Nghiên cứu đề xuất mô hình động lực học ô tô(bao ATGT2012)

Xây dựng mô hình động lực học ô tô, trong đó xác định các lực tương tác bánh xe với đường, sẽ cho phép xác lập các quan hệ nội hàm điều khiển động lực học ô tô.. Báo cáo trình bày mô hìn

Nghiên cứu đề xuất mô hình động lực học ô tô

Võ Văn Hường, Viện cơ khí động lực, ĐHBK Hà Nội, email: huongvvbk@gmail.com

Ngành ô tô hiện nay đã bước vào cuộc cách mạng lần thứ 3: ô tô cơ điện tử hay là ô tô thông minh Tiền đề của sự phát triển là những thành tựu của ngành (i) Cơ học, (ii) Điện tử và (iii)Tin học Trong đó động lực học ô tô có vai trò quan trọng, cần xác lập các quan

hệ nội hàm điều khiển ô tô, phải đi trước một bước Xây dựng mô hình động lực học ô tô, trong đó xác định các lực tương tác bánh

xe với đường, sẽ cho phép xác lập các quan hệ nội hàm điều khiển động lực học ô tô Dưới tác động của người lái, ô tô se chuyển động theo phương dọc, phương ngang, quay thân xe, đặc trưng bới ba trạng thái quay vòng đủ, quay vòng thiếu, quay vòng thừa Việc xác lập các nội hàm là hết sức phức tạp, vì các phản lực ở bánh xe phụ thuộc điều kiện đường, cấu trúc lốp và các hệ thống khác, phụ thuộc các phản ứng của lái xe Trong thí nghiệm người ta chỉ có thể xác định trạng thái chuyển động một cách tích hợp, dưới dạng “light - gray - box - modelle” Do vậy mô hình động lực học có nhiệm vụ xác lập phần “gray” còn lại để xác định đầy đủ các thuộc tính động lực học ô tô Mô hình động lực học cũng cho phép xác lập các mô đun điều khiển cục bộ như hệ thống treo, hệ thống lái, hệ thống phanh Vì lý do đó, báo cáo sau đây trình bày mô hình động lực học xe con để tính toán một số thuộc tính động lực học ô tô Báo cáo trình bày mô hình xe con có cấu trúc vỏ chịu lực với hệ thống treo độc không xét các yếu tố phị tuyến hình học, tổng quan một số mô hình lốp, tính toán một số trạng thái chuyển động đặc trưng

Từ khóa: Mô hình động lực học, mô hình lốp, trạng thái động lực học, phi tuyến hình học, phi tuyến vật lý, liên kết động học và liên kết động lực học, khung chịu lực và vỏ chịu lực, hệ thống treo độc lập, phụ thuộc, cân bằng 2 cầu, cân bằng 3 cầu.

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Sau năm 1970, ngành tin học phát triển mạnh mẽ tạo tiền

đề cho ngành ôtô phát triển Những ôtô ngày nay có đặc tính cơ

điện tử khác với các ôtô cơ khí ngày trước Ngoài ra ôtô cũng

ngày càng có công suất riêng lớn, hệ số bám của đường cũng

thay đổi và rất nhạy cảm với độ ẩm Vì vậy việc nghiên cứu

động lực học ôtô theo hướng tự động điều khiển và an toàn

động lực học là nhu cầu thiết yếu

Về cấu trúc, ôtô có thể coi là hệ nhiều vật phức tạp Bánh

xe liên kết với đường thực hiện các chuyển động có các lực

tương tác thay đổi theo điều kiện đường ở từng bánh xe Bánh

xe cũng liên kết đàn hồi với thân xe và biến dạng ở tất cả các

phương Các liên kết đó có tính chất phi tuyến hình học và phi

tuyến vật lý Những thuộc tính đó có ảnh hướng lớn đến khả

năng ổn định chuyển động của ôtô Vì vậy cần phải có một mô

hình tổng quát để nghiên cứu các thuộc tính chuyển động của

ôtô Liên kết giữa bánh xe và đường có hai giai đoạn: biến

dạng đàn hồi và trượt lết hoặc trượt quay Vì vậy khi mô tả

chuyển động ôtô ta phải mô tả hai chuyển động độc lập với

nhau: chuyển động quay của bánh xe và chuyển động tịnh tiến

của nó Các bánh xe thường được bố trí độc lập về phương diện

liên kết và truyền mômen nên các quan hệ lực ở các bánh xe

với đường là độc lập tương đối (treo độc lập, vi sai giữa các

bánh xe và vi sai giữa các cầu, phân bố mômen ra các bánh xe

khác nhau) Do đó, cần phải mô tả động học bánh xe một cách

chính xác để có thể nghiên cứu trạng thái chuyển động của ôtô

trong các trạng thái cận vật lý Các lực chủ động của bánh xe

được xác định gián tiếp thông qua biến dạng đàn hồi và trượt

của lốp Việc xây dựng một mô hình tích hợp của ôtô cho phép

xác định chuyển động tổng quát của ôtô dưới sự ảnh hưởng của

các thông số kết cấu và thông số sử dụng có khả năng xác định

các mục tiêu điều khiển và nghiên cứu các quá trình truyền

động ổn định của ôtô

Cơ sở của xây dựng mô hình là phương pháp tách vật,

mô tả các yếu tố phi tuyến bằng các mô hình con: mô hình hệ

thống treo, mô hình tách bánh của bánh xe, mô hình lốp Để

mô phỏng chúng ta sử dụng phần mềm Matlab Simulink

2 Xây dựng mô hình

2.1 Mô hình ¼

- Chuyển động tịnh tiến phương x không đồng nhất với chuyển động quay của bánh xe Vì vậy ta phải mô tả 3 phương trình chuyển động: tịnh tiến, quay và ngang độc lập với nhau

e

m

mA

r

z





M

Fz

CL

Fx

Fc

h

x

Hình 2.1 Mô hình động lực học 1/4 Nếu bỏ qua dao động lắc dọc và lắc ngang của thân xe thì

ta có thể đưa mô hình động lực học của ôtô về mô hình 1/4 như hình 4.1 Đây là mô hình cơ bản của động lực học ôtô

F x , F y là các lực chuyển động được xác định theo phương trình:

m m A x F x F c

J M r F f F z x

m m A y F a c y y









(2.1)

Fz là ỏp lực lốp đường.

Lực cản khụng khớ 1 2

2

F c cAx ; F xF Z  (2.2) Trong đú: FZ là phản lực từ đường lờn bỏnh xe;

 là hệ số bỏm giữa lốp và đường, phụ thuộc hệ số trượt

dọc và gúc lệch bỏnh xe

Phản lực Fz giữa lốp và đường được xỏc định nhờ cỏc

phương trỡnh dao động phương thẳng đứng:

mz C z K z (2.3)

m AC z K  z F CL (2.4)

Trong đú: FCL là lực đàn hồi hướng kớnh lốp:

L

C L h khi h f t

khi h ft









(2.5)

, ,

z z t z dyn

F  F  F

F z t, m m Ag tải trọng tĩnh,

F z dyn, F CL tải trọng động

Để xỏc định hệ số bỏm, chỳng ta phải xỏc định cỏc hệ số

trượt như sau:

Khi phanh: sB x r , 1 sB 0

x



 



(2.6)

Khi tăng tốc: sA r x , 0 sA 1

r









(2.7)

Gúc lệch bỏnh xe : arctg y

x

     





Đặc trưng của mụ hỡnh lốp là biến dạng ở tất cả cỏc

phương dọc, ngang và phương thẳng đứng, phụ thuộc cấu trỳc

lốp và ỏp suất lốp Cỏc lực tương tỏc bỏnh xe Fz, Fx , Fy là cỏc

lực đàn hồi tương ứng tương đương với biến dạng của lốp Lốp

cú 2 quỏ trỡnh là : biến dạng đàn hồi và trượt, đặc trưng bởi hệ

số trượt Người ta thiết lập tương quan giữa hệ số trượt và cỏc

lực tương tỏc bỏnh xe Hiện nay cú nhiều mụ hỡnh lốp được

cụng bố trờn thế giới [9, 10, 16] Qua những nghiờn cứu ở Đại

học Bỏch Khoa Hà Nội tỏc giả thấy mụ hỡnh Ammon [22,23]

phự hợp với điều kiện của Việt Nam Sau đõy là cỏc cụng thức

tớnh lực Fx, Fy theo mụ hỡnh Ammon:

 

0

2 2

m

f





max

s

F y y F g Z

y s









(2.10)

Để cú thể cú kết quả chớnh xỏc trước khi tớnh toỏn với hàm Ammon cần phải xỏc định cỏc hệ số đặc trưng cho cặp lốp – đường như hệ số bỏm xmax, ymax, max, smax

Lốp là phần tử liên kết giữa xe và đờng, cùng tham gia chịu tải và chuyển động theo phơng thẳng đứng Ngoài ra lốp còn có nhiệm vụ truyền lực dọc, lực ngang khi xe tăng tốc, khi phanh, khi quay vòng cũng nh các lực do gió gây ra Lực tác dụng hớng kính gọi là phản lực F Z, lực F X là lực tiếp tuyến và lực F y là lực ngang Các lực này trong thực tế là các lực động, tức là phụ thuộc thời gian Nếu xe chạy 100km/h và vết tiếp xúc là l=0,5m thì chu kỳ dao động là0,0054s[14] Ngoài

ra cấutrúc của vỏ lốp không đồng nhất, bề mặt cong hai chiều

do đó lốp dao động nh một tấm cong đàn hồi Thêm vào đó áp suất trong lốp cũng thay đổi, bề mặt tiếp xúc nh vậy phụ thuộc bán kính động Xét theo quan điểm nguyên nhân kết quả, sự biến dạng của lốp tơng ứng với các cặp lực F F FZ, X, y Việc mô tả sự thay đổi biên dạng lốp và do đó mô tả thay đổi do sự thay đổi khả năng truyền lực của lốp là rất khó khăn Xét về sự

thay đổi giữa lốp và đờng ta thấy nó đặc trng bởi ba dạng truyền lực khớp, đ n àn hồi và ma sát Do vậy định luật ma sát

Cu - lông không đúng trong trờng hợp này[14,12,15] Trong quá trình chuyển động lốp biến dạng ở cả ba ph ơng khi có ngoại lực tác động Khi ngoại lực tác dụng vợt quá giới hạn đàn hồi thì lốp trợt tơng đối so với đờng Ban đầu cú sự ăn khớp

tế vi lốp đường do lốp mền, sau khi co mo men tac động vao, quá trình đàn hồi xảy ra và sau đó là trợt Sự biến dạng do đàn

hồi, trợt này sinh ra tổn hao về vận tốc Sự truyền lực của bỏnh

xe đàn hồi với đường xấy ra bởi ba giai đoạn: truyền khớp do lốp đường cú sự ăn khớp tế vi; khi mụ men đủ lớn, cao su biến dang mặt lốp bị cào bằng và chuyờn sang giai đoạn trượt ma sỏt.

Hỡnh 2.1a Sơ đồ tớnh lực tương tỏc bỏnh xe Cỏc lực tương tỏc bỏnh xe cú thể viết tổng quỏt như (2.11); việc xỏc định nú cú thể thụng qua cỏc mụ hỡnh lốp Hiện cú 4 mụ hỡnh lốp thụng dụng là Mụ hỡnh HSRI , Mụ hỡnh lốp Amnon , Mụ hỡnh lốp Burckhardt , Mụ hỡnh lốp Dugoff được trỡnh bày trong [22,23]

( , , , ) ( , , , ) ( , , , )

x x z

y y z







2.3 Mô hình động lực học ô tô con

Trạng thái chuyển động của ôtô phụ thuộc tích hợp bởi động

lực học dọc, động lực học ngang và động lực học phương thẳng

đứng Hình 2.2 là một mô hình động lực học tổng quát có thể

mô tả chuyển động của ôtô với các phản ứng khác nhau của lái

xe và ngoại ảnh Chuyển động của ô tô phụ thuộc nhiều yếu tố

tích hợp, đặc trưng bới các lực tương tác bánh xe Chuyển động quay của bánh xe không đồng nhất với chuyển động tịnh tiến; quan hệ về lực của các bánh xe là khác nhau; việc cấp mô men phanh và chủ động khác nhau, yếu tố ngoại cảnh cũng thay đổi

Vì vậy xây dựng mô hình tích hợp là cần thiết cho các ô tô thông minh Việc phân tầng cấu trúc của mô hình phải tương thích với mô đun hóa trong điều khiển điện tử

x z y

C

F F K

C

F

CL

F

CL

F

z

F

y

F

x

F M



mz

my

J y



x

mx



z

m A 

1

z0

F

2 l

1 l

1 F 1 K

1

1

1

1

1 1 1

1

1 1

1 1

C

F F K

C

F

CL

F

CL

F

z

F

y

F

x

F M

mA

2

z0

F

2 F 2 K 2 2

2

2

2 2 2

2

2 2

2 2

C

F F K

C

F

CL

F

CL

F

z

F Fy

x

F M

m A 

3

z0

F

3 F 3 K

3

3

3

3

3 3 3

3

3 3

4 Aw

F

b 1

b 1

b 2

b 2

wx

F

wy

F

2 1

2 1

Hình 2.2 Mô hình động lực ô tô con

y2

F

v

y1

F

x ,0

y3

F

3

y4

F

1

l

2

l

wx

F

z

J

F

mx

my

x3

F

2

x2

F

wy

F

x1

F

4

x4

w

l

2

1 4

0

y ,00

z0

0

z1

F

z4

F

z3

1 1

Hình 2.3 Mặt chiếu bằng

l

l 2

Aw F

r

2,3 M

K

F M

x F F

x F

CL F

2,3

2,3

CL

F

CL F

2,3

CL

x F x

F2,3

x' F x'

F2,3

C

F

K

F2,3

C

F2,3

K

F2,3 F C2,3 F K F C

x' F x'

F 2,3

2,3 M

M

mz

mx



J y wx

F



h s

z F z

F2,3

f M f

M2,3

f M

2,3

f M

z0

F 2,3

z0

F



J Ay 2,3

1

1,4

1,4 1,4 1,4

1,4 1,4

1,4 1,4

1,4 1,4 1,4

1,4

1,4 1,4 1,4

1,4

1,4 1,4

v

Hình 2.4 Mặt chiếu đứng

Phương trình mô tả quỹ đạo chuyển động của ôtô (2.11):

( 2 3 1cos 1 4cos 4 1sin 1

mx F X F X F X F X F Y

F Y F wx F Y F Y F Y

F Y F X F X Fwy

my F Y F Y F Y F Y F X

F X F wy F X





cos

F X F X

F X F Y F Y Fwx

J b F X b F X l F Y F Y

b F X c F Y b F X F Y

l F X F c Y F X c F c Y l F w wy



















































Phương trình mô tả động lực học phương thẳng đứng (2.12):

i=2,3 ; j= 1,4

mz F C F K j

J Y l F C F K i l F C F K j h s F iX F jX

J X b F C F K b F C F K b F C F K

b F C F K h F s y h h s F Y F Y F Y

F















m jA j F jK F jC F jCL j





























Phương trình động lực học bánh xe (2.13):

J jAy j M j  F jX F jZ f r j dyn 

Sau khi mô phỏng bằng phần mềm Matlap-simulink ta

có thể xác định được các quan hệ động lực học của ôtô với các

tham số ngoại lực như:

- Góc quay vô lăng

- Mômen phanh/ mômen của động cơ

Hình 3.1.1 Đồ thị mô tả góc quay bánh xe

Hình 3.1.2 Đồ thị lực ngang bánh xe.

HÌnh 3.1.3 Đồ thị phản lực Fz

Hình 3.1.4 Đồ thị lực tiếp tuyến bánh xe

3.2 Quá trình quay vô lăng “sin” và phanh

Hình 3.2.1 Đồ thị góc quay bánh xe

Hình 3.2.2 Mô tả mô men phanh

Hình 3.2.3 Đồ thị lực ngang Fy

Hình 3.2.4 Đồ thị lực tiếp tuyến bánh xe

Hình 3.2.3 Đồ thị phản lực Fz

3.3 Quá trình quay vô lăng “xung” và

phanh

Hình 3.3.1 Đồ thị góc quay bánh xe

Hình 3.3.2 Đồ thị phản lực Fz

Qua một số kết quả trên ta có một số nhận xét như sau:

- Mô hình cho phép mô tả các quá trình động lực học ô tô; phù hợp với các kết quả nghiên cứu của thế giới

- Trong trường hợp phanh và quay vô lăng đồng thời, phản lực mặt đường lên bánh xe thay đổi nhiều Tương tự lực tiêp tuyến cũng thay đổi lớn

4 Kết luận

Các mô hình tích hợp trình bày trong mục 2 là liên kết giữa các mô hình động lực học dọc, ngang, thẳng đứng có sử dụng mô hình bánh xe Ammon [11,12,15,16 ], là kết quả nghiên cứu của tác giả và các cộng sự [13, 14, 17, 18,22,23] trong vòng 6 năm tại Bô môn Ô tô và Xe chuyên dụng, Đại học Bách khoa Hà Nội Các mô hình trên có thể sử dụng vào các mục đích sau đây:

+ Dùng mô hình động lực học tổng quát để khảo sát các quá trình sử dụng hay xẩy ra tai nạn nhằm giúp quá trình vận hành xe ít tai nạn hơn

+ Những mô hình trên sẽ giúp các học sinh cao học, nghiên cứu sinh sử dụng trong các đề tài nghiên cứu quá trình phanh ô tô, quay vòng hoặc xét ảnh hưởng của gió, hệ số bám

để tăng khả năng ổn định động lực và dẫn hướng

+ Những nghiên cứu ở trên, một phần lý giải các tai nạn giao thông đang gia tăng ở Viêt Nam để giảm thiểu tai nạn giao thông, một phần hỗ trợ học viên cao học và nghiên cứu sinh giải quyết các bài toán cụ thể của mình trong lĩnh vực động lực học và động lực học điều khiển, an toàn giao thông, an toàn động lực học

+ Các mô hình trên là cơ sở cho thiết kế điều khiển sau này

Tài liêu tham khảo

[1] Rolf Isermann (2006): Fahrdynamik-Regelung, nxb Vieweg ATZ/MTZ-Fachbuch, http://www.vieweg.de

[2] Raesh Rajamani (2006): Vehicle Dynamics and Control, nxb Springer USA

[3] Bernd H./Metin E.(2008): Fahrwerkhandbuch, nxh Vieweg-Teubner, http://www.viewegteubner.de

[4] Wallentowitz/Reif (2006) Handbuch Kraftfahrzeugelektronik, nxb Vieweg ATZ/MTZ- Fachbuch, http://www.vieweg.de

[5] Wallentowitz/Mítschke(2004):Dynamik der Kraftfahrzeuge, nxb Springer, http://www.springer.de

[6] Ryszard Andrzejewski (2005): Nonlinear Dynamics of a Wheeled Vehicle, nxb Springer USA, http://www.springeronline.de

[7] Winner Hermann/ Hakuli Stefan (2009): Handbuch Fahrerassistenzsysteme, nxb Vieweg ATZ/MTZ- Fachbuch,

www.vieweg.de

[8] Kramer Florian (2008): Passive Sicherheit, nxb Vieweg ATZ/MTZ- Fachbuch, www.vieweg.de

[13] Nguyễn Quí Toàn (2008): Nghiên cứu ảnh hưởng

của hệ thống treo đến khả năng ổn định của ô tô, Luận văn

Thạc sỹ, ĐHBK Hà Nội

[14] Đỗ Quốc Hoàn (2008): Nghiên cứu ảnh hưởng của

hệ thống treo đến khả năng truyền lực của xe con bằng mô

hình và thực nghiệm, Luận văn Thạc sỹ, ĐHBK Hà Nội

[15] Nguyễn Trọng Du (2008): Nghiên cứu dao động của

hệ thống treo ô tô có điều khiển, Luận văn Thạc sỹ, ĐHBK Hà

Nội

[16] Nguyễn Khăc Trai (1997): Tính điều khiển và quỹ

đạo chuyển động của ô tô, nxb Giao thông, Hà Nội

[17] Võ Văn Hường, Thái Mạnh Cầu (2007): Nghiên cứu

chuyển động thực của ô tô bằng mô hình ¼, Tuyển tập công

trình Hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ VII, Hà Nội, 12/2007

[18] Võ Văn Hường, Thái Mạnh Cầu (2007): Lập mô

hình phẳng nghiên cứu phanh ô tô, Tuyển tập công trình Hội

nghị cơ học toàn quốc lần thứ VII, Hà Nội, 12/2007

[19] Tạ Tuấn Hưng (2009): Nghiên cứu, khảo sát động

lực học phanh đoàn xe, LV Thac sỹ Khoa học, ĐHBK Hà Nội

[20] Vũ Thành Niêm (2012): Lập mô hình và khảo sát

động lực học xe bán mooc, LV Thac sỹ Kỹ thuật, ĐHBK Hà

Nội

[21] Nguyễn Tiến Thành (2010): Nghiên cứu ổn định

phanh đoàn xe, LV Thac sỹ khoa học, ĐHBK Hà Nội

[22] Lương Đình Tiến Thắng (2012): Nghiên cứu ảnh

hưởng của ABS đến hiệu quả phanh bằng mô hình động lực

học ô tô ½, Lv ThS, ĐHBK HN 2012

[23] Nguyễn Văn Chót (2012): Nghiên cứu ảnh hưởng

của độ chậm tác dụng đến hiệu quả phanh , Lv ThS, ĐHBK

HN 2012