Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh kinh tế phát triển và hội nhập quốc tế, nhu cầu sử dụng ô tô tại Việt Nam ngày càng tăng, kéo theo sự phát triển mạnh mẽ của thị trường sản xuất và lắp ráp xe trong nước. Tại thời điểm thực hiện đề tài, có hơn mười doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô lớn trong cả nước, trong đó Thaco Trường Hải và Nhà máy Ô tô Củ Chi (Samco) là hai đơn vị tiêu biểu chuyên sản xuất ô tô khách và ô tô buýt. Nhu cầu sử dụng xe buýt tại các thành phố lớn đang tăng cao do đây là phương tiện đáp ứng nhu cầu di chuyển của sinh viên và công nhân với chi phí hợp lý, đồng thời góp phần giảm ùn tắc giao thông và ô nhiễm môi trường.

Bên cạnh đó, ngành sản xuất ô tô trong nước vẫn còn nhiều thách thức về chất lượng sản phẩm, đặc biệt là về độ êm dịu chuyển động. Việc đánh giá độ êm dịu đòi hỏi phải sử dụng phần mềm chuyên dụng để hỗ trợ tính toán và mô phỏng. Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm tác giả lựa chọn đề tài "Khảo sát và đánh giá độ êm dịu của ô tô" nhằm khảo sát độ êm dịu theo các tiêu chuẩn hiện hành và phân tích các thông số ảnh hưởng, từ đó đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng sản phẩm.

Mục tiêu đề tài:

  1. Đánh giá dao động của ô tô trong miền thời gian thông qua các tiêu chí đánh giá độ êm dịu.
  2. Đánh giá tiêu chí an toàn chuyển động.

Kết quả dự kiến đạt được:

  1. Thiết lập được mô hình dao động ½ của ô tô trong mặt phẳng dọc.
  2. Xây dựng và giải mô hình dao động bằng phần mềm Matlab Simulink.
  3. Đánh giá độ êm dịu theo các tiêu chuẩn về gia tốc và trọng số gia tốc.
  4. Đánh giá độ an toàn thông qua lực tác động của bánh xe với mặt đường.
  5. Phân tích các thông số ảnh hưởng đến dao động.

Đối tượng nghiên cứu: Xe buýt Samco City HI Class HI76 sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng và khảo sát mô hình ½ của ô tô trong mặt phẳng dọc bằng phương pháp thiết lập các khối mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink; khảo sát dao động trong miền thời gian thông qua chuyển vị, gia tốc và bình phương trung bình gia tốc; phân tích an toàn chuyển động qua lực tương tác bánh xe – mặt đường. Nguồn kích thích mặt đường được giới hạn ở hàm bậc bán hình sin (mấp mô nhóm 2), không bao gồm mấp mô ngẫu nhiên (nhóm 3).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và các tiêu chuẩn áp dụng

Đề tài sử dụng tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6964-1:2001 xây dựng dựa trên tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1:1997 làm cơ sở chính để đánh giá mức rung động lên toàn thân người. Ngoài ra, tiêu chuẩn ISO/DIS 2631 cũng được tham chiếu khi đánh giá cảm giác theo gia tốc dao động và thời gian tác dụng.

Hệ thống chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu và an toàn bao gồm ba nhóm chính:

  • Chỉ tiêu tần số dao động: Tần số dao động thích hợp đối với xe buýt là 75–90 lần/phút (1,25–1,5 Hz).
  • Chỉ tiêu gia tốc dao động: Giới hạn gia tốc theo phương thẳng đứng OZ là $\ddot{Z} < 2{,}5\ \text{m/s}^2$; theo phương dọc OX là $\ddot{X} < 1{,}0\ \text{m/s}^2$; theo phương ngang OY là $\ddot{Y} < 0{,}7\ \text{m/s}^2$.
  • Chỉ tiêu trọng số gia tốc (R.M.S): Theo TCVN 6964, ngưỡng phân loại mức cảm giác như sau:
Giá trị R.M.S (m/s²) Mức cảm giác
Dưới 0,315 Không có cảm giác khó chịu
0,315 – 0,63 Có cảm giác chút ít không thoải mái
0,5 – 1,0 Khá không thoải mái
0,8 – 1,6 Không thoải mái
1,25 – 2,5 Rất không thoải mái
Trên 2,0 Cực kỳ không thoải mái

Hệ số êm dịu chuyển động K — đại lượng không thứ nguyên phụ thuộc vào tần số và gia tốc dao động — cũng được sử dụng, với ngưỡng K = 10–25 đối với xe chuyển động trong thời gian dài và K = 25–63 đối với thời gian ngắn.

Cơ sở lý thuyết dao động được xây dựng dựa trên nguyên lý D'Alambert và phương trình Lagrange loại II. Phương trình Lagrange loại II được lựa chọn chính để thiết lập hệ phương trình vi phân dao động vì ưu thế trong xử lý hệ nhiều bậc tự do mà không bị nhầm lẫn chiều đặt lực, thông qua xác định hàm động năng $E_k$, thế năng $E_n$ và hàm hao tán Rayleigh $E_p$.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp hai phương pháp chính:

  • Phương pháp lý thuyết – mô hình hóa: Thiết lập mô hình dao động ½ (mô hình phẳng) của ô tô 2 cầu trong mặt phẳng dọc với 4 bậc tự do, xây dựng hệ phương trình vi phân dao động bằng phương trình Lagrange loại II.
  • Phương pháp mô phỏng số: Giải hệ phương trình vi phân dao động bằng phần mềm Matlab Simulink để thu các giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc, tần số riêng và R.M.S gia tốc tại nhiều tốc độ khảo sát.

Nguồn dữ liệu

Thông số kỹ thuật đầu vào (thông số lá nhíp trước/sau, thông số lốp, khối lượng phân bổ, kích thước hình học) được thu thập từ Nhà máy Ô tô Chuyên dùng Samco Củ Chi với sự hỗ trợ trực tiếp của nhân viên kỹ thuật tại nhà máy. Hàm kích thích mặt đường được lựa chọn là hàm bậc bán hình sin (mấp mô nhóm 2) phù hợp với mục tiêu khảo sát trong miền thời gian.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài thông qua phân tích bối cảnh thị trường ô tô trong nước, xác định mục tiêu, phạm vi và đối tượng nghiên cứu là xe buýt Samco City HI76. Chương cũng điểm qua một số nghiên cứu liên quan trước đó:

  • Luận văn Thạc sĩ của Bùi Trung Vĩnh (2011) về độ êm dịu ô tô khách 29 chỗ, khảo sát dao động trên quốc lộ 1A đoạn Hà Nội – Lạng Sơn, còn hạn chế ở số bậc tự do và chưa có kiểm chứng thực nghiệm.
  • Luận văn Thạc sĩ của Nguyễn Khôi Nguyên (2015) về độ êm dịu xe khách hai tầng Hyundai Universe–2F, ứng dụng mô hình không gian 3 chiều và xác định được vận tốc nguy hiểm, độ cao mấp mô tới hạn.

Chương 2: Giới thiệu sơ lược về dao động và tiêu chuẩn êm dịu

Chương 2 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về nguồn gây dao động (mặt đường, động cơ, hệ thống treo, bánh xe, hệ thống phanh, ngoại lực khi tăng tốc/phanh/quay vòng) và tác động sinh lý của dao động lên cơ thể người. Các ngưỡng tần số tác hại được xác định cụ thể: 3–5 Hz gây rối loạn lưu thông máu và chóng mặt; 5–11 Hz ảnh hưởng gan, ruột, dạ dày; 11–45 Hz gây nhức đầu và giảm thị lực.

Chương đề cập tần số riêng của từng bộ phận cơ thể theo tài liệu nước ngoài (bảng 2.1), trong đó tần số riêng trung bình của con người nằm trong khoảng 3,5–5 Hz. Từ đó xác lập ba chỉ tiêu đánh giá chính mà đề tài sẽ sử dụng: tần số dao động riêng, gia tốc dao động, và R.M.S gia tốc theo TCVN 6964-1:2001 / ISO 2631-1:1997.

Chương 3: Mô hình dao động và hệ phương trình dao động ô tô

Chương 3 xây dựng mô hình toán học của hệ dao động. Kết cấu hệ dao động ô tô được phân tích theo 4 thành phần: phần được treo (khung, thùng, động cơ — xem là vật thể đồng nhất, cứng tuyệt đối, khối lượng tập trung tại trọng tâm), phần không được treo (bán trục, cầu xe, bánh xe — khối lượng tập trung tại tâm bánh xe), hệ thống treo (phần tử đàn hồi độ cứng $C_2$, giảm chấn $K_2$) và lốp (độ cứng $C_1$, độ cản $K_1$).

Mô hình phẳng ½ xe (4 bậc tự do: dịch chuyển thẳng đứng $z$, góc lắc dọc $\varphi$, dịch chuyển cầu trước $z_{1t}$, dịch chuyển cầu sau $z_{1s}$) được lựa chọn với các giả thiết: bỏ qua dao động từ động cơ và hệ truyền lực, bánh xe luôn tiếp xúc mặt đường, chỉ xét kích thích từ mặt đường. Hàm kích thích mặt đường dạng bậc bán hình sin được chọn để mô phỏng tác động đột ngột từ mặt đường, với độ trễ pha $\Delta t = l/v$ giữa cầu trước và cầu sau (l là chiều dài cơ sở, v là vận tốc xe).

Hệ phương trình vi phân dao động 4 bậc tự do được thiết lập đầy đủ thông qua phương trình Lagrange loại II, dựa trên hàm động năng $E_k$, thế năng $E_n$ và hàm hao tán Rayleigh $E_p$ của hệ. Kết quả là hệ phương trình vi phân cấp 2 với hệ số không đổi chỉ phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của xe.

Chương 4: Khảo sát dao động của ô tô bằng Matlab Simulink

Chương 4 là phần trọng tâm của đề tài, bao gồm xây dựng mô hình mô phỏng và thực hiện khảo sát.

Sơ đồ mô phỏng được tổ chức thành 7 khối chức năng độc lập trong Matlab Simulink: khối kích thích mặt đường, khối mô phỏng bánh xe trước/sau, khối hệ thống treo trước/sau, khối cầu trước/sau, khối thân xe, khối tính R.M.S gia tốc, và khối tính tần số riêng có giảm chấn.

Thông số đầu vào lấy từ xe buýt Samco City HI76 (Bảng 4.2 và 4.3), bao gồm các thông số lá nhíp trước/sau (Bảng 4.4), độ cứng lốp ($C_{1t}$, $C_{1s}$), độ cản giảm chấn ($K_{2t}$, $K_{2s}$), khối lượng được treo ($M_2$), khối lượng không được treo ($M_{1t}$, $M_{1s}$), momen quán tính $J_y$ và các kích thước hình học $a$, $b$, $l$.

Kết quả khảo sát được thực hiện tại ba mức vận tốc: 12 m/s, 16 m/s và 22 m/s. Tại mỗi tốc độ, chương trình xuất ra đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc thân xe, lực tác động bánh xe lên mặt đường, giá trị R.M.S gia tốc và tần số riêng có giảm chấn. Tổng hợp kết quả các trường hợp khảo sát được trình bày trong Bảng 4.5.

Phân tích ảnh hưởng của các thông số:

  • Ảnh hưởng độ cứng nhíp ($C_{2t}$): Thay đổi độ cứng nhíp dẫn đến thay đổi đồng thời giá trị R.M.S và tần số riêng (Bảng kết quả tương ứng).
  • Ảnh hưởng độ cản giảm chấn ($K_{2t}$): Thay đổi hệ số cản giảm chấn ảnh hưởng đến R.M.S gia tốc theo xu hướng được trình bày trong bảng so sánh.
  • Ảnh hưởng độ cứng lốp ($C_{1t}$): Thay đổi độ cứng lốp tác động đến cả R.M.S và tần số riêng của hệ.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc mô phỏng

Mô hình mô phỏng được xây dựng trong môi trường Matlab Simulink theo cấu trúc phân cấp dạng sơ đồ khối. Sơ đồ tổng thể mô phỏng dao động ½ ô tô trong mặt phẳng dọc kết nối các khối con thông qua tín hiệu dịch chuyển, vận tốc và lực.

Bảng 4.1 liệt kê các khối chức năng thường sử dụng trong Simulink phục vụ xây dựng mô hình. Chương trình nhập thông số ban đầu (Hình 4.16) được viết bằng ngôn ngữ Matlab script để nạp toàn bộ thông số kỹ thuật xe vào không gian làm việc trước khi chạy mô phỏng.

Công nghệ sử dụng

Công cụ Mục đích
Matlab Nhập thông số, tính toán ma trận, lập trình script
Simulink Xây dựng sơ đồ khối, mô phỏng hệ phương trình vi phân

Xác nhận kết quả

Kết quả tần số riêng tính toán từ mô hình được so sánh với ngưỡng tiêu chuẩn tần số cho xe buýt (75–90 lần/phút tương đương 1,25–1,5 Hz). Giá trị R.M.S gia tốc tính toán được đối chiếu với thang phân loại TCVN 6964-1:2001.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Đề tài xây dựng thành công mô hình dao động ½ xe buýt Samco City HI76 trong mặt phẳng dọc với 4 bậc tự do. Hệ phương trình vi phân dao động hoàn chỉnh được thiết lập bằng phương trình Lagrange loại II và giải bằng Matlab Simulink. Kết quả khảo sát tại ba mức vận tốc (12 m/s, 16 m/s, 22 m/s) cho phép đánh giá toàn diện độ êm dịu và an toàn chuyển động qua các thông số: chuyển vị, vận tốc, gia tốc thân xe; R.M.S gia tốc; tần số riêng có giảm chấn; lực tác động bánh xe lên mặt đường. Kết quả tổng hợp được trình bày trong Bảng 4.5.

Kết quả phân tích ảnh hưởng tham số cho thấy mối quan hệ giữa độ cứng nhíp ($C_{2t}$), độ cản giảm chấn ($K_{2t}$) và độ cứng lốp ($C_{1t}$) với R.M.S và tần số riêng, cung cấp cơ sở định lượng cho việc lựa chọn thông số hệ thống treo phù hợp.

Giải pháp và kiến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng, đề tài đề xuất hướng cải thiện độ êm dịu thông qua điều chỉnh các thông số hệ thống treo: độ cứng nhíp, hệ số cản giảm chấn và độ cứng lốp. Các kết quả phân tích tham số cung cấp cơ sở kỹ thuật cho quá trình thiết kế và lựa chọn hệ thống treo của xe buýt sản xuất trong nước.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

So với luận văn của Bùi Trung Vĩnh (2011) còn hạn chế về số bậc tự do và chưa có kiểm chứng thực nghiệm, đề tài này áp dụng mô hình mô phỏng Simulink với thông số đầu vào được thu thập trực tiếp tại Nhà máy Samco Củ Chi, tăng tính thực tiễn của kết quả. So với luận văn của Nguyễn Khôi Nguyên (2015) sử dụng mô hình không gian 3 chiều, đề tài tập trung vào mô hình phẳng 4 bậc tự do kết hợp phân tích đầy đủ ảnh hưởng tham số hệ thống treo đến R.M.S và tần số riêng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo phạm vi được xác định trong văn bản, một số giới hạn của đề tài bao gồm: mô hình chỉ khảo sát dao động trong mặt phẳng dọc (mô hình ½), chưa xét đến dao động trong mặt phẳng ngang (lắc ngang) tuy mô hình ngang đã được đề cập lý thuyết ở Chương 3. Hàm kích thích mặt đường chỉ giới hạn ở mấp mô nhóm 2 (dạng bậc bán hình sin), chưa xử lý mấp mô ngẫu nhiên (nhóm 3) vốn phản ánh điều kiện đường thực tế đa dạng hơn — nguyên nhân được tác giả nêu là do yêu cầu dữ liệu tính toán lớn.

Đề tài chưa có kiểm chứng thực nghiệm đo đạc trực tiếp trên xe để đối chiếu với kết quả mô phỏng. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể mở rộng sang mô hình không gian 3 chiều, tích hợp mấp mô ngẫu nhiên, và thực hiện đo dao động thực tế để hiệu chỉnh mô hình.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và Kỹ thuật Cơ khí Động lực đang thực hiện đồ án về dao động, hệ thống treo hoặc mô phỏng động lực học xe. Phần trình bày hệ thống hóa các chỉ tiêu đánh giá theo TCVN 6964-1:2001 và ISO 2631-1:1997 (Chương 2) hữu ích cho người cần nắm rõ khung tiêu chuẩn đánh giá rung động xe.

Chương 3 với quy trình thiết lập hệ phương trình vi phân dao động 4 bậc tự do bằng phương trình Lagrange loại II cung cấp ví dụ chi tiết và có thể tái sử dụng cho các mô hình xe khác. Chương 4 với hệ thống các sơ đồ khối Simulink (kích thích mặt đường, bánh xe, hệ treo, cầu xe, thân xe, R.M.S gia tốc, tần số riêng) có giá trị tham khảo thực hành cao cho ai bắt đầu xây dựng mô hình mô phỏng dao động xe trên Simulink.

Đồ án cũng phù hợp làm tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên và kỹ sư tại các cơ sở sản xuất xe buýt trong nước quan tâm đến phương pháp đánh giá độ êm dịu bằng công cụ mô phỏng số thay vì chỉ dựa vào đo đạc thực tế tốn kém.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài chọn mô hình dao động nào và lý do tại sao không dùng mô hình không gian 3 chiều? Đề tài chọn mô hình dao động ½ trong mặt phẳng dọc với 4 bậc tự do ($z$, $\varphi$, $z_{1t}$, $z_{1s}$). Lý do là phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc khảo sát dao động trong miền thời gian thông qua chuyển vị, gia tốc và R.M.S gia tốc, trong đó kích thích mặt đường dạng bậc bán hình sin tác động chủ yếu theo phương thẳng đứng trong mặt phẳng dọc. Mô hình không gian 3 chiều được đề cập nhưng không nằm trong phạm vi thực hiện.

2. Hàm kích thích mặt đường nào được dùng để mô phỏng và vì sao không chọn mấp mô ngẫu nhiên? Hàm kích thích được chọn là mấp mô nhóm 2 — dạng bậc bán hình sin, với hàm cầu trước khác pha cầu sau một khoảng $\Delta t = l/v$. Mấp mô ngẫu nhiên (nhóm 3) không được sử dụng vì ngay cả khi xe chuyển động đều, việc mô tả chính xác biên dạng ngẫu nhiên đòi hỏi máy tính xử lý khối lượng dữ liệu rất lớn, vượt khả năng của phạm vi đề tài.

3. Giá trị R.M.S gia tốc được tính thế nào và so sánh với tiêu chuẩn nào? R.M.S gia tốc (trọng số gia tốc $a_w$) được tính theo công thức tích phân: $a_w = \left[\frac{1}{t}\int_0^t a_w^2(t),dt\right]^{1/2}$, trong đó $a_w(t)$ là gia tốc rung động tịnh tiến (đơn vị m/s²). Kết quả được đối chiếu với tiêu chuẩn TCVN 6964-1:2001 — cụ thể, ngưỡng không có cảm giác khó chịu là dưới 0,315 m/s², ngưỡng dễ chịu theo ISO/DIS 2631 là 0,1 m/s², ngưỡng ảnh hưởng xấu đến sức khỏe là 0,63 m/s².

4. Thông số kỹ thuật đầu vào của xe buýt Samco City HI76 được lấy từ đâu? Thông số kỹ thuật (Bảng 4.2, 4.3, 4.4) bao gồm thông số lá nhíp trước và sau, khối lượng phân bổ, kích thước hình học, độ cứng lốp và độ cản giảm chấn được thu thập trực tiếp tại Nhà máy Ô tô Chuyên dùng Samco Củ Chi với sự hỗ trợ đo đạc của nhân viên kỹ thuật tại nhà máy.

5. Đề tài phân tích ảnh hưởng của những thông số nào đến độ êm dịu? Đề tài phân tích ảnh hưởng của ba nhóm thông số: (1) Độ cứng nhíp ($C_{2t}$) — thay đổi giá trị này ảnh hưởng đồng thời đến R.M.S và tần số riêng; (2) Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo ($K_{2t}$) — ảnh hưởng đến mức độ tắt dần dao động và giá trị R.M.S; (3) Độ cứng lốp ($C_{1t}$) — ảnh hưởng đến cả R.M.S và tần số riêng của hệ. Kết quả từng trường hợp được tổng hợp trong các bảng so sánh cuối Chương 4.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Khảo sát và đánh giá độ êm dịu của ô tô" của nhóm sinh viên Chung Hoàng Vinh và Lê Anh Vũ (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 2024) đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình dao động ½ xe buýt Samco City HI76 trong mặt phẳng dọc với 4 bậc tự do, thiết lập hệ phương trình vi phân dao động theo phương trình Lagrange loại II và giải bằng Matlab Simulink. Đề tài khảo sát dao động tại ba mức vận tốc (12 m/s, 16 m/s, 22 m/s), đánh giá độ êm dịu theo TCVN 6964-1:2001 / ISO 2631-1:1997 qua các chỉ tiêu R.M.S gia tốc và tần số riêng, đồng thời phân tích an toàn chuyển động qua lực tác động bánh xe – mặt đường. Kết quả phân tích ảnh hưởng của độ cứng nhíp, hệ số cản giảm chấn và độ cứng lốp cung cấp cơ sở định lượng phục vụ thiết kế và cải thiện hệ thống treo cho ô tô khách sản xuất trong nước.