Lập mô hình và thí nghiệm động lực học xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Tổng quan về xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô Trong những năm gần đây, do chính sách mở cửa của Nhà nước và nhiều nước trên thế giới đã có quan hệ hợp tác với nước ta trên nhiều lĩn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

- Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chƣa hề đƣợc sử dụng để bảo vệ trong một học vị nào

- Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Vũ Quang Hƣng

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Mục lục ii

Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu iv

Danh mục các hình vẽ vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Tổng quan về xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô 1

1.2 Tình hình nghiên cứu xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô 3

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới về quỹ đạo chuyển động của ô tô 3

1.2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam về quỹ đạo chuyển động của ô tô 4

1.3 Các phương pháp xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô 5

1.3.1 Phương pháp xác định quỹ đạo bằng mô hình toán học 5

1.3.2 Phương pháp xác định quỹ đạo bằng thực nghiệm 5

1.3.3 Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn 6

1.4 Mục tiêu và phương pháp và nội dung nghiên cứu 6

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu 6

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 6

1.4.3 Nội dung nghiên cứu 6

CHƯƠNG 2 LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC XÁC ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ 7

2.1 Lý thuyết xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô 7

2.1.1 Lý thuyết xác định quỹ đạo bằng mô tả toán học 7

2.1 Phân tích cấu trúc ô tô và định nghĩa hệ quy chiếu 18

2.2 Thiết lập mô hình toán học xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô 19

2.3 Xác định các lực bánh xe bằng mô hình lốp 23

2.4 Mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink 26

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 32

3.1 Giới thiệu chung về bộ thiết bị đo xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô 32

3.1.1 Bộ cảm biến S350 32

3.1.2 Cảm biến vô lăng MSW 33

3.1.3 Bộ thu thập dữ liệu DAS 3 34

3.2.Gá lắp và kết nối thiết bị đo 35

3.2.1 Gá lắp bộ cảm biến S350 35

3.2.2 Gá lắp bộ cảm biến vô lăng MSW 43

3.3 Kết nối cảm biến 44

3.3.1 Kết nối cảm biến S350 44

3.3.2 Kết nối cảm biến vô lăng MSW 45

3.3.3 Kết nối các cảm biến tới bộ thu thập dữ liệu DAS 3 45

3.4 Định chuẩn cho cảm biến S350 46

3.4.1 Định dạng cho cảm biến S350 46

3.4.2 Định dạng cho các cổng kết nối cảm biến S350 47

3.5 Định chuẩn cho cảm biến vô lăng MSW 50

3.5.1 Định dạng cho cảm biến vô lăng MSW 50

3.5.2 Định dạng cho các kênh của cảm biến vô lăng MSW 52

3.6 Thông số, địa bàn, phương án thí nghiệm 54

3.6.1 Thông số xe thí nghiệm 54

3.6.2 Địa bàn thí nghiệm 55

3.6.3 Phương án thí nghiệm và các thông số thí nghiệm 56

3.7 Xác định quỹ đạo chuyển động của xe khi quay vòng với bán kính 15m 56

3.8 Xác định quỹ đạo chuyển động của xe khi đánh lái sin 61

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC I

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

A Diện tích, thiết diện

   Góc quay, vận tốc góc quay, gia tốc góc quay thân xe

l 1 , l 2 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và sau

b 1 , b 2 ½ chiều rộng cơ sở phía trước và sau

x Gia tốc thân xe phương x trong hệ B(Cxyz)

y Vận tốc thân xe phương y trong hệ B(Cxyz)

K21, K22 Hệ số cản hệ thống treo sau

r Bán kính tự do lốp xe

Jx Mô men quán tính trục x của phần được treo

Jy Mô men quán tính trục y của phần được treo

Jz Mô men quán tính trục z của xe

z, z ,z

Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương thẳng đứng khối lượng được treo

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Trạng thái quay vòng trái của ô tô trong mặt phẳng nền 2

Hình 2.1 Quan hệ Ackerman của xe hai cầu với cầu trước dẫn hướng 8

Hình 2.2 Động học quay vòng của xe cầu trước dẫn hướng 9

Hình 2.3 Hành lang quét của xe hai cầu 10

Hình 2.4 Định nghĩa hệ tọa độ G(OXYZ), hệ cục bộ xe B(Cxyz) 12

Hình 2.5 Định nghĩa hệ tọa độ G(OXYZ), hệ cục bộ xe B(Cxyz) 18

Hình 2.6 Các lực và mô men tác dụng lên ô tô trong mặt phẳng đường 19

Hình 2.7 Các lực và mô men tác dụng lên ô tô trong mặt phẳng dọc 21

Hình 2.8 Các lực và mô men tác dụng lên phần được treo trong mặt phẳng ngang 22

Hình 2.9 Mô hình lốp 23

Hình 2.11 Góc quy bánh xe dẫn hướng 29

Hình 2.12 Gia tốc ngang 29

Hình 2.13 Góc xoay thân xe 29

Hình 2.14 Vận tốc dọc 29

Hình 2.15 Vận tốc ngang 30

Hình 2.16 Quỹ đạo chuyển động của xe 30

Hình 2.15 Góc quay bánh xe dẫn hướng 30

Hình 2.16 Gia tốc ngang 30

Hình 2.17 Góc xoay thân xe 31

Hình 2.18 Góc xoay thân xe 31

Hình 2.19 Vận tốc ngang 31

Hình 2.20 Quỹ đạo chuyển động của xe 31

Hình 3.1 Cảm biến S350 Aqua với đồ gá 32

Hình 3.2 Cảm biến vô lăng và phụ kiện 33

Hình 3.3 Bộ thu thập dữ liệu DAS 3 34

Hình 3.4 Vị trí có thể lắp cảm biến 35

Hình 3.5 Kết cấu của bộ khung giá đỡ cảm biến 36

Hình 3.6 Tháo biển số và lắp tấm ốp thiết bị 36

Hình 3.7 Tháo nắp che bảo vệ cho tấm hút 37

Hình 3.8 Đặt giá đỡ cảm biến lên nắp ca pô 37

Hình 3.9 Ấn piston bơm 37

Hình 3.10 Kiểm tra piston bơm 38

Hình 3.11 Khóa cần treo giá đỡ cảm biến 38

Hình 3.12 Lắp cần treo giá đỡ cảm biến 39

Hình 3.13 Lắp giá đỡ cảm biến 39

Hình 3.14 Lấy chuẩn cho giá đỡ cảm biến 39

Hình 3.15 Gá lắp cảm biến 40

Hình 3.16 Kết nối cáp tín hiệu 40

Hình 3.17 Lắp dây an toàn cho đồ gá 40

Hình 3.18 Kẹp chặt dây an toàn 41

Hình 3.19 Lắp giá đỡ cảm biến 41

Hình 3.20 Điều chỉnh giá đỡ cảm biến 42

Hình 3.21 Lắp cảm biến vào giá đỡ 42

Hình 3.22 Lắp dây an toàn cho cảm biến 42

Hình 3.23 Lắp đặt hoàn thiện cảm biến bằng đế từ 43

Hình 3.24 Lắp đặt cảm biến và đồ gá 43

Hình 3.25 Lắp cảm biến lên vô lăng 43

Hình 3.26 Định vị và định tâm cảm biến 44

Hình 3.27 Giao diện định dạng cho cảm biến S350 46

Hình 3.28 Giao diện định chuẩn cho cảm biến S350 47

Hình 3.29 Giao diện định dạng cho các kênh kỹ thuật số 48

Hình 3.30 Giao diện định dạng các kênh Analog 49

Hình 3.31 Giao diện định dạng cho cảm biến vô lăng MSW 51

Hình 3.32 Giao diện định dạng các kênh kỹ thuật sô 52

Hình 3.33 Định dạng cho các kênh Analog 53

Hình 3.34 Loại xe thí nghiệm 54

Hình 3.35 Mặt bằng thí nghiệm 55

Hình 3.36 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng thí nghiệm 56

Hình 3.37 Đồ thị gia tốc dọc thí nghiệm 57

Hình 3.38 Đồ thị vận tốc dọc thí nghiệm 57

Hình 3.39 Đồ thị vận tốc ngang khi thí nghiệm và mô phỏng 58

Hình 3.40 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe khi thí nghiệm và mô phỏng 59

Hình 3.41 Đồ thị góc quay thân xe trong hệ quy chiếu cố định 59

Hình 3.42 Đồ thị vị trí trọng tâm xe 60

Hình 3.43 Đồ thị quỹ đạo chuyển động của xe xác định theo thí nghiệm 60

Hinh 3.44 Đồ thị quỹ đạo chuyển động khi mô phỏng 61

Hình 3.45 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng thí nghiệm 61

Hình 3.46 Đồ thị gia tốc dọc thí nghiệm 62

Hình 3.47 Đồ thị vận tốc dọc thí nghiệm 63

Hình 3.48 Đồ thị vận tốc ngang 63

Hình 3.49 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe 64

Hình 3.50 Đồ thị góc quay thân xe 65

Hình 3.51 Đồ thị tọa độ trọng tâm xe 65

Hình 3.52 Đồ thị hành lang quét xác định từ thí nghiệm 66

Hình 3.53 Đồ thị hành lang quét từ mô phỏng 66

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Trong những năm gần đây, do chính sách mở cửa của Nhà nước và nhiều nước trên thế giới đã có quan hệ hợp tác với nước ta trên nhiều lĩnh vực, nhiều cơ sở liên doanh được hình thành và phát triển, các sản phầm trong nước ngày một đa dạng, phong phú về hình dáng và mẫu mã, chất lượng sản phẩm ngày càng cao đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng

Để đáp ứng nhu cầu vận chuyển hành khách cũng như hàng hóa ngày càng cao cao thì ngoài việc cần có một cơ sở hạ tầng về các công trình giao thông hoàn thiện thì đi đôi với nó phải có một đội ngũ hùng hậu đa dạng các loại phương tiện vận chuyển với tốc độ lưu thông ngày một cao

Nghành công nghiệp ô tô Việt Nam đang trong quá trình hình thành và phát triển, những năm vừa qua đã đạt được nhiều kết quả khả quan Bước đầu đang trên đà hội nhập với khu vực và thế giới Chủ trương hiện nay của chính phủ đưa ra là tăng tỷ

lệ nội địa hóa trong các sản phẩm, dần tiến tới chế tạo các sản phẩm mang thương hiệu Việt Nam Để đạt được mục tiêu này, cần quan tâm nghiên cứu sâu hơn các cụm chi tiết, các hệ thống cũng như điều kiện làm việc của ô tô để có những biện pháp kỹ thuật để can thiệp sâu hơn vào trong các cụm các hệ thống nhằm phát huy được các đặc tính tối ưu của chúng

Nghiên cứu động lực học chuyển động của ô tô là bài toán cơ bản của lý thuyết ô

tô nhằm đánh giá cũng như xác định chất lượng khai thác ô tô trong những điều kiện khác nhau Trong các vấn đề đó, vấn đề xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô

là một vấn đề không thể thiếu được, nhất là trong những năm gần đây chất lượng cơ

sở hạ tầng cho giao thông ngày càng được hoàn thiện và chất lượng nâng cao đồng thời vận tốc trung bình ô tô có thể đạt được cung được tăng cao gần 80km/h Đây là tín hiệu đáng mừng cho nghành giao thông nhưng cũng đặt ra rất nhiều vấn đề thách thức cho các nhà quản lý giao thông cũng như các nhà sản xuất làm sao để đảm bảo

an toàn giao thông cho người tham gia giao thông

Với tốc độ phát triển khoa học công nghệ như ngày nay, ngoài việc đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của các cụm tổng thành thì việc cải thiện tính điều khiển của ô tô đang được các nhà khoa học rất quan tâm Trong đó có việc xây dựng các ngân hàng dữ liệu về ô tô và một trong số đó là ngân hàng dữ liệu về quỹ đạo chuyển động của ô tô Nếu như trước đây chúng ta vẫn xem xét quỹ đạo chuyển động của ô

tô bằng các mô hình lý thuyết với nhiều giả thiết để đơn giản cho phép tính nên kết quả thu được chỉ mang tính chất tham khảo Thì giờ đây, chúng ta phải tiến sâu hơn một bước nữa, đó là thông qua các phép đo, chúng ta sẽ thu thập được một ngân hàng dữ liệu làm cơ sở để xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô từ đó có thể đề xuất các bộ điều khiển để đảm bảo ổn định chuyển động của xe

Trong nghiên cứu lý thuyết động lực học chuyển động của ô tô có thể tách thành

3 hướng chính là: chuyển động thẳng, chuyển động quay vòng và tiện nghi êm dịu chuyển động Vấn đề an toàn giao thông cũng được đề cập đầy đủ theo cả 3 hướng

đó, nhưng liên quan chặt chẽ hơn là quỹ đạo chuyển động của ô tô Vấn đề nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô cần thiết phải đặt trong hệ tọa độ không gian ba chiều, tức là phải xem xét các điều kiện không gian đầy đủ Đối với phương tiện giao thông bằng đường bộ có thể xem xét quỹ đạo của ô tô trong mặt phẳng đường Nhưng phải kể đến ảnh hưởng của kết cấu đặc trưng không gian

Hình 1.1 Trạng thái quay vòng trái của ô tô trong mặt phẳng nền

Trong quá trình xem xét quỹ đạo chuyển động, bao giờ cũng phải khảo sát mối quan hệ với góc điều khiển vành lái Như vậy vấn đề được đặt ra ở dạng chuyển động tổng quát trong đó chuyển động thẳng chi là một trường hợp đặc biệt

Ô tô khi chuyển động là một mô hình tổng quát Đường – Xe – Người Trong thực tế các yếu tố của môi trường luôn luôn thay đổi, dẫn tới thay đổi mối tương quan chuyển động của ô tô trên nền đường Người lái luôn có các tác động điều chỉnh để có thể thu được các chuyển động mong muốn Như vậy mô hình của hệ thống điều khiển ô tô là một mô hình khép kín Tuy nhiên trong điều kiện hiện nay, việc nghiên cứu một mô hình kín là một việc không dễ thực hiện Trong giao thông thông đường bộ, mặt đường thường giới hạn sự chuyển động của ô tô không thể và không cho phép là những mặt đường vô tận Nếu ô tô mất ổn định điều khiển dễ dàng dẫn tới mất an toàn chuyển động Vì vậy để đảm bảo quỹ đạo chuyển động của

ô tô theo đường cong là một yếu tố đảm bảo an toàn giao thông Sự chuyển động của ô tô trên đường đòi hỏi phải thực hiện theo quỹ đạo phức tạp, người lái luôn luôn điều chỉnh góc quay vành lái Khi nâng cao tốc độ chuyển động cần thiết phải đảm bảo mối tương quan giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái chặt chẽ hơn Trong nhiều trường hợp chỉ sai lệch nhỏ trong điều khiển sẽ dẫn tới mất quỹ đạo chuyển động và gây mất an toàn giao thông

1.2 Tình hình nghiên cứu xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới về quỹ đạo chuyển động của ô tô

Trên thế giới đã có rất nhiều các nhà khoa học cũng như các công trình nghiên cứu khoa họcđã nghiên cứu nhiều khía cạnh khác nhauđể xây dựng nên quỹ đạo chuyển động của ô tô Có thể kể đến các công trình nghiên cứu như:

1 Công trình nghiên cứu với đề tài “Trajectory Planning for a Steering Vehicle” của Danwei Wang Feng Qi [1] thuộc trường đại học Nanyang Singapor (26/05/2001) Với công trình này, tác giả đã xây dựng được mô hình chuyển động của xe (mô hình 1/4) và từ các phần mềm mô phỏng cũng như các giả thiết trong quá trình tính toán, tác giả đã xây dựng được các đường đặc tính về vận tốc dịch chuyển của xe, góc xoay thân xe và đường đặc tính về quỹ đạo chuyển động của xe Tuy nhiên trong công trình này, tác giả mới chỉ đưa ra được một mô hình đơn giản, chưa xây dựng được mô hình lốp, chưa tính đến được ảnh hưởng của

Four-Wheel-hệ số bám cũng như độ trượt của xe

2 Công trình khoa học: “Dynamic Trajectory Planning with Dynamic Constraints:a State-Time Space Approach” của nhóm tác giả trường đại học Yokohama Nhật Bản năm 1993 [2] Với công trình này, mô hình tính toán đã được

mở rộng hơn với mô hình ½ và đặc biệt hơn nữa là mô tả quỹ đạo chuyển động của

xe trong không gian với không gian trạng thái gần đúng Tuy nhiên đề tài vẫn chỉ dừng lại ở mô hình lý thuyết với các giả thiết gần đúng và các đường đặc tính chỉ mang tính chất tham khảo và tạo tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn khi tiếp cận dần với các điều kiện thực tế chuyển động của xe trên đường

3 Công trình khoa học:“Trajectory planning of tracked vehicles” của nhóm tác giả Z Shiller và W Serate thuộc trường đại học California Los Angeles năm 1995 Công trình này, tác giả đã đề xuất mô hình xây dựng quỹ đạo chuyển động của xe trong khi kéo với các điều kiện chuyển động được mở rộng hơn Tuy nhiên đề tài vẫn chỉ dừng lại ở trạng thái lý thuyết với các giả thiết khi tính toán nên kết quả vẫn chỉ mang tính chất tham khảo

1.2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam về quỹ đạo chuyển động của ô tô

Với điều kiện về cơ sở vật chất còn hạn chế như tại Việt Nam, việc tiến hành các thí nghiệm thực tế vẫn còn hạn chế Tuy nhiên chúng ta cũng có những bước phát triển đáng kể trong vệc tiến hành nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô, từng bước tiếp cận với các thành tựu nghiên cứu khoa học trên thế giới Một số công trình nghiên cứu đã đạt được kết quả khả quan, điển hình như:

Công trình nghiên cứu: “Nghiên cứu đặc tính quay vòng của xe du lịch” của tác giả

Lê Đức Hiếu năm 2007, đã đưa ra được mô hình chuyển động của xe và hơn nữa, trong mô hình này đã tính đến các yếu tố khác như, xây dựng được mô hình lốp, đã tính đến các yếu tố như lực cản gió, ảnh hưởng của hệ thống treo và hệ thống lái, … tác động đến đặc tính quay vòng của xe Tuy nhiên, mô hình đưa ra còn đơn giản,

mô hình lốp cũng chưa đi sâu vào phân tích kết cấu ảnh hưởng tới đặc tính lốp, ảnh hưởng của hệ thống treo chưa rõ ràng, kết cấu của hệ thống lái vẫn giả thiết là tuyệt đối cứng nên kết quả vẫn chỉ dừng lại ở mức độ mang tính chất tham khảo

Để nghiên cứu xác định quỹ đạo của xe, có thể sử dụng các phương pháp sau đây:

- Dùng mô tả toán học;

- Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn;

- Dùng thực nghiệm trên các bãi thử lớn

Mỗi phương pháp và cách thức thực hiện có một ưu điểm và nhược điểm riêng, tuy nhiên các cách này đã và đang góp phần to lớn vào việc nghiên cứu để đưa ra được những kết quả phù hợp ứng dụng cho nghành công nghệ kỹ thuật ô tô

1.3 Các phương pháp xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô

1.3.1 Phương pháp xác định quỹ đạo bằng mô hình toán học

Phương pháp này cho phép xác định được quỹ đạo chuyển động thực tế của ô tô thông qua các phép toán Kết quả của phương pháp này là quỹ đạo mô phỏng của xe khi chuyển động Tuy nhiên để đạt được kết quả gần giống với thực tế thì phải giả thiết các điều kiện đầu vào và các yếu tố ảnh hưởng sao cho gần giống với thực tế

1.3.2 Phương pháp xác định quỹ đạo bằng thực nghiệm

Phương pháp này cho phép xác định được quỹ đạo chuyển động thực tế của ô tô thông qua các phép đo thực nghiệm Kết quả của phương pháp này là quỹ đạo thực

tế của xe khi chuyển động Tuy nhiên để đạt được kết quả tốt thì cần có các thiết bị thí nghiệm có độ chính xác cao, phương pháp thí nghiệm phù hợp Có thể xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng các thiết bị xác định trực tiếp như từ tín hiệu GPS Tuy nhiên việc xác định quỹ đạo gián tiếp thông qua các thông số động học được sử dụng phổ biến hơn trong nghiên cứu do điều kiện thiết bị thí nghiệm hiện nay

Theo công thức trên thì khi xác định được 3 thông số là x y, ,(vận tốc dọc, vận tốc ngang, và góc xoay thân xe) thì có thể xác định được quỹ đạo chuyển động của

ô tô bằng thực nghiệm Sử dụng các cảm biến vận tốc, góc xoay có thể xác định được quỹ đạo chuyển động Ngoài ra góc xoay thân xe có thể được tính toán gián tiếp từ các vận tốc góc quay bánh xe trong trường hợp vận tốc thấp Nội dung phép

đo này được giới thiệu chi tiết trong các chương 3của luận văn

1.3.3 Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn

Phương pháp sử dụng mô hình đồng dạng trên sa bàn yêu cầu chế tạo một mô hình đồng dạng với tỷ lệ nhỏ hơn xe thật với các điều kiện chuyển động tương tự như thực tế Từ đó có các phép đo phù hợp để xác định quỹ đạo chuyển động của ô

tô Trong điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam thì phương pháp này không dễ thực hiện do điều kiện chế tạo và thiết bị thí nghiệm xác định chuyển động ô tô

1.4 Mục tiêu và phương pháp và nội dung nghiên cứu

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của tác giả khi nghiên cứu đề tài là:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về việc xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô;

- Nghiên cứu lập mô hình động lực học xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô; -Nghiên cứu xây dựng quy trình thực nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động của

ô tô;

-Thu thập dữ liệu và xây dựng các đường đặc tính từ đó rút ra các kết luận về quỹ đạo chuyển động của ô tô

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là kết hợp giữa nền tảng cơ sở lý thuyết về quỹ đạo chuyển động của ô tô từ đó sử dụng bộ cảm biến cùng bộ thu thập

dữ liệu để thu thập các dữ liệu có liên quan Với các dữ liệu thu thập được sẽ xây dựng nên các đường đặc tính về quỹ đạo chuyển động của ô tô làm cơ sở thực tiễn

để đánh giá tính chất động lực học của ô tô

1.4.3 Nội dung nghiên cứu

Luận văn được trình bày với các nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Lập mô hình động lực học xác định quỹ đạo chuyển động ô tô

Chương 3: Xây dựng quy trình thí nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô Chương 4: Kết quả và đánh giá

CHƯƠNG 2 LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC XÁC ĐỊNH QUỸ ĐẠO

CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ

2.1 Lý thuyết xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Việc nghiên cứu bằng lý thuyết quay vòng với việc xác định tâm quay vòng chỉ đúng khi các bánh xe là không trượt Còn việc nghiên cứu bằng mô hình thu nhỏ thì lại không đảm bảo được các tác động tích hợp Phương pháp mô hình động lực học

ô tô thực hiện bằng việc thiết lập các hệ phương trình vi phân xác định các chuyển động của ô tô thông qua các tác động động lực học như các lực tương tác bánh xe, các tác động ngoại cảnh Phương pháp này không chỉ xác định được quỹ đạo chuyển động của ô tô mà còn có thể đánh giá được tính chất ổn định chuyển động hoặc cảnh báo các trạng thái nguy hiểm Tuy nhiên để có thể làm được điều đó thì

mô hình động lực học này cần phải có một độ chính xác phù hợp Phương pháp xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô thực hiện bằng các thực nghiệm được trình bày

từ việc xác định các thông số động học rồi qua tính toán để đưa ra vị trí xe Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào độ chính xác thiết bị, điều kiện thí nghiệm và trạng thái thí nghiệm

2.1.1 Lý thuyết xác định quỹ đạo bằng mô tả toán học

a Động học quay vòng của xe hai cầu

Khi nghiên cứu về quỹ đạo chuyển động của ô tô, từ trước đến nay khi tính toán các thông số kết cấu, những nhân tố ảnh hưởng đến tính chất quay vòng của xe du lịch, chưa tính đến sự biến dạng của lốp xe nên giữa bánh xe và mặt đường không

có hiện tượng trượt, lúc này quan hệ giữa các thông số chỉ là các quan hệ đơn thuần

về mặt hình học như hình 2.1 Phương pháp này chỉ xác định được quỹ đạo chuyển động của ô tô với hàm đầu vào là các góc quay bánh xe dẫn hướng[5] Chính vì vậy, phương pháp này không thể xác định được quỹ đạo chuyển động của ô tô trong các trạng thái tích hợp hoặc sự lệch của xe khi phanh

Động học quay vòng của ô tô được xét khi Ô tô quay vòng quanh một tâm quay vòng O như hình 2.1 Quỹ đạo chuyển động của xe được xác định thông qua bán kính quay vòng và vết tiếp xúc của các bánh xe Khi xác định được tọa độ trọng tâm của xe khi đi ở vận tốc thấp có thể xác định được vết tiếp xúc và ngược lại với giả thiết khung xe không có biến dạng và chỉ xét xe chuyển động trong mặt phẳng nền (Các ký hiệu chỉ được dùng trong phần này)

Hình 2.1 Quan hệ Ackerman của xe hai cầu với cầu trước dẫn hướng

Các mối quan hệ này được xác định từ động học quay vòng theo định luật Ackerman:

l

w Cot

Cot o i  (2.1)

Trong đó:

δo: là góc quay bánh xe dẫn hướng phía ngoài so với tâm O;

δi: là góc quay bánh xe dẫn hướng phía trong so với tâm O;

w: khoảng cách giữa hai trụ đứng hệ thống lái;

l: chiều rộng cơ sở của xe

Khi đó trọng tâm xe được quay theo một bán kính quay vòng tính từ tâm O theo công thức sau:



2 2 2

a

R  (2.2)

Trong đó δ là góc lái trung bình của hai góc quay bánh xe dẫn hướng được tính theo công thức sau

2

i

o Cot Cot



 (2.4)

Hình 2.2 Động học quay vòng của xe cầu trước dẫn hướng

Góc hướng β là góc hợp bởi vận tốc xe v với trục dọc xe trong trường hợp xe không trượt được xác định bằng công thức như sau:

1

tan tan a a

Hình 2.3 Hành lang quét của xe hai cầu

Động học hệ thống lái có thể được dùng để xác định hành lang quét của xe khi quay vòng Điểm ngoài cùng của xe chạy trên đường tròn có bán kính RMax Trong khi điểm trong cùng sẽ xác định RMin Khoảng cách từ cầu trước đến điểm trước của

xe quy ước là g trong công thức trên Từ đó ta xác định được các giá trị RMax và

RMin như sau:

(2.6) (2.7) Hành lang quét được xác định theo công thức sau:

(2.8) Như vậy, việc sử dụng quan hệ hình học để xác định quỹ đạo chuyển động thông qua xác định cung quay vòng và hành lang quét Phương pháp này được sử dụng trong các bài toán lý thuyết về quay vòng lý tưởng đối với xe không trượt Để xác định được quỹ đạo chuyển động của ô tô trong trạng thái trượt thì cần phải xây

dựng mô hình độngg lực học quay vòng có xét đến tương tác với đường và các tác động ngoại cảnh khác (nếu có)

b Lý thuyết xác định quỹ đạo bằng mô hình động lực học

Chuyển động của ô tô là chuyển động phức hợp, gồm ba chuyển động tịnh tiến phương x, y, z và ba chuyển động góc φ, β, ψ Để mô tả chuyển động phức hợp đó

ta cần thiết lập một hệ tọa độ cố định G(OXYZ), trong đó nó có quan hệ với các hệ tọa độ vật B(Cxyz) như là các hệ tọa độ con B(Cxyz) có thể quay với các góc φ, β,

ψ trong hệ cố định G(OXYZ) và hệ G(OXYZ) cũng quay trong hệ cục bộ B(Cxyz)

Để đơn giản, trong nghiên cứu động lực học ô tô, ta định nghĩa hệ tọa độ cố định có trục OZ vuông góc với mặt phẳng nền XOY Các hệ con B có trục Cz song song với trục OZ của hệ cố định Như vậy, các hệ con B có thể quay quanh trục OX, OY, OZ các gócφ, β, ψ Sử dụng phương pháp tách cấu trúc và hệ phương trình Newton-Euler để mô tả động lực học ô tô[6].Các thông số của mô hình được biểu diễn trong hình 1.5

G(OXYZ) là hệ tọa độ cố định;

B(Cxyz) là hệ tọa độ xe (hệ vật)

Gd: là véc tơ vị trí từ gốc O của hệ G(OXYZ) đến trọng tâm C của xe B(Cxyz) Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động quay Hệ tọa độ trong hình 1.2 là hệ tọa độ thuận, có trục OZ song với trục Cz Nếu ta chiếu xuống nền, ta có

hệ tọa độ thu gọn như hình 1.3 và 1.4 Để người đọc dễ theo dõi, sau đây là một vài phép chuyển đổi cơ bản trong cơ học được trình bày Giả sử có một véc tơ B r

Một điểm P trong hệ con B(Cxyz) có vec tơ gốc

G P

dt dt (2.14) Lực trong hệ cục bộ đƣợc xác định theo (1.15), mô men theo (1.16):

Hình 2.4 Định nghĩa hệ tọa độ G(OXYZ), hệ cục bộ xe B(Cxyz)

Hệ tọa độ đặc biệt: Trong lĩnh vực động lực học ô tô, chúng ta chọn hệ có trục song song Cz và OZ nhƣ hình 2.4 Thân xe quay quanh trục Oz gócψ, quay quanh trục Oy góc φ và quay quanh trục ox gócβ Vec tơ Gr trong hệ G đƣợc xác định từ r

B

trong hệ cục bộ thông qua ma trận xoay R Z khi hệ cục bộ quay quanh trục OZ một gócψ

-Tọa độ hệ G(OXYZ) quay quanh trục Cy với góc φ:

( ) (2.25) Véc tơ vận tốc của trọng tâm xe C trong hệ B(Cxyz):

ω

(1.28)

Véc tơ gia tốc tại trọng tâm xe đƣợc suy ra từ (2.20):

ω&     & & &T     & &&T

phép tính đơn giản hơn

(2.45) Thế các véc tơ và ma trận của phương trình (2.40 đến 2.45) bởi phương trình (2.38, 2.39):

0 0

v R v

0 0

2.1.2 Phân tích cấu trúc ô tô và định nghĩa hệ quy chiếu

Xe con có khối lượng nhỏ nhưng lại có yếu tố phi tuyến hình học và vật lý lớn nên không thể bỏ qua khi lập mô hình Đặc điểm kết cấu là vỏ chịu lực, hệ treo độc lập có yếu tố phi tuyến hình học cao Thân xe được gọi là khối lượng được treo, cầu (bánh xe) được gọi là khối lượng không được treo Nếu bỏ qua một số dao động ít ảnh hưởng, ta có thể đưa ra mô hình dao động ô tô đầy đủ gồm 5 khối lượng Thân

xe có khối lượng m, gọi là khối lượng được treo Bốn bánh xe khối lượng mA11,

mA12, mA21, mA22, gọi là khối lượng không được treo Bỏ qua các đại lượng không thuộc mô hình dao động chúng ta có thể lập phương trình dao động bằng cách lấy tổng các lực phương x, mô men trục x, y và dao động thẳng đứng các bánh xe Chuyển động của ô tô được xác lập bởi ba chuyển động trong mặt phẳng đường

là chuyển động tịnh tiến theo phương x, chuyển động tịnh tiến theo phương y và quay quanh trục z Về mặt hình thức, chỉ ba phương trình động lực học, nhưng trong ba phương trình đó có chứa các nội hàm cần xác định, đó là các cặp lực gây chuyển động Fzi, Fyi, Fxi, Mz, My, Mx lực tương tác của các bánh xe với mặt đường

Vì vậy chúng ta phải có mô hình động lực học phương thẳng đứng nhằm xác định phản lực Fzij của các bánh xe Ngoài ra ta phải có mô hình lốp và mô hình động lực học bánh xe nhằm xác định quan hệ động học bánh xe đặc trưng bởi các hệ số trượt (s) và góc lệch bên và từ đó xác định các hệ số bám

Hình 2.5 Định nghĩa hệ tọa độ G(OXYZ), hệ cục bộ xe B(Cxyz)

Về hệ quy chiếu, chuyển động của ô tô là một chuyển động phức hợp, gồm ba chuyển động tịnh tiến phương x, y, z và ba chuyển động góc φ, β, ψ Để mô tả

chuyển động phức hợp đó ta thiết lập một hệ tọa độ cố định G (OXYZ), trong đó có quan hệ với các hệ tọa độ vật B(Cxyz) như là các hệ tọa độ con B(Cxyz) có thể quay với các góc φ, β, ψ trong hệ cố định G (OXYZ) và hệ G (OXYZ) cũng quay trong hệ cục bộ B(Cxyz) Để đơn giản, trong nghiên cứu động lực học ô tô, ta định nghĩa hệ tọa độ cố định có trục OZ vuông góc với mặt phẳng nền XOY Các hệ con

B có trục Cz song song với trục OZ của hệ cố định Như vậy, các hệ con B có thể quay quanh trục OX, OY, OZ các góc φ, β, ψ

2.2 Thiết lập mô hình toán học xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Với giả thiết các bánh xe chuyển động theo thân xe nên tác giả coi chuyển động trọng mặt phẳng đường là một khối thống nhất có khối lượng M=m+mA11+mA12+mA21+mA22 Các lực và mô men tác dụng trong mặt phẳng đường của ô tô được thể hiện trên hình 2.2

Hình 2.6 Các lực và mô men tác dụng lên ô tô trong mặt phẳng đường

Phương trình chuyển động theo phương x được viết như sau:

(2.57) Phương trình chuyển động theo phương x được viết như sau:

11 11 12 12 11 11 12 12 21 22

M y   x  F   F   F   F   F  F  F (2.58) Phương trình xác định góc xoay thân xe theo trục z được viết như sau:

Fwx và Fwy và góc quay bánh xe dẫn hướng δij được xác định theo các điều kiện điều khiển của người lái và ngoại cảnh, thì cần xác định các lực liên kết lốp đường Fxij,

Fyij Các thành phần này thường được xác định từ thực nghiệm hoặc từ các mô hình tính toán thích nghi Điều kiện cơ bản của mô hình lốp dạng thích nghi là các hệ số trượt và tải trọng thẳng đứng Fzij Các thành phần tải trọng thẳng đứng được xác định qua các mô hình dao động

Với giả thiết các bánh xe chỉ thực hiện chuyển động theo phương thẳng đứng nên tác giả xác định riêng biệt chuyển động của phần được treo và không được treo như hình 2.7 Trong mặt phẳng thẳng đứng phần được treo m thực hiện hai chuyển động

cơ bản là dao động thẳng đứng và lắc dọc Các thành phần gây ra chuyển động dọc

là các lực liên kết hệ thống treo gồm lực đàn hồi FCij và giảm chấn FKij

Hình 2.7 Các lực và mô men tác dụng lên ô tô trong mặt phẳng dọc

Phương trình dao động dọc thẳng đứng của phần được treo được viết như sau:

(2.60) Đối với góc lắc dọc của phần được treo, ngoài hai thành phần đàn hồi và giảm

chấn của hệ thống treo, còn có các thành phần lực dọc từ bánh xe tác dụng lên thân

xe F’xij và mô men bánh xe Mij, và lực cản không khí Fwx như hình 2.6 Phương

trình dao động lắc dọc được viết theo phương trình Euler như sau:

Hình 2.8 Các lực và mô men tác dụng lên phần được treo trong mặt phẳng ngang

Khi tách cấu trúc trong mặt phẳng ngang, do kết cấu vỏ chịu lực nên tác giả mô

tả dao động ngang thân xe thông qua góc lắc ngang β đặt tại trọng tâm thân xe Góc

lắc ngang này sinh ra bởi sự sai khác của lực liên kết hệ thống treo hai bên và các

lực ngang tác dụng lên phần được treo như hình 2.4 Vì vậy phương trình dao động

lắc ngang được viết như sau:

φAij Phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng được viết cho từng bánh xe

(2.64) + Đối với bánh xe số 21 phương trình dao động được viết là:

21 21 21 ( 21 21)

(2.65) + Đối với bánh xe số 22 phương trình dao động được viết là:

(2.66) Trong đó các lực FCLij là các lực đàn hồi lốp được xác định từ điều kiện mặt đường và chuyển vị của lốp FCij, FKij là các lực đàn hồi và lực cản giảm chấn hệ thống treo Các lực này được xác định từ mô hình hệ thống treo không trình bày trong luận văn này Xác định vận tốc góc quay của các bánh xe ảnh hưởng lớn đến các thông số đầu vào mô hình lốp Phương trình cân bằng mô men tại các bánh xe được xác định như sau:

+ Phương trình cân bằng mô men theo trục y của bánh xe 11:

11 11 11 ( 11 11) r11

(2.67) + Phương trình cân bằng mô men theo trục y của bánh xe 12:

(2.68) + Phương trình cân bằng mô men theo trục y của bánh xe 21:

(2.69) + Phương trình cân bằng mô men theo trục y của bánh xe số 22:

Hình 2.9 Mô hình lốp

Có nhiều mô hình lốp được giới thiệu trong các nghiên cứu trước đây Trong luận văn này tác giả sử dụng mô hình lốp dạng phi tuyến theo hàm mẫu Ammonn [7].Theo mô hình lốp Ammonn ta có hàm mẫu:

2 0

L x o

z

C s m

F



;

,min ,max

x v x

x wp wp

x

s s

2 2 2 2 ,max

khi phanh khi tăng  toc

2.4 Mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink

Matlab (MATrix LABoratory) là một công cụ phần mềm của MathWork với giao diện cực mạnh cùng lợi thế trong kĩ thuật lập trình đáp ứng được những vấn đề hết sức đa dạng: từ các lĩnh vực kỹ thuật chuyên ngành như điện, điện tử, điều khiển tự động, rô bôt công nghiệp, vật lý hạt nhân cho đến các ngành xử lý toán chuyên dụng như thống kê, kế toán Matlab có bộ lệnh rất mạnh giúp nó có thể giải quyết các loại bài toán khác nhau, đặc biệt là các hệ phương trình tuyến tính, phi tuyến hay các ma trận với kết quả nhanh chóng và chính xác Bộ lệnh này lên tới hàng trăm và ngày càng được mở rộng thông qua các hàm ứng dụng được bởi người sử dụng hay thông qua thư viện trợ giúp Bên cạnh đó Matlab cho phép xử lý dữ liệu, biểu diễn

đồ họa một cách mềm dẻo, đơn giản và chính xác trong không gian hai chiều cũng như ba chiều giúp người sử dụng có thể quan sát một cách trực quan và đưa ra phương pháp giải tốt nhất Phần cốt lõi của chương trình bao gồm một số hàm toán, chức năng nhập/xuất cũng như khả năng điều khiển chu trình mà nhờ đó ta có thể

dựng nên các Scripts Thêm vào đó là bộ công cụ (Toolbox) có thể bổ sung các chức năng chuyên dụng Thường hay sử dụng các Toolbox như: Control System Toolbox,

Signal Processing Toolbox, Optimization Toolbox, Stateflow Blockset, Power System Blockset, Real-time Workshop và Simulink Simulink là một Toolbox có vai

trò đặc biệt quan trọng: Vai trò của một công cụ mạnh phục vụ mô hình hoá và mô

phỏng các hệ thống Kỹ thuật - Vậtlý trên cơ sở sơ đồ cấu trúc dạng khối

Simulink là phần chương trình mở rộng của Matlab nhằm mục đích mô hình hoá,

mô phỏng và khoả sát các hệ thống động học Giao diện đồ hoạ trên màn hình Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú,

có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn Hơn thế, người sử dụng có thể tạo khối cho riêng mình Một tính năng đặc biệt khác của Simulink là có thể nhận tín hiệu trực tiếp từ các phần mềm khác giống như nhận tín hiệu từ bên ngoài vào để xử lý của một số phần mềm Dasylab sau khi

xử lý nó có thể phản hồi tín hiệu trở lại để điều khiển đối tượng đó

Sử dụng phần mềm máy tính để giải hệ phương trình vi phân 2.77 trên ta có thể xác định được các thành phần chuyển động của xe Từ đó có thể xác định được quỹ đạo chuyển động của ô tô thông qua tọa độ trọng tâm và các bánh xe theo các công thức dưới sau:

Hình 2.10 Vị trí xác định các điểm trước sau của xe trong hệ cố định

Từ đó xác định được các vị trí trước, sau, trong ngoài (Hình 2.6) của xe như sau:

2W

2W

2W

2W

2W

2

f f f f r r r r

STT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Bảng 2.1 Một số thông số đầu vào để mô phỏng

Sau khi thiết lập môi trường tính toán trong Simulink ta thu được một số kết quả như sau, áp dụng cho trường hợp quay vòng với bán kính R=15m và quay vòng hình sin

1 Trường hợp quay vòng quanh góc quay bán kính R=15m

Hình 2.11 Góc quy bánh xe dẫn hướng Hình 2.12 Gia tốc ngang

Hình 2.13 Góc xoay thân xe Hình 2.14 Vận tốc dọc

Hình 2.15 Vận tốc ngang Hình 2.16 Quỹ đạo chuyển động của xe

Như vậy trong trường hợp quay vòng quanh góc quay có bán kính quay vòng R=13m trong điều kiện giả thiết quy luật quay bánh xe dẫn hướng như hình 2.11, ta thu được gia tốc ngang, các vận tốc, góc xoay thân xe và quỹ đạo như hình vẽ Nhận thấy rằng, khi quay vòng gia tốc ngang có sự biến động mạnh ở giai đoạn đầu, tức

là giai đoạn bắt đầu quay vòng tới khi góc quay vòng đạt giá trị cực đại, điều này phù hợp với quy luật vì giai đoạn này là giai đoạn chịu ảnh hưởng lớn nhất từ các yếu tố bên ngoài Quỹ đạo thu được gần giống với quỹ đạo mong muốn, chứng tỏ những giả thiết về dữ kiện đầu vào đã được dự đoán sát với thực tế

2 Trường hợp quay vòng hình Sin

Hình 2.15 Góc quay bánh xe dẫn hướng Hình 2.16 Gia tốc ngang

Hình 2.17 Góc xoay thân xe Hình 2.18 Góc xoay thân xe

Hình 2.19 Vận tốc ngang Hình 2.20 Quỹ đạo chuyển động của xe

Như vậy trong trường hợp quay vòng quanh góc quay có bán kính quay vòng hình sin trong điều kiện giả thiết quy luật quay bánh xe dẫn hướng như hình ta thu được gia tốc ngang, các vận tốc, góc xoay thân xe và quỹ đạo như hình vẽ Trong trường hợp này, các giá trị thu được đã biểu thị khá giống như những điều dự đoán

Từ kết quả mô phỏng của 3 trường hợp trên đây, ta thấy rằng, mô hình lý thuyết được xây dựng trên đây đã đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, kết quả trả về đúng với mong muốn và đảm bảo tính đúng đắn của các giả thiết

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 3.1 Giới thiệu chung về bộ thiết bị đo xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô 3.1.1 Bộ cảm biến S350

- Cảm biến hai chiều S350 [8] được thiết kế để đo trực tiếp độ trượt, vận tốc theo phương dọc và phương ngang của động lực học xe, góc xoay thân xe Nó đưa ra kết quả chính xác trong các thí nghiệm có điều kiện chuẩn, thậm chí ở một số chế độ không tiêu chuẩn S350 mở rộng chức năng có thể sử dụng cho các thí nghiệm động học của xe tải, xe bus và xe địa hình;

- Nhỏ gọn và nhẹ, S350 có thể dễ dàng lắp đặt và sử dụng Đồ gá đa năng có thể giúp việc lắp đặt cảm biến nhanh chóng và dễ dàng;

- Cảm biến S350 là loại cảm biến quang, đây là loại cảm biến quang mới nhất và cho tín hiệu có độ chính xác cao với DSP và FPGA’s Thông tin về tốc độ và khoảng cách được cấp nhật tới 250Hz với mọi loại khí động học;

- Tín hiệu ra được lập trình và xử lý chuẩn có thể kết hợp trực tiếp với máy tính

và hệ thống xử lý dữ liệu ảo, ngoài ra giá trị đo cũng được hiển thị trực tiếp trên màn hình Công nghệ có thời gian sử dụng lâu, ít phải chăm sóc và bảo dưỡng;

Hình 3.1 Cảm biến S350 Aqua với đồ gá

- Cảm biến S350 D với khoảng đo rộng 350 ±100 mm, ứng dụng cho tốc độ từ 0,5 đến 250 km/h;