phân tích dao động ghế ngồi người lái xe buýt

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Phân tích rung động của người lái xe buýt và hệ thống treo ghế theo các trường hợp vận hành với thông số thiết lập ban đầu của hệ thống treo ghế là áp suất của bầu

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Trần Hữu Nhân

Chữ ký:……… Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Hồng Đức Thông

Chữ ký:……… Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Nguyễn Văn Trạng

Chữ ký:……… Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 11 tháng 02 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 PGS TS Lê Đình Tuân: Chủ tịch hội đồng

2 TS Trần Đăng Long: Thư ký hội đồng 3 TS Hồng Đức Thông: Phản biện 1 4 TS Nguyễn Văn Trạng: Phản biện 2 5 TS Võ Tấn Châu: Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 24/10/1997 Nơi sinh: Tỉnh Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số : 8520116

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích dao động ghế ngồi người lái xe buýt ‘An investigation

of vibration for a bus driver seat’

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Phân tích rung động của người lái xe buýt và hệ

thống treo ghế theo các trường hợp vận hành với thông số thiết lập ban đầu của hệ thống treo ghế là áp suất của bầu hơi, độ mở lỗ tiết lưu của giảm chấn khác nhau Công việc được thực hiện trên mô hình toán học tổng quát mô tả động lực học hệ thống treo ghế ngồi người lái xe buýt được xây dựng với các phần tử đàn hồi, phần

tử giảm chấn phi tuyến, tích hợp ảnh hưởng động học của phần tử dẫn hướng

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN HỮU NHÂN

Xin chân thành cảm ơn các Thầy và anh em đồng nghiệp trong Bộ Môn Kỹ Thuật Ô Tô – Máy Động Lực đã hỗ trợ trong công việc để bản thân có thể tập trung nghiên cứu hoàn thiện đề tài và cũng cảm ơn những đóng góp ý kiến trong buổi báo cáo giữa kì của các Thầy để nghiên cứu được rõ ràng và thuyết phục hơn

Xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên đã hỗ trợ trong quá trình sắm sửa linh kiện, đo đạc mô hình hệ thống treo ghế thực tế, hỗ trợ chạy các phân đoạn của chương trình

Xin chân thành cảm ơn các Cô và các Chị trong văn phòng Khoa Kỹ Thuật Giao Thông đã hỗ trợ một phần công việc trong những thời điểm cuối cùng trước khi bảo vệ luận văn

Cuối cùng xin cảm ơn các Thầy phản biện, các Thầy trong hội đồng chấm bảo vệ luận văn đã đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn chỉnh hơn

Mặc dù đã không ngừng cố gắng để hoàn thiện luận văn, nhưng sẽ không tránh khỏi những sai sót cần chỉnh lí bổ sung Kính mong các Thầy, anh em đồng nghiệp, các bạn học viên và những ai quan tâm đến đề tài này đóng góp thêm ý kiến và nhận xét

Xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2022

Phạm Ngọc Đại

TÓM TẮT

Độ êm dịu, mức độ tác động đến sức khỏe của người lái, khả năng cách li rung động của ghế dưới ảnh hưởng của rung động là các thông số được quan tâm hàng đầu khi kiểm tra hiệu quả làm việc của hệ thống treo ghế Để thuận tiện cho quá trình đánh giá và phân tích, mô hình hệ thống treo ghế thực tế được mô hình hóa lại dưới dạng mô hình toán học động lực học tổng quát

Mô hình toán học tổng quát mô tả động lực học hệ thống treo ghế ngồi người lái xe buýt với các phần tử đàn hồi, giảm chấn phi tuyến, tích hợp ảnh hưởng động học của phần tử dẫn hướng đã được xây dựng hoàn thiện Trong đó, mô hình toán học mô tả ứng xử phi tuyến của phần tử đàn hồi và giảm chấn được xây dựng dựa trên sự thay đổi áp suất bên trong các phần tử này theo kích thích ngoại lực, từ đó tính toán được phản lực mà các phần tử này tác dụng lên mô hình cơ hệ trong quá trình vận hành Mô hình toán học của phần tử dẫn hướng mô tả mối liên hệ về mặt động học (chuyển vị) và động lực học (lực, vận tốc, gia tốc) giữa mặt ghế - người ngồi và phần tử đàn hồi, giảm chấn thông qua đặc điểm cấu tạo hình học cũng như phân tích lực tại các điểm liên kết Sau cùng, mô hình toán học của cả ba phần tử trên được tích hợp thành một mô hình động lực học tổng quát mô tả hoàn thiện mối liên hệ cũng như sự tương tác giữa các phần tử cấu thành hệ thống treo ghế lái và người lái trong quá trình vận hành

Từ mô hình tích hợp tổng quát trên, nghiên cứu tiến hành phân tích ảnh hưởng của rung động đến độ êm dịu, sức khỏe của người lái, khả năng cách li rung động của ghế dưới kích thích dạng điều hòa, dạng ngẫu nhiên với thông số thiết lập ban đầu khác nhau (áp suất bầu hơi, độ mở lỗ tiết lưu của giảm chấn)

ABSTRACT

The comfort, health impact, seat’s vibration islolation ability under the influence of vibration of the bus driver are the parameters of primary concern as testing the performance of the suspension system To facilitate the evaluation and analysis process, the actual seat suspension model is re-modeled as a dynamic mathematical model

The dynamic mathematical model describing the dynamics of the bus driver seat suspension system with nonlinear elastic element, nonlinear damper, integrating the kinematic effects of the guide element has been completed In which, the mathematical model describing the nonlinear behavior of the elastic and damping elements is built based on the pressure change inside these elements according to the external excitation, from which the reaction force that these elements act on the mechanical model of the system during operation can be calculated The mathematical model of the guide element describes the kinematic (displacement) and dynamics (force, velocity, acceleration) relationship between the seat surface - the occupant and the elastic and damping elements through geometrical structure characteristics as well as force analysis at connection points Finally, the mathematical models of all three elements are integrated into a dynamic model that perfectly describes the relationship as well as the interaction between the components of the driver's seat suspension system and the occupants during operation

From the above integrated model, the study analyzes the influence of vibration on the comfort, health of the driver and seat’s vibration islolation ability under harmonic and random stimulation with different initial settings (air spring pressure, damper orifice opening)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Hữu Nhân Các số liệu và kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực

Tp HCM, ngày 01 tháng 12 năm 2022

Phạm Ngọc Đại

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.1.1 Hiện trạng điều kiện làm việc của người lái xe buýt 1

1.1.2 Hiện trạng nâng cao độ êm dịu ghế ngồi người lái xe buýt 4

1.2 Đối tượng nghiên cứu 5

1.3 Phạm vi nghiên cứu 6

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 6

1.5 Phương pháp nghiên cứu 6

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Mô hình mô phỏng 7

2.1.1 Giới thiệu ứng dụng mô hình đơn giản trong phân tích rung động 7

2.1.2 Các dạng mô hình đơn giản mô phỏng rung động thân xe 8

2.2 Kích thích từ mặt đường 14

2.2.1 Kích thích từ mặt đường dạng hàm điều hòa 15

2.2.2 Kích thích từ mặt đường dạng đột ngột 16

2.2.3 Kích thích từ mặt đường dạng ngẫu nhiên 16

2.3 Phân tích đáp ứng trên miền tần số 18

2.4 Tiêu chuẩn và phương pháp đánh giá 19

2.4.1 Tiêu chuẩn ISO 2631:1-1997 19

2.4.2 Tiêu chuẩn 2002/44/EC 22

2.4.3 Khả năng cách ly rung động hệ thống treo ghế 24

Chương 3: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TREO GHẾ 25

3.1 Tổng quan mô hình 25

3.1.1 Giới thiệu mô hình tổng thể 25

3.1.2 Giới thiệu các phần tử mô hình 27

3.2 Mô hình mô phỏng 32

3.2.1 Mô hình phần tử đàn hồi phi tuyến – bầu hơi 32

3.2.2 Mô hình phần tử giảm chấn phi tuyến – giảm chấn ống đơn 35

3.2.3 Mô hình phần tử dẫn hướng – cơ cấu chữ X 41

3.2.3 Mô hình toán học tổng thể mô tả cả hệ thống 45

Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 47

4.1 Mô hình bầu hơi 47

4.2 Mô hình giảm chấn 49

4.3 Quy trình kích thích mô hình tổng thể 51

4.4 Trạng thái ổn định của ghế sau khi người ngồi lên 51

4.4 Đáp ứng với kích thích điều hòa 53

4.4.1 Khả năng cách ly rung động hệ thống treo ghế SEAT 54

4.4.2 Đáp ứng gia tốc người lái (so với gia tốc kích thích từ mặt đường) 57

4.5 Đáp ứng với kích thích ngẫu nhiên 60

4.5.1 Khả năng cách ly rung động hệ thống treo ghế SEAT 60

4.5.2 Mức độ êm dịu và ảnh hưởng đến sức khỏe người lái 64

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

5.1 Kết luận 67

5.2 Kiến nghị 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC A: THÔNG SỐ KỸ THUẬT MÔ HÌNH TÍNH 76

PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH - MATLAB PROGRAM 77

B.1 Chương trình tính đáp ứng trên miền tần số 77

B.1.1 Chương trình nhập thông số đầu vào – input program 77

B.1.2 Chương trình hàm tính toán – Function program 78

B.1.3 Chương trình chính – Main program 80

B.2 Chương trình tính đáp ứng trên đường B, C 81

B.2.1 Chương trình nhập thông số đầu vào – input program 81

B.2.2 Chương trình hàm tính toán – Function program 83

B.2.3 Chương trình chính – Main program 84

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 87

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 87

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 87

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

A(8) m/s2 Giá trị phơi nhiễm rung động

Acom m2 Diện tích lòng xi-lanh

Ai m Biên độ của mỗi sóng hình sin

Areb m2 Diện tích hình vành khăn tạo bởi lòng xi-lanh và cần pit-tông

aw(t) m/s2 Gia tốc có trọng số tần số theo thời gian

awx, awy, awz m/s2 Gia tốc trung bình bình phương có trọng số tần số

tương ứng theo các trục x, y, z

Ax m Biên độ kiểm tra mô hình bầu hơi, giảm chấn

az_Floor(t) m/s2 Gia tốc mặt sàn theo thời gian

az_Seat(t) m/s2 Gia tốc mặt ghế theo thời gian

β N/m2 Mô-đun khối (khả năng chống nén) của lưu chất

cp J/(kg.K) Nhiệt dung riêng đẳng áp không khí

cs Ns/m Hệ số giảm chấn của phần tử giảm chấn ở hệ thống treo xe

cu Ns/m Hệ số giảm chấn của bánh xe

cv J/(kg.K) Nhiệt dung riêng đẳng tích không khí

Das m Đường kính thân bầu hơi

F(t) N Ngoại lực tác động lên bầu hơi

Fbh N Lực do bầu hơi sinh ra

Fgc N Lực do bầu hơi sinh ra

g m/s2 Gia tốc trọng trường

Gda - Đáp ứng gia tốc ghế người lái

Gda_max - Giá trị Gda cực đại trên miền tần số

has m Chiều cao thân bầu hơi

hc W/(m2K) Hệ số trao đổi nhiệt

ks N/m Độ cứng của phần tử đàn hồi hệ thống treo xe

kx, ky, kz - Hệ số nhân tương ứng với các trục x, y, z l m Bề dày thành lỗ tiết lưu

μ - Hệ số ma sát giữa con trượt và ray trượt

mas kg Khối lượng không khí chứa bên trong bầu hơi

_ 0

m kg Khối lượng lưu chất ban đầu bên trong buồng nén

mu kg Khối lượng phần không được treo

P0 N/m2 Áp suất thiết lập ban đầu của bầu hơi

P1 N/m2 Áp suất vùng áp suất thấp

P2 N/m2 Áp suất vùng áp suất cao

Pas N/m2 Áp suất bên trong bầu hơi

Pas0 N/m2 Áp suất ban đầu bên trong bầu hơi

Patm N/m2 Áp suất khí quyển

Preb N/m2 Áp suất bên trong buồng giãn

Pcom N/m2 Áp suất bên trong buồng nén

ρ kg/m3 Khối lượng riêng lưu chất

ρreb kg/m3 Khối lượng riêng lưu chất bên trong buồng giãn

ρcom kg/m3 Khối lượng riêng lưu chất bên trong buồng nén

Q m3/s Lưu lượng lưu chất qua lỗ tiết lưu

Qas J Nhiệt lượng bầu hơi trao đổi với môi trường bên ngoài

R J/(kg.K) Hằng số khí lí tưởng

SEAT % Khả năng cách li rung động của ghế

SEATmax - Giá trị SEAT cực đại trên miền tần số

SEATmean - Giá trị SEAT trung bình trên miền vận tốc xe

Tmt K Nhiệt độ môi trường bên ngoài

Tas K Nhiệt độ bên trong bầu hơi

Te giờ Thời gian tiếp xúc với rung động

T0 giờ Thời gian làm việc tham khảo

Uas J Nội năng của không khí bên trong bầu hơi

Was J Công mà không khí bên trong bầu hơi nhận được

wd - Trọng số tần số được sử dụng cho gia tốc theo

phương x, phương y

wk - Trọng số tần số được sử dụng cho gia tốc theo

phương z

xu m Chuyển vị theo phương đứng của mu

xd m Chuyển vị theo phương đứng của người lái

x m/s Vận tốc theo phương đứng của mu

x m/s2 Gia tốc theo phương đứng của ms

y(t) m Kích thích từ mặt đường theo phương đứng

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Quy mô xe buýt ở TP HCM và Hà Nội 2019 [1, 2] 1

Hình 1 2 Người lái xe buýt ở TP Hồ Chí Minh [2] 2

Hình 1 3 Thực hiện đo đạc rung động ở tựa lưng và mặt ghế người lái [25] 3

Hình 1 4 Ảnh hưởng của hệ thống treo ghế đến người lái [29] 4

Hình 1 5 Thử nghiệm hệ thống treo ghế dạng multi-axis suspension [32] 4

Hình 1 6 Thử nghiệm hệ thống treo với các dạng đệm ghế khác nhau [35] 5

Hình 2 1 Mô hình ¼ xe 2DOF [39, 41] 8

Hình 2 2 Sơ đồ lực của các phần tử khối lượng 9

Hình 2 3 Mô hình 1/2 xe 4DOF [39, 41] 10

Hình 2 4 Mô hình toàn xe 7DOF [39, 41] 12

Hình 2 5 Biên dạng mặt đường dạng điều hòa [41] 15

Hình 2 6 Biên dạng mặt đường dạng đột ngột (transient) [41] 16

Hình 2 7 Biên dạng mấp mô mặt đường cấp B, C theo tiêu chuẩn ISO 8608 18

Hình 2 8 Các phương đo ở tư thế ngồi [4] 19

Hình 2 9 Trọng số theo tần số wk [4] 22

Hình 2 10 Mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe theo khung thời gian tiếp xúc với rung động toàn thân [54] 24

Hình 3 1 Mô hình hệ thống treo ghế ngồi người lái xe buýt thực tế 25

Hình 3 2 Các dạng bố trí phần tử đàn hồi, giảm chấn ở hệ thống treo ghế [30] 25

Hình 3 3 Mô hình phân tích rung động ghế ngồi người lái tổng thể 26

Hình 3 4 Các phần tử chính của mô hình hệ thống treo ghế 27

Hình 3 5 Cấu tạo bầu hơi hệ thống treo ghế 27

Hình 3 6 Các trạng thái biến dạng khi vận hành của bầu hơi 28

Hình 3 7 Mối quan hệ giữa lực tác dụng F và độ biến dạng của bầu hơi z 28

Hình 3 8 Cấu tạo giảm chấn hệ thống treo ghế 29

Hình 3 9 Kì nén, giãn của giảm chấn 30

Hình 3 10 Mối quan hệ giữa lực tác dụng F và tốc độ chuyển vị tương đối v 30

Hình 3 11 Cấu tạo cơ cấu dẫn hướng 31

Hình 3 12 Trạng thái vận hành cơ cấu dẫn hướng 31

Hình 3 13 Mô hình tính toán bầu hơi 32

Hình 3 14 Mô hình bầu hơi biến dạng đoạn y 34

Hình 3 15 Quá trình nén giảm chấn (thể tích buồng nén giảm) 35

Hình 3 16 Quá trình giãn giảm chấn (thể tích buồng giãn giảm) 38

Hình 3 17 Lưu lượng lưu chất qua lỗ tiết lưu 39

Hình 3 18 Mô hình tính cơ cấu dẫn hướng hệ thống treo ghế 41

Hình 3 19 Vận tốc tương đối vKD 42

Hình 3 20 Tách khớp A, B, C, D 43

Hình 3 21 Tách thanh AC 44

Hình 4 1 Mô hình kiểm tra bầu hơi 47

Hình 4 2 Phản lực bầu hơi theo độ biến dạng bầu hơi y ở các giá trị P0 khác nhau 48

Hình 4 3 Phản lực bầu hơi theo tốc độ biến dạng bầu hơi dy ở các P0 khác nhau 48 Hình 4 4 Mô hình kiểm tra giảm chấn 49

Hình 4 5 Phản lực giảm chấn theo độ biến dạng y ở các giá trị dh khác nhau 50

Hình 4 6 Phản lực giảm chấn theo tốc độ biến dạng dy ở các giá trị dh khác nhau 50

Hình 4 7 Quy trình thực hiện kích thích mô hình 51

Hình 4 8 Độ lún của ghế sau khi người ngồi lên theo thời gian, dh = 2.8 (mm) 52

Hình 4 9 Áp suất của bầu hơi sau khi người ngồi lên theo thời gian, dh = 2.8 (mm) 53

Hình 4 10 Khả năng cách li rung động trên miền tần số SEAT, P0 = 2 (bar) 54

Hình 4 11 Khả năng cách li rung động trên miền tần số SEAT, P0 = 4 (bar) 55

Hình 4 12 Khả năng cách li rung động trên miền tần số SEAT, P0 = 6 (bar) 55

Hình 4 13 SEATmax được tổng hợp theo P0 và dh trên miền tần số 56

Hình 4 14 Đáp ứng gia tốc người lái trên miền tần số Gda, P0 = 2 (bar) 57

Hình 4 15 Đáp ứng gia tốc người lái trên miền tần số Gda, P0 = 4 (bar) 58

Hình 4 16 Đáp ứng gia tốc người lái trên miền tần số Gda, P0 = 6 (bar) 58

Hình 4 17 Gda_max được tổng hợp theo P0 và dh trên miền tần số 59

Hình 4 18 Khả năng cách li rung động hệ thống treo ghế SEAT trên đường loại B, C, P0 = 2 (bar) 61

Hình 4 19 Khả năng cách li rung động hệ thống treo ghế SEAT trên đường loại B, C, P0 = 4 (bar) 61

Hình 4 20 Khả năng cách li rung động hệ thống treo ghế SEAT trên đường loại B, C, P0 = 6 (bar) 62

Hình 4 21 Giá trị trung bình của SEAT được tổng hợp theo P0 và dh trên đường loại B, C 62

Hình 4 22 Mức độ êm dịu và ảnh hưởng đến sức khỏe người lái, P0 = 2 (bar) 64

Hình 4 23 Mức độ êm dịu và ảnh hưởng đến sức khỏe người lái, P0 = 4 (bar) 64

Hình 4 24 Mức độ êm dịu và ảnh hưởng đến sức khỏe người lái, P0 = 6 (bar) 65

Hình 4 25 Giá trị trung bình của aw, A(8) được tổng hợp theo P0 và dh trên đường loại B, C 65

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2 1 Phân loại cấp mặt đường theo tiêu chuẩn ISO 8608 17

Bảng 2 2 Giá trị trọng số tần số w và hệ số nhân k theo các phương x, y, z ở trạng thái ngồi [4] 20

Bảng 2 3 Các thông số hàm chuyển đổi của các đường trọng số tần số cơ bản [4] 21 Bảng 2 4 Phản ứng với rung động tòa thân theo cường độ gia tốc [4] 22

Bảng 4 1 Bảng đánh giá khả năng cách li rung động của ghế trên miền tần số 57

Bảng 4 2 Bảng đánh giá đáp ứng gia tốc người lái Gda trên miền tần số 60

Bảng 4 3 Bảng đánh giá khả năng cách li rung động SEAT trên đường B, C 63

Bảng 4 4 Bảng đánh giá mức độ êm dịu và ảnh hưởng đến sức khỏe trên đường B, C 66

Chương 1: MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

1.1.1 Hiện trạng điều kiện làm việc của người lái xe buýt 1.1.1.1 Quy mô xe buýt các thành phố lớn ở nước ta

Xe buýt chủ yếu hoạt động dày đặc ở các thành phố lớn với nhu cầu cao trong việc di chuyển quãng đường ngắn bằng phương tiện công cộng như ở thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội Tính đến cuối năm 2019, tổng xe buýt ở Hà Nội là trên 1100 xe với 140 tuyến, tuy nhiên, lượng xe này chỉ đang đáp ứng được 9% nhu cầu đi lại, theo đại diện sở GTVT Hà Nội [1] Theo báo cáo của đại diện Sở GTVT thành phố Hồ Chí Minh, số lượng xe buýt tính đến cuối năm 2021 là 2100 xe với 126 tuyến [2] Tuy nhiên, con số này chỉ mới đáp ứng được 9,2% nhu cầu giao thông đô thị năm 2015, mục tiêu đáp ứng 15% - 20% nhu cầu giao thông đô thị từ năm 2022 [2] Chính vì thế trong tương lai, việc thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh tăng cường số lượng xe để đáp ứng nhu cầu tăng cao là không thể tránh khỏi Điều này kéo theo việc nâng cao tần suất số chuyến, thời gian hoạt động mỗi ngày Vì vậy, lực lượng lái xe cũng phải tăng theo để đáp ứng kịp thời, trung bình mỗi xe buýt sẽ được luân phiên lái bởi hai tài xế trong hai ca làm việc mỗi ngày [3], nên hiện tại có hơn 6400 người lái đang làm việc luân phiên và dự kiến sẽ tăng cao trong tương lai

Hình 1 1 Quy mô xe buýt ở TP HCM và Hà Nội 2019 [1, 2]

05001000150020002500

1.1.1.2 Hiện trạng điều kiện làm việc của của người lái xe buýt

Với đặc thù làm việc liên tục nhiều giờ và nhiều ngày xuyên suốt trong môi trường chịu nhiều rung chấn khi di chuyển, nên đa phần người lái xe sau thời gian dài làm việc đều chịu những ảnh hưởng nhất định của rung động lên sức khỏe Vấn đề này đã và đang xảy ra ở nhiều nơi trên thế giới không chỉ Việt Nam

Hình 1 2 Người lái xe buýt ở TP Hồ Chí Minh [2]

Rung động ở vị trí ngồi của người lái xe được xem là một trong những dạng rung động toàn thân [4] Những ảnh hưởng của rung động toàn thân trong thời gian dài lên sức khỏe con người từ lâu đã được quan tâm và nghiên cứu [4-8] Người lái xe chịu rung động toàn thân trong toàn bộ thời gian vận hành phương tiện, điều này tiềm ẩn nguy cơ gây ra những căn bệnh nghề nghiệp nguy hiểm sau nhiều năm làm việc liên tục [4, 5, 7, 8] Cụ thể, rung động toàn thân làm gia tăng nguy cơ thoái hóa cột sống, thoát vị đĩa đệm, suy giảm chức năng hệ tiêu hóa và cơ quan sinh sản của nữ giới [4, 7] Chứng đau lưng dưới, thoái hóa đốt sống cổ ở người lái xe cũng được kết luận liên quan đến rung động toàn thân [9-17] Rung động toàn thân trong vùng tần số 0.5-100 Hz có liên quan nhất đến sức khỏe, hoạt động và sự thoải mái của cơ thể [4, 6] Đối với người ngồi, rung động bên trong cơ thể bị khuếch đại mạnh nhất ở tần số 2-5 Hz theo phương đứng và 1-3 Hz theo phương ngang, sự không thoải mái diễn ra lớn nhất ở tần số quanh vùng 5 Hz [6, 18-20] Có nhiều yếu tổ ảnh hưởng đến mức độ rung động toàn thân ở người lái như loại xe, mặt đường, tốc độ, hệ thống treo xe, loại ghế ngồi, tư thế , [6, 21]

Trên thế giới, việc đánh giá hiện trạng chịu rung động toàn thân của người lái xe buýt nói riêng và người lái xe nói chung được thực hiện qua các nghiên cứu như so sánh mức độ rung động toàn thân giữa người lái xe buýt sàn cao và xe buýt sàn thấp trên cùng một tuyến đường [22, 23], nghiên cứu đánh giá mức độ rung động toàn thân của người lái với tư thế ngồi ở các góc nghiêng tựa lưng cũng như góc nghiêng mặt ghế [24-26]

Hình 1 3 Thực hiện đo đạc rung động ở tựa lưng và mặt ghế người lái [25] Phân tích rung động toàn thân ở người lái xe theo các tiêu chuẩn ISO 2631–1:1997 và BS - 6841 [18], rung động toàn thân của người lái được đánh giá thông qua dữ liệu gia tốc thu thập từ điện thoại thông minh [27] Tuy nhiên, theo khảo sát hiện nay ở Việt Nam, với số lượng lớn người lao động là lái xe như trên nhưng vấn đề sức khỏe của người lái xe vẫn chưa được quan tâm đúng mức và chưa có nghiên cứu nào đánh giá cụ thể mức độ rung động của người lái ở bất kì môi trường làm việc nào từ đó đưa ra các khuyến nghị về tần suất làm việc để đảm bảo sức khỏe theo TCVN 6964–1:2001 [28] Nếu không được đánh giá điều kiện làm việc và quan tâm sức khỏe kịp thời, người lái xe mắc bệnh nghề nghiệp sẽ là gánh nặng của xã hội trong

tương lai bởi nguy cơ mắc phải các bệnh tiềm tàng do rung động toàn thân là rất lớn

1.1.2 Hiện trạng nâng cao độ êm dịu ghế ngồi người lái xe buýt

Hình 1 4 Ảnh hưởng của hệ thống treo ghế đến người lái [29]

Đối với các loại xe tải, xe khách và xe buýt, thông thường ghế ngồi người lái được trang bị hệ thống treo để giảm rung động truyền từ sàn xe lên người lái Hiệu quả của các loại hệ thống treo ghế được so sánh thông qua khả năng cắt giảm rung động toàn thân Nghiên cứu tổng quan so sánh ưu nhược điểm giữa hệ thống treo ghế bị động, bán tự động và tự động điều khiển từ đó kết luận hiệu quả của mỗi loại ở các trường hợp sử dụng khác nhau [30, 31] Nghiên cứu ứng dụng hệ thống treo ghế dạng multi-axis suspension (giảm được rung động theo hai phương đứng và ngang) để nâng cấp hiệu quả cắt giảm rung động toàn thân so với ghế thường single-axis suspension (chỉ giảm rung động theo phương đứng) bằng phương pháp thực nghiệm [32]

Hình 1 5 Thử nghiệm hệ thống treo ghế dạng multi-axis suspension [32]

Nghiên cứu tối ưu hóa trong cắt giảm mức độ phơi nhiễm rung động theo phương đứng bằng mô hình toán với phần tử đàn hồi, giảm chấn tuyến tính và thực nghiệm, trong đó, mô hình toán được khảo sát so sánh với mô hình thí nghiệm ghế thực tế [33] Nghiên cứu thiết kế so sánh giữa các dạng hệ thống treo ghế với cơ cấu dẫn hướng khác nhau có tích hợp tính năng tự điều khiển cắt giảm rung động theo phương đứng truyền lên cơ thể người [34] Nghiên cứu khảo sát mô hình hệ thống treo ghế với đệm ghế phi tuyến đo từ thực nghiệm để dự đoán ứng xử của người lái từ đó lựa chọn thông số vận hành tối ưu [35]

Hình 1 6 Thử nghiệm hệ thống treo với các dạng đệm ghế khác nhau [35] Nghiên cứu tìm kiếm độ dày tấm đệm lót mặt ghế và đệm lót tựa lưng phù hợp trong cắt giảm rung động theo phương đứng cho ghế ngồi trên mặt rung nói chung, trong đó chủ yếu khảo sát đáp ứng gia tốc trên miền tần số kích thích [36]

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là đặc tính dao động của người lái và hệ thống treo ghế dưới kích thích điều hòa và ngẫu nhiên với mô hình mô tả hệ thống treo ghế gồm phần tử đàn hồi phi tuyến, giảm chấn phi tuyến, có xét đến ảnh hưởng động học của phần tử dẫn hướng

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu chỉ xét dao động của người lái và hệ thống treo ghế theo phương đứng Mô hình toán học mô tả phần tử đàn hồi là bầu hơi dạng phi tuyến không xét đến ảnh hưởng co dãn do vật liệu của bầu hơi gây ra, mô hình toán học mô tả phần tử giảm chấn không xét đến ma sát giữa vỏ và pít-tông giảm chấn và xem như nhiệt độ giảm chấn không thay đổi Đối với cơ cấu dẫn hướng xem như khối lượng hai cánh dẫn hướng nhỏ và bỏ qua mô-men quán tính sinh ra

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xây dựng được mô hình toán học tổng quát mô tả động lực học hệ thống treo ghế ngồi người lái xe buýt với các phần tử đàn hồi phi tuyến, giảm chấn phi tuyến, tích hợp ảnh hưởng động học của phần tử dẫn hướng

Từ mô hình tổng quát đó tiến hành phân tích rung động của người lái (độ êm dịu, mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe), khả năng cách ly rung động hệ thống treo ghế theo các trường hợp vận hành dưới kích thích điều hòa và ngẫu nhiên với áp suất ban đầu của bầu hơi, độ mở lỗ tiết lưu của giảm chấn khác nhau

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Mô hình toán học của phần tử đàn hồi là bầu hơi được thiết lập dựa trên phương trình trạng thái khí lí tưởng mô tả đặc tính của khối khí kết hợp với phương trình trao đổi năng lượng mô tả sự thay đổi nội năng dẫn đến sự thay đổi đặc tính của khối khí khi có ngoại lực tác dụng

Mô hình toán học của phần tử giảm chấn thủy lực được thiết lập dựa trên việc mô tả khối lượng lưu chất trao đổi qua lại giữa buồng nén và buồng giãn thông qua mối liên hệ giữa khối lượng, thể tích, khối lượng riêng, lưu lượng và áp suất lưu chất Trong đó, lưu lượng trao đổi được thiết lập dựa trên việc mô tả dòng chảy qua lỗ tiết lưu

Cuối cùng phương trình tổng quát được giải thông qua chương trình Matlab Code

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô hình mô phỏng

Để có thể mô phỏng quá trình truyền rung động từ mặt đường lên vị trí người lái, mô hình mô phỏng rung động tổng thể nhất thiết cần hai thành phần là mô hình mô phỏng rung động thân xe kết hợp với mô hình mô phỏng rung động hệ thống treo ghế Trong đó, mô hình mô phỏng rung động thân xe có nhiệm vụ nhận tín hiệu kích thích từ mặt đường truyền lên sàn xe, sau đó tín hiệu này được dùng làm tín hiệu đầu vào cho mô hình mô phỏng hệ thống treo ghế Có nhiều dạng mô hình phân tích rung động thân xe đơn giản (là các mô hình được đơn giản hóa từ mô hình thực tế) như mô hình ¼ xe 2DOF (Degree Of Freedom), mô hình ½ xe 4DOF, mô hình toàn xe 7DOF, Các mô hình này sau đó được chuyển sang mô hình mô phỏng có thể tương tác với máy tính Có ba phương pháp mô tả mô hình đơn giản thành mô hình mô phỏng rung động trên máy tính được dùng phổ biến hiện nay là phương pháp xây dựng mô hình động lực học đa vật thể (Multi-body dynamic method), phương pháp xây dựng mô hình phần tử hữu hạn (Finite element method) và phương pháp xây dựng mô hình toán học trực tiếp (thông qua việc phân tích động học, động lực học xây dựng nên các phương trình vi phân động lực học mô tả cơ hệ) (Numerical method) Trong nghiên cứu này, mô hình toán học trực tiếp được sử dụng

2.1.1 Giới thiệu ứng dụng mô hình đơn giản trong phân tích rung động

Rung động xuất hiện trong quá trình làm việc gây ảnh hưởng rất lớn đến độ êm dịu, sức khỏe và khả năng lái của người lái xe buýt [4, 37] Trong đó, yếu tố gia tốc theo tiêu chuẩn ISO: 2631–1–1997 là thông số đặc trưng trong việc đánh giá độ êm dịu, sức khỏe [4] và chuyển vị tương đối của hệ thống treo ghế người lái là thông số đặc trưng trong việc đánh giá khả năng lái [37, 38] Để thuận tiện cho việc phân tích các yếu tố trên, nhiều nghiên cứu thực hiện mô phỏng rung động mô hình xe được đơn giản hóa từ mô hình thực tế [39-41] Mục đích của việc mô phỏng và phân tích rung động là để dự đoán ứng xử của mô hình xe dưới các điều kiện vận hành khác nhau trong thực tế [42] Phương pháp phân tích rung động với mô hình đơn giản hóa

từ mô hình thực tế thông qua dựng mô hình toán trực tiếp sau đó giải bằng chương trình máy tính đang được sử dụng phổ biến

Việc ứng dụng mô hình toán học vào phân tích gia tốc người lái và chuyển vị tương đối hệ thống treo từ lâu đã được nghiên cứu [40, 43] Trong đó, nghiên cứu phân tích gia tốc thân xe với mô hình ¼ xe 2DOF chịu kích thích mặt đường ngẫu nhiên đánh giá độ êm dịu của hành khách theo tốc độ chuyển động [44, 45] Phân tích đáp ứng gia tốc thân xe và chuyển vị tương đối hệ thống treo xe với mô hình ¼ xe 2DOF [39] và mô hình toàn xe 10DOF [46] dưới kích thích điều hòa Tối ưu hóa hệ thống treo bằng mô hình ¼ xe để tăng độ êm dịu, cải thiện đáp ứng của thân xe [47] và tối ưu hóa hệ thống treo ghế ngồi người lái xe buýt bằng mô hình 1DOF [48]

Bên cạnh đó, ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn xây dựng bởi Ansys APDL phân tích đáp ứng gia tốc thân xe với mô hình ¼ xe 2DOF [42, 49] Ứng dụng Matlab Simmechanics xây dựng mô hình động lực học đa vật thể toàn xe 7DOF phân tích gia tốc thân xe, chuyển vị tương đối hệ thống treo và góc lắc thân xe trên miền tần số tự nhiên và tỉ lệ giảm chấn hệ thống treo [50] Ứng dụng Matlab Simmechanics phân tích đáp ứng gia tốc thân xe bằng mô hình đoàn xe sơ-mi rơ-móoc [51]

2.1.2 Các dạng mô hình đơn giản mô phỏng rung động thân xe

2.1.2.1 Mô hình ¼ xe 2DOF

Hình 2 1 Mô hình ¼ xe 2DOF [39, 41] Trong đó:

 mu, ms: Lần lượt là khối lượng phần không được treo, khối lượng thân xe (kg)  cu, cs: Lần lượt là hệ số giảm chấn của phần tử giảm chấn ở bánh xe, hệ thống

– giảm chấn là lốp xe (ku, cu), hệ thống treo xe (ks, cs) Khi chuyển động trên đường

dưới kích thích từ mặt đường y(t), các phần tử khối lượng dao động theo phương

đứng với chuyển vị x, vận tốc 𝑥̇ và gia tốc 𝑥̈

Hình 2 2 Sơ đồ lực của các phần tử khối lượng Mô hình toán học:

 M   X  C   X     KX  F (2.1)

 m: Khối lượng ½ thân xe (kg)

 Ix: Mô-men quán tính khối lượng quanh trục Ox của ½ thân xe (kg.m2)  m1, m2: Khối lượng phần không được treo trái, phải (kg)

 k, kt: Độ cứng bộ phận đàn hồi hệ thống treo và bánh xe trái, phải (N/m)

 c: Hệ số giảm chấn hệ thống treo trái, phải (Ns/m)

 kR: Độ cứng hệ thống chống xoắn thân xe (Nm/rad)  x, x1, x2: Chuyển vị theo phương đứng của m, m1, m2 (m)

 y1, y2: Kích thích từ mặt đường ở bánh xe phải, trái (m)  b: Khoảng cách từ trọng tâm đến các bánh xe trái, phải (m)

 ø: Góc lắc thân xe trong mặt phẳng ngang (rad) Mô hình toán học:

 M   X  C   X     KX  F (2.2) Trong đó:

tt

Hình 2 4 Mô hình toàn xe 7DOF [39, 41] Trong đó:

 m: Khối lượng toàn thân xe (kg)

 Ix, Iy: Mô-men quán tính khối lượng quanh trục Ox, Oy của thân xe (kg.m2)  m1, m2, m3, m4: Khối lượng phần không được treo tương ứng tại các bánh xe

 a1, a2: Khoảng cách từ trọng tâm đến các bánh trước, sau (m)  φ, θ: Góc lắc thân xe trong mặt phẳng ngang, dọc (rad)

Mô hình toán học:

 M   X  C   X     KX  F (2.3) Trong đó:

tftftrtr

 c31 = c12 = 2a2cr – 2a1cf

 c22 = 2b2cf + 2b2cr

 c33 = 2cf a1+2cra2 k11 = 2kf + 2kr

2.2 Kích thích từ mặt đường

Các dạng tín hiệu kích thích từ mặt đường được dùng làm tín hiệu đầu vào cho các mô hình toán học để mô tả chuyển vị của bánh xe theo thời gian Trong lĩnh vực nghiên cứu về rung động ô tô, tín hiệu kích thích từ mặt đường tổng thể có ba dạng chính là dạng điều hòa (harmonic excitation), dạng đột ngột (transient excitation) và dạng ngẫu nhiên (random excitation) [41]

Trong đó, mỗi dạng có mục đích sử dụng chính sau:

+ Dạng điều hòa (harmonic): Dùng để khảo sát thông số dao động trên miền tần số như khảo sát đáp ứng gia tốc người lái, chuyển vị tương đối hệ thống treo để kiểm tra xem ở mỗi giá trị tần số kích thích thì ứng xử của cơ hệ sẽ như thế nào so với kích thích đầu vào (lớn hơn hoặc nhỏ hơn bao nhiêu lần)

+ Dạng đột ngột (transient): Theo tiêu chuẩn IRC-99-1988 [52], dùng để khảo sát đáp ứng của cơ hệ khi chịu kích thích với biên độ lớn và đột ngột từ mặt đường như

khi đi qua gờ giảm tốc, các mấp mô lồi, lõm trên đường Từ đó kiểm tra được xem cơ hệ có mất tính an toàn và khả năng làm việc hay không Như trong trường hợp hệ thống treo bị biến dạng vượt quá độ biến dạng cho phép

+ Dạng ngẫu nhiên (random): Theo tiêu chuẩn ISO – 8608 [53], dùng để khảo sát đáp ứng gia tốc theo thời gian từ đó tính toán giá trị trung bình bình phương gia tốc có trọng số tần số theo tiêu chuẩn ISO 2631 – 1 – 1997 để đánh giá mức độ êm dịu và mức độ ảnh hưởng sức khỏe dưới tác động của rung động toàn thân [4] Bên cạnh đó, tín hiệu này của được dùng để đánh giá khả năng cách ly rung động của hệ thống treo nói chung và hệ thống treo ghế nói riêng

2.2.1 Kích thích từ mặt đường dạng hàm điều hòa

Hình 2 5 Biên dạng mặt đường dạng điều hòa [41]

Kích thích mặt đường dạng hàm điều hòa được thể hiện với hàm toán học (2.4):

 t: Thời gian (s)

2.2.2 Kích thích từ mặt đường dạng đột ngột

Hình 2 6 Biên dạng mặt đường dạng đột ngột (transient) [41] Kích thích mặt đường dạng đột ngột được thể hiện với hàm toán học (2.5):

 t: Thời gian (s)

2.2.3 Kích thích từ mặt đường dạng ngẫu nhiên

Tiêu chuẩn ISO 8608 [53] mô tả một phương pháp thống nhất để trình bày và phân tích các dữ liệu thu được từ quá trình đo thực nghiệm mấp mô mặt đường theo phương thẳng đứng trong các điều kiện khác nhau như: Đường phố, đường cao tốc hay các đường địa hình phức tạp Tiêu chuẩn cũng nêu ra các phương pháp để đánh giá chất lượng từng loại đường dựa trên phổ công suất mặt đường (Power Spectral Density - PSD) [41]

Theo tiêu chuẩn ISO 8608 phổ công suất của mấp mô mặt đường theo phương thẳng đứng được cho bởi phương trình (2.6)

  0

       

Trong đó:

Theo tiêu chuẩn ISO 8608 [53] mặt đường có mấp mô ngẫu nhiên được chia

thành các loại khác nhau kí hiệu từ A đến E Với giá trị độ giảm biên độ w = 2, mỗi

loại mặt đường được định nghĩa bằng giá trị tham chiếu 0theo bảng 2.1 Bảng 2 1 Phân loại cấp mặt đường theo tiêu chuẩn ISO 8608

 Ai: Biên độ của mỗi sóng hình sin

 i: Tần số sóng tương ứng với biên độ sóng  i : Tập hợp ngẫu nhiên bất kì trong khoảng 0÷2π

Biên độ của mỗi sóng hình sin được xác định theo (2.8)  

A      iN (2.8) Với số sóng iđược chọn tương ứng với N khoảng bước chia bằng nhau của 

Hình 2 7 Biên dạng mấp mô mặt đường cấp B, C theo tiêu chuẩn ISO 8608 Trong giới hạn nhiệm vụ và mục tiêu của nghiên cứu chỉ xét đáp ứng trên miền tần số và đánh giá độ êm dịu, mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe nên tín hiệu điều hòa (harmonic) và ngẫu nhiên (random) được sử dụng

2.3 Phân tích đáp ứng trên miền tần số

Tại mỗi giá trị của tần số của kích thích điều hòa tác dụng, đáp ứng gia tốc ghế

người lái Gda được xác định theo (2.9) Thông thường giá trị này bị đánh giá không

đạt khi Gda > 3 [40]

  max

xG

2.4 Tiêu chuẩn và phương pháp đánh giá 2.4.1 Tiêu chuẩn ISO 2631:1-1997

Hình 2 8 Các phương đo ở tư thế ngồi [4]

Nghiên cứu thực hiện đánh giá mức độ êm dịu của người lái xe theo tiêu chuẩn ISO 2631:1–1997 [4] Các trục chính của cơ thể người khi thực hiện đo rung động ở tư thế ngồi được mô tả trong hình 2.8 Trong đó, xét vị trí tiếp xúc giữa thân dưới và

mặt ghế thì trục z là trục đứng có phương dọc theo cột sống của người, trục x là trục dọc có phương vuông góc với trục z và hướng về phía trước mặt người ngồi, trục y là trục ngang có phương vuông góc với trục x và trục z

Tiêu chuẩn ISO 2631:1-1997 [4] nêu ra phương pháp đánh giá rung động cơ bản dùng giá trị gia tốc trung bình bình phương (Root Mean Square - RMS) có trọng số

tần số theo thời gian aw được tính toán theo (2.10)

201

 T: Thời gian đo (s)

Theo ISO 2631:1–1997 [4], để đánh giá mức độ êm dịu và thoải mái của người

ngồi, giá trị av là gia tốc tổng hợp của cả ba phương x, y, z được sử dụng và tính toán

 awx, awy, awz: Gia tốc trung bình bình phương có trọng số tần số tương ứng theo

các trục x, y, z được tính toán theo (2.11), (m/s2)

 kx, ky, kz; Hệ số nhân tương ứng với các trục x, y, z, theo bảng 2.2

Trong giới hạn của nghiên cứu chỉ xét rung động theo phương đứng nên giá trị

Phân đoạn 1: Đánh giá sức khỏe khi chịu rung động toàn thân

Giá trị hai dãy trọng số tần số wd, wk trong dãy 1/3 octa quy định theo tiêu chuẩn

ISO 2631:1-1997 [4] được thể hiện trên hình 2.9 Trong đó, đường trọng số wd được

sử dụng cho gia tốc theo phương x, phương y và đường wk được sử dụng cho gia tốc

theo phương z Trong giới hạn của nghiên cứu chỉ xét rung động theo phương đứng z, hình 2.8, nên giá trị trọng số wk được sử dụng

Các giá trị trọng số tần số wk được xác định bằng mô-đun của hàm chuyển đổi

số

Giới hạn dãy tần số

Phép biến đổi gia tốc – vận tốc

Hình 2 9 Trọng số theo tần số wk [4]

Gia tốc tổng hợp av được quy định trong thang đo từ thấp đến cao ở bảng 2.4 để

mô tả các mức độ khác nhau trong phản ứng với rung động toàn thân của người ngồi [4]

Bảng 2 4 Phản ứng với rung động toàn thân theo cường độ gia tốc [4]

Cường độ av (m/s2) Phản ứng với rung động Mức đánh giá

av < 0.315 Không có cảm giác không thoải mái 1

0.315< av <0.63 Có cảm giác chút ít về sự không thoải mái 2

0.5< av <1 Có cảm giác rõ rệt về sự không thoải mái 3

2.4.2 Tiêu chuẩn 2002/44/EC

Mức độ ảnh hưởng của rung động toàn thân đối với sức khỏe người lái được đánh giá theo hướng dẫn 2002/44/EC [54] thông qua giá trị phơi nhiễm rung động trong

một ngày làm việc 8 (giờ) A(8) Giá trị A(8) bắt đầu ảnh hưởng đến sức khỏe khi vượt