Nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của rung động đối với đặc tính khí động của phương tiện giao thông

LỜI CAM ĐOAN
Tôi, Bùi Hoàng Mạnh, cam kết luận văn thạc sĩ kỹ thuật là công trình
nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của tiến sĩ Vũ Quốc Huy.
Các kết quả trong luận văn thạc sĩ kĩ thuật là trung thực, không phải là
sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2015

Người cam đoan


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của rung động đối với đặc tính khí động
của phương tiện giao thông.
Tác giả luận văn: Bùi Hoàng Mạnh

Khóa: 2012B

Người hướng dẫn: TS. Vũ Quốc Huy
Nội dung tóm tắt:
a) Lý do chọn đề tài: Hiện nay trên thế giới và Việt Nam, nhu cầu về dịch vụ, du
lịch và vận chuyển hàng hóa ngày một tăng, bởi vậy các phương tiện giao bắt
buộc không những gia tăng về số lượng mà còn cả chất lượng bao gồm vấn đề
tăng cao tốc độ để giảm chi phí thời gian, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu cũng như
vấn đề an toàn cho người sử dụng. Từ đó, việc nghiên cứu các phương tiện giao
thông trở nên thiết yếu và cấp bách nhằm thỏa mãn các yêu cầu trên.
b) Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

-

Nghiên cứu sự rung động của phương tiện gây ra do di chuyển trên mặt đường.

-

Nghiên cứu ảnh hưởng của sự rung động đó với đặc tính khí động của phương
tiện.

c) Tóm tắt nội dung chính và đóng góp mới: Trong thực tế, các phương tiện giao
thông thường chịu ảnh hưởng của sự va đập hoặc rung động do sự không bằng
phẳng của mặt đường. Sự rung động này sẽ ảnh hưởng tới đặc tính khí động của
phương tiện đặc biệt ở tốc độ cao, và nghiên cứu này giúp đánh giá ảnh hưởng
tới chức năng hoạt động như giảm lực cản để tiết kiệm nhiên liệu, giảm lực
nâng để tăng hiệu quả điều khiển.
d) Phương pháp nghiên cứu: Trong đề tài này trước tiên sẽ sử dụng phần mềm
Catia để dựng mô hình hình học của phương tiện. Sau đó sẽ dùng phương pháp
FSI 2 chiều để tính toán đặc tính khí động và ảnh hưởng của rung động đối với
đặc tính khí động thông qua phần mềm ANSYS Transient Structure và Fluid
Flow (CFX).


MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về ảnh hưởng của rung động đối với phương tiện giao thông 1
1. Ảnh hưởng của rung động đối với ô tô ................................................................1
1.1 Khái niệm về rung động và tiếng ồn ..............................................................1
1.2 Các nguồn rung ồn trên xe .............................................................................2
1.2.1 Dao động mômen do áp suất cháy .............................................................2
1.2.2 Rung động do chuyển động không cân bằng (lệch tâm) ............................3
1.2.3 Tiếng ồn của hệ thống nạp .........................................................................3

1.2.4 Tiếng ồn trong hệ thống xả.........................................................................3
1.2.5 Sự không cân bằng trục các đăng ...............................................................4
1.3 Phân tích nguyên nhân gây tiếng ồn trên xe ô tô ...........................................4
1.3.1 Rung nảy cabin ...........................................................................................4
1.3.2 Rung lắc vô lăng .........................................................................................5
1.3.3 Rung bàn đạp ga .........................................................................................6
1.3.4 Rung cần chuyển số ....................................................................................7
1.3.5 Tiếng ồn khó chịu khi đi xe ........................................................................8
1.3.6 Tiếng ồn do mặt đường ..............................................................................8
1.3.7 Tiếng ù thân xe ...........................................................................................9
1.4 Tổng quan về lực tác dụng lên ô tô ..............................................................11
1.4.1 Các thành phần lực chủ động ...................................................................11
1.4.2 Các thành phần lực cản của ô tô ...............................................................12
1.4.3 Lực cản, lực nâng khí động ......................................................................13
2. Ảnh hưởng với máy bay ....................................................................................15
Chương 2: Lý thuyết về phương pháp FSI 2 chiều ...................................................20
2.1. Tương tác giữa chất lỏng và cấu trúc (FSI) ....................................................20
2.2. Các phương pháp tiếp cận ..............................................................................20
2.2.1 Tiếp cận nguyên khối (Monolithic approach) ...........................................21


2.2.2 Phương pháp tiếp cận phân vùng (Partitioned approach) .........................21
2.3. Phương pháp FSI trong ANSYS .....................................................................23
2.3.1 Trình tự để ANSYS mô phỏng và tính toán trong FSI..............................23
2.3.2 Các phương pháp kết nối trong ANSYS ...................................................24
2.4 Phương pháp kết hợp giữa bộ giải chất lỏng và bộ giải chất rắn ....................26
Chương 3: Khảo sát đặc tính khí động của ô tô con .................................................29
3.1 Mô hình hình học .............................................................................................29
3.2 Mô hình SST (Vận chuyển ứng suất biến ngang)............................................30
3.3 Các thiết lập trong CFX: ..................................................................................31

3.4 Kết quả tính toán ..............................................................................................32
3.4.1. Đối với v1 = 20(m/s) ................................................................................32
3.4.2. Đối với v2 = 30 (m/s) ...............................................................................35
Chương 4: Khảo sát ảnh hưởng của rung động đối với đặc tính khí động ...............38
4.1 Mô hình bài toán ..............................................................................................38
4.2 Thiết lập mô phỏng ..........................................................................................38
4.3 Kết quả tính toán ..............................................................................................40
4.3.1 Đối với f = 10 (Hz) ....................................................................................40
4.3.2 So sánh kết quả f = 10 (Hz) và f = 20 (Hz) ...............................................43
4.3.3 So sánh giữa trường hợp có lực tác dụng và không có lực tác dụng.........49
KẾT LUẬN ...............................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................51


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ, HÌNH
Hình 1: Rung ồn do lốp mòn .......................................................................................5
Hình 2: Rung lắc ở vô lăng .........................................................................................6
Hình 3: a. Rung bàn đạp ga b. Rung cần chuyển số .................................................8
Hình 4: a, Tiếng ồn do mặt đường b. Tiếng ồn do hoa lốp ........................................9
Hình 5: Phân tích các lực tác dụng lên ô tô...............................................................13
Hình 6: Hệ số lực cản của một số loại ô tô ...............................................................14
Hình 7: Vụ sập cầu Tacoma ......................................................................................17
Hình 8: Tam giác đàn hồi khí động COLLAR..........................................................18
Hình 9: Bảng các hiện tượng đàn hồi khí động ........................................................19
Hình 10: Mô tả phương pháp tiếp cận FSI ................................................................21
Hình 11: Mô tả kết nối một chiều .............................................................................24
Hình 12: Mô tả kết nối hai chiều ...............................................................................25
Hình 13: Kích thước mô hình ô tô ............................................................................29
Hình 14: Kích thước miền tính toán..........................................................................30
Hình 15: Các cài đặt trong CFX ................................................................................32

Hình 16: Trường áp suất tác dụng lên ô tô (tương ứng với v = 20 m/s) ...................32
Hình 17: Trường áp suất trong miền tính toán (tương ứng với v = 20 m/s) .............33
Hình 18: Đường dòng bao quanh ô tô (tương ứng với v = 20 m/s) ..........................34
Hình 19: Trường vecto vận tốc bao quanh xe (tương ứng với v = 20 m/s) ..............34
Hình 20: Trường áp suất trong miền tính toán (tương ứng v = 30 m/s) ...................35
Hình 21: Trường áp suất tác dụng lên xe (tương ứng v = 30 m/s) ............................35
Hình 22: Đường dòng bao quanh ô tô (tương ứng v = 30 m/s) ................................36
Hình 23: Trường vecto vận tốc bao quanh ô tô (tương ứng v = 30 m/s) ..................36
Hình 24: Biểu đồ hệ số lực cản, lực nâng và chất lượng khí động tương ứng với vận
tốc ..............................................................................................................................37
Hình 25: Vị trí đặt nguồn rung động trên xe ô tô (mũi tên màu đỏ) .........................38
Hình 26: Hai bộ giải Transient và Fluid Flow (CFX) trong ANSYS Workbench ...38
Hình 27: Thiết lập mô hình tính toán trong Transient Structure ...............................39
Hình 28: Thiết lập mô hình tính toán trong Fluid Flow (CFX) ................................39
Hình 29: Trường áp suất biến thiên trong miền tính toán ở t1 = 0.01s, t2 = 0.30s và
t3 = 3.00s ...................................................................................................................40
Hình 30: Trường vận tốc biến thiên trong miền tính toán ở t1 = 0.01s, t2 = 0.30s và
t3 = 3.00s ...................................................................................................................41
Hình 31: Độ biến dạng lưới ở t1 = 0.01s, t2 = 0.30s và t3 = 3.00s ...........................41
Hình 32: Trường vecto vận tốc ở t1 = 0.01s, t2 = 0.30s và t3 = 3.00s .....................42


Hình 33: Biến thiên hệ số lực cản theo thời gian ......................................................42
Hình 34: Biến thiên hệ số lực nâng theo thời gian ....................................................43
Hình 35: Trường áp suất trong miền tính toán ..........................................................44
Hình 36: Trường biến thiên vận tốc trong miền tính toán ........................................45
Hình 37: Độ dịch chuyển của lưới tương ứng hai tần số khác nhau (hình trên f =
20Hz, hình dưới f = 10Hz) ........................................................................................46
Hình 38: Trường vecto vận tốc trong miền tính toán................................................47
Hình 39: Trường phân bố áp suất trên bề mặt xe ......................................................48

Hình 40: Biểu đồ so sánh hệ số lực nâng, lực cản và chất lượng khí động ..............49


KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

CL

--------------------------------------------------- Hệ số lực nâng

CD

----------------------------------------------------Hệ số lực cản

L

----------------------------------------------------Lực nâng

D

----------------------------------------------------Lực cản

S

----------------------------------------------------- Diện tích

M

----------------------------------------------------Moment

V

----------------------------------------------------Vận tốc

ρ

----------------------------------------------------- Tỷ trọng riêng không khí

u, v, w

----------------------------------------------------Vận tốc trong tọa độ Đề các

x, y, z

----------------------------------------------------

Tọa độ trong hệ Đề các


LỜI MỞ ĐẦU

Trong sự phát triển vượt bậc của xã hội ngày nay, nhu cầu về dịch vụ, du lịch và
vận chuyển hàng hóa ngày một tăng, bởi vậy các phương tiện giao bắt buộc không
những gia tăng về số lượng mà còn cả chất lượng bao gồm vấn đề tăng cao tốc độ
để giảm chi phí thời gian, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu cũng như vấn đề an toàn cho
người sử dụng. Từ đó ngành khoa học về các phương tiện giao thông đã ra đời và
phát triển để đáp ứng các yêu cầu hơn. Đây là một chuyên ngành tập hợp rất nhiều
tri thức khoa học và công nghệ tiên tiến của nhân loại nên các lĩnh vực nghiên cứu
cũng rất rộng lớn và sâu sắc.
Do thời gian nghiên cứu và hoàn thành đồ án này là tương đối ít, nên em đã
chọn nghiên cứu về tương tác FSI 2 chiều cho mô hình ô tô đơn giản. Hơn nữa, tính

toán khí động ô tô và ảnh hưởng của rung động là một trong những vấn đề rất quan
trọng và nền tảng cho các tính toán khác như ổn định, tính điều khiển…
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của TS. Vũ Quốc
Huy và sự ủng hộ, giúp đỡ từ gia đình cũng như các thầy cô và bạn bè trong bộ môn
đã tạo điều kiện cho em để hoàn thành đồ án này.

Hà Nội, ngày tháng
Người viết
Bùi Hoàng Mạnh

năm 2015


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

Chương 1: Tổng quan về ảnh hưởng của rung động đối với phương tiện

giao thông
1. Ảnh hưởng của rung động đối với ô tô
1.1 Khái niệm về rung động và tiếng ồn
Rung động là sự nhiễu loạn trong môi trường thể rắn đàn hồi tạo ra sự chuyển động
có thể nhìn thấy được.
Tiếng ồn được xem như những âm thanh không mong muốn, chúng gây ra phiền
phức và khó chịu gây hại tới sức khỏe con người.
Chúng ta cảm nhận sự rung động bằng cơ quan xúc giác và cảm nhận âm thanh
bằng cơ quan thính giác. Các rung động và âm thanh được cảm nhận thay đổi như
thế nào tùy theo mức độ tiếp xúc với chúng. Một âm thanh là sự rung động (dao
động áp suất) của không khí. Rung động và âm thanh được thể hiện bằng “sóng”.
Đặc trưng cho sóng dao động là tần số sóng cho biết số lần dao động sóng trong 1s.
Tùy theo từng giá trị của tần số mà sự cảm nhận là rung động hay tiếng ồn. Hậu quả

của tiếng ồn và rung động là sự khó chịu, mệt mỏi, an toàn vận hành, gây hại tới sức
khỏe con người. Trong các máy móc, xe cộ và xây dựng, hậu quả gây ra là sự hao
mòn các chi tiết, giảm công suất có ích, gây ra các hoạt động không bình thường
hoặc các hư hỏng không thể khắc phục được. Đặc biệt khi xảy ra cộng hưởng sự hư
hỏng của các chi tiết không thể kiểm soát.
Rung động và tiếng ồn được định nghĩa ở đây là âm thanh không mong muốn,
chúng có liên quan chặt chẽ với nhau. Tiếng ồn đơn giản là một phần năng lượng
rung động của kết cấu chuyển thành áp suất không khí. Hầu hết tiếng ồn và rung
động có liên quan đến hiện tượng cộng hưởng. Cộng hưởng xảy ra khi động lực học
ảnh hưởng trong quá trình kích thích các tần số tự nhiên, hoặc chế độ rung động
trong các kết cấu xung quanh.
Tiếng ồn có thể truyền bằng nhiều đường khác nhau như: khí, lỏng (nước, dầu ...),
rắn (kim loại, phi kim …). Tiếng ồn truyền trong không khí được phát ra trực tiếp
từ các nguồn phát âm và truyền vào không khí. Tiếng ồn đường cơ - âm học là tiếng
ồn được truyền thông qua các vật liệu rắn, thường thông qua sự tiếp xúc cơ khí trực
1


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

tiếp với các nguồn âm hoặc từ sự rung động của vật trước đó. Chúng ta có thể cảm
nhận âm truyền theo đường cơ - âm học như là những rung động khi chúng ở trong
những vật cụ thể.
1.2 Các nguồn rung ồn trên xe
Nguyên nhân tạo ra rung động và tiếng ồn trên xe là do lực rung động, trong phần
này luận văn chỉ ra một số nguồn gây rung động trên xe.
Trong các nguồn điển hình về lực rung trên xe, có các loại sau: Dao động của áp
suất cháy hoặc mômen trong động cơ, các lốp không cân bằng, đường gồ ghề, sự
không cân bằng hoặc góc nối ở trục các đăng, sự ăn khớp của các bánh răng trong
hộp số hoặc bộ vi sai, và các dao động của lực ma sát trong li hợp hoặc các phanh.

Nếu có thể giảm hết mọi nguyên nhân này, thì rung động và tiếng ồn sẽ không xuất
hiện. Tuy nhiên, không thể khử hết một số trong những nguyên nhân này như áp
suất cháy trong động cơ, hoặc lực ở bên ngoài từ mặt đường gồ ghề.
Nguyên nhân tạo ra rung động tiếng ồn của xe là do lực rung. Bộ phận điển hình tạo
ra lực rung này là động cơ. Trong động cơ, vì nhiên liệu được đốt trong buồng cháy
và nhiều bộ phận chuyển động, tạo ra nhiều loại lực rung. Chúng làm cho động cơ
bị rung, làm cho bản than động cơ trở thành một bộ phận tạo rung động. Chúng
được truyền đến hệ thống truyền lực và thân xe. Có nhiều yếu tố liên quan đến việc
tạo ra lực rung trong các động cơ, nhưng trong các yếu tố này, hai yếu tố sau đây là
đặc biệt quan trọng. Một yếu tố là áp suất cháy của nhiên liệu trong buồng đốt. Yếu
tố kia là lực quán tính do chuyển động tịnh tiến của pittông và chuyển động quay
của trục khuỷu gây ra. Hai yếu tố này tạo ra dao động của mômen và độ rung trong
động cơ. Ngoài hai yếu tố này, các yếu tố do chuyển động cơ học của các bộ phận
gây ra tiếng ồn của động cơ.
1.2.1 Dao động mômen do áp suất cháy
Lực rung do áp suất cháy gây ra dao động mômen ở trục khuỷu, được truyền đến hệ
thống truyền lực. Nó cũng tác động lên thân máy như là một phản lực và làm cho
động cơ bị rung, áp suất cháy dao động ít hơn khi số vòng quay của động cơ cao và
khi động cơ có số xi lanh nhiều hơn. Dao động mômen trở nên lớn hơn khi góc mở
của bướm ga lớn (khi tải trọng của động cơ lớn, vì áp suất cháy tăng lên). Do cấu
2


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

tạo của động cơ, không thể tránh được dao động mômen. Nếu nguyên nhân rung
động và tiếng ồn là sự dao động mômen thì việc khắc phục rất khó.
1.2.2 Rung động do chuyển động không cân bằng (lệch tâm)
Các lực rung bởi lực quán tính do cơ cấu đối trọng trục khuỷu tạo ra và sự không
cân bằng trong vật thể quay. Trong các lực rung bởi quán tính, có thể cân bằng khối

chuyển động tịnh tiến đến một mức nào đó bằng cách lựa chọn việc bố trí xy lanh
và hình dạng hợp lý của trục khuỷu. Nhưng rung động do quán tính không cân bằng
tạo ra có thể giữ nguyên. Để khắc phục hiện tượng này, một số động cơ được trang
bị một trục cân bằng. Lực rung do sự không cân bằng trong bộ phận quay tạo ra
trước hết là rung động của động cơ bất kể số xy lanh. Có thể giảm sự không cân
bằng này bằng các đối trọng. Lực do sự không cân bằng tạo ra tăng theo tỷ lệ bình
phương của số vòng quay, nên rung động được khuếch đại mạnh khi tăng số vòng
quay.
1.2.3 Tiếng ồn của hệ thống nạp
Tiếng ồn của đường ống nạp bao gồm âm thanh mạch động của không khí hút vào
và các tiếng cộng hưởng. Âm thanh mạch động có tần số tương đối cao. Nó được
xác định bằng lượng không khí, hình dạng của bộ lọc khí, đường kính và chiều dài
của ống nạp. Tiếng cộng hưởng có tần số tương đối thấp. Nó được tạo ra khi tần số
của tiếng ồn ống nạp và tần số cộng hưởng của hệ thống hút trung với nhau ở một
số vòng quay của động cơ. Cũng vậy, sự dao động của áp suất khí nạp đôi khi phát
ra các âm thanh bức xạ từ bề mặt bên ngoài của hệ thống nạp. Rung động ở hệ
thống nạp cũng truyền vào bên trong.
Khi tần số của tiếng ồn ống nạp trùng với tần số cộng hưởng trong buồng lái hoặc
trong hệ thống nạp, tiếng ồn tăng lên gây ra tiếng ù ù và tiếng ồn của động cơ.
Bộ cộng hưởng ống nạp thường được sử dụng để thay đổi tần số cộng hưởng trong
hệ thống nạp, và do đó làm giảm tiếng ù ù và tiếng ồn của động cơ.
1.2.4 Tiếng ồn trong hệ thống xả
Tiếng ồn của hệ thống xả gồm có tiếng khí đốt xả ra khỏi ống giảm âm, và các âm
thanh phát ra từ bên ngoài ống xả và ống giảm âm thanh. Có thể giảm tiếng xả khí
3


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

này bằng các đặc tính giảm thanh của bộ giảm âm (giảm thanh). Nhưng nếu dung

tích của bộ giảm âm không đủ lớn, công suất của động cơ sẽ bị ảnh hưởng. Âm
thanh phát ra bởi độ rung của các vách bộ phận do dao động của áp suất xả, tạo ra
rung động ở không khí xung quanh. Đôi khi rung động ở hệ thống xả cũng truyền
đến thân xe và tạo ra âm thanh được truyền đi.
1.2.5 Sự không cân bằng trục các đăng
Sự không cân bằng ở trục các đăng gây ra rung động hoặc tiếng ồn. Trục các đăng
quay nhanh hơn lốp do tỉ số truyền của bánh răng vi sai. Vì vậy, tần số rung hoặc
tiếng ồn tăng lên và thường kèm theo tiếng ù ù.
1.3 Phân tích nguyên nhân gây tiếng ồn trên xe ô tô
Trong quá trình xe vận hành, tiếng ồn rung có thể xuất hiện bởi các nguồn gây dao
động và âm thanh. Các nguồn này một mặt truyền năng lượng âm ra môi trường,
mặt khác truyền năng lượng âm, dao động thông qua các chi tiết trên xe tới cabin.
Việc phân tích nguyên nhân và các hiện tượng rung ồn ảnh hưởng tới khoang người
lái sẽ quyết định tới độ chính xác của bài toán tính NVH trong cabin xe 5 chỗ.
Khi rung động và tiếng ồn phát sinh, hiện tượng này không nhất thiết là có hư hỏng
xảy ra. Các loại rung động và tiếng ồn điển hình trên xe tác động tới cabin được
trình bày trong mục dưới đây.
1.3.1 Rung nảy cabin
Hiện tượng: “Rung nẩy” được định nghĩa là rung động theo chiều đứng hoặc chiều
ngang của thân xe và vô lăng, cùng với rung động của các ghế ngồi. Thường không
thể cảm nhận được rung nẩy khi xe chạy dưới tốc độ khoảng 80 km/h. Lớn hơn tốc
độ này, rung nẩy tăng lên rõ rệt nhưng sau đó đạt tới mức đỉnh ở một tốc độ nhất
định.
Nguyên nhân:
-

Độ đảo và độ không cân bằng của lốp sẽ làm cho lốp phát sinh một lực rung
trong khi vận hành xe.

-

Rung động này được khuếch đại và lại làm rung các cầu xe. Và rung động của
các cầu xe được truyền đến thân xe và động cơ qua hệ thống treo.
4


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

Các rung động của thân xe được truyền tới vô lăng và các ghế ngồi làm cho thân xe,
ghế và vô lăng bị rung.
Khi các rung động được truyền cộng hưởng với thân xe, thân xe sẽ rung mạnh.
Ngoài ra, khi rung động của các cầu xe cộng hưởng với các rung động của động cơ,
động cơ sẽ rung rất mạnh, và lại làm cho thân xe rung mạnh hơn nữa.
Một số trường hợp thân xe có thể rung nẩy xen kẽ theo chiều đứng và chiều ngang
với khoảng cách thời gian xấp xỉ 10s. Đó là sự chênh lệch nhỏ về các bán kính quay
của lốp tạo ra sự chênh lệch ở các điểm lắc đảo tương đối giữa lốp bên phải và bên
trái hoặc giữa lốp trước và lốp sau. Rung nảy thân xe thường xuất hiện do các lốp
không cân bằng hoặc bị mòn không đều vì vậy có thể loại bỏ rung lắc ngang thân xe
bằng cách hiệu chỉnh cân bằng lốp hoặc giảm độ lắc đảo của lốp.

Hình 1: Rung ồn do lốp mòn

1.3.2 Rung lắc vô lăng
Hiện tượng: lắc tay lái là tình trạng mà vô lăng dao động từ 5 đến 15 lần trong một
giây theo chiều quay. Nó xuất hiện ở mức độ tương đối hạn chế nhưng cao, thường
lớn hơn 80 km/h và các dao động của vô lăng không thay đổi.
Rung tay lái là trạng thái làm cho vô lăng dao động theo chiều kim đồng hồ và
ngược chiều kim đồng hồ, giống như sự rung của tay lái, nhưng ở các tốc độ thấp
hơn. Hiện tượng này bắt nguồn từ đường ghồ ghề hoặc phanh khi các lốp hoặc
phanh mòn không đều.

Nguyên nhân:
5


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

-

Lốp không cân bằng hoặc đảo không đều

-

Cộng hưởng giữa lốp và vô lăng

-

Đường xóc

-

Lốp bị biến dạng hoặc rung động đột ngột theo chiều đứng khi phanh gây ra khi
lốp mòn không đều.

-

Cộng hưởng giữa các lốp, hệ thống lái và hệ thống treo

Có độ rơ trong các thanh nối của hệ thống lái, sự giảm lực cản do mòn, hoặc thiếu
độ cứng vững của các thanh nối này.
Cơ chế:

Độ đảo hoặc không cân bằng trong một lốp xe sẽ tạo ra lực rung trong khi xe đang
chuyển động. Lực rung này tạo ra một momen quán tính ở ngõng trục, làm cho các
lốp lắc theo chiều ngang. Vì vậy tay lái sẽ dao động theo chiều ngang. Lúc này trục
lái, thanh răng lái và các thanh nối tác động như một lò xo cứng …
Ở một tốc độ nào đó của xe, các răng, các rung động ngang của các lốp do lực li
tâm tạo ra sẽ cộng hưởng với hệ thống lái, làm cho vô lăng dao động theo chiều kim
đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ.
Đường xóc, các biến dạng ở lốp hoặc các dao động theo chiều đứng khi phanh có
thể gây ra mọi rung động xung quanh ngõng trục trước làm cho vô lăng rung.

Hình 2: Rung lắc ở vô lăng

1.3.3 Rung bàn đạp ga
6


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

Hiện tượng: đây là rung động có tần số cao xuất hiện ở tốc độ cao hơn nhưng không
lien quan tới tốc độ của xe. Rung động này có thể cảm nhận được bằng chân đặt lên
bàn đạp nhưng bàn đạp không rung mạnh theo chiều nhả bàn đạp.
Nguyên nhân:
-

Do ảnh hưởng từ rung động ở động cơ.

-

Rung động và các cộng hưởng ở bướm ga hoặc thanh nối.

-

Dây cáp bướm ga hoặc thanh nối thiếu cứng vững.

Cơ chế: rung động của động cơ làm cho cáp bướm ga hoặc thanh nối rung lên. Các
rung động này truyền tới bàn đạp ga kéo theo sự rung động.
1.3.4 Rung cần chuyển số
Hiện tượng: Loại rung động này làm cho cần chuyển số dao động, thường xảy ra ở
tốc độ động cơ tương đối cao và dễ nhận ra rõ hơn gần số vòng quay làm nó rung.
Trong các loại rung khác nhau của cần chuyển số, nếu rung động này xuất hiện khi
động cơ đang chạy không tải, hay xem xét rung khi chạy không tải.
Nguyên nhân:
-

Động cơ không được điều chỉnh chính xác.

-

Không cân bằng ở các bộ phận quay hoặc chuyển động tịnh tiến của động cơ.

-

Cộng hưởng ở cần chuyển số, hoặc cần chuyển số thiếu cứng vững.

-

Có độ rơ giữa cần chuyển số và thanh nối, hoặc các bạc lót bị mòn.

Cơ chế:
-

Các xe có động cơ ở phía trước, dẫn động bánh sau (FR)

Các dao động momen hoặc mất cân bằng của các bộ phận quay hoặc chuyển động
tịnh tiến của động cơ tạo ra các rung động uốn trong hệ thống truyền lực. Hơn nữa,
các góc nối hoặc một trục các đăng không cân bằng có thể làm tăng thêm các rung
động này. Phần vỏ hộp số có phần kéo dài rung mạnh, tạo ra một lực rung truyền
đến cần chuyển số. Cần chuyển số dao động vì nó được lắp trên phần kéo dài của
hộp số. Bất cứ độ rơ nào ở cần chuyển số cũng khuếch đại thêm rung động này.
-

Các xe có động cơ ở phía trước, dẫn động bánh trước (FF)
7


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

Một động cơ không được căn chỉnh chính xác sẽ chạy không đều và làm cho cụm
cần chuyển số bị rung.

Hình 3: a. Rung bàn đạp ga b. Rung cần chuyển số

1.3.5 Tiếng ồn khó chịu khi đi xe
Tiếng ồn khó chịu là tiếng va đập một lần như tiếng búa đập vào một vật thể. Cùng
với một tiếng ồn lớn, va đập này được cảm nhận qua vô lăng, các ghế ngồi và sàn
xe. Loại va đập này xuât hiện khi xe chạy qua một khe rãnh hoặc một ổ gà trên
đường.
Nguyên nhân:
-

Các đặc điểm bao của lốp

-

Các bộ phận của hệ thống treo bị mòn (các bạc lót, các bộ giảm chấn, …)

-

Cơ chế của sự phát triển rung động và tiếng ồn

-

Một va đập theo chiều dọc tác động vào lốp làm cho nó biến dạng từng phần,
khi xe chạy qua một ổ gà hoặc một khe rãnh ở trên đường.

Va đập này được tiếp tục truyền đến các đòn treo. Do đó các bạc lót của hệ thống
treo bị nén lại, truyền tiếng ồn hoặc rung động đột ngột tới thân xe.
1.3.6 Tiếng ồn do mặt đường
Tiếng ầm ầm hoặc gầm rú liên tục với độ cao âm thanh không đổi là tiếng ồn do
mặt đường. Âm lượng của tiếng ồn này tăng lên theo tốc độ của xe. Tiếng ồn này
xuất hiện chủ yếu khi xe chạy trên đường có bề mặt lát xấu.
8


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

Nguyên nhân:
-

Các ổ gà hoặc hố nhỏ trên mặt đường

-

Các lốp cộng hưởng với độ nhấp nhô của mặt đường

-

Rung động của hệ thống treo (do các hằng số lò xo không thích hợp của các bạc
lót bằng cao su)

Cơ chế:
Khi xe chạy trên đường có bề mặt lát xấu, tạo ra các rung động nhỏ ở các lốp. Khi
các rung động này đạt đến một tần số nhất định, chúng gây ra các cộng hưởng ở các
lốp làm khuếch đại các rung động này.
Các rung động này được truyền từ hệ thống treo đến thân xe, và tiếng kêu gầm rú
phát ra từ các tấm ốp của thân xe.

Hình 4: a, Tiếng ồn do mặt đường b. Tiếng ồn do hoa lốp

1.3.7 Tiếng ù thân xe
Bạn cảm thấy loại tiếng ồn này như một áp lực trong tai mình, và nguồn gốc của nó
thường không biết. Cao độ âm thanh của nó tăng (tần số) theo tốc độ của xe. Nó
xuất hiện trong một phạm vi tốc độ xe tương đối hẹp quanh 10 km/h, hoặc khoảng
50 vòng/phút nếu quan sát tốc độ của động cơ.
9


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

Nguyên nhân:

-

Động cơ không được điều chỉnh chính xác.

-

Lực quán tính do chuyển động tịnh tiến của các pittong, hoặc sự không cân bằng
trong động cơ.

-

Trục các đăng không cân bằng.

-

Góc nối trục các đăng không chính xác.

-

Các cộng hưởng ở ống xả.

-

Tiếng ồn của khí xả.

-

Các cộng hưởng ở các bộ phận phụ của động cơ.

-

Rung động do các ứng suất xoắn ở trục các đăng và các bán trục.

Cơ chế:
-

Góc nối của trục các đăng

Khi có góc nối ở trục các đăng, sẽ có hai dao động momen trong mỗi vòng quay của
trục các đăng. Các dao động này trở nên lớn hơn khi góc nối tăng lên ở tốc độ nào
đó của xe, và sẽ làm cho hệ thống truyền lực rung, tiếp đến truyền qua các bạc lót
đòn của hệ thống treo phía sau hoặc các lò xo, làm cho các tấm ốp của thân xe rung.
Điều này dẫn đến tiếng ù ù của thân xe.
-

Trục các đăng không cân bằng

Khi trục các đăng không cân bằng tạo ra lực li tâm có xu hướng làm cho các đầu
trục các đăng cong ra ngoài và quay theo các vòng tròn lớn quanh đường tâm của
trục. Dĩ nhiên là điều này thực tế không xảy ra vì trục các đăng được cố định ở cả
hai đầu. Tuy nhiên, nó sẽ làm cho trục rung sau mỗi lần trục quay. Lực rung này có
xu hướng làm cong trục các đăng. Lực rung này tiếp tục truyền qua các chân máy
(giá bắt động cơ) ở phía sau, ổ đỡ giữa trục các đăng, các bạc lót của hệ thống treo
phía sau, và các tấm ốp của thân xe. Các tấm ốp thân xe bị rung sinh ra tiếng ù ù
của thân xe.
-

Các rung động của ống xả

Ống xả dài và nhỏ nên dễ bị rung. Một yếu tố quan trọng khác làm cho ống xả rung

mạnh là vì nó được gắn vào động cơ, là nguồn rung động lớn nhất trong xe. Khi ống
10


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

xả cộng hưởng với rung động của động cơ, rung động này được khuếch đại tiếp và
truyền theo đường của các vòng đệm chữ O và các vòng kẹp của ống giảm thanh
đến thân xe, gây ra tiếng ù ù của thân xe. Để cách li khu vực có hư hỏng, bạn có thể
lân lượt tháo các vòng đệm chữ O này.
-

Rung động của các bộ phận phụ của động cơ

Nếu các giá bắt máy phát điện, bơm trợ lực lái, hoặc máy nén điều hòa không khí
được làm bằng vật liệu không đủ cứng vững, chúng sẽ cộng hưởng với rung động
của động cơ. Rồi rung động này truyền qua các chân máy đến thân xe, tạo ra tiếng ù
ù của thân xe.
1.4 Tổng quan về lực tác dụng lên ô tô
Theo lý thuyết thì khi chuyển động, ôtô phải chịu tác dụng của nhiều loại lực: lực
kéo tiếp tuyến, lực cản lăn, lực quán tính, lực ma sát và nhất là lực cản của gió khi
xe đi với vận tốc rất lớn về phía trước.
Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng săm lốp. Lực quán tính
liên quan đến khối lượng và gia tốc của xe. Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công
nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn. Còn lực cản của gió lại liên quan đến hình dạng
khí động học và tốc độ của xe. Đây cũng là loại lực cản phức tạp nhất mà cần phải
nghiên cứu tập trung trong đề tài này.
1.4.1 Các thành phần lực chủ động
a. Lực kéo tiếp tuyến

(1)
𝑀𝑘 : Momen chủ động
𝑀𝑒 : Momen quay của động cơ
𝑖, 𝜂: tỷ số truyền và hiệu suất cơ học của hệ thống truyền lực
𝑟𝑘 : Bán kính bánh xe chủ động
b. Lực bám và hệ số bám

Lực bám chính là lực kéo tiếp tuyến cực đại sinh ra tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe
11


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

chủ động và mặt đường 𝑃𝜑
𝑃𝜑 = 𝜑. 𝐺𝑘 = 𝜑. 𝑍𝑘

(2)

Với: 𝐺𝑘 : trọng lượng trên bánh xe chủ động
𝑍𝑘 : phản lực pháp tuyến trên bánh xe chủ động
𝜑 : hệ số bám
1.4.2 Các thành phần lực cản của ô tô
a. Lực cản lăn
𝑃𝑓 = 𝑃𝑓𝑘 + 𝑃𝑓𝑛 = 𝑓𝑍 = 𝑓𝐺 𝑐𝑜𝑠𝛼

(3)

𝑃𝑓𝑘 : Phản lực chuyển động của bánh xe chủ động.
𝑃𝑓𝑛 : Lực cản lăn của các bánh xe chủ động.
f : Hệ số cản lăn.

Z : Phản lực pháp tuyến.
G : Trọng lượng của ô tô.
α : Độ dốc mặt đường.
b. Lực cản dốc
Khi ô tô lên dốc hoặc xuống dốc sẽ xuất hiện thành phần lực 𝐺. 𝑠𝑖𝑛𝛼 có phương
song song với mặt đường gọi là lực cản dốc, ký hiệu 𝑃𝛼 .
c. Lực cản quán tính
Khi ô tô chuyển động sẽ xuất hiện lực quán tính có phương song song với phương
chuyển động và điểm đặt tại trọng tâm của ô tô.
Tính theo công thức:
𝐺

𝑃𝑗 = 𝛿𝛼 𝑗

(4)

𝑔

𝛿𝛼 gọi là hệ số quy đổi khối lượng tính đến sự ảnh hưởng của các chi tiết chuyển
động quay không đều của ô tô.

12


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

Hình 5: Phân tích các lực tác dụng lên ô tô

1.4.3 Lực cản, lực nâng khí động
a. Lực cản khí động

Là lực cản sinh ra khi chuyển động của ôtô và nó phụ thuộc rất lớn vào hình dáng
khí động học của ôtô. Lực cản này gồm hai thành phần: áp suất cao phía trước và áp
suất thấp phía sau, hai thành phần này tạo ra hiện tượng xoáy làm xuất hiện lực
ngược chiều chuyển động của vật thể. Để đánh giá chất lượng khí động của ôtô
người ta dựa vào hệ số 𝐶𝑑 gọi là hệ số lực cản.
Lực cản khí động tính theo công thức:
𝐷 = 1 2 . 𝛿. 𝑣 2 . 𝑆. 𝐶𝑑
Trong đó:

(5)

D: Lực cản khí động
𝛿: Mật độ không khí
v: vận tốc chuyển động
𝑆: Diện tích mặt cắt ngang của xe
𝐶𝑑 : Hệ số lực cản.

13


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

Hình 6: Hệ số lực cản của một số loại ô tô

b. Lực nâng khí động:
Không khí bị nén ở phía trước xe dãn nở dần khi di chuyển về phía sau tạo nên áp
thấp hay lực nâng xe dọc theo bề mặt của thân xe. Trị số lực nâng sẽ lớn nhất khi
dòng không khí di chuyển đến phía sau xe vì tiết diện cản gió của thân xe ở vị trí
này giảm nhanh đột ngột. Khi vượt quá trị số cho phép lực nâng này sẽ làm giảm
khả năng bám đường của hai bánh xe sau.

Ta có công thức tính lực nâng là:
𝐿 = 1 2 . 𝛿. 𝑣 2 . 𝑆. 𝐶𝐿
Trong đó:

(6)

L: Lực nâng khí động.
𝛿: Mật độ không khí.
v: Vận tốc chuyển động.
S: Diện tích mặt cắt bằng của xe
𝐶𝐿 : Hệ số lực nâng.

14


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

2. Ảnh hưởng với máy bay
Các hiện tượng đàn hồi khí động đã được biết đến từ khi có các khí cụ bay nặng
hơn không khí (từ thời của Leonard de Vinci khoảng những năm 1500). Tuy nhiên
các hiện tượng này bắt đầu được nghiên cứu từ năm 1903 với công trình nghiên cứu
về xoắn phá hủy máy bay một tầng cánh của giáo sư Langley người Mỹ. Tuy nhiên
sự phát triển thực sự của việc phân tích hiện tượng flutter phải chờ tới khi có sự ra
đời của lý thuyết cánh động của Kutta và Joukowsky vào khoảng những năm 1906.
Tính toán số đầu tiên về các lực khí động tác dụng lên mô hình của một tấm mỏng
đã được thực hiện lần đầu tiên vào năm 1922 bởi Birnbaum trong luận án tiến sỹ
của ông ở Gottingen. Năm 1918, lý thuyết của Prandtl đã được áp dụng bởi
Ackermann để tính toán lực nâng tác dụng lên cánh tĩnh. Dưới sự gợi ý của
Prandtl, Birnbaum đã mở rộng khái niệm của Ackermann cho cánh động.Và
vấn đề về các hiện tượng đàn hồi khí động thực sự được quan tâm vào những năm

30 của thế kỉ trước khi mà người ta muốn tăng tốc độ bay ngang của máy bay một
tầng cánh và do xuất hiện nhiều vụ tai nạn gây ra bởi hiện tượng đàn hồi khí động.
Đến năm 1934 mới chỉ có một số ít các hiện tượng đàn hồi khí động được ghi nhận.
Vào thời đó chỉ có ở cánh máy bay là có xuất hiện hiện tượng flutter. Vào đầu năm
1929, lý thuyết về flutter đã được đưa ra bởi Kussner thông qua các tính toán lý
thuyết và thực nghiệm. Từ năm 1934 tới 1937 do có sự hiện hiện của nhiều loại
máy bay mới và có sải cánh dài hơn do đó đã xuất hiện ngày càng nhiều các vụ tai
nạn do hiện tượng flutter gây nên không chỉ đối với cánh mà cả ở phần đuôi của
máy bay. Lúc này thì việc nghiên cứu về hiện tượng flutter mới thực sự được đẩy
mạnh. Trong giai đoạn này nhiều phương pháp phân tích đã được đưa ra và các tính
toán chi tiết về lực khí động tác dụng lên các mặt điều khiển của máy bay cũng
được công bố. Và việc giải quyết bài toán flutter với mô hình 2D và hai bậc tự do
lúc đó đã được giải quyết một cách dễ dàng. Và sau đó bài toán flutter đối với mô
hình 3D cũng dần dần được giải quyết dựa vào lý thuyết cũng như các kiểm
nghiệm trên ống khí động. Cho đến sau chiến tranh thế giới thứ 2 thì các loại máy
bay với tốc độ cận âm và trên âm bắt đầu xuất hiện. Lúc này thì cánh có góc mũi tên
lớn và cánh delta đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. Và bài
toán về bất ổn định của các bề mặt điều khiển của các máy bay có kích
thước lớn cũng trở thành một vấn đề thực sự đáng quan tâm. Ngày nay với sự phổ

15


Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

biến của các máy bay cận âm và trên âm thì việc tính toán về hiện tượng đàn hồi khí
động đã trở thành một yêu cầu không thể thiếu trong quá trình tính toán thiết kế.
Đàn hồi khí động là những nghiên cứu về tác động của các lực khí động lên các kết
cấu đàn hồi. Trong lý thuyết đàn hồi cổ điển thì các bài toán về ứng suất và biến
dạng của kết cấu đàn hồi được xét dưới tác dụng của ngoại lực hay của biến dạng

được áp đặt vào và các tải tác động bên ngoài này thường sẽ được coi như không
phụ thuộc vào biến dạng của kết cấu. Trong các trường hợp đó chúng ta thường bỏ
qua sự thay đổi về kích thước của kết cấu và các tính toán sẽ được dựa trên kích
thước ban đầu của kết cấu. Tuy nhiên trong bài toán đàn hồi khí động thì khác, lúc
này lực khí động tác dụng lên kết cấu sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi hình dạng của
kết cấu ở trong dòng khí khi dòng khí chảy qua kết cấu. Lúc này giá trị của biến
dạng đàn hồi của kết cấu lại đóng vai trò quan trọng trong việc xác định giá trị của
lực khí động tác dụng lên kết cấu do đó thông thường thì trong bài toán đàn
hồi khí động, lực khí động chỉ được xác định sau khi bài toán đã giải xong.
Một trong các bài toán đàn hồi khí động đáng quan tâm đó là bài toán ổn định của
kết cấu đàn hồi ở trong dòng khí bởi vì đối với một kết cấu đàn hồi cho trước thì lực
khí động tác dụng lên kêt cấu sẽ tăng nhanh khi vận tốc dòng khí tăng lên. Do đó sẽ
tồn tại một giá trị vận tốc của dòng khí mà tại đó kết cấu đàn hồi sẽ trở nên bất ổn
định. Trong những trường hợp như vậy thì sẽ gây ra hiện tượng biến dạng quá mức
của kết cấu dẫn đến sự phá hủy của kết cấu đàn hồi. Một trong những hiện tượng
chính của sự bất ổn định của kết cấu đó chính là hiện tượng flutter.
Hiện tượng này được tạo ra bởi ba yếu tố là lực đàn hồi, lực khí động và lực quán
tính và là một trong những bài toán phức tạp nhất của đàn hồi khí động động. Các
lĩnh vực ứng dụng : Khí động, không gian vũ trụ, đóng tàu, năng lượng hạt
nhân, xây dựng dân dụng … Các dao động đàn hồi khí động xuất hiện khi có các
lực khí động tác động lên kết cấu đàn hồi. Trong lịch sử đã có những tai nạn
nghiêm trọng xảy ra có nguyên nhân là do hiện tượng đàn hồi khí động trong đó
điển hình là vụ sập cầu Tacoma Narrows Bridge năm 1940 đã làm ngạc nhiên giới
kỹ sư thời bấy giờ. Theo tính toán của các kỹ sư thì cây cầu này có thể chịu được
gió với tốc độ trên 100 MPH tuy nhiên trên thực tế khi gió mới đạt tốc độ 40 MPH
thì cây cầu đã bị dao động quá mức dẫn tới phá hủy cầu, điều này là do thời đó các
hiện tượng đàn hồi khí động còn chưa được chú trọng nghiên cứu nên các kỹ sư đã
không tính hết được ảnh hưởng của gió tác động lên cầu.
16

Chương 1: Lý thuyết về khí động và sự rung động của phương tiện trong quá trình vận hành

Hình 7: Vụ sập cầu Tacoma

Khi gió tác động lên kết cấu thì sẽ làm cho kết cấu bị rung động và ở một tốc độ gió
nào đó thì rung động này sẽ có tần số trùng với tần số của dao động riêng của kết
cấu, khi đó kết cấu sẽ xảy ra hiện tượng dao động điều hòa và biên độ dao động sẽ
tăng mạnh và gây ra sự phá hủy kết cấu. Do đó việc tính toán dự đoán trước về hiện
tượng đàn hồi khí động đối với nghành xây dựng và hàng không trở thành một
nhiệm vụ quan trọng trong quá trình tính toán thiết kế. Các hiện tượng đàn hồi khí
động thường gặp : khi xảy ra hiện tượng đàn hồi khí động thì sẽ gây nên rất nhiều
tác động làm thay đổi các đặc tính của máy bay như : thay đổi phân bố lực nâng do
biến dạng, xoắn phá hủy cánh, giảm hiệu quả điều khiển, đảo chiều tác dụng của
cánh lái, hiện tượng flutter, hiện tượng Bafting, hiện tượng phản ứng động lực.
Tam giác đàn hồi khí động COLLAR (1946) :

17