Lập mô hình và mô phỏng dao động ô tô bằng mô hình 14 nghiên cứu ảnh hưởng của mặt đường với hệ thống treo khí nén

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHAN VĂN PHÚ

LẬP MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG DAO ĐỘNG
Ơ TƠ BẰNG MƠ HÌNH 1/4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA
MẶT ĐƯỜNG VỚI HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN

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

Hà Nội – Năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHAN VĂN PHÚ

LẬP MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG DAO ĐỘNG
Ơ TƠ BẰNG MƠ HÌNH 1/4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA
MẶT ĐƯỜNG VỚI HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN
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

PGS.TS. VÕ VĂN HƯỜNG

Hà Nội – Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Phan văn phú
Sinh ngày: 23 tháng 09 năm 1987
Học viên cao học lớp 15BKTOTO khoá 2015B - Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội.
Hiện đang công tác tại: Cơng ty cổ phần Cảng Hải Phịng
Tơi xin cam đoan luận văn với đề tài : “ Lập mơ hình và mơ phỏng dao động
ơ tơ bằng mơ hình 1/4 nghiên cứu ảnh hưởng của mặt đường với hệ thống treo khí
nén ” do thầy giáo PGS.TS. Võ Văn Hường hướng dẫn là cơng trình nghiên cứu
của riêng tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung
trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội
dung của luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2018
Học viên

Phan Văn Phú

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 1
MỤC LỤC ................................................................................................................ 2
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 8
1.1. Ảnh hưởng của dao động ô tô ........................................................................... 8
1.2. Các chỉ tiêu và tiêu chuẩn đánh giá dao động ô tô ............................................ 10
1.2.1. Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô ............................................................... 10
1.2.2. Một số tiêu chuẩn về dao động ôtô ................................................................ 16
1.3. Các kết cấu treo khí phổ biến ............................................................................ 23
1.4. Mục tiêu, phương pháp, nội dung nghiên cứu ................................................. 30
CHƯƠNG 2. LẬP MÔ HÌNH DAO ĐỘNG Ơ TƠ ¼ ............................................. 31
2.1. Mơ hình dao động ¼ tổng quát ......................................................................... 31
2.1.1. Các thành phần mơ hình dao động ................................................................. 31
2.1.2. Các giả thiết xây dựng mơ hình dao động .................................................... 34
2.1.3. Tính các lực liên kết hệ thống treo cơ khí ...................................................... 36
2.1.4. Tính các lực liên kết hệ thống treo khí ........................................................... 38
2.1.5. Mơ hình xác định lực hướng kính lốp ............................................................ 43
2.2. Mơ hình biên dạng mặt đường .......................................................................... 43
2.2.1. Mơ hình mặt đường định nghĩa dạng cosin ................................................... 43
2.2.2. Mơ hình mặt đường dạng ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO8608 ................... 44
2.3. Xây dựng mơ hình mơ phỏng dao động ¼ bằng Matlab Simulink ................... 49
2.3.1. Giới thiệu về phần mềm Matlab Simulink ..................................................... 49
2.3.2. Các khối mơ phỏng mơ hình dao động .......................................................... 50
CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BIÊN DẠNG MẶT ĐƯỜNG ĐẾN
DAO ĐỘNG Ô TÔ BẰNG MÔ HÌNH 1/4 ............................................................. 54
3.1. Thơng số và các phương án khảo sát ................................................................ 54
3.1.1. Thông số khảo sát........................................................................................... 54

2


3.1.2. Các phương án khảo sát ................................................................................. 56

3.2. Khảo sát ảnh hưởng của chiều cao mấp mô cô sin đến dao động ô tô ............. 56
3.3. Ảnh hưởng của các cấp độ đường đến dao động của ô tô................................. 61
3.4. Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc xe đến dao động của ô tô trên đường ngẫu
nhiên ......................................................................................................................... 65
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 73

3


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Mơ hình cơ thể con người như một hệ dao động ..................................... 9
Hình 1.2. Đồ thị đặc trưng mức êm dịu chuyển động của ôtô ................................. 11
Hình 1.3. Mơ hình dao động 1/4 .............................................................................. 16
Hình 1.4. Các giới hạn của gia tốc thẳng đứng trong các khoảng thời gian tác dụng
cho phép theo và hệ trục tọa độ quy định trong ISO 2631....................................... 17
Hình 1.5. Sự phụ thuộc của gia tốc bình phương trung bình theo tần số................. 19
Hình 1.6. Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian ................................................... 19
Hình 1.7. Phân bố độ êm dịu các loại xe................................................................. 20
Hình 1.8. Vùng chỉ dẫn sức khỏe của TCVN 6964 ................................................. 22
Hình 1.9. Hệ thống treo khí với phần tử đàn hồi loại buồng chứa........................... 25
Hình 1.10. Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz ........................... 25
Hình 1.11. Hệ treo khí phụ thuộc cầu chủ động ...................................................... 26
Hình 1.12. Hệ treo khí cầu treo phụ thuộc cầu chủ động ......................................... 26
Hình 1.13. Hệ treo khí cầu dẫn hướng ..................................................................... 27
Hình 1.14. Hệ treo khí cầu dẫn hướng ..................................................................... 27
Hình 1.15. Hệ treo khí phụ thuộc cầu chủ động ...................................................... 27
Hình 1.16. Hệ treo khí 4 túi khí để hạ thấp trọng tâm ............................................. 28
Hình 1.17. Hệ thống treo 4 túi khí có thanh ổn định ngang ..................................... 28

Hình 1.18. Nguyên lý bộ giảm chấn Sky-hook ........................................................ 29
Hình 2.1. Quan hệ tần số dao động riêng phần được treo với độ võng tĩnh ............ 33
Hình 2.2. Mơ hình dao động ¼ ................................................................................ 35
Hình 2.3. Mơ hình khối lượng được treo theo phương thẳng đứng. ........................ 36
Hình 2.4 Mơ hình của khối lượng khơng được treo mA theo phương thẳng đứng: . 36
Hình 2.5. Mơ hình hệ thống treo truyền thống......................................................... 37
Hình 2.6. Đặc tính đàn hồi hệ thống treo truyền thống ............................................ 38
Hình 2.7. Mơ hình lị xo khí nén dơn giản ............................................................... 39
Hình 2.8. Mơ hình Nishimura .................................................................................. 39
Hình 2.9. Mơ hình Vampire ..................................................................................... 40

4


Hình 2.10 Mơ hình Simpac ...................................................................................... 40
Hình 2.12. Mơ hình động lực học treo khí ............................................................... 42
Hình 2.13. Mơ hình hóa treo khí nén ....................................................................... 42
Hình 2.14 Sơ đồ đặc tính hướng kính lốp ............................................................... 43
Hình 2.15. Mấp mơ mặt đường dạng cosin .............................................................. 44
Hình 2.16. Các thể hiện trong miền thời gian khác nhau của tín hiệu ngẫu nhiên .. 45
Hình 2.17. Định nghĩa mật độ phổ ........................................................................... 46
Hình 2.18. Phân chia phổ cơng suất ......................................................................... 46
Hình 2.19. Sơ đồ Simulink mơ tả mơ hình dao động 1/4........................................ 50
Hình .2.20. Sơ đồ Simulink mô tả dao động của thân xe ......................................... 51
Hình 2.21. Sơ đồ Simulink mơ tả hệ thống treo khí nén .......................................... 51
Hình .2.22. Sơ đồ Simulink mơ tả chuyển động của khí nén ................................... 52
Hình .2.23. Sơ đồ Simulink mô tả dao động của khối lượng khơng được treo ....... 52
Hình .2.24. Sơ đồ Simulink mơ tả biên dạng mặt đường dạng cơ sin ..................... 53
Hình 3.1. Đặc tính tải tĩnh lị xo khí nén cầu sau ..................................................... 55
Hình 3.2. Dạng mấp mơ cơ sin với chiều dài L=0,5m ............................................. 56

Hình 3.3. Gia tốc thân xe khi đi qua mấp mơ hmax=0,05m ...................................... 57
Hình 3.4. Tải trọng thẳng đứng tại bánh xe khi đi qua mấp mơ hmax=0,05m .......... 57
Hình 3.5. Đồ thị lực đàn hồi tại điểm treo khi xe đi qua mấp mô hmax=0,05m........ 57
Hình 3.6. Đồ thị lực cản giảm chấn tại điểm treo khi xe đi qua mấp mơ hmax=0,05m 58
Hình 3.7. Đồ thị Δz khi xe đi qua mấp mô hmax=0,05m .......................................... 58
Hình 3.8. Đồ thị gia tốc thân xe của mơ hình ¼ treo khí khi đi trên các mấp mơ khác
nhau .......................................................................................................................... 59
Hình 3.9. Đồ thị tải trọng thẳng đứng của mơ hình ¼ treo khí khi đi trên các mấp
mơ khác nhau ........................................................................................................... 59
Hình 3.10. Đồ thị đặc tính gia tốc thẳng đứng của mơ hình ¼ khi đi trên các mấp
mơ khác nhau ........................................................................................................... 60
Hình 3.12. Đồ thị 6 loại đường từ A đến F xây dựng theo ISO8608 ....................... 61
Hình 3.13. Gia tốc thân xe khi chuyển động trên đường loại A .............................. 62

5


Hình 3.14. Tải trọng thẳng đứng khi chuyển động trên đường loại A ..................... 62
Hình 3.15. Gia tốc thẳng đứng khi chuyển động trên đường loại D ........................ 63
Hình 3.16. Tải trọng thẳng đứng khi chuyển động trên đường loại D ..................... 63
Hình 3.17. Đồ thị đặc tính gia tốc thẳng đứng của mơ hình ¼ khi đi trên các loại
đường ngẫu nhiên ..................................................................................................... 64
Hình 3.18. Đồ thị đặc tính tải trọng thẳng đứng của mơ hình ¼ khi đi trên các loại
đường ngẫu nhiên ..................................................................................................... 65
Hình 3.19. Đầu vào biên dạng mặt đường ngẫu nhiên loại D theo ISO8608 ở các
vận tốc khác nhau ..................................................................................................... 66
Hình 3.20. Đồ thị gia tốc thẳng đứng của thân xe ở vận tốc 30km/h ...................... 66
Hình 3.21. Đồ thị gia tốc thẳng đứng của thân xe ở vận tốc 80km/h ...................... 67
Hình 3.22. Đồ thị tải trọng thẳng đứng của thân xe ở vận tốc 30km/h .................... 67
Hình 3.23. Đồ thị tải trọng thẳng đứng của thân xe ở vận tốc 80km/h .................... 68

Hình 3.24. Đồ thị đặc tính gia tốc thẳng đứng của mơ hình ¼ khi đi trên loại đường
ngẫu nhiên D với các vận tốc khác nhau .................................................................. 68
Hình 3.30. Đồ thị đặc tính tải trọng thẳng đứng của mơ hình ¼ khi đi trên loại
đường ngẫu nhiên D với các vận tốc khác nhau ...................................................... 69

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Sự phản ứng của cơ thể với những mức ......................................... 23
rung động khác nhau (TCVN 6964) ............................................................... 23
Bảng 2.1. Thông số của các cấp đường theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 ....... 48
Bảng 3.1. Các thông số khảo sát mơ hình 1/4 ................................................. 54
Bảng 3.2. Giá trị RMS của một số thông số ................................................... 61
Bảng 3.3. Các giá trị RMS theo các cấp đường .............................................. 65
Bảng 3.4. Các giá trị RMS theo vận tốc.......................................................... 69

7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Ảnh hưởng của dao động ô tơ

Ơ tơ là một hệ dao động tương đối phức tạp, gồm nhiều bộ phận được liên kết
với nhau, mỗi bộ phận có khối lượng và đặc tính dao động riêng. Khi ơ tơ chuyển
động trên đường có nhiều yếu tố gây ra dao động (mấp mơ mặt đường, q
trình phanh, tăng tốc, quay vòng...). Trong các yếu tố trên, mấp mơ mặt đường
được coi là nguồn kích thích chính ảnh hưởng đến dao động ô tô. Dao động với
biên độ và tần số lớn, tác động trong thời gian dài sẽ làm cho hành khách bị mệt

mỏi, giảm khả năng duy trì các hoạt động thần kinh hoặc sinh lý. Nghiên cứu về
hệ thống treo của ô tô được thơng qua việc nghiên cứu đặc tính của dao động ô
tô, xác định ảnh hưởng của các yếu tố đến dao động làm ảnh hưởng đến tính êm dịu
và an tồn chuyển động ơ tơ. Kết quả của nghiên cứu có thể đưa ra các giải pháp về
kết cấu của hệ thống treo để giảm các ảnh hưởng xấu do dao động tác động đến con
người cũng như hàng hóa trên xe.
Ơ tơ và các phương tiện vận tải nói chung khi chuyển động sẽ sinh ra các dao
động do tác động của điều kiện bên ngồi (mặt đường, gió...) bên trong (kết cấu hệ
thống treo). Các dao động này tác động trực tiếp lên người ngồi trên đó. Những dao
động này dưới dạng sóng cơ học được truyền trực tiếp lên cơ thể con người làm cho
cả cơ thể hoặc từng bộ phận cơ thể dao động theo. Đối với sức khoẻ của người đặc
biệt là của lái xe, dao động của xe có thể gây mệt mỏi, căng thẳng cho lái xe ảnh
hưởng đến hoạt động lái xe, đặc biệt là phản xạ để xử lý tình huống. Đối với hàng
hố, dao động của xe có thể làm hư hỏng hàng hoá như dập nát, gãy, vỡ hoặc thay
đổi tính chất của hàng hố. Đối với đường, khi xe chạy trên đường, dao động của ô
tô gây ra tải trọng động cùng với tải trọng tĩnh của xe làm hư hỏng đường và cầu
cống. Đối với ô tô, tác động từ mặt đường lên xe gây ra dao động làm va đập và gây
ra tải trọng thay đổi đối với các chi tiết ô tô ảnh hưởng đến độ bền lâu của chi tiết
(xuất hiện các dạng hỏng mỏi chi tiết).
Ngồi ra dao động ơ tơ cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền lực cũng như tính
điều khiển hướng chuyển động của ô tô. Thật vậy, dao động ô tô tạo lên các tải

8


trọng động theo phương thẳng đứng trên các bánh xe làm thay đổi lực bám đường
của bánh xe và tạo ra các gia tốc lắc làm ảnh hưởng đến chuyển động của xe.
Chuyển động tương đối giữa thân xe và cầu xe liên quan đến việc bố trí khơng gian
cho hệ treo khi thiết kế ô tô.
Tác động của dao động cơ học lên cơ thể phụ thuộc vào: Tần số dao động,

cường độ dao động, thời gian tác động, hướng tác động... Nhiều thí nghiệm đã cho
thấy:
- Dao động với tần số từ 3 đến 5 Hz gây rối loạn sự lưu thơng máu làm bị
chống;
- Dao động với tần số từ 5 đến 11 Hz gây rối loạn đường tải trọng, ảnh hưởng
đến dạ dày, ruột;
- Dao động với tần số từ 11 đến 45 Hz làm giảm thị lực, buồn nôn…
Tuy nhiên giới hạn tác động này đối với từng người là khác nhau và thay đổi
với khoảng rộng. Dao động của ôtô bao gồm một dải tần số rộng, nên có thể phân ra
dao động của khối lượng được treo ở tần số thấp và dao động của khối lượng khơng
được treo ở tần số cao.

Hình 1.1. Mơ hình cơ thể con người như một hệ dao động
- Dao động với tần số từ 15 đến 18 Hz con người cảm nhận được và gây ra
cảm xúc khó chịu trong thời gian ngắn;
9


- Rung động có tần số từ 15 đến 1500Hz con người ít cảm nhận rõ có thể gây
ra tổn hại đến sức khỏe khi chịu tác động trong thời gian dài;
Tình trạng dao động kéo dài sẽ gây tổn thương cho cơ thể con người. Mức độ
tổn thương tùy thuộc vào biên độ dao động, sự phân bố chuyển động bên trong cơ
thể, chiều chuyển động và thời gian chuyển động.
Dao động ôtô gây ra các tác hại đến cơ thể người như sau:
- Bệnh về cột sống: Khi chịu dao động trong vùng tần số từ 4 đến 12 Hz...
- Bệnh về tiêu hóa: Đối với những người chịu dao động trong thời gian dài.
- Những người chịu dao động đến tần số 20 Hz và kéo dài thì nhịp tim và nhịp
thở tăng lên gây rối loạn cho cơ thể.
- Dao động ở những tần số khoảng 0.1 Hz hoặc thấp hơn gây ra say sóng do
chuyển động lắc ngang, quay vịng.

Một số dao động có thể không làm nguy hại đến sức khỏe con người nhưng
làm giảm khả năng nhạy bén, giảm khả năng thu thập và xử lý thơng tin. Điều này
rất có hại đến các tài xế chạy xe đường dài.
1.2. Các chỉ tiêu và tiêu chuẩn đánh giá dao động ô tô
1.2.1. Các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô
Cơ sở lựa chọn các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động ôtô được dựa trên
tác động dao động của con người khi đi, chạy bộ… một dạng dao động quen thuộc
với đầy đủ các đặc trưng về tần số, gia tốc dao động. Nếu chỉ số dao động của con
người ngồi trên xe khi chuyển động, không vượt quá các giá trị của các chỉ số dao
động khi đi bộ, chạy thì độ êm dịu của xe chấp nhận được. Trong q trình nghiên
cứu về dao động ơtơ thì việc lựa chọn các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu là rất quan
trọng. Tuy nhiên việc lựa chọn các chỉ tiêu phụ thuộc vào sự phát triển của nền kinh
tế, khoa học kỹ thuật, dụng cụ đo, trình độ thí nghiệm, trình độ sản xuất chế tạo, lắp
ráp ơtơ. Do đó các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu ở các nuớc là khác nhau, nhưng có
hai chỉ tiêu chung là tần số và gia tốc dao động. Sau đây là một số chỉ tiêu đánh giá
độ êm dịu chuyển động của xe:
a. Chỉ tiêu về tần số dao động

10


- Đối với xe du lịch thì tần số dao động thích hợp là 60 đến 85 lần/phút.
- Đối với xe tải thì tần số dao động thích hợp là 85 đến 120 lần/phút.
- Đối với xe khách thì tần số dao động thích hợp là 60 đến 90 lần/phút.
b. Chỉ tiêu về gia tốc và vận tốc dao động

Hình 1.2. Đồ thị đặc trưng mức êm dịu chuyển động của ơtơ
- Chỉ tiêu đánh giá tính êm dịu chuyển động dựa vào giá trị của gia tốc thẳng
đứng của dao động và số lần va đập do độ mấp mô của bề mặt đường gây ra trên
một km đường chạy. Muốn đánh giá được một xe có tính êm dịu chuyển động hay

không, cho ôtô chạy trên một đoạn đường nhất định, trong thời gian đó dụng cụ đo
đặt trên ôtô sẽ ghi lại số lần va đập i tính trung bình trên 1 km đường và gia tốc
thẳng đứng của xe tương ứng. Dựa vào hai thông số đó, nguời ta so sánh với đồ thị
chuẩn xem xe thí nghiệm đạt được độ êm dịu chuyển động ở thang bậc nào, tuy
nhiên chưa thật sự chính xác vì theo phương pháp này chưa tính tới thời gian tác
động của gia tốc thẳng đứng j.
- Chỉ tiêu về gia tốc và vận tốc dao động được lựa chọn trên cơ sở đánh giá
cảm giác xuất hiện trong thời gian dao động. Cảm giác được xác định theo hệ số êm
dịu chuyển động K. Hệ số này là đại lượng không thứ nguyên phụ thuộc vào tần số
dao động và gia tốc dao động, hướng của dao động tương ứng với trục cơ thể con
người:

11


K=

12.5
1 + 0.01 f

=
K

2

Z

(1.1)

18

=
ZC K y ZC
1 + 0.01 f 2

(1.2)

Trong đó:
f : Tần số dao động
 : Gia tốc (m/s²)
Z

ZC : Tồn phương gia tốc

K càng nhỏ thì độ êm dịu của xe càng nâng cao, các giá trị K cho phép như
sau:
-

K = 10 ÷ 25 với xe chạy trong thời gian dài;

-

K = 25 ÷ 63 với xe chạy trong thời gian ngắn.

Nếu chịu tác động của dao động ngẫu nhiên nhiều tần số, có thể tách chúng
thành các dao động điều hòa riêng lẻ, ứng với mỗi dao động điều hịa có tần số fi ta
tính được một giá trị Ki , khi đó hệ số K chung sẽ là :
K=

n

∑K
i =1

2

(1.3)

i

c. Chỉ tiêu về công suất dao động
Chỉ tiêu này dựa trên giả thuyết rằng các cảm giác của con người trong dao
động phụ thuộc vào cơng suất truyền cho con người đó. Cơng suất trung bình truyền
cho người chịu dao động là:
N C = lim
T →α

1
T

T

∫ P(t ) xv(t )dt

(1.4)

o

Trong đó:
P(t) : Lực tác động lên con người
v(t) : Vận tốc dao động

Công thức trên sử dụng rất khó khăn nên có thể sử dụng biểu thức tính cơng
suất trung bình truyền cho người chịu dao động như sau:

12


N=
C

N

∑ (K
i =1

zi

2
Zci2 + K zci Zcci
6 + K xi Xci2 + K yiYci2 ) (W)

(1.5)

Trong đó:
Zc : Thành phần gia tốc thẳng đứng truyền qua chân
Zcc : Thành phần gia tốc thẳng đứng truyền qua ghế
Xc : Thành phần gia tốc dọc
Yc : Thành phần gia tốc ngang

Tất cả các giá trị trên là toàn phương gia tốc đơn vị m/s²
Hệ số K được cho bởi thực nghiệm

Các giá trị cho phép của chỉ tiêu này là:
-

Nc = 0.2 ÷ 0.3 dễ chịu;

-

Nc = 6 ÷ 10 khó chịu.

d. Chỉ tiêu về thời gian dao động
Chỉ tiêu này chủ yếu dành cho người lái và những người có thời gian đi trên
ôtô lâu. Khi ngồi trên xe với khoảng thời gian dài dao động sẽ làm cho cơ thể con
nguời mệt mỏi ảnh hưởng đến lao động hay sức khỏe. Các thí nghiệm kéo dài trong
8 giờ, với tần số dao động nằm trong khoảng được xem là nhạy cảm hơn cả đối với
sức khỏe con người (4 ÷ 8 Hz), các giá trị của toàn phương gia tốc dao động tác
động lên con người tạo ra cảm giác:
Dễ chịu

: 0.1 m/s²

Gây mệt mỏi: 0.315 m/s²
Gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe: 0.63 m/s²
Các chỉ tiêu trên là quan trọng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ôtô.
Trong đó chỉ tiêu về tần số dao động là chỉ tiêu đầu tiên cần quan tâm đến. Việc
đánh giá độ êm dịu của ôtô sẽ càng xác thực nếu được phối hợp với các chỉ tiêu
khác. Ưu điểm của chỉ tiêu này là có thể tính tốn, đo đạc tương đối dễ dàng trong
điều kiện nước ta hiện nay.
e.Chỉ tiêu hạn chế sự va đập của hệ thống treo

13

Được xác định theo công thức:
T

=
D2

1
lim ∫ [ S (t ) − Z (t )]2 dt
t →∞ T
0

(1.6)

Trong đó:
S(t) : Chuyển vị tuyệt đối của tâm bánh xe theo thời gian
Z(t) : Chuyển vị tuyệt đối tại điểm đặt bộ hạn chế trên thân xe theo thời gian
Giá trị D2 không vượt quá giá trị cho phép [D2] cho trước với từng loại xe và
loại mặt đường.
f. Chỉ tiêu về độ bám của bánh xe và mặt đường
Do tác động của dao động, khi bánh bị nhấc khỏi mặt đường sẽ ảnh hưởng xấu
đến độ bền, tính an tồn, kinh tế chuyển động. Chỉ tiêu này được đánh giá bằng toàn
phương dịch chuyển tương đối giữa tâm bánh xe với mặt đường, theo công thức:
T

=
Ds

1

lim ∫ [ S (t ) − q(t )]2 dt
t →∞ T
0

(1.7)

Với: q(t) hàm biểu diễn độ nhấp nhô của mặt đường.
Giá trị Ds không được vượt quá giá trị cho phép [Ds] cho trước với từng loại
xe và loại mặt đường.
g. Tiêu chí về tải trọng động
Khi xe chuyển động trên đường, dao động của các khối lượng ô tô tạo nên tải
trọng động tác động lên đường và phản lực từ đường tác dụng lên bánh xe. Tải
trọng động cực đại làm hư hỏng đường và giảm tuổi thọ của các chi tiết. Tải trọng
động cịn ảnh hưởng đến an tồn động lực học của xe.
- Mức độ thân thiện với đường
Một số nghiên cứu tại Anh và Mỹ đã đưa ra rằng mức độ ảnh hưởng của dao
động ô tô đến cầu và đường tỷ lệ với số mũ bậc 4 của áp lực bánh xe với đường.
Theo Wilkinson đưa ra công thức xác định hệ số áp lực đường w như sau:
w=
1 + 6η 2 + 4η 4

(1.8)

14


η=

max( Fz ,dyn )
Fz , st

(1.9)

Xe có i bánh xe thì áp lực tồn xe là:
i

W=

∑ w (i ) F (i )
z , st

1

i

∑ F (i )
z , st

(1.10)

1

- Tiêu chí về độ bền chi tiết
Hệ số tải trọng động cực đại:

max ( Fz ,dyn )
kdyn ,max =
1+
≤ 2,5
Fz , st

Trong đó:

(1.11)

: Hệ số tải trọng động cực đại

kdyn,max
Fz,dyn

:

Tải trọng động bánh xe

Fz,st

:

Tải trọng tĩnh bánh xe

Kích động ngẫu nhiên max (Fz,dyn) được xác định như sau:
T

=
Fz , RMS

1
[ Fz (t ) − Fz , st ]2 dt
∫
T0

=
kdyn ,max
và

1, 64 Fz , RMS
Fz , st

+1
(1.12)

- An toàn động lực học
Tải trọng động ảnh hưởng đến mức độ bám đường của bánh xe do vậy nó ảnh
hưởng trực tiếp đến khả năng truyền lực dọc khi tăng tốc và khi phanh, giữ ổn đinh
quỹ đạo chuyển động. Người ta định nghĩa hệ số tải trọng động cực tiểu kdyn,min để
chỉ ra giảm khả năng truyền lực của bánh xe

kdyn ,min = 1 +

min ( Fz ,dyn )
0 ≤ kdyn ,min ≤ 1

Fz , st

Kdyn,min = 0,5

giới hạn cảnh báo

Kdyn,min = 0

giới hạn can thiệp

15

(1.13)


h. Tiêu chí về khơng gian hệ thống treo
Hệ thống treo là bộ phận nối mềm giữa khối lượng được treo và khơng được
treo mơ tả như hình 1.3; chuyển động tương đối thường được hạn chế bởi vấu hạn
chế hành trình. Hạn chế hành trình xác định khoảng giá trị hành trình động nén và
trả. Giới hạn hành trình là không gian treo, xác định bởi các vấu hạn chế trên và
dưới. Để bảo đảm khả năng ổn định, khơng gian treo khơng được lớn q. Vì vậy
tiêu chí khơng gian treo (1.14) rất khó đạt.
( ξ –z) ≤ ξ − z

(1.14)

cho phép

m
z
K

C
mA

ξ
CL

h

Fz

Hình 1.3. Mơ hình dao động 1/4
1.2.2. Một số tiêu chuẩn về dao động ôtô
Để đánh giá ảnh hưởng của dao động lên con người, nhiều tiêu chuẩn đã được
đặt ra:
a.Tiêu chuẩn ISO/DIS 2631
Tiêu chuẩn này đánh giá tính êm dịu chuyển động theo gia tốc thẳng đứng,
đưa ra các giới hạn cho phép đối với các giá trị hiệu dụng của gia tốc thẳng đứng
của thùng xe, trên thanh đo loga, người ta định nghĩa hiệu các mức cường độ hiệu
dụng của gia tốc bởi biểu thức:
LZ = 20 Log

Zhd
[dB ]
Z0

Trong đó:
Zhd : Giá trị hiệu dụng của gia tốc, [m/s2], được xác định bằng công thức:

16

(1.15)


τ

1
Zhd = ∫ Z2 (t )dt
τ0

[m/s2]

(1.16)

Zoc : 10-6, [m/s2] là gia tốc chuẩn.

Đơn vị tính của

L••

là deciben [dB].

Z

Trị số của

L••

dùng để đánh giá cường độ của gia tốc hiệu dụng Zhd .

Z

Hình 1.4. Các giới hạn của gia tốc thẳng đứng trong các khoảng thời gian tác dụng
cho phép theo và hệ trục tọa độ quy định trong ISO 2631
Theo tiêu chuẩn này, các giới hạn của gia tốc thẳng đứng cho bởi hình dưới
đây, trên đó các đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hiệu các mức cường độ

L•• của
Z

gia tốc thùng xe với các tần số trung bình của giao động thùng xe, đo trên giải tần
1/3 octava (tức hệ trục tọa độ chia theo thang logarit thập phân)
- Đối với con người: Người ta định nghĩa cường độ dao động KB là một hàm
của gia tốc bình phương trung bình, tần số dao động và thời gian tác dụng được tính
tốn phụ thuộc vào phương tác dụng:
17


KB = f ( 
z, f , t )

Theo tiêu chuẩn ISO 2631:
- Cường độ dao động theo phương thẳng đứng Kz được xác định như sau:
K z =10 a z
K z = 20 a z
Kz =

f

với 1 ≤ f ≤ 4 Hz

với 4 ≤ f ≤ 8 Hz

160a z

với 8 ≤ f ≤ 80 Hz

f

(1.17)
(1.18)
(1.19)

- Tiêu chuẩn ISO- 2631 đưa ra các ngưỡng Kz như sau:
Kz < 0,2

Không cảm nhận được dao động

0,2 ≤ Kz ≤ 0,4

Có thể cảm nhận được dao động

0,4 ≤ Kz ≤ 1,6

Cảm nhận tốt dao động

1,6 ≤ Kz ≤ 6,3

Giới hạn thoải mái với t < 24h

6,3 ≤ Kz ≤ 12,5

Cảm giác mạnh

12,5 ≤ Kz ≤ 100

Cảm giác rất mạnh

Kz = 112

Cảm giác như bị chấn động không chịu được nhiều hơn

1 phút, gây ảnh hưởng sức khỏe.
ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ

Gia tốc bình phương trung bình theo phương
z

t 1 hút
Cảm giác rất mạnh
Cảm nhận mạnh
Giới hạn thoải mái, t < 1 phút
Cảm nhận tốt
Có thể cảm nhận được
Khơng cảm nhận được

Tần số kích động (Hz)

18


Hình 1.5. Sự phụ thuộc của gia tốc bình phương trung bình theo tần số

Hình 1.6. Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian
- Đối với hàng hoá: Theo Hiệp hội đóng gói Đức BFSV, ngưỡng an tồn cho
hàng hoá như sau:
amax= 0,3g

giới hạn cảnh báo

amax= 0,5g giới hạn can thiệp

(g – gia tốc trọng trường)

Định nghĩa giới hạn cảnh báo và can thiệp:
+ Giới hạn cảnh báo: Hệ thống treo của ô tô hoặc đường xá đã hỏng đến mức
cần có kế hoạch sửa chữa.
+ Giới hạn can thiệp: đường đã hỏng nặng, cần sửa chữa ngay.
Theo thống kê, hiện nay độ êm dịu được đưa ra trong hình 1.8 cho từng loại
xe.

19


Hình 1.7. Phân bố độ êm dịu các loại xe
b. Tiêu chuẩn về dao động của Việt Nam
Tiêu chuẩn TCVN 6964: xác định các phương pháp đánh giá rung động toàn
thân liên quan đến sức khỏe và độ tiện nghi của con người, khả năng cảm nhận rung
động, gây chóng mặt buồn nôn. Cách đánh giá rung động theo chuẩn này bao gồm
phép đo giá trị gia tốc trung bình bình phương (r.m.s).
Trọng số gia tốc r.m.s tính bằng m/s2 cho dao động tịnh tiến và bằng rad/s2 cho
dao động quay. Gia tốc r.m.s được tính theo cơng thức sau :

1

aw =  ∫ a 2 w (t )dt 
T 0

T

1
2

(1.20)

Trong đó:
aw (t): gia tốc rung động của chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay, là

hàm số theo thời gian, đơn vị là m/s2 hoặc rad/s2
T

: khoảng thời gian đo tính bằng giây

Giả thiết các phản hồi liên quan với năng lượng, hai giá trị rung động tiếp xúc
hàng ngày khác nhau được coi là tương đương khi:
aw1 T11/2=aw2 T21/2

(1.21)

Trong đó:

20


aw1 , aw2 : các giá trị gia tốc r.m.s theo tần số đối với lần tiếp xúc thứ nhất và
thứ hai
T1 , T2 : khoảng thời gian cho lần tiếp xúc thứ nhất và thứ hai
Khi tiếp xúc với rung động gồm hai hay nhiều khoảng tiếp xúc có cường độ và
thời gian khác nhau, độ lớn của rung động theo năng lượng tương đương ứng với

tổng thời gian tiếp xúc có thể đánh giá theo cơng thức:
1

aw , e

 ∑ awi2 Ti  2
=

 ∑ Ti 

(1.22)

Trong đó:
aw,e : là độ lớn của rung động tương đương
awi : là độ lớn của rung động cho thời gian tiếp xúc Ti

Một số nghiên cứu chỉ ra rằng độ lớn của rung động tương đương khác có thể
xác định theo công thức :
aw , e

 ∑ awi4 Ti 
=

 ∑ Ti 

(1.23)

Giá trị rung động dự đoán e (VDV) được sử dụng trong một vài nghiên cứu:
e(VDV) = 1,4aw T ¼
Trong đó :

aw

: là gia tốc r.m.s theo tần số

T

: là khoảng thời gian tiếp xúc tính bằng giây

21

(1.24)


Hình 1.8. Vùng chỉ dẫn sức khỏe của TCVN 6964
Đánh giá rung động dựa vào đồ thị sau: các đường gạch gạch chỉ các vùng cần
chú ý với mục đích chỉ dẫn sức khỏe. Đối với các tiếp xúc bên dưới vùng trên, ảnh
hưởng đến sức khỏe khơng có minh chứng bằng tài liệu rõ ràng hoặc quan sát khách
quan: trong vùng đó cần thận trọng với các tiềm ẩn về rủi ro sức khỏe và bên trên
vùng đó, các rủi ro với sức khỏe có khả năng xảy ra. Sự khuyến cáo này là cơ sở
chính về sự tiếp xúc trong khoảng thời gian từ 4 h đến 8 h, được chỉ ra trong vùng
gạch chéo ở hình dưới. Với thời gian tiếp xúc ngắn hơn cần có những nghiên cứu
thận trọng. Các nghiên cứu khác nói lên sự độc lập của thời gian qua mối tương
quan sau :
aw1 T11/4=aw2 T21/4

(1.25)

Chỉ dẫn đối với sức khỏe trong vùng này là các đường chấm chấm trên hình
dưới:

22


Bảng 1.1. Sự phản ứng của cơ thể với những mức
rung động khác nhau (TCVN 6964)
Nhỏ hơn 0,315 m/s2

Khơng có cảm giác, khơng thoải mái

Từ 0,315 đến 0,63 m/s2

Có cảm giác chút ít về sự khơng thoải mái

Từ 0,5 đến 1 m/s2

Có cảm giác rõ rệt về sự khơng thoải mái

Từ 0,8 đến 1,6 m/s2

Không thoải mái

Từ 1,25 đến 2,5 m/s2

Rất không thoải mái

Lớn hơn 2 m/s2

Cực kỳ không thoải mái

1.3. Các kết cấu treo khí phổ biến

Các bộ phận đàn hồi truyền thống: nhíp lá, lị xo xoắn ốc, thanh xoắn, giảm
chấn thủy lực có các đặc tính tuyến tính và được coi là hệ thống đàn hồi “thụ
động”. Xuất phát từ các yêu cầu hoàn thiện hệ thống treo ngày nay đã và đang hình
thành các hệ thống treo có chất lượng cao hơn và điều khiển được chúng theo nhu
cầu sử dụng làm tăng tính tiện nghi cho con người.
Các hệ thống treo của ô tô hiện đại cần thiết phải đáp ứng các yêu cầu sau:
-

Tính tiện nghi trong hoạt động cao, hay cụ thể là ổn định sàn xe: Gia tốc
dao động thân xe nhỏ. Tần số dao động riêng nhỏ, không phụ thuộc vào
tải trọng đặt lên. Đặc tính giảm chấn phụ thuộc vào tải trọng và trạng thái
hoạt động.

-

Tính an tồn trong chuyển động cao, cân bằng và ổn định chiều cao sàn
xe: Biến động giá trị tải trọng động sinh ra phải nhỏ. Động học của
chuyển vị cầu xe không phụ thuộc vào tải trọng, có khả năng điều chỉnh
chiều cao thân xe. Chuyển vị biến dạng đàn hồi và giảm chấn phải thích
hợp đảm bảo khoảng sáng gầm xe.

-

Khơng gian bố trí các bộ phận kết cấu hệ thống treo nhỏ gọn: Có kích
thước bao ngồi nhỏ. Chiều dài kết cấu ngắn, hay có thể sử dụng truyền
dẫn bằng dây điện (drive-by-wire).

23