thiết kế chế tạo thiết bị mô phỏng dao động theo phương thẳng đướng của ô tô

Ngày nay, khi mạng lưới giao thông đường bộ rộng lớn, bên cạnh việcquan tâm phát triển số lượng và chủng loại ôtô cho phù hợp với nhu cầu vậntải thì sự ảnh hưởng dao động của ôtô tới con

Mục lục

1.3 Dao động của ôtô – Các thông số và chỉ tiêu đánh giá 15

3.1 Cơ sở lý thuyết đo giá trị dao động tới hạn – eVDV 57

Bản vẽ

Mở đầu

Ôtô là một trong những phương tiện giao thông quan trọng, chiếm tỷtrọng cao trong các ngành kinh tế vận tải như vận tải hành khách, vận tải hànghoá và không thể thiếu được trong đời sống con người Ở các nước côngnghiệp trên thế giới, ôtô là ngành kinh tế mũi nhọn Cùng với sự tăng trưởng

về kinh tế nói chung, ngành công nghiệp ôtô ở nước ta đã và đang được sựquan tâm của các cấp, các ngành và của toàn xã hội

Ngày nay, khi mạng lưới giao thông đường bộ rộng lớn, bên cạnh việcquan tâm phát triển số lượng và chủng loại ôtô cho phù hợp với nhu cầu vậntải thì sự ảnh hưởng dao động của ôtô tới con người được đặc biệt quan tâm

và nghiên cứu bởi nó quyết định đến tiêu chí mà người ta mong muốn hướngtới đó là chất lượng cũng như độ tiện nghi, độ êm dịu chuyển động của ôtô.Khi nghiên cứu ảnh hưởng của dao động ôtô tới con người trước hết người tanghiên cứu lý thuyết dao động ôtô, sau đó bằng thực nghiệm xác định các racác mức giới hạn ảnh hưởng đến sức khoẻ và cảm giác êm dịu của con ngườikhi ngồi trên ôtô Các phép đo này được thực hiện chủ yếu theo mô hình ôtôchuyển động trên đường, nơi mà do tác động của nhiều yếu tố như biên dạngđường thử, độ ổn định dao động của ôtô, điều kiện ngoại cảnh sẽ ảnh hưởngđến ngưỡng cảm nhận của người tham gia thử nghiệm

Như vậy cần thiết phải có một thiết bị tạo ra một nguồn dao động ổn định

để có thể thử nghiệm với nhiều người ngay trong phòng thí nghiệm

Qua thời gian thực tập nghiên cứu tài liệu tại Trung tâm thử nghiệm xe cơgiới - Cục Đăng Kiểm Việt Nam, để hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình

em đã chọn đề tài:

Thiết kế, chế tạo thiết bị mô phỏng dao động theo phương thẳng

Em rất cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Bang cùng các thầy cô giáotrong bộ môn đã nhiệt tình hướng dẫn, tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành

đồ án này Trong quá trình làm đồ án, mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng do đềtài này có liên quan rất nhiều tới những kiến thức khá là mới mẻ mà lần đầutiên em được tiếp xúc, mặt khác thời gian nghiên cứu chưa dài và trình độ bảnthân có hạn nên đồ án tốt nghiệp của em chắc chắn có rất nhiều thiếu sót Emrất mong được sự chỉ bảo đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn và cáccán bộ trong trung tâm

Hà nội, ngày 17 tháng 5 năm 2009 Sinh viên

Đoàn Trung Du

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề.

1.1.1 Quan hệ đường – ô tô – con người.

Động cơ HHTL,HT Phanh

Hệ thống treo Thân xe

Lực khí động

Ôtô là một hệ thống nằm trong mối quan hệ chặt chẽ với đường có biêndạng phức tạp Mặt khác, dao động của ôtô ảnh hưởng tới con người (lái xe vàhành khách) và ảnh hưởng tới sự đảm bảo của hàng hoá chuyên chở Đồngthời con người cũng có ảnh hưởng tới dao động của ôtô

Mối quan hệ đó được thể hiện trên hình 1.1 Trong hình, các mối liên hệchủ yếu được vẽ bằng các đường liền

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống “Đường –Ô tô –Con người"

Ngày nay việc nghiên cứu dao động của ôtô cũng đã đạt được nhiều thànhtựu đáng kể Dao động ôtô được nghiên cứu trong tổng thể của hệ thống

“Đường - ôtô - con người” Như vậy sẽ tạo điều kiện gần đúng với điều kiệnthực tế nhưng đòi hỏi phải quan tâm đến biên dạng thực tế của đường và tínhchất của các cơ quan trên cơ thể con người chịu tác động

Vì vậy nghiên cứu hệ thống “đường - ôtô - con người” về mặt lôgic phân

thành 3 hướng: Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường, nghiên cứu dao động

của ôtô, nghiên cứu cảm giác của con người và sự an toàn của hàng hoá chuyên chở.

Hướng nghiên cứu thứ nhất, nghiên cứu về biên dạng mặt đường cả bằng

thực nghiệm và bằng lý thuyết nhằm xác định quy luật kích thích dao động ô

tô Bằng các phương pháp đo ghi biên dạng đường khác nhau, tiến hành xử lýcác kết quả nhận được nhờ xác xuất thống kê Khi chuyển động, ôtô dao độngcưỡng bức với nguồn kích thích là mấp mô mặt đường Mấp mô của mặtđường thường là ngẫu nhiên, để mô tả được người ta dùng các phương pháptoán học đặc trưng thống kê gồm: kì vọng toán học, phương sai.v.v Bằng các

số liệu của đặc tính thống kê về biên dạng đuờng người ta xây dựng mô hình

về biên dạng đuờng và nó là cơ sở cho các tính toán sau này

Hướng nghiên cứu thứ hai, nghiên cứu về dao động của ô tô với mục đích

cải thiện độ êm dịu chuyển động chất lượng kéo, tính kinh tế, tính dẫn hướng,

độ bền và độ tin cậy của ôtô… Vì vậy, nghiên cứu dao động của ôtô là xác lậpmối quan hệ giữa dao động của ô tô với các chỉ tiêu chất lượng khai thác kểtrên

Ôtô với các dạng khác nhau có những đặc điểm riêng của mình Ví dụ:các thông số đặc trưng cho hệ thống treo của ôtô du lịch sẽ khác với ôtô vậntải, hoặc dao động của ôtô vận tải sẽ khác dao động của xe kéo (dạng sơmi rơmooc) cùng chiều dài cơ sở…

Vì vậy cần thiết phải đo đạc thu thập các số liệu của các thông số daođộng của các loại ô tô khác nhau Nói cách khác là cần biết qui luật phân bốcủa các thông số đặc trưng cho dao động của ôtô Nghiên cứu lý thuyết daođộng của ô tô hoặc các bộ phận của nó thường được tiến hành như sau:

Thay thế ôtô bằng hệ dao động tương đương, sau đó tiến hành lập phươngtrình chuyển động của hệ trên cơ sở sử dụng các phương pháp cơ học giải tíchnhư nguyên lý D’Amble, phương trình La-grăng Các phương trình này đượcgiải bằng phương pháp tích phân số trên máy tính Từ đó có thể làm rõ ảnh

hưởng của sự thay đổi các thông số của hệ (các hệ số của phương trình) đếndao động của ô tô

Trên cơ sở nghiên cứu như vậy, kết hợp với số liệu thử nghiệm và kinhnghiệm sử dụng tiến hành chuyển bài toán phân tích sang bài toán tối ưu cácthông số của hệ khảo sát

Kinh nghiệm lớn trong quá trình chế tạo và thử nghiệm hệ thống treo chỉ

ra rằng việc chọn các thông số của hệ thống treo không làm giảm dao độngcủa ô tô đến giới hạn mong muốn Cho nên người ta tiến hành sử dụng biệnpháp điều chỉnh các thông số của hệ dao động, nghĩa là tiến hành liên hệngược và biến hệ dao động thành hệ tự động điều chỉnh Việc áp dụng môhình của hệ tự động điều chỉnh cho phép rút ngắn quá trình thiết kế chế tạo hệdao động, nhất là khi thiết kế nhờ máy tính điện tử

Hiện nay việc nghiên cứu thực nghiệm dao động ô tô có ý nghĩa lớn, bởi

vì khi tiến hành thử nghiệm cần giải quyết hàng loạt các vấn đề như: Bằngphương pháp nào kích thích cho ôtô dao động, đo ghi và xử lý gia công số liệu

ra sao…

Trong thực tế ôtô dao động tự nhiên do chuyển động trên đường khôngbằng phẳng Khi thử nghiệm có thể tạo kích thích nhân tạo trên băng thử hoặctạo ra các đoạn đường bằng phẳng nhưng các mấp mô nhân tạo

Ngày nay, với nền khoa học kỹ thuật phát triển đặc biệt là điện tử và côngnghệ thông tin, việc ghi các số liệu thử nghiệm trở nên dễ dàng khi đưa vàomáy tính, tiện lợi cho việc lưu trữ và xử lý thông tin

Dao động của ôtô bao gồm dải tần số rộng Có thể phân ra dao động củakhối lượng được treo ở tần số thấp và dao động của khối lượng không đượctreo ở tần số cao (rung động) Dao động của thân, vỏ xe và của bánh xe cũng

có ít nhiều liên hệ với rung động và tiếng ồn của chúng Các nguồn gây rungđộng là: Động cơ, hệ thống truyền lực, bánh xe, mặt đường…

Tóm lại, nghiên cứu dao động của ôtô là quá trình xác định các thông sốcủa hệ thống treo, tạo cơ sở cho việc thiết kế các phần tử của chúng: Phần tửđàn hồi, phần tử giảm chấn, phần tử dẫn hướng

Hướng nghiên cứu thứ 3, đó là nghiên cứu cảm giác của con người

(hành khách và lái xe) trên ôtô Thường thì khi đi ôtô con người sẽ thấy mệt

mỏi nhất là thần kinh Vì vậy, cần thiết nghiên cứu sự mệt mỏi về thể xác, xácđịnh các chỉ tiêu đánh giá cho từng nhóm người theo từng lứa tuổi khác nhau.Ngoài ra còn phải nghiên cứu sự phản ứng của các cơ quan hoặc bộ phận trên

cơ thể con người liên quan tới việc điều khiển xe, từ đó tạo cơ sở cho côngviệc tuyển chọn lái xe ôtô

Hiện nay người ta đã tập trung vào hai hướng nghiên cứu (mô hình) conngười: Lái xe điều khiển ô tô chuyển động trên đường bằng và con người chịudao động Việc nghiên cứu cả hai hướng trên cần được hoàn thiện vì dao độnglàm con người mỏi mệt, dẫn đến mất phản ứng linh hoạt và điều khiển mấtchính xác, gây tai nạn giao thông

Việc nghiên cứu tình trạng của các cơ quan bộ phận con người khi chịudao động tạo cơ sở cho việc nghiên cứu bệnh nghề nghiệp của các lái xe, việcchuyên chở bệnh nhân…

Sơ đồ cấu trúc hệ thống “Đường – Ôtô – Con người” trong nghiên cứudao động ôtô được thể hiện trên hình 1.2

Nghiên cứu thực nghiệm:

- Kích thích dao động

- Đo ghi dao động, gia công xử

lý số liệu

Nghiên cứu lý thuyết:

- Hệ dao động tương đương và

phương trình dao động;

- Giải phương trình dao động

trên máy tính;

- Phân tích dao động;

- Ảnh hưởng của các thông số;

Nghiên cứu lý thuyết:

- Đặc tính lý thuyết;

- Biểu diễn toán học biên dạng.

Bệnh nghề nghiệp của lái xe,

- Yêu cầu đối với lái xe

Các cơ quan của con người khi

chịu dao động

Nghiên cứu thực nghiệm:

- Đo ghi biên dạng đường;

Đặc điểm dao động ô tô khác nhau: ô tô con, ô tô tải, ô tô khách, ôtô nhiều trục, đoàn ôtô, ôtô chuyên dùng

Ôtô (dao động)

Con người (cảm giác) Hàng hoá (bảo quản)

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống “Đường – Ôtô – Con người” trong

nghiên cứu dao động ôtô

Để có thể tạo ra một hệ thống dao động có chất lượng tốt cần phải nghiêncứu dao động của ôtô trong mối liên hệ tổng thể “đường – ô tô – con người”.Các kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao chất lượng thiết kế chế tạo ô tô,góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng và năng suất vận chuyển của ôtô trongnền kinh tế quốc dân

1.1.2 Lựa chọn đề tài tốt nghiệp và hướng nghiên cứu.

Như vậy, qua phân tích ở trên, nghiên cứu hệ thống “đường – ôtô – conngười” có 3 hướng Trong đồ án tốt nghiệp của mình, em chọn đề tài:

Thiết kế chế tạo thiết bị mô phỏng dao động theo phương thẳng đứng

của ôtô.

Thiết bị này được thiết kế và chế tạo nhằm phục vụ cho hướng nghiên cứu thứ

3, đó là nghiên cứu ảnh hưởng dao động của ô tô đối với sức khoẻ của người

ngồi trên xe đặc biệt là người lái.

Sau đây là những phân tích về ảnh hưởng của dao động ôtô tới con người,các thông số và chỉ tiêu chủ yếu đánh giá dao động của ôtô Từ đó lựa chọnthông số đầu vào để thiết kế thiết bị tạo dao động phục vụ cho công tác thínghiệm

1.2 Ảnh hưởng của dao động ôtô tới con người.

Những rung động cơ học của thân thể con người hay của những bộ phận

riêng lẻ của con người là những tác động phức tạp và có thể gây nên hàng loạtnhững thay đổi trong cơ thể, trạng thái chức năng, khả năng làm việc, sứckhoẻ

Tác động của sự rung động cơ học đến cơ thể phụ thuộc vào nhữngnguyên nhân sau đây: Tần số rung động, cường độ rung động (biên độ), độliên tục của tác động và phương hướng của nó

Những rung động, tác động liên tục thậm chí với cường độ vừa phải cũng

có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến cơ thể con người, nếu như tần số tác độngkhông thuận lợi

Hình 1.3:

Tần số dao động riêng đối với từng bộ phận của con người

- Những rung động với tần số từ 3 đến 5 Hz gây nên phản ứng ở tuyến

tiền đình và có thể gây nên rối loạn, liên quan đến sự dịch chuyển máu trongcác mạch máu, có nghĩa là sự rối loạn mạch và triệu chứng say

- Khi rung động với tần số từ 5 đến 11 Hz thì có sự rối loạn gây nên bởi

sự kích động của bộ phận tai trong và bởi sự rung động cộng hưỏng của toànthân cũng như của một vài bộ phận của cơ thể (đầu, dạ dày, gan, ruột)

- Những rung động của con người với tần số từ 11 đến 45 Hz có thể kéo

theo sự rối loạn chức năng của hàng loạt cơ quan nội tạng (trong đó có cơquan niệu quản), làm cho thị lực giảm liên quan tới nhãn cầu, gây buồn nôn và

ù tai

- Những rung động cơ học với tần số cao hơn 45Hz với cường độ cao gây

nên những biến đổi nghiêm trọng như loại bệnh do rung động đã nêu ở trên Khi rung động tác động lên cơ thể con người, cảm giác của con ngườiđược hình thành rất nhanh Nếu rung động tác động kéo dài thì trong cơ thểngười xuất hiện các quá trình sinh lý dẫn đến các trạng thái khác nhau trong

đó có sự thích ứng và sự mệt mỏi là có ý nghĩa đặc biệt Sự thích nghi cho phùhợp được đặc trưng bằng sự nâng cao sức đề kháng của cơ thể đối với nhữngtác động ngoại cảnh và nâng cao khả năng hoạt động của con người Việc tậpluyện và các bài tập củng cố những kĩ năng làm tăng cường sự thích nghi.Tính chất của bộ máy tiền đình nhanh chóng quen dần với những rung độnglàm cho hành khách quen với những điều kiện đi xe ôtô

Hình 1.4: Sơ đồ liên lạc của bộ máy tiền đình

đó vẫn tồn tại Một vài va đập nhỏ tiếp theo dẫn đến sụ tích tụ (tích lũy nhữnghiện tượng tồn tại và có thể cho cảm giác mạnh hơn là các sự va chạm riênglẻ).

Khác với sự thích nghi, mệt mỏi là sự hạ thấp tạm thời khả năng làm việccủa cơ thể, xuất hiện khi có rung động dài và cường độ mạnh Khi có sự rungđộng kéo theo sự thay đổi tư thế của cơ thể trong không gian, những phản ứng

cơ bắp xuất hiện làm tăng sự mệt mỏi Sự mệt mỏi của người lái xe làm giảm

độ an toàn khi chuyển động Vì vậy phải đặc biệt chú ý đến sự tiện lợi và bốtrí chỗ ngồi cho người lái trong ô tô, đặc biệt là trong xe buýt

Những điều kiện làm việc không thuận lợi của các lái xe như sau:

- Người lái xe làm việc trong điều kiện phải chịu những rung động tácđộng lâu dài, bao gồm tác động của tải trọng cùng với gia tốc lớn và biến đổi,

có thể chịu tác động của tư thế ngồi không thuận lợi v.v

- Tác động của tư thế ngồi không thuận lợi Trong tư thế ngồi, nhữngrung động được truyền trực tiếp đến sống lưng qua các đốt dưới cùng

- Sự căng thẳng về thần kinh tâm lý kéo dài trong thời gian làm việc sẽtác động gây ra sự căng thẳng lớn về cơ bắp

Những điều kiện khó khăn của sự rung động tác động lên cột sống có một

Để đạt được trạng thái lý tưởng của cột sống là rất hiếm Thường là sau

30 tuổi thì cột sống bắt đầu có những thay đổi thoái hoá của nó Điều này cầnphải chú ý đến khi lựa chọn những người thí nghiệm để đánh giá độ êm dịucủa ôtô, khi chế tạo chỗ ngồi cho anh ta

Nếu những rung động tác động lên người từ năm này qua năm khác với mức

độ và cường độ nhất định thì cơ thể sẽ xuất hiện những bệnh tật không thểphục hồi được Như vậy, phải có sự quan tâm đến bệnh nghề nghiệp của cáclái xe ôtô và máy kéo

Từ thực nghiệm cho thấy con người là một hệ thống rung động, những bộphận của cơ thể thực hiện những chuyển dịch tương đối với nhau dưới tácđộng của cảm giác

Hình 1.6 xác định tần số biên độ trong trường hợp tăng tốc

Hình 1.6: Giá trị tần số biên độ tác động lên con người trong trường

hợp tăng tốc độ của xe

Nếu mức độ tăng tốc của sàn xe là 100% thì ghế ngồi làm giảm độ tăngtốc trung bình của khung xương chậu xuống 75% Sức đàn hồi của thân mình(cơ bắp của xương sống, thắt lưng chậu và cơ bụng) làm tăng giá trị tăng tốc -đối với vùng thắt lưng đến 105% và đối với lưng đến 123% Tăng tốc của đầugắn liền với ngực bằng hệ thống đàn hồi của các cơ bắp ở cổ là 100%

Tóm lại, qua nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ rằng có thể coi con người làmột hệ thống rung động, dao động của con người trên ô tô rất phức tạp.Khi đi ô tô, dao động của ô tô thông qua sàn xe, ghế ngồi, vành tay lái, cácbàn đạp điều khiển, cần chuyển số (đối với người lái xe) truyền tới con người

và ảnh hưởng chủ yếu tới các cơ quan như bộ máy tiền đình, hệ xương và cáckhớp (chủ yếu là cột sống), cơ quan nội tạng

Những tác động này gây cảm giác mệt mỏi, làm ảnh hưởng đến sức khoẻ,giảm khả năng lao động, tính an toàn khi điều khiển ô tô Về mức độ chịu

đựng thỡ người lỏi xe phải chịu nhiều hơn cả Bản thõn lỏi xe phải luụn đủ độtỉnh tỏo và minh mẫn để điều khiển xe trong khi hành khỏch chỉ cần ngồi vànghỉ ngơi Tất cả yếu tố ảnh hưởng về dao động và độ ồn cuối cựng tỏc độnglờn đầu người lỏi xe và ảnh hưởng đến hệ thần kinh gõy mệt mỏi Do vậy, núiđến xe khỏch chỳng ta cần quan tõm đến khả năng chịu đựng của người lỏi xenhiều hơn cả

1.3 Dao động của ụ tụ – Cỏc thụng số và chỉ tiờu đỏnh giỏ.

Khi nghiờn cứu dao động ụtụ và chất lượng hệ thống treo cần phải quantõm đến cỏc thụng số dao động tự do và thụng số dao động cưỡng bức dướitỏc dụng của kớch thớch cú chu kỳ hoặc kớch thớch ngẫu nhiờn

Trong trường hợp kớch thớch là hàm điều hoà cú thể đỏnh giỏ dao độngtheo đặc tớnh biờn độ hoặc tần số, kớch thớch là hàm ngẫu nhiờn cần đỏnh giỏtheo trị số bỡnh phương trung bỡnh của cỏc dịch chuyển hoặc gia tốc Để tớnhtoỏn cỏc thụng số dao động cần sử dụng rất nhiều đại lượng, thụng thường cỏcđại lượng này chia thành hai nhúm:

- Cỏc thụng số kết cấu: Cỏc khối lượng được treo và khụng được treo;chiều dài cơ sở của ụtụ; toạ độ trọng tõm của khối lượng khụng được treo; độcứng của phần tử đàn hồi trong hệ thống treo; độ cứng của lốp; hệ số cản giảmchấn; hệ số cản của lốp; lực ma sỏt trong hệ thống treo…

- Cỏc thụng số dao động gồm: tần số dao động riờng; hệ số dập tắt daođộng; dịch chuyển và gia tốc khối lượng được treo…

1.3.1 Chỉ tiờu về tần số dao động.

Đây l chà ch ỉ tiêu quan trọng để đánh giá dao động Tần số dao động l sà ch ốlần dao động trong khoảng thời gian 1 giõy, đơn vị l héc (Hz) Và ch ề mặt lýthuyết đối với ôtô, các khối lợng đợc treo và không đợc treo có 6 bậc tự dotrong không gian Dao động của ôtô dới tác dụng của nguồn kích thích là mặt

đờng chủ yếu theo phơng thẳng đứng, các dao động theo phơng ngang vànghiêng là rất nhỏ có thể bỏ qua trong quá trình nghiên cứu

= 0 = 01 = 1

C

Z

K Z

Dưới tác dụng của trọng lượng G thì lò xo bị biến dạng một khoảng là ft

Hình 1.7: Mô hình xác định tần cố dao động riêng

Tác dụng lực nén vật khỏi vị trí cân bằng tĩnh một đoạn là Z để vật dao động.Khi đó phương trình vi phân dao động tự do của hệ trên có dạng:

Z

+2 h Z

+ω2 Z=0 Trong đó:

h=

K

2 m là hệ số cản của hệ thống treo;

ω=√C m là tần số của dao động riêng;

Nghiệm của phương trình có dạng:

Z =Zmax e−htsin ω0t

Trong đó:

Zmax - biên độ dao động cực đại;

t - thời gian dao động;

ψ=

h

ω=

K

2√m.C - hệ số dập tắt dao động tương đối;

Nếu trong hệ thống treo không có lực cản ( = 0) thì:

Tần số dao đông riêng của khối lượng không được treo trên một trục được xácđịnh theo biểu thức:

Ωou = √C s+C t

m u

Trong đó:

mu - khối lượng không đươc treo

Tần số dao động của ô tô phải nằm trong giới hạn sau: [6]

Xe con: Ωo = 1 ¿ 1,5 Hz (60 ¿ 90 lần/phút)

Xe tải: Ωo = 1,6 ¿ 2 Hz (100 ¿ 120 lần/phút)

Giá trị này được lấy theo tần số trung bình của người đi bộ tương ứng với giátrị 1 ¿ 1,5 Hz Ở Việt Nam chỉ số này đang được đề nghị là nhỏ hơn 2,5 Hzđối với ôtô sản xuất trong nước

1.3.2 Chỉ tiêu về gia tốc dao động

Gia tốc dao động là thông số quan trọng đánh giá độ êm dịu chuyển động.Tác động đến con người thường được đánh giá theo trị số hiệu quả của gia tốcdao động, xác định dựa trên cơ sở trị số bình phương trung bình (trị số hiệuquả của gia tốc)

Trị số hiệu quả của gia tốc dao động được xác định như sau:

Hình 1.8: Hình dáng ngẫu nhiên của gia tốc theo thời gian

Trong đó: T - tổng thời gian dao động

Qua nghiên cứu cho thấy phương dao động có ảnh hưởng lớn đến cảmgiác của con người Theo cấu tạo của hệ thống tiền đình, sự ảnh hưởng củacác phương dao động khác nhau đến não người là khác nhau Do đó, khinghiên cứu phải đo theo 3 phương riêng biệt sau đó tổ hợp lại thành giá trị giatốc tổng hợp Gia tốc giới hạn theo các phương Ox (phương dọc xe), Oy

(phương ngang xe), Oz (phương thẳng đứng) được xác định bằng thực nghiệm

1.3.3 Chỉ tiêu dựa trên hệ số êm dịu chuyển động (K).

Người ta cho rằng cảm giác của con người khi chịu dao động phụ thuộc

vào hệ số độ êm dịu chuyển động Hệ số êm dịu chuyển động K phụ thuộcvào tần số dao động, gia tốc dao động, vận tốc dao động, phương dao động vàthời gian tác dụng của nó đến con người Nếu K là hằng số thì cảm giác khidao động sẽ không thay đổi

Hình 1.9: Các đường cong cảm giác như nhau ở dao động điều hoà

Hệ số K được xác định theo công thức:

êm dịu càng cao Các giá trị của K được đưa ra như sau [6]:

[K] = 0,1 tương ứng với ngưỡng kích thích

[K] = 10 ¿ 25 là giá trị giới hạn khi ngồi lâu trên xe;

[K] = 25 ¿ 63 giới hạn khi đi ngắn

Trong thực tế đối với ôtô, dạng điển hình dao động là ngẫu nhiên, khi đógiá trị hệ số K được xác định theo công thức:

Ki - Hệ số êm dịu của thành phần tần số thứ i;

n – Số thành phần tần số của hàm nhẫu nhiên;

1.3.4 Đánh giá theo công suất dao động.

Giả thiết cảm giác của con người khi chịu dao động phụ thuộc vào côngsuất dao động truyền cho con người thì công suất trung bình truyền đến conngười được xác định theo công thức:

P(t) – Lực tác động lên con người khi dao động;

V(t) – Vận tốc dao động;

Con người có thể xem là một hệ dao động và cảm giác của con người phụthuộc vào tần số dao động, do đó ta có thể đưa vào hệ số hấp thụ Ky có tínhđến ảnh hưởng của tần số lực kích động và hướng tác dụng của nó Khi tácđộng n thành phần với các giá trị bình phương trung bình của gia tốc

RMS( X . ) - Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương dọc

RMS( Y ) - Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương ngang Côngsuất tổng cộng truyền đến con người được xác định như sau:

Theo thực nghiệm, trị số [Nc] cho phép như sau [6]:

[Nc] = 0,2 ¿ 0,3 (W) – Cảm giác thoải mái

[Nc] = 6 ¿ 10 (W) – Giới hạn cho phép đối với ôtô có tính cơ độngcao

1.3.5 Chỉ tiêu đánh giá cảm giác theo gia tốc dao động và độ dài thời gian tác động (gia tốc bình phương trung bình a RMS và gia tốc trung bình bậc 4 eVDV- estimate vibration dose value).

- Để đánh giá cảm giác người ta sử dụng dao động thẳng đứng điều hoàtác dụng lên người ngồi và đứng trong 8h Ở tần số dao động trong giới hạnnhạy cảm nhất với con người (4 - 8 Hz) thì gia tốc bình phương trung bình ởcác giới hạn cho phép như sau:

Thoải mái: 0,1 m/s2

Cảm giác mệt mỏi: 0,315 m/s2

Mệt mỏi trong giới hạn cho phép: 0,63 m/s2

- Chỉ tiêu về giá trị dao động tới hạn là giá trị ước lượng của giá trị gia tốc

trung bình bậc 4 VDV Phương pháp này cho ra kết quả chính xác hơnphương pháp định lượng cơ sở bằng cách sử dụng lũy thừa bậc 4 thay vì lũythừa bậc 2

Công thức tính giá trị gia tốc trung bình bậc 4 như sau:

1/ 4 4

0

( ).

T t

Trong đó: a(t) - gia tốc tức thời

T - khoảng thời gian đo

Đơn vị của gia tốc trung bình bậc 4 là m/s1,75

- Thực tế người ta ít dùng trực tiếp giá trị gia tốc trung bình bậc 4 màdùng giá trị dao động tới hạn eVDV Cơ xây dựng giá trị eVDV này là xuấtphát từ công thức của VDV Nhưng nhờ kết quả biển đổi toán học thì có được

công thức của giá trị dao động tới hạn eVDV phụ thuộc vào gia tốc bìnhphương trung bình và thời gian đo Công thức xác định cụ thể như sau:

eVDV 1, 4.a RMS.T1/ 4

Trong đó:

aRMS – Gia tốc bình phương trung bình

Giá trị gia tốc tới hạn đặc trưng cho giới hạn nguy hiểm đến sức khỏedưới tác động của nguồn dao động trong 1 thời gian dài Các giá trị này phụthuộc vào thời gian đo và gia tốc bình phương trung bình theo tần số

Kết luận: Như vậy qua phân tích, ta thấy thông số của dao động ảnhhưởng đến con người nhiều nhất chính là tần số Đó cũng là thông số đặctrưng của dao động Và để đánh giá tác động ảnh hưởng của dao động tới conngười thì thông số quan trọng nhất là giá trị dao động tới hạn eVDV

CHƯƠNG II THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ2.1 Mục đích thiết kế

Như ta đã biết, để nghiên cứu ảnh hưởng của dao động ôtô tới con người

và ngưỡng cảm nhận của con người (hành khách và lái xe) trên ôtô, hiện naytập trung vào hai mô hình thử nghiệm: Đó là lái xe điều khiển ôtô trên đườngbằng và con người chịu dao động Thực tế việc khảo sát trên xe chạy trực tiếptrên đường gặp rất nhiều khó khăn vì:

- Khó đảm bảo được cùng một tốc độ ở các lần thử khác nhau

- Mức độ dao động cũng không đều nhau vì không đi lại được đúng

đường như phép thử trước

- Tác động của điều kiện ngoại cảnh (thời tiết, khí hậu )

Tất cả những yếu tố này sẽ gây ra cảm giác của người thử nghiệm rấtkhác nhau Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải có một nguồn dao động chuẩn, ổnđịnh để thực hiện thí nghiệm, kiểm tra đối với nhiều người Do vậy thiết bị tạodao động được thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu đó Thiết bị có thể tạo ra mộtnguồn dao động chuẩn và ổn định, với các thiết bị đo đi kèm, có thể đo lại các

giá trị aRMS và eVDV ngay trên thiết bị dao động để đánh giá ngưỡng cảmnhận của con người và kiểm tra các chỉ tiêu về độ êm dịu của ô tô.

2.2 Cơ sở thiết kế.

- Do mặt đường không bằng phẳng nên khi xe chạy các tác động từ mặtđường lên xe và qua hệ thống treo gây ra dao động cho xe Mặt khác ghế ngồiđược bắt lên xe nên người ngồi cũng dao động theo Người ngồi trong trạngthái dao động theo các phương: phương tịnh tiến theo phương thẳng đứng Znguyên nhân chủ yếu do mấp mô mặt đường, phương dọc xe X do hiện tượngtăng tốc và phanh, phương ngang Y do mấp mô mặt đường và hiện tượng lắcngang xe gây ra; 3 hướng quay quanh trục X, Y, Z Tổng hợp các dao độngnày gây rối loạn cảm giác, gây khó chịu đối với người ngồi Các tác động nàygây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người trên xe nói chung, đặc biệt là đối vớikhả năng điều khiển của người lái

- Mức độ khó chịu (hoặc thoải mái) đối với người ngồi trên ô tô ảnhhưởng bởi các yếu tố như: Hướng tác động, biên độ dao động của người ngồi(z), tần số dao động (f) và thời gian tác động (t) Biên độ dao động càng lớn

và thời gian dao động càng lâu thì càng gây cảm giác khó chịu Đối với tần sốdao động thì con người đặc biệt nhạy cảm với tần số từ 4 – 8 (Hz)

- Qua phân tích các chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô (Mục 1.3 –Chương 1) ta thấy ngoài các thông số đặc trưng của dao động như biên độ,tần số dao động thì dựa vào cảm giác của con người, người ta sử dụng mộtnguồn dao động thẳng đứng điều hoà để kiểm nghiệm và đưa ra chỉ tiêu đánhgiá tính êm dịu chuyển động ô tô dựa vào gia tốc dao động, và thời gian tácđộng của chúng [TL3] Dưới đây là bảng giá trị giới hạn gia tốc bình phươngtrung bình theo thời gian tác động

Gia tốc bình phương TB arms (m/s2) ¿ 2,2 ¿ 1 ¿ ¿ 0

,6 1,1 ,9

Để tạo ra một thiết bị mô phỏng một cách chính xác dao động của ô tôgặp rất nhiều khó khăn do dao động trên xe rất phức tạp Ở những góc độ nhấtđịnh về kỹ thuật khi xe chuyển động ổn định trên đường ảnh hưởng chủ yếuđến người trên xe là dao động của ô tô theo phương tịnh tiến hướng trục z(trục thẳng đứng) Có nghĩa là con người chịu sự rung động của các dao động

ô tô truyền từ sàn xe lên chân người và thông qua ghế ngồi truyền vào hông(lên cơ thể), qua tựa ghế vào lưng, qua tựa đầu vào hành khách Vì vậy thiết bịđược thiết kế mô phỏng dao động của ô tô theo phương thẳng đứng, có khảnăng tạo ra một dao động tuần hoàn ổn định, đáp ứng được yêu cầu của thínghiệm

2.3 Lựa chọn phương án thiết kế.

2.3.1 Điều kiện lựa chọn thông số đầu vào của thiết bị.

Từ những phân tích các chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô, cùng với yêucầu của thiết bị cần chế tạo, ta lựa chọn hai thông số quan trọng cho thiết bị đó

là biên độ dao động và tần số dao động Một yếu tố cần phải quan tâm đó làđối tượng thí nghiệm của thiết bị (người thử nghiệm), sẽ cho ta thông số vềkhối lượng dao động của thiết bị

- Xác định khối lượng dao động tối đa của thiết bị: Thiết bị được thiết kế

để có thể thí nghiệm cho 2 người lớn khoẻ mạnh cùng một lúc Do vậy ta lựachọn khối lượng dao động tối đa là 150 kg (cả ghế ngồi)

- Tần số dao động tối đa của thiết bị: Căn cứ vào chỉ tiêu về tần số theo[3], đó là tần số dao động riêng của phần được treo của ô tô khách khôngđược vượt quá 2,5 Hz Mặt khác thiết bị dùng để nghiên cứu cảm giác của conngười do vậy phải tạo ra được dao động có dải tần số chứa dải tần số nhạycảm của con người là từ 4 – 8 Hz

- Biên độ dao động: Theo các phép đo về biên độ của đường thì dải biên

độ cho phép là 10 mm [3] Do vậy biên độ dao động của thiết bị có thể thayđổi được trong khoảng 10 mm

Như vậy để đảm bảo các điều kiện như trên thì thiết bị được chế tạo phải

đảm bảo được các yêu cầu sau:

 Dao động theo phương thẳng đứng với tần số dao động từ 1 (Hz) đến 8(Hz) Khoảng tần số này là khoảng tần số nhạy cảm nhất đối với conngười

 Thiết bị có thể tạo ra dao động cho vật thể có khối lượng 150 (Kg)(tương đương với 2 người) theo phương thẳng đứng

 Biên độ dao động của thiết bị có thể thay đổi từ 0 đến 15 (mm)

2.3.2 Phương pháp tạo dao động.

Có nhiều phương pháp tạo ra dao động tuần hoàn với biên độ và tần số

theo yêu cầu Một phương pháp tạo ra dao động đơn giản đó là sử dụng mộtđộng cơ điện đặt trên giá Ở trục quay của động cơ có gắn trọng vật lệch tâm

so với trục của động cơ Toàn bộ động cơ và giá được đặt trên một hệ thốnggồm lò xo và giảm chấn

Sơ đồ nguyên lý được mô tả như hình 2.1:

m

Z

o

2 1

M

Hình 2.1: Mô hình tạo dao động dùng trọng lượng lệch tâm

Nguyên lý làm việc:

Khi động cơ 1 làm việc, trục động cơ có gắn khối lượng m quay với vậntốc góc không đổi ω nào đó Do trọng lượng m được bố trí lệch tâm so vớitrục quay của động cơ, sẽ tạo ra lực biến thiên tuần hoàn làm cả hệ thống daođộng cưỡng bức theo phương thẳng đứng nhờ rãnh trượt

Theo nguyên lý này thì khi thay đổi tốc độ quay của động cơ sẽ làm thayđổi đồng thời biên độ và tần số dao động

Ưu điểm của phương pháp tạo dao động này là đơn giản nhưng khôngthay đổi được biên độ dao động và tần số của dao động một cách riêng biệt Như vậy để tạo ra dao động theo một phương có biên độ dao động và tần

số có thể thay đổi một cách riêng biệt theo yêu cầu, ta lựa chọn thiết bị tạo daođộng có nguyên lý làm việc kiểu tay quay thanh truyền, có thể biến đổichuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến tuần hoàn theo phương thẳngđứng

Hình 2.2: Mô hình thiết bị tạo dao động

Sơ đồ chuyển động của cơ cấu như hình 2.3:

o A

Ta thấy xB là phương trình của dao động điều hoà

Như vậy hình chiếu của điểm B theo phương ngang dao động điều hoà vớibiên độ là R

Tần số dao động là: f =

ω

2 π Chuyển động quay của trục dẫn động truyền qua thanh truyền BC chiềudài L, làm điểm C dao động tuần hoàn với tần số f, dao động quanh điểm Ocách A một khoảng L, với hành trình S = 2R

2.4 Tính toán thiết kế thiết bị.

2.4.1 Lựa chọn kích thước của cơ cấu.

Sơ đồ xác định quy luật chuyển động của điểm như hình vẽ:

Hình 2.4 Xác định quy luật vận động của điểm C

Tại thời điểm t tay quay AB quay được một góc α = ω t, ngược chiềukim đồng hồ

Khi đó chuyển vị của điểm C là:

Từ hình vẽ ta thấy: sin β = λ sin α

cos β = √ 1−sin2β = √1−λsin2α

V = ω R(sin α + tg β cos α )

V= ω R

sin(α +β ) cos β

Gia tốc của điểm C:

Z = ω2 R

cos β cos(α+ β ).(1+ dβ

dα )+sin(α+ β ) sin β

dβ dα

Từ các điều kiện về thông số đầu vào ở trên ta có thông số kích thước cho

cơ cấu tạo dao động như sau:

R= Amax = 15 mm

L = 250 mm

Với tần số dao động là: fmax = 8 Hz

Như vậy, tốc độ quay của tay quay là n = 60.f = 60.8 = 480 v/ph

Suy ra ω = 2 π f = 2 π 8 = 16 π (rad/s)

Dùng phần mềm lập trình Matlab viết chương trình M-file vẽ đồ thị động họccủa điểm C như sau:

%%TINH TOAN DONG HOC CO CAU KHUYU TRUC THANH TRUYEN

%CAC THONG SO CO BAN

R=0.015%Chieu dai tay quay

L=0.25%Chieu dai thanh truyen

lamda=R/L%Tham so ket cau

f=8% Tan so dao dong

n=60*f%So vong quay truc dan dong

Hình 2.5: Đồ thị chuyển vị

Hình 2.6: Đồ thị vận tốc

Trong đó: Tmm: Mômen mở máy của thiết bị

T : Mômen xoắn của tải trọng

TK : Mômen khởi động của động cơ

- Xác định số vòng quay sơ bộ của động cơ:

nsb = nlv.ut (ct 2.18 - [TL2])Trong đó:

nlv – Số vòng quay của trục dẫn động

ut – Tỷ số truyền từ động cơ tới trục dẫn động

Ta có nlv = 480 vòng/phút (số vòng quay của tay quay)

ut = 3 (ta chọn dạng truyền động là truyền động dùng đai thang với tỷ

Trong đó: Ne – Công suất trên trục dẫn động

η - Hiệu suất truyền động

 Hiệu suất truyền động:

η = η1.η2.η3 (ct 2.9 –

[TL2])

Trong đó: η 1 – Hiệu suất bộ truyền đai, chọn η 1 = 0,95

η 2 – Hiệu suất của cặp ổ lăn tại trục dẫn động, chọn η 2 = 0,995

η 3 – Hiệu suất của cặp ổ lăn tại trục nâng, chọn η 3 = 0,99 (Bảng 2.3 – [TL2])Như vậy: η = 0,95 0,995 0,99 = 0,936

 Công suất trên trục dẫn động:

Từ công thức tính mômen theo số vòng quay và công suất cần cung cấp

trên trục dẫn động: Me =

N e

2.π n (ct 7-18[TL1])

Trong đó: Me – Mô men quay trên trục dẫn động

Ne – Công suất cần thiết

Hình 2.8: Phân tích lực tác dụng của cơ cấu

Lực tác dụng lên đường tâm thanh truyền được phân tích thành lực tiếp tuyến

Dời lực Ptt về C, như vậy C chịu tác dụng của Ptt, trọng lực G và lực ngang N, tổng hợp ba lực này sẽ tạo thành hợp lực tác dụng lên C: