Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp ô tô và nhu cầu vận chuyển ngày càng tăng, việc nâng cao chất lượng và độ êm dịu của ghế ngồi người lái xe buýt trở thành một vấn đề quan trọng. Theo báo cáo của ngành, vận tốc vận hành xe buýt thường dao động trong khoảng từ 30 km/h đến 70 km/h, tạo ra các kích thích dạng ngẫu nhiên từ mặt đường mấp mô, ảnh hưởng trực tiếp đến sự thoải mái và sức khỏe của người lái. Luận văn tập trung phân tích độ êm dịu của người lái xe buýt thông qua mô hình phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm LS-DYNA, nhằm đánh giá ảnh hưởng của hệ thống treo ghế ngồi và vật liệu đệm ghế đến cảm nhận êm dịu dưới tác động của chuyển vị sàn xe.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hệ thống treo và vật liệu đệm ghế đến độ êm dịu của ghế ngồi người lái xe buýt khi vận hành trên mặt đường ngẫu nhiên trong dải vận tốc từ 30 km/h đến 70 km/h. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình ghế ngồi người lái xe buýt tại Việt Nam, sử dụng dữ liệu chuyển vị sàn xe thực tế thu thập từ cảm biến đặt trên xe buýt. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệ thống treo và lựa chọn vật liệu đệm ghế phù hợp, góp phần nâng cao tính năng an toàn, ổn định và độ êm dịu cho người lái, đồng thời giảm thiểu 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 áp dụng hai lý thuyết chính trong phân tích độ êm dịu của ghế ngồi:

  1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Đây là phương pháp số gần đúng để giải các bài toán mô phỏng dao động và ứng suất biến dạng trong các hệ thống phức tạp. Phương pháp này chia mô hình thành các phần tử nhỏ, liên kết tại các nút, từ đó giải hệ phương trình đại số tuyến tính để xác định chuyển vị, vận tốc và gia tốc tại từng điểm. Các loại phần tử được sử dụng bao gồm phần tử một chiều (line element), hai chiều (plane element) và ba chiều (solid element), phù hợp với hình học chi tiết của ghế ngồi và hệ thống treo.

  2. Mô hình động học 2DOF (Two Degrees of Freedom): Mô hình này mô phỏng hệ thống ghế ngồi và người lái như hai khối khối lượng được treo, với các thông số độ cứng và giảm chấn của hệ thống treo ghế và đệm ghế. Phương trình chuyển động được xây dựng dựa trên định luật Newton, cho phép phân tích ảnh hưởng của chuyển vị sàn xe đến gia tốc tại điểm tiếp xúc của người lái với ghế.

Các khái niệm chính bao gồm: tần số tự nhiên của hệ thống treo, hệ số giảm chấn, giá trị căn quân phương của gia tốc (RMS acceleration), và tiêu chuẩn ISO 2631-1-1997 dùng để đánh giá mức độ thoải mái và cảm nhận rung động của con người.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ cảm biến chuyển vị đặt trên sàn xe buýt khi vận hành trên mặt đường ngẫu nhiên, với vận tốc khảo sát từ 30 km/h đến 70 km/h. Dữ liệu này được sử dụng làm tín hiệu đầu vào cho mô hình phần tử hữu hạn xây dựng bằng phần mềm Ansa và tính toán trên phần mềm LS-DYNA.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng mô hình ghế ngồi người lái với và không có hệ thống treo, sử dụng vật liệu polyurethane foam JC80 và JC120 cho đệm ghế.
  • Mô hình hóa hình nhân ATD H350 đại diện cho vóc dáng trung bình của người lái xe buýt Việt Nam.
  • Áp dụng điều kiện biên chuyển vị sàn xe thực tế lên phần khung sàn xe mô phỏng bằng rigid body.
  • Tính toán giá trị RMS gia tốc tại các điểm trên bề mặt đệm ghế để đánh giá độ êm dịu theo tiêu chuẩn ISO 2631.
  • Thời gian nghiên cứu từ tháng 9/2023 đến tháng 5/2024, với quy trình tính toán tổng quát gồm xây dựng mô hình, xác định vị trí hình nhân, thiết lập điều kiện biên, thực hiện tính toán và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu mô hình bao gồm toàn bộ ghế ngồi, hệ thống treo, đệm ghế và hình nhân, với các phần tử được lựa chọn phù hợp để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả tính toán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hệ thống treo ghế ngồi: Ghế có hệ thống treo giảm đáng kể giá trị RMS gia tốc tại điểm tiếp xúc với người lái so với ghế không có hệ thống treo. Cụ thể, tại vận tốc 70 km/h, giá trị RMS gia tốc giảm khoảng 25% khi sử dụng hệ thống treo, giúp cải thiện đáng kể độ êm dịu.

  2. So sánh vật liệu đệm ghế JC80 và JC120: Vật liệu JC80 với độ cứng thấp hơn cho kết quả RMS gia tốc thấp hơn từ 10% đến 15% so với JC120, cho thấy JC80 phù hợp hơn trong việc hấp thụ rung động và nâng cao sự thoải mái cho người lái.

  3. Ảnh hưởng của vận tốc xe: Giá trị RMS gia tốc tăng theo vận tốc, từ khoảng 0.3 m/s² ở 30 km/h lên đến gần 0.7 m/s² ở 70 km/h, tương ứng với mức độ thoải mái giảm dần theo tiêu chuẩn ISO 2631. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của thiết kế ghế ngồi và hệ thống treo phù hợp với điều kiện vận hành thực tế.

  4. Tác động phối hợp giữa hệ thống treo và vật liệu đệm: Ghế có hệ thống treo kết hợp với vật liệu JC80 đạt hiệu quả cải thiện độ êm dịu cao nhất, giảm giá trị RMS gia tốc xuống mức dưới 0.4 m/s² ở vận tốc 50 km/h, tương đương với mức "có cảm giác chút ít về sự không thoải mái" theo bảng đánh giá.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện độ êm dịu khi sử dụng hệ thống treo là khả năng hấp thụ và giảm chấn các dao động truyền từ sàn xe lên ghế ngồi, làm giảm gia tốc tác động lên người lái. Vật liệu foam JC80 với đặc tính đàn hồi cao và độ cứng thấp hơn giúp hấp thụ năng lượng rung động hiệu quả hơn so với JC120, phù hợp với các điều kiện vận hành trên mặt đường mấp mô ngẫu nhiên.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng mô hình động lực học đơn giản hoặc phương pháp giải tích, việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm LS-DYNA cho phép mô phỏng chi tiết hơn, giảm sai số giữa kết quả tính toán và thực tế. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên RMS gia tốc theo vận tốc và bảng so sánh hiệu quả cải thiện của các thiết kế ghế ngồi, giúp trực quan hóa mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc thiết kế ghế ngồi xe buýt, góp phần nâng cao sức khỏe và sự thoải mái cho người lái, đồng thời giảm thiểu chi phí bảo trì và nâng cao tuổi thọ thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế hệ thống treo ghế ngồi tiêu chuẩn: Áp dụng hệ thống treo tích hợp lò xo và giảm chấn với tần số tự nhiên khoảng 3 Hz và tỉ lệ giảm chấn 0.4 để tối ưu hóa khả năng hấp thụ rung động, giảm giá trị RMS gia tốc ít nhất 20% trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất ghế ngồi và kỹ sư thiết kế ô tô.

  2. Lựa chọn vật liệu đệm foam JC80: Ưu tiên sử dụng vật liệu polyurethane foam JC80 cho đệm ghế người lái nhằm nâng cao độ êm dịu và giảm thiểu cảm giác không thoải mái khi vận hành xe ở vận tốc từ 30 đến 70 km/h. Thời gian áp dụng: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: nhà cung cấp vật liệu và bộ phận phát triển sản phẩm.

  3. Tích hợp mô phỏng phần tử hữu hạn trong quy trình thiết kế: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sử dụng phần mềm LS-DYNA để mô phỏng và đánh giá thiết kế ghế ngồi trước khi sản xuất thực tế, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thử nghiệm. Thời gian triển khai: liên tục. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng phần mềm LS-DYNA cho kỹ sư thiết kế và nghiên cứu trong ngành ô tô, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh. Thời gian: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, trung tâm đào tạo chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế ô tô và ghế ngồi: Nắm bắt các phương pháp mô phỏng hiện đại để tối ưu hóa thiết kế ghế ngồi, nâng cao độ êm dịu và an toàn cho người lái.

  2. Nhà sản xuất vật liệu foam và linh kiện ô tô: Hiểu rõ ảnh hưởng của đặc tính vật liệu đến độ êm dịu, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và thị trường.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành cơ khí động lực, kỹ thuật giao thông: Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong nghiên cứu và giảng dạy, nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu khoa học.

  4. Quản lý vận tải và doanh nghiệp khai thác xe buýt: Đánh giá và lựa chọn các loại ghế ngồi phù hợp nhằm nâng cao sự thoải mái và sức khỏe cho tài xế, góp phần tăng hiệu quả vận hành và giảm thiểu rủi ro tai nạn do mệt mỏi.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong phân tích độ êm dịu ghế ngồi?
    Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chi tiết cấu trúc ghế và hệ thống treo, tính toán chính xác các đại lượng như chuyển vị, gia tốc tại nhiều điểm khác nhau, giảm sai số so với phương pháp giải tích truyền thống. Ví dụ, mô hình hóa phần tử ba chiều giúp phản ánh chính xác biến dạng vật liệu foam.

  2. Tại sao chọn vận tốc từ 30 km/h đến 70 km/h để khảo sát?
    Khoảng vận tốc này phản ánh điều kiện vận hành thực tế của xe buýt tại nhiều địa phương, từ vận tốc thấp trong đô thị đến vận tốc cao trên đường quốc lộ, giúp đánh giá toàn diện ảnh hưởng của mặt đường ngẫu nhiên đến độ êm dịu.

  3. Vật liệu foam JC80 và JC120 khác nhau như thế nào về đặc tính?
    JC80 có khối lượng riêng khoảng 58 kg/m³ và độ cứng thấp hơn, giúp hấp thụ rung động tốt hơn, trong khi JC120 có độ cứng cao hơn và khối lượng riêng lớn hơn, ít hiệu quả hơn trong việc giảm gia tốc truyền lên người lái.

  4. Tiêu chuẩn ISO 2631 được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Tiêu chuẩn ISO 2631-1-1997 dùng để đánh giá mức độ thoải mái dựa trên giá trị căn quân phương của gia tốc có trọng số tần số, giúp phân loại mức độ cảm nhận rung động từ không thoải mái đến cực kỳ không thoải mái.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất ghế ngồi?
    Kết quả cung cấp các thông số thiết kế hệ thống treo và lựa chọn vật liệu foam phù hợp, giúp nhà sản xuất điều chỉnh thiết kế để đạt được độ êm dịu tối ưu, đồng thời sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn để kiểm tra trước khi sản xuất hàng loạt.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn phân tích độ êm dịu của người lái xe buýt sử dụng phần mềm LS-DYNA, với dữ liệu đầu vào là chuyển vị sàn xe thực tế trong dải vận tốc 30-70 km/h.
  • Hệ thống treo ghế ngồi và vật liệu đệm foam JC80 có ảnh hưởng tích cực rõ rệt đến việc giảm giá trị RMS gia tốc, nâng cao sự thoải mái cho người lái.
  • Kết quả mô phỏng phù hợp với tiêu chuẩn ISO 2631, cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế ghế ngồi và lựa chọn vật liệu phù hợp.
  • Nghiên cứu góp phần tiết kiệm chi phí và thời gian so với phương pháp thực nghiệm truyền thống, đồng thời nâng cao độ chính xác trong thiết kế.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng thiết kế tối ưu vào sản xuất thực tế và mở rộng nghiên cứu cho các loại xe khác, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên sử dụng phần mềm mô phỏng hiện đại.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả và phương pháp nghiên cứu này để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả vận hành trong ngành công nghiệp ô tô.