Nghiên Cứu Mô Hình Dao Động Xe Tải Để Tối Ưu Hóa Áp Lực Đường

• Tác giả: Lê Văn Bắc
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Văn Hường
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Mô Hình Dao Động Xe Tải Để Tối Ưu Hóa Áp Lực Đường
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA DAO ĐỘNG ĐẾN Ô TÔ
• 1.1. Các yếu tố tác động gây dao động
• 1.2. Đánh giá các nguồn kích động gây dao động ô tô
• 1.3. Ảnh hưởng của dao động
• 1.4. Chỉ tiêu đánh giá dao động
• 1.4.1. Chỉ tiêu về độ êm dịu
• 1.4.2. Chỉ tiêu về tải trọng động
• 1.4.3. Chỉ tiêu về an toàn động lực học
• 1.4.4. Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với đường
• 1.4.5. Chỉ tiêu về không gian bố trí hệ thống treo
• 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG CỦA XE TẢI 1/4
• 2.1. Đặc điểm cấu trúc xe tải
• 2.2. Mô hình hệ thống treo
• 2.3. Mô hình lốp
• 2.4. Các giả thiết khi xây dựng mô hình

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Dao Động Xe Tải Áp Lực Đường

Nghiên cứu dao động xe tải là một vấn đề cấp thiết, đặc biệt trong bối cảnh vận chuyển hàng hóa ngày càng gia tăng. Mục tiêu là nâng cao độ êm dịu chuyển động, giảm xung lực giữa đường và xe, đáp ứng yêu cầu vận tải, tăng tính năng an toàn, độ bền của xe và đường. Đề tài “Mô hình không gian xe tải để nghiên cứu áp lực đường” tập trung vào khảo sát dao động trên mô hình một phần tư với phần tử đàn hồi cơ khí. Việc xây dựng mô hình dao động xe tải giúp khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến dao động và đánh giá xe theo tiêu chuẩn ISO 2631. Công trình này kế thừa và phát triển từ nhiều nghiên cứu trước đây, đóng góp vào việc hoàn thiện các kết cấu xe, đặc biệt là hệ thống treo, nhằm nâng cao chất lượng và giảm thiểu tác động đến độ bền đường.

1.1. Lịch Sử Nghiên Cứu Dao Động Xe Áp Lực Lên Mặt Đường

Nghiên cứu dao động xe đã có lịch sử lâu dài. Các công trình của Mitschke, Schiehlen và PGS. Võ Văn Hường là những ví dụ tiêu biểu. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và hoàn thiện về dao động xe tải vẫn tiếp tục là một vấn đề cần giải quyết. Mỗi công trình nghiên cứu thường tập trung vào một số vấn đề nhất định, do đó cần có sự kế thừa và phát triển liên tục để đạt được những kết quả toàn diện hơn. Cần tiếp tục nghiên cứu về ảnh hưởng của xe tải lên đường.

1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Giảm Áp Lực Đường Tăng Độ Êm Dịu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng mô hình dao động của xe tải có cấu trúc khung chịu lực. Nghiên cứu tập trung vào chọn chỉ tiêu đánh giá dao động xe tải và khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu và sử dụng đến các chỉ tiêu dao động như độ êm dịu, an toàn chuyển động và áp lực đường. Cần đánh giá ảnh hưởng của khối lượng không được treo và tác động của độ nhám mặt đường.

II. Thách Thức Dao Động Xe Tải Ảnh Hưởng Đến Đường Ra Sao

Dao động xe tải gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực. Nó ảnh hưởng đến sức khỏe người lái, gây mệt mỏi, căng thẳng, ảnh hưởng đến phản xạ xử lý tình huống. Đối với hàng hóa, dao động có thể gây hư hỏng. Quan trọng hơn, dao động xe gây ra tải trọng động làm hư hỏng đường và cầu cống. Các chi tiết của xe cũng chịu tác động lớn, ảnh hưởng đến độ bền. Dao động ảnh hưởng đến khả năng truyền lực, tính điều khiển và ổn định chuyển động của xe, gây nguy cơ lật xe. Các tải trọng động làm thay đổi độ bám đường của bánh xe và tạo ra gia tốc lắc ảnh hưởng đến chuyển động. Vì vậy, việc giảm thiểu dao động xe tải là một thách thức lớn.

2.1. Ảnh Hưởng Của Dao Động Xe Tải Đến Sức Khỏe Hàng Hóa

Dao động gây mệt mỏi, căng thẳng cho lái xe, ảnh hưởng đến khả năng lái xe an toàn. Đối với hàng hóa, dao động có thể gây hư hỏng như dập nát, gãy, vỡ hoặc thay đổi hình dạng và tính chất. Cần có các biện pháp giảm thiểu dao động để bảo vệ sức khỏe và hàng hóa trong quá trình vận chuyển. Cần nghiên cứu hệ thống treo xe tải.

2.2. Tác Động Dao Động Xe Tải Đến Tuổi Thọ Đường Cầu Cống

Dao động tạo ra tải trọng động tác động lên đường và cầu cống, gây hư hỏng và giảm tuổi thọ đường. Việc nghiên cứu và giảm thiểu áp lực đường do xe tải gây ra là rất quan trọng để bảo trì và kéo dài tuổi thọ của cơ sở hạ tầng giao thông. Các tải trọng trục xe tải cũng là yếu tố cần xem xét.

III. Giải Pháp Xây Dựng Mô Hình Dao Động Xe Tải Chi Tiết

Để giải quyết vấn đề dao động, việc xây dựng mô hình dao động xe tải là cần thiết. Mô hình không gian mô tả dao động ô tô là hệ nhiều vật phức tạp, bao hàm nhiều khối lượng liên kết qua các phần tử đàn hồi. Việc nghiên cứu dễ dàng hơn khi chia cơ hệ thành các hệ con, tức là mô đun hóa. Phương pháp tách cấu trúc phù hợp với tư duy mô phỏng trong Matlab Simulink. Nếu xe tải có kiểu khung chịu lực, có hai khối lượng được treo, thì tối thiểu mô hình có (2+3) khối lượng. Các khối lượng liên kết với nhau qua hệ thống treo, có đặc tính đàn hồi và cản. Mục tiêu chính của nghiên cứu là nâng cao êm dịu và an toàn chuyển động, giảm áp lực đường.

3.1. Phương Pháp Tách Cấu Trúc Trong Mô Hình Hóa Dao Động

Sử dụng phương pháp tách cấu trúc cho phép mô đun hóa các phần tử trong cơ hệ, dễ dàng thay đổi cấu trúc và đặc tính cụm, phù hợp với tư duy mô phỏng trên máy tính. Điều này giúp đơn giản hóa quá trình xây dựng và phân tích mô hình dao động xe.

3.2. Các Thành Phần Chính Trong Mô Hình Dao Động Xe Tải

Mô hình cần bao gồm các khối lượng được treo và không được treo, liên kết với nhau qua hệ thống treo. Hệ thống treo có đặc tính đàn hồi và cản. Bánh xe cũng được coi là một phần tử đàn hồi. Các thành phần này cần được mô tả chính xác để đảm bảo tính tin cậy của mô hình. Phải sử dụng phần mềm mô phỏng dao động.

3.3. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong mô hình hóa đường

Để xây dựng mô hình có độ chính xác cao, cần ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình hóa đường. phương pháp này giúp phân tích và đánh giá ảnh hưởng của dao động xe tải lên đường một cách chi tiết và chính xác. Việc kết hợp mô hình này với mô hình dao động xe tải sẽ cung cấp một cái nhìn toàn diện và sâu sắc về tương tác giữa xe và đường.

IV. Phương Pháp Sử Dụng Phần Mềm Matlab Simulink Để Mô Phỏng

Luận văn này sử dụng phần mềm Matlab-Simulink 7.6 để mô phỏng dao động của hệ thống. Phần mềm này cung cấp các công cụ mạnh mẽ để xây dựng và phân tích mô hình toán học mô tả dao động. Việc sử dụng phần mềm giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với việc thử nghiệm thực tế. Các kết quả mô phỏng sẽ được sử dụng để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến dao động xe và áp lực đường, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu.

4.1. Ưu Điểm Của Matlab Simulink Trong Mô Phỏng Dao Động Xe

Matlab Simulink có khả năng lập trình, xử lý số và đồ họa mạnh mẽ, cho phép mô phỏng và phân tích hệ thống động một cách hiệu quả. Phần mềm này cung cấp các công cụ chuyên biệt để giải các bài toán kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực dao động.

4.2. Các Bước Xây Dựng Mô Hình Trong Matlab Simulink

Quá trình xây dựng mô hình bao gồm các bước: xác định các thành phần của hệ thống, thiết lập các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các thành phần, nhập các phương trình vào phần mềm, chạy mô phỏng và phân tích kết quả. Cần đảm bảo tính chính xác của mô hình để có được kết quả tin cậy. Cần chú ý đến vận tốc xe tải khi mô phỏng.

V. Ứng Dụng Phân Tích Độ Êm Dịu An Toàn Chuyển Động Xe Tải

Nghiên cứu này tập trung khảo sát dao động theo các tiêu chí đánh giá dao động như độ êm dịu, an toàn chuyển động. Cường độ dao động KB được tính toán phụ thuộc vào gia tốc bình phương trung bình, tần số dao động và thời gian tác dụng. Tiêu chuẩn ISO 2631 đưa ra các ngưỡng Kz để đánh giá mức độ cảm nhận dao động. Các chỉ tiêu về tải trọng động cũng được xem xét để đánh giá ảnh hưởng của dao động đến độ bền chi tiết và an toàn động lực học của xe. Hệ số tải trọng động cực đại và cực tiểu được sử dụng để đánh giá mức độ bám đường của bánh xe. Các chỉ số về độ bền đường cũng được tính toán.

5.1. Đánh Giá Độ Êm Dịu Theo Tiêu Chuẩn ISO 2631

Tiêu chuẩn ISO 2631 sử dụng các ngưỡng Kz để đánh giá mức độ cảm nhận dao động, từ không cảm nhận được đến cảm giác rất mạnh. Việc đánh giá độ êm dịu giúp đảm bảo sự thoải mái cho người lái và hành khách. Cần nghiên cứu dao động thẳng đứng xe tải.

5.2. Phân Tích An Toàn Chuyển Động Dựa Trên Tải Trọng Động

Tải trọng động ảnh hưởng đến mức độ bám đường của bánh xe, do đó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền lực dọc khi xe tăng tốc và phanh, giữ ổn định quỹ đạo chuyển động. Việc phân tích tải trọng động giúp đảm bảo an toàn chuyển động của xe. Cần có các biện pháp kiểm soát tải trọng.

VI. Kết Luận Tối Ưu Hóa Mô Hình Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Nghiên cứu mô hình dao động xe tải để tối ưu hóa áp lực đường là một lĩnh vực quan trọng, góp phần nâng cao chất lượng vận tải và bảo trì cơ sở hạ tầng. Luận văn này đã đạt được một số kết quả nhất định, tuy nhiên vẫn còn nhiều hướng nghiên cứu cần được tiếp tục khai thác. Việc hoàn thiện mô hình, kết hợp với các phương pháp phân tích dao động tiên tiến, sẽ giúp đạt được những kết quả toàn diện hơn. Đồng thời, cần nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố khác như kết cấu mặt đường và tải trọng động xe tải.

6.1. Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Dao Động Áp Lực Đường

Cần nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố như kết cấu mặt đường, đặc tính của hệ thống treo và điều kiện vận hành đến dao động xe tải và áp lực đường. Việc kết hợp các phương pháp mô phỏng đa vật thể cũng là một hướng đi tiềm năng.

6.2. Đề Xuất Giải Pháp Giảm Thiểu Áp Lực Đường Từ Xe Tải

Dựa trên kết quả nghiên cứu, cần đề xuất các giải pháp cụ thể để giảm thiểu áp lực đường từ xe tải, như cải thiện thiết kế hệ thống treo, kiểm soát tải trọng và nâng cao chất lượng mặt đường. Cần tối ưu hóa áp lực để đảm bảo độ bền đường.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là xe tải, việc nghiên cứu dao động và áp lực đường do xe tải gây ra trở nên cấp thiết. Theo ước tính, vận tải hàng hóa bằng xe tải tại Việt Nam ngày càng gia tăng, đòi hỏi nâng cao độ êm dịu chuyển động, giảm xung lực giữa xe và mặt đường nhằm bảo vệ kết cấu đường và tăng tính an toàn. Luận văn tập trung xây dựng mô hình không gian xe tải hai cầu để khảo sát dao động và áp lực đường, dựa trên mô hình toán học và mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát dao động xe tải trong điều kiện kích động từ mấp mô mặt đường, với mục tiêu đánh giá các chỉ tiêu về độ êm dịu, an toàn chuyển động và áp lực lên đường theo tiêu chuẩn ISO 2631. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu kết cấu hệ thống treo, nâng cao tuổi thọ xe và bảo vệ hạ tầng giao thông, đồng thời tiết kiệm chi phí thử nghiệm thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết dao động cơ học: Mô hình hệ nhiều vật, phương pháp Newton-Euler để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của xe tải với các khối lượng được treo và không được treo liên kết qua hệ thống treo đàn hồi và giảm chấn.
• Mô hình hệ thống treo và lốp: Hệ thống treo gồm phần tử đàn hồi (nhíp, lò xo), phần tử cản (giảm chấn thủy lực), cơ cấu chuyển hướng và thanh ổn định. Lốp được mô tả như một hệ thống đàn hồi với các lực đàn hồi và lực cản theo hướng thẳng đứng và ngang.
• Tiêu chuẩn ISO 2631: Đánh giá cường độ dao động theo gia tốc bình phương trung bình, tần số và thời gian tác dụng, làm cơ sở chọn chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu cho người lái và hàng hóa.
• Mô hình toán học phi tuyến: Bao gồm các đặc tính phi tuyến hình học và vật lý của hệ thống treo và lốp, cho phép mô phỏng chính xác các hiện tượng như tách bánh xe khỏi mặt đường.

Các khái niệm chính gồm: khối lượng được treo và không được treo, độ cứng hệ thống treo, hệ số cản giảm chấn, lực đàn hồi lốp, tải trọng động bánh xe, và các chỉ tiêu đánh giá dao động như cường độ êm dịu Kz, hệ số tải trọng động cực đại k_dyn,max.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật của xe tải hai cầu, đặc tính mặt đường và các tiêu chuẩn quốc tế về dao động và áp lực đường. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Xây dựng mô hình vật lý và toán học: Sử dụng phương pháp tách cấu trúc để mô đun hóa các phần tử trong cơ hệ, thiết lập hệ phương trình vi phân bậc hai mô tả dao động theo phương thẳng đứng và lắc ngang.
• Mô phỏng bằng Matlab-Simulink: Sử dụng phần mềm Matlab phiên bản 7.6 với toolbox Simulink để lập mô hình mô phỏng dao động hệ thống. Các phương pháp giải số như Runge-Kutta được áp dụng để giải hệ phương trình phi tuyến.
• Kiểm tra và hiệu chỉnh mô hình: Thực hiện kiểm tra mô hình bằng các kích động dạng sin, xung và ngẫu nhiên để đảm bảo tính chính xác và khả năng dự báo của mô hình.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2009 đến 2011 tại Hà Nội, với sự hướng dẫn của các chuyên gia trong lĩnh vực ô tô.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình toán học của xe tải hai cầu với 5 khối lượng và 9 tọa độ tự do, được lựa chọn nhằm cân bằng giữa độ phức tạp và khả năng mô phỏng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của khối lượng không được treo đến dao động: Kết quả mô phỏng cho thấy khi tăng khối lượng không được treo, tải trọng động lên mặt đường tăng khoảng 15-20%, làm giảm độ êm dịu chuyển động và tăng áp lực lên kết cấu đường.

2. Tác động của đặc tính mặt đường: Mấp mô mặt đường dạng sin với biên độ 0,02 m và tần số 2 Hz gây ra dao động có cường độ Kz đạt 0,8, thuộc mức cảm nhận tốt theo tiêu chuẩn ISO 2631, trong khi dạng ngẫu nhiên làm tăng dao động lên đến 1,2, gần giới hạn thỏa mái.

3. Hiệu quả của hệ thống treo: Hệ thống treo với độ cứng c và hệ số cản K được điều chỉnh phù hợp giúp giảm tải trọng động tối đa lên bánh xe xuống dưới 2,0 lần tải trọng tĩnh, đảm bảo an toàn động lực học và giảm hư hại chi tiết xe.

4. Mô hình không gian xe tải hai cầu: Mô hình cho phép mô phỏng đồng thời dao động thẳng đứng và lắc ngang, phản ánh chính xác chuyển động thực tế của xe tải khi vận hành trên đường không bằng phẳng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của dao động xe tải là do mấp mô mặt đường, chiếm ưu thế so với các yếu tố khác như gió hay lực quán tính. So với các nghiên cứu trước đây, mô hình sử dụng phương pháp tách cấu trúc và mô phỏng bằng Matlab-Simulink cho kết quả chính xác hơn và dễ dàng điều chỉnh các tham số kết cấu. Việc mô phỏng dao động giúp giảm chi phí thử nghiệm thực tế và rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm. Kết quả cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hệ thống treo để cân bằng giữa độ êm dịu và áp lực lên đường, góp phần nâng cao tuổi thọ xe và bảo vệ hạ tầng giao thông. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ dao động Kz theo tần số và thời gian, bảng so sánh tải trọng động với tải trọng tĩnh dưới các điều kiện khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa hệ thống treo: Điều chỉnh độ cứng và hệ số cản giảm chấn nhằm giảm tải trọng động tối đa xuống dưới 2,0 lần tải trọng tĩnh trong vòng 12 tháng, do các nhà sản xuất xe tải thực hiện.

2. Kiểm soát khối lượng không được treo: Giảm khối lượng không được treo bằng cách sử dụng vật liệu nhẹ hoặc thiết kế lại cấu trúc cầu xe, nhằm giảm áp lực lên đường và tăng độ êm dịu, áp dụng trong 18 tháng tới.

3. Nâng cao chất lượng mặt đường: Áp dụng các biện pháp cải tạo mặt đường để giảm biên độ mấp mô xuống dưới 0,01 m, giúp giảm dao động xe tải, do cơ quan quản lý giao thông thực hiện trong 24 tháng.

4. Ứng dụng mô phỏng trong thiết kế: Khuyến khích sử dụng phần mềm Matlab-Simulink trong quá trình thiết kế và thử nghiệm xe tải để mô phỏng dao động và đánh giá hiệu quả hệ thống treo, áp dụng ngay trong các trung tâm nghiên cứu và phát triển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà sản xuất ô tô tải: Hỗ trợ tối ưu thiết kế hệ thống treo, nâng cao độ bền và tính năng vận hành xe tải, giảm chi phí thử nghiệm thực tế.

2. Chuyên gia kỹ thuật và nghiên cứu phát triển: Cung cấp phương pháp mô hình hóa và công cụ mô phỏng hiện đại để nghiên cứu dao động và áp lực đường.

3. Cơ quan quản lý giao thông và xây dựng hạ tầng: Tham khảo để đánh giá tác động của xe tải lên kết cấu đường, từ đó đề xuất các tiêu chuẩn và biện pháp bảo trì phù hợp.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật ô tô: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình toán học, mô phỏng và phân tích dao động xe tải.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình toán học xe tải có những thành phần chính nào?
   Mô hình gồm các khối lượng được treo và không được treo, hệ thống treo đàn hồi và giảm chấn, lốp xe với lực đàn hồi và lực cản. Hệ phương trình vi phân mô tả dao động theo phương thẳng đứng và lắc ngang.

2. Tại sao sử dụng Matlab-Simulink để mô phỏng dao động xe tải?
   Matlab-Simulink cung cấp môi trường lập trình trực quan, hỗ trợ giải hệ phương trình phi tuyến phức tạp nhanh chóng và chính xác, đồng thời dễ dàng điều chỉnh tham số và phân tích kết quả.

3. Tiêu chuẩn ISO 2631 đánh giá độ êm dịu như thế nào?
   ISO 2631 sử dụng cường độ dao động Kz dựa trên gia tốc bình phương trung bình và tần số, phân loại mức độ cảm nhận từ không cảm nhận đến cảm giác rất mạnh, giúp đánh giá ảnh hưởng dao động đến sức khỏe con người.

4. Ảnh hưởng của khối lượng không được treo đến dao động xe tải ra sao?
   Khối lượng không được treo càng lớn thì tải trọng động lên mặt đường càng tăng, làm giảm độ êm dịu và tăng nguy cơ hư hại kết cấu đường và chi tiết xe.

5. Làm thế nào để giảm áp lực xe tải lên mặt đường?
   Có thể giảm bằng cách tối ưu hệ thống treo, giảm khối lượng không được treo, cải thiện chất lượng mặt đường và áp dụng các biện pháp bảo trì định kỳ.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình không gian xe tải hai cầu, mô phỏng dao động và áp lực đường bằng Matlab-Simulink.
• Phân tích chi tiết ảnh hưởng của khối lượng không được treo và đặc tính mặt đường đến các chỉ tiêu dao động và áp lực.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu hệ thống treo và kiểm soát khối lượng không được treo nhằm nâng cao độ êm dịu và bảo vệ kết cấu đường.
• Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong thiết kế xe tải, quản lý hạ tầng giao thông và đào tạo kỹ thuật.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình cho các loại xe khác và điều kiện vận hành đa dạng hơn trong giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo là áp dụng mô hình vào thực tế thiết kế và thử nghiệm xe tải, đồng thời phối hợp với các cơ quan quản lý để nâng cao tiêu chuẩn mặt đường và vận tải.