Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Phân tích dao động ghế ngồi người lái xe buýt

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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 mụ hỡnh ẳ xe 2DOF (Degree Of Freedom), mụ hỡnh ẵ xe 4DOF, mụ hỡnh 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 phõn tớch gia tốc thõn xe với mụ hỡnh ẳ xe 2DOF chịu kớch thớch mặt đường ngẫu nhiên đánh giá độ êm dịu của hành khách theo tốc độ chuyển động [44, 45] Phân tích đỏp ứng gia tốc thõn xe và chuyển vị tương đối hệ thống treo xe với mụ hỡnh ẳ xe 2DOF [39] và mô hình toàn xe 10DOF [46] dưới kích thích điều hòa Tối ưu hóa hệ thống treo bằng mụ hỡnh ẳ xe để tăng độ ờm dịu, cải thiện đỏp ứng của thõn 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 phõn tớch đỏp ứng gia tốc thõn xe với mụ hỡnh ẳ 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

Hỡnh 2 1 Mụ hỡnh ẳ xe 2DOF [39, 41]

 m u , m s : Lần lượt là khối lượng phần không được treo, khối lượng thân xe (kg)

 c u , c s : Lần lượt là hệ số giảm chấn của phần tử giảm chấn ở bánh xe, hệ thống treo xe (Ns/m)

 k u , k s : Lần lượt là độ cứng của phần tử đàn hồi ở bánh xe, hệ thống treo xe (N/m)

 x u , x s : Lần lượt là chuyển vị theo phương đứng của khối lượng không được treo, thân xe (m)

 x u , x s : Lần lượt là vận tốc theo phương đứng của khối lượng không được treo, thân xe (m/s)

 x u , x s : Lần lượt gia tốc theo phương đứng của khối lượng không được treo, thân xe và ghế người lái (m/s 2 )

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

Mụ hỡnh ẳ xe 2DOF thể hiện ở hỡnh 2.1 gồm cú hai phần tử khối lượng m u , m s , hai phần tử này liên kết với nhau và liên kết với mặt đường qua các phần tử đàn hồi – giảm chấn là lốp xe (k u , c u ), hệ thống treo xe (k s , c s ) 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

       M , C , K : Lần lượt là ma trận khối lượng, ma trận hệ số giảm chấn và ma trận độ cứng

   X ,         X , X : Lần lượt là ma trận chuyển vị, ma trận vận tốc, ma trận gia tốc

Hình 2 3 Mô hình 1/2 xe 4DOF [39, 41]

 m: Khối lượng ẵ thõn xe (kg)

 I x : Mụ-men quỏn tớnh khối lượng quanh trục Ox của ẵ thõn xe (kg.m 2 )

 m 1 , m 2 : Khối lượng phần không được treo trái, phải (kg)

 k, k t : 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)

 k R : Độ cứng hệ thống chống xoắn thân xe (Nm/rad)

 x, x 1 , x 2 : Chuyển vị theo phương đứng của m, m 1, m 2 (m)

 y 1 , y 2 : Kích thích từ mặt đường ở bánh xe phải, trái (m)

 b: Khoảng cách từ trọng tâm đến các bánh xe trái, phải (m)

 ứ : Gúc lắc thõn xe trong mặt phẳng ngang (rad)

2.1.2.3 Mô hình toàn xe 7DOF

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

 m: Khối lượng toàn thân xe (kg)

 I x , I y : Mô-men quán tính khối lượng quanh trục Ox, Oy của thân xe (kg.m 2 )

 m 1 , m 2 , m 3 , m 4 : Khối lượng phần không được treo tương ứng tại các bánh xe (kg)

 k f , k r : Độ cứng bộ phận đàn hồi hệ thống treo trước, sau (N/m)

 c f , c r : Hệ số giảm chấn hệ thống treo trước, sau (Ns/m)

 k Rf , k Rr : Độ cứng hệ thống chống xoắn thân xe phía trước, sau (Nm/rad)

 x, x 1 , x 2 , x 3 , x 4 : Chuyển vị theo phương đứng của m, m 1, m 2 , m 3, m 4 (m)

 y 1 , y 2 : Kích thích từ mặt đường ở bánh xe trái – trước, phải – trước (m)

 y 3 , y 4 : Kích thích từ mặt đường ở bánh xe trái – sau, phải – sau (m)

 b: Khoảng cách từ trọng tâm đến các bánh xe trái, phải (m)

 a 1 , a 2 : Khoảng cách từ trọng tâm đến các bánh trước, sau (m)

 φ, θ: Góc lắc thân xe trong mặt phẳng ngang, dọc (rad)

Trong giới hạn của nghiên cứu chỉ xét dao động theo phương đứng của người lái và hệ thống treo ghế, không xét đến các dao động lắc và xoay của người lái nên mô hỡnh ẳ xe 2DOF được sử dụng để mụ tả rung động thõn xe Mụ hỡnh ẳ xe 2DOF về sau được tích hợp với mô hình hệ thống treo ghế (được xây dựng riêng ở chương 3) thành mô hình tổng thể mô tả rung động người lái 3DOF.

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):

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):

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   0 : Giá trị mật độ phổ công suất (m 3 /rad) tại số sóng   0 1

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  0 theo bảng 2.1

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

Biên dạng mấp mô ngẫu nhiên của mặt đường được tính toán xấp xỉ cộng tác dụng của nhiều sóng hình sin  N    theo (2.7)

 A i : 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)

Với số sóng  i được 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.

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 G da được xác định theo (2.9) Thông thường giá trị này bị đánh giá không đạt khi G da > 3 [40]

 max   x d : Biên độ gia tốc ghế người lái ở trạng thái ổn định (m/s 2 )

 max   y : Biên độ gia tốc kích thích (m/s 2 )

Tiêu chuẩn và phương pháp đánh giá

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 a w được tính toán theo (2.10)

 a w (t): Gia tốc có trọng số tần số theo thời gian (m/s 2 )

Theo ISO 2631:1–1997 [4], để đánh giá mức độ êm dịu và thoải mái của người ngồi, giá trị a v là gia tốc tổng hợp của cả ba phương x, y, z được sử dụng và tính toán theo (2.11)

 a wx , a wy , a wz : 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/s 2 )

 k x , k y , k z ; 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 a v được tính theo (2.12) w v z z a k a (2.12)

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]

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

Vị trí Phương đo Trọng số w Hệ số nhân k

Phân đoạn 2: Đánh giá độ êm dịu khi chịu rung động toàn thân

Giá trị hai dãy trọng số tần số w d , w k 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 w d được sử dụng cho gia tốc theo phương x, phương y và đường w k 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 w k được sử dụng

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

 Hàm chuyển đổi tần số cao (2.14):

 Hàm chuyển đổi tần số thấp (2.15):

 Phép biến đổi gia tốc – vận tốc (2.16):

Bảng 2 3 Các thông số hàm chuyển đổi của các đường trọng số tần số cơ bản [4]

Giới hạn dãy tần số

Phép biến đổi gia tốc – vận tốc

Hình 2 9 Trọng số theo tần số w k [4]

Gia tốc tổng hợp a v 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 a v (m/s 2 ) Phản ứng với rung động Mức đánh giá a v < 0.315 Không có cảm giác không thoải mái 1

0.315< a v