Nghiên cứu khảo sát động lực học chuyển động của xe tải lớn bằng phần mềm chuyên dụng

Chính vì vậy, việc triển khai thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khảo sát động lực học chuyển động của xe tải lớn bằng phần mềm chuyên dụng” là rất cần thiết, từ đó sẽ đưa ra các kết quả đán

2 PGS.TS Dương Ngọc Khánh

Khoa: Cơ khí động lực

Trường: Cơ khí

HÀ NỘI, 4/2022

4 PGS.TS Dương Ngọc Khánh

Khoa: Cơ khí động lực

Trường: Cơ khí

HÀ NỘI, 4/2022

MỤC LỤC

MỤC LỤC - 1

LỜI NÓI ĐẦU - 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - 5

1.1 Tình hình tai nạn giao thông do xe tải gây ra hiện nay - 5

1.2 Các dạng mất ổn định chuyển động của ô tô - 8

1.2.1.Vấn đề mất ổn định lật ngang - 9

1.2.2 Mất ổn định hướng và quỹ đạo chuyển động - 13

1.3 Mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính - 15

1.4 Mục tiêu, phương pháp, phạm vi vấn đề nghiên cứu - 18

1.4.1 Mục tiêu vấn đề nghiên cứu - 18

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu - 19

1.4.3 Phạm vi nghiên cứu - 19

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC XE TẢI BẰNG PHẦN MỀM TRUCKSIM - 21

2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng TruckSim - 21

2.1.1 Giới thiệu chung - 21

2.1.2 Ứng dụng của TruckSim - 22

2.1.3 Phương pháp hệ nhiều vật và phương trình Kane - 24

2.2 Một số Modun được thiết lập trong TruckSim - 29

2.2.1 Thân xe (Vehicle body) - 29

2.2.2 Hệ thống truyền lực, hệ thống lái và hệ thống phanh - 30

2.2.3 Các cầu xe - 31

2.2.4 Mô hình Lốp - 32

2.3 Xây dựng quy trình mô phỏng - 36

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG ÁN MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC - 45

3.1 Các thông số kỹ thuật xe - 45

3.2 Các phương án mô phỏng - 46

3.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá - 46

3.3.1 Kết quả mô phỏng khi xe quay vòng - 46

3.3.2 Kết quả mô phỏng của khi xe quay vòng Fishhook - 53

3.3.3 Kết quả mô phỏng của khi xe chuyển làn đường - 59

KẾT LUẬN - 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 67

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây ngành công nghiệp ô tô ngày càng phát triển, thể hiện rõ tầm quan trọng trong sự phát triển chung của nền công nghiệp cả nước Với kích thước và khối lượng lớn, xe tải lớn đã đáp ứng tốt nhu cầu vận chuyển khối lượng lớn các loại hàng hóa, đặc biệt là đối với hàng hóa chuyên dùng Tuy nhiên, do có kích cỡ và tải trọng lớn dẫn đến trong quá trình chuyển động rất khó

có thể giữ được tính ổn định cho toàn bộ xe

Có 2 dạng mất ổn định cơ bản là mất ổn định hướng và mất ổn định lật ngang Tuy nhiên, để có thể xác định được chính xác các trạng thái mất ổn định này thì có thể sử dụng phương pháp thực nghiệm là đo thử trên đường nhưng sẽ rất khó khăn

Chính vì vậy, việc triển khai thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khảo sát động lực học chuyển động của xe tải lớn bằng phần mềm chuyên dụng” là rất cần thiết, từ

đó sẽ đưa ra các kết quả đánh giá và có kiến nghị phù hợp để cải thiện tính an toàn của phương tiện cũng như giảm thiểu tai nạn giao thông xảy ra trong quá trình chuyển động

Em xin chân thành cảm ơn TS Tạ Tuấn Hưng và PGS.TS Dương Ngọc Khánh

đã rất tận tình hướng dẫn chỉ bảo cho em trong quá trình thực hiện đề tài Do mới tiếp cận phần mềm nên nội dung luận văn còn nhiều điều chưa hoàn chỉnh Kính mong các thầy trong hội đồng đóng góp để nội dung đề tài của em hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày tháng năm 2022

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hữu Thành

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình tai nạn giao thông do xe tải gây ra hiện nay

Theo Văn phòng Ủy ban An toàn giao thông Quốc gia vừa tổng hợp, báo cáo tai nạn giao thông tháng 02 (tính từ ngày 15/01/2022 đến ngày 14/02/2022) và

2 tháng đầu năm 2022 (tính từ ngày 15/12/2021 đến 14/02/2022) như sau:

Hình 1.1 Hiện trường một vụ TNGT xảy ra trong tháng 2/2022

Trong tháng 2, toàn quốc xảy ra 1011 vụ, làm chết 620 người và làm bị thương 661 người So với tháng cùng kỳ năm 2021 giảm 184 vụ (-15,4%), giảm

24 người chết (-3,73%), giảm 225 người bị thương (-25,4%) Trong đó:

- Đường bộ: Xảy ra 1000 vụ, làm chết 614 người, bị thương 657 người So với cùng kỳ năm trước giảm 178 vụ (-15,11%), giảm 17 người chết (-2,69%), giảm

226 người bị thương (-25,59%)

- Đường sắt: Xảy ra 7 vụ, làm chết 4 người, bị thương 3 người So với cùng kỳ năm trước giảm 4 vụ (-36,36%), giảm 4 người chết (-50%), số người bị thương không thay đổi (3/3)

- Đường thuỷ: Xảy ra 4 vụ, làm chết 2 người, bị thương 1 người So với cùng

kỳ năm trước giảm 1 vụ (-20%), giảm 2 người chết (-50%), tăng 1 người bị thương (1/0)

- Hàng hải: Trong tháng 02 không xảy ra tai nạn So với cùng kỳ năm trước giảm 1 vụ (-100%), giảm 1 người chết (-100%), số người bị thương không thay đổi (0/0)

Tai nạn giao thông 2 tháng đầu năm 2022, toàn quốc xảy ra 1.974 vụ tai nạn giao thông, làm chết 1.185 người, bị thương 1.260 người So với 2 tháng đầu năm

2021, số vụ TNGT giảm 541 vụ (-21,51%), giảm 90 người người chết (-7,06%),

số người bị thương giảm 563 người (-30,88%) [1] Trong đó:

- Đường bộ: Xảy ra 1.953 vụ, làm chết 1.172 người, bị thương 1.255 người

So với cùng kỳ năm trước giảm 534 vụ (-21,47%), giảm 78 người chết (-6,24%), giảm 564 người bị thương (-31,01%)

- Đường sắt: Xảy ra 14 vụ, làm chết 9 người, bị thương 4 người So với cùng

kỳ năm trước giảm 2 vụ (-12,5%), giảm 4 người chết (-30,77%), số người bị thương không thay đổi (4/4)

- Đường thuỷ: Xảy ra 7 vụ, làm chết 4 người, bị thương 1 người So với cùng

kỳ năm trước giảm 3 vụ (-30%), giảm 3 người chết (-42,86%), tăng 1 người bị thương (1/0)

- Hàng hải: Trong 2 tháng không xảy ra tai nạn So với cùng kỳ giảm 2 vụ 100%), giảm 5 người chết và mất tích (-100%), số người bị thương không thay đổi (0/0)

(-Đặc biệt, tính đến ngày 8/2/2022 Cục Cảnh sát giao thông (C08, Bộ Công am) thông báo, trong 9 ngày nghỉ Tết Nguyên đán Nhâm Dần 2022, toàn quốc đã xảy ra 216 vụ tai nạn giao thông, làm chết 121 người, bị thương 138 người [2]

Từ các kết quả trên, chúng ta có thể thấy rằng vấn nạn về tai nạn giao thông xảy ra hiện nay ở tất cả mọi tuyến đường nhưng thường xuyên nhất là ở tuyến đường bộ Đặc biệt, số vụ tai nạn xảy ra do xe tải lớn gây ra là rất nhiều và nghiêm trọng Sau đây là hình ảnh của một số vụ tai nạn giao thông điển hình do xe tải lớn gây ra trong thời gian qua

Hình 1.2 Hình ảnh Chiếc xe tải chở củ, quả lật ngửa trên cao tốc

Trung Lương - Mỹ Thuận ngày mồng 3 Tết Nhâm dần [3]

Hình 1.3 Tai nạn xe tải làm 7 người tử vong tại Thanh Hóa [4]

Hình 1.4 Hình ảnh xe tải đối đầu xe con ở Hưng Yên khiến 03 người tử vong [5]

Hình 1.5 Hình ảnh xe khách đâm lật xe tải ở Hòa Bình khiến 3 người tử vong [6]

Từ một số hình ảnh trên chúng ta có thể thấy rằng vấn đề tai nạn giao thông xảy ra đối với xe tải, xe tải lớn là rất thường xuyên, nghiêm trọng và xảy ra là do rất nhiều nguyên nhân, trong đó chủ yếu do xe tải có kích thước cồng kềnh lại có trọng tải lớn dẫn đễn dễ bị mất ổn định chuyển động trên đường khi tăng tốc, khi phanh, khi vượt xe, tránh chướng ngại vật, khi chạy trên đường có hệ số bám thấp hoặc khi xe đi vào đường vòng Chính vì vậy hành lang chuyển động của xe cũng

là yếu tố quan trọng khi thiết kế, xây dựng các loại đường

1.2 Các dạng mất ổn định chuyển động của ô tô

Sự chuyển động của ô tô trên nền đường phụ thuộc rất nhiều vào mối quan

hệ của bánh xe trên nền đường Nếu gắn vào bánh xe một hệ tọa độ không gian ba chiều, bánh xe sẽ chịu các lực dọc (theo phương X), lực ngang (theo phương Y)

và lực thẳng đứng (theo phương Z) đồng thời chịu mô men tác dụng theo các trục

Mx, (quay xung quanh trục x); My (quay xung quanh trục y); Mz (quay xung quanh trục z) Các lực và mô men này luôn luôn biến động và phụ thuộc và tốc độ quay

và khả năng biến dạng của bánh xe [7, 8]

Trong khoảng thời gian ngắn bánh xe có thể được coi là lăn đều, tâm quay của bánh xe là tâm trục Còn trong quá trình chuyển động, bánh xe bị biến dạng, các lực tác động lên bánh xe là rất lớn và theo mức độ phức tạp của hệ thống Khi ô tô chuyển động trên đường vòng mặt đường bằng phẳng do có lực ly tâm làm ảnh hưởng tới tải trọng tác dụng lên phần được treo, làm thùng xe nghiêng

Vì vậy, tải trọng tác dụng lên bánh xe bên trong và bên ngoài đường vòng thay đổi, tạo lực ngang làm bánh xe bị biến dạng bên, ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển động trong thực tế xuất hiện góc lệch hướng của xe [9]

Đối với ô tô, có hai dạng mất ổn định thường xảy ra là mất ổn định hướng và mất ổn định lật ngang Lật ngang xảy ra khi góc lắc ngang của thân xe tăng nhanh khi xe chuyển hướng hoặc gặp các trạng thái đường mấp mô lớn Ngoài sự xác định tăng nhanh góc lắc ngang thì còn có thể xác định trạng thái mất ổn định lật ngang thông qua sự tách các bánh xe ở phía trong khi quay vòng hoặc chuyển hướng Cả hai dạng này đều có thể gây ra các tai nạn nghiêm trọng

1.2.1 Vấn đề mất ổn định lật ngang

Khi xe chuyển hướng, xuất hiện mô men gây lật và mô men chống lật, khi

mô men lật lớn hơn mô men chống lật ô tô sẽ bị lật, thời điểm lật được đánh giá là các bánh xe bên trong đường vòng bằng không Một số trường hợp khác như phanh trên đường vòng hoặc tăng tốc cũng ảnh hưởng tới lật bên Vấn đề ổn định ngang khi chuyển động vào đường vòng của xe tải là một vấn đề quan trọng bởi lý do khi

xe tải đi vào đường vòng sẽ xuất hiện lực ly tâm gây mất ổn định chuyển động của

xe tải Độ lớn của lực ly tâm phụ thuộc vào tốc độ của xe tải khi đi vào đường vòng, phụ thuộc vào trọng lượng của xe tải và phụ thuộc và bán kính quay vòng Khi tốc độ tăng thì lực ly tâm cũng tăng theo, trọng lượng của xe tải càng lớn thì lực ly tâm càng lớn và bán kính quay vòng nhỏ lực ly tâm càng lớn Lực ly tâm là nguyên nhân gây mất ổn định cho xe tải [10] Cụ thể, lực ly tâm có thể gây ra trượt ngang khi xe tải đi vào đường vòng, mức độ trượt ngang càng tăng nếu hệ số bám của mặt đường thấp và lực ly tâm càng cao Và có thể là nguyên nhân làm cho xe tải trượt ra khỏi đường đi nếu lực ly tâm này quá lớn, hoặc hệ số bám trên đường thấp Do đó, lực ly tâm là nguyên nhân lật xe tải hay nói cách khác lực ly tâm ảnh hưởng tới vấn đề ổn định ngang của xe tải Khi lực ly tâm xuất hiện ban đầu thân

xe bị nghiêng đi một góc, góc nghiêng này tăng tỷ lệ thuận với lực ly tâm, góc nghiêng tăng tới giá trị tới hạn nào đó xe tải sẽ bị lật Giá trị giới hạn của góc nghiêng thân xe phụ thuộc vào kết cấu của xe tải như chiều cao trọng tâm của xe tải, khoảng cách đặt 2 nhíp

Lật của xe tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là các yếu tố liên quan đến kết cấu của xe như: chiều cao trọng tâm xe tải, trọng lượng của xe tải, khoảng cách đặt nhíp của xe tải Xe tải có chiều cao trọng tâm cao thì khả năng lật xe càng tăng

và ngược lại Vì vậy giảm chiều cao trọng tâm xe tải là một phương pháp làm giảm lật xe tải, tăng tính ổn định ngang cho xe tải tuy nhiên do xe tải có đặc điểm là xe tải phải hoạt động được trên mọi địa hình khác nhau nên khoảng sáng gầm xe là rất lớn điều này làm tăng chiều cao trọng tâm xe Xe tải là loại xe hay xảy ra lật xe nhất so với các loại xe khác

Về bản chất lật ngang có thể đánh giá thông qua cơ chế lật ngang.Cơ chế lật ngang của ô tô có thể được biểu diễn thông qua mô hình lắc ngang 1/2 (Roll Model) [11,12] Hình 1.6a là trạng thái lắc ngang khi chưa tách bánh xe và Hình 1.7a là khi tách bánh xe Giả thiết khối lượng được treo M tập trung tại trọng tâm có chiều cao h tính từ mặt đường Khối lượng của cầu xe là nhỏ hơn nhiều so với khối lượng được treo Góc lắc ngang β giả thiết là nhỏ và coi như xe lắc ngang quanh một điểm nằm trên mặt đường Đầu vào của mô hình lắc ngang này là gia tốc ngang ay

tác động vào trọng tâm khi xe quay vòng Với góc lắc ngang quanh tâm quay trên mặt đường, trọng tâm xe sẽ bị dịch chuyển ngang tạo cánh tay đòn hβ của trọng lực

Mg sinh ra mô men gây lắc ngang do trọng lượng của xe Gia tốc ngang ay với cánh tay đòn h với tâm quay cũng làm một thành phần mô men gây lắc ngang

Mayh Sự cân bằng mô men theo trục dọc xe được xét với mô men sinh ra do sự thay đổi tải trọng hai bên bánh xe Fz1, Fz2 (các ký hiệu chỉ được dùng riêng trong phần này)

Với góc lắc ngang nhỏ, phương trình cân bằng mô men tại điểm nằm chính giữa hai vết bánh xe được viết như sau:

y z2 z1

Hình 1.6 Mô hình lắc ngang ½ và đồ thị mô men lắc ngang

Theo đẳng thức trên có hai mô men gây mất ổn định cho xe là:

- Mô men chuyển dịch từ lực ngang tác dụng lên xe qua trọng tâm Mayh, sinh ra do gia tốc ngang khi xe quay vòng được biểu diễn là đường chéo bên trái của sơ đồ Hình 1.6 b;

- Mô men do sự lệch trọng tâm so với tâm quay của xe Mghβ (giả thiết góc

β nhỏ, sinβ ≈ β)

Mô men ổn định lắc ngang cho xe là thành phần sinh ra do sự phân bố tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe hai bên (Fz2-Fz1)b Đây là mô men nội lực, phụ thuộc vào cấu trúc của xe, cụ thể là lốp Với quá trình quay vòng kết hợp với tính đàn hồi của lốp thì một bên lốp bị nén làm tải trọng tăng và bên còn lại lốp bị giãn dẫn đến tải trọng giảm Đồng thời trọng tâm thân xe cũng bị dịch chuyển ngang một khoảng tương ứng với góc lắc ngang nhân với chiều cao trọng tâm Sự phân

bố tải trọng có liên quan đến góc lắc ngang Nếu bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống treo có thể tính gần đúng:

z2 z1 L

Trong đó CL là độ cứng hướng kính của lốp

Thay vào 1.1 ta được:

2 L y

2C b

Mg

Hình 1.7 Trạng thái tách bánh xe khi chịu lực ngang

Từ biểu thức này ta nhận thấy quan hệ giữa ay và β là tuyến tính Tức là khi

β tăng thì ay tăng và ngược lại như nhánh trái hình 1.6b Tuy nhiên, quan hệ này chỉ đúng khi cả hai bánh xe đều vẫn còn bám mặt đường Nếu gia tốc ngang tiếp tục tăng đến một giá trị góc lắc ngang xe β0 thì sẽ có sự tách bánh xe phía bên trong

Fz1=0

Khi tách bánh xe, tâm quay của xe sẽ chuyển từ điểm O giữa hai bánh xe sang điểm tiếp xúc phía ngoài của bánh xe P trên mặt đường Giả thiết xe bị lắc ngang một góc α sau khi bị tách bánh xe β=α+β0 là tổng góc lắc ngang của xe Khi

đó phương trình cân bằng mô men được viết cho tâm quay P là:

y

Ma (b sin h cos ) Mg(b cos h sin )

1.2.2 Mất ổn định hướng và quỹ đạo chuyển động

Có 3 trạng thái mất ổn định hướng [8] có thể xảy ra:

- Cầu trước trượt: tùy vào mức độ trượt, xe bắt dầu quay vòng thiếu ít cho đến khi trượt nhiêu, xe không có khả năng vào cua, chuyển động theo phương quán tính (tiếp tuyến);

- Cầu sau trượt: khi cầu sau trượt, xe bắt đầu quay vòng thừa, xe mất ổn định, bán kính quay vòng có thể bằng 0;

- Khi hai cầu cùng trượt, tuỳ theo mức độ và tương quan giữa 2 cầu, xe có thể quay vòng thừa hoặc thiếu

Có 2 giai đoạn trượt là trượt đàn hồi và trượt lết:

- Trượt đàn hồi là trượt tương đối bởi các phân tử cao su của lốp;

- Trượt lết là di chuyển tương đối trên bề mặt lốp đường Quá trình trượt lết phụ thuộc hệ số bám ngang

Để đánh giá ổn định hướng của xe đơn có rất tiêu chí đánh giá:

a Hệ số ổn định K

Hình 1.8 Mô hình chuyển động một dãy

Trong mô hình một dãy, hai bánh xe trên một cầu được đưa về tâm cầu Khi quay vô lăng một góc δL làm cho bánh xe dẫn hướng quay đi một góc δ1 dẫn đến

xe quay vòng với bán kính quay vòng ρ Khi đó trên các bánh xe xuất hiện góc trượt α1 và α2 Để đánh giá ổn định hướng của ô tô bằng mô hình một dãy ta sử dụng hệ số ổn định K được tính như sau:

– Quay vòng thiếu khi K > 0: phải tăng góc lái để đạt cung quay vòng mong

muốn, nhưng xe vẫn ổn định; trạng thái cực trị xe mất tính điều khiển;

– Quay vòng đủ khi K = 0 ;

– Quay vòng thừa khi K< 0: xe mất ổn định

b Hiệu góc trượt bánh trước và bánh sau trên mô hình một vết [8, 13]

Nếu xét trường hợp xe đi với một vận tốc v rất chậm thì có thể coi:

1 1

l





Tuy nhiên trong trường hợp xe quay vòng với vận tốc v lớn thì các hệ số trượt

α1 và α2 là đại lượng cần được xét đến trong quan hệ góc Ackerman như sau:

Với công thức (1.8) có thể xác định được trạng thái quay vòng theo mối quan

hệ góc trượt ngang tại các bánh xe [6] như sau:

- Nếu α1 - α2>0 => Quay vòng thiếu;

- Nếu α1 - α2 =0 => Quay vòng đủ;

- Nếu α1 - α2<0 => Quay vòng thừa

Tuy nhiên đối với mô hình một dãy sẽ rất khó đánh giá được các trạng thái

quay vòng của xe khi phanh hoặc điều kiện chuyển động của hai bên bánh xe trên

một cầu khác nhau

c Các thông số góc xoay thân xe

Trong nghiên cứu động lực học ô tô có thể đánh giá trạng thái quay vòng của

xe theo các thông số là vận tốc góc quay thân xe  và gia tốc góc quay thân xe



 như Hình 1.9 dưới đây [8]

Hình 1.9 Các thông số đặc trưng đặc tính quay vòng

Không giống như mất ổn định lật ngang đã có tiêu chí rõ ràng là sự tách bánh xe khỏi mặt đường Đối với mất ổn định trượt, các tiêu chí đánh giá vẫn là trạng thái quay vòng thừa, thiếu…thông qua việc đánh giá kết hợp nhiều thông số phản ứng của xe như vận tốc góc quay thân xe, gia tốc góc quay than xe, góc trượt trước và sau, sự vi phạm làn đường trong một số trạng thái chuyển động đặc trưng…các thông số này trong thực tế có thể đo được, tuy nhiên khi đánh giá thì chưa có các ngưỡng rõ ràng để xác định trạng thái ổn định hay mất ổn định

1.3 Mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính

Ngành công nghiệp ô tô của nước ta đang trong quá trình hình thành và phát triển, trong những năm vừa qua đã đạt được nhiều kết quả khả quan Và để đạt được những mục tiêu đã đề ra chúng ta cần quan tâm nghiên cứu sâu hơn về các cụm chi tiết, các bộ phận trong cụm chi tiết, các hệ thống cũng như điều kiện làm việc của ô tô Từ đó có thể có những giải pháp kỹ thuật can thiệp sâu hơn vào các

hệ thống nhằm phát huy đặc tính tối ưu của hệ thống Động lực học ô tô cũng là một lĩnh vực được quan tâm hiện nay Nghiên cứu động lực học ô tô có thể dùng phương pháp thí nghiệm đo các thông số làm việc của ô tô Song song với sự phát triển của công nghệ kĩ thuật ngành công nghiệp ô tô cũng đưa ứng dụng các phần mềm mô phỏng để giúp việc nghiên cứu được thuận lợi, dễ dàng hơn Mô hình hóa

và mô phỏng bằng máy tính là đóng vai trò quan trọng trong tất cả các chuyên ngành kỹ thuật Mỗi một phần mềm khác nhau đều có những khả năng riêng biệt

Ở cùng một thời điểm khi mô phỏng một hệ hay một hiện tượng phức hợp thì có

thể có số lượng có hạn các phần mềm chuyên dụng, hoặc đa dụng để có thể đưa ra các kết quả chấp nhận được

Hình 1.10 Hai hướng sử dụng phần mềm trong kỹ thuật [14]

Ô tô, phương tiện di chuyển mặt đất (xe con, xe tải, tầu hỏa) cùng với đường không, đường thủy, hiện nay là một hệ phức tạp Trong yêu cầu về thời gian ngắn, tính an toàn, tuổi thọ, tính tiện nghi, giá thành thấp dẫn đến tính toán mô phỏng là một việc rất cần thiết cho sự phát triển Các nhà sản xuất, các nhà thiết kế và cả quân đội luôn cố gắng tổng hợp rất nhiều các phương pháp thiết kế, thử nghiệm

Và từ đó, hai hướng tiếp cận được đưa ra

 Hướng tiếp cập thứ nhất (hình bên trái): tất cả các thành phần của hệ thống

là độc lập, được mô phỏng bằng các công cụ mô phỏng thông dụng, được biểu diễn bằng các thành phần cơ bản trong thư viện Và khi đó mỗi một mô hình sẽ giải quyết một vấn đề riêng không hề liên quan đến nhau

 Hướng tiếp cận thứ hai (hình bên phải): Là cách tiếp cận tích hợp Có nghĩa là các hệ thống mô phỏng được liên quan đến nhau, và luôn có một mối liên

hệ sao cho đảm bảo tính thật nhất của mô phỏng Đây là phương pháp tiếp cận phù hợp với các cơ hệ nhiều vật, chịu nhiều tác động như ô tô hiện nay

Hiện nay không chỉ các viện nghiên cứu, các nhà khoa học mà cả các nhà sản xuất cũng đi theo hướng thứ 2 Đó là việc tích hợp các phần mềm để mô phỏng tính toán các hệ thống nhằm đảm bảo hiệu quả khi thiết kế, tối ưu sản phẩm khi sản xuất

Hình 1.11 Sơ đồ hệ phần mềm tích hợp

Hình 1.11 thể hiện sự tích hợp của các nhóm phần mềm Phương pháp kết hợp giữa SIMPACK để thiết lập động lực học hệ nhiều vật Sau đó chuyển đổi sang các phần mềm CACE (như Matlab) để điều khiển tối ưu hóa hệ thống Trong nghiên cứu của mình các tác giả Zhang Yi, Xia Min-min, Qin Jin-yi, Zhang Hu [15] đã trình bày phương pháp nghiên cứu hệ thống treo tích cực điều khiển LQR bằng cách tích hợp mô phỏng bởi 2 phần mềm ADAMS và MATLAB Theo hướng này, mô hình ½ động lực học ô tô mô tả hệ thống treo được thiết lập trong ADAMS, và hệ điều khiển LQR được thiết lập trong MATLAB với gia tốc góc, chuyển vị của bánh xe Việc tích hợp 2 phần mềm này cho thấy hệ thống treo tích cực điều khiển LQR có thể nâng cao được hiệu quả và tính ổn định của ô

tô, phương pháp này cũng có thể đưa ra một hướng mới cho việc mô phỏng động lực học ô tô sau này

Hình 1.12 Sơ đồ sử dụng ADAMS và MATLAB

Trucksim là phần mềm mô phỏng động lực học ô tô được tạo ra bởi công

ty Mechanical Simulation [16] Cho đến nay Mechanical Simulation (USA) đã có hơn 30 năm kinh nghiệm xây dựng và phát triển các phần mềm để mô phỏng động lực học xe Một số phần mềm mô phỏng của công ty có thể kể đến bao gồm:

Phần mềm CarSim: Mô phỏng động lực học các loại xe ô tô 4 bánh, xe tải

nhẹ, xe tải nhỏ, xe ô tô đua; với các phiên bản mô phỏng thời gian thực

Phần mềm TruckSim: Mô phỏng động lực học xe tải nặng và xe tổ hợp,

dùng lốp đơn hoặc lốp kép

Phần mềm BikeSim: Mô phỏng động lực học xe máy, được phát hành lần

đầu năm 2006

Phần mềm SuspensionSim: Mô phỏng động lực học hệ thống treo của xe,

gửi dữ liệu hệ thống treo cho CarSim, TruckSim, BikeSim

Trucksim là phần mềm mô phỏng ô tô chuyên dùng để mô phỏng các loại

xe tải phổ biến hiện nay Mục tiêu của phần mềm là mô phỏng động lực học ô tô với rất nhiều biến vào Phần mềm này bao gồm nhiều mô đun: các cụm của ô tô không được mô đun hóa về kết cấu khi chịu tác động của tải và mô men, nhưng những tác động của lực và chuyển vị (hàm truyền) được xác định từ bảng thông số thực nghiệm và các thành phần này sẽ tạo ra các phản ứng khác nhau của ô tô [17, 22] Với ưu điểm trực quan, thư viện phong phú, dễ thực hiện đối với người sử dụng nên phần mềm Trucksim đã và đang được sử dụng rộng rãi khi mô phỏng, kiểm nghiệm các trạng thái chuyển động của các loại xe có kết cấu lớn đặc biệt ở các trạng thái nguy hiểm hướng tới thiết kế hệ thống cơ điện tử trên xe [23] Một

ưu điểm khác mà Trucksim thể hiện là việc kết hợp với các phần mềm CACE (MATLAB hoặc LabView) rất dễ dàng [18,19]

1.4 Mục tiêu, phương pháp, phạm vị vấn đề nghiên cứu

1.4.1 Mục tiêu vấn đề nghiên cứu

Ngày nay, phát triển các hệ thống cơ điện tử là xu thế tất yếu cho các hệ thống động lực học Đối với ô tô để có thể điều khiển được chính xác thì cần phải xác định đúng trạng thái động lực học của xe Mục tiêu chính của đề tài là ứng dụng phần mềm tính toán mô phỏng động lực học chuyên dụng để phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định chuyển động của ô tô tải lớn, từ đó làm cơ sở

để đưa ra các biện pháp nâng cao tính an toàn khi sử dụng ô tô tải lớn Sử dụng phần mềm TruckSim trong mô phỏng chuyển động xe tải là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn Các kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở để cảnh báo hoặc thiết kế hệ thống điều khiển ổn định sau này

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở thu thập, nghiên cứu các tài liệu có liên quan tính ổn định chuyển động của xe ô tô, ta đi sâu vào phân tích các yếu tố chính làm ảnh hưởng đến tính

ổn định chuyển động của ô tô tải làm nổi bật lên mức độ ảnh hưởng của các yếu tố chính đó Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết với việc tìm hiểu tổng quan về sự mất ổn định chuyển động của xe tải Từ đó xác định xe tải chính là đối tượng nghiên cứu Sau đó, đề tài tìm hiểu chuyên sâu về phần mềm TruckSim và

đề xuất phương pháp mô phỏng đối với một loại xe tải để khảo sát, đánh giá các trạng thái mất ổn định chuyển động trong một số trường hợp cụ thể

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC

HỌC XE TẢI BẰNG PHẦN MỀM TRUCKSIM 2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng TruckSim

2.1.1 Giới thiệu chung

Hình 2.1 Công cụ trực quan của TruckSim

Trucksim là phần mềm mô phỏng được phát triển bởi hãng Carsim [16] TruckSim cung cấp chính xác, chi tiết nhất, và các phương pháp hiệu quả để mô phỏng hiệu suất của thương mại nhiều trục và xe quân sự Với hơn hai mươi nhiều năm xác thực trong thế giới thực, TruckSim là phổ biến là công cụ ưa thích để phân tích động lực học phương tiện, phát triển hoạt động bộ điều khiển, tính toán hiệu suất của xe tải đặc điểm và kỹ thuật tiếp theo hệ thống an toàn chủ động thế

hệ

Với các nhà sản xuất phải đối mặt với nén chu kỳ phát triển sản phẩm, TruckSim cung cấp một bộ công cụ trực quan cho các kỹ sư để nhanh chóng đánh giá xe hoàn chỉnh, xe tải các thành phần phụ và bộ điều khiển hoạt động trong môi trường lái xe phức tạp

TruckSim luôn cập nhật những thông tin mới nổi xu hướng trong ngành với các bản cập nhật thường xuyên bao gồm các tính năng như: cảm biến và phương tiện giao thông để phát triển an toàn chủ động hệ thống, giao diện với hệ thống truyền động của bên thứ 3 công cụ mô phỏng và dựa trên hiệu suất Tiêu chuẩn

Mô hình xe độ trung thực cao: TruckSim bao gồm các mô hình toán học

cho hơn mười tám cấu hình xe bao gồm một số xe tải đơn chiếc và một nhiều loại kết hợp máy kéo-rơ-moóc với nhiều rơ-moóc, dolly và cấu hình trục Nếu người dùng yêu cầu cấu hình xe tải không được bao gồm, Mô phỏng cơ học có thể phát triển một mô hình xe tùy chỉnh dựa trên thông số kỹ thuật Các tính năng tùy chọn trong các mô hình toán học thêm bậc tự do để xử lý khung xe kéo linh hoạt, và giá đỡ hệ thống truyền lực linh hoạt

Định nghĩa mô hình xe: các mô đun xe được xác định với các tham số và các bảng có thể lấy từ dữ liệu đã có, công cụ kỹ thuật và thử nghiệm Khi dữ liệu không có sẵn, người dùng có thể sử dụng bộ dữ liệu TruckSim mẫu Thiết kế dựa trên thông số, mô-đun của TruckSim phương pháp tiếp cận cho phép người dùng sửa đổi các tham số và chạy mô phỏng bất kỳ lúc nào trong chu kỳ thiết kế TruckSim cung cấp vòng lặp mở và vòng kín mô hình trình điều khiển với các tính năng nâng cao để giúp các kỹ sư nhanh chóng khám phá khả năng giới hạn của xe tải hoặc con đường tối ưu của nó thông qua một cơ động phức tạp Những công nghệ này được yêu cầu bởi các nhà sản xuất, những người phải chứng nhận tuân thủ các quy định kiểm soát độ ổn định của ISO và ECE trên toàn thế giới

2.1.2 Ứng dụng của TruckSim

Hình 2.2 Một số ứng dụng của TruckSim

• TruckSim là một ứng dụng độc lập Nó không yêu cầu bất kỳ phần mềm khác để thực hiện mô phỏng

• TruckSim có giao diện chuẩn với MATLAB /Simulink

• TruckSim được sử dụng rộng rãi bởi phần lớn các OEM và nhà cung cấp xe thương mại

• TruckSim cho phép người dùng xây dựng các kịch bản phức tạp và thử nghiệm chuỗi sự kiện

• TruckSim có thể mở rộng quy mô từ:

- Phần mềm trong vòng lặp

- Mô hình trong vòng lặp

- Phần cứng trong vòng lặp

- Trình điều khiển trong vòng lặp

• TruckSim có giao diện người dùng trực quan và phân tích mạnh mẽ công cụ

• TruckSim hỗ trợ cảm biến xe và giao thông tương tác cho Phát triển V2V và ADAS

• TruckSim bao gồm nhiều loại xe, đường, và thủ tục để hỗ trợ người dùng lần đầu

• TruckSim là mô phỏng phương tiện dễ dàng nhất và hiệu quả nhất công cụ trên thị trường

Hình 2.3 Mô hình toán học có độ trung thực cao và hình học đường 3D chi tiết

• CarSim, TruckSim và BikeSim có hơn 3.500 người dùng đang hoạt động trên khắp thế giới tại các OEM, nhà cung cấp và các trường đại học hàng đầu

Hình 2.4 Tính năng cảm biến để phát triển hệ thống an toàn chủ động

Từ khi hình thành đến khi ra mắt sản phẩm, TruckSim cung cấp các công cụ chi tiết để hợp lý hóa thiết kế của người dùng, quy trình kỹ thuật và thử nghiệm Với TruckSim, người dùng có thể nhanh chóng chuyển đổi giữa phát triển sản phẩm nhiệm vụ bằng cách sử dụng lại các thông số xe và quy trình kiểm tra

đã thực hiện ở các bước trước

TruckSim hỗ trợ kỹ thuật tiêu chuẩn ngành các công cụ cho phép người dùng thêm các công nghệ của riêng mình vào môi trường mô phỏng của người dùng Hỗ trợ của TruckSim đối với nền tảng HIL tiêu chuẩn công nghiệp cho phép người dùng chọn phần cứng tốt nhất cho thời gian thực của người dùng mà không khiến người dùng phải tốn kém, kết hợp phần cứng / phần mềm chưa được chứng minh

2.1.3 Phương pháp hệ nhiều vật và phương trình Kane

Xe tải có khối lượng và kích thước lớn Kết cấu xe tải là phức tạp với tính chất liên kết phi tuyến cả hình học và vật lý Điều này ảnh hưởng rất lớn đến tính chất động lực học của xe tải đặc biệt trong các điều kiện chuyển động tới hạn Vì vậy việc mô tả phi tuyến là tất yếu trong nghiên cứu động lực học hiện nay Đặc điểm kết cấu xe tải là khung chịu lực, hệ treo độc lập có yếu tố phi tuyến hình học cao Thân xe được phân thành phần được treo trước và sau, tương ứng là các cầu xe trước

và sau Với giả thiết rằng khung xe cứng theo chiều uốn và mềm theo chiều xoắn nên có thể mô tả được chuyển động của trọng tâm toàn xe rồi tính quy đổi ra chuyển động từng phần Riêng cầu xe và các phần được treo liên kết với nhau qua hệ thống

treo có tính chất phi tuyến nên cần có các mô tả chi tiết

Trucksim là phần mềm mềm thương mại mô phỏng động lực học của ô tô phần mềm này được xây dựng trên cơ sở hệ nhiều vật và các phương trình mô tả chuyển động theo phương trình Kane [18] với từng khối lượng tập trung của xe tải như khối lượng được treo (thân xe), khối lượng không được treo (cầu xe), bánh xe… Với mỗi liên kết lại được thay thế bằng các lực và mô men liên kết tương ứng Các phương trình Kane tuy mới được thiết lập vào những năm 60 của thế kỷ

20, nhưng sớm có một vị trí trong nghiên cứu động lực học hệ nhiều vật Các phương trình này được thiết lập bởi Thomas R Kane, giáo sư Trường đại học Stanford (Hoa Kỳ) Phương trình dạng này được xây dựng theo dạng Lagrange của nguyên lí d’Alembert [20]

Hình 2.5 Hệ quy chiếu động và hệ quy chiếu cố định

a Phương trình Kane cho hệ nhiều vật hôlônôm có cấu trúc cây [20]

Xét sự cân bằng của hệ lực tác dụng lên vật rắn B k về khối tâm C k với được một lực Frk và một ngẫu lực Mrk

k

Fr và một ngẫu lực quán tính *

k

Mr

( , , , )( , , , )

m a

i i i i



 (2.15) Đối với hệ các vật rắn hôlônôm f bậc tự do, ta chọn các tọa độ suy rộng độc lập (các tọa độ suy rộng tối thiểu) q q1, 2, q f xác định vị trí của hệ Do các q i

(i 1, , )f độc lập tuyến tính, từ (2.45) ta suy ra các phương trình Kane cho hệ nhiều vật hôlônôm

i m

f q q q t  (i 1, 2, , r) (2.17)

Và s liên kết phi hôlônôm tuyến tính

0 1

0

m

jk k j k

k k

f q

0

m

jk k j k

1 1,

Với các kí hiệu ở trên, hai hệ phương trình (2.49) và (2.50) có thể biểu diễn

dưới dạng ma trận như sau:

Hệ các phương trình (2.28) được gọi là các phương trình Kane dạng nhân tử

cho hệ nhiều vật phi hôlônôm với các liên kết phi hôlônôm tuyến tính Cùng với

m phương trình vi phân (2.28) ta còn có r phương trình liên kết hôlônôm (2.17) và

s phương trình liên kết phi hôlônôm tuyến tính (2.18) Như thế ta có hệ m+r+s

phương trình vi phân đại số Chúng được sử dụng để xác định m tọa độ suy rộng

dư r nhân tử  và s nhân tử i j

Chú ý: Trong trường hợp hệ nhiều vật hôlônôm có cấu trúc mạch vòng, các phương

trình Kane dạng nhân tử có dạng:

* 1

f q q q t  (i  1, 2, , r) (2.30)

2.2 Một số mô đun được thiết lập trong Trucksim

2.2.1 Thân xe (Vehicle body)

Thân xe hay khối lượng được treo của xe bao gồm các nhóm thông số: Khối lượng được treo, hình dáng động học và cản khí động

Hình 2.6 Giao diện nhập các thông số của khối lượng được treo

Thân xe (khối lượng được treo) được mô tả với 6 chuyển động theo phương trình Kane với các ngoại lực và mô men ngoại lực tác dụng lên khối lượng được treo theo từng phương phụ thuộc vào liên kết với cầu xe (khối lượng không được treo) qua hệ thống treo và các thành phần ngoại lực tác động như khí động và các điều kiện ngoại cảnh khác

2.2.2 Hệ thống truyền lực, hệ thống lái và hệ thống phanh

Hình 2.7 Hệ thống truyền lực đi từ động cơ đến các cầu xe

Trucksim xây dựng hệ thống truyền lực đi từ động cơ bao gồm các cụm, hệ thống như Hình 2.7 Người dùng có thể lựa chọn các dạng truyền lực như: dẫn động cầu trước, cầu sau hoặc cả 3 cầu Khi muốn thay đổi các thông số của các cụm hệ thống truyền lực, người dùng chỉ cần chọn vào ô thoại tương ứng phía dưới

Hình 2.8 Giao diện nhập thông số hệ thống lái

Trucksim cho phép điều chỉnh, mô tả hệ thống lái một cách trực quan bao gồm một số thông số như góc đánh lái, góc kingpin của bánh xe…qua đó giúp người dùng đánh giá được sự khác biệt giữa các phương án mô phỏng Người dùng

có thể thay đổi đo các thông số của hệ thống lái bằng thực nghiệm như sự đàn hồi

và các thông số kết cấu khác Từ đó có thể nhập vào Trucksim để thực hiện mô

Hình 2.9 Giao diện thể hiện, nhập thông số cho HT phanh

Trucksim mô phỏng hệ thống phanh của các loại xe này với nhiều hệ thống

hỗ trợ điều khiển như ABS, bộ điều hòa lực phanh Người dùng có thể lựa chọn các dạng điều khiển khác nhau của hệ thống ABS hoặc có thể xây dựng thuật toán điều khiển mới bằng các phân mềm thích hợp như Matlap, Lab View Hiện nay TruckSim còn được sử dụng làm công cụ để kiểm chứng mô hình hoặc tích hợp

để thiết kế hệ thống điều khiển

2.2.3 Các cầu xe

Hình 2.10 Cửa sổ nhập các thông số cơ bản của hệ thống treo

Chương trình mô phỏng hệ thống treo xe theo các dạng treo thường gặp như

hệ thống treo độc lập, phụ thuộc…Các thông số thể hiện trong chương trình là trực quan, dễ dạng thay đổi Người dùng hoàn toàn có thể sử dụng chương trình để khảo sát các bài toán ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến ô tô mà không cần phải thiết lập, mô phỏng từng thành phần như các chương trình khác

Hình 2.11 Màn hình điều chỉnh các thông số kết cấu

TruckSim có thể mô tả nhiều loại hệ thống treo như hệ thống treo nhíp, hệ thống treo khí nén và các hệ thống treo điều khiển thông qua việc lựa chọn thông

số của thành phần đàn hồi Spring, giảm chấn (Dumper) Ngoài ra còn nhiều thông

số kết cấu khác, người dùng có thể thay đổi phù hợp với kết cấu của đối tượng nghiên cứu như thanh ổn định hay các góc đặt bánh xe Đây là một ưu điểm cho những nghiên cứu dùng để kiểm chứng các mô hình dao động của ô tô

2.2.4 Mô hình lốp

Hình 2.12 Giao diện mô phỏng bánh xe

Bánh xe là bộ phận quan trọng của ô tô, nó giúp xe di chuyển êm dịu hơn, giảm được các va đập, giúp các bộ phận khác trên xe ổn định hơn vì thế mà việc tính toán điều chỉnh cho lốp bánh xe là rất quan trọng TruckSim mô tả bánh xe với các thông số phù hợp với kết cấu từng loại bánh xe Tuy nhiên, để đơn giản