Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học dao động ô tô bus

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------

PHẠM DUY HẢO

XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐỘNG LỰC
HỌC DAO ĐỘNG Ô TÔ BUS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRỊNH MINH HOÀNG

Hà Nội - 2018


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Phạm Duy Hảo
Đề tài luận văn: Xây dựng mơ hình mô phỏng động lực học dao động
ô tô bus
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số SV: CA170217
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 27/10/2018 với các nội dung sau:

- Không phải sửa chữa.
Ngày 11 tháng 7 năm 2018
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Trịnh Minh Hoàng

Phạm Duy Hảo

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan


MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ ii
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... v
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 4
1.1. Dao động của ô tô và hệ thống treo trên ô tô ......................................... 4
1.1.1. Tổng quan về dao động của ô tô ...................................................... 4
1.1.2. Hệ thống treo trên ô tô ..................................................................... 5
1.2. Chỉ tiêu đánh giá dao động ..................................................................... 6
1.3. Mơ hình nghiên cứu dao động .............................................................. 10
1.4. Các hàm kích động ............................................................................... 12
1.5. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu đề tài ........................................ 13
1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................... 13

1.5.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................... 13
1.6. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 13
1.7. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 14
1.8. Kết luận chương 1 ................................................................................ 14
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC DAO ĐỘNG ..... 16
XE BUS ........................................................................................................... 16
2.1. Phương pháp xây dựng mơ hình........................................................... 16
2.2. Phân tích cấu trúc ô tô và các giả thiết ................................................. 16
2.3. Xây dựng hệ phương trình vi phân mơ tả dao động xe ........................ 19
2.3.1. Phương trình vi phân mơ tả chuyển động của các vật ................... 19
2.3.2. Nội lực hệ thống treo ..................................................................... 21
2.3.3. Phản lực thẳng đứng từ đường tác động lên bánh xe ................... 22


2.3.4. Hệ phương trình vi phân tổng quát ............................................... 23
2.4. Mơ phỏng hàm kích động mặt đường ngẫu nhiên theo Tiêu chuẩn
ISO 8608:1995 ............................................................................ 23
2.5. Kết luận chương 2 ................................................................................ 24
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG XE BUS BẰNG MATLAB
SIMULINK ..................................................................................................... 26
3.1. Khái quát chung về Matlab và Simulink .............................................. 26
3.1.1. Matlab ............................................................................................ 26
3.1.2. Simulink ......................................................................................... 27
3.1.2.1. Đặc điểm của Simulink............................................................ 27
3.1.2.2. Cấu trúc của một sơ đồ Simulink ............................................ 27
3.1.2.3. Trình tự thực hiện q trình mơ phỏng.................................... 30
3.2. Mô phỏng dao động xe bus bằng Matlab Simulink ............................. 31
3.2.1. Sơ đồ thuật tốn của chương trình mơ phỏng Simulink ................ 31
3.2.2. Sơ đồ tổng thể mơ hình dao động ô tô ........................................... 32
3.2.3. Sơ đồ các khối chức năng mô phỏng động lực học dao động ô tô

Bus .................................................................................................... 33
3.2.3.1. Khối thân xe............................................................................. 33
3.2.3.2. Khối cầu trước ........................................................................ 34
3.2.3.3. Khối cầu sau ............................................................................ 35
2.3.3.4. Khối mặt đường ..................................................................... 35
3.2.3.5. Khối xác định các phản lực liên kết ........................................ 36
3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................ 37
CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DAO ĐỘNG
CỦA XE BUS DƯỚI KÍCH ĐỘNG CỦA MẤP MƠ MẶT ĐƯỜNG THEO
TIÊU CHUẨN ISO ......................................................................................... 38


4.1. Chỉ tiêu đánh giá dao động ................................................................... 38
4.2. Thông số kỹ thuật của xe Bus .............................................................. 39
4.3. Đánh giá dao động của xe bus dưới kích động của mấp mô mặt
đường theo tiêu chuẩn ISO ......................................................... 41
4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến dao động của xe
bus ............................................................................................... 49
4.4.1. Ảnh hưởng của độ cứng treo sau C2 .............................................. 49
4.4.2. Ảnh hưởng của hệ số cản K2 .......................................................... 54
4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................ 58
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 60


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Những nội dung
được trình bày trong luận văn do chính tơi thực hiện với sự hướng dẫn khoa
học của thầy giáo TS. Trịnh Minh Hoàng, cùng các thầy giáo trong Bộ mơn Ơ
tơ - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nội dung trong luận văn hoàn toàn

phù hợp với nội dung đã được đăng ký và phê duyệt của Hiệu trưởng Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội. Các dữ liệu, số liệu, kết quả trong luận văn là
trung thực.

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2018
Tác giả

Phạm Duy Hảo


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

g

Gia tốc trọng trường

f

Hệ số cản lăn

v

Vận tốc chuyển động của xe

rt

Bán kính tĩnh bánh xe

C1

Độ cứng hệ thống treo trước

N/m

C2

Độ cứng hệ thống treo sau

N/m

K1

Hệ số cản giảm chấn trước

N.s/m

K2

Hệ số cản giảm chấn sau

N.s/m

CL1

Độ cứng hướng kính lốp trước

N/m

CL2

Độ cứng hướng kính lốp sau

N/m

mA1

Khối lượng không được treo trước

kg

mA2

Khối lượng không được treo sau

kg

Khối lượng toàn bộ xe đầy tải

kg

Mc1

Khối lượng toàn bộ phân cho cầu trước

kg

Mc2

Khối lượng toàn bộ phân cho cầu sau

kg

LW

Chiều dài toàn bộ của xe

m

BW

Chiều rộng toàn bộ của xe

m

HW

Chiều cao tồn bộ của xe

m

L

Chiều dài cơ sở

m

r1

Bán kính động bánh xe trước

m

M

m/s2

km/h
m


r2

Bán kính động bánh xe sau

Jy

Mơ men qn tính khối lượng của thân xe quanh trục
ngang y

kg.m2

Jz

Mơ men qn tính khối lượng của thân xe quanh trục

thẳng đứng z

kg.m2

y

Góc lắc dọc của thân xe quanh trục y

rad

z

Chuyển vị theo phương thẳng đứng của khối lượng
được treo

m

A1, A2

Chuyển vị của khối lượng không được treo cầu 1, 2

m

Lực tác dụng lên bánh xe thứ i theo phương thẳng
đứng

N

Tải trọng tĩnh ứng với bánh xe thứ i

N

FCi

Lực đàn hồi hệ thống treo gần bánh xe thứ i

N

FKi

Lực cản giảm chấn hệ thống treo gần bánh xe thứ i

N

FCLi

Lực đàn hồi lốp bánh xe thứ i

N

h

Chiều cao mấp mô

m

t

Thời gian

s

Fzd

Tải trọng động thẳng đứng xác định tại bánh xe

N

kd

Hệ số tải trọng động

Fzi

FGi, Fz,sti

m


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Sources.................... 28
của Matlab Simulink ....................................................................................... 28
Bảng 3.2. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Sinks ....................... 28
Bảng 3.3. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Continuous .............. 28
Bảng 3.4. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Signal & System ..... 29
Bảng 3.5. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Math ........................ 29
Bảng 3.6. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Funtion & Tables .... 29
Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật xe THACO BUS HB120-SL ............................ 39
Bảng 4.2. Thơng số sử dụng trong tính tốn mơ phỏng động lực học ........... 40

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mơ hình 1/4 ..................................................................................... 10
Hình 1.2. Mơ hình 1/2 ..................................................................................... 11
Hình 1.2. Mơ hình khơng gian xe bus............................................................. 12
Hình 2.1. Mơ hình 1/2 theo phương dọc của xe bus ....................................... 18
Hình 2.2 Mơ hình các lực tác động trong mặt phẳng dọc............................... 20
Hình 2.3: Nội lực hệ thống treo ...................................................................... 21
Hình 2.5: Mấp mơ mặt đường theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 ..................... 24
Hình 3.1: Sơ đồ thuật tốn của chương trình .................................................. 31
Hình 3.2: Sơ đồ tổng thể mơ hình dao động của xe bus. ................................ 33
Hình 3.3: Sơ đồ mơ phỏng khối "THAN XE" ................................................ 34
Hình 3.4: Sơ đồ mơ phỏng khối "CAU 1" ...................................................... 34
Hình 3.5: Sơ đồ mơ phỏng khối cầu sau ......................................................... 35
Hình 3.6: Sơ đồ mơ phỏng khối mặt đường ................................................... 35
Hình 3.7: Sơ đồ mơ phỏng khối "CAC LUC 1" ............................................. 36
Hình 3.8: Sơ đồ mơ phỏng khối tính tốn các phản lực ................................. 37
Hình 4.1: Mấp mơ mặt đường D-E theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 .............. 42
Hình 4.2: Chuyển vị thẳng đứng(z) của trọng tâm thân xe (v = 40 km/h,
đường D-E) ........................................................................................... 42
Hình 4.3. Gia tốc thẳng đứng ( z ) của trọng tâm thân xe (v = 40 km/h,
đường D-E) ........................................................................................... 43
Hình 4.4: Góc lắc dọc thân xe (y) (v = 40 km/h, đường D-E) ...................... 43
Hình 4.5: Chuyển vị thẳng đứng (A1) của trọng tâm cầu trước (v = 40
km/h, đường D-E) ................................................................................. 44
Hình 4.6: Chuyển vị thẳng đứng (A2) của trọng tâm cầu sau (v = 40


km/h, đường D-E) ................................................................................. 44
Hình 4.7: Phản lực thẳng đứng từ mặt đường lên bánh xe trước Fz1 (v =

40 km/h, đường D-E) ............................................................................ 45
Hình 4.8: Phản lực thẳng đứng từ mặt đường lên bánh xe sau Fz2 (v = 40
km/h, đường D-E) ................................................................................. 45
Hình 4.9: Gia tốc dao động thẳng đứng cực đại của thân xe khi ô tô đi
trên các loại đường khác nhau (4 loại đường, v = 30 - 80km/h) .......... 46
Hình 4.10: Hệ số tải trọng động cực đại ở cầu trước khi ô tô đi trên các
loại đường khác nhau (4 loại đường, v = 30 - 80km/h) ........................ 47
Hình 4.11: Hệ số tải trọng động cực đại ở cầu sau khi ô tô đi trên các loại
đường khác nhau (4 loại đường, v = 30 - 80km/h) ............................... 47
Hình 4.12: Hệ số tải trọng động cực tiểu ở cầu trước ô tô đi trên các loại
đường khác nhau (4 loại đường, v = 30 - 80km/h) ............................... 48
Hình 4.13: Hệ số tải trọng động cực tiểu ở cầu sau ô tô đi trên các loại
đường khác nhau (4 loại đường, v = 30 - 80km/h) ............................... 49
Hình 4.14: Gia tốc dao động thẳng đứng cực đại của thân xe khi thay đổi
độ cứng C2 của hệ thống treo sau (đường E-F, v = 30 - 80km/h)......... 50
Hình 4.15: Hệ số tải trọng động cực đại của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu trước khi thay đổi độ cứng C2 của hệ thống treo sau
(đường E-F, v = 30 - 80km/h) ............................................................... 51
Hình 4.16: Hệ số tải trọng động cực đại của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu sau khi thay đổi độ cứng C2 của hệ thống treo sau
(đường E-F, v = 30 - 80km/h) ............................................................... 51
Hình 4.17: Hệ số tải trọng động cực tiểu của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu trước khi thay đổi độ cứng C2 của hệ thống treo sau
(đường E-F, v = 30 - 80km/h) ............................................................... 52
Hình 4.18: Hệ số tải trọng động cực tiểu của phản lực thẳng đứng từ mặt


đường ở cầu sau khi thay đổi độ cứng C2 của hệ thống treo sau
(đường E-F, v = 30 - 80km/h) ............................................................... 53
Hình 4.19: Gia tốc dao động thẳng đứng cực đại của thân xe khi thay đổi

hệ số cản K2 của hệ thống treo sau (đường E-F, v = 30 - 80km/h) ...... 54
Hình 4.20: Hệ số tải trọng động cực đại của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu trước khi thay đổi hệ số cản giảm chấn K2 của hệ
thống treo sau (đường E-F, v = 30 - 80km/h) ...................................... 55
Hình 4.21: Hệ số tải trọng động cực đại của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu sau khi thay đổi hệ số cản giảm chấn K2 của hệ thống
treo sau (đường E-F, v = 30 - 80km/h) ................................................ 56
Hình 4.22: Hệ số tải trọng động cực đại của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu trước khi thay đổi hệ số cản giảm chấn K2 của hệ
thống treo sau (đường E-F, v = 30 - 80km/h) ...................................... 57
Hình 4.23: Hệ số tải trọng động cực đại của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu sau khi thay đổi hệ số cản giảm chấn K2 của hệ thống
treo sau (đường E-F, v = 30 - 80km/h) ................................................ 57


LỜI NÓI ĐẦU
Từ khi ra đời cho đến nay, ngành cơng nghiệp ơ tơ trong nước đã có những
bước phát triển không ngừng, ngày càng bắt nhịp với sự phát triển của các nước
trong khu vực và trên thế giới. Trong đó sản xuất ơ tơ trong lĩnh vực vận tải nói
chung và vận tải hành khách nói riêng cũng rất được chính phủ quan tâm đầu tư phát
triển. Ngành sản xuất ô tô đang từng bước trở thành mũi nhọn của nền kinh tế.
Các nước trên thế giới hiện nay, đặc biệt là các nước có nền khoa học kỹ thuật
phát triển thì việc sản xuất ơ tơ ngày càng hiện đại và hoàn thiện, đã đạt được những
thành tựu vượt bậc, ô tô trở thành phương tiện vận chuyển phổ biến về hành khách
và hàng hoá cho nền kinh tế của đất nước. Đối với quốc gia Việt Nam, số ô tô cũng
đang gia tăng nhiều về số lượng cũng như chất lượng theo đà tăng trưởng và phát
triển của nền kinh tế. Do đó để đáp ứng với lưu lượng giao thông của số lượng xe ô
tô khơng ngừng tăng lên, thì mạng lưới đường xá giao thông ngày càng được nâng
cấp và mở rộng. Với sự gia tăng về số lượng ơ tơ nói chung và ơ tơ vận tải hành
khách nói riêng, thì yếu tố an tồn cho phương tiện tham gia giao thơng là vấn đề rất

được quan tâm cho những nhà sản xuất ô tô.
Ô tô chuyển động trên đường khi tham gia giao thông thường phát sinh dao
động. Những dao động này sẽ ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ của xe, hàng hóa, người
lái và hành khách trên xe. Những nghiên cứu dao động của xe ô tô cho thấy sự tác
động của nó ảnh hưởng rất nhiều đến sức khoẻ con người như bệnh về thần kinh và
não bộ. Nếu dao động của xe nằm ngoài phạm vi cho phép sẽ ảnh hưởng rất lớn đến
tâm lý, trạng thái xấu cho người lái xe, từ đó có thể dẫn đến những nguy hiểm khi
tham gia giao thông
Dao động của ô tô không những phụ thuộc vào kết cấu của ô tô mà còn phụ
thuộc vào điều kiện đường xá, đặc trưng từng loại mặt đường bằng phẳng hay mấp
mô. Trong quá trình ơ tơ chuyển động, yếu tố kích động chủ yếu đến dao động của
xe là những thay đổi của ghập ghềnh, mấp mô của mặt đường . Đề tài nghiên cứu
khảo sát dao động ơ tơ bus ngồi việc cho phép đánh giá chất lượng dao động, nó
1


còn cho phép nghiên cứu các ảnh hưởng của dao động đến cầu đường giao thông
(thông qua tải trọng động của xe tác dụng đến cầu đường). Tuy nhiên, đối với điều
kiện thực tế của mạng lưới đường xá ở Việt nam thì việc khảo sát các thơng số kỹ
thuật của mặt đường gặp khơng ít khó khăn cả trong thí nghiệm và thực nghiệm.
Trên cơ sở xuất phát từ nhu cầu đó hướng nghiên cứu của đề tài là: "Xây dựng
mơ hình mơ phỏng động lực học dao động ô tô bus". Đây là nghiên cứu lý thuyết
phù hợp với điều kiện còn nhiều thiếu thốn về cơ sở vật chất, trang thiết bị về thí
nghiệm như hiện nay của Việt Nam. Kết quả nghiên cứu của đề tài tạo cơ sở lý
thuyết phục vụ đánh giá chất lượng dao động của xe bus nói riêng và đóng góp cơ sở
khoa học trong q trình hồn thiện thiết kế ô tô nói chung.
Mục tiêu của luận văn:
Xây dựng mô hình khảo sát chất lượng dao động của ơ tơ bus khi đi trên
đường có độ mấp mơ khác nhau theo tiêu chuẩn ISO
Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận văn được lựa chọn là xe bus sản xuất và lắp
ráp tại Việt Nam.
Phạm vi nghiên cứu:
Đánh giá dao động của ô tô bus được sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam trên
cơ sở một số chỉ tiêu đánh giá dao động trong các điều kiện cụ thể khi xe chuyển
động trên đường với một số loại đường tiêu chuẩn.
Nội dung và bố cục của luận văn:
Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm các phần chính sau:
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2. Xây dựng mơ hình động lực học dao động xe bus
- Chương 3. Mô phỏng dao động bus bằng matlab simulink
- Chương 4. Khảo sát và đánh giá chất lượng dao động của xe ơ tơ bus dưới
kích động của mấp mơ mặt đường theo tiêu chuẩn ISO
- Kết luận
Những kết quả đạt được của luận văn:
2


- Xây dựng mơ hình mơ phỏng động lực học của ô tô bus cho phép đánh
giá chất lượng dao động của ô tô.
- Đánh giá chất lượng dao động của ô tô bus khi đi trên các cấp độ mặt
đường khác nhau theo tiêu chuẩn.
- Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và sử dụng đến chất
lượng dao động của ơ tơ từ đó đề xuất một số giải pháp cải tiến kết cấu nhằm
nâng cao chất lượng dao động của ô tô bus.
Ý nghĩa thực tiễn của luận văn:
Khảo sát và đánh giá dao động của xe bus được lắp ráp và sử dụng tại Việt
Nam. Qua đó tạo ra cơ sở để đề xuất cải tiến kỹ thuật nâng cao yếu tố tích cực
của dao động cũng như mức độ ảnh hưởng của xe đến chất lượng dao động.
Luận văn được thực hiện tại Bộ mơn Ơ tơ, Khoa cơ khí - động lực, Trường

Đại học Bách khoa, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Trịnh Minh Hoàng.
Tác giả chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn cùng các thầy cô trong Bộ mơn đã
tận tình hướng dẫn trong suốt q trình thực hiện luận văn cũng như học tập tại
trường.
Mặc dù đã có nhiều nỡ lực, nhưng do trình độ và thời gian nghiên cứu còn
hạn chế nên các vấn đề được trình bày trong luận văn chưa thể đáp ứng được
mọi yêu cầu đề ra.
Tác giả sẽ rất cảm ơn về sự đóng góp, bổ sung để luận văn hồn thiện hơn.
Hà Nội, tháng 10/2018
Học viên
Phạm Duy Hảo

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Dao động của ô tô và hệ thống treo trên ô tô
1.1.1. Tổng quan về dao động của ơ tơ
Ngành ơtơ trên thế giới đã hình thành và phát triển từ rất lâu ngày càng
phát triển theo sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật. Những chiếc ô tô được
sản xuất ngày càng hiện đại và tiện ích trong sử dụng, ơtơ ngày càng chạy nhanh
hơn, số lượng nhiều hơn và được hoàn thiện hơn về độ an toàn cũng như độ êm
dịu. Song song với sự phát triển của nền công nghiệp ô tô đã đưa đến nảy sinh
một số vấn đề xấu trong đời sống xã hội như tai nạn giao thông nhiều hơn,
đường sá bị hư hỏng nghiêm trọng hơn. Chính vì vậy, một trong những nhu cầu
cấp thiết trong nền công nghiệp sản xuất ơ tơ là nghiên cứu để hồn thiện các kết
cấu của ơtơ nhằm nâng cao an tồn trong quá trình chuyển động và giảm ảnh
hưởng xấu của dao động với môi trường.
Nghiên cứu về dao động ôtô nói riêng và về động lực học ơtơ nói chung
được trú trọng thực hiện trong nghiên cứu và sản xuất ô tô. Có thể nói ôtô là liên

kết của hệ nhiều vật, các vật (khối lượng) đó được liên kết với nhau bằng các
phần tử có đặc tính phi tuyến phức tạp, ví dụ như đặc tính giảm chấn, đặc tính
đàn hồi, sự va chạm của bánh xe.
Đã có rất nhiều tác giả, rất nhiều các nhà khoa học đã dày công nghiên cứu
về những vấn đề dao động của ô tô. Một trong những tác giả nổi tiếng là
Mitschke với cuốn sách nổi tiếng “Dynamik der Fahrzeuge” ra đời vào những
năm 1970 (của thể kỷ 20) viết về dao động ô tô. Trong cuốn sách tác giả đã nêu
lên hầu hết các loại mơ hình dao động cơ bản với đối tượng là các xe con. Tuy
nhiên tác phẩm đã khơng đề cập các yếu tố phi tuyến. Cịn về phương pháp tiếp
cận và tính tốn trên cơ sở là cơ học cổ điển.
Nghiên cứu dao động có thể khái quát thấy trên 4 lĩnh vực sau:
+ Chỉ tiêu đánh giá dao động
+ Mơ hình dao động
4


+ Các hàm kích động, bao gồm mơ hình vật lý và mơ hình tốn học
+ Thí nghiệm dao động
Nghiên cứu dao động ơ tơ sẽ giúp ích rất nhiều cho việc nghiên cứu nâng
cao chất lượng của xe cũng, đảm bảo an tồn hơn cho người và hàng hóa trên
xe, đồng thời giảm sự tác động xấu của xe đến độ bền của cầu, đường trong quá
trình sử dụng thực tế khi xe chạy trên đường.

1.1.2. Hệ thống treo trên ô tô
Trên ô tô, hệ thống treo là hệ thống đỡ toàn bộ khối lượng thân xe và được
tỳ trên các cầu hoặc bánh xe. Một mơ hình xe đầy đủ thường có các khối lượng:
khối lượng được treo (thân xe); các khối lượng không được treo (cầu xe và các
bánh xe ). Hệ thống treo là liên kết giữa khối lượng không được treo và khối
lượng được treo. Hệ thống treo đặc trưng bởi độ cản giảm chấn và độ cứng của
hệ đàn hồi. Liên kết giữa khối lượng không được treo với đường là bánh xe (lốp

xe). Xét về mặt dao động, thân xe có ba hệ toạ độ suy rộng có ý nghĩa là chuyển
động theo phương thẳng đứng, chuyển động lắc dọc, chuyển động lắc ngang.
Khi bánh xe chuyển động là chuyển động theo phương thẳng đứng. Trên cơ sở
đó thì người ta có thể đưa ra mơ hình dao động của xe. Ngày nay thì có nhiều
quan điểm khác hơn so với cổ điển về nghiên cứu, dánh giá hệ thống treo một
cách toàn diện. Các nhà khoa học đã nêu lên 4 mục tiêu của hệ thống treo như
sau:
1. Cách ly ảnh hưởng của mặt đường đối với thân xe với mục tiêu nâng cao
độ êm dịu.
Độ êm dịu được xác định bởi gia tốc theo phương thẳng đứng của thân xe,
xác định tại các vị trí của người ngồi. Như vậy mục tiêu này cần đạt được khi
gia tốc theo phương tẳng đứng thân xe đạt cực tiểu.
2. Bảo đảm điều kiện bám với đường
Khả năng bám đường là thông số quan trọng quyết định đến khả năng
truyền lực dọc và khả năng truyền lực ngang của bánh xe. Khi dao động thì áp
5


lực giữa bánh xe và đường thay đổi do đó khả năng truyền lực dọc và ngang ở
bánh xe cũng thay đổi. Sự thay đổi đó khác nhau ở các bánh xe và không đồng
pha. Hệ thống treo phải được thiết kế sao cho phản lực này không được giảm
nhiều so với tải trọng tĩnh. Thông số để đánh giá mục tiêu này là chuyển vị
tương đối giữa cầu xe với mặt đường; tức là sự biến dạng hướng kính của lốp.
3. Hệ thống treo phải thiết kế sao cho ít xảy ra va đập cứng giữa thân xe và
bánh xe, ngồi ra cần phải hạn chế góc lắc dọc, góc lắc ngang là các yếu tố gây
ra sự thay đổi không đồng đều các phản lực ở các bánh xe. Những sự thay đổi đó
làm thay đổi các lực bám dọc và lực bám ngang dẫn đến làm thay đổi quỹ đạo
không mong muốn của ôtô. Đối với các xe truyền thống thì vấn đề êm dịu là
mục tiêu số một, nhưng đối với các xe cao tốc, khi phanh và khi tăng tốc lực
truyền ở các bánh xe thường đạt ở giá trị cận vật lý. Vì vậy mục tiêu số một của

hệ thống treo này là bảo đảm ổn định chuyển động ôtô.
4. Hệ thống treo phải bảo đảm không gian làm việc nhỏ
Hệ thống treo phải đỡ toàn bộ khối lượng được treo, nếu chọn độ võng tĩnh
quá lớn thì dẫn đến độ võng động cũng lớn làm cho khơng gian treo lớn, đây là
bài tốn cần chọn độ võng tĩnh phù hợp.
1.2. Chỉ tiêu đánh giá dao động
Đánh giá ảnh hưởng của dao động của xe có tính lịch sử và kế thừa. Trước
đây, người ta đánh giá ảnh hưởng của dao động ôtô theo 2 chỉ tiêu là độ êm dịu
và tải trọng động, tượng trưng cho sự ảnh hưởng đến tuổi thọ chi tiết.
Ngày nay, do nhận thức mới về ảnh hưởng của dao động, các chỉ tiêu được
xác lập theo chỉ tiêu mới đó là: Chỉ tiêu về độ êm dịu; chỉ tiêu về tải trọng động;
chỉ tiêu về không gian bố trí hệ treo.
1.2.1. Chỉ tiêu về độ êm dịu
Chỉ tiêu về độ êm dịu được đánh giá bởi chỉ tiêu đối với hành khách và chỉ
tiêu đối với hàng hóa khi chuyên chở trên xe.
6


Độ êm dịu khi xe chuyển động là chỉ sự cảm nhận chủ quan của người ngồi
trên xe về dao động của xe. Ngưỡng chủ quan của độ êm dịu là cảm giác của
nhiều nhóm người khác nhau trong đó có đơng đảo các nhà khoa học trong
ngành cơ kỹ thuật, y tế, bảo hiểm lao động, kỹ thuật chống rung, chống ồn được
trắc nghiệm nhận định. Các nhà khoa học chỉ ra rằng, dao động có ảnh hưởng
xấu đến người và hàng hoá, đặc biệt làm giảm khả năng điều khiển của lái xe.
Để đánh giá chỉ tiêu về độ êm dịu cho hành khách có Tiêu chuẩn quốc gia
VDI - 2537 của Hiệp hội kỹ sư Đức VDI và tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997 [7]
được Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế chấp nhận. Độ êm dịu chuyển động được đặc
chưng bởi rất nhiều thông số vật lý cũng như là cảm giác của con người . Trong
thực tiễn, người ta đưa ra khái nệm cường độ dao động KB và được thể hiện trên
một số các trị số sau:

+ KB = 20 giới hạn êm dịu
+ KB = 50 giới hạn điều khiển
+ KB = 125 giới hạn gây bệnh lý
- Chỉ tiêu về an tồn hàng hố:
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của dao động với đường và trên cơ sở chỉ tiêu về
an tồn hàng hố mà Hiệp hội đóng gói Đức BFSV nêu ra. Trên cơ sở đó,
Mitschke đề ra ngưỡng cho an tồn hàng hóa như sau:
+ zmax  3 m / s 2 giới hạn cảnh báo
+ zmax  5 m / s 2 giới hạn can thiệp
Giới hạn cảnh báo, là mức mà (theo Mitschke [8]) tại đó hệ thống treo hoặc
đường xá đã hỏng đến mức phải có kế hoạch tu bổ, sửa chữa.
Giới hạn can thiệp, là mức mà (theo Mitschke) tại đó đường đã hỏng nặng,
cần phải sửa chữa ngay.
1.2.2. Chỉ tiêu về tải trọng động
Chỉ tiêu về tải trọng động được đánh giá theo chỉ tiêu về độ bền chi tiết; chỉ
tiêu về mức độ phá đường và chỉ tiêu về an toàn động lực học.
7


Chỉ tiêu tải trọng động được đặc trưng bởi tải trọng động của cầu xe, nhiều
mơ hình khơng xác định được yếu tố này. Để xác định được chỉ tiêu tải trọng
động trong mơ hình, chúng ta phải xác định được phản lực từ đường lên bánh
xe.
Tải trọng động được tính theo cơng thức Fz max  G0 .kd .
Trong đó:
- Tải trọng động cực đại ( Fzd ,max ) làm giảm tuổi thọ chi tiết, gây tổn hại cho
đường.
- Hệ số tải trọng động kd max đánh giá mức độ ảnh hưởng đến chi tiết,
- Hệ số áp lực đường w đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động với
đường.

a. Chỉ tiêu về độ bền chi tiết.
Hệ số tải trọng động cực đại được xác định như sau:
kd max 

max( Fz ,d )
Fz , st

 2,5

(1.1)

Trong đó:
kd ,max : hệ số tải trọng động cực đại
Fz ,d : phản lực động từ mặt đường tác động lên bánh xe

FZ , st : phản lực tĩnh từ mặt đường tác động lên bánh xe

b. Chỉ tiêu về mức độ thân thiện với đường.
Thực tế trên thế giới và cũng như ở Việt Nam ngành công nghiệp ô tô phát
triển rất mạnh, ơtơ ngày càng có tải trọng lớn, mạng lưới đường xá, cầu cầu
cống giao thông cũng phát triển tỉ lệ thuận với sự phát triển ngành công nghiệp ô
tô, có nghĩa là hệ thống cầu đường giao thông Việt Nam được nâng cấp, củng cố
tiệm cận với tiêu chuẩn Quốc tế. Các nhà khoa học của Anh, Mỹ và một số nước
phát triển đã nêu vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của dao động ôtô đối với cầu và
đường giao thơng khá tồn diện. Người ta thấy rằng mức độ ảnh hưởng của dao
động ôtô đến cầu và đường tỷ lệ với số mũ bậc 4 của áp lực bánh xe với đường.
8


Những nhà khoa học đã đưa ra khái niệm Road strees Coeficient, tạm gọi là hệ

số áp lực đường w, là hệ số có thể đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động ôtô
đối với cầu và đường [3].
Theo các nhà nghiên cứu, công thức xác định hệ số áp lực đường w như
sau:
w  1  6 2  4 4

trong đó  j 

(1.2)
max( FCL,d )

(1.3)

Fz , st

với FCL,d: phản lực động từ mặt đường tác động lên bánh xe.
Khi xe có i bánh xe thì áp lực toàn xe là:
i

W

 w(i) F

z , st

(i )

(1.4)

1

i

F

z , st

(i )

1

c. Chỉ tiêu về an toàn động lực học
Giới hạn trong q trình chuyển động ơtơ (khả năng truyền lực khi tăng tốc
và phanh, giữ ổn định quỹ đạo chuyển động) là phụ thuộc vào mức độ tăng giảm
tải trọng động của bánh xe xuống đường. Để chỉ ra sự giảm khả năng truyền lực
bánh xe đối với đường, người ta đã tách ra định nghĩa hệ số tải trọng động cực
tiểu, kí hiệu là kd ,min và được tính bằng cơng thức sau
kd min 

min( Fz ,d )

(1.5)

Fz ,st

kd ,min  0,5 : giới hạn cảnh báo
kd ,min  0 : giới hạn can thiệp

1.2.3. Chỉ tiêu về khơng gian bố trí hệ thống treo
Để chỉ ra khả năng chọn độ võng tĩnh và độ võng động cũng như việc xác

lập vị trí đặt vấu hạn chế hành trình treo đó là chỉ tiêu về khơng gian bố trí hệ
thống treo.
9


f dt  y  max(  z )  f dn

(1.6)

Trong đó:
(  z ) : chuyển vị tương đối của khối lượng không được treo và khối lượng

được treo.
f dn : độ võng động hành trình nén hệ thống treo, vị trí đặt vấu hạn chế hành

trình nén.
f dt : độ võng động hành trình trả hệ thống treo; vị trí đặt vấu hành trình trả.

1.3. Mơ hình nghiên cứu dao động
Trong nghiên cứu dao động của ô tơ có rất nhiều mơ hình dao động của
nhiều tác giả khác nhau, tùy thuộc vào mục tiêu nghiên cứu. Trong phần tổng
quan này, tôi chỉ đưa ra 3 loại mơ hình đặc trưng với mục đích có một cách nhìn
tổng quan về phương pháp xây dựng mơ hình [3].

1.3.1. Mơ hình 1/4

x
v
m
Z

K

C

K

C

JA,mA


M
CL



M

CL
Fx

Fx
h

h

Hình 1.1. Mơ hình 1/4
10

Mơ hình này bao gồm hai khối lượng được treo M và không được treo mA.
Các phần tử đàn hồi C, giảm chấn K, cản ma sát R đặc trưng cho hệ thống treo,
là cơ cấu liên kết giữa khối lượng được treo và khối lượng khơng được treo.
Mơ hình 1/4 được dùng để chọn tối ưu các thông số như khối lượng không
được treo mA, độ cứng C, độ cứng lốp và hệ số cản K theo các chỉ tiêu được nêu
trên.

1.3.2. Mơ hình 1/2
Mơ hình này có một khối lượng được treo và hai khối lượng không được
treo với các thông số là (m, Jx) và (mA, JAx), liên kết qua hệ treo với các phần tử
là C, K. Lốp là phần tử đàn hồi theo cả hai phương là y và z. Ngoại lực F1 theo
phương ngang và F2 theo phương z.
a

b
x
m2

m1

z2

z
C2

C1

K2

mA2

2

CL2

z1



K1

mA1

2

rd2

1

1

CL1

h2

rd1

h1

Hình 1.2. Mơ hình 1/2
Mơ hình này hiệu quả với bài tốn bố trí chung, và là mơ hình đơn giản khi
nghiên cứu về đường và phân bố tải khi phanh. Phần phân tích cụ thể áp dụng
của mơ hình này cho xe ơ tơ bus sẽ được trình bày cụ thể hơn ở chương 2.

11


1.3.3. Mơ hình khơng gian
Đây là mơ hình tổng thể của xe bao gồm một khối lượng được treo và các
khối lượng không được treo (hai hoặc bốn khối lượng). Khối lượng được treo
coi như một tấm phẳng cứng tuyệt đối. Đây là mơ hình khơng gian tương đối
đầy đủ, cho phép mơ tả các yếu tố phi tuyến hình học và vật lý lớn.

Động cơ

Động cơ

Lái xe

Các đăng

Hình 1.2. Mơ hình khơng gian xe bus

1.4. Các hàm kích động
Các yếu tố gây ra dao động cho ôtô như: Nội lực của động cơ ô tô; các
ngoại lực xuất hiện trong quá trình sử dụng (như tăng tốc, phanh, quay vơ lăng);
yếu tố ngoại cảnh (gió); yếu tố tác động của đường xá (đường mấp mô, đường
nghiêng). Đến nay yếu tố đường mấp mô vẫn được coi là nguồn chủ đạo gây dao
động.

12


1.5. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu đề tài
1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu đặt ra của nội dung nghiên cứu là xây dựng mơ hình khảo sát chất
lượng dao động của ô tô bus khi đi trên đường có độ mấp mơ khác nhau theo
tiêu ch̉n ISO.
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lập mơ hình tốn học và mơ
phỏng dao động để khảo sát chất lượng dao động của xe tác động lên mặt đường
khi xe đi trên đường có cấp độ mấp mơ khác nhau.
Mơ hình dao động của xe tác động lên mặt đường khi xe đi trên đường có
độ mấp mô khác nhau là một hệ nhiều vật. Việc lập mơ hình dựa vào phương
pháp tách cấu trúc, cho phép gộp cụm các phần tử trong cơ hệ, dễ dàng thay đổi
cấu trúc và đặc tính cụm, dễ thực hiện và phù hợp với tư duy mơ phỏng trên máy
tính. Phương pháp giải hệ phương trình vi phân trong luận văn là sử dụng phần
mềm Matlab - Simulink để mô phỏng hệ thống.
Mục tiêu của nghiên cứu này là kế thừa những yếu tố lập mơ hình của các
tác giả trong nước và nước ngồi trong việc xây dựng mơ hình dao động của xe
tác động lên mặt đường khi xe đi trên đường với nhiều cấp độ khác nhau theo
tiêu chuẩn ISO. Sử dụng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật và mơ phỏng
máy tính, nhằm hồn thiện mơ hình dao động của xe khi đi trên đường, mơ tả
chính xác hơn dao động và lực động tác động lên mặt đường. Bên cạnh đó thực
hiện một số khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và sử dụng trong
quá trình hoạt động của hệ thống.

1.6. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận văn là khảo sát và đánh giá dao động của ô tô
bus khi chuyển động trên đường với mấp mô ngẫu nhiên, bỏ qua các thành phần

lực dọc và lực ngang do biến dạng của lốp.
13