Phân tích ổn định động lực học theo phương ngang xe khách giường nằm bằng mô hình động lực học phẳng hai dãy với mô hình lốp xe phi tuyến

Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu các mô hình lốp xe phi tuyến từ đó tính toán tính năng động học và động lực học chuyển động theo phương ngang của xe khách giường nằm HB 120.. Số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN TRƯỜNG LĨNH

ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG NGANG XE KHÁCH GIƯỜNG NẰM

BẰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG HAI DÃY

VỚI MÔ HÌNH LỐP XE PHI TUYẾN

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN HỮU NHÂN

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN CHÍ THANH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày

11 tháng 01 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN TRƯỜNG LĨNH MSHV: 1770204

Ngày, tháng, năm sinh: 09-10-1988 Nơi sinh: Hậu Giang

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số: 60520116

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ổn định động lực học theo phương ngang xe khách giường nằm bằng mô hình động lực học phẳng hai dãy với mô hình lốp xe phi tuyến

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu lý thuyết mô hình động lực học lốp xe tuyến tính và phi tuyến

2 Thiết lập mô hình toán học mô tả tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe theo mô hình động lực học hai dãy phi tuyến

3 Thiết lập mô hình tính toán, mô phỏng động học và động lực học chuyển động theo phương ngang của xe từ mô hình toán học

4 Phân tích các tính năng về động học và động lực học, an toàn của xe trong quá trình chuyển động theo phương ngang

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 13/08/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2018

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trần Hữu Nhân

LỜI CÁM ƠN

Luận văn tốt nghiệp này được hoàn thành vào tháng 12 năm 2018 trong bộ môn Kỹ Thuật Ô tô - Máy kéo tại trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Trong suốt thời gian thực hiện luận văn tác giả đã gặp nhiều khó khăn mà nếu không có sự hỗ trợ từ những thầy, cô trong khoa, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp thì đã không thể hoàn thành luận văn Do đó

Đầu tiên, tác giả tỏ lòng cảm ơn chân thành đến TS Trần Hữu Nhân, người thầy đã tiếp nhận, giao đề tài, thầy đã hỗ trợ tác giả rất nhiều mỗi khi thực hiện đề tài

có khó khăn cũng như động viên tác giả vượt qua khó khăn và hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này Tác giả cũng gửi lời cám ơn sâu sắc đến các giảng viên bộ môn

Kỹ Thuật Ô tô - Máy kéo đã chỉ dẫn tác giả trong suốt quá trình đào tạo

Kế đến, tác giả cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã động viên, khuyến khích trong suốt quá trình học tập và làm luận văn của tác giả

Cuối cùng, tác giả cám ơn những đồng nghiệp, trưởng bộ môn ô tô, trưởng Khoa Cơ khí Động lực của trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng đã tạo điều kiện học tập, thực hiện luận văn, công việc của tác giả trong thời gian thực hiện luận văn

Một lần nữa, tác giả chân thành cảm ơn tất cả

Tp HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2018

Học viên thực hiện

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Việc tính toán động học và động lực học ô tô rất quan trọng trong việc thiết

kế, bố trí trên ô tô, các thông số trong quá trình tính toán giúp cho việc đánh giá, cải thiện tính năng an toàn của ô tô trong quá trình vận hành, giảm thiểu và tiết kiệm chi phí thử nghiệm sau khi sản xuất

Đề tài này là sự nối tiếp và phát triển bổ sung trên cơ sở của đề tài trước trong việc phân tích ổn định chuyển động của xe khách giường nằm HB 120 Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu các mô hình lốp xe phi tuyến từ đó tính toán tính năng động học và động lực học chuyển động theo phương ngang của xe khách giường nằm

HB 120 Phân tích vai trò và ý nghĩa của các thông số cơ sở ảnh hưởng đến tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe Làm cơ sở tham khảo cho việc tính toán mô phỏng động học và động lực học chuyển động của các chủng loại xe khác

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Họ và tên học viên: NGUYỄN TRƯỜNG LĨNH

Ngày, tháng, năm sinh: 09/10/1988 Nơi sinh: Hậu Giang

Địa chỉ liên lạc: 429/20 Chiến Lược, P Bình Trị Đông A, Q Bình Tân, Tp HCM

Số điện thoại: 0933 524 336 Email: nguyentruonglinhme@gmail.com

Tôi xin cam đoan luận văn “Phân tích ổn định động lực học theo phương ngang

xe khách giường nằm bằng mô hình động lực học phẳng hai dãy với mô hình lốp

xe phi tuyến” là do tôi thực hiện, không sao chép của người khác Nếu sai sự thật,

tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật

Học viên thực hiện

NGUYỄN TRƯỜNG LĨNH

MỤC LỤC

TRANG BÌA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

LỜI CÁM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.2.1 Nghiên cứu trong nước 2

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước 3

1.2.3 Lý do chọn đề tài 4

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 4

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 4

1.3.3 Các giả thuyết 5

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 5

1.4.1 Mục tiêu chung 5

1.4.2 Mục tiêu cụ thể 5

1.5 Nội dung nghiên cứu 5

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6

1.6.1 Ý nghĩa khoa học 6

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 6

1.7 Phương pháp nghiên cứu 6

1.8 Tiến độ thực hiện luận văn dự kiến 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE TRONG MẶT PHẲNG ĐƯỜNG 8

2.1 Mô hình động lực học lốp xe 8

2.1.1 Mô hình động học lốp xe 8

2.1.2 Mô hình động lực học lốp xe tuyến tính 10

2.1.3 Mô hình động lực học lốp xe đồng dạng 10

2.1.4 Mô hình động lực học lốp xe phi tuyến 11

2.2 Mô hình động lực học của xe 12

2.3 Các thông số động học và động lực học của xe 14

2.3.1 Phản lực pháp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe 14

2.3.2 Động học hệ thống lái 15

2.3.3 Góc lệch bên các bánh xe 16

2.3.4 Phản lực ngang mặt đường tác dụng lên bánh xe 18

2.3.5 Phản lực tiếp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe 20

2.4 Phương trình động lực học mô tả chuyển động của xe trong mặt phẳng đường 20

2.5 Lý thuyết khảo sát động lực học của xe 22

2.5.1 Góc lái là hàm bước 22

2.5.2 Xác định mô men quán tính khối lượng 22

2.5.3 Các điều kiện tính toán 24

2.6 Lý thuyết về tính ổn định ngang của xe 24

2.6.1 Khái niệm 24

2.6.2 Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang 25

CHƯƠNG 3 THÔNG SỐ TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC XE KHÁCH GIƯỜNG NẰM HB120 28

3.1 Thông số kích thước 28

3.2 Thông số khối lượng 29

3.2.1 Khối lượng bản thân 29

3.2.2 Khối lượng toàn bộ 29

3.2.3 Thông số phân bố khối lượng 30

3.2.4 Thông số toạ độ trọng tâm 31

3.3 Thông số tính toán mô hình lốp xe 32

3.3.1 Thông số mô hình lốp xe dạng tuyến tính 32

3.3.2 Thông số mô hình lốp xe dạng phi tuyến 32

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 34

4.1 Sơ đồ tiến trình thực hiện tính toán mô phỏng 34

4.2 Khảo sát động học và động lực học theo phương ngang 35

4.2.1 Khảo sát góc lái là hàm bước theo thời gian 35

4.2.2 Sự biến thiên của góc lệch bên bánh xe 36

4.2.3 Sự biến thiên của lực ngang Fy (N) theo thời gian 36

4.2.4 Khảo sát sự biến thiên momen theo thời gian 38

4.2.5 Chuyển vị theo phương ngang 40

4.2.6 Khảo sát vận tốc ngang theo thời gian 41

4.2.7 Khảo sát gia tốc chuyển động theo phương ngang 42

4.2.8 Khảo sát chuyển vị góc xoay thân xe 43

4.2.9 Khảo sát vận tốc xoay thân xe 44

4.2.10 Khảo sát gia tốc xoay thân xe 45

4.3 Khảo sát tính ổn định chuyển động theo phương ngang 45

4.3.1 Khảo sát giá trị cực đại Fy theo đều kiện bám và điều kiện lật ngang của xe 45

4.3.2 Khảo sát vận tốc giới hạn cực đại, vxc so với góc lái δ 47

KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 50

Kết luận 50

Hướng phát triển đề tài 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC 53

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Mô hình động học của lốp xe chuyển động với vận tốc tức thời v, góc

trượt ngang α và góc đánh lái δ 8

Hình 2.2: Mô hình lốp xe đồng dạng 10

Hình 2.3: Mô hình động lực học hai dãy 12

Hình 2.4: Động học hệ thống lái 15

Hình 2.5: Xét xe như hình hộp chữ nhật đồng chất 23

Hình 2.6: Chuyển đổi tọa độ trọng tâm hình hộp chữ nhật về tọa độ trọng tâm thực tế của xe 24

Hình 2.7: Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động quay vòng trên đường ngang 25

Hình 2.8: Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động rẽ phải trên đường ngang 26

Hình 3.1: Bố trí chung của xe khách giường nằm HB120 30

Hình 4.1: Sơ đồ tính toán mô phỏng 35

Hình 4.2: Đồ thị góc lái là hằng số 36

Hình 4.3: Góc lệch bên các bánh xe theo thời gian 37

Hình 4.4: Lực ngang tổng cộng tác dụng tại trọng tâm xe 38

Hình 4.5: Mô-men tổng cộng tác dụng tại trọng tâm xe 40

Hình 4.6: Chuyển vị theo phương ngang theo thời gian 41

Hình 4.7: Vận tốc chuyển động theo phương ngang theo thời gian 42

Hình 4.8: Gia tốc chuyển động theo phương ngang theo thời gian 43

Hình 4.9: Chuyển vị góc xoay thân xe theo thời gian 44

Hình 4.10: Vận tốc chuyển vị góc xoay thân xe theo thời gian 45

Hình 4.11: Gia tốc xoay thân xe phương ngang theo thời gian 46

Hình 4.12: Lực ngang Fy với vận tốc vx (δ = 0.2(rad) 47

Hình 4.13: Vận tốc giới hạn cực đại, v xc so với góc lái δ 49

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số kích thước của xe 27

Bảng 3.2: Thông số xe khi đầy tải 27

Bảng 3.3: Thông số phân bố khối lượng của xe 29

Bảng 3.4: Thông số khối lượng của xe 30

Bảng 3.5: Thông số toạ độ trọng tâm của xe 31

Bảng 3.6: Thông số lốp xe phi tuyến theo mô hình Pacejka 31

Bảng 4.1: Lực ngang các mô hình lốp xe khi thay đổi vận tốc và góc lái 38

Bảng 4.2: Mô-men tổng cộng tác dụng tại trọng tâm xe 40

Bảng 4.3: Giá trị lực ngang 47

C C : Độ cứng góc lệch bên bánh xe sau phải, trái

D i , D f , D r : Hệ số tính đến ảnh hưởng gai lốp thứ i, trước, sau

E i , E f , E r : Hệ số tính đến ảnh hưởng độ cong lốp thứ i, trước, sau

F : Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau trái

F yφ : Lực ngang theo điều kiện bám

F yroll : Lực ngang theo điều kiện lật

g : Gia tốc trọng trường

I zz : Mô men quán tính khối lượng quanh trục z

l : Chiều dài cơ sở xe

m : Khối lượng của xe

 : Góc lệch bên của bánh xe sau phải, sau trái

β : Góc lệch vectơ vận tốc v so với phương trục x

β 1 , β 2 : Góc lệch giữa vectơ vận tốc v 1 , v 2 với trục x 1 , x 2

β 3 , β 4 : Góc lệch giữa vectơ vận tốc v 3 , v 4 với trục x 3 , x 4

1 , i

  : Góc quay của bánh dẫn hướng trong (trái)

2 , 0

  : Góc quay của bánh dẫn hướng ngoài (phải)

 : Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm

, ,   : Góc quay, vận tốc, gia tốc thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm

 : Vận tốc góc khi xe quay vòng

từ các nước ASEAN nhưng cũng là một cơ hội để những doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước đạt tỷ lệ nội địa 40% có thể mở rộng thị trường xuất khẩu Về phía chính phủ Việt Nam với việc ra nghị định 116/2017, nghị định quy định điều kiện sản xuất, lắp ráp, nhập khẩu và kinh doanh dịch vụ bảo hành, bảo dưỡng ô tô, cho thấy chính phủ vẫn quyết tâm phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam Với những quyết tâm của chính phủ, các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước từ trước đến nay vẫn luôn

cố gắng tăng tỷ lệ nội địa hoá nhưng hiện vẫn chỉ đạt từ 15-37% tuỳ dòng xe và tuỳ từng doanh nghiệp Phần nội địa hoá của các doanh nghiệp hiện nay tập trung vào phần chế tạo khung vỏ xe và cụm nội thất, trong đó phần chế tạo khung vỏ xe có thể được tính tỷ lệ nội địa hoá lên đến 32.5 % (theo quyết định số 28/2004/QĐ-BKHCN) Khung

vỏ xe là thành phần chiếm tỷ lệ khối lượng rất lớn của khối lượng bản thân xe (đặc biệt

là dòng xe khách) cũng như là thành phần quyết định tới việc bố trí các khối lượng khác trên xe nên việc thiết kế chế tạo khu vỏ xe ảnh hưởng trực tiếp vào tính năng động học và động lực học của xe Hiện nay việc tính toán tính năng động học và động lực học của xe hoàn toàn bằng thực nghiệm rất tốn kém, do đó việc tính toán mô phỏng bằng phần mềm chuyên dùng sẽ mang lại nhiều lợi thế cho các doanh nghiệp về mặt chi phí và thời gian trước khi đi vào thực nghiệm và sản xuất Trong các tính năng động học và động lực học thì tính năng ổn định chuyển động ngang của xe đặc biệt là

xe buýt giường nằm đang được quan tâm và chú ý nhiều nhất do nhiều vụ tại nạn liên quan đến vấn đề này

Vì lý do đó tác giả chọn đề tài: “PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG NGANG XE KHÁCH GIƯỜNG NẰM BẰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG HAI DÃY VỚI MÔ HÌNH LỐP XE PHI TUYẾN”

để từng bước xây dựng mô hình xe ngày càng gần với thực tế Kết quả tính toán dùng

để phân tích tính năng an toàn trong chuyển động ngang, đồng thời đề xuất phương án cải thiện tính năng động học và động lực học của xe khách giường nằm HB120, cũng như làm cơ sở để tính toán cho những dòng xe khác

1.2 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Nghiên cứu trong nước

- Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích ổn định chuyển động quay vòng xe khách giường nằm bằng mô hình động lực học phẳng” do Nguyễn Duy Bảo thực hiện,

2013 [2] Đề tài trên được xây dựng trên mô hình động lực học chuyển động phẳng của xe khi quay vòng dạng 2 bánh Xe chuyển động với vận tốc dọc theo chiều trục

xe không đổi trong suốt quá trình quay vòng hoặc vượt xe khác Sử dụng hàm bước

để mô tả góc đánh lái của xe Sử dụng mô hình lốp bánh xe tuyến tính để xác định lực ngang ảnh hưởng tới xe Đề tài đã đánh giá được đặc tính quay vòng trong tất cả các trường hợp tải trọng của xe, xác định được vận tốc tới hạn cho phép đảm bảo điều kiện trượt ngang khi xe quay vòng, xác định các thông số động học và động lực học của xe tại vị trí từng bánh xe trước, sau riêng biệt theo thời gian Tuy nhiên đề tài chưa đánh giá được ảnh hưởng của các ngoại lực tác dụng lên xe cũng như lực kéo của bánh xe chủ động có thể làm cho xe chuyển động theo chiều dọc với vận tốc thay đổi, việc đánh lái với góc lái thay đổi đột ngột theo hàm bước không phù hợp với thực tế, mô hình bánh xe phi tuyến chỉ phù hợp khi xe đánh lái với góc lái nhỏ

- Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích ổn định chuyển động ngang của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học một dãy phi tuyến” do Nguyễn

Trường Lĩnh [3] thực hiện Đề tài này đã so sánh được tính năng động học và động lực học khi xe chuyển động ngang dựa trên mô hình lốp phi tuyến với trường hợp dựa trên mô hình lốp xe tuyến tính Tuy nhiên, khi đánh lái thì góc lái của bánh lái hai bên khác nhau mà đề tài này chỉ mô phỏng động học và động lực học trên một

dãy bánh xe nên chưa đánh giá được ảnh hưởng của ngoại lực tác dụng lên xe khi quay vòng như xe thực tế được

- Đề tài luận văn thạc sĩ “Khảo sát ảnh hưởng của hệ thống treo đến đặc tính ổn định ngang của xe MobiHome HB120 khi chuyển động quay vòng trên mặt đường mấp mô” do Nguyễn Xuân Ngọc thực hiện, 2016 [4] Tác giả chỉ khảo

sát đánh giá ảnh hưởng độ cứng của giảm chấn khi xe chuyển động qua mặt đường mấp mô từ đó xác định vận tốc nguy hiểm của xe Tuy nhiên, đề tài này chưa đánh giá được ảnh hưởng của ngoại lực tác dụng lên xe khi quay vòng như xe thực tế được

- Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích động lực học quay vòng của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học phẳng bốn bánh” do Lê Quang

Thống thực hiện, 2017 [5] Tác giả tập trung vào việc nghiên cứu mô hình động lực học phẳng bốn bánh từ đó phân tích vai trò và ý nghĩa của các thông số cơ sở ảnh hưởng đến tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe Tuy nhiên, đề tài này chưa đánh giá được ảnh hưởng của lốp xe thực tế ảnh hưởng lên xe khi quay vòng

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước

- Sách Vehicle Dynamics: Theory and Application do Reza N Jazar viết được

nhà xuất bản Springer xuất bản năm 2008 [1] Trong chương 9, 10, 11 tác giả trình bày cơ sở động lực học mô hình động lực học phẳng một dãy

- Bài báo khoa học: “Study of the Vehicle Controllability and Stability Based

on Multi – body System Dynamics” (The Open Mechanical Engineering Journal,

2014, 8, 865 – 871) của tác giả Lin Hu, Shengyong Fang, Jia Yang, [8] Trong bài báo này tác giả đã sử dụng phần mềm ADAMS/CAR để tiến hành khảo sát mô phỏng đặc tính kiểm soát và ổn định của xe như khả năng quay vòng, khả năng trượt trên đường dốc có chướng ngại vật, khả năng hồi vị của hệ thống lái; kết quả rút ra được

là để cải thiện đặc tính tối ưu đó là có 3 yếu tố: khối lượng ô tô, tải trọng đặt lên cầu trước và độ cứng xoắn của thanh ổn định chống lật sau

động quay vòng, nâng cao tính năng an toàn chuyển động và tăng tính cơ động cả ở tốc độ thấp và tính ổn định khi chuyển động ở tốc độ cao

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nguồn lực và yêu cầu của luận văn thạc sĩ

đề tài này nghiên cứu như sau:

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Chọn xe khách giường nằm HB120 do công ty sản xuất và lắp ráp ô tô Trường Hải chế tạo là đối tượng cụ thể để tiến hành nghiên cứu Xác định các thông số ảnh hưởng đến tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe theo mô hình động lực học hai dãy với mô hình lốp xe phi tuyến, các thông số này sẽ được nghiên cứu, xác định bằng phương pháp thu thập dữ liệu và mô phỏng

1.3.3 Các giả thuyết

- Xe chuyển động đều và quay vòng đều trên đường nằm ngang

- Mặt đường cứng tuyệt đối

- Khả năng bám ngang của các bánh xe là như nhau

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

1.4.1 Mục tiêu chung:

Xây dựng và phát triển mô hình động lực học của xe trong mặt phẳng đường

dạng 4 bánh trong đó sử dụng mô hình động lực học lốp xe phi tuyến

1.4.2 Mục tiêu cụ thể

- Phân tích tính năng động lực học chuyển động của xe buýt giường nằm HB120 khi vào cua bằng mô hình động lực học phẳng dạng 2 dãy 4 bánh xe trong đó sử dụng

mô hình động lực học lốp xe dạng phi tuyến

- So sánh đánh giá sự khác biệt so với kết quả đã tính được từ mô hình sử dụng lốp xe tuyến tính

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Mô hình động lực học lốp xe tuyến tính và phi tuyến

- Mô hình toán học mô tả tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe theo mô hình động lực học hai dãy phi tuyến

- Các thông số tính toán động học và động lực học xe khách giường nằm HB

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.6.1 Ý nghĩa khoa học:

- Xây dựng mô hình toán học mô hình hoá, khảo sát tính năng động lực học chuyển động của xe khách giường nằm HB120 nói riêng và các dạng ô tô khác nói chung

- Xây dựng cơ sở dữ liệu tính toán và phân tích tính năng động lực học chuyển động của xe trong mặt phẳng đường trong đó lần đầu tiên mô hình lốp xe phi tuyến được sử dụng

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả thu được là cơ sở để có thể phân tích sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế của xe khách giường nằm HB120 cũng như các loại ô tô khác đến tính năng động lực học, an toàn chuyển động của xe khi vào cua và chuyển làn từ đó góp phần cải tiến thiết kế nhằm nâng cao tính năng động lực học và ổn định an toàn chuyển

động của xe

1.7 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu của đề tài này là phương pháp lý thuyết kết hợp với

1.8 Tiến độ thực hiện luận văn dự kiến

Định hướng đề tài

Viết đề cương Hoàn chỉnh đề cương

Bảo vệ đề cương

Thực hiện chương 1,2

Thực hiện chương 3,4,5

Viết luận văn và sửa chữa

Bảo vệ luận văn

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE

TRONG MẶT PHẲNG ĐƯỜNG 2.1 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC LỐP XE

Lốp xe là một bộ phận quan trọng của một chiếc xe Lốp xe không chỉ chịu trọng lượng của toàn bộ xe và hỗ trợ dập tắt rung động khi xe di chuyển trên đường không bằng phẳng mà chúng còn tạo ra các lực cần thiết để tăng tốc hoặc giảm tốc

xe, thay đổi hướng chuyển động của xe Từ quan điểm cơ học hoặc mô hình hoá, lốp

xe là một bộ phận phức tạp được làm từ các hợp chất phức tạp của nhiều vật liệu khác nhau, lưu hoá cùng nhau sau một quá trình chế tạo phức tạp Một mô hình lốp xe là một mô tả toán học về đặc tính của lốp xe có thể bao gồm một số lĩnh vực vật lý như: kết cấu cơ khí, nhiệt động lực học, lưu chất, hoá học, truyền nhiệt, ma sát học,… Trong phần này chỉ trình bày các mô hình tính động học và động lực học lốp xe

2.1.1 Mô hình động học lốp xe

Hình 2.1: Mô hình động học của lốp xe chuyển động với vận tốc tức thời v,

góc trượt ngang α và góc đánh lái δ

Xét mô hình lốp xe như Hình 2.1, có 2 trường hợp có khả năng xảy ra là

vec-tơ vận tốc tức thời tại vị trí tâm tiếp xúc bánh xe với mặt đường v có thể nằm trong

hay nằm ngoài khoảng giữa hai trục toạ độ trung gian x và trục toạ độ bánh xe x w, lần lượt được thể hiện ở Hình 2.1a và 2.1b

Hệ trục tọa độ bánh xe B w đặt tại tâm vết tiếp xúc bánh xe với mặt đường được thể hiện như hình 2.1a Phương và hướng của hệ trục toạ độ Bw được xác định bởi

một hệ trục toạ độ khác, có các phương song song với hệ toạ độ thân xe B(x, y) Góc quay của bánh xe dẫn hướng δ là góc tạo bởi trục toạ độ x quét sang trục x w theo chiều

quay trục z Góc lệch bên lốp xe α là góc tạo bởi sự quét trục x w của hệ trục toạ độ

bánh xe B w sang vec-tơ vận tốc tức thời của bánh xe v Tương tự, góc lệch toàn cục β

là góc tạo bởi sự quét trục x của hệ trục toạ độ trung gian B sang vec-tơ vận tốc tức

thời của bánh xe v Các góc α, β, δ trong hình 2.1a có giá trị dương và có quan hệ như

sau:

Trong thực tế chuyển động, khi bánh xe dẫn hướng chuyển động hướng tới,

mối quan hệ giữa các góc α, β, δ trong trường hợp này cho thấy rằng vec-tơ vận tốc

v nằm giữa khoảng hai trục toạ độ x và x w Trường hợp thực tế có thể xảy ra được thể

hiện Hình 2.1b Góc đánh lái sẽ làm quay hướng tới của lốp xe một góc δ Tuy nhiên,

do sự biến dạng đàn hồi của lốp xe, làm cho vec-tơ vận tốc của lốp xe v quay trễ hơn

so với hướng tới của lốp xe (tức trục x w ), tạo thành góc trượt ngang toàn cục β, lúc này β < δ Do vậy, trong trường hợp này góc đánh lái bánh xe dẫn hướng là dương

tạo ra góc trượt ngang lốp xe âm Phân tích Hình 2.1b và sử dụng định nghĩa chiều dương của các góc cho thấy rằng ngay cả trong trường hợp thực tế thì biểu thức (2.1) vẫn đúng cho cả hai trường hợp như Hình 2.1a và 2.1b

Góc lệch bên α là nguyên nhân sinh ra lực ngang tại lốp xe Trong phân tích

động lực học của xe, mô hình lốp xe tập trung vào các lực và mô men được tạo ra giữa lốp và mặt đường Các mô hình lốp thực nghiệm có hiệu quả với độ chính xác cao trong phân tích động lực xe, đặc biệt là trên đường bằng phẳng, cứng và đáp ứng

tần số thấp Trong phạm vi đề tài này chỉ trình bày hai dạng mô hình lốp xe tuyến tính và mô hình lốp xe phi tuyến

F : Phản lực ngang mặt đường tác dụng lên bánh xe

Mô hình có tính đến ảnh hưởng của phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe F z (như trong Hình 2.2) và ma sát lốp xe với mặt đường dẫn đến mối quan

hệ phi tuyến của các lực tại lốp xe là một hàm của góc trượt và phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên lốp xe Khi phản lực pháp tuyến của mặt đường F z tác dụng lên lốp xe bị giảm thì phản lực ngang khi góc lệch bên cố định sẽ giảm do áp lực giảm giữa mặt đường và mặt tiếp xúc lốp

Các thí nghiệm chứng minh rằng lực ngang được chuẩn hoá khi đo cho các góc lệch bên khác nhau dẫn đến cùng một đường cong lực ngang / góc lệch bên, với lực ngang được chuẩn hóa F yvà góc lệch bên được chuẩn hóa  được xác định bởi:

với góc lệch bên tương đương được xác định bởi:

, do đó mô hình công thức ma thuật do Pacekja được phát triển và sử dụng

2.1.4 Mô hình động lực học lốp xe phi tuyến

Khi góc lệch bên lớn, mô hình tuyến tính (2.2) không thể mô tả đặc tính lốp xe

do đó trong đề tài này sẽ sử dụng mô hình lốp xe Pacejika theo công thức sau:

Mô hình động lực học của xe gồm có mô hình một dãy và mô hình hai dãy Trong đó

mô hình hai dãy phù hợp với ô tô thực tế hơn

Hình 2.3: Mô hình động lực học hai dãy

Mô hình ô tô hai dãy bánh xe (two-track model) nghiên cứu chuyển động của

ô tô trong trường hợp ô tô chịu tác dụng của phản lực ngang, phản lực tiếp tuyến từ mặt đường lên các bánh xe

Các ký hiệu trong hình vẽ được giải thích như sau:

 : Góc lệch bên của bánh xe sau phải, sau trái

 : Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm

β : Góc lệch vectơ vận tốc v so với phương trục x

β 1 , β 2 : Góc lệch giữa vectơ vận tốc v 1 , v 2 với trục x 1 , x 2

β 3 , β 4 : Góc lệch giữa vectơ vận tốc v 3 , v 4 với trục x 3 , x 4

a a : Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vết bánh xe phía trước, phía sau

l : Chiều dài cơ sở xe

Giả thuyết xe chuyển động ổn định với x = const, x 0 và bỏ qua sự trượt dọc

ở bánh xe nên mô hình chỉ nghiên cứu chuyển động của ô tô theo phương ngang trong mặt phẳng là mô hình có 2 bậc tự do Các bậc tự do này bao gồm:

- Gia tốc theo phương ngang của ô tô trong hệ trục toạ độ cố định ay

- Vận tốc góc quay thân xe ψ

2.3 CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE

2.3.1 Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe

Do khảo sát xe chuyển động ổn định trên mặt phẳng nên phản lực pháp tuyến được xác định như sau:

- Bánh xe trước trái: 2

1

zf z

F mga F

F mga F

mga F F

mga F F

- l : chiều dài cơ sở xe

- a1, a2: khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vệt bánh xe trước, sau

w R l

o

o

w R l

là véc tơ vận tốc góc xoay thân xe

Mở rộng biểu thức trên, véc tơ vận tốc tại bánh xe thứ i được biểu diễn theo véc tơ vận tốc tại toạ độ trọng tâm như sau:

00

w v

x

w v

x

w v

Từ công thức (2.15) ta xác định được góc lệch bên tại mỗi bánh xe như sau:

w v

w v

y r x

w v

w v

2.3.4 Phản lực ngang mặt đường tác dụng lên bánh xe

Khả năng ổn định hướng chuyển động của ô tô được đặc trưng bởi độ lớn của phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe F ywi Giá trị này phụ thuộc vào góc lệch bên của lốp i

2.3.4.1 Mô hình lốp xe tuyến tính

Từ phương trình (2.2): F ywi Cii do đó

- Phản lực ngang tác dụng lên bánh xe trước trái:

(2.32)

- Phản lực ngang tác dụng lên bánh xe trước phải:

1

2

-y

f x

w v

- Phản lực ngang tác dụng lên bánh xe sau trái:

(2.35)

Trong đó Ci là độ cứng góc lệch bên tại bánh xe thứ i và Cf,Cr là độ cứng góc lệch bên tại mỗi bánh xe trước, sau

v a

w v

w v

w v

2.3.5 Phản lực tiếp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe

- Lực dọc tác dụng tại bánh xe thứ i theo toạ độ trọng tâm (B)

Mô hình động lực học hai dãy

Phản lực ngang mặt đường tác dụng lên mỗi bánh xe:

1

2

-y

f x

w v

v a

w v

w v

w v

2.5 LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE

Để khảo sát động lực học chuyển động của xe khi quay vòng ta khảo sát trường hợp sau:

2.5.1 Góc lái là hàm bước

Góc lái là một hàm bước, trong trường hợp này góc lái δ thay đổi đột ngột từ 0

đến giá trị hằng số khác 0 Giá trị và hàm toán học biểu diễn hàm bước của góc lái

δ(t) được lấy theo tài liệu [1] trang 689 như sau:

2.5.2 Xác định mômen quán tính khối lượng

Coi xe đang xét như hình hộp chữ nhật đồng chất có kích thước (dài x rộng x cao) là (l.w.h) hình 2.6

Ta có công thức xác định mômen quán tính cho hình hộp chữ nhật đồng chất như sau: Tham khảo tài liệu [2]

Hình 2.5: Xét xe như hình hộp chữ nhật đồng chất

Công thức dời toạ độ trọng tâm

' 2

Với I - là mômen quán tính đối với trục đi qua trong tâm xe

I’ - là mômen quán tính đối với trục ban đầu

e - là khoảng cách từ trọng tâm thực tế của xe đến trọng tâm hình hộp chữ nhật m- Khối lượng của xe

Hình 2.6: Chuyển đổi toạ độ trọng tâm hình chữ nhật về toạ độ trọng tâm thực tế

của xe

Trong đó: h – Chiều cao trọng tâm thực tế của xe

h cn - Chiều cao trọng tâm của hình hộp chữ nhật

2.5.3 Các điều kiện tính toán

Góc lái bị giới hạn bởi:

 

0.5263 rad

 Vận tốc góc lái bị giới hạn bởi:

Tính chất ổn định của ô tô là tính chất đảm bảo không bị lật đổ hoặc trượt khi ô

tô đứng yên cũng như khi nó chuyển động Mất ổn định có thể xảy ra theo phương ngang hoặc phương dọc, trong đó phương ngang dễ xảy ra hơn Tác nhân gây mất ổn định là lực quán tính ly tâm khi ô tô chuyển động trên đường vòng, thành phần phát sinh do trọng lực khi ô tô chuyển động trên đường nghiêng, lực gió ngang, và do các xung động từ đường khi đi trên đường mấp mô

Tính ổn định được đánh giá thông qua vận tốc giới hạn lớn nhất của ô tô trên đường vòng với bán kính cong nhất định, bằng góc nghiêng lớn nhất của mặt đường, theo điều kiện lật đổ ngang

2.6.2 Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang

2.6.2.1 Điều kiện trượt

Xét trường hợp ô tô quay vòng trên đường bằng, bỏ qua ảnh hưởng độ nghiêng ngang của thùng xe và độ đàn hồi của lốp, sự trượt ngang của các bánh xe có thể xuất hiện do tác dụng của lực quán tính ly tâm Fy(t) ở thời điểm lực ngang bằng lực bám ngang của bánh xe với mặt đường, tức là:

F y(t) = F y

Hình 2.7: Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động quay vòng trên đường ngang

Thay vào công thức trên các giá trị của lực bám ngang và lực quán tính ly tâm