Tổng quan nghiên cứu

Xe đua sinh viên Formula Student (FSAE) là một sân chơi kỹ thuật toàn cầu, thu hút sinh viên các trường đại học và cao đẳng chuyên ngành kỹ thuật tham gia thiết kế, chế tạo và thi đấu xe đua. Tại Việt Nam, lĩnh vực này còn khá mới mẻ nhưng đã có những bước tiến đáng kể, tiêu biểu là chiếc xe đua sinh viên do Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên chế tạo. Xe FSAE có thể đạt tốc độ lên đến 100 km/h, tương đương khoảng 1/3 tốc độ của xe đua F1, với các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt về kích thước, động cơ, hệ thống treo, phanh và an toàn.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống treo đến dao động và độ êm dịu chuyển động của xe đua FSAE. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động hệ thống treo, phân tích ảnh hưởng của các thông số kết cấu như độ cứng lò xo, hệ số cản giảm chấn, khối lượng được treo và không được treo đến dao động xe, từ đó đề xuất bộ thông số tối ưu nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động. Nghiên cứu tập trung trên mô hình xe đua sinh viên của Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, sử dụng tiêu chuẩn ISO 2631-1 (2005) về gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động để đánh giá độ êm dịu.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích các thông số kết cấu hệ thống treo trong điều kiện vận hành thực tế với tốc độ dao động từ 10 đến 90 km/h. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế hệ thống treo xe đua sinh viên, góp phần nâng cao hiệu suất vận hành, giảm chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Mô hình dao động ¼ xe: Mô hình này mô phỏng dao động của một phần tư xe, gồm khối lượng được treo (thân xe), khối lượng không được treo (bánh xe), lò xo và giảm chấn hệ thống treo, cùng lò xo và giảm chấn lốp. Mô hình có hai bậc tự do, cho phép phân tích chi tiết ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến dao động theo phương thẳng đứng.

  • Tiêu chuẩn ISO 2631-1 (2005): Tiêu chuẩn quốc tế đánh giá độ êm dịu chuyển động dựa trên gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động. Các mức độ êm dịu được phân loại rõ ràng, ví dụ: awz < 0,315 m/s² là thoải mái, awz > 2 là cực kỳ khó chịu.

  • Các chỉ tiêu đánh giá dao động: Bao gồm tần số dao động (1-1,5 Hz cho xe chở người), gia tốc và vận tốc dao động, công suất dao động, tải trọng động bánh xe, độ bền chi tiết, độ bám bánh xe với mặt đường và cường độ dao động KB.

  • Mô hình hệ thống treo độc lập hai đòn ngang (Double Wishbone Suspension): Hệ thống treo phổ biến trên xe đua FSAE, gồm hai đòn chữ A trên và dưới, khớp cầu và khớp trụ, giúp bánh xe chuyển động độc lập, tối ưu độ ổn định và êm dịu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ mô hình xe đua sinh viên do Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên thiết kế, các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước, tiêu chuẩn ISO 2631-1, cùng các kết quả mô phỏng và thực nghiệm trước đó.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng số bằng phần mềm chuyên dụng Adams và Matlab/Simulink để xây dựng mô hình dao động ¼ xe, thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả động học hệ thống treo, phân tích ảnh hưởng của các thông số kết cấu như độ cứng lò xo (K), hệ số cản giảm chấn (C), khối lượng được treo (M) và không được treo (m) đến gia tốc dao động.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng dựa trên thông số kỹ thuật thực tế của xe đua sinh viên, với các biến đổi có hệ thống các thông số kết cấu để khảo sát ảnh hưởng đến dao động. Các trường hợp mô phỏng được thực hiện với tốc độ vận hành từ 10 đến 90 km/h.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất thông số tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo (K) đến dao động: Khi tăng độ cứng lò xo từ 25.000 N/m đến 200.000 N/m, gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng (awz) của khung xe tăng rõ rệt, từ dưới 0,315 m/s² (mức thoải mái) lên đến trên 1,0 m/s² (mức khá khó chịu). Điều này cho thấy độ cứng lò xo cao làm giảm khả năng hấp thụ dao động, gây giảm êm dịu chuyển động.

  2. Ảnh hưởng của hệ số cản giảm chấn (C): Thay đổi hệ số cản giảm chấn trong khoảng 2.500 N.s/m đến 75.000 N.s/m có tác động đáng kể đến gia tốc dao động. Hệ số cản giảm chấn tối ưu nằm trong khoảng 5.000 - 10.000 N.s/m giúp giảm gia tốc dao động xuống mức dưới 0,315 m/s², cải thiện độ êm dịu.

  3. Ảnh hưởng của tốc độ vận hành (v): Gia tốc dao động tăng theo tốc độ xe, với gia tốc bình phương trung bình awz tăng từ khoảng 0,2 m/s² ở 10 km/h lên gần 0,6 m/s² ở 90 km/h. Tốc độ cao làm tăng biên độ dao động, đòi hỏi hệ thống treo phải được thiết kế phù hợp để duy trì độ êm dịu.

  4. Tối ưu hóa thông số kết cấu: Bộ thông số kết cấu tối ưu được xác định là độ cứng lò xo khoảng 50.000 N/m và hệ số cản giảm chấn khoảng 7.500 N.s/m, giúp duy trì gia tốc dao động bình phương trung bình theo phương thẳng đứng dưới 0,315 m/s², đạt mức thoải mái theo tiêu chuẩn ISO 2631-1.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi các thông số kết cấu hệ thống treo ảnh hưởng trực tiếp đến dao động và độ êm dịu chuyển động của xe đua FSAE. Độ cứng lò xo quá cao làm tăng gia tốc dao động, gây khó chịu cho người lái và giảm hiệu suất vận hành. Ngược lại, hệ số cản giảm chấn hợp lý giúp hấp thụ năng lượng dao động hiệu quả, giảm biên độ gia tốc.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với các báo cáo trong nước và quốc tế về thiết kế hệ thống treo xe đua sinh viên, đồng thời khẳng định tính khả thi của phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm Adams và Matlab/Simulink. Việc sử dụng tiêu chuẩn ISO 2631-1 làm chỉ tiêu đánh giá giúp đảm bảo tính khách quan và chuẩn hóa kết quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng tương ứng với các giá trị độ cứng lò xo, hệ số cản giảm chấn và tốc độ vận hành, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của từng thông số đến độ êm dịu chuyển động.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu thiết kế hệ thống treo: Hành động điều chỉnh độ cứng lò xo và hệ số cản giảm chấn trong khoảng giá trị tối ưu (K ≈ 50.000 N/m, C ≈ 7.500 N.s/m) nhằm duy trì gia tốc dao động dưới 0,315 m/s², nâng cao độ êm dịu chuyển động. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: Nhóm thiết kế xe đua sinh viên.

  2. Áp dụng mô phỏng số trong thiết kế: Khuyến nghị sử dụng phần mềm Adams và Matlab/Simulink để mô phỏng và đánh giá các phương án thiết kế hệ thống treo trước khi chế tạo thực tế, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thử nghiệm. Thời gian triển khai: liên tục trong quá trình phát triển xe. Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu và phát triển kỹ thuật.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về mô phỏng động lực học và thiết kế hệ thống treo cho sinh viên và kỹ sư trẻ nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: Trường Đại học và các tổ chức đào tạo.

  4. Nghiên cứu mở rộng và thử nghiệm thực tế: Tiến hành thử nghiệm thực tế trên xe đua với các thông số kết cấu được tối ưu để đánh giá hiệu quả mô phỏng và điều chỉnh thiết kế phù hợp với điều kiện vận hành thực tế. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: Nhóm nghiên cứu và đội đua sinh viên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Cơ khí động lực: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế và mô phỏng hệ thống treo xe đua, giúp nâng cao kỹ năng nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

  2. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực ô tô: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc giảng dạy, phát triển đề tài nghiên cứu liên quan đến động lực học xe và hệ thống treo.

  3. Kỹ sư thiết kế và phát triển xe đua sinh viên: Cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp luận để tối ưu hóa thiết kế hệ thống treo, nâng cao hiệu suất và độ an toàn của xe.

  4. Các tổ chức và đội đua sinh viên FSAE: Hỗ trợ trong việc lựa chọn thông số kỹ thuật phù hợp, áp dụng mô phỏng số để giảm thiểu chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn mô hình dao động ¼ xe để nghiên cứu?
    Mô hình dao động ¼ xe đơn giản nhưng đủ để phân tích chi tiết ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống treo đến dao động theo phương thẳng đứng, giúp tiết kiệm thời gian và tài nguyên tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết.

  2. Phần mềm Adams có ưu điểm gì trong mô phỏng hệ thống treo?
    Adams cung cấp thư viện các modul chuẩn cho hệ thống treo, cho phép mô phỏng động lực học cơ khí chính xác, dễ dàng thay đổi thông số và phân tích kết quả, giúp rút ngắn thời gian thiết kế và thử nghiệm.

  3. Tiêu chuẩn ISO 2631-1 được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Tiêu chuẩn ISO 2631-1 dùng để đánh giá độ êm dịu chuyển động dựa trên gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động, giúp định lượng mức độ thoải mái hoặc khó chịu của người lái khi xe vận hành.

  4. Các thông số kết cấu nào ảnh hưởng nhiều nhất đến dao động xe?
    Độ cứng lò xo và hệ số cản giảm chấn là hai thông số chính ảnh hưởng đến biên độ và tần số dao động, từ đó quyết định độ êm dịu chuyển động của xe đua FSAE.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Kết quả mô phỏng giúp xác định bộ thông số tối ưu cho hệ thống treo, từ đó đội ngũ thiết kế có thể điều chỉnh thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thực tế nhằm nâng cao hiệu suất và độ an toàn của xe đua sinh viên.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng dao động ¼ xe đua sinh viên FSAE, phân tích ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống treo đến độ êm dịu chuyển động.
  • Kết quả cho thấy độ cứng lò xo và hệ số cản giảm chấn là các yếu tố quyết định đến gia tốc dao động, ảnh hưởng trực tiếp đến sự thoải mái của người lái.
  • Bộ thông số tối ưu được đề xuất giúp duy trì gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng dưới 0,315 m/s², đạt mức thoải mái theo tiêu chuẩn ISO 2631-1.
  • Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm Adams và Matlab/Simulink được đánh giá là hiệu quả, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong thiết kế hệ thống treo.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm áp dụng thiết kế tối ưu vào chế tạo thực tế, đào tạo kỹ thuật viên và mở rộng nghiên cứu thử nghiệm thực tế nhằm nâng cao hiệu quả vận hành xe đua sinh viên FSAE.

Call-to-action: Các nhóm nghiên cứu và đội đua sinh viên nên áp dụng phương pháp mô phỏng và bộ thông số tối ưu này để nâng cao chất lượng thiết kế, đồng thời tiếp tục phát triển nghiên cứu nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao trong lĩnh vực xe đua sinh viên.