Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cuộc thi thiết kế xe đua sinh viên Formula SAE (F-SAE / Formula Student) được khởi xướng từ năm 1978 bởi Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Quốc tế (SAE International) tại Đại học Houston (Hoa Kỳ). Đây là sân chơi học thuật và kỹ thuật quy mô quốc tế dành cho sinh viên các trường đại học, cao đẳng chuyên ngành kỹ thuật ô tô, nhằm thúc đẩy năng lực nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng thiết kế và chế tạo thực nghiệm xe đua cỡ nhỏ theo các quy chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt.

Tại Việt Nam, năm 2013, nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã chế tạo thành công mẫu xe đua sinh viên thế hệ thứ nhất. Nhằm nâng cao hiệu suất làm việc, tính ổn định và độ êm dịu chuyển động đáp ứng các tiêu chuẩn của SAE phục vụ tham gia thi đấu quốc tế, việc hoàn thiện và tối ưu hóa các cụm hệ thống trên xe đặt ra yêu cầu cấp thiết. Trong đó, hệ thống treo đóng vai trò trực tiếp quyết định đến độ êm dịu và tính ổn định hướng của xe khi vận hành.

Nhiều công trình trước đây chỉ khảo sát mô hình dao động 1/2 xe với kích thích dao động là các hàm toán học điều hòa đơn giản. Do đó, tác giả Nguyễn Thanh Công đã thực hiện luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống treo cho xe Formula Student" dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Khắc Tuân, sử dụng mô hình dao động không gian toàn xe kết hợp với tiêu chuẩn đánh giá độ êm dịu ISO 2631-1 dưới tác động của mấp mô mặt đường ngẫu nhiên.

Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu của đề tài được xác định gồm 6 nội dung chính:

  1. Tổng quan về nghiên cứu dao động và các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô.
  2. Xây dựng mô hình dao động không gian cho xe F-SAE.
  3. Tính toán thiết kế hệ thống treo cho xe F-SAE.
  4. Thiết lập và giải hệ phương trình vi phân mô tả dao động bằng phần mềm Matlab-Simulink 7.04 để khảo sát các thông số ảnh hưởng đến dao động của xe.
  5. Nghiên cứu ảnh hưởng và đề xuất bộ thông số kết cấu tối ưu cho hệ thống treo theo chỉ tiêu độ êm dịu (gia tốc bình phương trung bình).
  6. Gia công, chế tạo và lắp ráp hệ thống treo cầu trước và cầu sau cho xe F-SAE thực tế.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống treo độc lập dạng MacPherson ứng dụng trên xe đua F-SAE. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bài toán động lực học dao động không gian, khảo sát phản ứng động học của thân xe và độ êm dịu của người lái khi xe di chuyển trên mặt đường ngẫu nhiên tiêu chuẩn (mặt đường cấp B theo tiêu chuẩn ISO 8068).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

1. Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết dao động ô tô, động lực học hệ nhiều vật và các tiêu chuẩn quốc tế về độ êm dịu, an toàn tải trọng động:

  • Tiêu chuẩn ISO 2631-1: Đánh giá độ êm dịu chuyển động thông qua gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng ($a_{wz}$) tại vị trí trọng tâm thân xe: $$a_{wz} = \sqrt{\frac{1}{T} \int_{0}^{T} a_z^2(t) , dt}$$
  • Tiêu chuẩn VDI 2057: Đánh giá cường độ dao động thông qua hệ số $K_b$ với các ngưỡng: $K_b = 20$ (giới hạn êm dịu), $K_b = 50$ (giới hạn điều khiển), $K_b = 125$ (giới hạn gây bệnh lý).
  • Tiêu chuẩn an toàn hàng hóa (BFSV / Mitschke): Giới hạn gia tốc thẳng đứng thùng xe $Z_{zmax} = 3\text{ m/s}^2$ (ngưỡng cảnh báo) và $Z_{zmax} = 5\text{ m/s}^2$ (ngưỡng can thiệp).
  • Chỉ tiêu tải trọng động cực đại: Đánh giá qua hệ số tải trọng động cực đại $K_{dyn,max} = 1 + \frac{F_{z,dyn}}{F_{z,st}} \le 1.5$.
  • Hệ số áp lực đường $W$ (Dynamic wear factor của Wilkinson): Đánh giá mức độ ảnh hưởng của tải trọng dao động lên bề mặt đường: $W = 1 + 6\eta^2 + 4\eta^4$.
  • Tiêu chuẩn mấp mô mặt đường ISO 8068: Mô hình hóa mấp mô bề mặt đường đua dạng ngẫu nhiên với mật độ phổ chiều cao mấp mô mặt đường $S(q)$.

2. Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Khảo sát các dạng kết cấu hệ thống treo (phụ thuộc, hai đòn ngang, MacPherson, treo khí nén điện tử EMAS, treo đa liên kết) và các tiêu chuẩn đánh giá dao động trên thế giới.
  • Phương pháp mô hình hóa toán học: Xây dựng mô hình dao động không gian toàn xe có xét đến khối lượng được treo ($M$), mô men quán tính quanh trục dọc ($J_x$), mô men quán tính quanh trục ngang ($J_y$), các tọa độ suy rộng của các khối lượng không được treo ở 4 bánh xe và độ đàn hồi của lốp.
  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động bằng công cụ Matlab-Simulink 7.04 để giải và phân tích đáp ứng động lực học của hệ thống treo dưới các dải thông số độ cứng ($K$) và hệ số cản giảm chấn ($C$) khác nhau.
  • Phương pháp chế tạo thực nghiệm: Gia công cơ khí, lắp ráp các bộ phận cầu trước và cầu sau lên khung xe F-SAE hoàn chỉnh tại xưởng thực hành.

3. Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong luận văn gồm các thông số kỹ thuật thực tế của mẫu xe F-SAE do Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên thiết kế, các quy định kỹ thuật từ điều lệ cuộc thi Formula SAE International, các bảng phân loại mặt đường theo ISO 8068 và bảng ngưỡng cảm nhận độ êm dịu theo ISO 2631-1.

Thiết kế và triển khai hệ thống treo xe F-SAE

Dựa trên yêu cầu của xe F-SAE (động cơ bốn chu kỳ dung tích dưới $600\text{ cm}^3$, công suất dưới $100\text{ hp}$, khối lượng trung bình dưới $230\text{ kg}$, vận tốc tối đa dưới $97\text{ km/h}$), tác giả tiến hành so sánh và lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo:

Loại hệ thống treo Đặc điểm kết cấu chính Ưu điểm Nhược điểm
Treo phụ thuộc (Lò xo trụ / Dầm liền) Hai bánh nối qua dầm cầu cứng, dùng đòn dọc và đòn giằng Panhard Kết cấu đơn giản, giá thành thấp, vết bánh xe cố định giúp hạn chế mòn lốp Khối lượng không được treo lớn, khoảng không gầm xe đòi hỏi lớn, độ êm dịu thấp
Treo độc lập hai đòn ngang Gồm đòn ngang trên và đòn ngang dưới liên kết qua khớp cầu Khả năng dẫn hướng tốt, chịu lực ngang và dọc lớn Nhiều chi tiết, kết cấu cồng kềnh hơn MacPherson
Treo MacPherson Gồm một đòn ngang dưới, cụm giảm chấn và lò xo đặt theo phương đứng Kết cấu gọn nhẹ, giảm khối lượng không được treo, tăng không gian bố trí Cần piston giảm chấn chịu lực uốn ngang lớn
Treo khí nén điện tử (EMAS) Sử dụng bóng khí nén, máy nén khí, van phân phối và cảm biến gia tốc Điều chỉnh linh hoạt độ cao và độ cứng theo địa hình Kết cấu phức tạp, chi phí sản xuất và bảo dưỡng rất cao
Treo đa liên kết (Multi-link) Sử dụng từ 3 đến 5 thanh liên kết độc lập với các khớp cầu Khả năng điều khiển tối ưu, tách biệt các phương lực Giá thành cao, thiết kế và chế tạo đòi hỏi độ chính xác rất phức tạp

Từ phân tích trên, tác giả lựa chọn hệ thống treo MacPherson để thiết kế và chế tạo cho xe F-SAE nhờ ưu điểm gọn nhẹ, ít chi tiết, giúp giảm khối lượng không được treo và tối ưu hóa không gian khung vỏ xe đua cỡ nhỏ.

Quy trình triển khai kỹ thuật bao gồm:

  1. Xác định các thông số hình học: vết bánh xe trước/sau, chiều dài cơ sở, góc nghiêng trụ đứng, bán kính quay bánh xe quanh trụ đứng.
  2. Thiết lập sơ đồ động học và quan hệ chuyển vị của cơ cấu MacPherson.
  3. Tính toán xác định hệ số độ cứng ($K$) của lò xo và hệ số cản ($C$) của bộ giảm chấn.
  4. Mô phỏng động lực học trên Matlab-Simulink nhằm khảo sát ảnh hưởng của $K$ và $C$ đến gia tốc thẳng đứng $a_{wz}$, góc lắc ngang $\varphi$ và góc lắc dọc $\theta$.
  5. Lựa chọn bộ thông số kết cấu tối ưu và tiến hành gia công cơ khí các cụm đòn treo, giá đỡ, lò xo, bộ giảm xóc, sau đó tích hợp vào hệ thống khung xe thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

  • Trình bày lịch sử hình thành cuộc thi Formula Student từ năm 1978 tại Đại học Houston và các giải đấu lớn hiện nay như Formula Student UK, Formula SAE Australasia, Formula Student Germany.
  • Nêu rõ các quy chuẩn kỹ thuật chính của xe F-SAE: động cơ $\le 600\text{ cc}$, công suất $\le 100\text{ hp}$, khối lượng $< 230\text{ kg}$, trang bị khung chống lật kép (roll hoops), bộ hấp thụ va đập mũi xe (impact attenuator), hai hệ thống phanh thủy lực độc lập.
  • Phân tích vai trò, yêu cầu kỹ thuật và phân loại chi tiết các hệ thống treo: treo phụ thuộc lò xo trụ, treo độc lập hai đòn ngang, treo MacPherson, treo khí nén điện tử EMAS và treo đa liên kết.
  • Hệ thống hóa các chỉ tiêu đánh giá dao động: tiêu chuẩn VDI 2057 ($K_b$), tiêu chuẩn an toàn hàng hóa BFSV ($Z_{zmax}$), tiêu chuẩn ISO 2631-1 ($a_{wz}$), hệ số tải trọng động cực đại ($K_{dyn,max}$) và hệ số mòn đường ($W$).
  • Bảng đánh giá mức độ cảm nhận chủ quan theo ISO 2631-1 được tác giả tổng hợp cụ thể:
Giá trị gia tốc hiệu dụng $a_{wz}$ ($\text{m/s}^2$) Mức độ cảm nhận độ êm dịu
$< 0.315$ Không khó chịu / Một chút khó chịu
$0.315 - 0.63$ Khá khó chịu
$0.5 - 1.0$ Không thoải mái
$0.8 - 1.6$ Rất khó chịu
$> 2.0$ Cực kỳ khó chịu
  • Tổng hợp các công trình nghiên cứu về dao động ô tô trong nước (Nguyễn Tiến Thành - 2004, Nguyễn Thanh Hải - 2000, Đặng Việt Hà - 1996, Trịnh Minh Hoàng - 2002, Nguyễn Hữu Thảo - 2012) và quốc tế (Karnopp, Crosby, Harwood - 1974; Ahmadian & Marjoram; D'Amato & Viassolo; Wilkinson; Mitschke).

Chương 2: Thiết kế hệ thống treo xe Formula Student

  • Phân tích, so sánh các phương án và quyết định lựa chọn hệ thống treo MacPherson cho cả cầu trước và cầu sau của xe F-SAE.
  • Xác định các thông số kỹ thuật cơ bản của xe F-SAE: phân bố tải trọng tĩnh, khối lượng được treo, khối lượng không được treo tại từng bánh xe, chiều dài cơ sở, vết bánh xe trước/sau, bán kính bánh xe.
  • Phân tích động học hệ treo MacPherson: thiết lập quan hệ dịch chuyển hình học giữa đòn ngang dưới, trụ giảm chấn và bánh xe dẫn hướng khi bánh xe dao động theo phương thẳng đứng.
  • Tính toán dải thông số độ cứng tương đương của lò xo và hệ số cản của giảm chấn làm đầu vào cho bài toán động lực học.

Chương 3: Xây dựng mô hình dao động xe Formula Student

  • Xây dựng mô hình dao động không gian toàn xe F-SAE có xét đến chuyển động tịnh tiến thẳng đứng của thân xe ($z$), dao động lắc ngang ($\varphi$), dao động lắc dọc ($\theta$) và chuyển vị thẳng đứng của 4 khối lượng không được treo ($q_{1t}, q_{1p}, q_{2t}, q_{2p}$).
  • Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của thân xe và các cụm bánh xe dưới tác dụng của lực liên kết đàn hồi, lực cản giảm chấn và độ cứng hướng kính của lốp xe.
  • Mô hình hóa nguồn kích thích mấp mô mặt đường: khảo sát kích thích hàm điều hòa đơn giản và kích thích mặt đường ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8068 (mặt đường cấp B) thông qua hàm mật độ phổ công suất $S(q)$.

Chương 4: Mô phỏng dao động và lựa chọn thông số hệ thống treo xe Formula Student

  • Thiết lập sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ thống dao động trên phần mềm Matlab-Simulink 7.04.
  • Tiến hành mô phỏng đáp ứng dao động của xe chạy với các dải vận tốc trên biên dạng đường cấp B theo tiêu chuẩn ISO.
  • Khảo sát biến thiên của gia tốc bình phương trung bình $a_{wz}$, gia tốc góc lắc ngang $a_{w\varphi}$ và gia tốc góc lắc dọc $a_{w\theta}$ khi thay đổi thông số độ cứng lò xo ($K$) và hệ số cản giảm chấn ($C$).
  • Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến độ êm dịu, từ đó lựa chọn bộ thông số kết cấu tối ưu mới cho hệ thống treo xe F-SAE, cải thiện rõ rệt so với bộ số liệu ban đầu.

Chương 5: Chế tạo hệ thống treo xe Formula Student

  • Triển khai gia công và chế tạo chi tiết cơ khí cho hệ thống treo cầu trước và cầu sau theo kích thước thiết kế.
  • Tiến hành lắp ráp các cụm đòn treo, khớp cầu, bộ giảm chấn lò xo trụ, thanh ổn định lên hệ thống khung xe F-SAE.
  • Hoàn thiện mẫu xe đua F-SAE thực tế phục vụ thử nghiệm và đánh giá chất lượng hoạt động.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính

  • Xây dựng thành công mô hình toán học và sơ đồ mô phỏng dao động không gian toàn xe F-SAE trên môi trường Matlab-Simulink 7.04 dưới tác động của mấp mô mặt đường ngẫu nhiên theo chuẩn ISO 8068.
  • Khảo sát toàn diện ảnh hưởng của hệ số độ cứng lò xo ($K$) và hệ số cản giảm chấn ($C$) tới các chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình $a_{wz}$, $a_{w\varphi}$, $a_{w\theta}$.
  • Xác định được bộ thông số kết cấu tối ưu mới cho hệ thống treo xe F-SAE, giúp giảm đáng kể mức gia tốc dao động thẳng đứng tại trọng tâm thân xe, nâng cao cấp độ êm dịu theo tiêu chuẩn ISO 2631-1.
  • Chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh cụm hệ thống treo MacPherson cho cả cầu trước và cầu sau trên mẫu xe đua thực tế của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.

2. Đóng góp của luận văn

  • Về mặt phương pháp: Khắc phục hạn chế của các nghiên cứu trước đây (vốn chỉ dừng lại ở mô hình dao động phẳng 1/2 xe hoặc 1/4 xe với kích thích hàm sin đơn giản) bằng việc áp dụng mô hình dao động không gian đầy đủ với nguồn kích thích ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 8068 và đánh giá định lượng bằng ISO 2631-1.
  • Về mặt ứng dụng thực tiễn: Cung cấp bộ thông số thiết kế tối ưu và hoàn thiện quy trình chế tạo thực tế hệ thống treo cho dòng xe đua sinh viên Formula Student, làm tiền đề để hoàn thiện sản phẩm tham gia các giải đua quốc tế do SAE tổ chức.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Hạn chế: Nghiên cứu mới tập trung vào hệ thống treo thụ động (loại MacPherson truyền thống), chưa khảo sát các hệ thống treo bán tích cực (semi-active) hoặc tích cực (active suspension) có khả năng điều khiển biến thiên thông số giảm chấn/độ cứng theo thời gian thực.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Mở rộng nghiên cứu sang hệ thống treo bán tích cực ứng dụng giảm chấn điều khiển dòng từ biến hoặc điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control).
    • Tiến hành đo đạc thực nghiệm gia tốc dao động trực tiếp trên xe thật bằng cảm biến gia tốc đa trục trên đường chạy thực tế để đối chứng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Luận văn là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Động lực, cũng như các đội ngũ sinh viên tham gia phong trào nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe đua Formula Student / F-SAE.
  • Nội dung giá trị nhất:
    • Phương pháp xây dựng phương trình vi phân dao động không gian toàn xe.
    • Sơ đồ khối giải bài toán dao động ngẫu nhiên trên Matlab-Simulink 7.04.
    • Quy trình phân tích, tối ưu hóa thông số độ cứng và giảm chấn theo tiêu chuẩn ISO 2631-1.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn hệ thống treo MacPherson thay vì hệ thống treo hai đòn ngang hay đa liên kết?

Hệ thống treo MacPherson có kết cấu đơn giản, ít chi tiết, trọng lượng nhẹ giúp giảm khối lượng không được treo (vốn là yếu tố rất quan trọng với xe đua cỡ nhỏ có khối lượng dưới $230\text{ kg}$). Ngoài ra, cơ cấu này chiếm ít không gian bố trí, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế khung xe và khoang động cơ, đồng thời có chi phí gia công chế tạo thấp hơn so với treo đa liên kết.

2. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để đánh giá độ êm dịu và nguồn kích thích mặt đường trong luận văn?

Độ êm dịu chuyển động được đánh giá dựa trên tiêu chuẩn ISO 2631-1 thông qua chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng ($a_{wz}$). Nguồn kích thích mặt đường được mô hình hóa theo tiêu chuẩn ISO 8068 (mặt đường cấp B) biểu diễn dưới dạng phổ mấp mô ngẫu nhiên.

3. Công cụ nào được sử dụng để mô phỏng và giải hệ phương trình vi phân dao động?

Tác giả sử dụng phần mềm Matlab-Simulink 7.04 để xây dựng sơ đồ khối mô phỏng tổng thể, nhập các hàm kích thích mặt đường ngẫu nhiên và giải hệ phương trình vi phân chuyển động nhằm xuất ra các đồ thị gia tốc dao động theo thời gian.

4. Quy định kỹ thuật của SAE International đối với động cơ và khối lượng xe F-SAE là gì?

Theo điều lệ cuộc thi F-SAE, động cơ sử dụng phải là loại 4 chu kỳ, dung tích xi lanh không vượt quá $600\text{ cm}^3$, công suất khống chế dưới $100\text{ hp}$. Khối lượng xe không bị giới hạn cứng nhưng trung bình thực tế yêu cầu nhỏ hơn $230\text{ kg}$ để đảm bảo tính năng động lực học.

5. Kết quả đầu ra thực nghiệm của luận văn bao gồm những gì?

Luận văn không chỉ dừng lại ở tính toán lý thuyết và mô phỏng trên máy tính mà đã trực tiếp gia công chế tạo cơ khí các cụm chi tiết hệ thống treo cầu trước, cầu sau và lắp ráp hoàn chỉnh lên xe F-SAE thực tế của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Thanh Công đã giải quyết trọn vẹn bài toán từ nghiên cứu tổng quan, mô hình hóa toán học dao động không gian, mô phỏng số trên Matlab-Simulink đến gia công chế tạo thực tế hệ thống treo MacPherson cho xe đua sinh viên Formula Student. Thông qua việc tối ưu hóa thông số độ cứng lò xo và hệ số cản giảm chấn theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1 và ISO 8068, công trình đã cải thiện rõ rệt độ êm dịu chuyển động cho người lái xe F-SAE. Đây là công trình nghiên cứu cơ khí - động lực học có tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp thiết thực cho quá trình hoàn thiện mẫu xe đua sinh viên tại Đại học Thái Nguyên.