Nghiên cứu ảnh hưởng của biên dạng mặt đường đến dao động ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 291

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIÊN DẠNG MẶT ĐƯỜNG

ĐẾN DAO ĐỘNG Ô TÔ

THE STUDY OF THE INFLUENCE OF ROAD SURFACE PROFILE

ON VEHICLE VIBRATION

Trần Huy Hoàng1,*, Nghiêm Ngọc Cường1, Nguyễn Văn Duy1,

Nguyễn Minh Đức1, Nguyễn Mạnh Trường1, Lê Duy Long2

1Lớp KTOT 02- K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

2Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

*Email: hoanghuytrank7pl@gmail.com

TÓM TẮT

Đề tài xây dựng mô hình cấu trúc không gian xe ô tô con khảo sát bao gồm các thành phần trong hệ thống treo. Từ mô

hình đã xây dựng được tiến hành mô phỏng mấp mô mặt đường từ đó phân tích ảnh hưởng của các thông số này tới độ êm

dịu khi chuyển động của xe ô tô, đánh giá thời gian dập tắt dao động của hệ thống treo và mô phỏng biên dạng mấp mô

mặt đường thực tế. Việc đưa biên dạng đường thực tế vào trong phương trình dao động giúp chúng ta có được kết quả

chính xác hơn trong quá trình nghiên cứu. Kết quả đạt được sẽ được đem so sánh với kết quả thực nghiệm đo thực tế từ đó

làm cơ sở thông số đầu vào cho bài toán dao động ô tô.

Từ khóa: Biên dạng mặt đường, Mô phỏng, Matlab-Simulink, Dao động ô tô.

ABSTRACT

The project aims to construct a structural model of a passenger car's spatial configuration, including components of the

suspension system. From the constructed model, the road surface roughness is simulated to analyze the impact of these

parameters on the ride comfort of the car, evaluate the damping time of the suspension system, and simulate the actual

road surface roughness profile. Incorporating the real road profile into the oscillation equations allows us to achieve more

accurate results in the research process. The obtained results will be compared with experimental measurements from real-

world data, thereby serving as the input parameters for the automotive oscillation problem.

Keywords: Road profile, Simulation, Matlab-Simulink, Vehicle dynamics.

1. MỞ ĐẦU

Ô tô là loại phương tiện vận tải có vai trò hết sức quan

trọng trong xã hội hiện nay. Hiện nay, ô tô vẫn đang được

sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực kinh tế và đời sống

xã hội. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công

nghệ, công nghiệp ô tô trên thế giới và đặc biệt tại Việt Nam

đã và đang có những bước phát triển từng ngày với yêu cầu

ngày càng cao, ngành ô tô hiện nay đã cho ra đời nhiều mẫu

cải tiến để phục vụ cho các nhu cầu vận chuyển. Việc

nghiên cứu và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình

dao động ô tô giúp chúng ta có thêm lý thuyết để từ đó phát

triển đề tài. Khi ô tô chuyển động, ảnh hưởng của dao động

là một trong các yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới quá trình

vận hành, đặc biệt là tính êm dịu của ô tô. Một trong những

hệ thống liên quan trực tiếp tới hệ thống dao động của ô tô

là hệ thống treo, hệ thống treo trong quá trình xe di chuyển

phải chịu những tác động từ mấp mô mặt đường do đó việc

đánh giá ảnh hưởng của mấp mô mặt đường tới dao động

của ô tô là điều cần thiết nhằm đảm bảo độ êm dịu của ô tô.

Việc xây dựng mô hình dao động, mô hình toán và mô

phỏng hệ thống treo trên ô tô là cần thiết để khảo sát đánh

giá chất lượng dao động của ô tô. Do đó, đề tài nghiên cứu

khoa học sẽ định hướng nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng

của mấp mô mặt đường tới dao động ô tô. Trên những cơ

sở đó, nhóm tác giả quyết định nghiên cứu ảnh hưởng của

biên dạng mặt đường đến dao động ô tô.

Nhóm nghiên cứu ứng dụng phần mềm Matlab-

Simulink trong việc thiết kế, mô phỏng không gian của xe

khảo sát. Các kết quả nghiên cứu này có thể được coi là cơ

sở quan trọng và cần thiết cho các nghiên cứu tiếp theo

trong lĩnh vực dao động ô tô.

2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Xây dựng mô hình cấu trúc không gian xe ô tô con khảo

sát bao gồm các thành phần trong hệ thống treo. Từ mô hình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 292của xe khảo sát, nhóm tác giả đã xây dựng được tiến hành

mô phỏng mấp mô mặt đường từ đó phân tích ảnh hưởng

của các thông số này tới độ êm dịu khi chuyển động của xe

ô tô và đánh giá thời gian dập tắt dao động của hệ thống

treo. Với nguyên lý đó, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng dựa

trên các biên dạng mặt đường thực tế gồm: biên dạng mặt

đường hình sin, biên dạng mặt đường hình xung, biên dạng

mặt đường ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8608 và khảo

sát cho xe chạy qua trong các dải vận tốc khác nhau để thu

thập đồ thị khảo sát dao động xe ô tô [4].

2.1. Các dạng mấp mô mặt đường

Chuyển động của ô tô trên bề mặt đường không bằng

phẳng sẽ phát sinh các dao động của các khối lượng phần

treo và khối lượng phần không được treo của ô tô. Độ mấp

mô của bề mặt đường là nguồn kích thích chính cho ô tô

dao động. Khi nghiên cứu mô hình dao động của ô tô cần

thiết phải mô tả toán học biến dạng bề mặt đường sẽ tham

gia vào phải của hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động

dao động của hệ Điều kiện đường trong thực tế sử dụng ô

tô rất đa dạng. Ảnh hưởng của chúng tới dao động của ô tô

được xác định bởi kích thước hình học, hình dạng và đặc

tính thay đổi của chúng. Tuỳ theo chiều dài của mấp mô

hoặc chiều cao của nó mà có thể phân ra các nhóm đặc trưng

khác nhau của biên dạng bề mặt đường, có thể phân thành

ba loại chính như sau: loại 1: mấp mô có chiều dài ngắn, tác

động của chúng lên các va đập (tác động xung). loại 2: mấp

mô có dạng hàm điều hoà (hình sin). loại 3: mấp mô ngẫu

nhiên.

Hình 1. Các dạng mấp mô mặt đường loại 1

Trong nghiên cứu dao động của ô tô có rất nhiều mô

hình dao động của nhiều tác giả khác nhau, tùy thuộc vào

mục tiêu nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả

chỉ đưa ra 3 loại mô hình đặc trưng với mục đích có một

cách nhìn tổng quan về phương pháp xây dựng mô hình

gồm mô hình dao động ¼, mô hình dao động ½ và mô hình

không gian.

2.2. Cơ sở lý thuyết chung về dao động

Dao động được mô tả theo khái niệm sau: dao động là

một quá trình trong đó một đại lượng vật lý (như hóa học,

sinh học,...) thay đổi theo thời gian và có một đặc điểm nào

đó lặp lại ít nhất một lần. Ô tô được xem như là một hệ dao

động cơ học, gồm nhiều khối lượng được liên kết với nhau

và tương tác chặt chẽ với mặt đường có dạng phức tạp.

Trong lý thuyết ô tô, khi nghiên cứu về dao động của nó,

thường giả định rằng khối lượng của ô tô được tập trung,

được chia thành hai phần: phần được treo và phần không

được treo. Dao động của phần được treo là phức tạp và có

thể được xem như là sự kết hợp của một số dao động đơn

giản. Trong trường hợp này, phần được treo có thể thực hiện

đồng thời ba loại di chuyển tịnh tiến theo các trục tọa độ O,

O, O và ba loại di chuyển góc xung quanh các trục này.

Trong đó, di chuyển tịnh tiến theo trục O và di chuyển góc

xung quanh trục O (gọi là lắc dọc), O (gọi là lắc ngang)

thường có ảnh hưởng lớn nhất đến sự êm ái và an toàn trong

việc di chuyển của ô tô.

Các nguồn gây ra dao động gồm: mấp mô mặt đường,

điều kiện tự nhiên, lực quán tính,… Chuyển động của ô tô

trên mặt đường không bằng phẳng sẽ sinh ra các dao động

của khối lượng phần không được treo và khối lượng phần

được treo của ô tô. Độ mấp mô của mặt đường là nguồn

kích thích chính cho ô tô dao động.

2.3. Xây dựng mô hình cấu trúc ô tô

Nhóm tác giả đã chọn xe Toyota Vios 2016 để tiến hành

xây dựng mô hình cấu trúc không gian:

Hình 2. Hình ảnh xe Toyota Vios 2016

Ô tô con có khối lượng và kích thước nhỏ. Ô tô được

thiết kế có khối lượng phân bố đối xứng qua mặt phẳng dọc.

Thân xe được phân thành phần được treo trước và sau,

tương ứng là các cầu xe trước và sau. Các giả thiết trong

quá trình mô tả động lực học được sử dụng: mô hình động

lực học không gian, mô hình ô tô con có trục đối xứng theo

trục dọc của xe, thân xe coi như là một tấm phẳng có khối

lượng ma đặt tại trọng tâm thân xe. Trong bài toán xét dao

động của xe khi chuyển động thẳng, thân xe có ba chuyển

động bao gồm: chuyển động tịnh tiến theo trục thẳng đứng

z và hai góc xoay tương ứng trục x và y, bốn bánh xe với

các thông số độ cứng và hệ số giảm chấn. Từ quá trình phân

tích ta xây dựng mô hình không gian cho xe để tiến hành

mô phỏng:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 293

Hình 3. Mô hình không gian xe con tiến hành mô phỏng

Từ mô hình đã xây dựng áp dụng định luật hai Newton,

nhóm tác giả xây dựng bảy phương trình toán học mô tả dao

động của xe gồm thân xe, góc lắc ngang thân xe, góc lắc

dọc thân xe và bốn bánh xe như sau:

- Phương trình:

ξ

=− − +

= − .ξ−  + + 

−  . ξ− + + 

+  .(ℎ− ξ)

= −ξ+ − − − ξ(+  )

+ − − + ℎ

- Phương trình:

ξ

=− − +

= − .ξ− − + 

−  . ξ− − + 

+  .(ℎ− ξ)

= −ξ+ +− − ξ(+  )

+ +− + ℎ

- Phương trình:

ξ

=− − +

= − .ξ− − −

−  . ξ− − −

+  .(ℎ− ξ)

= −ξ+ ++− ξ(+  )

+ +++ ℎ

- Phương trình:

ξ

=− − +

= − .ξ−  + −

−  . ξ− + −

+  .(ℎ− ξ)

= −ξ+ −+− ξ(+  )

+ −++ ℎ

- Phương trình:

= + + +

+  + + +

=.ξ− + +

+  .ξ−  + + 

+  .ξ−  − + 

+  . ξ−−+ 

+ .ξ−  − −

+  .ξ−−− 

+ .ξ−+−

+  .ξ−+− 

= −.( + + + )+ ξ+ξ+ ξ

+ξ+ (−−+)

+(+−−)

−(+++)+ξ+ξ

+ξ+ξ

+(−−+)+(

+−−)

- Phương trình

 = − − +

+ + + − −.

= −.ξ−++

−ξ−++

+. ξ−−+

+ξ−−+

+. ξ−−−

+ξ−−−

−. ξ−+−

−ξ−+−.

=(−−+)−ξ+ξ+ξ

−ξ−(+++)

−(−+−)

+(−−+)−ξ

+ξ+ξ−ξ

−(+++)−(

−+−)

- Phương trình:

 = −( + + +).1

+( + + +).2

=−.ξ−++

+ξ−++

+. ξ−−+

+ξ−−+.

+.ξ−−−

+ξ−−−

+. ξ−+−

+ξ−+−.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 294=(+−−)−ξ−ξ

+ξ+ξ

−(−+−)

−(

+

+

+

)

+(+−−)−ξ

−ξ+ξ+ξ

−(−+−)

−(

+

+

+

)

2.4. Xây dựng mô hình xe trong Simulink

Nhóm tác giả xây dựng phương trình trạng thái của xe:

 =+

= + 

Trong đó:

= [ℎ ℎ ℎ ℎ 0 0 0] là vetor

đầu vào

=



 là vetor trạng thái

=



 là vetor đầu ra

Với [s] =      

Từ phương trình trạng thái, nhóm nghiên cứu tiến hành

xây dựng mô hình mô phỏng xe trên Simulink:

Hình 4. Mô hình xe trên Simulink

Mô hình xe trong Simulink có thể được mô tả một cách

ngắn gọn như sau: khối mặt đường sẽ tạo ra các tín hiệu

mấp mô thể hiện cho biên dạng mặt đường. Khối lực kích

thích mặt đường sẽ nhận tín hiệu mấp mô được tạo ra từ

khối mặt đường, tác dụng lực kích thích lên bốn bánh xe với

bảy tín hiệu đầu vào được khối Mux gộp lại thành một tín

hiệu để làm tín hiệu đầu vào cho phương trình trạng thái.

Khối kết quả sẽ nhận hai mươi mốt tín hiệu đầu ra ứng với

các giá trị của sự dịch chuyển, vận tốc và gia tốc của thân

xe và bốn bánh bánh xe.

3. KẾT QUẢ

Sau khi nhóm tác giả tiến hành mô phỏng và đưa ra kết

quả dịch chuyển của bốn bánh xe, thân xe và các góc xoay

có thể thấy dạng mặt đường hình sin là đặc biệt nhất bởi

dạng dịch chuyển thẳng đứng của thân xe tại trọng tâm là

một hàm điều hòa. Sau khi qua mấp mô mặt đường, thân xe

vẫn dịch chuyển với một dạng biên độ điều hòa.

Dưới tác động của biên dạng mặt đường hình sin, nhóm

tác giả đã mô phỏng, đưa ra kết quả như hình bên dưới và

nhận thấy các giá trị này thay đổi trong một khoảng thời

gian ban đầu sau đó giá trị các gia tốc này trở lại giá trị điều

hòa. Giá trị gia tốc tại các vị trí tiếp xúc của thân xe thay

đổi trong giai đoạn ban đầu khi tín hiệu mặt đường hình sin

tác động vào xe sau thời gian đó các giá trị gia tốc cũng trở

lại giá trị điều hòa.

Hình 5. Gia tốc của thân xe khi xe đi qua mấp mô hình sin

Hình 6. Gia tốc thân xe khi xe đi qua mấp mô hình xung

Hình 7. Gia tốc thân xe khi xe đi qua mấp mô ngẫu nhiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 295Để xác định mức độ dao động của xe, sử dụng đồ thị gia

tốc của THÂN XE để khảo sát. Qua ba loại mấp mô mặt

đường, để giảm độ cao của thân xe khi va chạm với mấp

mô, ta cần di chuyển qua mấp mô với tốc độ 20 km/h để

đảm bảo thân xe ổn định, nếu di chuyển qua những mấp mô,

đặc biệt là hình xung với tốc độ lớn hơn 20 km/h hệ thống

treo của xe Toyota Vios 2016 tiến hành khảo sát sẽ không

thể dập tắt dao động trong khoảng thời gian ngắn hơn 0,6

giây và độ dịch chuyển có biên độ cao hơn sẽ làm xe mất

khả năng cân bằng, gây ảnh hưởng tới hệ thống treo và độ

an toàn của người lái xe.

4. KẾT LUẬN

Từ nghiên cứu, mô phỏng các hệ phương trình vi phân,