1. Nguyên nhân gây rung động, tiếng ồn
1.2. Ảnh hưởng của rung- ồn đến hành khách và chất lượng ô tô
1.2.4. Cơ chế tác động của tiếng ồn lên cơ thể của con người
Bảng 1.1 Ảnh hưởng của mức độ ồn đến hành khách [7].
STT MỨC ĐỘ ỒN (dBA) TÁC DỤNG LÊN NGƯỜI NGHE
1 0 Ngưỡng không nghe thấy
2 10
Có thể nghe thấy
3 30
4 50 Rất yên tĩnh
5 60 Yên tĩnh
6 70 Nghe điện thoại khó khăn
7 100 Bắt đầu làm biến đổi nhịp tim
8 110 Kích thích màng nhĩ
9 120 Ngưỡng chói tai
10 130 Gây bệnh thần kinh, nôn làm yếu xúc giác và cơ bắp
11 140 Đau chói tai, gây bệnh mất trí
12 150 Nghe lâu gây thủng màng nhĩ
Hình 1.11 Ảnh hưởng của tiếng ồn lên con người
và các cảm biến gia tốc. Bộ thiết bị này chỉ đánh giá được biên độ và tần số của hệ thống treo, không phân tích và tìm được các nguồn rung động trên xe.
Hình 1.12 Hệ thống thu thập dữ liệu DEWETRON 3020
Thí nghiệm bằng cách đưa ô tô lên bậc với chiều cao h= 0,1m và dùng sức người đẩy cho xe rơi tự do. Kết quả thu được là đồ thị biên độ dao động của hệ thống treo theo miền thời gian như hình 1.21.
Hình 1.13 Đồ thị dao động của ô tô [2].
Trên đường cong dao động tắt dần đo được trên thân xe Hình 1.13 do thiết bị đo dao động ghi lại, đọc giá trị chu kì dao động riêng T1 của thân xe.
Tính tần số dao động riêng của thân xe như sau:
(1.2) Trong đó: f1 -Tần số dao động riêng của thân xe (Hz)
T1 - Chu kỳ dao động riêng của thân xe (s) Hệ số tắt dần của dao động:
(1.3) Trong đó: π = 3,14
Ln - Logarit tự nhiên
D - Mức độ tắt dần dao động của hệ thống treo
Ngoài ra, vẫn còn một số nghiên cứu dao động của ô tô để đánh giá độ êm dịu với mô hình dao động cơ bản của hệ thống treo cũng như độ cứng và hệ số dập tắt dao động của lốp xe. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ được tính toán, mô phỏng trên phần mềm từ đó, đánh giá mức độ dao động của hệ thống treo, góc xoắn của khung xe hay dao động riêng của ô tô, chưa được kiểm chứng thực tế.
b) Về tiếng ồn:
Ở nước ta hiện nay, hầu như chưa có đề tài nghiên cứu, thực nghiệm đánh giá và cải tiến giảm tiếng ồn trên ô tô nào được thực hiện. Đối với các hãng ô tô trong nước cũng chưa tập trung vào vấn đề này do chi phí nghiên cứu lớn và thời gian phát triển sản phẩm dài.
1.3.2.Nghiên cứu ngoài nước a) Về rung động:
Các bài báo nghiên cứu, thực nghiệm rung động của ô tô trên thế giới rất đa dạng với các mô hình khác nhau. Vấn đề rung động được nghiên cứu, thực nghiệm rộng rãi gồm: đánh giá nguồn rung từ động cơ, hệ thống lái, hệ thống truyền lực, điều hòa...
Hình 1.14 Thực nghiệm xác định nguồn rung từ lốp xe.
Hình 1.15 Thực nghiệm kiểm tra rung động trên vành tay lái.
Hình 1.16 Biểu đồ rung động trên vành tay lái khi động cơ tăng tốc[8].
Từ biểu đồ rung động dưới dạng quang phổ tiến hành phân tích tìm nguyên nhân gây nên rung động bằng cách tìm tần số dao động riêng của kết cấu hoặc xây dựng mô hình mô phỏng kết cấu để tìm được nguyên nhân gây nên rung động.
b) Về tiếng ồn:
Thực nghiệm tiếng ồn của ô tô trên thế giới chủ yếu được thực hiện trên xe du lịch và được thử nghiệm trong phòng thử nghiệm. Xe được thử nghiệm nhằm kiểm tra, xác định tiếng ồn được tạo ra từ hệ thống truyền lực, điều hòa... hay các bộ phận khác.
Hình 1.17 Thực nghiệm tiếng ồn trên tô tô trong phòng thiết bị.
Hình 1.18 Thực nghiệm độ ồn do lốp tạo ra trên băng thử.
Hình 1.19 Biểu đồ độ ồn do lốp xe ô tô con tạo ra trên băng thử [8]
Từ biểu đồ độ ồn do lốp tạo ra, tiến hành phân tích và chọn loại hoa lốp cho phù hợp với từng loại xe và địa hình...
Sau khi tìm hiểu tổng quan các nghiên cứu về rung động, tiếng ồn của các báo cáo, bài báo trong và ngoài nước, hầu hết các nghiên cứu này đều áp dụng trên xe ô tô con.
Trên xe Bus có rất nhiều nguồn gây ra rung động, tiếng ồn. Vì vậy, cần phải được nghiên cứu, tính toán và thực nghiệm tìm ra các nguồn gây rung động, tiếng ồn để cải tiến, nâng cao chất lượng xe và tăng độ thoải mái cho hành khách. Do đó, đề tài “Ứng dụng phần mềm LMS Test.Lab đánh giá rung động, tiếng ồn xe buýt Thaco city B60” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhằm tạo ra phương pháp thực nghiệm, phân tích xác định các nguồn gây rung động, tiếng ồn để cải tiến khắc phục.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH CẢI THIỆN RUNG ĐỘNG, TIẾNG ỒN TRÊN XE BÚYT THACO CITY B60
Để tiến hành đo đạc và xử lý số liệu đo, ta cần nắm vững các kiến thức về các nguồn gây rung động, tiếng ồn trên xe, tính toán và phân tích đồ thị. Chương này sẽ trình bày về các nguồn gây rung động, ồn trên xe, các đại lượng vật lý như biên độ, tần số, vận tốc… Các dạng biểu đồ và các phương pháp chuyển đổi đồ thị, cũng như phương pháp xử lý số liệu đo.
2.1.Các nguồn gây ra rung động, tiếng ồn trên xe
Rung động, tiếng ồn thông thường do một bộ phận hoặc thành phần quay, hoặc đôi khi do sự đốt cháy không khí, nhiên liệu hỗn hợp trong các xi lanh động cơ riêng lẻ....
Có rất nhiều loại rung động, tiếng ồn trên một chiếc xe nhưng nhìn chung ta có các nguồn chính sau:
- Động cơ: rung động, tiếng ồn từ động cơ chủ yếu xảy ra ở kỳ sinh công. Sự nổ không đều giữa các máy gây ra rung động, tiêng ồn. Nguyên nhân có thể do lượng hỗn hợp nhiên liệu phun vào các máy không đều, bugi đánh lửa không đúng thời điểm...vv. Động cơ rung ồn còn do sự mất cân bằng của trục khuỷu, trục cam, hay khối lượng giữa các piston khác nhau.
Đôi khi sự mất đồng tâm, trục, lực căng của dây đai kéo máy nén, quạt…, cũng là nguyên nhân góp phần gây ra rung động, tiếng ồn.
Một số giải pháp để giảm thiểu rung động, tiếng ồn từ động cơ:
Lựa chọn cao su chân máy phù hợp.
Tăng độ cứng vững cho pát chân máy và vị trí pát chân máy.
Thay đổi chương trình động cơ.
Tách các đường truyền rung động, tiếng ồn từ động cơ ra Chassis – Body.
Điều chỉnh đồng tâm, trục, lực căng dây đai.
Hình 2.1 Kết cấu lắp ghép động cơ trên xe 1. Các đường ống su giảm rung; 2. Cao su chân máy
- Quạt gió làm mát: Cùng với động cơ, rung ồn của quạt làm mát ảnh hưởng không nhỏ đến hành khách ngồi trên xe, có thể gây hư hỏng vật liệu, kết cấu két nước.
Sự rung ồn của quạt làm mát két nước bắt nguồn từ sự mất cân bằng khi quay của quạt gió, hay do kết cấu chống căng đai lắp không hợp lý.
Từ những phân tích trên ta có các giải pháp sau:
Thay đổi kết cấu căng đai.
Thay đổi cao su chân két nước.
Thay đổi kết cấu tà vẹt két nước.
Hình 2.2 Kết cấu căng đai quạt gió làm mát động cơ 1. Căng đai quạt gió; 2. Quạt gió làm mát
- Hệ thống điều hòa: hệ thống điều hòa cũng góp phần gây ra rung ồn cho xe khi vận hành. Nguyên nhân là do máy nén hoạt động, quạt công suất lớn ở dàn nóng quay gây
ra rung ồn. Cũng có thể do thiếu ga trên đường ống dẫn đến sự nén không đều của máy nén, ốc bắt chân máy nén bị lỏng…
Để giảm thiểu rung ồn từ hệ thống điều hòa ta có các phương án sau:
Thay đổi kết cấu đế lốc lạnh.
Thay đổi cây chống căng đai lốc lạnh.
Thay đổi cao su lốc lạnh.
Thay đổi kết cấu giàn nóng, giàn lạnh.
Thay đổi vị trí giàn nóng lạnh.
Thay đổi cao su giảm chấn của giàn nóng lạnh.
Hình 2.3 Kết cấu hệ thống điều hòa gây rung,ồn trên xe
- Hộp số: một kết cấu cơ khí nào cũng luôn tồn tại rung, ồn và hộp số cũng vậy, mặc dù được cải tiến liên tục theo sự phát triển của công nghệ thời đại nhưng hộp số vẫn gây ra rung, ồn đáng kể lên xe. Chính sự ăn khớp giữa các cặp bánh răng trong hộp số tạo ra rung ồn, hay sự lắp không đúng yêu cầu của các trục trong hộp số. Quá trình sang số thường gây ra rung ồn do quá trình vào khớp của đồng tốc.
Vì sự hạn chế về mặt công nghệ nên ở Việt Nam các doanh nghiệp lắp ráp xe trong nước thường chọn giải pháp giảm rung ồn ở hộp số bằng cách thay đổi cao su chân hộp số hoặc thay đổi hộp số.
Hình 2.4 Hộp số gây rung ồn trên xe
- Cầu xe: cũng như hộp số, cấu tạo của cầu xe cũng là các cặp bánh răng ăn khớp. Vì vậy rung, ồn từ cầu xe vẫn được các nhà sàn xuất, lắp ráp quan tâm. Nguyên nhân gây rung, ồn trên cầu xe là do sự truyền chuyển động giữa các cặp bánh răng, lượng dầu bôi trơn trong cầu không đủ, cũng có thể do cấu tạo vỏ cầu chưa thực sự tối ưu...
Phương án giảm thiểu rung, ồn trong trường hợp này có thể thay đổi vỏ cầu, ruột cầu.
Kiểm soát lượng dầu cầu.
Hình 2.5 Cầu chủ động gây rung ồn trên xe
- Mặt đường, lốp: Chất lượng mặt đường, lốp xe ảnh hưởng không nhỏ tới trạng thái thoải mái của người ngồi trên xe. Nguyên nhân chính gây ra rung, ồn là do chênh lệch mặt đường, mất cân bằng lốp, hay lốp không đồng nhất.
Giải pháp trong các trường hợp này là thay đổi lốp, bố trí giảm chấn, bầu hơi.
Hình 2.6 Lốp xe gây ra rung động, tiếng ồn - Hệ thống phanh
Hình 2.7 Cơ cấu phanh gây rung động, tiếng ồn
Rung, ồn trên hệ thống phanh được truyền qua các đường ống thủy lực, khí nén đến hệ thống treo, hệ thống lái và bàn đạp phanh. Khi đường kính trống phanh (đối với phanh trống guốc) hoặc độ dày của đĩa phanh không đều (đối với phanh đĩa), khi hãm phanh sẽ gây ra rung, ồn theo chiều đứng trên bảng điều khiển, vô lăng và bàn đạp phanh.
Thông thường, rung ồn phanh xảy ra ở 40 ÷ 50 dặm/giờ (60 ÷ 80 km/h) và có tần số từ 5Hz ÷ 30 Hz.
Một số điều kiện hoạt động có thể ảnh hưởng đến nguyên nhân của những rung - ồn do phanh gây ra:
cứng vững hay do thiếu mối hàn, các bu lông siết không đủ lực, vít bắn quá lỏng hoặc quá chặt. Lắp ráp thiếu đệm su, giảm chấn, kết cấu không đủ cứng vững…
Hình 2.8 Giàn điều hòa gây rung động, tiếng ồn
- Dựa vào các nguồn rung động và tiếng ồn trên ta xây dựng mô rung động, tiếng ồn ta xây dựng mô hình rung động, tiếng ồn đầy đủ của xe như sau:
Hình 2.9: Mô hình hệ rung động khung xe.
Theo tài liệu [11] phương trình dao động của ô tô được viết lại như sau:
Trong đó:
+ Kb, cb, mb: Độ cứng, hệ số dập tắt dao động và khối lượng tổng của khung xe.
+ Ks, cs, ms: Độ cứng, hệ số dập tắt dao động và khối lượng của hệ thống điều hòa.
+ Km, cm: Độ cứng, hệ số dập tắt dao động của cao su giảm chấn động cơ.
+ Ka, cd: Độ cứng bầu hơi , hệ số dập tắt dao động của giảm chấn hệ thống treo.
+ K, B, M: Độ cứng, hệ số dập tắt dao động và khối lượng tổng của cả hệ.
+ ω: tần số góc của dao động.
+ T: Thời gian.
+ u: Biên độ dao động.
Đối với bài toán chỉ xét đến tác dụng của rung động kích thích từ động cơ, hệ thống điều hòa nên hàm kích thích từ mặt đường được bỏ qua.
Hình 2.10: Mô hình các nguồn ồn tác dụng lên xe.
Hình 2.11 Biên độ rung động, tiếng ồn [3]
Biên độ rung động, tiếng ồn là giá trị thể hiện mức độ của rung động, tiếng ồn. Khi một thành phần hay một máy rung, ồn sẽ tạo ra biên độ, biên độ này càng lớn thì rung động, tiến ồn càng lớn hoặc ứng suất gây ra bởi máy lớn và khả năng dẫn đến hư hỏng máy càng lớn. Do đó, biên độ cho thấy mức độ rung, ồn của kết cấu.
Biên độ có thể biểu diễn theo các thuật ngữ như peak value (giá trị đỉnh) hoặc RMS (Root-mean-square value – giá trị hiệu dụng). Biên độ tối đa hay đỉnh (peak) của một máy đang rung, ồn đơn giản là giá trị tốc độ rung động, mức độ ồn cao nhất (peak) có được của máy trong một chu kỳ thời gian.
Khác với biên độ tối đa, biên độ RMS của rung động, tiếng ồn cho chúng ta biết năng lượng rung động, tiếng ồn của máy. Năng lượng này tỷ lệ thuận với biên độ RMS. Việc chọn đơn vị biên độ đỉnh hay biên độ RMS để sử dụng là vấn đề mang tính cá nhân.
Nhưng nếu đã chọn một đơn vị nào thì phải sử dụng giống nhau giữa các lần đo để có thể thực hiện so sánh các số đo. Hai đơn vị biên độ vận tốc được sử dụng phổ biến hiện nay là inches/second (in/s) và millimeters/second (mm/s). Đơn vị tiếng ồn là dBA.
Tần số rung động.
Tần số là số chu kỳ mà chi tiết gây ra rung động tạo ra được trong một giây. Tùy thuộc vào cường độ mà chi tiết đó sẽ dao động nhanh hay chậm. Tức là thời gian để thực hiện được một chu kỳ dao động càng nhỏ thì số chu kỳ được hoàn tất trong một giây càng lớn, mức độ dao động đó càng nhanh. Ở tốc độ mà một thành phần của máy dao
động được gọi là tần số dao động hay tần số rung động. Tần số rung động càng lớn thì dao động càng nhanh.
Điều này có thể hình dung như mạch đập cho thấy tình trạng mạch kích thích của con người, từ đó xác định được tình trạng sức khỏe tổng quát. Ở đây tần số rung động của một thành phần rung động của máy rất hữu ích vì cho thấy được tình trạng của máy hoạt đông như thế nào ổn định hay không ổn định, bình thường hay bất thường.
Hình 2.92 Tần số rung động, tiếng ồn [3]
Một số đơn vị của tần số thường dùng là cps (cycles per second), Hz, 1Hz = 1cps = 60 cpm.
2.3.Các dạng biểu đồ phân tích rung động, tiếng ồn
Có nhiều cách để đánh giá rung động, tiếng ồn của một thành phần máy hay cụm máy. Một cách thủ công có thể quan sát, cảm nhận bằng âm thanh hay bằng cảm giác.
Nhưng việc đánh giá bằng cách thủ công như thế kết quả mang tính cá nhân, chủ quan và phụ thuộc vào trình độ, kinh nghiệm của người kỹ sư. Để khắc phục những yếu điểm đó, việc đánh giá bằng cách dùng biểu đồ mang lại hiểu quả cao hơn. Dựa vào các thông tin mà biểu đồ miêu tả, bằng kiến thức và sự phân tích biểu đồ kết quả đánh giá đưa ra chính xác, có cơ sở thuyết phục hơn thuận tiện cho việc tiến hành các biện pháp khắc phục giảm rung động, tiếng ồn.
Biểu đồ phân tích rung động, tiếng ồn là tập hợp hình vẽ, ký hiệu các phần tử mô hình hóa để minh họa, mô tả, thể hiện một cách cụ thể hay tổng thể của một thành phần máy hay cụm máy gây ra rung động, tiếng ồn. Biểu đồ dạng sóng (waveform) và biểu đồ dạng phổ (spectrum) là hai dạng biểu đồ dùng để đánh giá rung động hiệu quả nhất.
- Biểu đồ dạng sóng (waveform)
Mọi lĩnh vực trong cuộc sống con người đều có mối liên hệ tương phản với nhau. Kỹ thuật cơ khí và y học cũng có nhiều sự tương đồng. Tình hình sức khỏe của con người cũng giống như tình trạng của một chi tiết máy hay cụm máy. Trong quá trình vận hành
nguyên nhân và mức độ của rung động, tiếng ồn được thể hiện trong biểu đồ. Sự biểu diễn này thường sử dụng để mô tả rung động, tiếng ồn được gọi là waveform (biểu đồ dạng sóng). Một waveform là một sự biểu diễn mang tính đồ họa về mức độ rung động, tiếng ồn thay đổi theo thời gian. Hình dưới đây là một ví dụ về một biểu đồ waveform.
Một biểu đồ waveform đơn giản là một đồ thị cho thấy giá trị của một thành phần đang rung động, tiếng ồn thay đổi theo thời gian.
Hình 2.103 Biểu đồ dạng sóng [3]
Những thông tin mà một biểu đồ waveform cho biết, phụ thuộc vào thời khoảng và độ phân giải của một waveform. Thời khoảng của một waveform được định nghĩa là tổng chu kỳ thời gian qua đi mà chúng ta có thể biết được từ một waveform. Trong hầu hết các trường hợp, một vài giây là đủ. Độ phân giải của một waveform là một số đo mức độ chi tiết trong waveform và được xác định bằng số điểm dữ liệu mô tả hình dạng của một waveform. Với càng nhiều điểm thì biểu đồ waveform càng chi tiết, thông tin đưa ra càng rõ ràng, tuy nhiên sẽ gây ra phức tạp đồ thị và đặc biệt tốc độ xử lý để đưa ra được biểu đồ waveform từ các số liệu đo sẽ rất chậm, tốn nhiều thời gian. Do đó điều quan trọng là phải chọn giá trị thông số thể hiện mức độ phân giải cho phù hợp. Nhưng nhược điểm của một waveform là chỉ mô tả một cách tổng thể giá trị của các tần số dao động. Chỉ cho chúng ta thấy được cái nhìn tổng quát, không cho thấy một cách rõ ràng