Những vấn đề chung
Ngành công nghiệp ô tô đã phát triển hơn một thế kỷ trên toàn cầu, trong khi Việt Nam vẫn đang ở giai đoạn đầu của sự phát triển này Sự gia tăng tốc độ, tải trọng và mật độ ô tô trên đường là xu thế tất yếu, song cũng tạo ra áp lực lớn về tai nạn giao thông và hư hại cơ sở hạ tầng Do đó, nghiên cứu và hoàn thiện kết cấu ô tô để nâng cao an toàn giao thông và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường là nhu cầu cấp thiết cho cả thế giới và Việt Nam.
Các mô hình đơn giản chỉ xác định được các chuyển vị riêng lẻ ở các phương dọc (x), ngang (y) và thẳng đứng (z) Tuy nhiên, do các yếu tố phi tuyến từ động lực học của hệ thống treo, sự biến dạng của lốp và tách bánh xe không được mô tả trong các mô hình tuyến tính, dẫn đến kết quả nghiên cứu về dao động ô tô thường không chính xác.
Mô hình gần thực với ôtô cần đáp ứng các yêu cầu sau:
- Không hạn chế chuyển động (dao động) không gian của toàn xe
- Xác lập đợc động học, động lực học phi tuyến của hệ thống treo
- Xác lập đợc động học của các bánh xe
1.2 Tình hình nghiên cứu dao động ô tô trên thế giới
Nghiên cứu dao động của ô tô đã được tiến hành từ lâu, với nhiều công trình của hàng trăm tác giả và ngày càng hoàn thiện theo thời gian Đến năm 1970, Mitschke đã biên soạn tác phẩm nổi tiếng “Dynamik der Fahrzeuge”, bao gồm 200 trích dẫn, trong đó quyển B tập trung vào dao động ô tô Tác phẩm này đề cập đến hầu hết các loại mô hình dao động cơ bản, chủ yếu liên quan đến xe con, nhưng không xem xét các yếu tố phi tuyến và sử dụng phương pháp nghiên cứu theo cơ học cổ điển.
Vào năm 1980, Schiehlen đã giới thiệu phương pháp hệ nhiều vật, mô đun hóa các hệ cơ học nhằm nghiên cứu dao động qua mô phỏng máy tính Sự phát triển của máy tính và cơ học, cùng với những tiến bộ trong toán học, đặc biệt là lý thuyết về phương trình ma trận, đã mang lại nhiều thành tựu quan trọng cho nghiên cứu cơ học Các đặc tính cụm cũng được nghiên cứu sâu hơn để xác định các yếu tố phi tuyến vật lý.
Các nghiên cứu về xe cộ trước năm 1990 chủ yếu tập trung vào xe con với cấu trúc khung vỏ chịu lực Kể từ sau năm 1990, một số công trình nghiên cứu về xe tải đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành Các mô hình nghiên cứu này thường sử dụng mô hình 1/2.
Khái quát về nghiên cứu dao động ta có thể thấy nội dung lĩnh vực này bao gồm 4 vấn đề sau:
- Chi tiêu đánh giá dao động
- Mô hình dao động, bao gồm mô hình vật lý (sơ đồ dao động tơng đơng) và mô hình toán học (hệ phơng trình vi phân);
Một số thành tựu của nghiên cứu dao động thế giới sẽ đợc nêu sơ lợc theo bốn vấn đề sau:
Đánh giá dao động ô tô có tính lịch sử quan trọng, trước đây thường dựa trên hai chỉ tiêu chính: độ êm dịu và tải trọng động Những chỉ tiêu này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định ảnh hưởng của dao động đến tuổi thọ của các chi tiết trong xe.
Ngày nay do nhận thức mới về ảnh hởng của dao động, các chỉ tiêu đợc xác lập theo tiêu chí mới nh sau:
1 Chỉ tiêu về độ êm dịu
+ Chỉ tiêu đối với ngời + Chỉ tiêu đối với hàng hóa
2 Chỉ tiêu về tải trọng động
+ Chỉ tiêu về độ bền chi tiết + Chỉ tiêu về mức độ phá đờng + Chỉ tiêu về an toàn động lực học
3 Chỉ tiêu về không gian bố trí treo
Độ êm dịu chuyển động là khái niệm phản ánh cảm nhận chủ quan của con người về dao động, được xác định qua phỏng vấn trực tiếp các nhóm người khác nhau Sự chủ quan này đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong các lĩnh vực như cơ kỹ thuật, y tế, an toàn lao động, cũng như kỹ thuật chống rung và chống ồn.
Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, dao động có tác động tiêu cực đến con người và hàng hóa, đặc biệt là làm giảm khả năng điều khiển của lái xe.
Tiêu chí về độ êm dịu được Hiệp hội kỹ sư Đức VDI xác định qua tiêu chuẩn quốc gia VDI-2057 và được Tổ chức tiêu chuẩn thế giới công nhận thành Tiêu chuẩn ISO-2631 Độ êm dịu chuyển động là cảm giác của con người, chịu ảnh hưởng bởi nhiều thông số vật lý Do đó, khái niệm “Cường độ dao động KB” được đưa ra để chỉ mức độ tác động của dao động đối với con người.
Cờng độ dao động KB phụ thuộc:
Phụ lục 1 sẽ trình bày nội dung và phương pháp xác định KB, cũng như mối quan hệ giữa các tham số trong giá trị KB Để đánh giá, có ba ngưỡng được sử dụng.
KB= 20 giới hạn êm dịu KB= 50 giới hạn điều khiển KB= 125 giới hạn gây bệnh lý + Chỉ tiêu về độ êm dịu cho hàng hoá
Hiệp hội đóng gói Đức BFSV đã nêu ra các chỉ tiêu về độ an toàn cho hàng hoá Dựa trên nghiên cứu về ảnh hưởng của dao động với đường, M Tchke đã đề xuất ngưỡng an toàn cho hàng hoá.
- amax=3 m/s 2 giới hạn cảnh báo
- amax=5 m/s 2 giới hạn can thiệp
Giới hạn cảnh báo theo Mitschke, là tại đó hệ thống treo hoặc đờng đã hỏng dến mức phải có kế hoạch sửa chữa
Giới hạn cảnh báo theo Mitschke, là tại đó đờng đã hỏng nặng đến mức phải sửa chữa ngay
1.2 1.2 Chỉ tiêu về tải trọng động
Chỉ tiêu tải trọng động của cầu xe rất quan trọng và thường bị nhiều mô hình bỏ qua Để xác định chỉ tiêu này, cần phải đo lường phản lực từ mặt đường lên bánh xe.
Dao động của cầu xe có hai hành trình né và trả, điều này làm mâu n thuẫn trong mục tiêu thiết kế
Tải trọng động cực đại (Fz,dyn,max) có tác động tiêu cực đến tuổi thọ của các chi tiết và gây hư hại cho bề mặt đường Hệ số tải trọng động kdyn,max được sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của tải trọng đến các chi tiết, trong khi hệ số áp lực đường w giúp đánh giá tác động của dao động lên bề mặt đường.
+ Chỉ tiêu về độ bền chi tiết.
Ta định nghĩa lại hệ số tải trọng động nh sau:
- kdyn,max: Hệ số tải trọng động cực đại
- Fz,dyn: Tải trọng động bánh xe
- Fz,st : Tải trọng tĩnh bánh xe
Với kích động ngẫu nhiên max(Fz,dyn) đợc xác định nh sau dt ] ) F
+ Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với đờng
Các nhà nghiên cứu từ Anh và Mỹ đã nghiên cứu ảnh hưởng của dao động ô tô đến cầu và đường, giới thiệu khái niệm Hệ số áp lực đường (Road stress Coefficient), hay còn gọi là hệ số w, dùng để đánh giá mức độ tác động của dao động ô tô Một số tài liệu cũng gọi nó là Dynamic wear factor Theo Wilkinson [28], công thức xác định hệ số áp lực đường w được trình bày như sau:
) max(F σ Khi xe có i bánh xe thì áp lực của toàn xe là
+ Chỉ tiêu về an toàn động lực học
Tình hình nghiên cứu dao động ở Việt Nam
Trong những năm gần đây, ngành ôtô Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ trong việc nhập khẩu dây chuyền và công nghệ lắp ráp ôtô Tuy nhiên, nghiên cứu về dao động ôtô vẫn chưa được chú trọng đúng mức; nhiều công trình nghiên cứu chủ yếu là các luận án tốt nghiệp đại học, thạc sĩ và tiến sĩ.
Luận án tiến sĩ của Lưu Văn Tuấn tập trung vào việc nâng cao độ êm dịu cho xe ca, với sự chú trọng vào mô tả thuộc tính đàn hồi giữa khung và vỏ, hai yếu tố cấu thành đặc trưng của xe ca Cấu trúc khung - vỏ chịu lực là yếu tố quan trọng trong việc cải thiện trải nghiệm lái xe và đảm bảo tính ổn định cho phương tiện.
Luận án của Nguyễn Phúc Hiểu nghiên cứu ảnh hưởng của dao động lên khung xương ô tô khi di chuyển trên đường Tác giả tập trung vào việc phân tích tác động của điều kiện đường và xác định các hàm ngoại lực liên quan đến bài toán tính bền của khung xương ô tô.
Nguyễn Thanh Hải đã phát triển mô hình phẳng cho xe 3 cầu và 4 cầu trong luận án cao học của mình, với tính toán cụ thể cho xe Tatra-815 và BTR 60PB, sử dụng hàm kích động sin và phần mềm Mathcad Tiếp theo, Nguyễn Quang Huy cũng đã mô phỏng dao động cho xe nhiều cầu, lấy thông số từ xe BTR-60PB, nổi bật với vỏ chịu lực và hệ treo độc lập Trịnh Minh Hoàng trong luận án cao học của mình đã trình bày mô hình dao động cho xe tải hai cầu (không gian) và thực hiện mô phỏng bằng MatLab Simulink 5.3, với phần mô hình và tính toán hoàn chỉnh, bao gồm cả dao động ngẫu nhiên.
Nghiên cứu của Nguyễn Thái Bạch Liên về xe kéo moóc áp dụng phương pháp hệ nhiều vật và hệ số tuyến tính Luận án tiến sĩ của Phạm Định Vi trình bày các
Nhận xét về các kết quả nghiên cứu của Việt nam:
Phân tích chọn mục tiêu, đối tợng, phơng pháp nghiên cứu
1 4.1 M c tiêu nghiên cứu của dao động ụ
Nghiên cứu dao động ôtô không chỉ tập trung vào tải trọng động tác động lên đường, mà còn nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nâng cao độ êm dịu cho người lái, điều này trở thành nhu cầu thiết yếu trong quá trình phát triển ôtô.
Xét theo phương thẳng đứng, nhiều tác giả trước đây tập trung vào dao động của khối lượng treo, trong khi dao động của khối lượng không treo (như cầu xe) lại ít được chú ý, mặc dù đây là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền chi tiết, an toàn động lực học và mức độ phá đổ Sơ đồ dưới đây minh họa mục tiêu và các đối tượng có thể can thiệp nhằm đạt được các chỉ tiêu về dao động.
Hình 1.1: Mối qua hệ dao động để chọn hàm mục tiêu
- Hàng hoá Động lực học của khối lợng đợc treo Động lực học của đờng Động học khối lợng không đợc treo
Ngoại lực Độ êm dịu
An toàn hàng hoá Không gian HT độ bền chi tiết
An toàn động lực học
Mức độ ảnh hởng đến cầu và đờng
Cấu trúc theo phương thẳng đứng cho thấy khối lượng không được treo dao động tương đối giữa đường và khối lượng được treo Điều này dẫn đến việc mục tiêu về êm dịu thường mâu thuẫn với mục tiêu tải trọng động, đặc biệt đối với xe tải lớn di chuyển với tốc độ cao Hơn nữa, động lực học của khối lượng được treo cũng trái ngược với động lực học của bánh xe Do đó, trong thiết kế, cần chú ý đến độ cứng treo khác nhau giữa hành trình nén và hành trình trả, cũng như sự khác biệt về độ cản giữa hai hành trình này Các vấu hạn chế cũng được đặt ở hành trình nén mà không được đặt ở hành trình trả.
Các tác giả trước đây đã bỏ qua những yếu tố quan trọng, coi độ cứng treo là hằng số và không mô tả đúng sự va chạm giữa khối lượng không được treo và khối lượng được treo Do đó, cần phải mô tả một cách chi tiết và thực tế hơn về hệ dao động giữa hai khối lượng này.
Khi nghiên cứu mức độ tương tác giữa dao động ôtô và cầu, đường, cần xem xét ảnh hưởng tổng thể thay vì chỉ tập trung vào một bánh xe, do đó, mô hình dao động không gian là cần thiết Các mô hình này thường giả định khối lượng treo như một tấm phẳng cứng, phù hợp với xe con, xe bọc thép và xe tăng có cấu trúc khung vỏ chịu lực Ngoài ra, mối liên kết giữa cabin và khối lượng treo thông qua các hệ treo riêng biệt cần được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn, điều này đã bị bỏ qua trong các nghiên cứu trước đây, nhằm tạo ra mô hình chính xác hơn với thực tế.
Xe tải là một đối tượng nghiên cứu ít được chú trọng, với mức độ cạnh tranh về tính êm dịu không cao Cấu tạo của xe tải bao gồm hai khối lượng được treo riêng biệt, đặt trên xatsi (hay còn gọi là hai dầm dài) Dầm dài có khả năng cứng về chịu uốn nhưng lại không cứng về chịu xoắn, do đó việc mô tả mô hình 1/4 cho xe tải không phản ánh chính xác thực tế.
Nh vậy ta đã phát triển đề tài nh sau:
Dao động của xe tải được mô tả gần thực hơn với hai khối lượng được treo, bao gồm cabin và ghế ngồi, được tách biệt khỏi khối lượng treo phía trước Khung xe chịu xoắn và có sự va chạm giữa khối lượng không được treo và khối lượng được treo, cùng với va chạm giữa bánh xe và mặt đường.
Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa mô hình nhằm đảm bảo tải trọng động, đồng thời cải thiện độ êm ái cho người lái Qua đó, ô tô sẽ trở
1 4.2 Phơng pháp nghiên cứu
Phơng pháp nghiên cứu là phơng pháp lập mô hình, kiểm tra mô hình khi có các kích động tờng minh
Dao động ô tô là một hệ thống phức tạp, và việc lập mô hình cùng phương pháp tách cấu trúc giúp mô đun hóa các phần tử trong cơ hệ Điều này cho phép dễ
Tính cấp thiết của đề tài
Nghiên cứu thiết kế ôtô và dao động ô tô ở Việt Nam hiện vẫn còn ở giai đoạn sơ khai Trong bối cảnh hội nhập và cạnh tranh gay gắt về chất lượng và giá thành ôtô, các nhà sản xuất cần liên tục cải tiến sản phẩm Do đó, việc xây dựng một mô hình tổng quát về dao động ôtô là cần thiết, giúp mô tả chính xác hệ dao động và đưa ra những cải tiến đột phá, nâng cao khả năng phục vụ cũng như tính thân thiện với môi trường của ôtô.
Để hoàn thiện mô hình cho xe vận tải hạng nặng 2 cầu, cần chú trọng vào tính cơ động và sự tiện nghi Việc này không chỉ giúp nâng cao khả năng làm việc lâu dài của người lái mà còn giải quyết hiệu quả vấn đề tải trọng động đối với cầu và đường.
Dựa trên các phân tích đã thực hiện, việc nghiên cứu các vấn đề trong luận văn là vô cùng cần thiết trong giai đoạn hiện nay, đồng thời có tính ứng dụng cao trong lĩnh vực nghiên cứu, phát triển và sản xuất ô tô.
Phân tích tình hình phát triển các mô hình dao động ô tô toàn cầu và tại Việt Nam cho thấy sự cần thiết phải kế thừa và cải tiến các phương pháp nghiên cứu Điều này nhằm mô tả chính xác hơn dao động của xe tải hai cầu, bao gồm các yếu tố như cấu trúc, tải trọng và điều kiện vận hành Việc cập nhật và phát triển nội dung nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong thiết kế và vận hành xe tải.
- Liên kết phần khối lợng treo trớc, treo sau thông qua khung chịu xoắn
- Mô tả việc tách ghế và cabin khỏi khối lợng đợc treo trớc
- Mô tả các yếu tố phi tuyến trong hệ thống treo, va chạm tách bánh
- Mô tả động lực các cầu xe một cách độc lập
2 Kiểm ta tính đúng đắn của mô hình
3 Dùng mô hình để khảo sát một số dao động
- Khảo sát tối u chọn thông số dao động hệ treo ghế
- Khảo sát độ êm dịu của ghế ngồi
Chơng 2: Cơ sở lý thuyết và một số khái niệm ban đầu sử dụng cho lập mô hình dao động
Chọn chỉ tiêu đánh giá dao động
Khi chọn xe tải, yếu tố êm dịu cho người lái được ưu tiên hàng đầu, nhằm giảm tải trọng động trong quá trình chuyên chở hàng hóa Điều này đặc biệt quan trọng do xe tải có khối lượng lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến sự thoải mái và an toàn của tài xế.
Tuy vậy vẫn phải chú ý một cách toàn diện khi chọn tiêu chuẩn đánh giá Một thực tế chỉ ra rằng, các chỉ tiêu nhiều khi đối lập nhau
2.1.1 Mục tiêu êm dịu khi nghiên cứu dao động xe tải
Xe tải là phơng tiện chở hàng nên ngoài độ êm dịu cho lái xe còn phải có độ êm dịu cho hàng hoá
Nghiên cứu trong luận văn này lấy ngỡng cờng độ KB theo ISO-2631
Giới hạn của cường độ dao động KB được phân loại thành ba mức: 20 giới hạn êm dịu, 50 giới hạn điều khiển, và 125 giới hạn gây bệnh lý Cường độ dao động KB phụ thuộc vào gia tốc, phương tác dụng, thời gian và tần số tác dụng Để xác định KB cho xe tải, cần đo gia tốc tại cabin, cụ thể là gia tốc tại ghế ngồi theo phương thẳng đứng.
Khi lựa chọn ngưỡng khảo sát là KB, cần kiểm tra xem hàng hóa có đáp ứng các điều kiện theo hiệp hội đánh giá Đức BFSV hay không, đặc biệt là điều kiện zmax phải lớn hơn 0.
≤ Giới hạn cảnh báo g 5 zmax 0
≤ Giới hạn can thiệp max z : Gia tốc tại trọng tâm của xe theo phơng thẳng đứng
2 1.2 Chỉ tiêu tải trọng động
2 1.2.1 Hệ số áp lực đờng w
Ngày nay, cầu và đường đóng vai trò kinh tế quan trọng trong hệ thống giao thông Công nghệ làm đường và kỹ thuật duy tu bảo dưỡng trở nên cần thiết Việc xác định chính xác tải trọng tác động lên cầu và đường là rất quan trọng trong thiết kế và duy trì chất lượng công trình Do đó, luận văn này tập trung vào hệ số áp lực đường để đánh giá tác động của xe tải đối với cầu và đường.
2.1.2.2 Chỉ tiêu về an toàn chuyển động
Ta sử dụng hệ số tải trọng động cực tiểu kdyn,min để chỉ ra sự giảm khả năng truyền động của bánh xe st z , dyn z , min
Giới hạn cảnh báo kdyn,min= 0,5 cho thấy phản lực từ đường tác dụng lên bánh xe đã giảm một nửa, điều này cho thấy hệ thống đường đã xuống cấp và cần có kế hoạch sửa chữa Trong khi đó, giới hạn can thiệp kdyn,min= 0 cho thấy phản lực tác động lên bánh xe đã giảm hoàn toàn, dẫn đến tình trạng bánh xe tách khỏi mặt đường và không còn khả năng truyền lực, yêu cầu nhà quản lý phải can thiệp ngay lập tức.
Ta lấy kdyn,min= 0,5 và kdyn,min= 0 làm ngỡng để khảo sát
Để đánh giá độ bền của chi tiết, chúng ta cần xem xét chỉ tiêu tải trọng động, đặc biệt là hệ số tải trọng động cực đại kdyn,max, được định nghĩa như sau:
2 1.3 Chỉ tiêu về hạn chế va đập và chọn không gian bố trí treo
Khối lượng không được treo (bánh xe) chuyển động tương đối giữa đường và khối lượng không được treo Việc xác định không gian chuyển động cho hệ thống treo là cần thiết để đặt vấu hạn chế hành trình Đối với mỗi xe cụ thể, việc xác định thời điểm xảy ra va đập là rất quan trọng Các yếu tố ảnh hưởng đến va đập bao gồm biên độ đường và tần số kích động, với bước sóng của đường và vận tốc xe có vai trò quyết định Để khảo sát vấn đề này, chúng tôi xác định thông số: n dyn t dyn y max(σ z) f f ≤ = − ≤.
Trong hệ thống treo, (σ−z) đại diện cho chuyển vị tương đối giữa khối lượng không được treo và được treo Độ võng động hành trình trả củ hệ thống treo được ký hiệu là t fdyn, trong khi độ võng động hành trình nén của hệ thống treo được ký hiệu là n f Vị trí đặt vấu hạn chế hành trình trả và hành trình nén cũng rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống treo.
Phân tích chọn hàm kích động
Nguồn chính gây dao động cho ô tô là kích động của mặt đờng đờng thực là một đại lợng vật lý ngẫu nhiên, đa tần, đa biên độ
Khi nghiên cứu dao động ô tô, việc mô tả mặt đường là cần thiết và được gọi là mô hình mặt đường hay hàm kích động Mô hình mặt đường đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích dao động của ô tô, vì nó là một phần không thể thiếu trong mô hình dao động ô tô.
Trong thực tế, đường có thể xuất hiện với những lồi lõm đơn lẻ hoặc là sự kết hợp của nhiều dạng tuần hoàn khác nhau, có tần số và biên độ biến thiên Khi nghiên cứu dao động của ô tô, các nhà nghiên cứu thường mô hình hóa đường theo những dạng này để phân tích hiệu quả.
- Xung (hình thang, hình tam giác, sin đơn)
- Hàm tuần hoàn: h= sin(wt)
+ Hàm ngẫu nhiên: h= f(t) ≈ (mf, Rf(τ))
Trong đó: mf: giá trị trung bình
Nghiên cứu dao động ô tô thông qua mô hình ở giai đoạn phát triển bao gồm lập và kiểm tra mô hình, trong đó việc sử dụng kích động đơn và tuần hoàn là hợp lý Điều này cho phép tín hiệu vào trở nên rõ ràng, giúp quản lý hiệu quả tín hiệu ra của mô hình Do đó, tất cả các nghiên cứu trong luận văn này đều áp dụng dạng kích động này.
Chọn phơng pháp lập mô hình
2.3.1 Phân tích đặc điểm cấu trúc mô hình dao động ô tô
Dao động ô tô là một hệ thống phức tạp, bao gồm các vật liên kết đàn hồi với nhau, có chuyển động tương đối với biên độ lớn và tần số nhỏ (