Thu thập dữ liệu các dao động tại ghế người lái và phân tích, xử lý dữ liệu bằng phần mềm Matlab, từ đó so sánh và đánh giá kết quả với các tiêu chuẩn dao động ảnh hưởng đến sức khỏe con
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Dao động và sự ảnh hưởng của dao động
- Ô tô và các phương tiện vận tải nói chung khi hoạt động sẽ sinh ra các dao động, các dao động này tác động trực tiếp lên người sử dụng Những dao động này dưới dạng sóng cơ học được truyền trực tiếp lên con người làm cho cả cơ thể hoặc từng bộ phận của cơ thể dao động theo
- Cơ thể con người có thể xem như một hệ thống cơ học đàn hồi có tần số dao động riêng từ 3 ÷ 30 Hz và có khả năng hấp thụ những dao động có tần số đến 8000 Hz Khi chịu lực kích thích các bộ phận của cơ thể người sẽ thực hiện các chuyển động tương đối với nhau và truyền các rung động lẫn nhau
- Dao động mặc dù có cường độ trung bình, nhưng thời gian tác động kéo dài cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến cơ thể nếu tần số dao động không phù hợp Các thí nghiệm cho thấy dao động với tần số từ 3 ÷ 5 Hz sẽ gây ra các phản ứng ở cơ quan tiền đình, những rối loạn liên quan đến sự lưu thông máu, gây choáng Dao động từ 5 Hz đến 11 Hz gây rối loạn ở đường tai trong, ảnh hưởng đến dạ dày, gan, ruột Dao động với tần số 11 ÷ 15 Hz làm giảm thị lực, gây buồn nôn
Bảng 2.1- Mức độ ảnh hưởng của dao động đến sức khỏe con người ứng với các dãy tần số
Tần số [Hz] Các ảnh hưởng
< 0.1 Gây ra chứng say sóng
0,125 ~ 2,5 Gây buồn nôn, choáng váng, có thể ảnh hưởng đến khả năng điều khiển an toàn của người lái
3 ~ 5 Gây ra các phản ứng ở tiền đình, những rối loạn liên quan đến sự lưu thông máu, gây choáng
5 ~ 11 Gây rối loạn ở đường tai trong, ảnh hưởng đến dạ dày, ruột
11 ~ 15 Giảm thị lực, gây buồn nôn
15 ~ 18 Gây ra cảm xúc khó chịu trong thời gian ngắn
15 ~ 1500 Gây ra tổn hại đến sức khỏe khi chịu tác động trong thời gian dài
- Một số dao động có thể không làm nguy hại đến sức khỏe con người nhưng vẫn có thể làm giảm khả năng nhạy bén, giảm khả năng thu thập và xử lý thông tin Điều này rất nguy hiểm cho các lái xe di chuyển trên đường dài vì làm giảm khả năng nhanh nhạy, chọn lọc thông tin đường xá, dẫn đến xử lý chậm các tình huống trên đường và tăng khả năng gây tai nạn giao thông
- Ở tần số 1÷2 Hz tương ứng với tần số của người đi bộ, ở tần số này con người không cảm thấy khó chịu.
Cơ sở lý thuyết đánh giá độ êm dịu
- Trong trường hợp dao động tự do không có lực cản, tần số góc dao động riêng của khối lượng được treo trên một trục có thể xác định gần đúng theo công thức:
Trong đó: Độ đàn hồi của phần tử đàn hồi trong hệ thống treo Độ đàn hồi của lốp Khối lượng được treo - Tần số góc dao động riêng của khối lượng không được treo trên một trục:
√ (2.2) với Khối lượng không được treo - Tần số góc dao động là chỉ tiêu đầu tiên để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô
- Giá trị cho phép tần số góc dao động được xác định theo tần số dao động của người đi bộ Đối với xe khách: ( lần/phút) Đối với xe tải: ( lần/phút)
- Đây là chỉ tiêu sơ bộ nhưng rất quan trọng, giá trị này ứng với dao động chính của ô tô do hệ thống treo gây ra
2.2.2 Chỉ tiêu về gia tốc dao động
- Chỉ tiêu đánh giá về gia tốc dao động bao gồm nhiều phương gia tốc khác nhau: giá trị gia tốc ngang (là giá trị gia tốc tác dụng lên người tài xế khi đánh lái ), giá trị gia tốc dọc (là giá trị gia tốc tác dụng lên người tài xế khi tăng tốc hoặc giảm tốc ), giá trị gia tốc thẳng đứng (là giá trị gia tốc tác dụng lên người tài xế khi đi qua các đường mấp mô ) Trong các giá trị gia tốc nói trên thì giá trị gia tốc thẳng đứng có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người lái trong thời gian dài, các giá trị gia tốc còn lại thường khó hạn chế ảnh hưởng đến người lái nên chỉ tiêu về gia tốc dao động chủ yếu tính đến chỉ tiêu đánh giá tính êm dịu chuyển động dựa vào giá trị gia tốc thẳng đứng
- Chỉ tiêu đánh giá tính êm dịu chuyển động dựa vào giá trị của gia tốc thẳng đứng của dao động và số lần va đập do độ mấp mô của bề mặt đường gây ra trên 1 km đường chạy
- Muốn đánh giá được một xe có tính êm dịu chuyển động hay không, người ta cho ô tô chạy trên một đoạn đường nhất định, trong thời gian đó dụng cụ đo đặt trên ô tô sẽ ghi lại số lần va đập i tính trung bình trên 1 km đường và gia tốc thẳng đứng của xe tương ứng Dựa vào hai thông số đó, người ta so sánh với đồ thị chuẩn xem xe thí nghiệm đạt được độ êm dịu chuyển động ở thang bậc nào Chỉ tiêu trên cho ta kết quả nhanh, tuy nhiên chưa thật chính xác vì theo phương pháp này chưa tính tới thời gian tác động của gia tốc thẳng đứng ̈
Hình 2.1-Đồ thị đặc trưng mức êm dịu chuyển động của ô tô
2.2.3 Chỉ tiêu về gia tốc và vận tốc dao động
- Chỉ tiêu này được lựa chọn trên cơ sở đánh giá cảm giác xuất hiện trong thời gian dao động Cảm giác dao động được đánh giá theo hệ số êm dịu chuyển động K.K là một đại lượng không thứ nguyên phụ thuộc vào tần số dao động, gia tốc dao động, vận tốc dao động và hướng của dao động tương ứng với trục của cơ thể con người
K được biểu diễn như sau: ̈
0 : Tần số góc dao động (Hz) ̈ : Gia tốc dao động (m/s 2 )
( ̈) Giá trị trung bình của gia tốc dao động (m/s 2 ) Được tính như sau:
T- thời gian tác dụng - Hệ số K càng nhỏ thì con người càng dễ chịu đựng dao động và độ êm dịu càng cao
K = 0.1 tương ứng với ngưỡng kích thích [K] = 10 ~ 25 khi ngồi lâu trên xe
[K] = 25 ~ 63 khi đi ngắn - Nếu chịu tác động của dao động ngẫu nhiên nhiều tần số, có thể tách chúng thành các dao động điều hoà riêng rẽ, ứng với mỗi dao động điều hòa có tần số i ta tính được một giá trị Ki, khi đó hệ số K chung sẽ là:
2.2.4 Chỉ tiêu về công suất dao động
- Chỉ tiêu này dựa trên giả thiết rằng các cảm giác của con người trong dao động phụ thuộc vào công suất dao động truyền cho con người đó Công suất trung bình truyền cho người chịu dao động là:
P(t) : Lực tác động lên con người khi dao động V(t) : Vận tốc dao động
- Theo thực nghiệm các giá trị cho phép của chi tiêu này được xác định như sau:
[N c ] = 0.2÷0.3 (W) Tương ứng với cảm giác thoải mái [N c ] = 0.6÷10 (W) Giới hạn cho phép đối với ô tô có tính cơ động cao - 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:
( )̈ Giá trị bình phương trung bình của gia tốc dao động thẳng đứng truyền qua chân
( ̈) Giá trị bình phương trung bình của gia tốc thẳng đứng truyền qua ghế ngồi
( )̈ Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương dọc ( )̈ Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương ngang Hệ số K được cho bởi biểu đồ thực nghiệm
- Các nghiên cứu chỉ ra, những tác động phụ truyền qua chân không lớn như những tác động truyền qua ghế ngồi vì trong tư thế đứng tác dụng của dao động bị yếu đi bởi các khớp xương của chân Các dao động con người chịu trong tư thế ngồi sẽ làm tổn thương cột sống
2.2.5 Chỉ tiêu về gia tốc và thời gian dao động
- Chỉ tiêu này chủ yếu dành cho người lái và những người có thời gian đi trên ô tô lâu Khi ngồi trên ô tô với khoảng thời gian dài dao động sẽ làm cho cơ thể con người mệt mỏi ảnh hưởng đến lao động hay sức khỏe Các thí nghiệm kéo dài trong 8 giờ, với tần số dao động nằm trong khoảng được xem là nhạy cảm hơn cả đối với sức khỏe con người (4 8H Z ), các giá trị của toàn phương gia tốc dao động tác động lên con người tạo ra các cảm giác:
Gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe: 0,63 m/s 2
- Các chỉ tiêu trên là quan trọng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô
Trong đó chỉ tiêu về tần số dao động là chỉ tiêu đầu tiên cần quan tâm đến
Việc đánh giá độ êm dịu của ô tô sẽ càng xác thực nếu được phối hợp với các chỉ tiêu khác Ưu điểm của chỉ tiêu này là có thể tính toán, đo đạc tương đối dễ dàng trong điều kiện Việt Nam
- Ngoài các chỉ tiêu trên người ta còn để ý đến các chỉ tiêu đánh giá dao động ảnh hưởng đến sự va đập của hệ thống treo, đến chất lượng ổn định chuyển động của ô tô.
Phương pháp đánh giá độ êm dịu
- Để đánh giá tác động dao động đến các bộ phận trên cơ thể người dựa theo tiêu chuẩn VDI 2057 năm 2002
- Đánh giá mức độ êm dịu của một phương tiện giao thông dựa trên mức độ rung động phụ thuộc vào một loại bề mặt đường tham khảo và thiết lập các giá trị tham khảo Các rung động trên xe thường được gây ra bởi:
+ Trọng lượng và chuyển động xoay của hệ thống truyền lực
+ Điều khiển lái + Biên dạng mặt đường - Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ và cảm nhận nhận thức của con người về các dao động bao gồm:
+ Tần số + Cường độ + Điểm đặt lực + Phương lực + Thời gian tác dụng lực + Tư thế và vị trí của người ngồi
Hình 2.2-Mô hình dao động kết hợp giữa xe, ghế ngồi người lái và con người
- Để đánh giá mức độ rung động của một chiếc xe thì không những các dao động do tăng tốc rất quan trọng mà các tần số của các rung động liên quan đến tần số tự nhiên cũng quan trọng không kém tác động đến cơ thể con người Tiêu chuẩn VDI 2057 dùng để đánh giá mức độ ảnh hưởng các rung động cơ khí tác động đến cơ thể con người, trong đó các tác động theo phương thẳng đứng là hướng dao động chính của các dao động trên xe đối với người ngồi lẫn người đứng
Trong đó: n E : tần số kích thích v : là vận tốc của xe (m/s)
L : bước mấp mô của mặt đường (m) - Theo tiêu chuẩn VDI 2057 năm 2002 giá trị tác dụng của tần số chủ yếu dựa trên gia tốc a wT được tính như sau:
Trong đó: T là khoảng thời gian rung động
- Một phần năng lượng trong quá trình tăng tốc tương đương với gia tốc tần số trọng lượng a wi , với mỗi tần số hoặc các dãy tần số có thể tính toán bằng cách nhân các giá trị gia tốc a i của mỗi phần tần số W i Nhân tố W i phụ thuộc vào tần số kích thích và đưa vào tần số phụ thuộc bởi các ảnh hưởng của gia tốc lên cơ thể con người Dãy tần số cực kỳ nguy hiểm gia tốc theo phương đứng từ 4÷8 Hz và dãy tần số nguy hiểm gia tốc theo phương ngang từ 1÷2Hz
Hình 2.3-Đường biểu diễn tần số trọng lượng theo phương đứng và phương ngang áp dụng cho người ngồi và đứng trên xe
- Tần số, cường độ và khoảng thời gian kích thích là các thông số quan trọng cho các cảm nhận về sự thoải mái của con người Từ đó dự đoán các dấu hiệu xấu ảnh hưởng đến sức khỏe trong một khoảng thời gian
Hình 2.4-Biểu đồ đánh giá mức độ nguy hại đến sức khỏe khi cơ thể chịu gia tốc a w trong khoảng thời gian T e
- Vùng nguy hại sức khỏe trên biểu đồ hình 2.7 khi chịu tác động trong thời gian dài (khoảng 8 giờ): vùng 1 với gia tốc a w (8)= 0.45 m/s vùng 2 với gia tốc a w (8)= 0.80 m/s Từ (2-9) ta có:
Bảng 2.2-Mô tả mối quan hệ giữa gia tốc tần số trọng lượng và cảm nhận dao động của con người trong khoảng thời gian trên 4 giờ
Giá trị a wT của gia tốc a w (t) Cảm nhận dao động của con người
< 0.010 m/s2 Không cảm nhận được dao động
0.015 m/s2 Ngưỡng cảm nhận dao động
0.020 m/s2 Cảm nhận được dao động
0.080 m/s2 Dễ dàng cảm nhận được dao động
0.315 m/s2 Cảm nhận dao động rõ ràng
> 0.315 m/s2 Cảm nhận dao động rất rõ ràng
Các tiêu chuẩn đánh giá khác về dao động
- Các hướng dẫn đầu tiên về đánh giá ảnh hưởng dao động toàn thân (WBV) được đưa ra năm 1974 (ISO 2631) Sau nhiều lần sửa đổi, bổ sung, tiêu chuẩn được phát hành chính thức năm 1985 là Tiêu chuẩn ISO 2631 (1985), đánh giá tính êm dịu chuyển động của ô tô theo gia tốc thẳng đứng
- Tiêu chuẩn đưa ra các giới hạn cho phép của gia tốc trung bình bình phương theo phương thẳng đứng
+ Thời gian tác dụng càng lâu, ngưỡng chịu đựng càng thấp + Tần số dao động có ảnh hưởng lớn nhất trong vùng 4 ~ 8 Hz + Tần số dao động có ngưỡng chịu đựng cao trong vùng 1 ~ 2 Hz
- Nước Anh không chấp nhận tiêu chuẩn ISO 2631 (1985), mà đưa ra tiêu chuẩn riêng BS 6841 (1987)
- Sự khác biệt chính: Đưa ra phương pháp đo và đánh giá dao động mới, gọi là chỉ số Giá trị Mức độ Rung động (Vibration Dose Value – VDV)
- Tiêu chuẩn Úc AS 2670.1 – 1990 đồng nhất với tiêu chuẩn ISO 2631/1 – 1985
- Xác lập giới hạn cho 3 yếu tố sau:
+ Giới hạn chịu rung động
+ Giới hạn về suy giảm mức độ thành thạo do mỏi
- Tiêu chuẩn ISO 2631-1 :1997 là bước cải tiến của tiêu chuẩn ISO 2631:1985
+ Tiêu chuẩn mới bỏ qua khái niệm giới hạn về suy giảm mức độ thành thạo do mỏi
+ Sử dụng “vùng khuyến cáo” để phân loại sự tiếp xúc với rung động giữa các giới hạn tùy theo thời gian tiếp xúc Vượt ra khỏi giới hạn này được xem là “có thể gây ra thương tích”
+ Sử dụng chỉ số VDV của tiêu chuẩn Anh BS 6841 Khu vực khuyến cáo là khu vực có trị số VDV đạt 8.5 m/s 2 , khu vực có khả năng nguy hại đến sức khỏe là khu vực VDV đạt 17 m/s 2
2.4.5 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6964 - 1:2001
- TCVN 6964-1:2001 hoàn toàn tương đương với ISO 2631-1:1997
- Mục đích: Xác định phương pháp đánh giá rung động toàn thân liên quan đến:
+ Sức khỏe và độ tiện nghi của người chịu rung động
+ Khả năng cảm nhận rung động
+ Sự gây chóng mặt buồn nôn do rung động
- Phương pháp đánh giá: Dựa vào giá trị trọng số gia tốc (rms)
+ Trên cơ sở tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1:1997, nhà nước ta cũng ban hành bộ TCVN 6964-1:2001, hoàn toàn tương đương với ISO 2631-1:1997
+ Mục tiêu của TCVN 6964-1:2001 là xác định phương pháp đánh giá rung động toàn thân với biên độ nhỏ, liên quan đến:
+ Sức khoẻ và độ tiện nghi của con người chịu rung động + Khả năng cảm nhận rung động
+ Sự chóng mặt buồn nôn do rung động + Phương pháp đánh giá là dựa vào trọng số gia tốc r.m.s hay còn gọi là gia tốc bình phương trung bình + Trọng số gia tốc r.m.s tính bằng m/s 2 đối với rung động tịnh tiến và rad/s 2 đối với rung động quay.Gia tốc r.m.s được tính bằng công thức sau:
Trong đó: aw(t): Gia tốc rung động tịnh tiến hoặc quay, là hàm số theo thời gian, tính bằng m/s 2 hay rad/s 2
T: Khoảng thời gian rung động (s) + Theo TCVN 6964-1:2001: phản ứng của cơ thể con người đối với những mức rung động khác nhau phụ thuộc vào trọng số gia tốc a w như sau :
Bảng 2.3-Phản ứng của cơ thể con người đối với những mức rung động khác nhau phụ thuộc vào trọng số gia tốc
< 0.315 m/s 2 Không có cảm giác khó chịu 0.315 m/s 2 – 0.63 m/s 2 Có cảm giác chút ít về sự không thoải mái
0.5 m/s 2 – 1 m/s 2 Khá là không thoải mái 0.8 m/s 2 – 1.6 m/s 2 Không thoải mái
>2 m/s 2 Cực kỳ không thoải mái
Cơ sở lý thuyết bài toán thực nghiệm
- Có nhiều dao động trên xe buýt tác động làm ảnh hưởng đến sức khỏe và sự tập trung của người lái tuy nhiên dao động chủ yếu theo phương thẳng đứng là dao động tác động làm ảnh hưởng nhiều nhất đến người lái Xem người lái ngồi trên xe dao động theo mô 3 bậc tự do [5 như hình 2.5 Trong mô hình này ôtô và người lái là mô hình dao động gồm ba vật thể (Bánh xe, khung xe, ghế và người lái) có khối lượng riêng biệt liên kết với nhau bằng các bộ phận đàn hồi giảm chấn
Hình 2.5 -Mô hình người lái xe u t chưa tối ưu h a
- Để giảm mệt mỏi cho người lái, phải tối ưu hóa dao động của ghế lái, là làm cho dao dộng của ghế lái dần về không khi chịu tác dụng lực dao động.
- Trong trường hợp này, chọn phương pháp thay đổi hệ số giảm chấn c s độ đàn hồi ks của ghế lái bằng cách lắp thêm hệ thông treo cho ghế Mô hình tối ưu hóa dao động của người lái xe buýt như sau: ình -Mô hình tối ưu h a dao động người lái xe u t
Trong đó: m w : khối lượng của bánh xe [kg] m b : khối lượng được treo [kg] m s : khối lượng ghế và người lái [kg c w : hệ số giảm chấn của bánh xe [Ns/m] c b : hệ số giảm chấn của hệ thống treo [Ns/m c s : hệ số giảm chấn của ghế lái [Ns/m c 1 : hệ số giảm chấn của hệ treo ghế lái [Ns/m] k w : độ đàn hồi của lốp [N/m] k b : độ đàn hồi của phần tử hệ thống treo [N/m k s : độ đàn hồi của ghế lái [N/m k 1 : độ đàn hồi của hệ thống treo ghế lái [N/m]
- Hệ phương trình trên có thể sử dụng để xác định phương trình chuyển động của 1 hệ dao động Tuy nhiên, đối với trường hợp dao động nhỏ và tuyến tính, chúng ta sử dụng phương trình Lagrange cụ thể như sau:
(2.16) Trong đó K là động năng, V là thế năng của hệ, D là hàm tiêu tán của hệ: ̇ , - ̇ ∑ ∑ ̇ ̇ (2.17)
- Trường hợp hệ dao động có n DOF, phương trình Lagrange cho ta hệ có n phương trình vi phân cấp 2 Xét hệ dao động 1DOF chịu tác dụng của ngoại lực f tác dụng lên khối vật như hình 2.7
Khi có chuyển động trong hệ Ta có:
- Hàm tiêu tán do giảm chấn hấp thụ: ̇ (2.22)
Do: ̇ ̇ ; ; ̇ ̇ ; Theo phương trình Lagrange:
Hình 2.7-Hệ dao động 1 DOF
2.5.3 Phương pháp xác định các thông số theo lý thuyết 2.5.3.1 Các dạng hàm tác dụng từ mặt đường
2.5.3.1.1 Hàm điều hòa hình sin
Với: : Chiều dài mấp mô
: Chiều cao mấp mô : Vận tốc xe
Hình 2.8-Mô hình ôtô chuyển động trên mặt đường mấp mô với vận tốc v
Hình 2.9-Mô hình ôtô chuyển động trên mặt đường biên dạng thay đổi đột ngột, vận tốc v
Mô hình toán học của hàm bước được biểu diễn như sau:
(2.25) Trong đó: t là thời gian (s); h_start và h_end lần lượt là khoảng thời gian bánh xe bắt đầu rơi xuống bậc và leo lên khỏi bậc
2.5.3.1.3 Hàm bán bình phương hình sin
- Bán bình phương hàm sin được thể hiện bằng mô hình toán học [7]:
Trong đó: t_start = 0, thời điểm ngay tại đó bánh xe bắt đầu tiếp xúc với bậc t_end = 0.5d 1 /v: thời điểm ngay khi bánh xe bắt đầu rời khỏi bậc
Hình 2.10-Biên dạng mặt đường mô tả bằng án ình phương hàm sin 2.5.3.1.4 Theo quy luật tuần hoàn ngẫu nhiên
- Biến dạng mặt đường theo quy luật tuần hoàn ngẫu nhiên [4] như hình sau:
Hình 2.11-Biên dạng mặt đường theo quy luật tuần hoàn ng u nhi n
- Ta có thể xem như biên dạng mặt đường là tổng của các biên dạng hình sin
Các hàm sin tạo thành một dãy gọi là dãy Fourier ( ) ( ) ( ) ( )
- Bằng cách chuyển đổi giá trị khoảng cách sang thời gian Ta có hàm biểu diễn biên dạng mặt đường theo quy luật tuần hoàn ngẫu nhiên theo thời gian như sau:
Trong đó: y k : Là biên độ dao động y 0 : Là biên độ dao động ban đầu tại x 0 : Tần số góc x: độ dài của một chu kỳ - Biên dạng mặt đường theo khoảng cách có thể viết dưới dạng số phức như sau:
- Biên dạng mặt đường theo thời gian có thể viết dưới dạng số phức như sau:
- Bằng cách vẽ biên độ dao động y k của từng hàm trong dãy Fourier với tần số góc riêng ta được đồ thị biểu diễn biên dạng mặt đường theo quy luật tuần hoàn ngẫu nhiên dưới đạng đồ thị cột như sau:
Hình 2.12- h n t ch tần số dao động theo d y ourier 2.5.3.1.5 Theo quy luật ngẫu nhiên
- Biên dạng mặt đường trên thực tế không tuân theo quy luật tuần hoàn Khi đó ta xem mặt đường tuân theo quy luật biến thiên tuần hoàn với thời gian thực hiện một chu kỳ T Trong trường hợp này biên dạng mặt đường theo chuyển vị được xác định theo tích phân như sau [4]:
( ) ∫ ( ) (2.31) Từ đây ta có thể tính biên độ liên tục của dãy như sau:
Biên dạng mặt đường theo thời gian được xác định theo công thức sau:
2.5.3.2 Xác định độ đàn hồi của lốp
Tính độ cứng thẳng đứng của lốp xe k_ t1,t2,t3 : ( vertical stiffness) [8]
K w : độ đàn hồi của lốp [N/m]
AR: tỉ số giữa chiều cao và chiều rộng lốp xe S N : chiều rộng danh nghĩa lốp xe
D R : Đường kính vành lốp xe
Hình 2.13-Mặt cắt lốp xe
2.5.3.3 Xác định hệ số độ cứng nhíp của hệ thống treo ình -Thông số k ch thước lò xo lá
Công thức tính hệ số độ cứng lò xo lá [4]:
(2.35) Trong đó: K: là hệ số độ cứng [N/m] h: bề dày lá nhíp [m] n: số lá nhíp w: bề rộng lá nhíp [m] l: chiều dài ẵ lỏ nhớp [m]
E: mô-dun đàn hồi vật liệu thép lò xo
Mặt cắt chiều cao lốp xe
2.5.3.4 Xác định hệ số giảm chấn
- Ta cần tính hệ số giảm chấn c của giảm chấn và qui đổi sang hệ số giảm chấn của mô hình tính toán như hình
- Thông số hệ số giảm chấn qui đổi tối ưu cho hầu hết các hệ thống treo có thể xác định theo công thức: c ≈ 0,112πm [Ns/m]
Hình 2.15-Đồ thị tối ưu hệ số giảm chấn cho xe có khối lượng m với tần số f ≈ z
- Ta cần xác định tải trọng phân bố lên mỗi bánh xe, từ đó xác định được hệ số giảm chấn phù hợp dựa theo công thức c ≈ 0,112πm [Ns/m
2.5.3.5 h ng số iên dạng mấp m mặt đường
Do xe buýt chủ yếu chạy trên các tuyến đường thành phố nên chọn biên dạng mặt đường dạng bán bình phương hình sin để tính dao động ghế lái
Hình 2.16-Biên dạng mặt đường mô tả bằng án ình phương hàm sin
Bán bình phương hàm sin được thể hiện bằng mô hình toán học [5]:
Trong đó: t_start = 0, thời điểm ngay tại đó bánh xe bắt đầu tiếp xúc với bậc t_end = 0.5d 1 /v: thời điểm ngay khi bánh xe bắt đầu rời khỏi bậc
Hình 2.17-Dao động hình Sin
Phương trình dao động hình Sin: ( ) ( ) (2.37)
P.trình dao động hình Sin theo thời gian P trình dao động hình Sin theo không gian
C : Biên độ dao động C : Biên độ dao động
T : chu kỳ Tần số λ : Bước sóng
Tần số góc: Số lượng bước sóng :
Phương trình kết hợp giữa sin và cos, sử dụng công thức lượng giác: d(t) * ( )+ , - (2.38)
2.5.5 Fast Fourier Transform (FFT) 2.5.5.1 Khái niệm tín hiệu
- Trong lĩnh vực truyền thông, xử lý tín hiệu, và trong kỹ thuật điện nói chung, tín hiệu là đại lượng bất kỳ biến thiên theo thời gian hoặc không gian
- Biến số (hay đại lượng) này thay đổi theo thời gian
Tín hiệu âm thanh là biên độ âm thanh biến thiên theo thời gian
Nhiệt độ được đo ở thời điểm các giờ khác nhau trong ngày
Giá cổ phiếu thay đổi theo ngày - Tín hiệu có thể được phân loại như sau: theo tín hiệu liên tục theo thời gian và tín hiệu rời rạc theo thời gian [6]:
Một tín hiệu rời rạc hoặc một tín hiệu rời rạc theo thời gian là một chuỗi thời gian, là một tín hiệu được lấy mẫu từ một tín hiệu liên tục theo thời gian
Tín hiệu kỹ thuật số là một tín hiệu rời rạc theo thời gian mà chỉ lấy một tập hợp rời rạc của các giá trị
Hình 2.18-Tín hiệu tuần hoàn theo thời gian
Hình 2.19-Tín hiệu rời rạc theo thời gian
2.5.5.2 Tín hiệu tuần hoàn và tín hiệu không tuần hoàn
Hình 2.20-Tín hiệu tuần hoàn
Hình 2.21-Tín hiệu không tuần hoàn
- Chu kỳ T: Khoảng thời gian tối thiểu mà tín hiệu lặp lại
- Tần số cơ bản: f 0 = 1/T - Tần số điều hoà: kf 0
- Bất kỳ một tín hiệu tuần hoàn nào có thể được xấp xỉ bằng tổng các đường hình sin ở tần số điều hoà của tín hiệu (kf 0 ) với tần số và pha tương ứng
- Thay vì dùng tín hiệu đường hình sin, toán học, chúng ta có thể sử dụng hàm mũ phức với cả hai tần số điều hoà dương và âm
- Tín hiệu dao động ghế người lái xe buýt là dữ liệu thực nghiệm thuộc loại tín hiệu không tuần hoàn
2.5.5.3 Phân tích thời gian - tần số
- Một tín hiệu có một hay nhiều tần số trong nó và có thể được xem từ hai quan điểm khác nhau: Miền thời gian và miền tần số
Hình 2.22-Chuyển đổi tín hiệu thay đổi theo thời gian sang số lượng tín hiệu trong dải tần số
- Mục đích phân tích miền tần số
Để phân tích một tín hiệu phức tạp thành những phần đơn giản hơn để tạo điều kiện cho việc phân tích
Vi phân và phương trình vi phân và phép toán nhân chập trong miền thời gian trở thành phép toán đại số trong miền tần số
- Chúng ta có thể đi giữa miền thời gian và miền tần số bằng cách sử dụng một công cụ gọi là Biến đổi Fourier [6]
Biến đổi Fourier chuyển đổi tín hiệu trong miền thời gian thành tín hiệu trong miền tần số (phổ)
Biến đổi nghịch đảo Fourier chuyển đổi những thành phần của miền tần số ngược trở lại thành tín hiệu trong miền thời gian ban đầu
- Biến đổi Fourier liên tục theo thời gian [6]:
- Biến đổi Fourier rời rạc theo thời gian [6]:
2.5.5.5 Chuỗi Fourier biểu diễn bốn loại tín hiệu
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.1-Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo gia tốc
Hình 3.2-Sơ đồ mạch điện
3.1.2 Thiết bị đo gia tốc
- Đo gia tốc tịnh tiến: 03 trục x, y, z Gia tốc đo lớn nhất là 16g (với g là gia tốc trọng trường 9,81m/s 2 )
- Đo vận tốc góc: 03 trục x, y, z Bước đo cực đại ±2000 O /giây
- Pin 4.8v, thời gian sử dụng liên tục 48 giờ - Giao tiếp không dây với bộ thu, tần số 2,4 Ghz, tốc độ truyền tối đa 2Mbp, khoảng cách tối đa 10m Có bộ lưu thời gian sử dụng 120 phút
Hình 3.3-Thiết bị đo gia tốc Motu-6050
- Mục đích sử dụng thiết bị đo gia tốc theo 3 phương X, Y, Z ứng với thời gian nhầm xác định các thông số dao động theo phương thẳng đứng Z và phương ngang X, gia tốc đo theo phương dọc Y dùng để xác định vận tốc chuyển động của xe
- Thông số kỹ thuật vi xử lý Invensense MPU-6050 của thiết bị đo gia tốc
Gyro full scale range (º/sec)
Package size (mm) ± 250 131 131 ± 2 16384 18v ± 500 65.5 65.5 ± 4 8192 I 2 C ±5% 2.375 volt 4x4x0.9 ± 1000 32.8 32.8 ± 8 4096 or ÷ ± 2000 16.4 16.4 ± 16 2048 VDD 3.46 volt
- Ứng dụng hiện tại của vi xử lý Invensense MPU-6050
+ Công nghệ BlurFree TM dùng cho thu hình ảnh/ổn định hình ảnh
+ Công nghệ Airsign TM dùng cho an ninh/xác nhận + Công nghệ TouchAnywhere TM ứng dụng điều khiển UI/định vị
+ Công nghệ MotionCommand TM dùng cử chỉ, hành động giao tiếp + Ứng dụng khung và các chuyển động cho phép trong trò chơi + Công nghệ InstantGesture TM iG TM nhận dạng cử chỉ, điệu bộ
+ Dịch vị địa điểm, vị trí và ước lượng hướng và khoảng cách + Các trò chơi thiết bị cầm tay và di động
+ Điều khiển trò chơi dựa trên chuyển động + Bộ điều khiển 3D kết nối internet DTVs + Cảm biến đo tình trạng sức khỏe
3.1.3 Sơ đồ bố trí thiết bị đo gia tốc
Hình 3.4-Vị trí lắp cảm biến gia tốc
Phương pháp đo
- Sử dụng phương pháp thực nghiệm, lắp thiết bị đo gia tốc theo 3 phương X, Y, Z và đo góc xoay X, Y, Z dưới ghế tài xế và dưới sàn xe để thu thập dữ liệu dao động tác động lên sàn xe và vị trí ghế ngồi người lái trên dòng xe đã xác định sau đó ta tiến hành phân tích dữ liệu và so sánh với các tiêu chuẩn dao động để xác định độ êm dịu của ghế tài xế từ đó đưa ra phương án cải thiện độ êm dịu ghế tài xế bằng các tăng hệ số đàn hồi cho ghế hoặc hệ số giảm chấn
Pát lắp cảm biến gia tốc được cố định lên khung ghế người lái
Cảm biến gia tốc được lắp ở vị trí trung tâm và được cố định chắc chắn bằng bu-lông
3.3 Mô hình thực nghiệm dao động toàn xe
Hình 3.5-Mô hình dao động toàn xe
- Z 1 , Z 2 , Z 3 , Z 4 : thông số mấp mô mặt đường tác dụng lên xe - Z ' 1 , Z ' 2 : dao động tác dụng lên cầu trước và cầu sau
- Z '' : dao động tác dụng lên sàn xe - Z ''' : dao động tác dụng lên ghế ngồi người lái - K w : thông số độ đàn hồi lốp xe
- K f : thông số độ đàn hồi hệ thống treo trước - C f : thông số giảm chấn hệ thống treo trước - K r : thông số độ đàn hồi hệ thống treo sau - C r : thông số giảm chấn hệ thống treo sau - K c : thông số độ đàn hồi của ghế ngồi người lái - C c : thông số giảm chấn của ghế ngồi người lái
Mô hình thực nghiệ dao động toàn xe
4.1 Quy trình phân tích dữ liệu dao động ghế người lái xe buýt bằng phương pháp thực nghiệm
Triển khai tiến hành thu thập dữ liệu thực nghiệm
Xác định giá trị biên độ đặc trưng
Xác định giá trị tần số đặc trưng
Kết thúc Phương pháp phân bố Gauss
Phương pháp biến đổi Fourier (FFT)
Biến đổi dữ liệu thực nghiệm từ miền thời gian thành miền tần số Xác định giá trị tần số đặc trưng xuất hiện nhiều nhất Xác định giá trị gia tốc đặc trưng xuất hiện nhiều nhất
Thời gian lấy mẫu 0.01 mili giây Đo gia tốc Az theo thời gian
Lọc các sai số và các tín hiệu bị nhiểu Điều chỉnh dữ liệu thực nghiệm về giá trị cân bằng quanh vị trí trung bình Xử l{ tín hiệu gia tốc thực nghiệm theo miền thời gian
Xử l{ tín hiệu đặt trưng toàn phần
Biên độ đặc trưng toàn phần
Tần số đặc trưng toàn phần i lần
Hình 4.1-Quy trình phân tích dữ liệu dao động ghế người lái xe buýt bằng phương pháp thực nghiệm
XỬ LÝ DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM
Quy trình phân tích dữ liệu dao động ghế người lái xe buýt bằng phương pháp thực nghiệm
Triển khai tiến hành thu thập dữ liệu thực nghiệm
Xác định giá trị biên độ đặc trưng
Xác định giá trị tần số đặc trưng
Kết thúc Phương pháp phân bố Gauss
Phương pháp biến đổi Fourier (FFT)
Biến đổi dữ liệu thực nghiệm từ miền thời gian thành miền tần số Xác định giá trị tần số đặc trưng xuất hiện nhiều nhất Xác định giá trị gia tốc đặc trưng xuất hiện nhiều nhất
Thời gian lấy mẫu 0.01 mili giây Đo gia tốc Az theo thời gian
Lọc các sai số và các tín hiệu bị nhiểu Điều chỉnh dữ liệu thực nghiệm về giá trị cân bằng quanh vị trí trung bình Xử l{ tín hiệu gia tốc thực nghiệm theo miền thời gian
Xử l{ tín hiệu đặt trưng toàn phần
Biên độ đặc trưng toàn phần
Tần số đặc trưng toàn phần i lần
Hình 4.1-Quy trình phân tích dữ liệu dao động ghế người lái xe buýt bằng phương pháp thực nghiệm
Các ước phân tích dữ liệu dao động ghế người lái xe buýt bằng phương pháp thực nghiệm
- Trong quá trình xe buýt chuyển động, các mấp mô mặt đường tác động lên bánh xe gây nên các rung động thông qua lốp xe một phần nhỏ dao động được hấp thụ, các dao động tiếp tục truyền qua hệ thống treo hấp thụ phần lớn các dao động bằng bộ phận giảm chấn và bộ phận đàn hồi Dao động tiếp tục truyền qua khung xe đến ghế tài xế Các dao động truyền đến ghế người lái càng lớn thì càng ảnh hưởng đến sức khỏe người lái
Hình 4.2-Mô hình dao động khi xe qua các mấp mô
- Phân tích dữ liệu dao động ghế người lái xe buýt bằng phương pháp thực nghiệm nhằm xác định tần số f và biên độ dao động bằng cách thu thập dữ liệu gia tốc A z theo thời gian hoạt động của xe buýt từ đó phân tích và đánh giá kết quả thu được có phù hợp với tiêu chuẩn về dao động cho xe buýt và từ đó đề ra phương án cải thiện dao động tại ghế người lái
4.2.1 Gia tốc A z theo thời gian
Hình 4.3-Hình minh họa dữ liệu được thu thập
- Theo bảng số liệu trên trong quá trình phân tích chỉ phân tích dao động theo phương đứng của ghế người lái do đây là tác nhân chính của dao động tác động lên người lái, dữ liệu phân tích bao gồm thông số gia tốc A z thời gian thu thập dữ liệu Time Các thông số còn lại A x gia tốc theo phương ngang ghế người lái, A y gia tốc theo phương dọc ghế người lái, các thông số G x , G y , G z là góc xoay quanh phương ngang, dọc và phương đứng của ghế người lái
Hình 4.4-Gia tốc A z theo thời gian
4.2.2 Điều chỉnh giá trị gia tốc thực nghiệm về giá trị cân bằng quanh vị trí trung bình
- Do gia tốc trọng trường nên thông số gia tốc A z khi đo nằm ở khoảng giá trị gần bằng 1m/s 2
- Điều chỉnh dữ liệu thực nghiệm về giá trị cân bằng quanh vị trí trung bình
Hình 4.5-Gia tốc A z theo thời gian sau khi dời về giá trị cân bằng
4.2.3 Lọc các giá trị nhiễu
- Khoảng thời gian từ 0-20 giây đầu tiên (hình 4-5) là giá trị bị nhiễu khi lắp cảm biến lên ghế tài xế và lúc xe chưa hoạt động Ta lọc các giá trị không mong muốn, các thông số bị nhiễu trong quá trình thu thập dữ liệu
Hình 4.6-Gia tốc A z theo thời gian sau lọc các tín hiệu bị nhiễu
4.2.4 Xác định iên độ đặc trƣng
- Hình 4.7 thể hiện nửa chu kì dương, biên độ dao động A z ≥ 0 Tại giá trị gia tốc cực đại A zmax =1,7095*g cũng như tại các điểm gia tốc Az tăng đột biến khác là lúc xe qua đường gồ ghề
- Biên độ cực đại A zmax =1,7095*g → ∑
Hình 4.7-Nửa chu kỳ dao động với A z ≥0
- Tập hợp các giá trị trung bình A z >0 có giá trị: ̅̅̅ →Tổng giá trị trung bình Az: ∑ ̅̅̅
Hình 4.8-Giá trị trung bình A z ≥0
- Để xác định giá trị đặc trưng biên độ cho mỗi tín hiệu thực nghiệm đo đạc được ta dùng phương pháp để xác định mật độ phân bố Gauss trong khoảng giới hạn giá trị biên độ thực nghiệm đo được
- Biểu đồ Gauss cho thấy mật độ phân bố gia tốc A z Biên độ giá trị gia tốc được thể hiện ở biểu đồ Gauss cho thấy giá trị trung bình mật độ phân bố gia tốc tương ứng với biên độ đặc trưng A z =0,1012*g = 0.1012 * 9.81 (m/s 2 )
- Biểu đồ Gauss: trục tung (Density) thể hiện mật độ phân bố, trục hoành (Magnitude) thể hiện mật độ phân bố là giá trị xuất hiện của dữ liệu nhiều trên biểu đồ thu được, tương ứng với điểm cực trị của mật độ phân bố
- Với biểu đồ Gauss A z trên ta xác định được biên độ đo lần 1 với mật độ tập trung ở giá trị là:
Az 1 = 0.1012*g → Tổng giá trị trung bình A z : ∑ ̅̅̅̅̅
- Kết luận: Dựa vào bảng 2.3 - Phản ứng của cơ thể con người đối với những mức rung động khác nhau phụ thuộc vào trọng số gia tốc, trang 23 Theo phân tích dữ liệu thực nghiệm vị trí người lái xe buýt JAC ta thấy gia tốc qua phân tích dữ liệu thực nghiệm ta thấy tại các thời điểm gia tốc cực đại cho thấy tại vị trí người lái chịu tác động xấu đến cơ thể người lái cũng như tại các thời điểm gia tốc trung bình thì cơ thể người lái vẫn phải chịu tác động rất không thoải mái Vì thế cần có một giải pháp tối ưu để cải thiện ghế người lái cho xe buýt JAC
Bảng 4.1-So sánh kết quả phân tích dữ liệu thực nghiệm gia tốc tại vị trí ghế ngồi người lái JAC và bảng tiêu chuân về phản ứng của cơ thể con người đối với những mức rung động khác nhau phụ thuộc vào trọng số gia tốc
Stt Giá trị gia tốc từ phân tích dữ liệu thực nghiệm xe buýt JAC tại vị trí ghế ngồi
Giá trị gia tốc theo bảng 2.3
Cảm giác của con người
>2 m/s 2 Cực kỳ không thoải mái
Tại vị trí phân tích dữ liệu thực nghiệm giá trị gia tốc cực đại A zmax khi A z >0 thì gia tốc lớn gấp 8 lần Cần có giải pháp hạn chế để ít ảnh hưởng sức khỏe người lái
>2 m/s 2 Cực kỳ không thoải mái
Tại vị trí phân tích dữ liệu thực nghiệm tổng giá trị gia tốc cực đại
∑ lớn gấp 16.5 lần Cần có giải pháp hạn chế để ít ảnh hưởng sức khỏe người lái
Tại vị trí phân tích dữ liệu thực nghiệm tổng giá trị đặc trưng gia tốc
∑ ̅̅̅̅̅ nằm trong khoảng 1.25 m/s 2 -2.5m/s 2 Cần có giải pháp hạn chế để ít ảnh hưởng sức khỏe người lái
4.2.5 Xác định tần số đặc trƣng
- Để xác định giá trị tần số đặc trưng cho mỗi tín hiệu thực nghiệm đo đạc được ta dùng phương pháp biến đổi Fourier (Fast Fourier Transform)
Hình 4.10-Biểu đồ biến đổi Fourier
- Biểu đồ biển đổi Fourier: trục tung (Power) thể hiện mật độ phân bố tần số, trục hoành (Frequency) là giá trị tần số xuất hiện nhiều nhất trên biểu đồ thu được tương ứng với điểm cực trị của mật độ phân bố
- Với biểu đồ biến đổi Fourier trên ta xác định được tần số tập trung của dao động đo lần 1 có giá trị f 1 = 1,4076 H z
- Kết luận: Dựa vào Bảng 2.1- Mức độ ảnh hưởng của dao động đến sức khỏe con người ứng với các dãy tần số, trang 12 Theo phân tích dữ liệu thực nghiệm vị trí người lái xe buýt JAC về tần số thì ta thấy tần số trung bình nằm ở khoảng 1,4076 H z ảnh hưởng đến người lái, gây buồn nôn, choáng váng, ảnh hưởng đến khả năng điều khiển an toàn của người lái Vì thế cần có một giải pháp tối ưu để cải thiện ghế người lái cho xe buýt JAC
Bảng 4.2-So sánh kết quả phân tích dữ liệu thực nghiệm tần số tại vị trí ghế ngồi người lái JAC và bảng tiêu chuẩn về mức độ ảnh hưởng của dao động đến sức khỏe con người ứng với các dãy tần số
Stt Giá trị tần số đặc trưng từ phân tích dữ liệu thực nghiệm xe buýt JAC tại vị trí ghế ngồi
Giá trị tần số theo bảng 2.1
Gây buồn nôn, choáng váng, ảnh hưởng đến khả năng điều khiển an toàn của người lái
Cần cải thiện tần số tác động lên cơ thể người lái
4.2.6 Hàm dao động điều hòa
- Để có thể chuyển đổi tập hợp các dữ liệu thực nghiệm thành một tín hiệu có biên độ và tần số đặc trưng, ta tìm biên độ đặc trưng và tần số đặc trưng đồng thời áp dụng hàm dao động điều hòa hình Sin đối với biên độ và tần số đặc trưng tìm được để xác định dao động đặc trưng của ghế người lái với biên độ Az 1 = 0.1012*g*9.81=1.9855 (m/s 2 ) và f 1 = 1,4076 H z
