Tổng quan luận án

Nghiên cứu dao động ô tô là một lĩnh vực trọng tâm của chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực nhằm nâng cao tính êm dịu chuyển động và an toàn chuyển động cho phương tiện giao thông đường bộ. Tại Việt Nam, sự phát triển của mạng lưới giao thông đường bộ cùng tốc độ gia tăng nhu cầu vận tải hành khách liên tỉnh cự ly dài đã thúc đẩy việc nhập khẩu, sản xuất và lắp ráp các dòng ô tô khách cỡ lớn, đặc biệt là ô tô khách giường nằm hai tầng. Dòng phương tiện này thường sử dụng hệ thống treo khí nén nhờ khả năng thích ứng tốt với sự thay đổi tải trọng và cải thiện độ êm dịu so với hệ thống treo nhíp truyền thống. Tuy nhiên, ô tô khách giường nằm hai tầng có chiều cao trọng tâm lớn, khi vận hành trên mạng lưới đường bộ có tỷ lệ đường cấp thấp còn cao hoặc trên các cung đường đèo dốc hiểm trở, thân xe dễ xuất hiện dao động lắc ngang biên độ lớn, tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định và lật đổ xe. Việc kiểm soát độ cứng của phần tử đàn hồi khí nén đóng vai trò quyết định đến cả tính êm dịu và tính an toàn chuyển động.

Khoảng trống nghiên cứu thực tế tại Việt Nam cho thấy các công trình nghiên cứu dao động ô tô trước đây chủ yếu tuyến tính hóa độ cứng và hệ số cản của hệ thống treo, hoặc áp dụng trên mô hình phẳng một phần tư (1/4) và một phần hai (1/2) thân xe. Các nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống treo khí nén có xét đến tính chất nhiệt động học phi tuyến của lò xo khí nén, khảo sát trên mô hình dao động không gian đầy đủ kết hợp kiểm chứng thực nghiệm trên ô tô khách sản xuất lắp ráp trong nước còn chưa được triển khai toàn diện. Do đó, đề tài "Nghiên cứu dao động của ô tô khách có sử dụng hệ thống treo khí nén" được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đánh giá dao động ô tô khách sử dụng hệ thống treo khí nén thông qua các chỉ tiêu êm dịu và an toàn chuyển động, phục vụ cho công tác tính toán thiết kế, chế tạo và khai thác ô tô khách sử dụng hệ thống treo khí nén được sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam.

Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án được xác định gồm 4 nội dung cụ thể:

  1. Lựa chọn mô hình toán học mô phỏng phần tử đàn hồi khí nén trong hệ thống treo, xác định đặc tính tĩnh và động lực học của lò xo khí nén.
  2. Nghiên cứu, xây dựng mô hình dao động ô tô khách sử dụng hệ thống treo khí nén trong không gian, có kể đến yếu tố phi tuyến của lò xo khí nén.
  3. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu hệ thống treo khí nén đến dao động của ô tô khách được sản xuất lắp ráp tại Việt Nam.
  4. Đánh giá độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu lý thuyết bằng việc so sánh với kết quả thí nghiệm thực tế, qua đó chuẩn hóa mô hình lý thuyết đã xây dựng và xác định các thông số đầu vào cho mô hình.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là ô tô khách có sử dụng hệ thống treo khí nén được sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam (với đối tượng khảo sát và thử nghiệm cụ thể là ô tô khách UNIVERSE K43-2F14). Phạm vi nghiên cứu bao gồm nghiên cứu lý thuyết nhiệt động học, động lực học chất khí và thực nghiệm đo đạc dao động của ô tô khách trong điều kiện vận hành tại Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan các công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước cho thấy việc nghiên cứu dao động ô tô gắn liền với ba hướng chính: nghiên cứu bề mặt đường, nghiên cứu mô hình dao động phương tiện và nghiên cứu cảm giác, phản ứng sinh lý của con người.

Các công trình nghiên cứu quốc tế tiêu biểu về hệ thống treo khí nén bao gồm:

  • Massimo Sorli và Giuseppe Quaglia [59] phân tích đặc tính phi tuyến của hệ thống treo khí nén có bình khí phụ, đánh giá ảnh hưởng của thể tích, áp suất, diện tích chịu lực trong miền tần số trên mô hình dao động 1/4 ô tô.
  • Katsuya Toyofuku, Chuuji Yamada, Toshiharu Kagawa và Toshinori Fujita [53] xây dựng mô hình và mô phỏng đặc tính hệ thống treo khí nén có bình khí phụ, khảo sát ảnh hưởng của chiều dài đường ống nối giữa bình khí phụ và lò xo khí nén trong miền tần số.
  • Chen Ke, Zhang Ming và Tong Xuefeng [33] thiết lập mô hình dao động ô tô 7 bậc tự do với phần tử đàn hồi phi tuyến, áp dụng giải thuật điều khiển mờ (Fuzzy control) trong Matlab để điều khiển gia tốc thân xe.
  • William Daniel Robinson [68] nghiên cứu các mô hình hệ thống treo khí nén tuyến tính và phi tuyến có bình khí phụ, xây dựng bộ điều khiển bán tích cực cho phần tử giảm chấn.
  • Malin Presthus [57], H. Shokouhi [46], Nicolas Docquier [60] nghiên cứu ứng dụng mô hình hệ thống treo khí nén phi tuyến (mô hình GENSYS) trên phương tiện đường sắt, phân tích ảnh hưởng của áp suất, kích thước ống dẫn và tiến hành đo đạc thực nghiệm kiểm chứng.
  • Dongpu Cao [37] nghiên cứu mô hình toán học cho hệ thống treo thủy khí trên ô tô tải trọng lớn, đánh giá các yếu tố kết cấu và vị trí bố trí buồng khí.
  • Về tính ổn định và an toàn lật đổ: Baumann [29] làm rõ nguyên nhân gây lật xe do lực ngang cực đại ở các cầu kết hợp với gia tốc quay vòng lớn (high roll-rate), hiện tượng quay vòng thừa (oversteering), đánh lái gấp hoặc chuyển làn kép; Dahlberg [41] nghiên cứu hiện tượng lật xe do tác động của gió ngang và mặt đường xấu.

Các công trình nghiên cứu dao động ô tô trong nước:

  • Nguyễn Văn Trà [18] nghiên cứu ứng dụng hệ thống treo bán tích cực trên mô hình 1/4 ô tô nhằm nâng cao độ êm dịu, trong đó độ cứng phần tử đàn hồi được tuyến tính hóa.
  • Đặng Việt Hà [6] sử dụng mô hình 1/2 ô tô trong mặt phẳng dọc có kể đến hệ ghế và người ngồi để khảo sát độ êm dịu của ô tô khách đóng mới tại Việt Nam.
  • Võ Văn Trung [19] xây dựng mô hình dao động ngẫu nhiên 1/2 xe trong mặt phẳng dọc cho xe xích có xét yếu tố phi tuyến của thanh xoắn.
  • Lê Minh Lư [14] nghiên cứu dao động của máy kéo bánh hơi trong không gian dưới kích động mặt đường ngẫu nhiên, xét đặc trưng phi tuyến của phần tử đàn hồi.
  • Lưu Văn Tuấn [17] sử dụng mô hình dao động không gian để khảo sát độ êm dịu cho xe khách Ba Đình.
  • Nguyễn Văn Hùng [10] thiết lập mô hình không gian khảo sát dao động lắc ngang và độ ổn định hướng của ô tô con lắp ráp tại Việt Nam.
  • Nguyễn Ngọc Tú [20] ứng dụng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật khảo sát động lực học và giới hạn mất ổn định của đoàn xe kéo moóc.
  • Đào Mạnh Hùng [8] xây dựng hàm ngẫu nhiên xác định tải trọng động tác dụng xuống đường theo quan hệ bánh xe - mặt đường cho ô tô tải nhiều trục bằng phương pháp di chuyển khả dĩ.
  • Trần Minh Sơn [16] khảo sát mấp mô ngẫu nhiên để tính toán độ bền khung vỏ xe Mekong Star.
Nhóm hướng nghiên cứu Tác giả tiêu biểu Phạm vi và đặc điểm mô hình Hạn chế / Khoảng trống tồn tại
Treo khí nén quốc tế (ô tô & tàu hỏa) Sorli & Quaglia, Toyofuku, Presthus, Docquier, Robinson Mô hình 1/4 ô tô hoặc toa xe đường sắt; xét phi tuyến nhiệt động học và bình khí phụ Chưa áp dụng mô hình không gian đầy đủ cho cấu trúc ô tô khách cỡ lớn cụ thể
An toàn & ổn định lật xe Baumann, Dahlberg Động lực học quay vòng thừa, đánh lái gấp, gió ngang, kích động mặt đường xấu Phương pháp mô phỏng số chủ yếu tập trung vào ô tô con hoặc xe tải
Dao động ô tô trong nước Nguyễn Văn Trà, Đặng Việt Hà, Nguyễn Văn Hùng, Lưu Văn Tuấn Mô hình 1/4, 1/2 hoặc không gian ô tô con, xe khách Ba Đình; tuyến tính hóa hệ số treo Chưa mô hình hóa phi tuyến phần tử đàn hồi khí nén kết hợp thực nghiệm chuyên sâu

Vị trí của luận án: Luận án kế thừa mô hình nhiệt động học lò xo khí nén GENSYS đã được khẳng định trong ngành đường sắt, mở rộng thiết lập mô hình dao động không gian hoàn chỉnh cho ô tô khách có hệ thống treo khí nén sản xuất lắp ráp tại Việt Nam, đồng thời thực hiện đầy đủ các bước thực nghiệm xác định đặc tính tĩnh, động và tần số riêng để chuẩn hóa mô hình lý thuyết.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên cơ sở nhiệt động học của chất khí để mô tả quá trình biến đổi trạng thái của khối khí nén trong hệ thống treo. Quá trình nén và giãn của lò xo khí nén được xác định là quá trình đa biến (nằm giữa quá trình đẳng nhiệt và đoạn nhiệt): $$p_1 V_1^n = p_2 V_2^n = \text{const}$$ Đối với không khí, tỷ số nhiệt dung riêng lý thuyết là $n = C_p / C_v \approx 1,4$. Trong điều kiện làm việc thực tế của hệ thống treo ô tô, chỉ số nén đa biến dao động trong khoảng $n = 1,3 \div 1,4$. Diện tích làm việc tức thời của lò xo khí nén được xác định theo tỷ số giữa tải trọng tác dụng $F$ và áp suất tương đối $p$: $$A_e = \frac{F}{p} = \frac{F}{p_b - p_a}$$ Trong đó $p_b$ là áp suất tuyệt đối bên trong bầu khí và $p_a$ là áp suất khí quyển.

Cấu trúc mô hình lò xo khí nén GENSYS mô tả dòng khí nén chuyển dịch giữa buồng lò xo chính (thể tích ban đầu $V_{b0}$, áp suất tuyệt đối $p_0$) và bình khí phụ (thể tích ban đầu $V_{r0}$) qua đường ống có chiều dài $l_s$, tiết diện $A_s$. Độ cứng đàn hồi tương đương của lò xo khí nén $k_e$ và độ cứng tương tác của bình khí phụ $k_v$ được xác định theo công thức: $$k_e = \frac{p_0 A_e^2 n}{V_{b0}}, \quad k_v = \frac{p_0 A_e^2 n}{V_{b0}} \left(\frac{V_{r0}}{V_{b0} + V_{r0}}\right)$$

Khối lượng dòng khí nén quy đổi $M$ chuyển động trong đường ống được tính theo khối lượng riêng của không khí $\rho = 1,293 \text{ kg/m}^3$: $$M = \rho l_s A_s \left(\frac{A_e}{A_s}\right)^2 \left(\frac{V_{r0}}{V_{b0} + V_{r0}}\right)^2$$

Hệ phương trình vi phân mô tả lực đàn hồi tổng hợp $F_z$ và chuyển vị $w_s$ của dòng khí nén có xét đến hệ số cản $c_w$ và chiều dòng chảy: $$\begin{cases} F_z = (p_0 - p_a) A_e + k_e z_s + k_v (z - w_s) \ M \ddot{w}_s = k_v (z - w_s) - c_w \dot{w}_s \text{sign}(\dot{w}_s) \end{cases}$$

Đặc tính đàn hồi tĩnh $K_t$ và độ cứng động lực học $K_d$ được tính toán như sau:

  • Độ cứng tĩnh: $$K_t = \frac{p_0 A_e^2 n}{V_{b0} + V_{r0}} \left(\frac{V_{b0}}{V_{b0} - A_e z}\right)^n$$
  • Độ cứng động lực học $K_d$ tại các tần số kích thích dao động điều hòa $z(t) = z_{\max} \sin(2\pi f t)$: $$K_d = \frac{\sqrt{\frac{1}{T} \int_0^T F_z^2(t) dt}}{\sqrt{\frac{1}{T} \int_0^T z^2(t) dt}}$$

Tần số dao động riêng theo phương thẳng đứng $f_n$ của hệ treo được thiết lập theo biểu thức: $$f_n = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{K_d}{m}} = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{n(p + p_a) A_e^2}{V_{b0} m}}$$

Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô hình hóa lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

  1. Mô hình hóa lý thuyết: Xây dựng mô hình 1/4 ô tô và phát triển lên mô hình dao động không gian của ô tô khách dựa trên nguyên lý D'Alembert. Khối lượng được treo (thân xe) có 3 bậc tự do (nhấp nhô thẳng đứng $z_s$, lắc dọc quanh trục $Oy$ với mô men quán tính $J_y$, lắc ngang quanh trục $Ox$ với mô men quán tính $J_x$). Các cầu xe (khối lượng không được treo $m_u$, mô men quán tính $J_u$) có chuyển động thẳng đứng và lắc ngang. Vị trí người lái được mô hình hóa bằng khối lượng $m_d$, độ cứng ghế $k_d$ và giảm chấn $c_d$. Hệ thống treo gồm lò xo khí nén, giảm chấn thủy lực $c_s$ và thanh ổn định ngang có độ cứng chống xoắn $k_a$.
  2. Mô phỏng số: Thiết lập hệ phương trình vi phân trạng thái trong phần mềm Matlab Simulink. Nguồn kích thích mặt đường được khảo sát bao gồm mấp mô dạng xung, mấp mô dạng hình sin và mấp mô ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO [69]. Khảo sát được thực hiện trong cả miền thời gian (vận tốc $v = 60 \text{ km/h}$) và miền tần số ($0 \div 20 \text{ Hz}$).
  3. Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện đo nén tĩnh xác định đường đặc tính $F - z$ và độ cứng tĩnh $K_t$; đo gia tải động theo tần số xác định độ cứng động $K_d$; đo dao động riêng bằng phương pháp cho xe rơi tự do khỏi mễ kê để xác định tần số dao động riêng tắt dần $f_n$ bằng hệ thống thu thập dữ liệu chuyên dụng DEWETRON 3020.
  4. Hệ chỉ tiêu đánh giá:
    • Chỉ tiêu êm dịu: Giá trị bình phương trung bình của gia tốc (RMS - Root Mean Square), giá trị liều lượng rung động tích lũy (eVDV - Estimated Vibration Dose Value), mật độ phổ công suất (PSD - Power Spectral Density) của gia tốc tại thân xe và vị trí người lái trong dải tần số nhạy cảm của con người ($3,5 \div 5 \text{ Hz}$, mở rộng $3 \div 30 \text{ Hz}$).
    • Chỉ tiêu an toàn: Tải trọng tương tác động giữa bánh xe và mặt đường $F_{ui}$ (đánh giá nguy cơ tách bánh $F_{ui} \le 0$), hệ số phân bố tải trọng ngang (LTR - Lateral load Transfer Ratio), hệ số ổn định tĩnh (SSF - Static Stability Factor), góc lắc ngang và gia tốc lắc ngang thân xe.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương I trình bày bối cảnh giao thông đường bộ Việt Nam và sự phát triển của phương tiện ô tô khách. Theo Quyết định số 356/QĐ-TTg ngày 25/02/2013 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ đến năm 2020 và định hướng đến 2030, cơ cấu phương tiện dự kiến đạt 3,2 - 3,5 triệu ô tô, trong đó xe khách chiếm 14%. Tính đến tháng 02/2014, mạng lưới đường bộ có khoảng 300.000 km, trong đó đường tiêu chuẩn kỹ thuật cấp I, II, III chiếm 47%, còn lại 53% là đường cấp thấp (cấp IV: 32%, cấp V: 21%). Chiều rộng mặt đường $\ge 7\text{m}$ chiếm khoảng 46%, mặt đường $5 \div 6,9\text{m}$ chiếm 33%, và 21% có bề rộng dưới 5m.

Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam tính đến tháng 9/2014, toàn quốc có 4.553 xe chở khách giường nằm hai tầng (gồm 3.606 xe sản xuất, lắp ráp mới; 859 xe hoán cải từ xe ghế ngồi; 80 xe nhập khẩu nguyên chiếc từ Trung Quốc) và khoảng 80 xe giường nằm một tầng. Xe khách sản xuất lắp ráp trong nước chủ yếu được thực hiện bởi các nhà máy như THACO (Chu Lai - Trường Hải), SAMCO, TRACOMECO, Nhà máy Ô tô 3-2 trên cơ sở khung gầm sắt xi nhập khẩu từ Hàn Quốc, Trung Quốc tuân thủ quy chuẩn QCVN 09.

Chương này phân tích kết cấu hệ thống treo khí nén trên ô tô khách (bố trí 02 lò xo khí nén ở trục trước và 04 lò xo khí nén ở trục sau, kết hợp giảm chấn thủy lực và thanh ổn định ngang). Đồng thời, tác giả so sánh 5 mô hình toán học của phần tử đàn hồi khí nén: Mô hình đơn giản [30], Mô hình Nishimura [30], Mô hình Vampire [67], Mô hình Simpac [65] và Mô hình Gensys [27]. Mô hình Gensys được lựa chọn làm cơ sở nghiên cứu nhờ khả năng mô tả đầy đủ các quá trình nhiệt động học, ma sát dòng khí và biến dạng đàn hồi trong dải tần số làm việc của ô tô ($0 \div 20 \text{ Hz}$).

Chương II: Thiết lập mô hình dao động ô tô khách sử dụng hệ thống treo khí nén

Chương II tập trung thiết lập mô hình toán học chi tiết cho phần tử đàn hồi khí nén và mô hình dao động ô tô khách trong không gian. Từ các phương trình nhiệt động học chất khí, tác giả xây dựng công thức xác định độ cứng tĩnh $K_t$ và độ cứng động $K_d$ của lò xo khí nén. Khảo sát đặc tính động lực học cho thấy độ cứng động $K_d$ tỷ lệ thuận với áp suất ban đầu $p_0$: khi $p_0$ tăng từ 400 kPa đến 800 kPa, giá trị lớn nhất của $K_d$ tăng từ 58 kN/m đến 120 kN/m, tập trung trong dải tần số $8 \div 11 \text{ Hz}$. Khi tăng thể tích bình khí phụ $V_{r0}$, độ cứng động của lò xo khí nén giảm rõ rệt, nhưng khi $V_{r0}$ vượt qua một ngưỡng nhất định thì dáng điệu đường đặc tính hầu như không đổi.

Từ nguyên lý D'Alembert, tác giả thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động cho mô hình 1/4 ô tô:

  • Khối lượng được treo: $$m_s \ddot{z}_s + c_s (\dot{z}_s - \dot{z}_u) + k_e (z_s - z_u) + k_v (z_s - w_s) = 0$$
  • Khối lượng không được treo: $$m_u \ddot{z}_u - c_s (\dot{z}_s - \dot{z}_u) - k_e (z_s - z_u) + c_w (\dot{w}_s - \dot{z}_u)\text{sign}(\dot{w}_s - \dot{z}_u) + k_t (z_u - q) = 0$$
  • Khối khí nén chuyển động trong đường ống: $$M \ddot{w}_s - k_v (z_s - w_s) + c_w (\dot{w}_s - \dot{z}_u)\text{sign}(\dot{w}_s - \dot{z}_u) = 0$$

Mô hình dao động không gian của ô tô khách được thiết lập dưới dạng ma trận trạng thái: $$M \ddot{z} + C \dot{z} + K z = Q(u)$$ Trong đó cấu trúc ma trận bao gồm:

  • Ma trận khối lượng $M$: gồm ma trận khối lượng được treo $M_s$, khối lượng không được treo $M_u$ và khối lượng khí nén $M_w$.
  • Ma trận độ cứng $K$: gồm độ cứng hệ thống treo $K_{ss}$, độ cứng lò xo khí nén $K_e, K_v, K_w$, độ cứng lốp xe $K_u, K_{uu}$.
  • Ma trận hệ số cản $C$: gồm hệ số cản giảm chấn $C_s, C_{ss}$, hệ số cản lốp $C_{uu}$, hệ số cản khí nén $C_\beta$.
  • Các ma trận hình học chuyển đổi tọa độ và liên kết thanh ổn định ngang: $G_{uw}, G_{sw}, G_{fs}, G_{vs}, G_s, G_{sA}, G_u, G_{uB}, G_{uS}, g_d$.

Chương III: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến dao động của ô tô khách sử dụng hệ thống treo khí nén

Chương III thực hiện mô phỏng số mô hình dao động không gian trên phần mềm Matlab Simulink đối với ô tô khách UNIVERSE K43-2F14 ở vận tốc chuyển động $v = 60 \text{ km/h}$. Tác giả so sánh chi tiết các chỉ tiêu đánh giá giữa xe sử dụng hệ thống treo khí nén và xe sử dụng hệ thống treo nhíp truyền thống:

  1. Khảo sát dao động riêng: Xác định tần số dao động riêng theo phương thẳng đứng và chu kỳ dao động lắc ngang tự do của thân xe.
  2. Khảo sát trong miền thời gian:
    • Dưới kích thích mấp mô mặt đường dạng xung: Hệ thống treo khí nén giúp giảm đáng kể biên độ dao động thẳng đứng của thân xe và gia tốc tác dụng lên người lái so với treo nhíp. Phản lực và tải trọng động tại các bánh xe giảm, triệt tiêu nguy cơ tách bánh khỏi mặt đường.
    • Dưới kích thích ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO: Các chỉ tiêu RMS gia tốc thân xe, eVDV và PSD của ô tô dùng treo khí nén đều thấp hơn rõ rệt so với xe dùng treo nhíp, cải thiện điều kiện tiện nghi cho hành khách.
    • Khảo sát ảnh hưởng của áp suất khí nén ban đầu ($p_0$) và thể tích bình khí phụ ($V_r$): Khi áp suất $p_0$ tăng, độ cứng hệ thống tăng làm gia tăng gia tốc dao động thẳng đứng nhưng giảm góc nghiêng lắc ngang; khi bổ sung và tăng thể tích bình khí phụ $V_r$, biên độ gia tốc thẳng đứng giảm xuống, nâng cao tính êm dịu.
  3. Khảo sát trong miền tần số: Dưới kích thích dạng hình sin, tác giả xây dựng các đồ thị đặc tính biên độ - tần số cho dịch chuyển người lái, gia tốc người lái, tải trọng động bánh xe, góc lắc ngang và gia tốc lắc ngang thân xe. Kết quả chỉ ra rằng hệ thống treo khí nén làm giảm đỉnh cộng hưởng dao động ở dải tần số $1 \div 2 \text{ Hz}$ và $8 \div 11 \text{ Hz}$, đồng thời thanh ổn định ngang đóng vai trò hạn chế góc nghiêng lắc ngang khi có lực ngang tác động.

Chương IV: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương IV thực hiện các nội dung thực nghiệm nhằm xác định thông số đầu vào và kiểm chứng độ chính xác của mô hình lý thuyết:

  1. Thí nghiệm xác định độ cứng tĩnh ($K_t$) của lò xo khí nén:
    • Trang thiết bị: Máy nén khí, đồng hồ đo áp suất, thiết bị kéo - nén tĩnh chuyên dụng, bình khí phụ, buồng lò xo khí nén.
    • Phương pháp: Đo lực nén tác dụng tương ứng với từng bước biến dạng tĩnh $z$ ở các mức áp suất ban đầu $p_0 = 400 \text{ kPa}, 500 \text{ kPa}, 600 \text{ kPa}$ cho hai trường hợp: có lắp bình khí phụ và không lắp bình khí phụ.
  2. Thí nghiệm xác định độ cứng động lực học ($K_d$) của lò xo khí nén:
    • Trang thiết bị: Kích gia tải động theo tần số, hệ thống gá đặt và cảm biến đo lực, cảm biến đo chuyển vị.
    • Kết quả: Thu được đồ thị quan hệ lực - biến dạng và đồ thị biến dạng theo thời gian tại tần số kích thích $1 \text{ Hz}$. Kết quả đo kiểm chứng cho thấy khi có bình khí phụ, diện tích vòng trễ và độ cứng động của lò xo khí nén giảm đi tương ứng với tính toán lý thuyết.
  3. Chuẩn hóa mô hình lý thuyết:
    • So sánh kết quả thực nghiệm kéo nén tĩnh và gia tải động với mô hình lý thuyết Gensys. Khi thiết lập chỉ số nén đa biến $n = 1,3$, đường đặc tính lý thuyết và thực nghiệm đạt sự tương thích cao, khẳng định tính đúng đắn của mô hình toán học đã chọn.
  4. Thí nghiệm xác định tần số dao động riêng phương thẳng đứng trên xe UNIVERSE K43-2F14:
    • Trang thiết bị: Máy tính chuyên dùng - hệ thu thập dữ liệu DEWETRON 3020, cảm biến khoảng cách H7 gắn tại trọng tâm sàn xe, bộ nguồn rung EA-TWI 250-12, bộ chuyển đổi tín hiệu DATRON.
    • Phương pháp: Xác định kích thước cơ sở và phân bố tải trọng trên các cầu của xe thí nghiệm; đưa bánh xe lên mễ kê có chiều cao $h$, sau đó cho xe rơi tự do để kích hoạt dao động tắt dần tự do; cảm biến H7 ghi nhận đồ thị chuyển vị theo thời gian để xác định chu kỳ và tần số dao động riêng $f_n$ (Bảng 4.1).

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Lựa chọn và ứng dụng thành công mô hình toán học nhiệt động học GENSYS để mô tả đặc tính đàn hồi và cản phi tuyến của lò xo khí nén có bình khí phụ, phản ánh chính xác ảnh hưởng của khối lượng và ma sát dòng khí trong đường ống đối với động lực học hệ thống treo.
  2. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình dao động không gian nhiều bậc tự do của ô tô khách sử dụng hệ thống treo khí nén, tích hợp các yếu tố phi tuyến của phần tử đàn hồi khí nén và liên kết thanh ổn định ngang.
  3. Hoàn thiện phương pháp luận đánh giá đồng thời tính êm dịu chuyển động (qua RMS gia tốc, eVDV, PSD) và an toàn chuyển động (qua tải trọng động bánh xe, hiện tượng tách bánh, hệ số LTR, SSF, góc lắc ngang) trên mô hình không gian của ô tô khách cỡ lớn.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm về đặc tính tĩnh, độ cứng động lực học của lò xo khí nén và tần số dao động riêng phương thẳng đứng trên ô tô khách UNIVERSE K43-2F14 sản xuất lắp ráp tại Việt Nam.
  2. Xác lập cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng cho các cơ sở sản xuất, lắp ráp ô tô trong nước (THACO, SAMCO, TRACOMECO, Ô tô 3-2) trong việc tính toán, thiết kế và lựa chọn thông số kết cấu tối ưu cho hệ thống treo khí nén (áp suất làm việc, thể tích bình khí phụ, đường kính ống dẫn).
  3. Đưa ra các luận cứ kỹ thuật phục vụ các cơ quan quản lý nhà nước và Cục Đăng kiểm Việt Nam ban hành các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật trong kiểm định an toàn và hướng dẫn khai thác ô tô khách giường nằm hai tầng chạy trên các tuyến đường đèo dốc.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đối với khâu thiết kế, lắp ráp: Cần trang bị bình khí phụ có thể tích phù hợp kết nối với lò xo khí nén nhằm giảm độ cứng động ở dải tần số $3 \div 5 \text{ Hz}$, giúp giảm mệt mỏi cho hành khách; đồng thời bố trí thanh ổn định ngang có độ cứng chống xoắn phù hợp ở cả cầu trước và cầu sau để hạn chế góc lắc ngang khi xe quay vòng hoặc đi trên đường nghiêng.
  • Đối với khâu khai thác, sử dụng: Cần thường xuyên kiểm tra, duy trì áp suất định mức trong hệ thống khí nén theo đúng tải trọng vận hành; kiểm soát chặt chẽ tốc độ chuyển động khi xe đi vào đoạn đường có chất lượng mặt đường xấu hoặc đường đèo dốc nhằm ngăn ngừa hiện tượng tách bánh và mất ổn định lật ngang.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Mô hình dao động không gian mới chỉ xem xét kích thích dao động từ mấp mô mặt đường, bỏ qua các nguồn dao động nội tại sinh ra từ động cơ và hệ thống truyền lực.
  • Khối lượng thân xe, khung vỏ, hành khách và hàng hóa được xem như một vật rắn tuyệt đối, chưa tính đến biến dạng đàn hồi của kết cấu khung vỏ xe khách giường nằm hai tầng.
  • Mô hình tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường được giả thiết là tiếp xúc điểm và bỏ qua hệ số cản của lốp xe.
  • Hệ thống cấp khí nén (máy nén khí, van điều áp) được coi là không đáp ứng kịp sự thay đổi tải trọng động trong quá trình xe chạy, do đó khối lượng khí nén trong hệ thống được coi là hằng số ở từng chế độ tải tĩnh.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Xây dựng mô hình dao động liên kết có xét đến tính đàn hồi và biến dạng của khung xương vỏ ô tô khách giường nằm hai tầng.
  • Nghiên cứu phát triển các thuật toán điều khiển tích cực (active) hoặc bán tích cực (semi-active) cho hệ thống treo khí nén (như điều khiển mờ, điều khiển thích nghi) để tự động điều chỉnh độ cứng và giảm chấn theo thời gian thực khi xe phanh, tăng tốc hoặc chuyển làn.
  • Mở rộng khảo sát động lực học ô tô khách treo khí nén trong các điều kiện vận hành kết hợp phức tạp: chuyển làn kép, phanh ngặt trên đường đèo dốc quanh co ở tốc độ cao.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng cụ thể cho các nhóm đối tượng:

  1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán học phi tuyến lò xo khí nén GENSYS, kỹ thuật thiết lập mô hình không gian trên Matlab Simulink và quy trình thu thập dữ liệu dao động bằng thiết bị DEWETRON 3020.
  2. Kỹ sư thiết kế, R&D tại các nhà máy sản xuất, lắp ráp ô tô: Sử dụng các kết quả khảo sát ảnh hưởng của áp suất $p_0$, thể tích bình khí phụ $V_r$, kích thước đường ống dẫn $l_s, A_s$ để tính toán phối bộ hệ thống treo khí nén phù hợp với điều kiện vận tải thực tế.
  3. Cán bộ quản lý kỹ thuật, đăng kiểm viên và chuyên gia an toàn giao thông: Tham khảo hệ chỉ tiêu an toàn chuyển động (LTR, SSF, tải trọng tiếp xúc bánh xe) để xây dựng tiêu chuẩn kiểm định an toàn kỹ thuật đối với xe khách giường nằm hai tầng vận hành trên đường đèo dốc tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn mô hình GENSYS để mô phỏng lò xo khí nén thay vì các mô hình khác như Nishimura, Vampire hay Simpac?
Mô hình GENSYS mô tả toàn diện các quá trình nhiệt động học, ma sát và đàn hồi của chất khí, đồng thời tính đến khối lượng dòng khí chuyển động trong đường ống và bình khí phụ. Mô hình này có khả năng áp dụng cho cả phương dọc và phương ngang, đã được kiểm chứng có độ chính xác cao trong động lực học đường sắt và đảm bảo tính tin cậy khi áp dụng cho hệ thống treo khí nén ô tô khách.

2. Áp suất khí nén ban đầu ($p_0$) ảnh hưởng như thế nào đến độ cứng động lực học ($K_d$) của lò xo khí nén?
Kết quả khảo sát lý thuyết cho thấy độ cứng động lực học $K_d$ tỷ lệ thuận với áp suất ban đầu $p_0$. Khi áp suất $p_0$ tăng từ 400 kPa đến 800 kPa, giá trị lớn nhất của độ cứng động tăng từ 58 kN/m lên 120 kN/m, và vùng tần số làm gia tăng mạnh độ cứng động lực học nằm trong khoảng $8 \div 11 \text{ Hz}$.

3. Đối tượng và các trang thiết bị chính được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm là gì?
Đối tượng thực nghiệm là ô tô khách UNIVERSE K43-2F14. Các trang thiết bị chính bao gồm: hệ thống thu thập dữ liệu chuyên dụng DEWETRON 3020, cảm biến đo khoảng cách H7 gắn tại trọng tâm sàn xe, bộ nguồn rung EA-TWI 250-12, bộ chuyển đổi tín hiệu DATRON, máy nén khí, đồng hồ đo áp suất, thiết bị kéo - nén tĩnh và kích gia tải động theo tần số.

4. Chỉ số nén đa biến ($n$) của không khí được xác định bằng bao nhiêu trong mô hình lý thuyết và quá trình chuẩn hóa thực nghiệm?
Trong cơ sở lý thuyết nhiệt động học, chỉ số nén đa biến của không khí đối với quá trình làm việc của lò xo khí nén nằm trong khoảng $n = 1,3 \div 1,4$ (so với giá trị đoạn nhiệt lý thuyết là 1,4). Qua đối chiếu và so sánh với dữ liệu thực nghiệm kéo nén tĩnh, giá trị $n = 1,3$ được xác định là phù hợp nhất để chuẩn hóa mô hình lý thuyết.

5. Luận án sử dụng những chỉ tiêu định lượng cụ thể nào để đánh giá an toàn chuyển động của ô tô khách?
Luận án đánh giá an toàn chuyển động thông qua lực tương tác thẳng đứng tức thời giữa bánh xe và mặt đường $F_{ui}$ (nhằm phát hiện hiện tượng tách bánh khi $F_{ui} = 0$), hệ số phân bố tải trọng ngang (LTR - Lateral load Transfer Ratio), hệ số ổn định tĩnh (SSF - Static Stability Factor), cùng với biên độ góc lắc ngang và gia tốc lắc ngang của thân xe.

Kết luận

Luận án đã thiết lập thành công mô hình toán học và mô phỏng dao động không gian của ô tô khách sử dụng hệ thống treo khí nén có xét đến tính chất phi tuyến nhiệt động học theo mô hình GENSYS. Các kết quả khảo sát trên mô hình số đối với ô tô khách UNIVERSE K43-2F14 đã làm rõ quy luật ảnh hưởng của áp suất khí nén, thể tích bình phụ và thanh ổn định ngang đến các chỉ tiêu êm dịu và an toàn chuyển động. Thông qua các bước thực nghiệm đo nén tĩnh, gia tải động và dao động riêng, mô hình lý thuyết đã được kiểm chứng và chuẩn hóa với độ tin cậy khoa học cao. Kết quả nghiên cứu cung cấp luận cứ kỹ thuật phục vụ hiệu quả cho công tác tính toán thiết kế, sản xuất lắp ráp và nâng cao an toàn khai thác ô tô khách tại Việt Nam.