Nghiên cứu và khảo sát ảnh hưởng của dao động đến độ mệt mỏi của người lái

Nghiên cứu và khảo sát ảnh hưởng của dao động đến độ mệt mỏi của người lái Nghiên cứu và khảo sát ảnh hưởng của dao động đến độ mệt mỏi của người lái Nghiên cứu và khảo sát ảnh hưởng của dao động đến độ mệt mỏi của người lái Nghiên cứu và khảo sát ảnh hưởng của dao động đến độ mệt mỏi của người lái

TÓM TẮT Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng dao động đến người điều khiển phương tiện thực tối tượng ô tô du lịch chỗ, chỗ hoạt động thị trường Trong đó, đối tượng khảo sát sử dụng hệ thống treo khác nhau, thơng số tính tốn xác định sở xe thực tế kết hợp chọn lọc từ phần mềm Carsim Xây dựng mơ hình dao động toàn xe mặt phẳng 2D sử dụng để tính tốn khảo sát dao động Nội dung đề tài tập trung vào khảo sát đánh giá ảnh hưởng dao động đến ghế ngồi vị trí người lái với kích thích dao động từ biên dạng mặt đường khác Từ đó, xác định thông số cần thiết để so sánh với tiêu đánh giá độ êm dịu dao động xe vị trí ghế ngồi người tài xế Làm sở tham khảo để tiến hành đề xuất phương án thiết kế nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động xe, đảm bảo mặt sức khỏe, đặc biệt hiệu suất làm việc ngươì lái ô tô Đồng thời, đề xuất lắp lắp biển báo giảm tốc, độ mấp mô bề mặt đường, khuyến cáo việc chỉnh góc nghiêng mặt ghế, lưng tựa xe di chuyển qua đoạn đường v ABSTRACT Driver seat’s vibration is one of our most concern while car is running This vibration has a directly effect on driver’s condition and health; as well as traffic safety but indirect way Therefore, author decided to analyze and simulate how marketability seats and seats sedan are affected by vibration Different kinds of suspension system and those specifications are investigated in Carsim program and reality The half-car model is used in this thesis The contents of this thesis are focused on investigating the effect of vibration on driver’s seat in different kinds of road surface Based on that, we compare simulation results with the standards The result shows how much vibration in driver’s seat and in whole body of car This will the base for any suggestion in design, which ensuring the reduction of shock forces affects to driver’s health Others suggest also appear are adjust seat’s angle or the fluctuation of the road, install traffic sign warning vi MỤC LỤC TRANG Trang tựa Quyết định giao đề tài i Lý lịch khoa học ii Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Mục lục vii Danh mục hình ảnh xi Danh mục bảng xv Chƣơng 1: MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Tổng quan kết nghiên cứu nƣớc 1.2.1 Kết nƣớc 1.2.2 Kết nƣớc 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa khoa học đề tài 1.5.1 Ý nghĩa khoa học 1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn 1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các hƣớng nghiên cứu dao động ô tô 2.1.1 Hƣớng nghiên cứu bề mặt đƣờng 2.1.2 Hƣớng nghiên dao động ô tô vii 2.1.3 Hƣớng nghiên cứu cảm giác sức chịu đựng ngƣời 2.2 Những vấn đề cần đƣợc tập trung nghiên cứu giải 2.3 Dao động ô tô ảnh hƣởng đến ngƣời 2.3.1 Cơ chế tác động dao động lên thể ngƣời 2.3.2 Ảnh hƣởng dao động thể ngƣời 10 2.3.3 Những ảnh hƣởng tiện nghi 11 2.3.4 Những bệnh dao động “say sóng” 12 2.3.5 Các nguyên nhân gây dao động ô tô 12 2.4 Các tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động ô tô 12 2.4.1 Tần số dao động 13 2.4.2 Gia tốc dao động 13 2.4.3 Hệ số êm dịu chuyển động 14 2.4.4 Công suất dao động 16 2.4.5 Gia tốc dao động thời gian tác động 17 2.5 Các tiêu quốc tế dao động 19 2.5.1 Tiêu chuẩn ISO 2631 (1985) 19 2.5.2 Tiêu chuẩn BS 6841 (1987) 21 2.5.3 Tiêu chuẩn AS 2670 (1990) 21 2.5.4 Tiêu chuẩn ISO 2631 – 1:1997 21 2.5.5 Tiêu chuẩn TCVN 6964 – 1:2001 22 2.6 Chỉ tiêu an toàn chuyển động tải trọng tác dụng xuống mặt đƣờng 23 2.7 Các đặc trƣng hàm kích thích từ mặt đƣờng 25 2.7.1 Ảnh hƣởng mặt đƣờng đến tính chuyển động êm dịu tô 25 2.7.2 Một số profile mặt đƣờng 27 viii Chƣơng 3: KHẢO SÁT CÁC MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG TRÊN Ô TÔ 29 3.1 Các phần tử mơ hình dao động tơ 29 3.1.1 Phần đƣợc treo 30 3.1.2 Phần không đƣợc treo 30 3.1.3 Lốp xe 31 3.1.4 Ghế ngƣời điều khiển xe 33 3.2 Mơ hình hai bậc tự 35 3.3 Khảo sát dao động ô tô sử dụng phần mềm Carsim 39 Chƣơng 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ TÍNH TỐN DAO ĐỘNG ẢNH HƢỞNG ĐẾN NGƢỜI LÁI 50 4.1 Thơng số kỹ thuật xe lựa chọn tính tốn 50 4.2 Xây dựng mơ hình tơ dùng để nghiên cứu dao động 63 4.3 Mô dao động phần mềm MatLab 67 Chương 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA DAO ĐỘNG TRÊN Ô TÔ 81 5.1 Cảm biến chuyển động MPU 6050 Arduino 81 5.1.1 Giới thiệu cảm biến chuyển động MPU 6050 81 5.1.2 Giới thiệu Arduino 82 5.1.3 Kết nối MPU 6050 Arduino 85 5.2 Thực nghiệm đo dao động xe 86 5.2.1 Toyota Innova E 2.0 2012 86 5.2.2 Toyota Vios 1.5G 2010 89 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95 6.1 Kết luận 95 6.2 Kiến nghị 93 ix TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 PHỤ LỤC 99 x DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Sơ đồ hƣớng nghiên cứu dao động ô tô Hình 2.2: Tần số dao động riêng phận thể ngƣời xét mặt phẳng dao động theo chiều dọc 10 Hình 2.3: Mơ hình dao động tơ 14 Hình 2.4: Các đƣờng cong cảm giác dao động điều hòa 15 Hình 2.5: Gia tốc bình phƣơng trung bình phụ thuộc vào thời gian dao động 18 Hình 2.6: Giới hạn tác động dao động thẳng đứng phụ thuộc vào gia tốc dao động thẳng đứng tần số ngƣời ngồi đứng xe theo tiêu chuẩn ISO 2631 (1985) 20 Hình 2.7: Giới hạn gia tốc cho phép theo khoảng thời gian tác dung (ISO 2631 (1985)) 20 Hình 2.8: Vùng dẫn sức khoẻ theo ISO 2631 TCVN 6964 22 Hình 2.9: Đồ thị biểu diễn trị số P theo thời gian (t) 23 Hình 2.10: Mơ tả hệ kích thích dạng xung 26 Hình 3.1: Mơ hình dao động tơ 29 Hình 3.2: Mơ hình bánh xe tiếp xúc điểm 32 Hình 3.3: Kết cấu ghế tài xế hãng Mercedes 33 Hình 3.4: Ghế ngƣời tài xế Ford Focus, Zetec 34 Hình 3.5: Mơ hình mặt cắt mơ tả vị trí cảm biến ghế 34 Hình 3.6: Kết mật độ tần số dao động sàn xe, lƣng tựa mặt ghế 35 Hình 3.7: Mơ hình bậc tự với xe 36 Hình 3.8: Mơ hình xe bậc tự với khối lƣợng đƣợc treo khơng đƣợc treo 36 Hình 3.9: Mơ hình phần tƣ xe 37 Hình 3.10: Đồ thị mô tả biên độ dao động Z1 so với mặt đƣờng 38 Hình 3.11: Thơng số lốp, hệ thống treo cầu trƣớc sau, Toyota Vios 40 xi Hình 3.12: Thơng số kích thƣớc bản, khối lƣợng đƣợc treo moment quán tính Toyota Vios 40 Hình 3.13: Thông số khối lƣợng không đƣợc treo hệ số giảm chấn cầu trƣớc, Toyota Vios 41 Hình 3.14: Thơng số khối lƣợng khơng đƣợc treo độ cứng lò xò cầu sau, Toyota Vios 41 Hình 3.15: Biên dạng mặt đƣờng khảo sát, Toyota Vios 41 Hình 3.16: Đồ thị mơ tả mặt đƣờng khảo sát Toyota Vios 42 Hình 3.17: Đồ thị độ lệch hệ thống cầu trƣớc, Toyota Vios 42 Hình 3.18: Đồ thị độ nén lị xò hệ thống treo, Toyota Vios 43 Hình 3.19: Thơng số lốp xe, cơng suất, tỉ số nén Toyota Innova 44 Hình 3.20: Thơng số kích thƣớc bản, khối lƣợng đƣợc treo moment quán tính Toyota Innova 44 Hình 3.21: Thơng số kỹ thuật khối lƣợng không đƣợc treo cầu trƣớc cầu sau, Toyota Innova 44 Hình 3.22: Thơng số độ cứng lò xo hệ thống treo cầu trƣớc, Toyota Innova 45 Hình 3.23: Thơng số độ cứng lò xo hệ thống treo cầu sau, Toyota Innova 45 Hình 3.24: Biên dạng mặt đƣờng khảo sát, Toyota Innova 45 Hình 3.25: Đồ thị mơ tả mặt đƣờng khảo sát Toyota Innova 46 Hình 3.26: Đồ thị độ lắc dọc xe Toyota Innova 46 Hình 3.27: Đồ thị độ đƣa võng (Roll) xe Toyota Innova 47 Hình 3.28: Đồ thị độ nén lò xò hệ thống treo, Toyota Innova 47 Hình 4.1: Toyota Vios 2010 50 Hình 4.2: Cơ cấu treo dạng Mcpherson 52 Hình 4.3: Hệ thống treo kiểu xoắn 52 Hình 4.4: Đồ thị lựa chọn hệ số giảm chấn xe Toyota Vios từ Carsim 54 Hình 4.5: Chiếc TOYOTA INNOVA E 2.0 2012 55 Hình 4.6: Hệ thống kiểu Double Wishbone Ford Ranger 2015 56 xii Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống treo kiểu Wishbone 57 Hình 4.8: Hệ thống treo kiểu liên kết điểm 58 Hình 4.9: Hệ thống treo kiểu liên kết điểm, lò xo cuộn, tay đòn bên đƣợc lắp đặt Toyota Fortuner 2.7 V 2017 58 Hình 4.10: Đồ thị lựa chọn hệ số giảm chấn xe TOYOTA INNOVA E 2.0 từ phần mềm Carsim 59 Hình 4.11: Mơ hình ¼ xe với có ngƣời tài xế 61 Hình 4.12: Mơ hình xét ngƣời chịu kích thích dao động từ sàn xe 62 Hình 4.13: Mơ hình mơ tả khơng gian hệ dao động ô tô khảo sát 63 Hình 4.14: Mơ hình tính tốn dao động mặt phẳng theo biên dạng mặt đƣờng 64 Hình 4.15: Đồ thị chuyển vị phần tử với biên dạng mặt đƣờng hình chữ nhật, Toyota Vios 68 Hình 4.16: Đồ thị vận tốc dao động phần tử với biên dạng mặt đƣờng hình chữ nhật, Vios 69 Hình 4.17: Đồ thị gia tốc ghế với biên dạng mặt đƣờng hình chữ nhật, Vios 70 Hình 4.18: Đồ thị chuyển vị phần tử với biên dạng mặt đƣờng hình chữ nhật, Innova 71 Hình 4.19: Đồ thị vận tốc dao động với biên dạng mặt đƣờng hình chữ nhật, Innova 71 Hình 4.20: Đồ thị gia tốc ghế với biên dạng mặt đƣờng hình chữ nhật, Innova 72 Hình 4.21: Đồ thị chuyển vị phần tử với biên dạng mặt đƣờng nửa hình sin, Toyota Vios 73 Hình 4.22: Đồ thị vận tốc dao động với biên dạng mặt đƣờng nửa hình sin,Vios 74 Hình 4.23: Đồ thị gia tốc ghế với biên dạng mặt đƣờng hình sin, Vios 74 Hình 4.24: Đồ thị chuyển vị phần tử với biên dạng mặt đƣờng nửa hình sin, Innova 76 Hình 4.25: Đồ thị vận tốc dao động với biên dạng mặt đƣờng nửa hình sin, Innova .76 Hình 4.26: Đồ thị gia tốc ghế với biên dạng mặt đƣờng hình sin, Innova .77 Hình 4.27: Mơ hình Matlab-Simulink theo công thức (4.1) 79 xiii Hình 4.28: Đồ thị biên độ dao động theo thời gian 79 Hình 4.29: Đồ thị gia tốc ghế với hàm mặt đƣờng ngẫu nhiên, Innova 79 Hình 5.1: Cảm biến chuyển động MPU 6050 81 Hình 5.2: Bo mạch Ardunio Mega 2560 82 Hình 5.3: Màn hình giao tiếp với phần mềm Ardunio .85 Hình 5.4: Cảm biến MPU 6050 kết nối với bo mạch Arduino 85 Hình 5.5: Đồ thị đoạn đƣờng Võ Văn Ngân khảo sát dao động 86 Hình 5.6: Bố trí cảm biến MPU 6050 ghế ngồi ngƣời tài xế 86 Hình 5.7: Dữ liệu thu thập máy tính khảo sát 87 Hình 5.8: Đồ thị mô tả gia tốc ghế đoạn đƣờng Võ Văn Ngân, Innova 87 Hình 5.9: Đồ thị đoạn đƣờng Phạm Văn Đồng khảo sát 88 Hình 5.10: Đồ thị mơ tả gia tốc ghế đoạn đƣờng Phạm Văn Đồng, Innova 88 Hình 5.11: Đồ thị mơ tả gia tốc ghế đoạn đƣờng Võ Văn Ngân, Vios 89 Hình 5.12: Đồ thị đoạn đƣờng Thống Nhất khảo sát dao động 90 Hình 5.13: Đồ thị mơ tả gia tốc ghế đoạn đƣờng Võ Văn Ngân, Vios 90 Hình 5.14: Đoạn đƣờng mấp mơ khu E 91 Hình 5.15: Đồ thị mô tả gia tốc ghế đoạn đƣờng mấp mơ 91 Hình 5.16: Đồ thị gia tốc ghế mặt đƣờng nửa hình sin, Vios 92 xiv nhóm tác giả Raul Miklos Kulcsar, Veronica Argesanu, Ion Silviu Borozan, Inocentiu Mainu [3] Các đề tài xây dựng mơ hình tính tốn dao động tơ, xác định thơng số đặc trưng q trình dao động tơ khách, tính tốn kiểm nghiệm độ êm dịu thực tế ô tô khách mặt đường với độ mấp mô ngẫu nhiên, đề cập đến ảnh hưởng thông số kết cấu như: độ cứng hệ thống treo, độ cứng lốp, độ cứng giảm chấn đến độ êm dịu chuyển động ô tô thông qua đặc tính tần số biên độ Đồng thời, mô khảo sát biến thiên tần số riêng gia tốc bình phương trung bình theo độ cứng, hệ số giảm chấn chọn thông số kết cấu tốt cho hệ thống treo xe khảo sát làm rõ khả xảy cộng hưởng tơ chuyển động Trên sở lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu, vấn đề đặt làm để đánh giá ảnh hưởng dao động ô tô có đảm bảo độ êm dịu (thoải mái) chuyển động hay không, đặc biệt vị trí người lái Đồng thời thơng số đánh giá độ êm dịu tơ phải nằm khoảng giới hạn, theo tiêu chuẩn đánh giá Xuất phát từ thực trạng trên, định thực đề tài “Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng dao động ô tô đến độ mệt mỏi người lái” nhằm khảo sát, đánh giá mức độ dao động tơ ảnh hưởng tới vị trí người lái từ đề xuất phương án nâng cao độ êm dịu an toàn chuyển động Điều thực cần thiết có ý nghĩa khoa học điều kiện thực tế ngành công nghiệp Ô Tô Việt Nam II PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết: Các hướng nghiên cứu dao động ô tô; tác động qua lại lẫn mối quan hệ “Đường – Xe – Con Người”; Các đặc trưng hàm kích thích từ mặt đường, dao động ảnh hưởng đến người; Các tiêu đánh giá độ êm dịu tiêu chuẩn quốc tế dao động - Khảo sát thơng số hệ thống treo mơ hình ¼ hai bậc tự với phần mềm MatLab; Sử dụng phần mềm Carsim khảo sát ảnh hưởng dao động đến ô tô hai biên dạng đường khác nhau; Xây dựng mơ hình tính tốn ảnh hưởng dao động đến người lái xe, từ tác giả mô khảo sát phần mềm MatLab ứng với profile mặt đường hình chữ nhật nửa hình sin - Thực nghiệm đo gia tốc dao động (cụ thể: xe Toyota Innova Toyota Vios) vị trí ghế ngồi người lái xe Từ đó, đánh giá ảnh hưởng dao động tơ kiểm nghiệm mơ hình thiết lập có tương ứng với thực tế Tác giả, sử dụng cảm biến chuyển động MPU 6050 kết hợp với Arduino máy tính để thu thập liệu III KẾT QUẢ Mơ hình hai bậc tự Hình 2: Mơ hình phần tư xe [4] Hình 1: Mơ hình xe bậc tự với khối lượng treo không treo [4] Thiết lập phương trình tính tốn hệ dao động sau: Phương trình chuyển động khối lượng treo 𝑚𝑠 𝑧̈1 + 𝑐𝑠ℎ (𝑧̇1 − 𝑧̇2 ) + 𝑘𝑠 (𝑧1 − 𝑧2 ) = (1) Và khối lượng không treo 𝐹(𝑡) = 𝑚𝑢𝑠 𝑧̈2 + 𝑐𝑠ℎ (𝑧̇2 − 𝑧̇1 ) + 𝑘𝑠 (𝑧2 − 𝑧1 ) + 𝑐𝑡 𝑧̇2 + 𝑘𝑡𝑟 𝑧2 (2) Hình 3: Đồ thị mô tả biên độ dao động Z1 so với mặt đường Đồ thị hình mơ tả biên độ dao động khối lượng treo qua mấp mơ mặt đường Từ đồ thị ta nhận thấy, thời gian xe chịu ảnh hưởng dao động lớn Do đó, bắt buộc xe cần phải thay đổi thông số hệ thống giảm chấn, để cải thiện mức độ chuyển động êm dịu xe Mặt khác, mơ hình dao động ¼ chưa thể rõ nét ảnh hưởng dao động đến khả chuyển động êm dịu xe, chẳng hạn như: Trong trường hợp bánh xe chịu kích thích từ mặt đường biên độ, thời gian chịu kích thích dao động thay đổi biên dạng mấp mô mặt đường không giống bánh xe Từ đó, tác giả nhận thấy sử dụng mơ hình hai bậc tự để khảo sát dao động không khả thi so với thực tế Khảo sát dao động ô tô phần mềm Carsim Tác giả lựa chọn hai phân khúc xe thương mại phổ biến thị trường Việt Nam Toyota Vios 1.5G 2010, chỗ Toyota Innova E 2.0, chỗ Các thông số kỹ thuật cần thiết để thực khảo sát lựa chọn từ phần mềm Carsim  Toyota Vios 1.5G 2010 Hình 4: Biên dạng mặt đường khảo sát, Toyota Vios Kết khảo sát mặt đường có chiều dài 50 m, độ cao mấp mô 0.3 m, độ rộng 0.9 m, vận tốc xe 20 km/h khoảng thời gian 22 (s) Hình 5: Đồ thị độ lệch hệ thống cầu trước, Toyota Vios Từ đồ thị ta nhận thấy, ngun nhân thơng số biên dạng mặt đường lớn Vì vậy, ảnh hưởng đến khả điều khiển lái, mức độ an toàn độ êm dịu xe di chuyển đoạn đường có biên dạng mấp mơ  Toyota Innova Hình 6: Biên dạng mặt đường khảo sát, Toyota Innova Đối với dòng xe SUV chỗ ,Toyota Innova tác giả lựa chọn biên dạng mấp mô mặt đường dạng hình sin giảm dần mơ tả hình Kết quả: Hình 7: Đồ thị độ đưa võng (Roll) xe Toyota Innova Đồ thị thể độ đưa võng xe, khoảng thời gian từ – 13 (s) độ đưa võng gần khơng đáng kể Nhưng từ thời điểm 13 – 19 (s) bắt đầu độ đưa võng tăng lên rõ rệtvà sau giảm nhanh hết thời gian khảo sát Nguyên nhân, độ đưa võng xe tăng lên bất ngờ gần khoảng thời gian cuối xuất hiện tượng cộng hưởng tần số dao dộng xe tần số kích thích dao động từ mặt đường Tại thời điểm đó, biên độ mặt đường giảm mật độ mấp mô tăng lên tiếp xúc bánh xe bên trái, bên phải với biên dạng mặt đường Kết luận: Qua việc ứng dụng phần mềm Carsim để khảo sát khả chuyển động êm dịu hai dòng Tác giả, nhận thấy hình dạng mấp mơ bề mặt đường khác nguyên nhân kích thích dao động ảnh hưởng lớn đến khả chuyển động êm dịu xe khác Mặt khác, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khách quan chủ quan khác, như: Chiều cao, độ rộng mấp mô, vận tốc xe tiếp xúc với mấp mô mặt đường, tần suất xuất mấp mô Tuy nhiên, việc khảo sát phần mềm Carsim chưa thể rõ nét ảnh hưởng dao động êm dịu xe chuyển động mục tiêu mà đề tài hướng đến Trên phương diện khác, phần mềm Carsim có số nhược điểm không phù hợp với độ tương quan thực tế Do đó, tác giả xây dựng mơ hình khảo sát dao động phần Matlab để phù hợp với điều kiện thực tế khảo sát ảnh hưởng dao động đến độ êm dịu chuyển động xe bám sát với mục tiêu đề tài Các giả thiết xây dựng mơ hình hệ dao động  Khối lượng tô phân bố đối xứng qua mặt phẳng vuông góc mặt đường qua trục dọc  Độ mấp mơ biên dạng mặt đường bên trái bên phải bánh xe một trục đồng  Toàn khối lượng treo quy dẫn trọng tâm xem cứng tuyệt đối Nó biệu thị khối lượng 𝑚2 moment trục ngang Y qua trọng tâm Jy Có ba bậc tự dịch chuyển theo phương thẳng đứng Z, góc lắc dọc 𝜑 hướng dịch chuyển theo vận tốc xe X  Phần khối lượng không dược treo tương ứng cầu trước cầu sau mt ms Đồng thời, bậc dịch chuyển thẳng đứng Zt Zs tương ứng trục trước trục sau  Xem đặc tính đàn hồi hệ thống treo lốp xe tuyến tính Với độ cứng hệ thống treo trước sau C2t C2s Tương tự độ cứng hướng kính lốp xe C1t, C1s  Hệ số giảm chấn hệ thống treo cầu trước cầu sau K2t K2s Đối với hệ dao động tác giả bỏ qua hệ số giảm chấn lốp xe  Bỏ qua nguồn kích thích dao động xe Xem mấp mơ mặt đường nguồn kích thích dao động  Khi chuyển động, bánh xe tiếp xúc với mặt đường, khơng có tượng tách bánh  Ghế ngồi tài xế lắp với sàn xe nên ta bỏ qua khối lượng thân ghế Các dao động từ ô tô truyền tới người qua sàn xe ghế Hình 8: Mơ hình tính toán dao động mặt phẳng theo biên dạng mặt đường Phƣơng trình dao động: Phương trình ghế ngồi người tài xế: mg Z̈g + Zg Cg + Żg K g − Z2 Cg − Ż2 K g + φ Cg (a − x) + φ.̇ K g (a − x) = Giả sử: Żg = 𝑉𝑔 ; Ż2 = 𝑉2 ; φ̇ = 𝑉𝑦 ; Żt = 𝑉𝑡 ; Żs = 𝑉𝑠 −Zg Kg Cg Kg Cg Kg (a − x) − Vy (a − x) → V̇g = − Vg + Z2 + V2 − φ mg mg mg mg mg mg Phương trình sàn xe (hay khối lượng treo): m2 Z̈2 − Zg Cg − Żg K g + Z2 (C2t + Cg + C2s ) + Ż2 (K g + K 2s + K 2t ) + φ(C2t a − Cg (a − x) − C2s b) + φ̇ (K 2t a − K 2s b − K g (a − x)) − Zt C2t − Żt K 2t − C2s Zs − K 2s Żs = Phương trình khối lượng khơng treo cầu trước 𝑚𝑡 : mt Z̈t + (C1t + C2t ) Zt + Żt K 2t − Z2 C2t − Ż2 K 2t − φ C2t a − φ̇ K 2t a = q(t) Phương trình khối lượng khơng treo cầu sau 𝑚𝑠 : ms Z̈s + Żs K 2s + Zs (C1s + C2s ) − Ż2 K 2s − Z2 C2s + φ C2s b + φ̇ K 2s b = q(t) Phương trình moment qn tính trọng tâm: Jy φ̈ + φ[C2t a2 + C2s b2 − Cg (a − x)2 ] + φ̇[−K 2t a2 + K 2s b2 + K g (a − x)2 ] + Z2 [C2t − C2s + Cg (a − x)] + Ż2 [K 2t − K 2s + K g (a − x)2 ] − Zt C2t − Żt K 2t + C2s Zs + K 2s Żs + Cg Zg + K g Żg = Trong đó: 𝑚𝑔 – Khối lượng người điều khiển xe 𝐶𝑔 – Độ cứng ghế ngồi 𝑘𝑔 – Hệ số giảm chấn ghế ngồi 𝑥– Khoảng cách từ trọng tâm bánh xe trước ghế ngồi người lái Hệ phương trình vi phân dao động hệ thể thể dạng ma trận: 𝑋̇ = A X + B q(t) Khảo sát đánh giá ảnh hƣởng dao động ô tô phần mềm Matlab Từ mơ hình xây dựng phương trình dao động tác giả ứng dụng phần mềm Carsim để khảo sát với hình dạng mấp mơ từ profile mặt đường là: hình chữ nhật nửa hình sin với thơng số đặc trưng biên dạng mặt đường lựa chọn trước như: độ rộng mấp mô So (m), chiều cao mấp mô qo (m), tốc độ chuyển động xe V (m/s), thời gian dao động t (s) Bảng 1: Phản ứng tiện nghi với môi trường dao động (ISO 2631-1:1997) Nhỏ 0,315 m/s2 Khơng có cảm giá khó chịu Từ 0,315 đến 0,63 m/s2 Có cảm giác chút khơng thoải mái Từ 0,5 đến m/s2 Có cảm giác rõ rệt không thoải mái Từ 0,8 đến 1,6 m/s2 Không thoải mái Từ 1,25 đến 2,5 m/s2 Rất không thoải mái Lớn 2,5 m/s2 Cực kỳ không thoải mái  Trường hợp 1: Biên dạng mặt đường hình chữ nhật Với S0 = 0,5 m, qo = 0,2 m, V = 36 km/h, t = 10 s  Toyota Vios 1.5G 2010 0.3 Ghe San xe KL khong duoc treo cau truoc 0.25 Chuyen vi (m) 0.2 0.15 0.1 0.05 -0.05 -0.1 10 Thoi gian (s) Hình 9: Đồ thị chuyển vị phần tử với biên dạng mặt đường hình chữ nhật, Toyota Vios Từ đồ thị cho thấy chuyển vị sàn xe, ghế khối lượng không treo cầu trước có chênh lệch tương đối phần tử với 40 30 20 Gia toc (m/s2) 10 -10 -20 -30 -40 10 Thoi gian (s) Hình 10: Đồ thị gia tốc ghế với biên dạng mặt đường hình chữ nhật, Toyota Vios Trọng số gia tốc R.M.S [aw (m/s2)] xe ghế 3,0557 3.0995 nằm vùng dao động tác động đến người trạng thái không thỏa mái so với bảng tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997  TOYOTA INNOVA E 2.0 2012 15 10 Gia toc (m/s2) -5 -10 -15 -20 10 Thoi gian (s) Hình 11: Đồ thị gia tốc ghế với biên dạng mặt đường hình chữ nhật, Toyota Innova Trọng số gia tốc R.M.S [aw (m/s2)] xe ghế tương ứng 2.2987 1.6397 nằm vùng dao động tác động đến người trạng thái có cảm giác không thoải mái so với tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997 Nhận xét: Từ trọng số gia tốc R.M.S vị trí ghế người tài xế xe so với thơng số tiêu chuẩn Vios Innova không đáp ứng khả chuyển động êm dịu Mặt khác, Innova có trọng số gia tốc nhỏ so với Toyota Vios, Toyota Innova giúp cho chuyển động xe người lái có trạng thái dao động tốt biên dạng mặt đường hình chữ nhật  Trường hợp 2: Biên dạng mặt đường nửa hình sin Tác giả khơng có thay đổi: S0 (m), qo (m), V (km/h), t (s)  Toyota Vios 1.5G 0.3 Ghe San xe KL khong duoc treo cau truoc 0.25 Chuyen vi (m) 0.2 0.15 0.1 0.05 -0.05 Thoi gian (s) 10 Hình 12: Đồ thị chuyển vị phần tử với biên dạng mặt đường nửa hình sin, Toyota Vios Gia toc (m/s2) -2 -4 -6 -8 10 Thoi gian (s) Hình 13: Đồ thị gia tốc ghế với biên dạng mặt đường hình sin, Toyota Vios Nhận xét: Trọng số gia tốc R.M.S [aw (m/s2)] xe với biên dạng mặt đường nửa hình sin 7.6742 lớn nhiều so với trường hợp xe khảo sát biên dạng mặt đường hình chữ nhật nằm vùng ảnh hưởng dao động tác động đến người trạng thái không thoải mái so với tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997 Mặt khác, chuyển vị phần tử có chênh lệch lớn so với khảo sát biên dạng mặt đường hình chữ nhật  TOYOTA INNOVA E 2.0 2012 Gia toc (m/s2) -2 -4 -6 -8 10 Thoi gian (s) Hình 14: Đồ thị gia tốc ghế với biên dạng mặt đường hình sin, Toyota Innova Nhận xét: Trọng số gia tốc R.M.S [aw (m/s2)] xe ghế với biên dạng mặt đường nửa hình sin 7.3120 2.1995 lớn so với trường hợp khảo sát biên dạng mặt đường hình chữ nhật nằm vùng dao động tác động đến người trạng thái không thoải mái (theo đánh giá tiêu chuẩn bảng 1) Kết luận: Từ liệu thu thập như: đồ thị chuyển vị, vận tốc dao động, trọng số gia tốc xe ghế Từ đó, thấy tác nhân kích thích dao động biên dạng mấp mơ mặt đường dao động ảnh hưởng đến sức khỏe, tâm sinh lý người lái khả chuyển động êm dịu xe Mặt khác, tác giả nhận thấy việc đánh giá ảnh hưởng dao động đến độ mệt mỏi, tâm sinh lý người lái phức tạp khó khăn Bởi cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: khả hấp thụ dao động đệm ghế, lưng tựa, vận tốc tiếp xúc với mấp mô mặt đường Đặc biệt, thực tế hình dạng mấp mơ mặt đường ngẫu nhiên khơng có quy luật cụ thể chiều rộng, độ cao, tần suất xuất mấp mô  Giới thiệu hàm mặt đƣờng ngẫu nhiên Năm 2008, báo khoa học “Generation of Random Road Profiles” nhóm tác giả Feng Tyan, Yu-Fen Hong Shun-Hsu Tu and Wes S Jeng xây dựng hàm mặt đường ngẫu nhiên thực nghiệm cụ thể [5] Phương trình vi phân hàm mặt đường ngẫu nhiên mà nhóm tác 𝑑𝑠 giả xây dựng điều kiện xe chạy dọc đường với số vận tốc V = 𝑑𝑡 , tín hiệu từ profile mặt đường 𝑍𝑅 (𝑡), tần số kích thích từ mặt đường theo thời gian 𝜔(𝑡) (rad/s), góc α phụ thuộc vào loại bề mặt đường d z R (t )  Vz R (t )   (t ) dt Từ phương trình, tác giả ứng dụng phần mềm Matlab – Simulink để đưa đồ thị kích thích dao động ngẫu nhiên từ mặt đường Hình 15: Mơ hình Matlab-simulink 0.08 0.06 0.04 Bien (m) 0.02 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 Thoi gian (s) Hình 16: Đồ thị biên độ dao động ứng với hàm kích thích ngẫu nhiên 10 Gia toc (m/s2) -1 -2 -3 -4 10 Thoi gian (s) Hình 17: Đồ thị gia tốc ghế với hàm mặt đường ngẫu nhiên,Toyota Innova Nhận xét: Từ đồ thị biên độ hàm kích thích dao động ngẫu nhiên, ta nhận thấy giá trị biên độ mặt đường luôn thay đổi không tuân quy luật cụ thể nào, giá trị phụ thuộc vào đoạn đường yếu tố môi trường khác Thực nghiệm đo dao động xe 5.1 Toyota Innova E 2.0 2012  Đoạn đường Võ văn Ngân Hình 18: Đồ thị đoạn đường Võ Văn Ngân khảo sát dao động xuất phát từ trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đến chợ Thủ Đức Hình 19: Vị trí lắp đặt cảm biến MPU 6050 mặt ghế ngồi tài xế máy tính thu thập liệu Trên đoạn đường gần với chợ Thủ Đức tốc độ xe 35 km/h 10 Gia toc [m/s 2] -2 -4 -6 -8 Thoi gian [s] 10 Hình 20: Đồ thị mơ tả gia tốc ghế đoạn đường Võ Văn Ngân, Toyota Innova Nhận xét: Trọng số gia tốc trung bình R.M.S ghế: aghe ≈ 1.3 (m/s2) So với tiêu chuẩn đánh bảng xe khơng đáp ứng khả chuyển động êm dịu người ngồi có cảm giác khơng thỏa mái xét điều kiện khảo sát  Đoạn đường Phạm Văn Đồng Hình 21: Đồ thị đoạn đường Phạm Văn Đồng Với tốc độ xe 60 km/h Gia toc [m/s 2] -2 -4 Thoi gian [s] 10 Hình 22: Đồ thị mô tả gia tốc ghế đoạn đường Phạm Văn Đồng, Toyota Innova Nhận xét: Trọng số gia tốc trung bình R.M.S ghế: aghe ≈ 0.36 (m/s2)so với tiêu chuẩn bảng xe đáp ứng khả chuyển động êm dịu người ngồi có cảm giác chút khơng thỏa mái 5.2 Toyota Vios 1.5G 2010  Đoạn đường Võ Văn Ngân Quãng đường giới thiệu khảo sát xe Toyota Innova.Với vận tốc Toyota Vios khoảng từ 20 – 25 km/h nhỏ so với khảo sát Innova Gia toc (m/s2) -1 -2 -3 10 Thoi gian (s) Hình 23: Đồ thị mô tả gia tốc ghế đoạn đường Võ Văn Ngân, Toyota Vios Nhận xét: Trọng số gia tốc trung bình R.M.S ghế: aghe ≈ 0.206 (m/s2) so với đánh giá tiêu chuẩn bảng xe đảm bảo khả chuyển động êm dịu người ngồi khơng có cảm giác bị ảnh hưởng dao động  Đoạn đường mấp mô sân tập lái xe Khu E Trường Đại Học SPKT TP Hồ Chí Minh Hình 26: Đoạn đường mấp mô Với vận tốc xe thấp từ 5- 10 km/h 0.5 Gia toc (m/s2) -0.5 -1 -1.5 -2 10 Thoi gian (s) Hình 27: Đồ thị mô tả gia tốc ghế đoạn đường mấp mơ Nhận xét: Trọng số gia tốc trung bình R.M.S ghế: aghe ≈ 0.48 m/s2 Với 0.315 < aghe ≈ 0.48 < 0.613 m/s2 so với bảng người lái có cảm giác chút không thỏa mái Toyota Vios đảm bảo khả chuyển động êm dịu khảo sát đoạn đoạn đường mấp mô Kết luận: Từ kết thực nghiệm cho thấy, cung đường Võ Văn Ngân Innova không đảm bảo trạng thái chuyển động êm dịu vận tốc xe 35 km/h Trong đó, Vios với vận tốc từ 20 – 25 km/h lại đảm bảo chuyển động êm dịu Đồng thời, khảo sát khác với Innova vận tốc xe 60 km/h khảo sát đoạn đường Phạm Văn Đồng xe đạt trạng thái êm dịu chuyển động Do đó, nhận thấy, vận tốc xe nguyên nhân Tuy nhiên, tác giả khơng đảm bảo khả chuyển động êm dịu khảo sát vận tốc lớn đoạn đường Thống Nhất, Võ Văn Ngân (trên Vios) mấp mô khu E Mặt khác, kết thực nghiệm đo gia tốc vị trí ghế người tài xế gần giống với khảo sát phần mềm Matlab với hàm kích thích dao động ngẫu nhiên mặt đồ thị mô tả Đồ thị gia tốc ghế với hàm mặt đường ngẫu nhiên,Toyota Innova Gia toc (m/s2) -1 -2 -3 -4 10 Thoi gian (s) 0.5 Đồ thị mô tả gia tốc ghế đoạn đường mấp mô Gia toc (m/s2) -0.5 -1 -1.5 -2 10 Thoi gian (s) So sánh hai đồ thị, ta nhận thấy có sai số ngưỡng gia tốc lớn thực tế so với mô phỏng, phần nguyên nhân sai lệch dao động từ động gây nên, dao động quán tính ghế, bánh xe cầu trước cầu sau không chuyển động đoạn đường mấp mô khảo sát Nhưng với kết khảo sát Matlab thực nghiệm hai dịng xe tơ du lịch cho thấy, mơ hình dao động mà tác giả xây dựng gần với thực tế Phù hợp với phát triển nghiên cứu ảnh hưởng dao động tơ với kích thích dao động từ mặt đường III Kết luận kiến nghị Kết luận Đề tài “Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng dao động đến độ mệt mỏi người lái” thực giải vấn đề sau:  Ứng dụng nghiên cứu ngưỡng cảm nhận dao động người biên dạng mặt đường khác để đánh giá ảnh hưởng dao động lên người dòng xe du lịch (cụ thể vị trí ghế ngồi người lái Toyota Vios 1.5G 2010 Toyota Innova E 2.0 2012) phù hợp với tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997  Xây dựng mơ hình tính tốn dao động gần với thực tế ô tô du lịch theo phương thẳng đứng, phương dọc góc lắc dọc trục trọng tâm xe Từ đó, xác định thơng số đặc trưng q trình dao động ô tô là: chuyển vị, vận tốc dao động phần tử bánh xe, ghế ngồi sàn xe, trọng số gia tốc xe, tần số giao động riêng Các thông số sở để đánh giá tính êm dịu tơ khảo sát trình chuyển động điều kiện đường khác  Thực nghiệm đo gia tốc dao động theo phương thẳng đứng vị trí ghế ngồi người tài xế đoạn đường khác nhau, với dãy tốc độ thay đổi đoạn đường  Với kết thu luận văn thể cách tác động lẫn mối quan hệ động học “Đường – Xe – Người” Kiến nghị Trong trình nghiên cứu, thời gian có hạn giới hạn nội dung đề tài nên tác nghiên cứu mức độ ảnh hưởng dao động đến ghế ngồi người lái sở dựa vào giả thiết xây dựng mơ hình dao động gần thực nghiệm dòng xe chỗ, chỗ phổ biến thị trường nên số vân đề chưa giải như:  Ảnh hưởng rung động động lắp ô tô  Lựa chọn, tối ưu hóa hệ thống treo nhằm phù hợp với điều kiện mặt đường Việt Nam  Mức độ tác động dao động đến phận riêng cụ thể thể người như: phần chân, phần thân phần đầu người  Độ nghiêng mặt ghế, lưng tựa chưa phù hợp ảnh hưởng đến sức khỏe người, thường xuất bệnh cột sống  Mở rộng trình thực nghiệm dãy tốc độ xe (lớn 40 km/h) , biên dạng bề mặt đường đối tượng xe khảo sát (như: xe tải, dòng xe du lịch 16 chỗ, xe máy)  Nghiên cứu thời gian ảnh hưởng dao động đến người lái, khoảng thời gian dãy tần số người lái có diễn biến tâm sinh lý độ mệt mỏi khác dẫn đến hiệu suất lái xe người điều khiển Tác giả đưa số đề xuất nêu cho hướng nghiên cứu đề tài nhằm hoàn thiện việc tính tốn kiểm nghiệm, lựa chọn, tối ưu hóa hệ thống treo lắp đặt dòng xe du lịch phù hợp với điều kiện đường xá Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Vĩnh, Nghiên cứu đánh giá độ êm dịu ô tô khách 29 chỗ ngồi sản xuất Việt Nam, Đại học Đà Nẵng, 2011 [2] Nguyễn Hữu Thảo Mô khảo sát dao động ô tô vận tải hành khách Matlab – Simulink, Đại học Đà Nẵng, 2012 [3] Raul Miklos Kulcsar, Veronica Argesanu, Ion Silviu borozan and Inocentiu Maniu, The Human Body behavior under Vehicle Vibrations, University Politehnica [4] J.Y.Wong Theory of ground Vehicles US Patent No 00043853, 2001 [5] Feng Tyan, Yu-Fen Hong, Shun-Hsu Tu, Wes S Jeng, Generation of Random Road Profiles, Tamshui, Taipei County, Taiwan, 2008 Thơng tin liên hệ tác giả (người chịu trách nhiệm viết): Họ tên: Đỗ Nhật Trƣờng Đơn vị: Điện Thoại: 0902698791 Email: Donhattruong105@gmail.com ... đề tài ? ?Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng dao động ô tô đến độ mệt mỏi người lái? ?? nhằm khảo sát, đánh giá mức độ dao động ô tô ảnh hƣởng tới vị trí ngƣời lái từ đề xuất phƣơng án nâng cao độ êm dịu... khác 28 CHƢƠNG KHẢO SÁT CÁC MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG TRÊN Ơ TƠ 3.1 Các phần tử mơ hình d o động ô tô Hệ dao động ô tô – máy kéo chuyển động hệ dao động hệ dao động nhiều bậc tự Cho đến nay, nhà... tập trung nghiên cứu giải 2.3 Dao động ô tô ảnh hƣởng đến ngƣời 2.3.1 Cơ chế tác động dao động lên thể ngƣời 2.3.2 Ảnh hƣởng dao động thể ngƣời 10 2.3.3 Những ảnh hƣởng