TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tình hình nghiên cứu, ứng dụng các loại ô tô, máy kéo trong vận chuyển gỗ
1.1.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng các loại ô tô, máy kéo trong vận chuyển gỗ trên thế giới
Khai thác gỗ là quá trình biến cây đứng thành sản phẩm gỗ tròn theo qui cách xác định và chuyển chúng từ rừng đến điểm tiêu thụ Đây là cầu nối giữa tài nguyên rừng và các ngành công nghiệp như chế biến gỗ, giấy, khai thác than, và xây dựng Việc khai thác cần tuân thủ công nghệ nhất định, bao gồm cả công nghệ thủ công và tiên tiến, phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội và môi trường địa phương Công nghệ khai thác gỗ hiệu quả phải giảm thiểu chi phí sản xuất và tác động xấu đến môi trường Một nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng chi phí vận chuyển gỗ có thể chiếm hơn 45% tổng chi phí khai thác gỗ.
Việc vận chuyển gỗ từ các bãi gỗ đến nơi tiêu thụ ở Brazil chủ yếu diễn ra bằng các xe vận tải chuyên dụng như xe tải không rơ moóc, xe tải kéo theo rơ moóc Quá trình bốc dỡ gỗ tại các kho gỗ được thực hiện chủ yếu bằng cầu trục thủy lực, trong khi ở những nơi có sản lượng nhỏ vẫn sử dụng lao động thủ công Tại Phần Lan và các nước Bắc Âu, việc vận chuyển gỗ chủ yếu bằng đường bộ với xe tải lớn có khả năng kéo một hoặc hai rơ moóc, mặc dù vận chuyển bằng đường thủy và đường sắt đang giảm dần Tại Malaysia, trước đây sử dụng máy kéo xích và máy kéo bánh hơi để vận chuyển gỗ, nhưng đã gây ra thiệt hại cho mặt đất rừng và làm tăng xói mòn đất Hiện tại, vận chuyển gỗ chủ yếu thực hiện bằng ôtô và quá trình bốc dỡ đã được cơ giới hóa tối đa.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng các loại ô tô, máy kéo trong vận chuyển gỗ ở Việt Nam Ở nước ta, phần lớn gỗ được khai thác, sản xuất và tiêu thụ trong nội địa chiếm 98% gỗ tròn, 92% gỗ xẻ và 80% sản phẩm giấy Một phần gỗ và các lâm sản đặc sản như quế, dầu hồi, hạt điều, cánh kiến được được xuất khẩu sang các nước như: Nhật Bản, Hồng Kông, Singapore, Thái Lan.
Vận chuyển đường dài gỗ từ các bãi trung chuyển đến nhà máy giấy được thực hiện qua đường sông và đường bộ, sử dụng các phương tiện chuyên dụng như xe ôtô, tàu thuỷ và thuyền.
Hình 1.1 Vận chuyển gỗ bằng ô tô lâm nghiệp chuyên dùng
Vận chuyển đường ngắn gỗ từ địa điểm khai thác đến bãi gỗ, nhà máy và xưởng chế biến gỗ đã tiến bộ đáng kể Trước đây, các phương tiện như xe Reo 7, xe Volvo, Jil 157K, xe IFA và xe công nông được sử dụng Hiện nay, các hộ kinh doanh rừng, doanh nghiệp và nhà máy chế biến gỗ thường ưu tiên sử dụng xe tải có kích thước trung bình và lớn để nâng cao hiệu quả vận chuyển.
Hình 1.2 Vận chuyển gỗ bằng ôtô tải cỡ trung bình
Vận chuyển bằng đường ôtô mang lại lợi ích lớn với khả năng hoạt động trên nhiều loại địa hình khác nhau, cho phép áp dụng các phương thức khai thác đa dạng.
Tuy nhiên, loại hình vận chuyển gỗ bằng đường ôtô có một số hạn chế nhất định:
- Chi phí cho xây dựng hệ thống đường ôtô lâm nghiệp từ đường trục đến đường nhánh tương đối lớn.
Thiết kế và thi công đường ôtô không đúng cách có thể gây tác động tiêu cực đến môi trường, ảnh hưởng đến rừng, đất rừng, động thực vật sinh sống trong khu vực, cũng như làm thay đổi các dòng chảy và ảnh hưởng đến cộng đồng dân cư xung quanh.
- Chi phí vận chuyển gỗ có thể lên tới trên 45% trong toàn bộ chi phí khai thác gỗ.
Xe vận chuyển có tải trọng lớn gây áp lực lớn lên mặt đường, dẫn đến biến dạng nền đường và áo đường, làm giảm khả năng vận chuyển Do đó, việc chăm sóc và bảo quản đường cần được thực hiện thường xuyên để duy trì chất lượng và hiệu quả sử dụng.
Các tuyến đường chất lượng thấp, như đường trục phụ và nhánh, thường không có áo đường, dẫn đến tình trạng mặt đường lầy lội vào mùa mưa, gây khó khăn trong việc vận chuyển.
Trong quá trình vận chuyển, khí thải và nhiên liệu từ các thiết bị bốc dỡ và vận chuyển có thể gây ô nhiễm không khí Nếu không được quản lý đúng cách, chúng còn có thể dẫn đến ô nhiễm nguồn nước và các dòng chảy.
Yêu cầu kỹ thuật trong vận chuyển gỗ bằng đường ôtô
Các xe vận chuyển gỗ phải tuân thủ đúng tải trọng quy định cho từng loại xe, nhằm đảm bảo an toàn cho phương tiện và bảo vệ mặt đường khỏi hư hại do áp lực từ bánh xe.
Chỉ nên sử dụng xe có khả năng bám đường và vượt địa hình tốt trong những tình huống cần thiết, chẳng hạn như khi đường xá xấu hoặc lầy lội, nhằm hạn chế việc gây hư hỏng mặt đường do bánh xe.
Các xe vận chuyển gỗ cần sử dụng loại xe chuyên dụng với trang thiết bị đầy đủ và đảm bảo yêu cầu kỹ thuật Cọc ke phải thẳng đứng, cáp buộc và xích cần chắc chắn để đảm bảo an toàn cho cả xe và người trong quá trình di chuyển trên đường lâm nghiệp và đường công cộng.
- Trong trường hợp đường quá trơn và lầy lội, xe chở gỗ cần có các trang thiết bị trợ giúp như tời chống trượt, xích chống trượt
Khi xếp gỗ trên ôtô, cần phân bố tải trọng một cách hợp lý và giàng buộc cẩn thận để tránh tình trạng xô ngang và trượt về phía sau trong quá trình di chuyển.
- Các loại xe vận chuyển bốc, dỡ gỗ phải được kiểm tra thường xuyên trước khi sử dụng; được bảo dưỡng, sửa chữa theo định kỳ.
Khi tiến hành sửa chữa, cần phải thu gom nhiên liệu và các chất thải theo đúng quy định để tránh gây ô nhiễm cho nguồn nước mặt, sông suối và nước ngầm.
- Tốc độ xe chạy trên đường không được vượt quá tốc độ quy định trong bảng dưới đây cho từng loại đường.
Tốc độ xe chạy cho phép trên các loại đường
Tổng quan về nghiên cứu dao động ôtô, máy kéo
1.2.1 Tổng quan nghiên cứu về dao động ôtô, máy kéo trên thế giới
Trong công trình của Muller, mô hình không gian mô tả các loại dao động của máy kéo bánh hơi được đưa ra, tuy nhiên, tác giả đã không xem xét các tác động của tải trọng kéo và các yếu tố khác Ông xác định rằng một máy kéo có thể có 7 bậc tự do, bao gồm dao động thẳng đứng, dao động xoay quanh trục ngang, dao động dọc, dao động xoay quanh trục dọc và dao động liên kết xoay quanh trục cân bằng.
Tác giả Volgel đã nghiên cứu động lực học của liên hợp máy cày, tập trung vào sự ảnh hưởng của lực kéo và tải trọng thẳng đứng trong điều kiện dao động có tính đàn hồi của hệ truyền lực và bánh xe Nghiên cứu này giúp đánh giá tổng quan về các yếu tố tác động đến dao động của máy khi cày đất, mặc dù vẫn thiếu các thực nghiệm để xác thực các giả thuyết đã nêu.
Trong nghiên cứu của Wendebon [50], tác giả đã phát triển một mô hình lý thuyết và thực nghiệm để phân tích tính chất động lực học của dao động thẳng đứng của máy kéo, nhưng chưa xem xét đến chuyển động quay và các chuyển động khác Do đó, công trình này chưa thể phản ánh đầy đủ các đặc tính động lực học của máy kéo cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của máy kéo và các loại máy liên hợp khác.
Vào năm 1973, Barski I.B đã tiến hành nghiên cứu về động lực học của máy kéo, bao gồm cả máy kéo bánh hơi và máy kéo bánh xích, đồng thời đánh giá độ êm dịu trong chuyển động của các loại máy kéo này.
Năm 1983 Đobrưnhin Iu.A [46], nghiên cứu động lực học thẳng đứng của máy kéo bánh hơi khi vận xuất gỗ
Năm 1987, Zucov A.B đã tiến hành nghiên cứu về dao động của máy kéo lâm nghiệp, đồng thời xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến dao động thẳng đứng của máy kéo, bao gồm tải trọng, vận tốc và độ mấp mô của mặt đường.
Ngày nay, nghiên cứu về dao động của ô tô đã đạt nhiều thành tựu quan trọng, tập trung vào mối quan hệ giữa “Đường-Xe-Người” Các hãng sản xuất ô tô và cơ quan chuyên môn hàng đầu đã thiết lập phòng thí nghiệm và bãi thử để khảo sát dao động ô tô, chú trọng đến biến dạng thực tế của mặt đường và khả năng chịu đựng của con người trước tác động của dao động.
1.2.2 Tổng quan nghiên cứu về dao động ôtô, máy kéo ở Việt Nam
Trong sản xuất lâm nghiệp, khai thác gỗ chủ yếu diễn ra trong rừng, sử dụng các máy kéo chuyên dụng hoặc máy kéo nông nghiệp được trang bị thiết bị vận chuyển gỗ Tại Việt Nam, các máy kéo thường được nhập khẩu, trong khi việc vận chuyển gỗ thường sử dụng xe tải cỡ trung bình và lớn Nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào hệ thống định mức kinh tế kỹ thuật cho máy móc, trong khi các đặc tính động lực học của ôtô tải cỡ trung bình sản xuất trong nước vẫn chưa được khai thác nhiều Các vấn đề như độ ổn định, khả năng kéo bám khi thay đổi tải trọng và các đặc trưng động lực học của ôtô và máy kéo trong các điều kiện địa hình khác nhau cần được nghiên cứu sâu hơn.
Có thể kể ra một số công trình nghiên cứu về dao động ôtô, máy kéo ở nước ta như sau:
Năm 1990, Bùi Hải Triều đã phát triển mô hình phản ánh tính chất hoạt động và cấu trúc của máy kéo bánh hơi, mô tả sự tương tác giữa động cơ và máy điều chỉnh Mô hình này xem xét các yếu tố như tính đàn hồi, giảm chấn, bám và trượt của bộ ly hợp, cùng với bánh xe và mặt đường Ngoài ra, nó cũng phân tích sự biến đổi của mô men quay, tốc độ quay và mô men quán tính trong hệ thống truyền lực Tuy nhiên, công trình này chỉ tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống truyền lực mà chưa đề cập đầy đủ đến các yếu tố tác động đến chuyển động tổng thể của liên hợp máy.
Công trình nghiên cứu của GS.TS Nguyễn Hữu Cẩn và các cộng sự
Tính êm dịu trong chuyển động của ôtô máy kéo được đánh giá qua các chỉ tiêu như tần số dao động, gia tốc dao động và thời gian tác động của dao động Trong quá trình di chuyển, ôtô máy kéo dao động theo ba phương: thẳng đứng (OZ), ngang (OX) và dọc máy (OY) Trong đó, dao động theo phương thẳng đứng có ảnh hưởng lớn nhất đến con người, trong khi dao động theo phương ngang và dọc có tác động không đáng kể và có thể bỏ qua.
Th.S Nguyễn Hồng Quang [29], đã nghiên cứu dao động của máy kéo Shibaura với thiết bị tời cáp khi vận xuất gỗ theo phương pháp kéo nửa lết.
Th.S Lưu Văn Hưng đã tiến hành nghiên cứu về dao động của rơ moóc một trục chở gỗ khi được lắp thêm bộ phận đàn hồi có tính năng giảm chấn giữa khung và trục bánh xe Nghiên cứu này nhằm cải thiện hiệu suất vận chuyển và giảm thiểu rung lắc trong quá trình di chuyển.
Nghiên cứu về dao động của máy kéo ở Việt Nam vẫn còn hạn chế và chỉ mới phát triển trong những năm gần đây Các công trình này chủ yếu tập trung vào việc xác định tác động của rung xóc đến sức khỏe người lái, đồng thời đề xuất một số biện pháp chống rung, chẳng hạn như cải tiến ghế ngồi Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chỉ xem xét dao động của máy kéo trong những điều kiện cụ thể, với giả định hệ thống là tuyến tính và một bậc tự do chịu ảnh hưởng từ mặt đường.
Vào năm 2010, Tô Quốc Huy đã thực hiện một nghiên cứu về giải pháp giảm sóc cho người lái xe tải xích cao xu MST – 600 trong quá trình vận chuyển gỗ trên các tuyến đường lâm nghiệp.
Nghiên cứu thiết kế giảm rung đã dựa trên dữ liệu về dao động của con người, từ đó lựa chọn các thông số chính như khối lượng người và ghế, độ cứng lò xo, và hệ số cản Các thông số này được tính toán dựa trên điều kiện cho phép về biên độ dịch chuyển.
Th.S Huỳnh Quốc Hội [22] đã nghiên cứu về quá trình lắc ngang, lắc dọc của ô tô ở vận tốc cao.
Th.S Hoàng Gia Thắng [31] đã nghiên cứu dao động trong mặt phẳng thẳng đứng của toa xe khách bốn trục hai hệ lò xo khi qua mối nối ray.
Năm 2002, TS Lê Minh Lư đã nghiên cứu dao động của máy kéo bánh hơi, chú trọng đến đặc trưng phi tuyến của các phần tử đàn hồi Tác giả xây dựng mô hình và hệ phương trình vi phân để mô tả dao động thẳng đứng của máy kéo, cầu trước, cầu sau và ghế ngồi, đồng thời xem xét các đặc điểm riêng của hệ như liên kết một chiều giữa bánh xe và mặt đường Công trình nghiên cứu các dạng dao động của máy kéo dưới tác động của kích động mặt đường là các hàm ngẫu nhiên và xác định Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ tập trung vào trường hợp máy kéo di chuyển độc lập mà chưa xem xét dao động khi kéo tải.
Năm 2010, TS Trần Việt Hà đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của một số thông số đến độ êm dịu chuyển động của ô tô khách mới sản xuất tại Việt Nam Luận án đã xây dựng mô hình dao động phù hợp và khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến độ êm dịu chuyển động cũng như sức chịu đựng của con người Nghiên cứu cũng đã thực hiện thí nghiệm để xác định các chỉ tiêu êm dịu chuyển động trong phòng thí nghiệm và trên đường thử nghiệm có biên dạng hình sin cho các ô tô khách được khảo sát.
Tổng quan về hệ thống treo của ôt ô, máy kéo
1.3.1 Các bộ phận của hệ thống treo trên ôtô, máy kéo
Hệ thống treo có vai trò quan trọng trong việc tạo điều kiện cho bánh xe di chuyển theo phương thẳng đứng so với khung xe, nhằm đảm bảo sự êm dịu và hạn chế các chuyển động không mong muốn như lắc ngang và lắc dọc Để đạt được điều này, cần có độ cứng phù hợp giúp xe di chuyển êm ái và dập tắt nhanh các dao động, đặc biệt là những dao động có biên độ lớn Tính năng của hệ thống treo trên mỗi loại xe là sự cân bằng giữa độ an toàn và độ êm dịu, ảnh hưởng đến trải nghiệm lái xe của ôtô và máy kéo.
Cấu tạo chung của hệ thống treo thường dùng trên ôtô, máy kéo có các bô phận sau:
* Bộ phận đàn hồi: Trong hệ thống treo, bộ phận đàn hồi thường dùng lò xo xoắn, bó nhíp, túi khí nén, đệm cao su.
Lò xo có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm kết cấu gọn gàng khi lắp đặt trong hệ thống giảm chấn, khối lượng nhẹ hơn nhíp với độ bền và tuổi thọ cao hơn, giúp tiết kiệm không gian và hạ thấp trọng tâm xe để tăng tốc độ Tuy nhiên, nhược điểm của lò xo là không có nội ma sát giữa các vòng, do đó cần phải lắp thêm giảm chấn để kiểm soát dao động hiệu quả.
Lò xo dùng cho các loại xe ôtô du lịch, xe tải nhỏ, xe khách có các loại lò xo như lò xo trụ, lò xo côn, (hình 1.3).
Hình 1.3: Lò xo trụ dùng trong hệ thống treo
Loại nhíp treo có ưu điểm là không cần thanh ổn định, tiết kiệm chi phí và dễ bảo trì, nhưng nhược điểm là khối lượng lớn và chiều cao trọng tâm cao, ảnh hưởng đến tốc độ và sự ổn định khi xe di chuyển Khi một bánh bị nâng lên, vết bánh sẽ thay đổi, gây ra lực ngang và làm giảm độ bám đường, dễ dẫn đến trượt ngang Trong khi đó, loại bó nhíp và đệm cao su được sử dụng phổ biến trên ôtô và máy kéo.
Hình 1.4: Bó nhíp Hình 1.5: Đệm cao su
Phần tử đàn hồi sử dụng đệm khí hoạt động dựa trên nguyên tắc tính đàn hồi của không khí khi bị nén Hệ thống treo khí, như minh họa trong hình 1.6, được áp dụng hiệu quả trong các loại ôtô.
Bộ phận đàn hồi loại khí trên ôtô hiện đại, đặc biệt là ở xe trở khách và ô tô vận tải, cho phép thay đổi độ cứng của hệ thống treo thông qua việc điều chỉnh áp suất không khí bên trong Việc giảm độ cứng này giúp cải thiện sự êm ái khi di chuyển, mang lại trải nghiệm lái xe tốt hơn.
* Bộ phận giảm chấn : Trên xe ôtô giảm chấn được sử dụng với các mục đích sau:
Giảm thiểu va đập truyền lên khung khi bánh xe di chuyển trên bề mặt không bằng phẳng là cần thiết để bảo vệ bộ phận đàn hồi và nâng cao sự thoải mái cho người sử dụng Đảm bảo dao động của phần không treo ở mức thấp nhất sẽ giúp cải thiện sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường, từ đó nâng cao khả năng lái, tăng tốc và đảm bảo an toàn trong quá trình di chuyển.
Nâng cao khả năng tăng tốc và an toàn của xe là rất quan trọng Để giảm dao động khi xe chuyển động, hệ thống giảm chấn sẽ chuyển đổi cơ năng thành nhiệt năng thông qua ma sát giữa chất lỏng và các van tiết lưu.
Trên ôtô hiện nay chủ yếu sử dụng là giảm chấn ống thuỷ lực có tác dụng hai chiều ở cấu trúc hai lớp, (hình 1.7)
Hình 1.7: Cấu tạo bộ phận giảm chấn thường dùng trên ôtô, máy kéo
Ống nhún giảm chấn thuỷ - khí được sử dụng trên một số xe ôtô hiện đại với giá thành cao và hệ thống vận hành phức tạp Do chi phí của hệ thống nén khí cao áp rất đắt đỏ, loại ống này không phổ biến Nó bao gồm lò xo đàn hồi có giảm chấn kết hợp với lò xo khí thủy lực Trong hệ thống, piston của lò xo đàn hồi cũng là trục của bộ giảm chấn, trong khi phần lò xo khí được bao bọc bởi một màng cao su đặc biệt Không gian tích trữ khí và mặt trên của piston được kết nối qua một đường ống thủy lực.
Hình 1.8: Cấu tạo bộ phận giảm chấn thuỷ - khí dùng trên ôtô hiện đại * Bộ phận ổn định và dẫn hướng
Hình 1.9: Thanh ổn định và các đòn dẫn hướng trong cơ cấu treo
Thanh ổn định có vai trò quan trọng trong việc cân bằng tải trọng giữa các bánh xe, đặc biệt khi có sự chênh lệch phản lực thẳng đứng Cấu trúc của thanh ổn định thường có hình dạng chữ U, với một đầu kết nối với phần không treo và đầu còn lại gắn liền với thân vỏ xe Các đầu nối này được trang bị ổ đỡ bằng cao su, giúp tăng cường hiệu suất và độ bền cho hệ thống.
Bộ phận dẫn hướng: có nhiệm vụ truyền các lực dọc, lực ngang và các mômen từ bánh xe lên khung hoặc thân xe, (hình 1.9).
* Một số kiểu bố trí hệ thống treo trong ôtô, máy kéo
Trong cấu tạo ôtô và xe máy, có nhiều kiểu bố trí hệ thống treo khác nhau Hiện nay, các phương pháp bố trí hệ thống treo phổ biến thường được sử dụng bao gồm nhiều lựa chọn khác nhau.
Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng dầm cầu liền để gắn kết các bánh xe, với bộ phận giảm chấn và đàn hồi nằm giữa thùng xe và dầm cầu Khi một bánh xe di chuyển theo phương thẳng đứng, nó sẽ ảnh hưởng đến chuyển vị của bánh xe bên kia.
Hình 1.10: Hệ thống treo phụ thuộc dùng lá nhíp
Hệ treo độc lập hai đòn dọc là cấu trúc treo xe với hai đòn dọc song song nằm sát hai bên bánh xe Mỗi đòn dọc có một đầu gắn cố định với moayơ bánh xe và đầu còn lại liên kết với khung ôtô qua bản lề Lò xo và giảm chấn được lắp đặt giữa đòn dọc và khung, giúp hấp thụ lực và cải thiện khả năng dẫn hướng Để chịu được tải trọng lớn, đòn dọc thường được thiết kế với độ cứng vững cao.
Hình 1.11: Hệ thống treo độc lập dùng lò xo và 2 đòn dọc
Hệ treo độc lập hai đòn ngang bao gồm một đòn ngang trên và một đòn ngang dưới, thường có cấu tạo hình tam giác hoặc hình thang Thiết kế này giúp các đòn ngang thực hiện chức năng định hướng, đồng thời đảm bảo kết cấu chắc chắn để truyền lực hiệu quả.
Hình 1.12: Hệ thống treo độc lập dùng lò xo và 2 đòn ngang
Hệ thống treo độc lập dùng lò xo và 2 đòn chéo (hình 1.13) là cấu trúc mang tính trung gian giữa hệ treo đòn ngang và hệ treo đòn dọc.
1-Dầm cầu; 2- Đòn chéo; 3-truyền lực chính
Hình 1.13: Hệ thống treo độc lập dùng lò xo và 2 đòn chéo
Hệ treo này kết hợp ưu điểm của hai hệ treo khác và khắc phục một số nhược điểm của chúng Đặc điểm nổi bật của hệ treo là đòn đỡ bánh xe quay trên đường trục chéo, tạo ra đòn chéo trên bánh xe.
1.3.2 Đặc trưng các phần tử đàn hồi của hê ̣thống treo trên ôtô, máy kéo
Khi nghiên cứu sự chuyển động êm dịu của ôtô người ta phân biệt các phần tử sau đây xét về mặt cấu trúc:
Phần trên lò xo bao gồm tất cả các cụm máy và chi tiết máy có trọng lượng tác động lên lò xo, được thay thế bằng một khối lượng tương đương cùng với các mô men quán tính của khối lượng đó đối với các trục quán tính trung tâm.
Tổng quan về độ êm dịu chuyển động của ôtô, máy kéo
Tính êm dịu chuyển động là chỉ tiêu quan trọng của ô tô và máy kéo, phụ thuộc vào kết cấu xe, hệ thống treo, cường độ kích động và kỹ thuật lái xe Để đánh giá tính êm dịu chuyển động, thường sử dụng các chỉ tiêu như tần số dao động, gia tốc dao động và độ êm dịu.
1.4.1 Tần số dao động riêng
Tần số dao động riêng của một hệ dao động, như khối lượng đặt trên lò xo, được định nghĩa là số lần dao động của hệ trong một phút (dao động/phút) hoặc trong một giây, tương ứng với đơn vị 1Hz.
Trong đó: C - Độ cứng của hệ dao động; M
- Khối lượng được đặt trên hệ.
Tần số dao động riêng của một hệ thống dao động chỉ phụ thuộc vào các yếu tố cấu trúc như khối lượng, độ cứng và lực cản, mà không bị ảnh hưởng bởi kích thích dao động.
Gia tốc dao động riêng là một chỉ số quan trọng, phản ánh tác động của biên độ và tần số dao động Dao động tự do tắt dần chỉ diễn ra trong một chu kỳ, vì vậy việc xác định gia tốc dao động là cần thiết trong nghiên cứu dao động cưỡng bức do ảnh hưởng của mặt đường.
1.4.3 Chỉ tiêu về độ êm dịu
Hệ số êm dịu K, do tập thể kỹ sư Đức (VDI) đề xuất, ảnh hưởng đến cảm giác của con người khi chịu dao động Cảm giác này sẽ không thay đổi nếu K là hằng số Hệ số K phụ thuộc vào tần số dao động và gia tốc dao động, đặc biệt khi .
Tần số dao động có thể là 5Hz hoặc theo vận tốc dao động khi đạt 15Hz trở lên, và nó phụ thuộc vào hướng dao động so với trục thân người, bao gồm cả phương thẳng đứng và phương ngang Thời gian tác động của dao động lên cơ thể cũng là yếu tố quan trọng.
Hệ số K xác định theo trị số của biên độ gia tốc z hoặc theo gia tốc bình phương trung bình z c theo công thức sau đây [4]:
Trong đó: n v - Tần số dao động (Hz) z -Gia tốc dao động (m/s 2 )
- Gia tốc bình phương trung bình (m/s 2 )
K y - Hệ số hấp thụ Để xác định K cần xác định được z hoặc z c
Khi con người nằm và chịu dao động ngang, hệ số K y giảm xuống một nửa, cho thấy rằng hệ số K nhỏ hơn giúp tăng cường khả năng chịu đựng dao động và cải thiện độ êm dịu của ô tô máy kéo Giá trị K = 0,1 đánh dấu ngưỡng kích thích, trong khi giá trị K cho phép khi di chuyển lâu trên xe là từ 10 đến 25, và từ 25 đến 63 cho các chuyến đi ngắn hoặc khi sử dụng xe tự hành.
Các phương pháp cơ học trong nghiên cứu dao động ôtô, máy kéo
Phương pháp nghiên cứu dao động ôtô và máy kéo là quá trình lập và xử lý mô hình toán học nhằm mô tả các dao động của các khối lượng trong cơ hệ.
Thông thường, mô hình toán học được sử dụng để mô tả sự dịch chuyển của cơ hệ thông qua các phương trình vi phân Có nhiều phương pháp khác nhau để thiết lập các phương trình vi phân cho cơ hệ, trong đó bao gồm phương pháp phần tử hữu hạn.
Dalambe, phương pháp áp dụng phương trình Lagranger loại II
1.5.1 Phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một kỹ thuật gần đúng để giải quyết các bài toán biên trong cơ học Theo FEM, vật thể được chia thành các phần tử nhỏ có kích thước hữu hạn, liên kết tại các điểm nút Các ẩn số cần tìm sẽ là giá trị tại các nút này, và tải trọng trên các phần tử cũng được quy về các nút Để giải bài toán biên trong miền W, ta sử dụng phép tam giác phân để chia miền thành nhiều miền con Wj (j = 1, , n), đảm bảo rằng các miền con không giao nhau và chỉ có thể chia sẻ các đỉnh hoặc cạnh, mỗi miền con được gọi là một phần tử hữu hạn.
Trong bài toán biên ban đầu, người ta tìm kiếm nghiệm xấp xỉ cho các hàm số trong không gian hữu hạn chiều Những hàm số này phải thỏa mãn các điều kiện khả vi nhất định trên toàn miền W Đồng thời, các hạn chế của chúng trên từng phần tử hữu hạn Wj được biểu diễn dưới dạng các đa thức.
Có thể chọn cơ sở không gian gồm các hàm số ψ1(x), , ψn(x) có giá trị trong một số hữu hạn phần tử Wj gần nhau Nghiệm xấp xỉ của bài toán ban đầu được biểu diễn dưới dạng c1ψ1(x) + + cnψn(x), trong đó các ck là các số cần tìm Việc tìm các ck thường được chuyển thành giải một phương trình đại số với ma trận thưa, giúp quá trình giải trở nên dễ dàng hơn Các cạnh của các phần tử hữu hạn có thể là đường thẳng hoặc đường cong để xấp xỉ các miền có hình dạng phức tạp Phương pháp phần tử hữu hạn có thể được áp dụng để giải gần đúng các bài toán biên tuyến tính, phi tuyến và các bất phương trình.
1.5.2 Phương pháp sử dụng nguyên lý Dalambe:
Theo nguyên lý Dalambe, bài toán động lực học của hệ dao động có thể chuyển đổi thành bài toán tĩnh học bằng cách đưa lực quán tính vào cơ hệ Phương trình chuyển động được thiết lập dựa trên tổng đại số các ngoại lực, phản lực và lực quán tính tác động lên hệ khảo sát Các phần tử trong hệ dao động sẽ được tách riêng và đặt ngoại lực cân bằng ở trạng thái tĩnh, từ đó xây dựng các phương trình cho từng phần tử nhằm giải hệ các phương trình đơn giản.
Phương pháp này phổ biến trong việc giải quyết các bài toán động lực học, giúp trực quan hóa mối quan hệ ảnh hưởng lên từng phần tử trong hệ dao động Nó đặc biệt được áp dụng cho các hệ dao động đơn giản.
1.5.3 Phương pháp sử dụng phương trình Lagranger loại II
Phương trình Lagranger hạng II có dạng tổng quát như sau: d T
Trong đó: T - hàm động năng của hệ; П - hàm thế năng của hệ; Ф - hàm hao tán của hệ; q i -các toạ độ suy rộng(i =1, 2,.…, n);
Q i -lực suy rộng tương ứng với toạ độ suy rộng thứ i.
Sau khi xác định các hàm động năng, thế năng, năng lượng hao tán và các lực suy rộng theo các tọa độ suy rộng, chúng ta áp dụng vào phương trình Lagrange hạng II để nhận được một hệ phương trình vi phân Số lượng phương trình vi phân trong hệ tỷ lệ thuận với số khối lượng quy đổi trong mô hình Bằng phương pháp giải tích, hệ phương trình vi phân có thể được biến đổi thành một phương trình vi phân bậc cao, với bậc phụ thuộc vào số lượng phương trình trong hệ.
Việc lựa chọn phương pháp trong cơ học phụ thuộc vào mô hình cơ hệ Đối với các cơ hệ hôlônôm, việc giữ và dừng được mô tả bằng các phương trình liên kết mà không chứa yếu tố vận tốc và thời gian Phương pháp áp dụng phương trình thường được sử dụng trong trường hợp này.
1.6 Các phần mềm ứng dụng trong nghiên cứu dao động ôtô, máy kéo
Xử lý mô hình toán liên quan đến việc giải và mô phỏng các phương trình vi phân đã được thiết lập Đối với những phương trình vi phân không quá phức tạp, phương pháp giải tích thường được ưu tiên sử dụng để tìm ra nghiệm.
Lập mô hình cơ học của hệ với nhiều khối lượng quy đổi dẫn đến phương trình vi phân có bậc cao, gây khó khăn trong việc giải và mô phỏng Tuy nhiên, sự phát triển của máy tính điện tử đã giúp khắc phục vấn đề này Hiện nay, có nhiều hệ chương trình hỗ trợ giải và mô phỏng phương trình vi phân, trong đó bốn chương trình tính toán đa năng phổ biến nhất là Mathematica, Maple, Mathcad và Matlab & Simulink.
Mathematica là phần mềm tích hợp tính toán ký hiệu, tính toán số, và vẽ đồ thị, đồng thời là một ngôn ngữ lập trình tinh vi Được phát triển chủ yếu cho các ngành khoa học vật lý, công nghệ và toán học, Mathematica đã trở thành công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học khác Hiện nay, phần mềm này được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế công nghệ.
Maple cho phép người dùng nhập biểu thức toán học bằng các ký hiệu truyền thống và dễ dàng tạo giao diện người dùng tùy chỉnh Phần mềm hỗ trợ cả tính toán số và tính toán hình thức, cùng với khả năng hiển thị linh hoạt Nhiều phép tính số học được thực hiện dựa trên thư viện NAG, với các chương trình con NAG được mở rộng để đạt độ chính xác cao Ngoài ra, Maple còn cung cấp một ngôn ngữ lập trình cấp cao đầy đủ Một trong những ưu điểm nổi bật của Maple là khả năng giải phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng và vẽ đồ thị trong không gian 2 chiều và 3 chiều.
MATHCAD là phần mềm xử lý toán học phổ biến toàn cầu, giúp người dùng thiết kế và xuất bản văn bản dễ hiểu về các bản tính và công thức Ngoài tính năng tính toán, MATHCAD còn cho phép lập trình như một ngôn ngữ lập trình bậc cao.
MATHCAD là một công cụ mạnh mẽ có thể thay thế bảng tính EXCEL trong việc thiết kế các bảng tính cho đối tượng cơ khí và xây dựng, với khả năng diễn đạt rõ ràng và đa dạng hơn Nó đặc biệt hữu ích cho các tính toán phức tạp như giải phương trình vi phân, thực hiện các phép toán ma trận, giải quyết bài toán số phức và tối ưu hóa.
MUC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu về dao động của xe ô tô HYUNDAI tải trọng 3,5 tấn khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp nhằm mục đích cải thiện hệ thống treo và lựa chọn chế độ sử dụng phù hợp.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là xe ôtô Hyundai có trọng tải 3,5 tấn, được sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam, chuyên dùng để vận chuyển gỗ trên các tuyến đường lâm nghiệp.
2.2.1 Xe ô tô Hyundai trọng tải 3,5 tấn Ôtô Hyundai 3,5 tấn (hình 2-1) là loại xe tự đổ hai cầu, cầu trước bị động, cầu sau chủ động, được sử dụng để vận chuyển hàng hóa trên thị trường đặc biệt là các hàng hóa như đá, cát, gỗ, xi măng……Xe có tính cơ động cao, vận chuyển trên nhiều loại đường.
Xe ôtô Hyundai (Model HD72) 3,5 tấn có đặc tính kỹ thuật và thông số cơ bản như sau (Bảng 2.1).
Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật cơ bản của xe ô tô Hyundai 3,5 tấn
TT Thông số kỹ thuật chính
2 Momen xoắn cực đại Kgm/rpm)
4 Áp suất không khí trong lốp xe
5 Tốc độ tối đa (Km/h):
7 Kích thước chiều dài tổng thể (mm)
8 Kích thước chiều rộng tổng thể (mm)
9 Kích thước chiều cao tổng thể (mm)
10 Kích thước chiều dài lòng thùng (mm)
11 Kích thước chiều rộng lòng thùng (mm)
12 Kích thước chiều cao lòng thùng (mm)
2.2.2 Biên dạng đường lâm nghiệp
Theo nghiên cứu của tác giả Nguyễn Tiến Đạt trong luận án tiến sỹ, đường vận chuyển lâm nghiệp chủ yếu là đường đất tự nhiên hoặc đường dải đá, được thiết kế để phục vụ cho việc di chuyển của các loại máy kéo bánh hơi và xe ôtô cỡ nhỏ, cỡ trung bình Những con đường này được san ủi, loại bỏ chướng ngại vật và đảm bảo độ dốc phù hợp để thuận lợi cho việc vận chuyển.
Trong nghiên cứu, người ta chia mặt đường ra hai dạng chính sau:
- Dạng mặt đường xác định Bao hàm những chướng ngại vật đơn chiếc phân bố xa nhau và dạng mặt đường biến đổi tuần hoàn.
Mặt đường biến đổi ngẫu nhiên ảnh hưởng lớn đến giao động của xe, đặc biệt là xe chữa cháy rừng đa năng Độ mấp mô của mặt đường là yếu tố chính cần xem xét khi nghiên cứu dao động của xe Do đó, việc khảo sát dạng mặt đường mà xe hoạt động là rất quan trọng Chúng tôi sẽ kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đây liên quan đến mặt đường xác định để sử dụng trong quá trình nghiên cứu dao động của xe.
Trong thiết kế và xây dựng đường lâm nghiệp, yêu cầu quan trọng là san ủi phẳng mặt đường và nền đường chính, phụ Mặc dù mặt đường có thể xuất hiện gợn sóng dọc theo bề mặt, nhưng trắc diện dọc của mấp mô mặt đường được xác định thông qua các hàm tuần hoàn.
Dạng gợn sóng biến đổi tuần hoàn: h
Dạng gợn sóng biến đổi chuỗi hàm điều hòa: y h 0 h 0 sin i.
+ S là chiều dài mặt đường, S0 là bước sóng mặt đường.
+ hci là hằng số tùy thuộc vào trắc diện mấp mô.
Khảo sát một số mặt đường xác định tại các điểm nêu trên cho thấy chúng có dạng hàm điều hòa Các mặt đường lâm nghiệp được phân loại dựa trên các đặc trưng cụ thể.
+ Dạng có biên độ h0 = 10 cm, bước sóng S0 = 1,6 m
+ Dạng có biên độ h0 = 8 cm, bước sóng S0 = 1,4 m
+ Dạng có biên độ h0 = 6 cm, bước sóng S0 = 1,2 m
+ Dạng có biên độ h 0 = 4 cm, bước sóng S 0 = 1,0 m
Các kết quả trên sẽ làm cơ sở cho việc nghiên cứu dao động của xe ôtô Hyundai 3,5 tấn vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp.
Đề tài nghiên cứu tập trung vào việc phân tích dao động trong mặt phẳng thẳng đứng của ô tô HuynDai trọng tải 3,5 tấn khi vận chuyển gỗ trên các tuyến đường lâm nghiệp, với đặc điểm là mặt đường có nhiều mấp mô đã được xác định.
Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp thay đổi kết cấu hệ thống treo để cải thiện độ êm dịu khi di chuyển của ôtô Hyundai 3,5 tấn chở gỗ trên đường lâm nghiệp Những cải tiến này nhằm nâng cao hiệu suất vận chuyển và đảm bảo an toàn cho hàng hóa.
Mô hình dao động trong mặt phẳng thẳng đứng dọc của ô tô Huyndai HD72 trọng tải 3,5 tấn khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp được xây dựng bằng phương pháp cơ học ứng dụng Chúng tôi tham khảo một số mô hình đã có và thừa nhận một số giả thiết cho mô hình toán.
Dựa trên kết cấu hệ thống treo của xe ô tô Hyundai 3,5 tấn, cần xác định các phần tử đàn hồi và lựa chọn hệ trục tọa độ phù hợp Điều này sẽ giúp xây dựng mô hình dao động tương đương cho xe ô tô Hyundai 3,5 tấn một cách chính xác.
Xây dựng hệ phương trình vi phân dao động của ô tô Huyndai HD72 trọng tải 3,5 tấn khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp.
Giải vàmô phỏng dao động của ô tô Huyndai trọng tải 3,5 tấn khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp trong hai trường hơpp̣ không cóvàcógiảm xóc ởcầu sau.
Để tối ưu hóa hệ thống treo cho xe ô tô tải Huyndai trọng tải 3,5 tấn khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp, cần lựa chọn chế độ sử dụng phù hợp và lắp thêm giảm xóc thủy lực cho cầu sau Giải pháp này sẽ cải thiện khả năng chịu tải và ổn định cho xe, giúp nâng cao hiệu quả vận chuyển.
Nghiên cứu thực nghiệm này nhằm minh họa cho lý thuyết về dao động trong mặt phẳng thẳng đứng của ô tô khi vận chuyển gỗ rừng trồng trên đường lâm nghiệp Bài nghiên cứu cũng xác định một số thông số đầu vào quan trọng cho việc giải mô hình lý thuyết.
- Đo gia tốc dao động thẳng đứng
- Đo một số thông số đầu vào cho mô hình lý thuyết
2.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Bài viết này trình bày việc thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của ô tô trong mặt phẳng thẳng đứng bằng phương pháp Lagranger loại II Đặc biệt, chúng tôi áp dụng phương pháp này để xây dựng mô hình dao động cho ô tô Hyundai trọng tải 3,5 tấn khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp Sau khi xác định các mối quan hệ hình học của mô hình, chúng tôi tiến hành lựa chọn các bậc tự do của hệ Tiếp theo, chúng tôi xác định các hàm động năng T, thế năng Π và hàm hao tán Φ, cùng với lực suy giảm của hệ Cuối cùng, chúng tôi tính toán các đạo hàm riêng của các hàm T, Π và Φ theo các tọa độ suy giảm đã lựa chọn và thay vào phương trình Lagranger loại II.
1.1); se ̃thu đươcp̣ môṭhê p̣phương trình vi phân bâcp̣ 2 cósốphương trinh̀ bằng sốbâcp̣ tư p̣do của hê.p̣
Đề tài này tập trung vào việc giải và mô phỏng hệ phương trình vi phân dao động của xe bằng phần mềm Matlab – Simulink Sử dụng Matlab 7.0 và các khối chức năng trong Simulink, chúng tôi đã xây dựng sơ đồ khối mô phỏng để giải hệ phương trình vi phân Kết quả thu được là các đồ thị mô tả các quá trình chuyển động như chuyển động thẳng đứng, chuyển động góc và gia tốc, tương ứng với các tọa độ suy rộng của hệ.
2.5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Để xác định gia tốc dao động thẳng đứng của ôtô, cần ứng dụng các cảm biến đo gia tốc tiêu chuẩn kết nối với thiết bị đo Spider8, được điều khiển bởi phần mềm Catman 3.1 Quá trình xử lý dữ liệu được thực hiện thông qua phần mềm Catman 3.1 Phương pháp nghiêm ngặt yêu cầu sử dụng cảm biến đo gia tốc, khi kết hợp với máy chuyển động, cảm biến này sẽ truyền tín hiệu về thiết bị thu thập, khuếch đại và ghi lại nhờ phần mềm Catman đã được cài đặt trên máy tính.
- Đo một số thông số đầu vào cho mô hình lý thuyết bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm của ô tô máy kéo.
Chương 3 NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA XE ÔTÔ HYUNDAI 3,5 TẤN VẬN
CHUYỂN GỖ TRÊN ĐƯỜNG LÂM NGHIỆP
3.1 Xây dựng mô hình dao động của xe Hyundai 3,5 tấn vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp