Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết về dao động ô tô Chương 3: Mô hình dao động và hệ phương trình dao động Chương 4: Khảo sát dao động của ô tô bằng Matlab Simulink Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 1.7 Kết quả dự kiến đạt được - Thiết lập được mô hình dao động ½ của ô tô trong mặt phẳng dọc - Xây dựng và giải mô hình dao động bằng phần mềm Matlab Simulink - Đánh giá độ êm dịu theo các tiêu chuẩn về gia tốc và trọng số gia tốc - Đánh giá độ an toàn thông qua lực tác động của bánh xe với mặt đường - Phân tích các thông số ảnh hưởng đến dao động 3 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ DAO ĐỘNG VÀ TIÊU CHUẨN ÊM DỊU 2.1 Dao động ô tô và các ảnh hưởng của nó 2.1 Các nguồn gây ra dao động Khi ô tô và các phương tiện vận tải khác chuyển động sẽ sinh nhiều tác nhân gây ra hệ dao động lên ô tô, những dao động này có dạng sóng cơ học tác động trực tiếp lên người tài xế và hành khách. Các nguồn dao động chủ yếu trên ô tô là: • Động cơ là nguồn chính tạo ra dao động từ lúc nó hoạt động khi xe đứng yên. • Hệ thống treo là cũng là nguyên nhân gây ra các rung động khi ô tô di chuyển qua các mặt đường không đều. • Bánh xe và lốp xe bị lệch tâm hoặc do hình dạng không đều của bánh xe có thể gay ra dao động lên ô tô khi di chuyển trên đường.
• Hệ thống phanh có thể gây ra dao động khi người lái kích hoạt phanh xe đặc biệt khi hệ thống phanh bị bó cứng hoặc không hoạt động đúng cách. • Các ngoại lực sinh ra tác động lên ô tô khi tăng tốc, khi phanh và ô tô quay vòng. Cho đến ngày nay nguyên nhân chính gây ra dao động trên ô tô là các biên dạng mấp mô mặt đường. Vì vậy, đồ án chỉ tập trung nguyên cứu hàm kích động từ mặt đường tác động lên thân xe trong miền thời gian.2 Ảnh hưởng của dao động đối với con người Theo nghiên cứu của các nhà khoa học các bộ phận con người được xem là một hệ dao động không tuần hoàn có tác động sinh học phức tạp, gây ra các biến đổi trong cơ thể hoặc bộ phận của cơ thể con người dao động theo trực tiếp gây ảnh hưởng sức khỏe và năng suất làm việc.
Tác động của dao động cơ học phụ 4 thuộc vào nhiều yếu tố sau: tần số dao động, thời gian tác động, cường độ dao động, … Thời gian tác động của dao động lên cơ thể kéo dài gây ảnh hưởng nghiêm trọng nếu tần số dao động quá ngưỡng cho phép. Theo các nghiên cứu về tần số dao động trên cơ thể con người cho thấy: • Dao động gây ra rối loạn lưu thông máu, tác động lên cơ quan tiền đình dẫn đến gây choáng váng ở tần số: 3Hz đến 5Hz. • Dao động làm ảnh hưởng đến gan, ruột, dạ dày gây rối loạn tia trong ở tần số: 5 Hz đến 11 Hz. • Dao động gây nhức đầu, giảm thị lực, buồn nôn ở tần số: 11 Hz đến 45 Hz.
Tác động của dao động truyền thẳng từ dưới lên cột sống đối với hành khách ngồi trên ô tô, do vậy tác động lên cơ thể đối với mỗi người là khác nhau. Dao động ô tô là là một hệ phức tạp gồm dải tần số rộng tác động lên cơ thể người, nên có thể chia dao động thành dao động của khối lượng được treo ở tần số thấp và rung động của khối lượng không được treo ở tần số cao. • Dao động ở tần số thấp mà con người cảm nhận rõ và gây ra cảm giác khó chịu trong thời gian ngắn với tần số từ 15 Hz đến 18 Hz. • Rung động ở tần số cao con người ít cảm nhận rõ có thể ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe khi chịu tác động trong thời gian dài với tần số từ 18 Hz đến 1500 Hz.
Cơ thể con người thực hiện hai dao động đó là dao động riêng tắt dần và dao động cưỡng bức dưới tác động của lực kích thích từ mặt đường. Mỗi bộ phận trên cơ thể đều có tần số riêng, theo một số tài liệu nước ngoài quy ước như sau: Bảng 2.1: Tần số riêng theo quy chuẩn nước ngoài Các bộ phận Tần số riêng Khối hông trên 2,8 Hz Khối vai 4 Hz đến 5 Hz 5 Khối bụng 4 Hz đến 8 Hz Ở ngực 4,8 Hz Ở đầu 25 Hz Ở nhãn cầu mắt 30 Hz đến 80 Hz. Tần số dao động riêng trung bình của con người trong khoảng từ 3,5 Hz đến 5 Hz. Do có tần số riêng nên khi lực kích thích từ mặt đường gần bằng với các tần số riêng của các bộ phận cơ thể con người sẽ xảy ra cộng hưởng gây ảnh hưởng xấu đến các cơ quan nội tạng, cộng hưởng ở đầu gây chóng mặt, cộng hưởng ở dạ dày gây đau bụng, ói mữa, buồn nôn.1: Mô hình dao động trên cơ thể con người Thời gian con người chịu đựng những dao động kéo dài sẽ gây tổn thương đến cơ thể.
Tùy vào biên độ dao động sẽ gây ra mức độ tổn thương khác nhau, sự phân bố của chuyển động bên trong cơ thể, thời gian và chiều chuyển động. Tác hại của dao động ô tô lên cơ thể con người được biểu thị như sau: 6 • Bệnh về tiêu hóa: thường xuất hiện đối với những người làm việc tronng môi trường dao động kéo dài gây ra cộng hưởng với dạ dày ở tần số trong khoảng 4 Hz đến 5 Hz. • Bệnh về cột sống khi chịu tác động trong vùng tần số 4 Hz đến 12 Hz. • Làm tăng nhịp tim và nhịp thở cũng tăng theo khi cơ thể chịu đựng dao động trong thời gian kéo dài ở tần số lên đến 20 Hz.
• Một số dao động ở tần số rất thấp ở mức 0,1 Hz hoặc thấp hơn vẫn có thể gây cho cơ thể con người cảm giác mệt mỏi say sóng do thân xe dao động lắc ngang kết hợp với gia tốc và sự quay vòng. Do vậy, khi đánh giá dao động ô tô không chỉ dựa vào sự biến thiên gia tốc mà còn phải xem xét đến tần số dao động liên quan và các tần số dao động riêng trên cơ thể con người.2 Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu dao động trên ô tô 2.1 Chỉ tiêu tần số dao động Hầu hết con người chúng ta từ nhỏ đã quen dần với nhịp điệu bước đi. Nhịp điệu của bước đi còn phụ thuộc vào vóc dáng, thói quen cách đi khác nhau nên hầu hết nhịp độ ở mỗi người là khác nhau. Vì vậy trong một khoảng thời gian cố định, trung bình cứ 1 phút con người thực hiện được với tần số dao động 60-85 lần/phút.
Tương tự như trên ô tô, vì ô tô là một vật rắn đồng chất nên tần số dao động của ô tô phụ thuộc vào địa hình, mặt đường. Tần số trung bình thích hợp là 60- 85 lần/phút. Trên thực tế, tần số dao động được thiết kế trên hệ thống treo người ta thường lấy giá trị dao động thích hợp là: - Đối với xe du lịch: 60-90 lần/phút (1 – 1,5 Hz); - Đối với xe buýt: 75-90 lần/phút (1,25 – 1,5 Hz); - Đối với xe tải: 85-120 lần/phút (1,5 – 2 Hz).2 Chỉ tiêu gia tốc dao động Chỉ tiêu gia tốc dao động là một thông số quan trọng để đánh giá độ êm dịu khi ô tô chuyển động, nó phụ thuộc đồng thời vào biên độ dao động và tần số dao động. Do là độ êm dịu của ô tô dao động tự do tắt dần chỉ tồn tại trong khoảng một số chu kì nhất định, do vậy chỉ tiêu gia tốc là một trong những chỉ tiêu cực kì quan trọng khi nghiên cứu dao động với sự kích thích của mặt đường.
Giá trị của gia tốc giới hạn theo các phương khác nhau được xác định bằng thực nghiệm như sau: • Phương OX (phương dọc thân xe): 𝑋̈ < 1,0 𝑚/𝑠 2 ; • Phương OY (phương ngang thân xe): 𝑌̈ < 0,7 𝑚/𝑠 2 ; • Phương OZ (phương thẳng đứng): 𝑍̈ < 2,5 𝑚/𝑠 2. Để xác định được xe có chuyển động êm dịu hay không thì dựa vào chỉ tiêu đánh giá tính êm dịu chuyển động theo giá trị của gia tốc thẳng đứng và số lần va đập của bánh xe lên mặt đường không bằng phẳng. Người ta cho xe chạy trên một đường nhất định rồi dùng dụng cụ đo ghi lại số lần va đập trung bình i và gia tốc thẳng đứng của xe. Sau đó người ta dựa vào hai thông số vừa đo để so sánh với đồ thị chuẩn xem xe khảo sát đạt được độ êm dịu chuyển động ở mức độ nào.2: Đồ thị thể hiện mức êm dịu chuyển động trên ô tô Chỉ tiêu về gia tốc được lựa chọn trên cơ sở đánh giá cảm giác xuất hiện trong thời gian dao động.
Cảm giác được đánh giá theo hệ số êm dịu chuyển động K. Hệ số K là một đại lượng không thứ nguyên phụ thuộc vào tần số và gia tốc dao động, trục cơ thể con người tương ứng với hướng của dao động. Hệ số K được biểu thị qua công thức sau: 12.01𝑓 2 Hoặc theo công thức: 18 𝐾= .01𝑓 2 Trong đó: f: Tần số dao động (Hz), 𝑍̈: Gia tốc dao động (m/s2), 𝑍̈𝑐 : Gia tốc bình phương trung bình (m/s2) Để xác định được K chúng ta cần giải các hệ phương trình vi phân dao động xác định được đại lượng 𝑍̈ hoặc 𝑍̈𝑐. Hệ số K càng nhỏ thì độ êm dịu của xe càng được nâng cao, giá trị của hệ số K nằm ở mức cho phép như sau: • 𝐾 = 10 ÷ 25 : đối với xe chuyển động trong thời gian dài, • 𝐾 = 25 ÷ 63 : đối với xe chuyển động trong thời gian ngắn.
Hệ số K sẽ giảm đi một nửa nếu cơ thể con người chịu các dao động ở tư thế nằm.3 Đánh giá cảm giác theo gia tốc dao động và thời gian tác dụng Theo tiêu chuẩn ISO/DIS 2631 chỉ tiêu này đánh giá cảm giác của người lái xe và hành khách có thời gian ngồi trên xe trong khoảng thời gian dài. Qua các khảo sát cho thấy khi ngồi lâu trên xe ô tô cơ thể sẽ chịu nhiều dao động thẳng đứng trực tiếp ảnh hưởng đến cơ thể con người gây ra các chứng mệt mỏi.