Tổng quan luận án
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Ô tô tải đóng vai trò thiết yếu trong hoạt động vận tải của nền kinh tế quốc dân. Tại Việt Nam, sau khi Chính phủ thực hiện chủ trương đóng cửa và cấm khai thác rừng tự nhiên, hoạt động khai thác lâm sản chuyển dịch trọng tâm sang khoảng 2 triệu ha rừng trồng thuần loài (chủ yếu là các loài cây sinh trưởng nhanh như keo, bạch đàn, bồ đề, mỡ, thông). Nguồn nguyên liệu này có đặc điểm là phân tán, trữ lượng trên từng diện tích không cao, đường kính thân cây nhỏ và vừa, phục vụ chính cho sản xuất giấy, gỗ trụ mỏ, ván nhân tạo. Để đáp ứng nhu cầu vận chuyển với quy mô vốn đầu tư vừa phải và hệ thống hạ tầng đường hẹp, các doanh nghiệp và hộ kinh doanh lâm nghiệp sử dụng phổ biến các dòng xe ô tô tải cỡ nhỏ và trung bình sản xuất, lắp ráp trong nước (tiêu biểu như xe Thaco K165 tải trọng 2,4 tấn).
Mạng lưới đường vận chuyển lâm nghiệp là đường cấp thấp, nền mặt đường đất hoặc cấp phối tạm thời, địa hình đồi núi có độ dốc lớn, thường xuyên xuất hiện mấp mô, ổ gà. Khi ô tô tải chở gỗ chuyển động trên loại đường này, dao động phát sinh mạnh làm giảm độ êm dịu, sinh ra tải trọng động phá hủy mặt đường, đồng thời gây ra hiện tượng xoắn vặn khung xe, dễ xuất hiện các vết nứt và hư hại kết cấu chịu lực. Mặc dù vấn đề dao động ô tô đã được nghiên cứu nhiều trên thế giới và tại Việt Nam, song hầu hết các công trình trước đây chỉ tập trung vào xe con hoặc xe khách di chuyển trên đường giao thông công cộng chất lượng cao, sử dụng mô hình phẳng hoặc coi khung xe là vật rắn tuyệt đối, chưa tính toán đồng thời lực cản của bánh lốp và biến dạng xoắn của khung vỏ khi chở gỗ cây trên đường lâm nghiệp gồ ghề. Luận án "Nghiên cứu dao động ô tô tải sản xuất lắp ráp ở Việt Nam khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp" được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống khoa học và thực tiễn này.
Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng mô hình không gian khảo sát dao động của ô tô tải sản xuất lắp ráp tại Việt Nam khi vận chuyển gỗ rừng trồng trên đường lâm nghiệp, có tính đến yếu tố biến dạng xoắn của khung xe và lực cản dao động của các bánh lốp.
- Xác định các thông số dao động cơ bản (chuyển vị, gia tốc thẳng đứng, dao động góc lắc dọc, lắc ngang, góc xoắn khung xe, lực động bánh xe tác dụng lên mặt đường) trên miền thời gian và miền tần số.
- Cung cấp cơ sở khoa học phục vụ việc kiểm nghiệm độ bền xoắn của khung xe, hoàn thiện thiết kế kết cấu bộ phận treo và lựa chọn chế độ vận hành (tốc độ, tải trọng) hợp lý nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động, độ bền kết cấu và giảm tải trọng phá hoại mặt đường lâm nghiệp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Xe ô tô tải Thaco K165 (tải trọng 2,4 tấn) sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam chở gỗ tròn rừng trồng có chiều dài quy cách 4,0 m.
- Phạm vi không gian: Mạng lưới đường ô tô lâm nghiệp (bao gồm tuyến trục chính, tuyến trục phụ và đường nhánh) với các dạng biên dạng mấp mô mặt đường: mấp mô đơn dạng sin, mấp mô điều hòa hình sin và mấp mô ngẫu nhiên.
- Phạm vi động học: Chuyển động thẳng đều quanh vị trí cân bằng tĩnh với vận tốc không đổi trên các đoạn đường đặc trưng.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu quốc tế
Các nghiên cứu về động lực học và dao động ô tô trên thế giới đã phát triển qua nhiều giai đoạn với các cách tiếp cận:
- Nghiên cứu dao động ô tô tải có xét đến xoắn khung: Công trình tiêu biểu của H. Iasenko đã phân tích các yếu tố quyết định độ êm dịu chuyển động của ô tô tải, lập sơ đồ tính toán dao động có kể đến sự xoắn của khung xe và đề xuất trang thiết bị thử nghiệm thực nghiệm.
- Dao động có xét biến dạng lốp và hệ thống treo: L. Gaichev (1985) nghiên cứu dao động thẳng đứng có tính đến biến dạng của lốp xe. V. Varava (1975) và Siliaev (1975) phát triển phương pháp phổ để khảo sát dao động tuyến tính ngẫu nhiên của ô tô vận tải nhiều cầu, thu thập và xác định đặc trưng thống kê của 12 loại đường vận chuyển thực tế.
- Cơ sở lý thuyết và kết cấu hệ thống treo: Menhicov (1982) nghiên cứu các thông số cơ bản và đề xuất phương pháp tính toán thiết kế chi tiết bộ phận treo. Công trình tài liệu tham khảo [34] tổng kết lý thuyết làm việc của hệ thống treo tuyến tính và phi tuyến, chế độ làm việc của nhíp lá và tính ổn định chuyển động. Các tác giả tại châu Âu và Mỹ ([42], [45], [49], [51]) đã công bố nhiều nghiên cứu về rung xóc, mô phỏng số và phương pháp thực nghiệm trong hệ thống "Đường - Xe - Người".
Các hướng nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, các tác giả đã tiếp cận bài toán dao động ô tô, máy kéo theo nhiều khía cạnh:
- Phương pháp chung và quá trình ngẫu nhiên: Nguyễn Hữu Cẩn và cộng sự (1979) xác lập phương pháp đánh giá tính êm dịu chuyển động qua tần số, gia tốc và thời gian tác động. Phạm Văn Lang (1984) nghiên cứu phương pháp quá trình ngẫu nhiên dừng và ergodic của mặt đường áp dụng cho máy kéo nông nghiệp. Vũ Đức Lập (2002) hệ thống hóa các chỉ tiêu đánh giá và mô hình phẳng cho ô tô 2 cầu, 3 cầu.
- Dao động phương tiện chuyên dụng và địa hình: Đỗ Tiến Vũ (1982) lập mô hình toán học dao động trong mặt phẳng dọc thẳng đứng cho máy kéo mang tải trọng gỗ. Lưu Văn Tuấn (1993) nghiên cứu dao động nâng cao độ êm dịu xe ca Ba Đình. Nguyễn Phúc Hiểu (1996) ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán khung xương ô tô chịu kích động mặt đường.
- Mô hình không gian và hệ thống treo: Võ Văn Hường (2003) xây dựng mô hình không gian cho ô tô tải 3 cầu có xét đến dao động ngang, khung xoắn chịu lực và đặc tính phi tuyến của hệ thống treo. Trần Minh Sơn (2003) khảo sát ứng suất biến dạng khung vỏ dưới kích động ngẫu nhiên. Nguyễn Văn Trà (2006) nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực ở sơ đồ 1/4. Đào Mạnh Hùng (2006) xác định lực động giữa bánh xe và mặt đường bằng phương pháp di chuyển khả dĩ. Đặng Việt Hà (2010) đánh giá độ êm dịu ô tô khách đóng mới tại Việt Nam. Nguyễn Xuân Dũng (2010) áp dụng cơ học hệ nhiều vật và nguyên lý Jourdain cho xe quân sự nhiều cầu. Trần Thanh An (2012) tối ưu hóa thông số treo xe khách. Nguyễn Xã Hội (2013) nghiên cứu dao động không gian xe chữa cháy rừng đa năng. Nguyễn Văn Hùng (2016) ứng dụng phương pháp Euler nghiên cứu dao động lắc ngang xe UAZ.
Khoảng trống luận án giải quyết
Phần lớn các công trình trong nước chủ yếu khảo sát xe con, xe khách di chuyển trên đường chất lượng cao hoặc sử dụng mô hình phẳng 2 chiều. Luận án lựa chọn giải quyết bài toán dao động không gian đầy đủ cho xe tải nhỏ/vừa chở gỗ cây rừng trồng trên đường lâm nghiệp địa hình xấu; tích hợp đồng thời đặc tính cản dao động của bánh lốp, tính phi tuyến của cơ cấu đàn hồi và hiện tượng biến dạng xoắn của kết cấu khung xe.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
- Cơ học giải tích: Sử dụng phương trình vi phân Lagrange loại II để thiết lập phương trình dao động của cơ hệ hôlônôm, giữ và dừng: $$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial \dot{q}_i}\right) - \frac{\partial T}{\partial q_i} + \frac{\partial \Pi}{\partial q_i} + \frac{\partial \Phi}{\partial \dot{q}_i} = Q_i^$$ Trong đó $T$ là hàm động năng, $\Pi$ là hàm thế năng đàn hồi, $\Phi$ là hàm hao tán năng lượng Rayleigh, $q_i$ là các tọa độ suy rộng và $Q_i^$ là lực suy rộng không thế sinh ra do phản lực tiếp xúc bánh xe - mặt đường.
- Nguyên lý D'Alembert và cơ học hệ nhiều vật: Phân tách các cụm khối lượng (khối lượng được treo, các khối lượng không được treo ở cầu trước và cầu sau), đưa các lực quán tính và mô men quán tính vào trạng thái cân bằng động lực học.
- Lý thuyết mấp mô biên dạng mặt đường:
- Mô tả giải tích: Mấp mô đơn dạng hình sin ($q(t) = q_0 \sin(\omega t)$) hoặc hàm điều hòa.
- Mô tả quá trình ngẫu nhiên: Xác định qua kỳ vọng toán $m_q$, phương sai $D_q$, hàm tương quan $R_q(\tau)$ và mật độ phổ $S(\omega)$ qua biến đổi Fourier liên tục vô hạn. Quá trình xử lý tín hiệu bao gồm chuẩn hóa, khử Trend bằng phương pháp bình phương cực tiểu và lọc số liệu qua các hàm cửa sổ (lọc vuông, Bartlett, Welch, Hanning/Hanna) trong dải tần số từ 1 Hz đến 80 Hz theo tiêu chuẩn ISO 2631.
- Tiêu chuẩn đánh giá độ êm dịu: Tiêu chuẩn ISO 2631 (giới hạn gia tốc trong dải 4–8 Hz: rất êm dịu $< 1,6\text{ m/s}^2$, giới hạn làm việc đến $6,30\text{ m/s}^2$) và chỉ tiêu hệ số độ êm dịu $K$ của Hội Kỹ sư Đức (VDI): $$K = \frac{12,5}{\sqrt{1+0,01 n_v^2}} \ddot{z} \quad \text{hoặc} \quad K = \frac{18}{\sqrt{1+0,01 n_v^2}} K_y z_c$$
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Mô hình hóa toán học cơ hệ không gian gồm 3 khối lượng tập trung, xác lập hệ phương trình vi phân phi tuyến liên kết bậc cao. Sử dụng phần mềm Matlab & Simulink và phần mềm Mathematica để giải số và mô phỏng dao động trên miền thời gian, miền tần số.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Ứng dụng phương pháp đo các đại lượng không điện bằng điện. Sơ đồ chuỗi đo: Cảm biến đo (CB) $\rightarrow$ Bộ khuếch đại (K) $\rightarrow$ Bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D) $\rightarrow$ Máy tính (PC) thu thập và phân tích dữ liệu.
- Sử dụng các hệ thống đo lường chuyên dụng: Spider 8 (điều khiển bởi phần mềm Spider 8 Control hoặc Catman), DMC Plus (phần mềm DMC Labplus), DEWETRON.
- Tự thiết kế, chế tạo 03 cảm biến đo góc nghiêng và khung giá thí nghiệm chuyên dụng để xác định thông số độ cứng của nhíp lá, độ cứng và hệ số cản của bánh lốp.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng khai thác, vận chuyển gỗ rừng trồng tại Việt Nam, đặc điểm kỹ thuật của đường lâm nghiệp, kết cấu hệ thống treo ô tô tải, tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước, quốc tế và xác định mục tiêu, nhiệm vụ khoa học của đề tài.
Bảng 1: Quy cách một số loại gỗ rừng trồng làm nguyên liệu tại Việt Nam
| TT | Chủng loại gỗ | Đường kính (cm) | Chiều dài (m) | Loài cây chủ yếu |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Gỗ trụ mỏ | 13 $\div$ 23 | 2,2 $\div$ 4,0 | Bạch đàn, thông, mỡ |
| 2 | Gỗ làm nguyên liệu giấy | 6 $\div$ 20 | 2,0 hoặc 4,0 | Bồ đề, bạch đàn, thông trắng, mỡ, keo, tre, nứa |
| 3 | Gỗ làm ván dán | > 20 | 1,3 hoặc 1,6 | Trám, vạng, trẩu, gạo, ràng ràng, quế |
| 4 | Gỗ làm ván dăm | 8 $\div$ 18 | Tùy phương tiện | Bồ đề, keo, bạch đàn |
| 5 | Gỗ làm ván sợi MDF | 8 $\div$ 18 | Tùy phương tiện | Bồ đề, keo, bạch đàn |
| 6 | Gỗ làm diêm | 15 $\div$ 25 | Theo yêu cầu | Bồ đề, tếch |
Bảng 2: Một số chỉ tiêu kỹ thuật của đường ô tô lâm nghiệp
| Cấp hạng kỹ thuật | Địa hình | Tốc độ thiết kế (km/h) | Bề rộng mặt đường (m) | Bề rộng nền đường (m) |
|---|---|---|---|---|
| Cấp I | Đồng bằng | 30 | 5,5 | 7,5 |
| Miền núi | 20 | 5,0 | 7,0 | |
| Cấp II | Đồng bằng | 20 | 5,0 | 7,0 |
| Miền núi | 15 | 3,0 | 5,0 | |
| Cấp III | Đồng bằng | 15 | 2,5 | 4,0 |
| Miền núi | 10 | 2,5 | 4,0 |
Chương này kết luận rằng đường lâm nghiệp có chất lượng mặt đường thấp, mang tải một chiều, mấp mô ngẫu nhiên không thỏa mãn tính chất dừng và ergodic hoàn toàn; do đó việc mô tả kích động mấp mô kết hợp giữa dạng hình sin đơn vị và dạng ngẫu nhiên là phương án phù hợp.
Chương 2: Xây dựng mô hình dao động ô tô tải sản xuất lắp ráp ở Việt Nam khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp
Chương 2 tập trung thiết lập mô hình toán học dao động không gian của xe tải Thaco K165 chở gỗ 4 m.
Hệ giả thiết kỹ thuật của mô hình
- Xe chở đầy gỗ, khối gỗ được bó chặt và coi như một khối đặc đồng nhất, trọng tâm khối gỗ đặt tại điểm giữa thân cây.
- Khối gỗ đặt trên sàn xe, sàn xe biến dạng đồng thời cùng khung xe.
- Các bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đường, liên kết giữa bánh xe và mặt đường là liên kết giữ, dừng và hình học.
- Bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng trượt giữa bánh xe và mặt đường.
- Biến dạng của nền mặt đường rất nhỏ, coi mặt đường cứng tuyệt đối.
- Các phần tử đàn hồi (nhíp, lốp) làm việc có xét đến thành phần phi tuyến bậc cao.
- Bỏ qua lực cản không khí và ma sát ổ trục bánh xe.
- Dao động của xe được xét là các dịch chuyển nhỏ quanh vị trí cân bằng tĩnh.
- Kết cấu xe và tải trọng phân bố đối xứng qua mặt phẳng thẳng đứng dọc $xOz$.
- Độ cứng nhíp, độ cứng lốp và hệ số cản giảm chấn hai bên trái - phải trên mỗi cầu là bằng nhau.
- Cụm bánh kép ở cầu sau được quy đổi về bánh đơn tương đương có độ cứng và hệ số cản gấp đôi, khoảng cách vết tiếp xúc lấy bằng giá trị trung bình.
- Chuyển động dọc của dầm cầu tương đương chuyển động dọc của khối lượng được treo tương ứng.
- Các cầu xe không quay quanh trục ngang $y$.
Tọa độ suy rộng và các quan hệ hình học
Cơ hệ không gian gồm 3 khối lượng tập trung ($m_0$: khối lượng phần được treo; $m_1, m_2$: khối lượng không được treo của trục bánh trước và trục bánh sau). Trong không gian 18 bậc tự do ban đầu, sau khi áp đặt các phương trình liên kết, hệ còn lại 7 tọa độ suy rộng độc lập:
- $q_1 = z_0$: Chuyển vị thẳng đứng của trọng tâm phần được treo;
- $q_2 = \alpha_0$: Góc lắc dọc của thân xe quanh trục ngang $y$;
- $q_5 = \beta_0$: Góc lắc ngang của thân xe quanh trục dọc $x$;
- $q_3 = z_1, q_6 = \beta_1$: Chuyển vị thẳng đứng và góc lắc ngang của trục cầu trước;
- $q_4 = z_2, q_7 = \beta_2$: Chuyển vị thẳng đứng và góc lắc ngang của trục cầu sau.
Xác định mô men xoắn và góc xoắn khung xe
Khi phần được treo nghiêng góc $\beta_0$, trọng lực $P = m_0 g$ gây ra mô men xoắn phân bố lên khung xe tại vị trí trọng tâm $C$: $M_X = P \sin\beta_0 \cdot h_C \approx P h_C \beta_0$. Giải bài toán hệ thanh siêu tĩnh bậc 1 cho dầm khung xe chịu xoắn giữa hai điểm đặt cầu $A$ và $B$:
- Mô men xoắn tại gối $A$ và $B$: $$M_{AX} = \frac{l_2}{l_1 + l_2} M_C; \quad M_{BX} = \frac{l_1}{l_1 + l_2} M_C$$
- Góc xoắn tương đối cực đại giữa hai mặt cắt $A$ và $B$ của khung xe: $$\theta = \beta_{k1} - \beta_{k2} = \frac{2 l_1 l_2 P h_C \beta_0}{(l_1 + l_2) G J_\rho}$$ Với vật liệu thép có môđun đàn hồi trượt $G = 8 \cdot 10^4\text{ MN/m}^2$ và mômen quán tính xoắn tiết diện $J_\rho = 6,62 \cdot 10^{-6}\text{ m}^4$, tính toán cho xe Thaco K165 đầy tải cho mối quan hệ: $\theta = 0,5267 \beta_0$.
Hệ phương trình vi phân dao động của ô tô
Áp dụng phương trình Lagrange loại II, hệ phương trình vi phân dao động phi tuyến gồm 7 phương trình liên kết:
-
Phương trình dịch chuyển thẳng đứng của khối lượng được treo ($z_0$): $$m_0 \ddot{z}0 + 2(k{n1} + k_{n2})\dot{z}0 + 2(k{n1}l_1 - k_{n2}l_2)\dot{\alpha}0 - 2k{n1}\dot{z}1 - 2k{n2}\dot{z}2 + 2(c{n11} + c_{n21})z_0 + 2(c_{n11}l_1 - c_{n21}l_2)\alpha_0 - 2c_{n11}z_1 - 2c_{n21}z_2 + f_{nl1}(z_0, \alpha_0, \beta_0, z_1, z_2) = 0$$
-
Phương trình lắc dọc của khối lượng được treo ($\alpha_0$): $$J_{0y}\ddot{\alpha}0 + 2(k{n1}l_1 - k_{n2}l_2)\dot{z}0 + 2(k{n1}l_1^2 + k_{n2}l_2^2)\dot{\alpha}0 - 2k{n1}l_1\dot{z}1 + 2k{n2}l_2\dot{z}2 + 2(c{n11}l_1 - c_{n21}l_2)z_0 + 2(c_{n11}l_1^2 + c_{n21}l_2^2)\alpha_0 - 2c_{n11}l_1 z_1 + 2c_{n21}l_2 z_2 + f_{nl2}(z_0, \alpha_0, \beta_0, z_1, z_2) = Q_{\alpha0}^*$$
-
Phương trình dịch chuyển thẳng đứng dầm cầu trước ($z_1$): $$m_1 \ddot{z}1 - 2k{n1}\dot{z}0 - 2k{n1}l_1\dot{\alpha}0 + 2(k{n1} + k_1)\dot{z}1 - 2c{n11}z_0 - 2c_{n11}l_1\alpha_0 + 2(c_{n11} + c_{11})z_1 + f_{nl3} = k_1(\dot{h}{1t} + \dot{h}{1p}) + c_{11}(h_{1t} + h_{1p}) + 2c_{12}(h_{1t}^2 + h_{1p}^2)$$
-
Phương trình dịch chuyển thẳng đứng dầm cầu sau ($z_2$): $$m_2 \ddot{z}2 - 2k{n2}\dot{z}0 + 2k{n2}l_2\dot{\alpha}0 + 2(k{n2} + k_2)\dot{z}2 - 2c{n21}z_0 + 2c_{n21}l_2\alpha_0 + 2(c_{n21} + c_{21})z_2 + f_{nl4} = k_2(\dot{h}{2t} + \dot{h}{2p}) + c_{21}(h_{2t} + h_{2p}) + 2c_{22}(h_{2t}^2 + h_{2p}^2)$$
-
Phương trình lắc ngang của khối lượng được treo ($\beta_0$): $$J_{0x}\ddot{\beta}0 + \frac{b^2}{2}(k{n1} + k_{n2})\dot{\beta}{k1} - \frac{b^2}{2}k{n1}\dot{\beta}1 - \frac{b^2}{2}k{n2}\dot{\beta}2 + \frac{b^2}{2}(c{n11}\beta_{k1} + c_{n21}\beta_{k2}) - \frac{b^2}{2}c_{n11}\beta_1 - \frac{b^2}{2}c_{n21}\beta_2 + f_{nl5} = 0$$
-
Phương trình lắc ngang dầm cầu trước ($\beta_1$): $$J_{1x}\ddot{\beta}1 - \frac{b^2}{2}k{n1}\dot{\beta}0 + \frac{b^2}{2}(k_1 + k{n1})\dot{\beta}1 - \frac{b^2}{2}c{n11}\beta_0 + \frac{b^2}{2}(c_{11} + c_{n11})\beta_1 + f_{nl6} = \frac{b}{2}[c_{11}(h_{1p} - h_{1t}) + k_1(\dot{h}{1p} - \dot{h}{1t}) + c_{12}(h_{1p}^2 - h_{1t}^2)]$$
-
Phương trình lắc ngang dầm cầu sau ($\beta_2$): $$J_{2x}\ddot{\beta}2 - \frac{b^2}{2}k{n2}\dot{\beta}0 + \frac{b^2}{2}(k_2 + k{n2})\dot{\beta}2 - \frac{b^2}{2}c{n21}\beta_0 + \frac{b^2}{2}(c_{21} + c_{n21})\beta_2 + f_{nl7} = \frac{b}{2}[c_{21}(h_{2p} - h_{2t}) + k_2(\dot{h}{2p} - \dot{h}{2t}) + c_{22}(h_{2p}^2 - h_{2t}^2)]$$
Hệ phương trình được cấu trúc dưới dạng phương trình ma trận phi tuyến tổng quát: $$M \ddot{q} + B \dot{q} + C q + D(q) + G(q) = S_2$$ Trong đó $M, B, C$ lần lượt là các ma trận khối lượng, ma trận cản và ma trận độ cứng tuyến tính; $D(q), G(q)$ là các ma trận phi tuyến bậc cao; $S_2$ là véc-tơ kích động mấp mô mặt đường tác dụng lên các bánh xe.
Chương 3: Khảo sát dao động ô tô chở gỗ
Chương 3 thực hiện giải hệ phương trình vi phân và mô phỏng số trên Matlab & Simulink đối với xe Thaco K165 chở đầy tải gỗ 4 m di chuyển ở các dải vận tốc thiết kế trên đường lâm nghiệp (từ 10 km/h đến 30 km/h).
- Phân tích đáp ứng dao động trên miền thời gian khi xe đi qua mấp mô đơn hình sin và mấp mô điều hòa: xác định biên độ chuyển vị, vận tốc và gia tốc dao động thẳng đứng tại trọng tâm, tại vị trí người lái và trên cầu xe.
- Phân tích dao động góc lắc dọc ($\alpha_0$), lắc ngang ($\beta_0$) và góc xoắn khung xe ($\theta$): đánh giá sự thay đổi mômen xoắn phát sinh dọc theo chiều dài khung xe.
- Khảo sát đáp ứng trên miền tần số: phân tích mật độ phổ công suất gia tốc nhằm xác định các vùng tần số cộng hưởng nguy hiểm đối với hệ thống treo và kết cấu khung.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4 trình bày quy trình và kết quả nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm chứng mô hình lý thuyết:
- Thực nghiệm xác định thông số đầu vào:
- Sử dụng khung giá thí nghiệm chuyên dụng để nén, kéo tĩnh và động nhằm đo độ cứng tuyến tính ($c_{n11}, c_{n21}$), độ cứng phi tuyến ($c_{n12}, c_{n22}$) của các bó nhíp lá trước và sau.
- Đo độ cứng hướng tâm ($c_1, c_2$) và hệ số cản dao động ($k_1, k_2$) của bánh lốp ô tô tải ở các mức áp suất lốp tiêu chuẩn.
- Thực nghiệm đo dao động trên xe thực tế:
- Lắp đặt 03 cảm biến đo góc nghiêng tự chế tạo kết hợp với các cảm biến gia tốc trên xe Thaco K165 chở gỗ 4 m.
- Kết nối hệ thống thu nhận dữ liệu qua bộ khuếch đại và chuyển đổi số Spider 8 / DMC Plus, xử lý tín hiệu bằng phần mềm chuyên dụng.
- Tiến hành chạy thử nghiệm thực tế trên 2 điều kiện mặt đường: (1) Đi qua mấp mô đơn hình sin nhân tạo để kiểm chứng trực tiếp với mô hình tính toán lý thuyết; (2) Chạy trên đoạn đường lâm nghiệp thực tế có mấp mô phân bố ngẫu nhiên để ghi nhận phổ gia tốc dao động, góc lắc ngang và góc xoắn khung xe.
- So sánh kết quả: Mức độ sai lệch giữa tính toán mô phỏng lý thuyết và số liệu đo đạc thực nghiệm nằm trong giới hạn cho phép của các bài toán động lực học kỹ thuật.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận
- Xây dựng hoàn chỉnh mô hình dao động không gian 7 bậc tự do cho ô tô tải sản xuất lắp ráp tại Việt Nam khi vận chuyển gỗ tròn rừng trồng trên đường lâm nghiệp, tích hợp đồng thời biến dạng xoắn của kết cấu khung xe và hệ số cản dao động của bánh lốp.
- Thiết lập được hệ phương trình vi phân dao động phi tuyến và thuật toán mô phỏng khảo sát đồng thời trên cả miền thời gian và miền tần số, làm rõ quy luật biến thiên của góc xoắn khung xe ($\theta$) phụ thuộc tuyến tính vào góc nghiêng ngang của phần được treo ($\beta_0$) theo tỷ lệ $\theta = 0,5267 \beta_0$.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ
- Xác định chính xác bằng thực nghiệm bộ thông số đầu vào đặc thù của xe tải Thaco K165 (độ cứng phi tuyến của nhíp lá, độ cứng và cản của bánh lốp) và ghi nhận số liệu thực tế về gia tốc dao động thẳng đứng, dao động góc, góc xoắn khung xe khi vận hành trên đường lâm nghiệp gồ ghề.
- Thiết kế, chế tạo thành công 03 cảm biến đo góc nghiêng chuyên dụng và hệ thống khung gá thí nghiệm đo độ cứng nhíp, độ cứng và hệ số cản của lốp xe phục vụ công tác nghiên cứu động lực học ô tô.
Đề xuất và kiến nghị
- Hoàn thiện kết cấu: Kiến nghị gia cường độ cứng chống xoắn tại các mặt cắt nguy hiểm trên khung xe tải nhẹ khi hoán cải hoặc sử dụng chuyên chở lâm sản; tối ưu hóa độ cứng nhíp và đặc tính giảm chấn thủy lực hai chiều để hạn chế va đập vào vấu cao su hạn chế hành trình.
- Chế độ khai thác: Khuyến nghị giới hạn tốc độ di chuyển của ô tô tải chở đầy gỗ trên đường lâm nghiệp cấp II và cấp III miền núi trong khoảng từ 10 km/h đến 15 km/h; kiểm soát chặt chẽ chiều cao và tải trọng bó gỗ nhằm hạ thấp chiều cao trọng tâm $h_C$, giảm mômen xoắn tác dụng lên khung xe và giảm xung lực phá hoại nền mặt đường.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án
- Luận án khảo sát dao động quanh vị trí cân bằng tĩnh với giả thiết xe chuyển động thẳng đều trên đường có độ dốc không đổi, chưa xét đến các trạng thái động lực học phức tạp như phanh ngặt, quay vòng gắt hoặc hiện tượng trượt lết bánh xe khi đường trơn ướt.
- Giả thiết khối gỗ được coi là một khối đặc đồng nhất liên kết cứng tuyệt đối với sàn xe; chưa tính đến độ dịch chuyển tương đối hoặc ma sát trượt nội bộ giữa các cây gỗ trong bó gỗ khi chịu rung xóc mạnh.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng mô hình dao động không gian khi ô tô thực hiện quay vòng trên đường cong bán kính nhỏ kết hợp dốc lớn trên đường lâm nghiệp.
- Ứng dụng phương pháp cơ học hệ nhiều vật để mô hình hóa bó gỗ thành tập hợp các phần tử tiếp xúc đàn hồi - ma sát phi tuyến, phản ánh chính xác hơn tác động tương hỗ giữa hàng hóa lâm sản và thùng xe.
Giá trị tham khảo
- Cơ sở đào tạo và nghiên cứu: Tài liệu tham khảo chuyên sâu cho nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Máy và Thiết bị Lâm nghiệp trong việc thiết lập mô hình không gian và xử lý phương trình vi phân dao động phi tuyến.
- Các đơn vị thiết kế, sản xuất lắp ráp ô tô: Cung cấp phương pháp luận và dữ liệu thực nghiệm về độ cứng nhíp, lốp và góc xoắn khung xe, hỗ trợ các kỹ sư trong việc tính toán kiểm nghiệm bền, cải tiến kết cấu khung vỏ và hệ thống treo phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam.
- Các công ty lâm nghiệp và người vận hành: Là căn cứ kỹ thuật để xây dựng quy trình vận hành an toàn, xác định tải trọng xếp dỡ và vận tốc chạy xe hợp lý trên các cấp đường lâm nghiệp, góp phần kéo dài tuổi thọ phương tiện và bảo vệ hạ tầng đường vận chuyển.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao luận án lại chọn đối tượng nghiên cứu là xe tải Thaco K165 chở gỗ rừng trồng?
Sau lệnh cấm khai thác rừng tự nhiên, đối tượng vận chuyển chuyển sang gỗ nhỏ rừng trồng (keo, bạch đàn, mỡ...) phân tán. Xe tải Thaco K165 (tải trọng 2,4 tấn) được sản xuất lắp ráp trong nước, giá thành hợp lý, kích thước nhỏ gọn phù hợp với đường lâm nghiệp miền núi hẹp có bán kính cong nhỏ và độ dốc lớn, được các cơ sở lâm nghiệp sử dụng phổ biến nhất hiện nay.
2. Mô hình toán học của luận án gồm bao nhiêu khối lượng và bao nhiêu bậc tự do?
Mô hình cơ học không gian của luận án gồm 3 khối lượng tập trung ($m_0$ là khối lượng phần được treo; $m_1, m_2$ là khối lượng không được treo của cầu trước và cầu sau). Sau khi áp đặt các phương trình ràng buộc hình học và động học, hệ được mô tả bởi 7 tọa độ suy rộng độc lập ($z_0, \alpha_0, \beta_0, z_1, z_2, \beta_1, \beta_2$).
3. Mối quan hệ giữa góc nghiêng ngang của thân xe và góc xoắn khung xe được xác định như thế nào?
Dưới tác dụng của thành phần trọng lực phần được treo khi bị nghiêng ngang một góc $\beta_0$, mô men xoắn phát sinh $M_X \approx P h_C \beta_0$. Giải hệ dầm siêu tĩnh bậc 1 chịu xoắn với các thông số kết cấu của khung xe Thaco K165 ($G = 8 \cdot 10^4\text{ MN/m}^2$, $J_\rho = 6,62 \cdot 10^{-6}\text{ m}^4$), luận án xác lập được công thức giải tích: $\theta = 0,5267 \beta_0$.
4. Tác giả đã sử dụng những công cụ phần mềm nào để giải và mô phỏng dao động?
Luận án sử dụng phần mềm Mathematica để xử lý các biểu thức giải tích và hệ thống phần mềm Matlab & Simulink để mô hình hóa sơ đồ khối, giải hệ phương trình vi phân dao động phi tuyến và mô phỏng các đáp ứng động học trên miền thời gian cũng như miền tần số.
5. Nghiên cứu thực nghiệm trong luận án đã chế tạo những thiết bị đo chuyên dụng nào?
Nghiên cứu sinh đã tự thiết kế, chế tạo 03 cảm biến đo góc nghiêng và xây dựng hệ thống khung giá thí nghiệm chuyên dụng để xác định các thông số đầu vào quan trọng gồm: độ cứng tĩnh/động của nhíp lá, độ cứng hướng tâm và hệ số cản dao động của bánh lốp xe tải.
Kết luận
Luận án "Nghiên cứu dao động ô tô tải sản xuất lắp ráp ở Việt Nam khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp" đã giải quyết trọn vẹn bài toán động lực học dao động không gian có xét đến biến dạng xoắn khung xe và cản dao động bánh lốp cho xe tải Thaco K165 chở gỗ rừng trồng. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp giải tích Lagrange loại II, mô phỏng số trên Matlab & Simulink và phương pháp thực nghiệm đo các đại lượng không điện bằng điện, công trình đã làm sáng tỏ bản chất dao động, tải trọng động và quy luật xoắn khung xe trên đường lâm nghiệp cấp thấp. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn có giá trị cao cho việc tính toán thiết kế, hoàn thiện kết cấu hệ thống treo, kiểm nghiệm độ bền khung vỏ và lựa chọn chế độ vận hành tối ưu cho các dòng ô tô tải lâm nghiệp tại Việt Nam.