Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của hệ thống treo xe bus thaco 46 chỗ theo hướng thân thiện với đường

Hệ thống treo trên Ô tô rất đa dạng và có vai trò hết sức quan trọng, nó góp phần nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động của ôtô và hạn chế tải trọng động tác dụng lên mặt đường.. Để

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP &PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHẬT CHIÊU

Đồng Nai, 2014

có nhiều công ty liên doanh sản xuất, lắp ráp nhiều loại ô tô, trong đó có các loại xe bus

Ngày nay xe Bus là phương tiện vận chuyển hành khách chủ yếu ở các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam Việc nghiên cứu hoàn thiện hệ thống treo trên xe Bus góp phần cải thiện tính êm dịu chuyển động của xe và giảm thiểu sự phá hủy mặt đường

Hệ thống treo trên Ô tô rất đa dạng và có vai trò hết sức quan trọng, nó góp phần nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động của ôtô và hạn chế tải trọng động tác dụng lên mặt đường Để hoàn thiện hệ thống treo thì việc khảo sát dao động của ô tô và tải trọng động tác dụng lên mặt đường là rất quan trọng, trên cơ

sở đó xác định các thông số hợp lý của hệ thống treo sao cho đảm bảo tính êm dịu chuyển động và hạn chế sự phá hỏng mặt đường

Hiện nay phương pháp mô phỏng số đang được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các cơ hệ đặc biệt là hệ dao động của ô tô Phần mềm Matlab-Simulink là một trong những phần mềm có khả năng ứng dụng rất cao trong việc giải các bài toán

kỹ thuật bằng cách lập trình, xử lý số và đồ hoạ để mô phỏng, phân tích một hệ thống động lực học, giải các bài toán vi phân và phương trình bậc cao

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, chúng tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của hệ thống treo xe Bus Thaco 46 chỗ theo hướng thân thiện với đường”

* Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Xây dựng mô hình dao động của xe Bus Thaco 46 chỗ từ đó xác định tải trọng của xe lên mặt đường và xác định các thông số hợp lý của hệ thống treo nhằm nâng cao tính êm dịu chuyển động và hạn chế sự phá hỏng mặt đường

* Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc hoàn thiện thêm hệ thống treo theo hướng nâng cao độ êm dịu chuyển động, giảm thiểu phá hỏng mặt đường, đồng thời phục vụ cho việc chọn chế độ sử dụng hợp lý khi vận chuyển hành khách trên đường giao thông ở nước ta

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình vận chuyển hành khách bằng ô tô, xe bus hiện nay

Theo Nghị định số 23/2004/NĐ-CP quy định niên hạn sử dụng của ô tô tải

và ô tô chở người ngày 13/1/2004 [18], nhằm đổi mới phương tiện phục vụ chuyên chở hành khách liên tỉnh và trong thành phố Quyết định số 177/2004/QĐ-TTg về việc phê duyệt quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm

Trong quá trình phát triển nền kinh tế quốc dân và phục vụ đời sống xã hội, nhu cầu vận chuyển hàng hóa và hành khách ngày một gia tăng Vận tải ô tô có khả năng đáp ứng tốt hơn nhiều mặt so với các phương tiện vận tải khác do tính đơn giản, cơ động Ô tô có thể đi đến những vùng mà các phương tiện khác không thể đến được bên cạnh đó giá thành vận chuyển ô tô tương đối thấp Ở nước ta, do địa hình phức tạp, sự mở rộng và đô thị hóa tăng nhanh trong khi việc đầu tư và đáp ứng của các phương tiện khác còn hạn chế thì vận tải ô tô càng có nhiều ưu thế hơn Trong hoàn cảnh kinh tế hiện nay, việc đi lại của nhân dân ta vẫn chủ yếu dựa vào vận tải hành khách đường bộ do giá rẻ và tiện lợi Những năm trước đây nhu cầu của hành khách là chỉ cần có phương tiện để đi đến nơi mà ít có yêu cầu cao về chất lượng phương tiện Ngày nay, kinh tế phát triển hơn, đời sống người dân đã được nâng cao, cùng với xu thế hội nhập vào nền kinh tế thế giới, nhu cầu đi lại của người dân phải kèm theo yêu cầu về chất lượng phục vụ

1.2 Tổng quan về nghiên cứu dao động của ô tô và hệ thống treo trên ô tô

1.2.1 Nghiên cứu về dao động của ô tô trên thế giới

Độ êm dịu chuyển động là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng ô tô cho nên các nhà khoa hoc, các nhà sản xuất ô tô trên thế giới đã đầu tư rất nhiều cho việc nghiên cứu vấn đề dao động của ô tô Hướng chung của các nghiên cứu đó là :

- Nghiên cứu các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô

- Thiết lập phương trình dao động của ô tô , giải các bài toán về dao động của ô tô

- Tìm mối tương quan giữa các thông số trên ô tô, của hệ thống treo với các chi tiết đánh giá độ êm dịu chuyển động

- Nghiên cứu nguồn gây dao động của ô tô

- Nghiên cứu chế tạo các phần tử của hệ thống treo có những tính năng cho phép nâng cao độ êm dịu chuyển động của ô tô

Quan hệ "bánh xe- mặt đường" được các tác giả trong và ngoài nước quan tâm dưới nhiều góc độ khác nhau nó được xem như nguồn kích thích dao động ngẩu nhiên Với quan hệ đó được dùng làm cơ sở để thiết kế hệ thống treo "thân thiện với đường" và tìm chế độ khai thác hợp lý (tài trọng, tốc độ chuyển động) để hạn chế phá hủy đường

Hướng nghiên cứu xác định lực động tương tác giữa ô tô, mặt đường và ảnh hưởng đến sự phá huỷ đường, quy trinh kiểm tra lực động và các tiêu chí đánh giá

hư hại, điển hình là các công trình sau:

David Cebon [23], [24], [25] có nhiều công trình nghiên cứu đánh giá lực động giữa bánh xe và một đường cùng như ảnh hưởng cùa lực động đến sự phá hủy đường

Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu về dao động của ôtô, như Công trình của Mitschke M [28] đã nghiên cứu về dao động của ôtô du lịch, mô hình dao động được xem xét ở các yếu tố kết cấu có ảnh hưởng đến dao động và tối ưu hệ thống treo

Các công trình nghiên cứu của Gaichev L.V [26] Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô là nền tảng cho các nghiên cứu khác về ôtô và máy kéo với các mục đích

khác nhau Tuy nhiên các mô hình toán học trong các công trình này chỉ xét đến dao động theo phương thẳng đứng có kể đến các biến dạng của lốp, chưa tính đến ảnh hưởng của dao động theo phương ngang và quay quanh trục thẳng đứng

K.Y và JK Hedrick nghiên cứu biện pháp làm giảm phá huỷ đường bàng các

hệ thống treo tích cực, bán tích cực [29]

Công trình ngiên cứu của Xilaev A A [31] đã đưa ra lý thuyết phổ nghiên cứu dao động ngẫu nhiên xe vận tải Trong nghiên cứu, tác giả đã đưa ra phương pháp phổ để giải bài toán dao động tuyến tính xe vận tải nhiều cầu với tác động đường

có chiều cao mấp mô phân bố ngẫu nhiên

Alexander o Gibson [27] nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học của xe tải nặng đề đánh giá sự phá huỷ đường

Ailen Gs Yinchen [25] lại quan tâm nghiên cứu đến độ êm dịu chuyển động và ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Như vậy trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu về dao động của ôtô, các công trình này chủ yếu tập trung giải quyết dao động của ôtô chạy trên đường, Mặc dù về nội dung nghiên cứu cũng rất đa dạng Nhưng chưa có công trình nghiên cứu về xe Bus Thaco

1.2.2 Nghiên cứu về dao động của ô tô ở Việt Nam

Ngành chế tạo ô tô ở nước ta chưa thực sự phát triển các xe ở nước ta chủ yếu là xe nhập khẩu nguyên chiếc và xe nhập khẩu các tổng thành về lắp ráp trong nước Chúng ta mới chỉ phát triển về mặt khai thác, sử dụng, bảo dưỡng, sủa chữa

và lắp ráp

Do điều kiện đặc thù như đã nói ở trên về ngành ô tô ở Việt Nam vấn đề về dao động và độ êm dịu chuyển động của ô tô chưa được quan tâm nghiên cứu một cách có hệ thống Tuy vậy nghiên cứu từng thành phần cụ thể cũng đã được tiến hành ở một số cơ sở nghiên cứu và một số tác giả với các hướng cụ thể như sau: Năm 2010 TS.Trần Việt Hà [7] đã nghiên cứu ảnh hường của một số thông

số đến độ êm dịu chuyển động của ô tô khách được đóng mới ở Việt Nam Luận án

đã xây dựng được mô hình dao động phù hợp, khảo sát được sự ảnh hưởng của một

số thông số tới độ êm dịu chuyển động và sức chịu đựng của con người cho một số ôtô khách đóng mới tại Việt Nam và đã thí nghiệm xác định các chỉ tiêu êm dịu chuyển động trong phòng thí nghiệm và trên đường thử nghiệm có biên dạng hình sin cho xe ôtô đã được khảo sát

Luận án thạc sĩ của tác giả Nguyễn Trọng Khối (2009) Lựa chọn hợp lý thông số hệ thống treo ô tô tải theo hướng thân thiện với đường [13]

Th.s Huỳnh Hội Quốc [16] đã nghiên cứu về quá trình lắc ngang, lắc dọc của

ô tô ở vận tốc cao

Công trình nghiên cứu của GS.TS Nguyễn Hữu cẩn và các cộng sự [3], cho thấy: Tính êm dịu trong chuyển động của ô tô máy kéo được đánh giá qua các chỉ tiêu: Tần số dao động thích hợp, gia tốc dao động thích hợp, thời gian tác động của dao động Trong chuyển động, ô tô máy kéo dao động theo các phương: Thẳng đứng (OZ), phương ngang (OX), phương dọc máy (OY), các dao động theo phương thẳng đứng ảnh hưởng chính đến con người; theo phương ngang, phương dọc ảnh hưởng không đáng kể, có thể bỏ qua

Trần Văn Như & Đào Mạnh Hùng [17], tối ưu thông số của hệ thống treo để giảm thiểu phá huỷ đường theo điều kiện ở Việt nam

Luận án tiến sĩ của tác gỉa Đào Mạnh Hùng (2006) Xác định lực động giữa bánh xe và mặt đường của ô tô tải trong điều kiện sử dụng ở việt nam [11]

Luận án tiến sĩ của tác giả Lưu Văn Tuấn [21] đã xây dựng được mô hình dao động khảo sát xe Ca do Việt Nam đóng, mô tả thuộc tính đàn hồi giữa khung và

vỏ là kết cấu đặc trưng của xe ca, từ đó tác giả đã đưa ra được mục tiêu nâng cao độ

êm dịu cho xe khách Ba Đình

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Thanh An [1] đã sử dụng lý thuyết tối ưu hóa

đa mục tiêu để nghiên cứu tối ưu hóa các thông số hệ thống treo ôtô khách sử dụng tại Việt Nam Tác giả đã sử dụng phương trình không gian trạng thái và phần mềm Matlab – Simulik để khảo sát dao động của ôtô khách dưới tác dụng của hàm kích động mặt đường là dạng xung và kích động ngẫu nhiên

Các công trình nghiên cứu dao động của ô tô ở nước ta chỉ mới xuất hiện

trong những năm gần đây Các công trình này là nghiên cứu trong phạm vi hẹp nhằm xác định ảnh hưởng của rung xóc tới sức khỏe của người lái và bước đầu đặt

ra một số biện pháp chống rung cho người lái như cải tiến ghế chống rung Các tác giả mới xem xét dao động của ô tô trong một số điều kiện cụ thể khi xem hệ là tuyến tính, một bậc tự do chịu tác động của mặt đường dạng hàm xác định…

Tuy nhiên theo tìm hiểu của tác giả thi chưa có đề tài nào nghiên cứu về dao động của ô tô Bus Thaco 46 chỗ khi vận chuyển hành khách trên đường giao thông

1.2.3 Tổng quan hệ thống treo trên ô tô

1.2.3.1 Công dụng yêu cầu của hệ thống treo

Trên ôtô, hệ thống treo và cụm bánh xe được gọi là phần chuyển động của ôtô Chức năng cơ bản của phần chuyển động là tạo điều kiện thực hiện “chuyển động bánh xe” của ôtô đảm bảo các bánh xe lăn và thân xe chuyển động tịnh tiến, thực hiện nhiệm vụ vận tải của ôtô Chuyển động bánh xe đòi hỏi các tương hỗ giữa bánh xe và thân xe phải có khả năng truyền lực và mômen theo các quan hệ nhất định Trong chức năng của phần chuyển động nếu bị mất một phần hoặc thay đổi khả năng truyền lực và mômen có thể làm phá hỏng chức năng của phần chuyển động

Sự chuyển động của ôtô trên đường phụ thuộc nhiều vào khả năng lăn êm bánh xe trên nền và hạn chế tối đa các rung động truyền từ bánh xe lên thân xe Do vậy giữa bánh xe và khung vỏ cần thiết có sự liên kết mềm Hệ thống treo là tập hợp tất cả những chi tiết tạo nên liên kết đàn hồi giữa bánh xe và thân vỏ hoặc khung xe nhằm thỏa mãn các chức năng chính sau đây:

- Đảm bảo yêu cầu về độ êm dịu trong chuyển động, tạo điều kiện nâng cao được tính an toàn cho hàng hóa trên xe, đó là tập hợp các điều kiện nhằm đảm bảo duy trì sức khoẻ và giảm thiểu những mệt mỏi vật lý và tâm sinh lý của con người (lái xe, hành khách) Các dao động cơ học của ôtô trong quá trình chuyển động bao gồm: biên độ, tần số, gia tốc, các yếu tố này có thể ảnh hưởng tới sự an toàn của hàng hóa và trạng thái làm việc của con người trên ôtô

- Đảm bảo yêu cầu về khả năng tiếp nhận các thành phần lực và mômen tác dụng giữa bánh xe và đường nhằm tăng tối đa sự an toàn trong chuyển động, giảm thiểu sự phá hỏng nền đường của ôtô, trong đó một chỉ tiêu quan trọng là độ bám đường của bánh xe

Hệ thống treo nói chung, gồm có ba bộ phận chính là: bộ phận đàn hồi, bộ phận dẫn hướng và bộ phận giảm chấn Mỗi bộ phận đảm nhận một chức năng và nhiệm vụ riêng biệt

- Bộ phận đàn hồi: dùng để tiếp nhận và truyền các tải trọng thẳng đứng, làm giảm va đập, giảm tải trọng động tác dụng lên khung vỏ và hệ thống chuyển động, đảm bảo độ êm dịu cần thiết cho ô tô máy kéo khi chuyển động

- Bộ phận dẫn hướng: dùng để tiếp nhận và truyền lên khung các lực dọc, ngang cũng như các mômen phản lực và mômen phanh tác dụng lên bánh xe Động học của bộ phận dẫn hướng xác định đặc tính dịch chuyển tương đối của bánh xe đối với khung vỏ

- Bộ phận giảm chấn: cùng với ma sát trong hệ thống treo, có nhiệm vụ tạo lực cản, dập tắt các dao động của phần được treo và không được treo, biến cơ năng của dao động thành nhiệt năng tiêu tán ra môi trường xung quanh

Ngoài ba bộ phận chính trên, trong hệ thống treo của các ô tô du lịch, ô tô khách và một số ô tô vận tải, còn có thêm một bộ phận phụ nữa là bộ phận ổn định ngang Bộ phận này có nhiệm vụ giảm độ nghiêng và các dao động lắc ngang của thùng xe

Hệ thống treo phải đảm bảo được các yêu cầu cơ bản sau đây:

- Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo (đặc trưng bởi độ võng tĩnh ft và hành trình động fđ) phải đảm bảo cho xe có độ êm dịu cần thiết khi chạy trên đường tốt

và không bị va đập liên tục lên các ụ hạn chế khi chạy trên đường xấu không bằng phẳng với tốc độ cho phép Khi xe quay vòng, tăng tốc hoặc phanh thì vỏ xe không

bị nghiêng, ngửa hay chúc đầu

- Đặc tính động học quyết định bởi bộ phận dẫn hướng, phải đảm bảo cho xe chuyển động ổn định và có tính điều khiển cao, cụ thể là:

+ Đảm bảo cho chiều rộng cơ sở và góc đặt các trụ quay đứng của bánh xe dẫn hướng không đổi hoặc thay đổi không đáng kể

+ Đảm bảo sự tương ứng động học giữa các bánh xe và truyền động lái, để tránh gây ra hiện tượng tự quay vòng hoặc dao động các bánh xe dẫn hướng xung quanh trụ quay của nó

- Giảm chấn phải có hệ số dập tắt dao động thích hợp để dập tắt dao động được hiệu quả và êm dịu

- Có khối lượng nhỏ, đặc biệt là các phần không được treo

- Kết cấu đơn giản, dễ bố trí Làm việc bền vững, tin cậy

- Không gây nên tải trọng lớn tại các mối kiên kết với khung hoặc vỏ

- Có độ bền cao, giá thành thấp và mức độ phức tạp kết cấu không lớn

- Có độ tin cậy lớn, trong điều kiện sử dụng phù hợp với tính năng kỹ thuật, không gặp hư hỏng bất thường

Đối với ôtô bus còn được chú ý thêm các yêu cầu:

- Có khả năng chống rung, ồn truyền từ bánh xe lên thùng, vỏ tốt

- Tính điều khiển và ổn định chuyển động cao ở mọi tốc độ

Hệ thống treo của ôtô luôn được hoàn thiện, các yêu cầu được thoả mãn ở các mức độ cao, bởi vậy tính đa dạng của chúng cũng rất lớn

1.2.3.2 Phân loại hệ thống treo

Theo dạng bộ phận dẫn hướng, hệ thống treo được chia làm các loại:

- Hệ thống treo phụ thuộc

- Hệ thống treo độc lập

Theo loại phần tử đàn hồi, gồm có:

- Loại kim loại, gồm: nhíp lá, lò xo xoắn, thanh xoắn

- Loại cao su: chịu nén hoặc chịu xoắn

- Loại khí nén và thuỷ khí

Theo phương pháp dập tắt dao động, chia ra:

- Loại giảm chấn thuỷ lực: tác dụng một chiều và hai chiều

- Loại giảm chấn bằng ma sát cơ: gồm ma sát trong bộ phận đàn hồi và trong

bộ phận dẫn hướng

Theo sự thay đổi đặc tính điều chỉnh, có:

- Hệ thống treo không tự điều chỉnh

Bộ phận đàn hồi có thể là loại nhíp lá, lò xo, thanh xoắn, buồng khí nén, buồng thuỷ lực Đặc trưng cho bộ phận đàn hồi là độ cứng, độ cứng liên quan chặt chẽ với tần số dao động riêng (một thông số có tính quyết định đến độ êm dịu) Muốn có tần số dao động riêng phù hợp với sức khỏe của con người và an toàn của hàng hoá cần có độ cứng của hệ thống treo biến đổi theo tải trọng Khi xe chạy ít tải

độ cứng cần thiết có giá trị nhỏ, còn khi tăng tải cần phải có độ cứng lớn Do vậy có thể có thêm các bộ phận đàn hồi phụ như: nhíp phụ, vấu tỳ bằng cao su biến dạng, + Nhíp lá:

Trên ôtô tải, ôtô buýt, rơmooc và bán rơmooc phần tử đàn hồi nhíp lá thường được sử dụng

Nếu coi bộ nhíp như là một dầm đàn hồi chịu tải ở giữa và tựa lên hai đầu, khi tác dụng tải trọng thẳng đứng lên bộ nhíp cả bộ nhíp sẽ biến dạng Một số các lá nhíp có xu hướng bị căng ra, một số lá nhíp khác có xu hướng bị ép lại Nhờ sự biến dạng của các lá nhíp cho phép các lá có thể trượt tương đối với nhau và toàn bộ nhíp biến dạng đàn hồi

Tháo rời bộ nhíp lá này, nhận thấy bán kính cong của chúng có quy luật phổ biến: các lá dài có bán kính cong lớn hơn các lá ngắn (hình 1-1) Khi liên kết chúng lại với nhau bằng bulông xiết trung tâm, hay bó lại bằng quang nhíp một số lá nhíp

bị ép lại còn một số lá khác bị căng ra để tạo thành một bộ nhíp có bán kính cong gần đồng nhất Điều này thực chất là đã làm cho các lá nhíp chịu tải ban đầu (được gọi là tạo ứng suất dư ban đầu cho các lá nhíp), cho phép giảm được ứng suất lớn nhất tác dụng lên các lá nhíp riêng rẽ và thu nhỏ kích thước bộ nhíp trên ôtô Như vậy tính chất chịu tải và độ bền của lá nhíp được tối ưu theo xu hướng chịu tải của ôtô

Hình 1.1 Kết cấu bộ nhíp

1- Bulông trung tâm; 2- Vòng kẹp

Một số bộ nhíp trên ôtô tải nhỏ có một số lá phía dưới có bán kính cong lớn hơn các lá trên Kết cấu như vậy thực chất là tạo cho bộ nhíp hai phân khúc làm việc Khi chịu tải nhỏ chỉ có một số lá trên chịu tải (giống như bộ nhíp chính) Khi

bộ nhíp chính có bán kính cong bằng với các lá nhíp dưới thì toàn thể hai phần cùng chịu tải và độ cứng tăng lên Như thế có thể coi các lá nhíp phía dưới có bán kính cong lớn hơn là bộ nhíp phụ cho các lá nhíp trên có bán kính cong nhỏ hơn

Trên các xe có tải trọng tác dụng lên cầu thay đổi trong giới hạn lớn và đột ngột, thì để cho xe chạy êm dịu khi không hay non tải và nhíp đủ cứng khi đầy tải, người ta dùng nhíp kép gồm: một nhíp chính và một nhíp phụ Khi xe không và non tải chỉ có một mình nhíp chính làm việc Khi tải tăng đến một giá trị quy định thì nhíp phụ bắt đầu tham gia chịu tải cùng nhíp chính, làm tăng độ cứng của hệ thống treo cho phù hợp với tải

Nhíp phụ có thể đặt trên (hình 1-2a) hay dưới (hình 1-2b) nhíp chính, tuỳ theo vị trí giữa cầu và khung cũng như kích thước và biến dạng yêu cầu của nhíp

Khi nhíp phụ đặt dưới thì độ cứng của hệ thống treo thay đổi êm dịu hơn, vì nhíp phụ tham gia từ từ vào quá trình chịu tải, không đột ngột như khi đặt trên nhíp chính

- Kết cấu và chế tạo đơn giản

- Sửa chữa bảo dưỡng dễ dàng

- Có thể đồng thời làm nhiệm vụ của bộ phận dẫn hướng và một phần nhiệm vụ của bộ phận giảm chấn

- Trọng lượng lớn, tốn nhiều kim loại hơn tất cả các cơ cấu đàn hồi khác, do thế năng biến dạng đàn hồi riêng (của một đơn vị thể tích) nhỏ (nhỏ hơn của thanh

xoắn 4 lần khi có cùng một giá trị ứng suất: σ = τ) Theo thống kê, trọng lượng của nhíp cộng giảm chấn thường chiếm từ (5,5 ÷ 8,0)% trọng lượng bản thân của ôtô

- Thời hạn phục vụ ngắn: do ma sát giữa các lá nhíp lớn và trạng thái ứng suất phức tạp (Nhíp vừa chịu các tải trọng thẳng đứng vừa chịu mômen cũng như các lực dọc và ngang khác) Khi chạy trên đường tốt tuổi thọ của nhíp đạt khoảng (10 ÷ 15) vạn Km Trên đường xấu nhiều ổ gà, tuổi thọ của nhíp giảm từ (10 ÷ 50) lần

+ Lò xo trụ:

Lò xo trụ là loại được dùng nhiều ở ô tô du lịch với cả hệ thống treo độc lập

và phụ thuộc So với nhíp lá, phần tử đàn hồi dạng lò xo trụ có những ưu - nhược điểm sau:

- Kết cấu và chế tạo đơn giản

Phần tử đàn hồi lò xo chủ yếu là loại lò xo trụ làm việc chịu nén với đặc tính tuyến tính Có thể chế tạo lò xo với bước thay đổi, dạng côn hay parabol để nhận được đặc tính đàn hồi phi tuyến Tuy vậy, do công nghệ chế tạo phức tạp, giá thành cao nên ít dùng

Có ba phương án lắp đặt lò xo lên ô tô là:

- Lắp không bản lề (hình 1-3a)

- Lắp bản lề một đầu (hình 1-3b)

- Lắp bản lề hai đầu (hình 1-3c)

Hình 1.3 Các sơ đồ lắp đặt lò xo trong hệ thống treo

a- Không có bản lề; b- Bản lề một đầu; c- Bản lề hai đầu

Khi lắp không bản lề, lò xo sẽ bị cong khi biến dạng làm xuất hiện các lực bên và mô men uốn tác dụng lên lò xo, khi lắp bản lề một đầu thì mô men uốn sẽ triệt tiêu, khi lắp bản lề hai đầu thì cả mô men uốn và lực bên đều bằng không

Vì thế trong hai trường hợp đầu, lò xo phải lắp đặt thế nào để ở trạng thái cân bằng tĩnh mômen uốn và lực bên đều bằng không Khi lò xo bị biến dạng max, lực bên và mô men uốn sẽ làm tăng ứng suất lên khoảng 20% so với khi lò xo chỉ chịu lực nén max

Lò xo được định tâm trong các gối đỡ bằng bề mặt trong Giữa lò xo và bộ phận định tâm cần có khe hở khoảng (0,02÷0,025) đường kính định tâm để bù cho sai số do chế tạo không chính xác

Để tránh tăng ma sát giữa các vòng lò xo và vành định tâm, chiều cao của nó cần phải lấy bằng 1÷1,5 đường kính sợi dây lò xo và các vòng lò xo không được chạm nhau ở tải trọng bất kỳ

+ Thanh xoắn:

Thanh xoắn được dùng ở một số ô tô du lịch và tải nhỏ Nó có những ưu - nhược điểm sau:

- Kết cấu đơn giản, khối lượng phần không được treo nhỏ

- Tải trọng phân bố lên khung tốt hơn (khi thanh xoắn bố trí dọc) vì mômen của các lực thẳng đứng tác dụng lên khung không nằm trong vùng chịu tải, nơi lắp các đòn dẫn hướng mà ở đầu kia của thanh xoắn

- Chế tạo khó khăn hơn

- Bố trí lên xe khó hơn do thanh xoắn thường có chiều dài lớn

Đặc điểm kết cấu: thanh xoắn có thể có tiết diện tròn (hình1-4a,b) hay tấm (hình 1-4c), lắp đơn (hình 1-4e) hay ghép chùm (hình 1-4d) Phổ biến nhất là loại tròn vì chế tạo đơn giản, có khả năng tăng độ bóng bề mặt để tăng độ bền Loại tấm chế tạo cũng đơn giản và cho phép giảm độ cứng tuy khối lượng có tăng lên Thanh xoắn ghép chùm thường sử dụng khi kết cấu bị hạn chế về chiều dài Thanh xoắn được lắp nối lên khung và với bánh xe (qua các đòn dẫn hướng) bằng các đầu then hoa Then hoa thường có dạng tam giác với góc giữa các mặt then bằng 90O

Hình 1.4 Các dạng kết cấu của thanh xoắn

+ Phần tử đàn hồi loại khí nén:

Phần tử đàn hồi khí nén được dùng ở một số ô tô du lịch cao cấp hoặc trên các xe có trọng lượng phần được treo thay đổi lớn như các ô tô khách và tải cỡ lớn

Nó có những ưu - nhược điểm sau:

- Bằng cách thay đổi áp suất khí, có thể tự động điều chỉnh độ cứng của hệ thống treo sao cho độ võng và tần số dao động riêng của phần được treo là không đổi với các tải trọng tĩnh khác nhau (đặc tính phi tuyến)

- Cho phép điều chỉnh vị trí của thùng xe đối với mặt đường Đối với hệ thống treo độc lập còn có thể điều chỉnh khoảng sáng gầm xe

- Khối lượng nhỏ, làm việc êm dịu

- Không có ma sát trong phần tử đàn hồi

- Tuổi thọ cao

- Kết cấu phức tạp, đắt tiền

- Kích thước cồng kềnh

- Phải dùng bộ phận dẫn hướng và giảm chấn độc lập

Kết cấu: phần tử đàn hồi có thể có dạng bầu tròn (hình 1.5) hay dạng ống (hình 1.6) Vỏ bầu cấu tạo gồm hai lớp sợi cao su (ni lông hay capron), mặt ngoài phủ một lớp cao su bảo vệ, mặt trong lót một lớp cao su làm kín Thành vỏ dày từ 3÷5 mm Loại bầu có thể có từ 1 đến 3 khoang phân cách bởi các đai xiết bằng thép Vành bầu có các lõi thép tăng bền và được kẹp chặt đến các mặt bích hay piston bằng các vòng kẹp

Hình 1.5 Phần tử đàn hồi khí nén Hình 1.6 Phần tử đàn hồi khí nén loại bầu loại ống

1- Vỏ bầu; 2- Đai xiết; 3- Vòng kẹp; 1- Piston; 2- Ống lót; 3- Bulông; 4- Lõi thép tăng bền 4,7- Bích kẹp; 5- Ụ cao su; 6- Vỏ

bọc; 8- Đầu nối; 9- Nắp bầu

Áp suất khí nén trong phần tử đàn hồi ứng với tải trọng tĩnh bằng (0,5÷0,6) MPa Áp suất này cần thấp hơn áp suất làm việc của hệ thống cung cấp từ (0,1÷0,2) MPa để đảm bảo áp suất dư trong trường hợp ô tô quá tải

Loại ống so với loại bầu tròn có ưu - nhược điểm:

- Ứng với cùng một tải trọng thì nó có kích thước và khối lượng nhỏ hơn

- Cho phép nhận được đặc tính đàn hồi yêu cầu bằng cách tạo biên dạng piston thích hợp

- Cho phép độ nghiêng lệch lớn và không yêu cầu lắp đặt chính xác cao, vì

có khả năng tự định tâm theo piston

- Ma sát trong lớn hơn nên độ bền giảm

- Chịu tải lớn và điều kiện làm việc phức tạp hơn

+ Phần tử đàn hồi thuỷ khí:

Phần tử đàn hồi thuỷ khí được sử dụng trên các xe có tải trọng lớn hoặc rất lớn Ngoài các ưu điểm tương tự như phần tử đàn hồi khí nén, phần tử đàn hồi thuỷ khí còn có các ưu - nhược điểm:

- Có đặc tính đàn hồi phi tuyến

- Đồng thời làm được nhiệm vụ của bộ phận giảm chấn

- Kích thước nhỏ gọn hơn vì áp suất làm việc cao hơn (đến 20 MPa)

Phần tử đàn hồi thuỷ khí có thể phân ra các loại: có khối lượng khí không đổi hay thay đổi Có hay không có buồng đối áp Không điều chỉnh hay điều chỉnh được

Phần tử đàn hồi thuỷ khí không có buồng đối áp là loại có kết cấu đơn giản nhất (hình 1.7)

Hình 1.7 Phần tử đàn hồi thuỷ khí loại không có buồng đối áp

Khoang chính I với khí trơ có thể bố trí trong xylanh (hình 1.7a), trong cần piston (hình 1.7b) hay trong bầu hình cầu (hình 1.7c và 1.7d)

Phần tử đàn hồi thuỷ khí có buồng đối áp kết cấu như trên hình 2-8 Buồng đối áp chứa khí trơ II được bố trí trên cần piston Buồng đối áp cho phép thay đổi đặc tính của phần tử đàn hồi trong giới hạn rộng nhờ đảm bảo một tổ hợp xác định giữa thể tích và áp suất khí trong buồng khí chính và buồng đối áp

Hình1.8 Phần tử đàn hồi thuỷ khí loại có buồng đối áp

Các lỗ tiết lưu sử dụng để dập tắt dao động (giảm chấn) có thể bố trí trong piston, trên vách ngăn của khoang chính hay khoang đối áp

Khí nén chỗ tiếp xúc với chất lỏng bị hoà trộn một phần vào nó khi áp suất cao và tách ra khỏi chất lỏng khi áp suất thấp Vì thế đối với loại hệ thống treo điều chỉnh được, người ta sử dụng phần tử đàn hồi với piston hay vách ngăn mềm để tránh không cho khí nén thoát ra cùng với chất lỏng khi điều chỉnh Áp suất ở hai phía vách ngăn xấp xỉ bằng nhau, vì thế tải trọng tác dụng lên nó trong thời gian làm việc không lớn

* Bộ phận dẫn hướng:

Hệ thống treo cho phép các bánh xe dịch chuyển thẳng đứng, ở mỗi vị trí của

nó so với thân xe, bánh xe phải đảm nhận khả năng truyền lực đầy đủ, thực hiện nhiệm vụ “chuyển động bánh xe” của ôtô Bộ phận dẫn hướng phải làm tốt chức năng này Với mỗi hệ thống treo, bộ phận dẫn hướng có cấu tạo khác nhau và chúng tạo nên các quan hệ: động học (quy luật dịch chuyển vị trí bánh xe), động lực học (quy luật truyền lực và mômen ở các vị trí của bánh xe đối với khung xe)

* Bộ phận giảm chấn:

Trên ôtô ngày nay thường sử dụng giảm chấn ống thuỷ lực có tác dụng hai chiều (trả và nén) Ở hành trình bánh xe dịch chuyển đến gần khung vỏ (gọi là hành trình nén của giảm chấn), giảm chấn giảm bớt xung lực va đập truyền từ bánh xe lên khung Ở hành trình bánh xe đi xa khung vỏ (gọi là hành trình trả của giảm chấn), giảm chấn giảm bớt xung lực va đập của bánh xe trên nền đường, tạo điều kiện đặt

êm bánh xe trên nền và giảm bớt phản lực truyền ngược từ mặt đường tới thân xe Các giảm chấn ống hiện đang dùng bao gồm:

- Theo kết cấu, có: giảm chấn loại đòn và loại ống

- Theo tỷ số giữa các hệ số cản nén Kn và hệ số cản trả Kt, giảm chấn được chia ra các loại: tác dụng một chiều, tác dụng hai chiều đối xứng, tác dụng hai chiều không đối xứng

Hiện nay phổ biến nhất là loại giảm chấn ống tác dụng hai chiều có đặc tính không đối xứng và có van giảm tải Tỷ số Kt/Kn = 2÷5 Hệ số cản nén được làm nhỏ hơn nhằm mục đích giảm lực truyền qua giảm chấn lên khung khi bánh xe gặp chướng ngại vật

* Thanh ổn định ngang:

Thanh ổn định ngang có tác dụng làm giảm góc nghiêng ngang thân xe, tức

là làm tăng tính chất chuyển động ổn định của ôtô Trong ôtô, thanh ổn định ngang thường thấy trên cả hai đầu của ôtô buýt, cầu trước (đôi khi cả trên cầu sau) của ôtô tải

Cấu tạo chung thanh ổn định có dạng chữ U, làm việc giống như một thanh xoắn đàn hồi Có hai dạng bố trí:

- Các đầu chữ U nối với bánh xe (dầm cầu), còn thân thanh ổn định nối với thân xe nhờ các ổ đỡ bằng cao su

- Trên một số ôtô có dạng bắt ngược lại: hai đầu của chữ U nối với thân xe, thân thanh ổn định ngang nối với dầm cầu cứng

Thanh ổn định ngang chỉ chịu xoắn khi có sự sai lệch lực tác dụng lên hai đầu (gây xoắn) của nó

Khi xe chuyển động trên đường không bằng phẳng hoặc quay vòng, dưới tác dụng của lực bên (lực ly tâm, gió bên, ), phản lực thẳng đứng của hai phần tử đàn hồi trên một cầu thay đổi, một bên tăng tải và một bên giảm tải gây nên sự nghiêng thân xe Thanh ổn định ngang lắp trên ôtô được xem là bộ phận đàn hồi phụ với chức năng hạn chế sự nghiêng thân xe Với các ôtô có yêu cầu cao về tiện nghi đòi hỏi bộ phận đàn hồi (nhíp lá, lò xo, thanh xoắn, ) có độ cứng nhỏ Khả năng gây nên mômen chống lật của bộ phận đàn hồi chính nhỏ, vì vậy cần thiết thêm vào hệ thống treo thanh ổn định ngang Khi làm việc ở các vùng góc nghiêng ngang thân

xe gần giá trị giới hạn, mômen chống lật đảm bảo cân bằng với mômen gây lật thì

hệ thống treo không có mặt phần tử đàn hồi phụ (thanh ổn định)

* Các bộ phận khác:

Ngoài các bộ phận kể trên, hệ thống treo của ôtô còn có các bộ phận khác:

- Vấu cao su tăng cứng: thường đặt trên nhíp lá và tỳ vào phần biến dạng của nhíp lá, kết cấu này làm giảm chiều dài biến dạng của nhíp lá khi tăng tải Vấu cao

su vừa tăng cứng vừa hạn chế hành trình làm việc của bánh xe (được gọi là vấu hạn chế hành trình) Các vấu hạn chế hành trình trên thường được kết hợp với chức

năng tăng cứng cho bộ phận đàn hồi Các vấu hạn chế hành trình này có khi được đặt trong vỏ của giảm chấn

- Các gối đỡ cao su: làm chức năng liên kết mềm Nó có mặt ở hầu hết các mối ghép với khung vỏ Ngoài chức năng liên kết, nó còn có tác dụng chống rung truyền từ bánh xe lên, giảm tiếng ồn cho khoang người ngồi

1.2.4 Các loại hệ thống treo thông dụng

1.2.4.1 Hệ thống treo độc lập

Đặc điểm của cơ cấu treo độc lập là hai bánh trước không nối liền bằng một dầm cứng mà bằng dầm cầu cắt, bánh này không phụ thuộc vào bánh kia, cho phép các bánh xe dịch chuyển độc lập Bộ phận hướng trong trường hợp này có thể là loại đòn, loại đòn - ống hay còn gọi là Makferxon Loại đòn lại có loại: 1 đòn, 2 đòn, loại đòn lắc trong mặt phẳng ngang, lắc trong mặt phẳng dọc và lắc trong mặt phẳng chéo

Hình 1.9 Cơ cấu treo độc lập loại hai đòn

1- Lò xo; 2- Tay đòn dưới; 3-Bản lề; 4- Trục; 5- Giảm xóc;

6- Cân bằng ngang; 7,9- Đệm cao su; 8- Trụ của bộ cân bằng;

10- Ngõng quay; 11- Trục của cơ cấu treo phía trước

Ưu - nhược điểm của hệ thống treo độc lập:

- Cho phép tăng độ võng tĩnh và động của hệ thống treo, nhờ đó tăng được

độ êm dịu chuyển động

- Không gian gầm xe ít bị chiếm chỗ do vậy có khả năng giảm chiều cao trọng tâm ôtô, điều này rất cần thiết với các loại ôtô con

- Giảm được hiện tượng dao động các bánh xe dẫn hướng do hiệu ứng mômen con quay

- Tăng được khả năng bám đường, do đó tăng được tính điều khiển và ổn định của xe

- Hạn chế khả năng truyền lực bên giữa hai bánh xe

- Phức tạp và đắt tiền khi sử dụng ở các cầu chủ động Vì thế các ôtô du lịch hiện đại thường dùng hệ thống treo phụ thuộc ở cầu sau Hệ thống treo độc lập ở các cầu chủ động chỉ sử dụng trên các ôtô có tính cơ động cao

1.2.4.2 Hệ thống treo phụ thuộc

Đặc trưng cấu tạo của hệ thống treo phụ thuộc là dầm cầu liền liên kết cứng giữa hai bánh xe Bởi vậy, dịch chuyển của các bánh xe trên một cầu phụ thuộc lẫn nhau Việc truyền lực và mômen từ bánh xe lên khung có thể thực hiện trực tiếp qua các phần tử đàn hồi dạng nhíp hay nhờ các thanh đòn Trên cầu bị động, dầm cầu cứng thường làm bằng thép định hình liên kết dịch chuyển của hai bánh xe Trên cầu chủ động, dầm cầu vừa liên kết giữa hai bánh xe vừa chứa bên trong toàn bộ cụm truyền lực cầu xe Sự liên kết cầu xe với thân xe thông qua dầm cầu và hệ thống treo Trong quá trình chuyển động, nếu một bánh xe dịch chuyển theo phương thẳng đứng sẽ xảy ra các chuyển vị phụ theo các trục tọa độ ảnh hưởng tới các chuyển vị của bánh xe bên kia và dẫn tới giảm khả năng lăn phẳng của các bánh xe

8 7 6

9 10

5

Hình 1.10 Hệ thống treo phụ thuộc loại nhíp lá

1- Nhíp lá; 2- Vòng kẹp; 3- Chốt nhíp; 4- Quang treo; 5- Giá đỡ;

6- Giảm chấn; 7- Ụ tỳ; 8- Khung xe; 9- Quang nhíp; 10- Dầm cầu

Ưu, nhược điểm của hệ thống treo phụ thuộc:

- Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ trong khi vẫn đảm bảo được các yêu cầu cần thiết, nhất là đối với những xe có tốc độ chuyển động không lớn

- Khi tổng ngoại lực theo phương ngang tác dụng lên ôtô lớn hơn tổng khả năng bám bên của cả hai bánh xe, sẽ xảy ra hiện tượng trượt ngang Nếu dầm cầu liền, khi chịu lực bên (ly tâm, đường nghiêng, gió bên) hai bánh xe được liên kết cứng sẽ hạn chế được hiện tượng trượt bên bánh xe

- Dễ tháo lắp và sửa chữa, giá thành thấp

- Khối lượng phần không được treo lớn, đặc biệt trên cầu chủ động Khi xe đi trên đường không bằng phẳng, tải trọng động sinh ra sẽ gây nên va đập mạnh giữa phần không treo và phần treo (thùng xe), làm giảm độ êm dịu chuyển động của ôtô Mặt khác, bánh xe va đập mạnh trên nền đường làm xấu sự tiếp xúc bánh xe với đường

- Khoảng không gian phía dưới gầm xe phải lớn, đủ đảm bảo cho dầm cầu thay đổi

vị trí, do vậy: hoặc chiều cao trọng tâm phải lớn, hoặc phải giảm bớt thể tích khoang chứa hàng của xe

Với các ưu, nhược điểm trên, hệ thống treo phụ thuộc được dùng nhiều cho ôtô tải và ôtô bus

1.2.4.3 Hệ thống treo khí nén

Hệ thống treo khí nén, thuỷ lực – khí nén được sử dụng như một khả năng hoàn thiện kết cấu ôtô Tuy vậy với các loại ôtô khác nhau: ôtô con, ôtô tải, ôtô buýt cũng được ứng dụng với những mức độ khác nhau Phổ biến nhất trong các kết cấu

là áp dụng cho ôtô buýt tiên tiến Với hệ thống treo này cho phép giữ chiều cao thân

xe ổn địn Hệ thống treo khí nén dùng trên ôtô được hình thành trên cơ sở khả năng điều chỉnh độ cứng của buồng đàn hồi khí nén (ballon) theo chuyển dịch của thân

xe Sơ đồ nguyên lý kết cấu của một hệ thống treo khí nén đơn giản được trình bày trên hình 1.11

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý kết cấu của hệ thống treo khí nén

1- Bánh xe; 2- Ballon khí; 3- Thân xe; 4- Giá đỡ; 5- Van trượt cơ khí;

6- Cảm biến vị trí; 7- Bộ vi xử lý; 8- Bộ chia khí nén; 9- Bình chứa khí nén

1.3 Tình hình nghiên cứu về độ êm dịu chuyển động của ô tô và sự phá hỏng mặt đường do các phương tiện giao thông đường bộ

1.3.1.Tình hình nghiên cứu về độ êm dịu chuyển động của ô tô

Tính êm dịu chuyển động là một trong những chỉ tiêu quan trọng của ô tô, máy kéo Tính êm dịu chuyển động phụ thuộc vào kết cấu xe và trước hết là hệ thống treo, phụ thuộc vào cường độ kích động và cuối cùng là kỹ thuật lái xe

Chỉ tiêu đánh giá thân thiện với đường được đánh giá ờ hai góc nhìn khác nhau Thứ nhất, đánh giá độ an toàn của ô tô khi chuyển động dưới kích thích cùa biên dạng đường, bao gồm các chỉ tiêu về độ ồn định thân xe, các chi tiêu về độ bám đường Thứ hai, đánh giá sự phá huỷ bề mặt đường do ô tô gây ra, bao gồm các chỉ tiêu đánh giá sự phá huỷ đường, ở góc nhìn thứ hai mặt đường là đối tượng quan sát, mấp mô mặt đường kích thích ô tô dao động gây ra tải trọng động tác dụng lại xuống mặt đường Tải trọng động là một trong những nguyên nhân chính gây phá huỷ mặt đường Như vậy, chất lượng bề mặt đường vừa là tác nhân vừa là đôi tượng chịu hậu quả đó gián tiếp thông qua ô tô Hệ thống treo trên ô tô có tác dụng làm giảm hậu quả đó

Để đánh giá tính êm dịu chuyển động của ô tô ta thường dùng một số chỉ tiêu như: Tần số dao động, gia tốc dao động và độ êm dịu

1.3.1.1 Tần số dao động riêng

Tần số dao động riêng của một hệ dao động (bao gồm 01 khối lượng đặt trên

01 lò xo) được hiểu là số dao động của hệ trong một phút (dao động/phút), hoặc trong một giây (1/s tương ứng với 01Hz)

M - Khối lượng được đặt trên hệ

Tần số dao động riêng chỉ phụ thuộc vào các thông số kết cấu của hệ thống dao động (khối lượng, độ cứng, lực cản) mà không phụ thuộc vào kích thích dao động

1.3.1.2 Gia tốc dao động

Gia tốc dao động riêng là một chỉ tiêu quan trọng, nó kể đến ảnh hưởng đồng thời của biên độ và tần số dao động Chúng ta biết rằng dao động tự do tắt dần chi tồn tại trong một chu kỳ, do vậy việc xác định gia tốc dao động sẽ có ý nghĩa lớn khi nghiên cứu dao động cưỡng bức với sự kích thích của mặt đường

1.3.1.3 Chỉ tiêu về độ êm dịu

Trên cơ sở tiêu chuẩn quốc tế hiện hành là ISO 2631-1:1997, nhà nước ta cũng ban hành bộ TCVN 6964-1:2001, hoàn toàn tương đương với ISO 2631-1:1997

Mục tiêu của TCVN 6964-1:2001 là xác định phương pháp đánh giá rung động toàn thân với biên độ nhỏ, liên quan đến sức khoẻ và độ tiện nghi của con người chịu rung động

Khả năng cảm nhận rung động Sự chóng mặt buồn nôn do rung động Phương pháp đánh giá là dựa vào trọng số gia tốc r.m.s hay còn gọi là gia tốc bình phương trung bình trong số gia tốc r.m.s tính bằng m/s2 đối với rung động tịnh tiến và rad/s2 đối với rung động quay.Gia tốc r.m.s được tính bằng công thức sau.[17]

Trong đó :

aw (t) gia tốc rung động tịnh tiến hoặc quay;

T : thời gian rung động

Theo TCVN 6964-1:2001: phản ứng của cơ thể con người đối với những mức rung động khác nhau phụ thuộc vào trọng số gia tốc aw như sau

Bảng 1.1 Chỉ tiêu về độ êm dịu

1.3.2 Sự phá hỏng mặt đường do các phương tiện giao thông đường bộ

Qua khảo sát một số tuyến đường quốc lộ ở khu vực miền bắc có mật độ phương tiện đông và đặc biệt các phượng tiện vận tải nặng thường xuyên hoạt

động như quốc lộ 1A, quốc lộ 2, quốc lộ 5, quốc lộ 6 và một số tuyến đường ở miền nam như quốc lộ 51, quốc lộ 13 Kết quả khảo sát cho thấy các đoạn đuờng có

phương tiện thường xuyên hoạt động chất lượng mặt đường xuống cấp nhanh, thường xuyên phải duy tu sửa chữa Các dạng phá huỷ đường thường là nứt, gãy bề mặt

Để giảm thiêu phá hủy đường do các phương triện giao thông gây ra, hầu hết các quốc gia trên thể giới quy định trọng lượng toàn bộ của ỏ tô, tải trọng trục

và khoảng cách giữa các trục Một số nước còn quy định thông số dao động của hệ thống treo cho ô tô để giảm thiểu phá huỷ đường

Chỉ tiêu đánh giá thân thiện với đường được đánh giá ờ hai góc nhìn khác nhau Thứ nhất, đánh giá độ an toàn của ô tô khi chuyển động dưới kích thích của biên dạng đường, bao gồm các chỉ tiêu về độ ồn định thân xe, các chi tiêu về độ bám đường Thứ hai, đánh giá sự phá huỷ bề mặt đường do ô tô gây ra, bao gồm các chỉ tiêu đánh giá sự phá huỷ đường, ở góc nhìn thứ hai mặt đường là đối tượng quan sát, mấp mô mặt đường kích thích ô tô dao động gây ra tải trọng động tác

dụng lại xuống mặt đường Tải trọng động là một trong những nguyên nhân chính gây phá huỷ mặt đường Như vậy, chất lượng bề mặt đường vừa là tác nhân vừa là đôi tượng chịu hậu quả đó gián tiếp thông qua ô tô Hệ thống treo trên ô tô có tác dụng làm giảm hậu quả đó

1.4 Tình hình nghiên cứu biên dạng đường ôtô

Biên dạng đường tạo ra các kích thích dao động lên bánh xe khi xe chuyển động trên đường , từ đó gây ra dao động cho ôtô, sự tương tác giữa bánh xe và mặt đường trong quá trình vận tải giao thông đường bộ được các tác giả trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu với nhiều góc độ khác nhau, có thể kể đến một số công trình sau :

- Tác giả Sweatman[31] đã sử dụng thiết bị để đo lực động của 9 loại ôtô khác nhau, trên nhiều loại đường với tốc độ thay đổi Tác giả đã xác định mối quan hệ nêu trên ở mức độ rất cao (lũy thừa bậc 4) để đánh giá lực động gây hư hại

- Hiệp hội AASHO của Mỹ, phân loại mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn IRI, đánh giá nguyên nhân suy giảm tuổi thọ của đường do phương tiện có tải trọng lớn gây ra

- Các tác giả Tec.Potter, D.Cebon và D.J Cole đã đưa ra các quy chuẩn về phương pháp kiểm tra lực động, các chỉ số giới hạn gây phá hủy đường [30]

- Tác giả David Cebon có nhiều công trình nghiên cứu đánh giá lực động giữa bánh xe và mặt đường cũng như ảnh hưởng của lực động đến phá hủy đường [24]

- Tác giả Alexander O.Gibson nghiên cứu xây dựng mô hình động lực dọc của

xe tải nặng để đánh giá sự phá hủy đường.[27]

- Tác giả K.Y và JK Hedick nghiên cứu biện pháp làm giảm phá hủy đường bằng các hệ thống treo tích cực, bán tích cực.[29]

- Tác giả Đào Mạnh Hùng đã xây dựng mô hình xác định lực động giữa bánh

xe và mặt đường trên miền thời gian và tần số, với kích thích mặt đường ngẫu nhiên theo điều kiện đường xá ở Việt nam.[11]

- Tác giả Trần Văn Như & Đào Mạnh Hùng : tối ưu thông số của hệ thống treo

để giảm thiểu phá hủy đường theo điều kiện ở Việt nam.[17]

- Tác giả Nguyễn Đức Hòa trong luận văn “ Mô phỏng toán học biên dạng đường bằng hàm Splain bậc 3” cũng đã đề cập đến một phương pháp để mô phỏng biên dạng đường ôtô.[9]

Nhìn chung các nghiên cứu tập trung vào những nội dung chính , bao gồm:

- Các chỉ tiêu đánh giá về lực động , ảnh hưởng của lực động tới ôtô, mặt đường

- Các mô hình dao động , bao gồm mô hình vật lý, toán học

- Nguồn kích thích dao động

- Các yếu tố ảnh hưởng đối với mức độ hư hỏng mặt đường

-Công trình nghiên cửu về mấp mô đường và chế tạo thiết bị đo xóc kiểu phản ứng của MDX-73 của GS Nguyễn Xuân Đào [6] và được thử nghiệm trên các tuyến đường chính của Việt Nam, từ đó ban hành quy trình của ngành (TCVN- 1015/QĐKT4)

1.5 Các phương pháp và phần mềm ứng dụng trong nghiên cứu dao động ôtô

Để nghiên cứu dao động của ôtô người ta sử dụng một số phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

1.5.1.1 Nghiên cứu hệ dao động một phần tử khối lượng

Mô hình hóa dao động của một phần tử (một khối lượng) của hệ thống treo

1 bậc tự do (phương thẳng đứng) Trên cơ xở mô hình trên có thể khảo sát ảnh hưởng của các thông số đặc trưng về kết cấu như độ cứng k của lò xo, hệ số cản c của giảm chấn đến biên độ dao động cực đại, gia tốc cực đại, thời gian ổn định của hệ…Ngoài ra cũng có thể khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chuyển động thông qua việc thay đổi tần số, biên độ kích thích đầu vào

1.5.1.2 Nghiên cứu hệ dao động hai phần tử khối lượng

Khảo sát tính chất dao động của ô tô, với tư cách là một hệ hai khối lượng: phần khối lượng được treo gồm khối lượng khung, gầm, động cơ và người ngồi

trên xe; phần khối lượng không được treo gồm khối lượng cầu xe, bánh xe, cụm moay ơ và đĩa phanh Trong thực tế ảnh hưởng tương tác giữa các phần tử dao động là rất phức tạp, việc xây dựng mô hình toán với vài giả thuyết nhất định sẽ rất thuận lợi cho việc nghiên cứu ảnh hưởng của đơn yếu tố hoặc đa yếu tố trong bài toán dao động xe ô tô, làm cơ xở khoa học cho chẩn đoán kỹ thuật hệ thống treo và các bánh xe

1.5.1.3 Phương trình Lagrange loại 2

Xét hệ cơ học gồm n chất điểm có n tọa độ suy rộng với các liên kết ràng buộc là holonom phương trình Lagrange loại 2 , lập mô hình dao động trong không gian , sử dụng phương trình Lagrage loại II để thiết lập hệ phương trình vi phân dao động của xe

1.5.1.4 Phương trình Dalambe

Theo nguyên lý Dalambe, bài toán động lực học hệ dao động sẽ đưa về bài toán tĩnh học trên cơ sở đưa lực quán tính vào cơ hệ, khi đó phương trình chuyền động sẽ được thiết lập trên cơ sở lấy tổng đại số các ngoại lực, phản lực và lực quán tính tác dụng lên hệ khảo sát Khi đó, các phần tử của hệ dao động sẽ được tách độc lập và đặt ngoại lực cân bằng ở trạng thái tĩnh Từ đó xây dựng các phương trình cho từng phần từ để giải hệ các phương trình đơn giản

1.5.1.5 Khảo sát dao động của ô tô thông qua mô hình dao động liên kết

Khảo sát dao động của ô tô thông qua mô hình dao động liên kết (mô hình phẳng) nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của kích thích của đường tới chuyển động của ô

tô và sự phân bố khối lượng của xe khi phanh hoặc tăng tốc

1.5.1.6 Các chỉ tiêu và mô hình nghiên cứu dao động ô tô

Các chỉ tiêu đánh giá độ dao động

Khi ô tô chuyển động trên đường dao động xuất hiện trong toàn bộ hệ thống của xe dưới tác động kích thích của các mấp mô biên dạng đường Dao động của ô

tô ảnh hưởng đến bản thân người lái và hành khách, hàng hoá chuyên chở trên xe,

độ bền, tuổi thọ của các kết cấu ô tô Nghĩa là trong quá trình chuyển động ô tô luôn bị dao động, với thời gian kéo dài sẽ gây ra mệt mỏi với người lái và hành

khách, làm giảm hiệu suất công việc, có thể gây ra nguy cơ mắc bệnh thần kinh và não dẫn đến mất phản ứng linh hoạt và điều khiển chính xác gây ra tai nạn giao thông

Vì vậy khi nói đến dao động của ô tô theo quan điểm của chế độ sử dụng thì

độ êm dịu chuyển động của ô tô có thể hiểu là tập hợp các tính chất đảm bảo hạn chế các tác động của dao động có ảnh hưởng xấu tới con người, hàng hoá và các kết cấu của ô tô

Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì dao động của ô tô gây ra sự thay đổi giá trị phản lực pháp tuyến giữa bề mặt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường Nếu giá trị phản lực pháp tuyến giảm so với trường hợp tải trọng tĩnh thì sẽ làm giảm khả năng tiếp nhận các lực dọc, ngang (Lực kéo, lực phanh, lực bám ngang), dẫn đến hiện tượng tách bánh khỏi đường gây mất an toàn khi xe chuyển động, phanh và quay vòng còn khi giá trị phản lực này tăng thì sẽ làm tăng tải trọng động tác dụng xuống nền đường và tác động ngược lại đối với các kết cấu của xe

Từ các khái niệm trên để có thể đánh giá chất lượng xe một cách khách quan, chính xác cần phải nghiên cứu và phát triển lý thuyết dao động trong tất cả lĩnh vực liên quan Nghiên cứu tổng quát về dao động xe đó là giải quyết mối quan

hệ “Đường-Xe-Người”

Các tính chất dao động của ô tô thường đánh giá theo 2 quan điểm:

- Quan điểm về độ êm dịu chuyển động mà thông số gia tốc dao động có tính chất quyết định vì nó tác dụng lên lái xe và hành khách

- Quan điểm về độ an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền thì giá trị tải trọng động giữa bánh xe và nền đường là thông số mang tính chất quyết định

Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động:

Để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, các nước có nền công nghiệp

ô tô phát triển hàng đầu trên thế giới đã đưa ra các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu khác nhau Dựa vào các công trình nghiên cứu của nước ngoài và các tài liệu của viện

khoa học kĩ thuật bảo hộ lao động Việt Nam, đưa ra một số chỉ tiêu đặc trưng cho

độ êm dịu chuyển động của ô tô như sau:

- Chỉ tiêu về tần số:

Con người khi tham gia vào giao thông cũng là một hệ dao động, di chuyển

là hoạt động thường xuyên của con người đã trở thành một thói quen Khi con người di chuyển tương đương với hệ thực hiện dao động, số lần bước trong một phút thường trong khoảng 60-85 bước, tương ứng với tần số dao động khoảng 1-1,5Hz Vậy nên từ thói quen đó con người chịu dao động hợp lý trong khoảng tần

số vừa nêu trên Khi đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô với các điều kiện mặt đường cũng như kết cấu cụ thể thì tần số dao động của ô tô phải nằm trong giới hạn 1-1,5 Hz, thường lấy chuẩn để đánh giá dao động của ô tô như sau:

- Đối với xe du lịch n = 60-85 (dđ/ph)

- Đối với xe vận tải n = 85-120 (dđ/ph)

- Chỉ tiêu về gia tốc dao động

Các thí nghiệm kéo dài trong 8 giờ liền cho thấy nhạy cảm hơn cả đối với người là dảy tần số 4-8 Hz Trong dảy tần số này các giá trị cho phép của toàn phương gia tốc như sau [1]

Dễ chịu : 0,1 (m/s2)

Gây mệt mỏi : 0,315 (m/s2)

Gây ảnh hưởng tới sức khỏe : 0,63 (m/s2)

Các số liệu trên có thể xem là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, bởi vì nó dựa trên cơ sở số liệu thống kê Mặt khác, điều quan trọng hơn

là dao động ô tô truyền cho con người thực chất là tác động ngẫu nhiên với dải tần

số rộng và phức tạp cả theo hướng tác dụng Ngoài ra theo một số tài liệu tham khảo các tác giả còn đưa ra một số chỉ tiêu khác đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô như chỉ tiêu tính êm dịu chuyển động dựa vào gia tốc dao động và thời gian tác động của nó

- Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền đường:

Theo quan điểm về an toàn chuyển động(xét theo khía cạnh về tính điều

khiển) và tải trọng tác dụng xuống nền đường thì trị số lực tác dụng thẳng đứng

giữa bánh xe với đường cũng là thông số quan trọng để đánh giá Lực động F d (t)

xác định phức tạp hơn vì nó phụ thuộc vào tính chất dao động của ô tô, vận tốc

chuyển động và độ mấp mô biên dạng đường

Theo quan điểm về tải trọng tác dụng xuống nền đường thì sẽ dựa vào trị số

lớn nhất của tải trọng bánh xe, nghĩa là tương ứng với giá trị dương của F d (t) để

đánh giá, nếu F d (t) càng lớn thì sự ảnh hưởng do lực tác động tới lốp xe và các bộ

phận chi tiết của xe và nền đường càng bị tác động xấu nhiều hơn Mặt khác để

giảm sự ảnh hưởng của F d (t) thì trong trường hợp giảm tải trọng bánh xe so với

giá trị tải trọng tĩnh, nghĩa là làm giảm khả năng tiếp nhận lực tiếp tuyến(nhất là

khi phanh) và lực ngang(quan trọng khi quay vòng) Trong trường hợp đặc biệt

bánh xe bị nảy khỏi mặt đường khi đó lực tác dụng từ đường lên bánh xe sẽ bằng 0

và ô tô sẽ mất tính điều khiển Để đánh giá tính chất dao động của ô tô theo quan

điểm về an toàn chuyển động cần xác định tỉ số giữa lực tác động F d (t) và tải trọng

tĩnh của bánh xe là R t K:

k t d R

F

K 

Khảo sát dao động của ô tô người ta quan tâm đến sự bám của lốp với mặt

đường, nhằm đảm bảo dao động của ô tô thoả mãn các chỉ tiêu về độ êm dịu nhưng

bánh xe vẫn phải bám đường, nếu không đạt 2 chỉ tiêu đó sẽ dẫn đến làm mất tính

ổn định khi điều khiển xe, làm tăng tiêu hao nhiên liệu

Giá trị gần đúng của lực tác dụng xuống nền đường có thể xác định như sau:

)( q

K

F d  L 

Trong đó: K L: độ cứng của lốp

 : chuyển dịch của bánh xe theo phương thẳng đứng

q : chiều cao mấp mô biên dạng đường

Có thể xác định giá trị tdmax là giá trị cực đại của chuyển dịch tương đối của bánh

xe với đường theo biểu thức:

)(max Max q



Giá trị tdmax cũng có thể làm cơ sở đánh giá khả năng bám của lốp với đường

- Mô hình dao động của Ô tô :

Ôtô thuộc hệ cơ học nhiều vật, dao động với dải tần số thấp không vượt quá 50Hz Việc lập và chọn mô hình dao động phải theo 3 tiêu chí sau:

- Mục tiêu nghiên cứu (đề tài này khảo sát theo mục đích chẩn đoán)

- Cấu trúc riêng của đối tượng nghiên cứu

- Khả năng tính toán và phương tiện tính toán

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật khả năng tính toán hầu như không bị hạn chế (có nhiều phần mềm rất mạnh hỗ trợ tính toán), nên chủ yếu khi chọn và lập mô hình thường căn cứ vào mục tiêu và đặc điểm kết cấu của đối tượng

Về mục tiêu nghiên cứu có thể bao hàm các vấn đề sau:

1 Nghiên cứu tối ưu hệ treo, kể cả hệ treo tích cực Đối với mục tiêu này thì chỉ cần khảo sát mô hình ¼ (một trong 4 bánh)

2 Nghiên cứu về dao động liên kết, thường dùng mô hình phẳng; mô hình phẳng cũng còn dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của đường

3 Nghiên cứu sự trượt và lật dưới tác động của ngoại lực như đường mấp

mô, gió bên nên thường sử dụng mô hình ½ hoặc mô hình full

- Mô hình ¼

Mô hình ¼ bao gồm hai khối lượng được treo (thay thế cho khối lượng thân xe) và khối lượng không được treo (thay thế cho khối lượng bánh xe, cầu xe và các thành phần liên kết) Phần treo và không được treo liên kết với nhau thông qua các phần tử đàn hồi của treo và giảm chấn, có độ cứng là k, hệ số cản giảm chấn c như thể hiện trong hình 2.2

Để có thể chuyển mô hình vật lý thành mô hình động lực học hệ dao động ô

tô, cần phải có một số giả thiết nhằm đơn giản cho việc tính toán nhưng vẫn đảm bảo tính đúng đắn của kết quả Quá trình nghiên cứu trong mô hình ¼ chỉ xét dao

động của một trong bốn bánh xe, dao động của hệ là nhỏ, tuyến tính, xung quanh vị trí cân bằng tĩnh, bánh xe lăn không trượt và luôn tiếp xúc với đường

Mô hình 1/4 có thể dùng để chọn tối

ưu các thông số như độ cứng lốp, khối

lượng không được treo m, độ cứng c và

hệ số cản giảm chấn k theo các hàm

mục tiêu vừa nêu trên

Việc này có ý nghĩa trong bài toán

điều khiển, tối ưu hệ treo

- Mô hình dao động liên kết

Mô hình động lực học này biểu thị dao động liên kết ô tô 2 cầu ở dạng mô hình phẳng, có nghĩa là ô tô được giả thiết đối xứng qua trục dọc của xe và xem độ mấp mô của biên dạng đường ở dưới bánh xe trái và phải là như nhau Khối lượng treo được qui dẫn về trọng tâm phần treo biểu thị qua giá trị khối lượng m3 (đại diện cho khối lượng được treo là thân xe) và m1, m2

(đại diện cho khối lượng không được treo là cầu xe) với 4 bậc tự do là Z3, , Z1, Z2

Mô hình này hiệu quả với bài toán bố trí chung, và là mô hình đơn giản khi nghiên cứu về đường và phân bổ tải khi phanh

xe với đường sẽ tham gia vào phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ Hàm kích động là một yếu tố thuộc mô hình dao động, mô tả những yếu tố gây dao động, và thường được mô tả dưới dạng các hàm biên dạng sau:

i t t f h

- Hàm dao động ngẫu nhiên: h  f   t   mf, Rf  τ 

Với mf: giá trị trung bình

Rf: Hàm quan hệ

: Thời gian tương quan

Việc chọn loại kích động nào thì phụ thuộc cụ thể vào từng mục tiêu nghiên cứu Nếu nghiên cứu về ảnh hưởng của đường thì buộc phải dùng hàm kích động ngẫu nhiên Còn nếu tối ưu hệ treo thì dùng hàm sin và hàm xung là đủ Trong phạm vi đề tài này chỉ khảo sát hệ dao động một phần tử khối luợng, hệ dao động hai phần tử khối lượng và hệ dao động liên kết, do đó chỉ dùng hàm sin Ngoài mấp

mô của đường là yếu tố gây dao động, còn có các yếu tố gây dao động khác mà ta

có thể kể ra như sau:Gió ngang, gió dọc, góc quay vô lăng, đặc trưng qua gia tốc ngang với ngoại lực là lực quán tính li tâm khi vào cua

Như vậy có tất cả 4 yếu tố gây ảnh hưởng đến dao động ôtô mà trong khi nghiên cứu cũng phải đề cập, hoặc là riêng về từng yếu tố một, hoặc đồng thời một

số yếu tố kết hợp Trong phạm vi đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu kích động từ mặt đường theo hình sin

Trong phương pháp này nhìn chung các tác giả sẽ từ cấu tạo và quá trình làm việc của ôtô với các lực kích động gây ra để xây dựng phương trình toán học cho hệ dao động sao đó sử dụng phương trình Lagrange loại 2, phương trình Dalambe, Phương pháp công di chuyển khả dĩ của hệ đa vật, Phương pháp hệ thống con để giải

1.5.2 Phương pháp thực nghiệm

Sau khi thu được những kết quả từ mô hình toán của nghiên cứu lý thuyết,

để kiểm tra tính đúng đắn và độ tin cậy của mô hình người ta thường phải tiến hành thực nghiệm Trong thực nghiệm, người ta sẽ tiến hành các phép đo để xác định các thông số thực và qui luật biến đổi thực của chúng Sau đó, tiến hành so sánh với những kết quả của tính toán lý thuyết, nếu sai lệch trong phạm vi cho phép và có thể lý giải được nguyên nhân dẫn đến sự sai lệch đó thì lý thuyết sẽ được chấp nhận

Phương pháp đo các đại lượng nghiên cứu trong luận án được thực hiện theo phương pháp đo các đại lượng không điện bằng điện

Áp dụng các phương pháp thí nghiệm đã có xác định các thông số đầu vào và xác định các thông số đầu ra

Sử dụng các thiết bị đo, cảm biến đo và các phần mềm xử lý số liệu hiện đại

để xác định các thông số phục vụ cho khảo sát bài toán lý thuyết như tọa độ trọng tâm của xe, mômen quán tính của xe, độ cứng và hệ số cản giảm chấn của các phần

tử đàn hồi, độ mấp mô mặt đường, đồng thời đo các thông số đầu ra của bài toán như gia tốc dao động thân xe

Quá trình tổ chức và tiến hành thí nghiệm xác định trọng lượng, tọa độ trọng tâm, mômen quán tính, độ cứng của lốp, của nhíp, độ mấp mô mặt đường, gia tốc dao động thân xe theo phương pháp thống kê toán học và phương pháp thí nghiệm ôtô

1.5.3 Các phần mềm nghiên cứu dao động ôtô

1.5.3.1 Phần mềm Mathematica

Mathematica là một tổ hợp các tính toán bằng ký hiệu, tính toán bằng số, vẽ

đồ thị và là ngôn ngữ lập trình tinh vi Mục đích chính của phần mềm này là đưa vào sử dụng cho các ngành khoa học vật lý, công nghệ và toán học, nhưng cùng với thời gian Mathematica trờ thành phần mềm quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học khác Trong công nghệ ngày nay người ta đã sử dụng Mathematica trong công tác thiết kế [34]

1.5.3.2 Phần mềm Maple

Với Maple người dùng có thể nhập biểu thức toán học theo các ký hiệu toán học truyền thống Có thể dễ dàng tạo ra những giao diện người dùng tùy chọn Maple hỗ trợ cho cả tính toán số và tính toán hình thức, cũng như hiển thị Nhiều phép tính số học được thực hiện dựa trên thư viện số học NAG; trong Maple, các chương trình con NAG đã được mở rộng để cho phép độ chính xác ngẫu nhiên lớn Maple cũng có một ngôn ngữ lập trình cấp cao đầy đủ

Ưu điểm của Maple là giải phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng,

vẽ đồ thị trong không gian 2 chiều, 3 chiều [7]

1.5.3.3 Phần mềm Mathcad

MATHCAD là một loại chương trinh xử lý toán học được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới hiện nay Nó hỗ trợ cho việc sử dụng máy tính làm công cụ thiết kế, xuất ra các văn bản mà người đọc hiểu được các bản tính cũng như các công thức tính một cách tường minh Ngoài ra cũng có thể lập trinh trên MATHCAD như một ngôn nhữ lập trinh bậc cao

MATHCAD có thể thay thế cho các bảng tính EXCEL trong việc diễn đạt

các bảng tính thiết kế đối tượng cơ khí hay xây dựng Mặt khác, phân họa thể hiện

rõ ràng và đa dạng hơn Đặc biệt những tính toán phức tạp như giải phương trình vi phân, các phép toán ma trận, giải các bài toán số phức, các bài toán tối ưu hóa đều

rõ ràng [6 ]

1.5.3.4 Phần mềm Matlab & Simulink

Đối với việc giải và mô phòng phương trình vi phân thi Matlab & Simulink