biên độ lớn, đạt 0,79 m/s², 0,91 m/s² và 1,17 m/s², vượt ngưỡng gia tốc gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe là 0,63 m/s² (TCVN 6964) Nếu tình trạng này kéo dài, sự tiện nghi và tính ổn định của xe có thể bị ảnh hưởng.
Trong suốt thời gian kích thích, gia tốc trung bình đạt giá trị RMS1 = 0,43 (m/s²), RMS2 = 0,52 (m/s²) và RMS3 = 0,61 (m/s²) cho ba trường hợp khảo sát Đặc biệt, trường hợp thứ ba với h0 = 70 (mm) có gia tốc trung bình gần đạt ngưỡng nguy hiểm a = 0,63 (m/s²), điều này có thể tác động tiêu cực đến độ êm dịu và tính ổn định của xe.
Hình 2.26 Gia tốc của thân xe theo mấp mô dạng tuần hoàn
2.5.3 Kích thích mặt đường dạng ngẫu nhiên
Khi xe di chuyển trên đường, bánh xe phải đối mặt với nhiều trạng thái kích thích khác nhau, trong đó trạng thái kích thích ngẫu nhiên là phổ biến nhất trong thực tế Hàm ngẫu nhiên được sử dụng để mô tả mấp mô mặt đường, thể hiện sự biến động và ảnh hưởng đến hiệu suất di chuyển của xe.
( ) 0 h t h Rand t với h0 = 50 (mm); h0 = 60 (mm); h0 = 70 (mm) (2.31)
Hình 2.27 Mấp mô mặt đường dạng ngẫu nhiên
Hình 2.28 Chuyển vị của thân xe theo mấp mô dạng ngẫu nhiên
Do kích thích mặt đường thay đổi ngẫu nhiên và liên tục, chuyển vị của thân xe cũng không tuân theo quy luật nhất định Với biên độ kích thích mặt đường h0 = 50 mm, chuyển vị cực đại của thân xe có thể đạt 23,9 mm Khi biên độ kích thích tăng lên h0 = 60 mm và h0 = 70 mm, giá trị chuyển vị cực đại có thể đạt lần lượt 28,4 mm và 33,3 mm.
Sự thay đổi của chuyển vị là không đáng kể, tuy nhiên, gia tốc của thân xe lại liên tục dao động với biên độ lớn, như được thể hiện trong đồ thị Hình 2.28.
Theo đồ thị Hình 2.29, gia tốc có sự thay đổi ngẫu nhiên và liên tục với tần số cao Giá trị cực đại của gia tốc đạt tới 0,92 m/s², 1,21 m/s² và 1,35 m/s² trong ba trường hợp khảo sát, vượt xa giá trị cho phép theo TCVN là 0,63 m/s².
Nếu tình trạng này kéo dài, sức khỏe của tài xế và hành khách có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng Để đánh giá chính xác, cần xem xét gia tốc trung bình của thân xe trong suốt hành trình, với các giá trị RMS1 = 0,30 (m/s²), RMS2 = 0,36 (m/s²) và RMS3 = 0,42 (m/s²) Mặc dù gia tốc trung bình không lớn, nhưng tỷ lệ gia tốc tức thời vượt ngưỡng nguy hiểm lại khá cao, có thể gây tác động xấu đến sức khỏe hành khách.
Hình 2.29 Gia tốc của thân xe theo mấp mô dạng ngẫu nhiên
Cả 3 trường hợp khảo sát nêu trên đều được thực hiện với biên độ kích thích mặt đường khá nhỏ Nếu kích thích này có giá trị lớn hơn, giá trị của chuyển vị và gia tốc thân xe cũng sẽ thay đổi nhiều hơn Do đó, sự êm dịu và tính ổn định của xe có thể bị ảnh hưởng đáng kể Để hạn chế tình trạng này, cần phải đề xuất các giải pháp để cải thiện tính tiện nghi và sự thoải mái của xe khi dao động
