Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê từ các hiệp hội vận tải công cộng đô thị, có đến khoảng 68% hành khách cảm nhận sự mệt mỏi và say xe bắt nguồn từ các rung động tần số thấp cùng tiếng ồn kéo dài trong khoang hành khách. Trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, việc kiểm soát chỉ số NVH (Noise, Vibration, and Harshness - Rung động, Tiếng ồn và Độ êm dịu) là tiêu chí sống còn quyết định năng lực cạnh tranh và sự thoải mái của người tiêu dùng. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này trên sản phẩm thực tế, đề tài nghiên cứu tập trung đánh giá mức độ rung động và tiếng ồn của xe buýt Thaco City B60 do Công ty Cổ phần Ô tô Trường Hải sản xuất, sử dụng nền tảng đo kiểm và phân tích chuyên sâu LMS Test.Lab.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là ứng dụng phần mềm LMS Test.Lab kết hợp bộ thu thập dữ liệu phần cứng SCADAS để đo đạc chính xác các thông số dao động, phân tích nhận diện nguồn gốc gây rung ồn và phát hiện hiện tượng cộng hưởng cơ học. Từ đó, tác giả đề xuất các phương án cải tiến kết cấu cơ khí nhằm triệt tiêu dao động nguy hiểm. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện thực nghiệm tại Trung tâm R&D Thaco Bus (Chu Lai, Quảng Nam) và Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng vào năm 2019, khảo sát trên dòng xe mẫu Thaco City B60 trang bị động cơ diesel Weichai WP4 ở chế độ nổ tĩnh không tải và chế độ tăng tốc động cơ.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện rõ qua việc đưa gia tốc rung động sàn xe về ngưỡng an toàn theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631, đồng thời hạ mức áp suất âm trong khoang khách xuống dưới ngưỡng 70 dBA. Nghiên cứu giúp doanh nghiệp rút ngắn ước tính 25% thời gian phát triển xe mẫu, tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí thử nghiệm và tạo tiền đề vững chắc cho việc nội địa hóa và xuất khẩu xe buýt thương mại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của 3 lý thuyết kỹ thuật then chốt: Lý thuyết dao động cơ học hệ nhiều bậc tự do, Lý thuyết âm học ô tô và Lý thuyết xử lý tín hiệu số thông qua phương pháp phân tích bậc dao động (Order Tracking Analysis).

Về mặt sinh học và độ êm dịu, tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1 định nghĩa cơ thể người là một hệ đàn hồi cơ học có tần số dao động riêng dao động từ 3 đến 30 Hz. Dao động có tần số dưới 0.5 Hz gây ra hiện tượng say sóng, buồn nôn; trong khi dao động ở dải gia tốc hiệu dụng RMS (Root Mean Square) từ 0.315 m/s² đến 0.63 m/s² bắt đầu tạo cảm giác khó chịu và trên 2.0 m/s² dẫn đến trạng thái cực kỳ khó chịu cho người ngồi. Mức độ mệt mỏi và tích lũy chấn thương cột sống được kiểm soát chặt chẽ qua các chỉ số MTVV (Maximum Transient Vibration Value) và VDV (Vibration Dose Value).

Về mặt âm học, áp suất âm được đánh giá theo thang đo mức ồn A-weighting (dBA). Khi độ ồn vượt quá 70 dBA, việc giao tiếp thông thường trở nên khó khăn; tiếp xúc liên tục với âm thanh trên 75 dBA trong thời gian dài sẽ kích thích hệ thần kinh làm tăng nhịp tim và huyết áp. Về xử lý tín hiệu, phương pháp biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform - FFT) chuyển đổi dữ liệu từ miền thời gian (Waveform) sang miền tần số (Spectrum). Thuật toán này sử dụng các tham số cốt lõi gồm tần số lấy mẫu Fs, băng thông Fmax và dải phổ Spectral Lines ($SL = N/2$) để nhận diện chính xác các hài dao động bậc 2 (Order 2) và bậc 4 (Order 4) đặc trưng của động cơ diesel 4 kỳ 4 xi-lanh Weichai WP4.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa giải tích và thực nghiệm hiện trường trên 01 mẫu xe buýt Thaco City B60 hoàn chỉnh:

  • Nguồn dữ liệu và thiết bị đo: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập thông qua bộ ghép nối SCADAS 16 kênh với hệ thống cảm biến chuyên dụng bao gồm: cảm biến gia tốc 3 phương gắn trên sàn và mui xe, cảm biến Seat Pad đo rung động tại mặt ghế hành khách, cảm biến âm thanh (Microphone) thu mức áp suất âm trong khoang khách và cảm biến quang học Tacho đo số vòng quay trục khuỷu động cơ.
  • Phương pháp chọn mẫu: Phương pháp chọn mẫu có chủ đích (Purposive Sampling) được áp dụng tại các vị trí tập trung ứng suất và dao động lớn nhất theo phân tích kết cấu, bao gồm khoang lái đầu xe, vị trí ghế giữa xe và khu vực sàn phía sau ngay trên cụm động cơ.
  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Việc sử dụng phần mềm LMS Test.Lab cùng phương pháp biểu diễn đồ thị thác nước (Waterfall) và đồ thị quang phổ màu 3D (Colormap) cho phép tách biệt rõ ràng giữa dao động kích thích tuần hoàn từ động cơ, dao động cưỡng bức từ máy nén điều hòa và hiện tượng cộng hưởng kết cấu mà các phương pháp đo dao động truyền thống không thể phát hiện.
  • Timeline nghiên cứu: Tiến trình thực nghiệm được triển khai từ quý 1/2019 đến quý 3/2019, trải qua các giai đoạn đo đạc hiện trạng ban đầu, phân tích xác định nguyên nhân, gia công cải tiến kết cấu cơ khí và đo đạc kiểm chứng sau điều chỉnh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình đo đạc và phân tích số liệu thực nghiệm trên xe buýt Thaco City B60 đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

  1. Mức độ rung động sàn xe vượt chuẩn tại đuôi xe: Khi động cơ hoạt động ở chế độ không tải có bật hệ thống điều hòa, gia tốc rung động RMS tại khu vực sàn cuối xe ghi nhận giá trị lên tới 0.78 m/s², vượt ngưỡng tiêu chuẩn tiện nghi ISO 2631 (ngưỡng cho phép là dưới 0.5 m/s²), gây cảm giác rung giật rõ rệt cho hành khách ngồi hàng ghế sau.
  2. Cộng hưởng cơ học tại cụm căng đai quạt gió két nước: Ở dải tốc độ động cơ từ 1200 đến 1500 vòng/phút, biên độ dao động tại cây chống căng đai quạt làm mát tăng vọt hơn 180% so với mức thông thường, phát sinh tần số kích động 28 Hz trùng khớp với tần số dao động riêng của kết cấu giá đỡ ban đầu.
  3. Tiếng ồn khoang khách bị khuếch đại bởi giàn nóng điều hòa: Mức áp suất âm tại khu vực giữa khoang khách khi bật điều hòa công suất tối đa đạt 74.5 dBA. Tần số tiếng ồn tập trung trong dải 100 - 250 Hz, bắt nguồn từ dao động uốn của khung xương mui xe truyền trực tiếp vào không gian bên trong.
  4. Ảnh hưởng chi phối từ các bậc hài động cơ: Phân tích Order Tracking chứng minh bậc hài Order 2 của động cơ 4 xi-lanh đóng góp tới 65% tổng năng lượng kích động rung toàn thân xe, trong khi các hài bậc cao của lốc nén điều hòa gây ra rung động cục bộ trên trần mui xe.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của các hiện tượng trên được làm rõ qua phân tích kết cấu: Cây chống căng đai quạt gió nguyên bản có tiết diện thanh mảnh và độ cứng uốn không đủ, dẫn đến hiện tượng dao động uốn tự kích dưới tác động của lực căng dây đai biến thiên. Đồng thời, kết cấu xương mui tại vị trí gá đặt giàn nóng điều hòa chưa có thanh giằng chịu lực chữ X, biến bề mặt tôn mui thành màng rung khuếch đại sóng âm vào trong ca-bin.

Trong các báo cáo kỹ thuật, dữ liệu này được thể hiện trực quan qua biểu đồ Colormap 3D, nơi các dải năng lượng đỏ rực ở vùng 28 Hz biểu thị biên độ rung cực đại trước cải tiến. Sau khi tiến hành tăng cứng cây chống căng đai két nước và bổ sung tà-vẹt gia cường xương mui, biểu đồ phổ đo lại cho thấy các đỉnh dao động đã hoàn toàn biến mất. Bảng tổng hợp dữ liệu kiểm chứng sau cải tiến cho thấy:

  • Gia tốc rung RMS sàn cuối xe giảm mạnh từ 0.78 m/s² xuống còn 0.28 m/s² (giảm khoảng 64.1%), đưa xe đạt mức "Rất thoải mái" theo thang đo ISO 2631.
  • Mức độ ồn trong khoang khách giảm từ 74.5 dBA xuống còn 67.2 dBA (giảm 7.3 dBA, tương đương giảm hơn 50% áp lực âm thanh cảm nhận).

So sánh với các nghiên cứu động lực học ô tô quốc tế, kết quả này khẳng định giải pháp can thiệp trực tiếp vào kết cấu giá đỡ và tăng tần số dao động riêng của chi tiết phụ trợ mang lại hiệu quả vượt trội so với việc chỉ sử dụng vật liệu tiêu âm bị động.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm áp dụng ngay vào quy trình sản xuất xe buýt:

  1. Tối ưu hóa thiết kế cây chống căng đai quạt làm mát: Thiết kế lại tiết diện và tăng chiều dày pát đỡ cây chống két nước, nâng tần số dao động riêng của cụm chi tiết từ 28 Hz lên trên 55 Hz nhằm tránh hoàn toàn dải tần kích động 20 - 35 Hz của động cơ; mục tiêu giảm tối thiểu 60% biên độ rung cục bộ, thực hiện bởi Phòng Thiết kế Khung gầm trong vòng 30 ngày.
  2. Gia cường kết cấu khung xương mui và vị trí đặt điều hòa: Bổ sung kết cấu giằng chữ X và tà-vẹt thép tăng cứng cục bộ tại vị trí bắt bu-lông giàn nóng điều hòa; thay thế đệm cao su giảm chấn chân đế lốc lạnh có độ cứng thích ứng ($K_s = 150\text{ N/mm}$); mục tiêu duy trì độ ồn khoang khách dưới 68 dBA, hoàn thành trong 45 ngày bởi Đội ngũ R&D Thaco Bus.
  3. Chuẩn hóa quy trình siết lực và kiểm soát mối ghép: Xây dựng bảng quy chuẩn lực siết bu-lông chân máy và pát đỡ hộp số với dải mô-men tiêu chuẩn nghiêm ngặt từ 85 đến 110 Nm; áp dụng kỹ thuật kiểm tra không phá hủy đối với 100% mối hàn khung gầm; thực hiện bởi Phân xưởng Lắp ráp trong 15 ngày.
  4. Tích hợp module đo kiểm NVH bằng LMS Test.Lab vào quy trình kiểm tra chất lượng: Thành lập trạm thử nghiệm rung ồn trực tuyến, đối soát tự động dữ liệu gia tốc và áp suất âm với tiêu chuẩn ISO 2631 trên 100% xe xuất xưởng; triển khai bởi Phòng Đảm bảo Chất lượng (QA/QC) theo chu kỳ định kỳ hàng quý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) ô tô: Cung cấp hướng dẫn từng bước về việc sử dụng phần mềm LMS Test.Lab, thiết lập hệ thống SCADAS và đọc hiểu biểu đồ Order Tracking để xử lý dứt điểm các bài toán rung ồn phức tạp trong giai đoạn tạo mẫu xe mới.
  2. Học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Làm tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu với hệ thống dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, kết nối lý thuyết dao động cơ học và tiêu chuẩn ISO 2631 với thực tế sản xuất công nghiệp.
  3. Chuyên viên quản lý chất lượng (QA/QC) tại các nhà máy ô tô: Ứng dụng các bảng tiêu chuẩn gia tốc rung và độ ồn làm căn cứ xây dựng bộ chỉ số đánh giá xuất xưởng cho các dòng xe khách và xe tải nặng.
  4. Các đơn vị quản lý và khai thác giao thông công cộng: Cung cấp luận cứ khoa học để thẩm định chất lượng tiện nghi phương tiện khi xây dựng hồ sơ đấu thầu mua sắm đội xe buýt đô thị văn minh, bảo vệ sức khỏe lâu dài của tài xế và hành khách.

Câu hỏi thường gặp

Phần mềm LMS Test.Lab đóng vai trò gì trong việc xử lý rung ồn xe buýt?
LMS Test.Lab là công cụ kỹ thuật số hàng đầu thế giới giúp thu thập và xử lý tín hiệu đa kênh với độ phân giải tần số cao 0.5 Hz. Nhờ tính năng phân tích Order Tracking và hiển thị biểu đồ Colormap 3D, phần mềm giúp kỹ sư cô lập chính xác nguồn gây rung từ động cơ 4 xi-lanh hay quạt gió thay vì phán đoán định tính.

Tiêu chuẩn ISO 2631 đánh giá độ tiện nghi hành khách dựa trên những chỉ số nào?
ISO 2631 phân loại mức độ thoải mái dựa trên giá trị gia tốc hiệu dụng toàn phương RMS (m/s²). Giá trị dưới 0.315 m/s² thể hiện sự thoải mái tối ưu, trong khi dải từ 0.8 đến 1.6 m/s² gây khó chịu rõ rệt. Luận văn đã ứng dụng thang đo này để kiểm soát độ rung tại ghế và sàn xe Thaco City B60.

Tại sao cây chống căng đai quạt gió ban đầu lại gây ra rung động nghiêm trọng?
Trong thực tế, cây chống nguyên bản có độ cứng uốn thấp, khiến tần số dao động riêng rơi vào dải 25 - 35 Hz. Khi xe vận hành ở dải tốc độ động cơ 1200 - 1500 vòng/phút, tần số kích thích trùng với tần số riêng tạo ra hiện tượng cộng hưởng, khuếch đại biên độ rung lên hơn 180%.

Việc cải tiến kết cấu xương mui mang lại hiệu quả giảm ồn khoang khách ra sao?
Việc bổ sung thanh giằng chữ X và thay thế đệm cao su giảm chấn đã triệt tiêu hiện tượng rung màng tôn mui xe do máy nén điều hòa gây ra. Kết quả thực nghiệm ghi nhận mức ồn giảm 7.3 dBA, đưa thông số âm thanh trung bình về mức an toàn 67.2 dBA theo tiêu chuẩn vận tải đô thị.

Quy trình thực nghiệm trong luận văn có thể áp dụng cho các dòng xe khác không?
Quy trình thực nghiệm 4 bước gồm gắn cảm biến, thu thập qua SCADAS, phân tích phổ tần số trên LMS Test.Lab và hiệu chỉnh kết cấu có tính phổ quát cao, hoàn toàn có thể áp dụng cho các dòng xe buýt điện, xe khách giường nằm và xe thương mại thế hệ mới trong vòng 30 ngày.

Kết luận

  • Ứng dụng thành công gói giải pháp phần mềm LMS Test.Lab và phần cứng SCADAS vào đánh giá chuyên sâu rung động, tiếng ồn (NVH) trên xe buýt Thaco City B60.
  • Nhận diện chính xác 2 nguyên nhân cốt lõi gây rung ồn gồm hiện tượng cộng hưởng tại cây chống căng đai quạt gió két nước (28 Hz) và độ cứng vững chưa tối ưu của kết cấu xương mui giàn lạnh.
  • Triển khai cải tiến kết cấu cơ khí thành công, giúp giảm 64.1% gia tốc rung sàn xe (từ 0.78 m/s² xuống 0.28 m/s²) và hạ mức ồn khoang khách xuống 67.2 dBA, đạt chuẩn tiện nghi quốc tế ISO 2631.
  • Xây dựng quy trình đo kiểm thực nghiệm chuẩn hóa, phục vụ trực tiếp cho hoạt động R&D và kiểm soát chất lượng tại Công ty Cổ phần Ô tô Trường Hải trong giai đoạn 2020 - 2025.
  • Đề ra lộ trình nghiên cứu tiếp theo bao gồm khảo sát rung động động lực học trên đường thử thực tế ở dải vận tốc 40 - 80 km/h trong vòng 6 tháng tới.

Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng ngay phương pháp luận này để tối ưu hóa kết cấu NVH, nâng cao chất lượng phương tiện giao thông công cộng và thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.