Phân tích động lực học, ổn định quay vòng của đoàn xe siêu trường, siêu trọng 100 tấn

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng, tính toán động lực học, ổn định chuyển động quay vòng của đoàn xe siêu trường, siêu trọng với 02 thông số góc đánh lái đầu và

NGUYỄN VĂN HOÀNG

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC, ỔN ĐỊNH QUAY VÒNG CỦA ĐOÀN XE SIÊU TRƯỜNG, SIÊU TRỌNG 100 TẤN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 09 năm 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trần Hữu Nhân

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

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS Lê Tất Hiển - Chủ tịch

2 TS Trần Đăng Long - Thư ký

3 TS Hồng Đức Thông - Phản biện 1

4 TS Nguyễn Văn Trạng - Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

PGS.TS Lê Tất Hiển TS Trần Hữu Nhân

Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN HOÀNG MSHV: 1670303

Ngày, tháng, năm sinh: 27/08/1992 Nơi sinh: Tân Châu, Tây Ninh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số: 60520116

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích động lực học, ổn định quay vòng của đoàn xe siêu trường,

siêu trọng 100 tấn

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng, tính toán

động lực học, ổn định chuyển động quay vòng của đoàn xe siêu trường, siêu trọng với

02 thông số góc đánh lái đầu vào là góc đánh lái của đầu kéo và góc đánh lái sơ mi rơ moóc Từ kết quả mô phỏng, đánh giá ưu nhược điểm của các trường hợp điều khiển hướng đánh lái bánh xe dẫn hướng sơ mi rơ moóc về lực ngang tác dụng lên lốp xe và hành lang quay vòng đoàn xe

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02 /2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/2020

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN HỮU NHÂN

i HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa

TP HCM, đặc biệt là quý Thầy Cô trong khoa Kỹ Thuật Giao Thông và bộ môn Kỹ Thuật Ô Tô – Máy Động Lực đã tận tình và hết lòng truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Trần Hữu Nhân, người đã giúp đỡ

và luôn theo sát chúng em trong quá trình thực hiện luận văn này

Và chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy phản biện và các Thầy trong Hội đồng bảo vệ đã dành nhiều thời gian để nhận xét và giúp em trong quá trình bảo vệ luận văn

Cuối cùng, chúng em xin kính chúc sức khỏe và thành công đến với quý Thầy Cô trong khoa Kỹ Thuật Giao Thông và bộ môn Kỹ Thuật Ô Tô – Máy Động Lực

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Hoàng

ii HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu phân tích động lực học, ổn định chuyển động quay vòng của đoàn

xe siêu trường, siêu trọng đã được tác giả thực hiện Đoàn xe cụ thể được nghiên cứu gọi tắt là TST gồm đầu kéo 04 trục kết nối với sơ mi rơ moóc 08 trục phía sau Mô hình đoàn xe khảo sát được quy về dạng một dãy tương đương với việc điều khiển bánh xe dẫn hướng đầu kéo theo hàm đánh lái bán sin và tốc độ chuyển động là 30km/h Bánh xe cụm trục sau sơ mi rơ moóc được khảo sát theo ba trường hợp là cùng hướng, ngược hướng và không đánh lái so với bánh xe dẫn hướng đầu kéo Việc nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở lý thuyết kết hợp sử dụng phần mềm Matlab để

mô phỏng Kết quả nghiên cứu của đề tài đánh giá 2 phương diện chính là giá trị thành phần lực ngang tác dụng lên lốp xe và hành lang quay vòng đoàn xe Ngoài ra tác giả cũng đã đề cập và phân tích một số thông số động lực học và động học quan trọng khác như biến thiên vận tốc ngang, vận tốc góc, biến đổi góc lệch giữa đầu kéo và sơ

mi rơ moóc theo thời gian Từ kết quả nghiên cứu có thể thấy được ưu nhược điểm của hướng đánh lái cụm bánh sau sơ mi rơ moóc về các phương diện khảo sát đã được đề cập Từ đó đưa làm cơ sở để áp dụng vào thiết kế cũng như sản xuất sản phẩm thực tế với đối tượng cụ thể là các đoàn xe siêu trường, siêu trọng

iii HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

as well as manufacturing actual products with specific objects of super heavy, super long tractor – semi trailer

iv HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

L A ĐOA

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được cống bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp của mình

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Hoàng

v HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

L Ó ĐẦU

Hiện nay nhu cầu vận chuyển hàng hóa siêu trường siêu trọng ở Việt Nam ngày càng nhiều Các loại hàng hóa siêu trường siêu trọng không thể tháo rời có thể kể đến như cánh tua bin của các nhà máy điện gió, các cấu kiện dầm, cầu trong xây dựng, các loại

xe, máy chuyên dùng như máy đào, máy khoan, máy nghiền đá… Chính vì vậy việc nghiên cứu tính toán thiết kế và sản xuất ra loại SMRM siêu trường siêu trọng để đáp ứng nhu cầu thị trường được như một lẽ tất yếu Một phần không thể thiếu trong thiết

kế loại SMRM này là việc nghiên cứu động lực học quay vòng đoàn xe

Sau một số nguyên tắc cơ bản chung của động học và động lực học xe được tóm tắt, việc tính toán mô phỏng và xây dựng chiến lược điều khiển góc lái các trục của

SMRM được nghiên cứu Các mô hình đơn tuyến tính và phi tuyến tính được vận dụng, lấy chuyển động ngang và quay vòng của đầu kéo kết nối với SMRM phát triển các chiến lược điều khiển lái tạo khả năng cơ động cao Trong phạm vi luận văn này, trạng thái ổn định và chiến lược điều khiển lái được phát triển Hơn nữa, các mô hình được mở rộng để tính đến các chuyển động quay vòng của hệ thống ở tốc độ thấp

i HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Ụ Ụ

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

hương 1: 1

TỔ G QUA 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Đối tượng nghiên cứu 2

1.3 ục tiêu nghiên cứu 3

1.4 ấu trúc và phạm vi 3

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

1.6 Phương pháp nghiên cứu 4

hương 2: 6

Ô HÌ H TÍ H TOÁ VÀ SỞ Ý THUYẾT 6

2.1 ô hình tính toán và các giả định trong đề tài nghiên cứu 6

2.2 Phương trình arange 8

2.3 Xác Định Độ ứng ốp Theo Phương gang 13

2.4 Xác Định Tọa Độ Trọng Tâm Xe 17

2.5 Xác Định oment Quán Tính Khối ượng 19

2.5.1 Xác Định oment Quán Tính ủa S R Và tải 21

2.5.2 Xác Định oment Quán Tính ủa Đầu Kéo 22

2.6 Xác Định Góc ái 24

hương 3 : 25

THÔ G SỐ TÍ H TOÁ ĐỘ G Ự HỌ ỦA ĐOÀ XE 25

3.1 Thông Số Kỹ Thuật Tổng Quát Đầu Kéo Và S R 25

3.1.1 Thông Số Kỹ Thuật Tổng Quát ủa Đầu Kéo 25

3.1.2 Thông Số Kỹ Thuật S R 27

3.1.3 Sơ Đồ Bố Trí hung ủa Đoàn Xe 31

3.2 Thông Số Khối ượng 31

3.2.1 Khối ượng Từng Phần 31

ii HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

3.2.2 Khối ượng Toàn Bộ ủa Đoàn Xe 31

3.3 Phân bố khối lượng và tọa độ trọng tâm 32

3.3.1 Xác Định Tọa Độ Trọng Tâm Đầu Kéo khi có tải 32

3.3.2 Tọa Độ Trọng Tâm ủa S R 34

3.4 Xác Định Tọa Độ Trọng Tâm Đoàn Xe 35

3.4.1 Tọa Độ Trọng Tâm Đoàn Xe Theo hiều Dọc 35

3.4.2 Tọa Độ Trọng Tâm Theo hiều ao 36

3.5 Xác Định oment Quán Tính Khối ượng 37

3.5.1 Giá Trị oment Quán Tính Khối ượng ủa Đầu Kéo 38

3.5.2 Giá Trị oment Quán Tính Khối ượng ủa S R 39

3.5.3 Giá Trị oment Quán Tính Khối ượng Tải 41

3.5.4 Giá Trị oment Quán Tính Khối ượng ủa Đoàn Xe 42

3.6 Xác Định Độ ứng ốp Xe Theo Phương gang 42

3.7 Động học quay vòng đoàn xe 46

hương 4: 49

KẾT QU TÍ H TOÁ VÀ TH O UẬ 49

4.1 Sơ đồ tiến trình thực hiện tính toán mô phỏng động lực học chuyển động quay vòng của đoàn xe 49

4.2 Đáp ứng theo thời gian của các thành phần lực ngang 49

4.2.1 Thành phần lực ngang tại các bánh xe của TST theo thời gian 49

4.2.2 Thành phần lực ngang tại trục trước đầu kéo theo thời gian 54

4.2.3 Thành phần lực ngang tại trục sau đầu kéo theo thời gian 55

4.2.4 Thành phần lực ngang cụm trục sau S R theo thời gian 56

4.3 Sự biến thiên của vận tốc ngang v theo thời gian 57

4.4 Sự biến thiên của vận tốc góc ω theo thời gian 58

4.5 Sự biến thiên của góc ø theo thời gian 59

4.6 Sự biến thiên của vận tốc góc dø theo thời gian 61

4.7 Khảo sát ổn định quay vòng đoàn xe 62

hương 5: 66

KẾT UẬ VÀ HƯỚ G PHÁT TR Ể ỦA ĐỀ TÀ 66

iii HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

5.1 Kết luận 66

5.2 ột số hạn chế của đề tài 68

5.3 Hướng phát triển đề tài 68

Tài liệu tham khảo

iv HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

DA H Ụ Á KÝ H ỆU, Á HỮ V ẾT TẮT

SMRM: Sơ mi rơ moóc

TST (Tractor – Semi trailer): Đoàn xe gồm đầu kéo và sơ mi rơ moóc

α 1 rad Góc trượt ngang lốp xe bánh đánh lái đầu kéo

α 2 rad Góc trượt ngang lốp xe bánh cụm trục sau đầu kéo

α 3 rad Góc trượt ngang lốp xe bánh cụm trục sau SMRM

Góc xoay quanh trục đứng Oz so với phương trục Ox tại vị trí

tọa độ trọng tâm của đầu kéo

 rad/s

Vận tốc góc xoay quanh trục đứng Oz so với phương trục Ox tại

vị trí tọa độ trọng tâm của đầu kéo

δ rad Góc đánh lái đầu kéo

 rad Góc tạo bởi giữa trục dọc của đầu kéo và trục dọc của SMRM

Góc xoay quay trục đứng Oz so với phương trục Ox tại vị trí tọa

độ trọng tâm của SMRM

 rad/s

Vận tốc góc xoay quanh trục đứng Oz so với phương trục Ox tại

vị trí tọa độ trọng tâm của SMRM

v HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

h 1 m Khoảng cách từ toạ độ trọng tâm đầu kéo đến vị trí tâm chốt kéo

l 1 m Chiều dài cơ sở của đầu kéo

l 2 m Chiều dài cơ sở của SMRM

C 1 N/rad Độ cứng lốp xe theo phương ngang của bánh lái đầu kéo

F y1 N Lực ngang lốp xe của bánh lái đầu kéo

F y2 N Lực ngang lốp xe của bánh cụm trục sau đầu kéo

F y3 N Lực ngang lốp xe của bánh cụm trục sau SMRM

F z1 N Phản lực cầu trước đầu kéo

F z2 N Phản lực cầu cụm sau đầu kéo

F z3 N Phản lực cụm cầu sau SMRM

vi HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Iz 1 kg.m2

Momen quán tính khối lượng theo trục Oz tại vị trí tọa độ trọng

tâm của đầu kéo

Iz 2 kg.m2

Momen quán tính khối lượng theo trục Oz tại vị trí tọa độ trọng

tâm của SMRM

m 1 kg Khối lượng của đầu kéo

m 2 kg Khối lượng của SMRM

k1 m Chiều dài đầu xe đầu kéo

Bđk m Chiều rộng đầu kéo

Bvđk m Vết bánh xe trước đầu kéo

Bsm m Chiều rộng SMRM

Gsm kg Khối lượng toàn bộ SMRM khi có tải

G0sm kg Khối lượng bản thân SMRM

Qhh kg Khối lượng hàng hóa

G0đk kg Khối lượng bản thân đầu kéo (có 2 người ngồi)

G0đx kg Khối lượng đoàn xe khi không tải

Gđx kg Khối lượng toàn bộ đoàn xe khi đầy tải

vii HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

DA H Ụ Á B G

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của đầu kéo 25

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của SMRM 28

Bảng 3.3: Thông số xác định vị trí tọa độ trọng tâm xe đầu kéo 33

Bảng 3.4: Thông số xác định tọa độ trọng tâm SMRM 34

Bảng 3.5: Thông số xác định vị trí trọng tâm của đoàn xe 35

Bảng 3.6: Thông số xác định vị trí trọng tâm của đoàn xe 36

Bảng 3.7: Thông số xác định chiều cao trọng tâm cuả đoàn xe 36

Bảng 3.8: Thông số xác định moment quán tính của đầu kéo 39

Bảng 3.9: Thông số xác định moment quán tính của SMRM 40

Bảng 3.10: Thông số xác định moment quán tính khối lượng của khối tải 41

Bảng 3.11: Thông số xác định moment quán tính của đoàn xe 42

Bảng 3.13: Bảng thông số tính toán bán kính và hành lang quay vòng đoàn xe 46

viii HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

DA H Ụ Á HÌ H VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Hình minh họa về đoàn xe gồm đầu kéo kết nối với SMRM nhiều trục 2

Hình 1.2: Mô hình kết nối đầu kéo và SMRM tám trục (TST) 2

Hình 1.3: Tổng thể đoàn xe TST khi thực hiện quay vòng 3

Hình 2.1: Mô hình một dãy của đoàn xe trong mặt phẳng quay vòng 6

Hình 2.2: Hệ trục tọa độ lốp xe 14

Hình 2.3: Thể hiện thành phần ngang (lực bên) Fy 15

Hình 2.4: Mô hình lốp xe đang chuyển động thẳng có góc trượt ngang α 16

Hình 2.3 : Vị trí tọa độ trọng tâm xe đầu kéo và SMRM 18

Hình 2.4: Moment quán tính khối lượng giả định 20

Hình 2.5: Vị trí tọa độ trọng tâm các khối hình hộp giả định cùa SMRM 21

Hình 2.6: Vị trí tọa độ trọng tâm các khối hình hộp giả định của đầu kéo 23

Hình 3.1: Thông số kỹ thuật xe đầu kéo 25

Hình 3.2 :Thông số kỹ thuật SMRM 27

Hình 3.3: Sơ đồ bố trí chung của đoàn xe 31

Hình 3.4: Vị trí tọa độ trọng tâm của đầu kéo 32

Hình 3.5: Vị trí tọa độ trọng tâm của SMRM 34

Hình 3.6: Vị trí tọa độ trọng tâm của đoàn xe 35

Hình 3.7: Moment quán tính khối lượng giả định 37

Hình 3.8: Phân chia đầu kéo thành các hình hộp giả định 38

Hình 3.9: Thông số kích thước các hình hộp giả định của đầu kéo 39

Hình 3.10: Phân chia SMRM thành các hình hộp giả định 39

Hình 3.11: Thông số kích thước các hình hộp giả định của SMRM 40

Hình 3.12 : Thông số xác định kích thước khối tải 41

Hình 3.13: Vị trí xác định tọa độ trọng tâm của đoàn xe khi tách rời 42

Hình 3.14: Sơ đồ xác định hành lang quay vòng của đoàn xe 46

Hình 4.1: Biến thiên lực ngang tại các bánh xe, sm 0 51

Hình 4.2: Biến thiên lực ngang tại các bánh xe, sm 0 52

Hình 4.3: Biến thiên lực ngang tại các bánh xe, sm 0 53

Hình 4.4: Biến thiên lực ngang F1 trong 3 trường hợp thay đổi sm 54

Hình 4.5: Biến thiên lực ngang F 2 trong 3 trường hợp thay đổi sm 55

Hình 4.6: Biến thiên lực ngang F3 trong 3 trường hợp thay đổi sm 56

Hình 4.7: Biến thiên của vận tốc ngang v trong 3 trường hợp thay đổi sm 57

Hình 4.8: Biến thiên của vận tốc góc ω trong 3 trường hợp thay đổi sm 58

Hình 4.9: Biến thiên góc ø theo thời gian 59

ix HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Hình 4.10: Vị trí đoàn xe ở trạng thái ổn định 60

Hình 4.11: Sự biến thiên của vận tốc góc d theo thời gian 61

Hình 4.12: Rd và Rm đáp ứng theo thời gian 62

Hình 4.13: Rm đáp ứng theo thời gian 63

Hình 4.14: Rt đáp ứng theo thời gian 64

Hình 4.15: Hành lang quay vòng đoàn xe 65

1 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Tại Việt Nam chủ yếu sử dụng các loại SMRM 02 trục (gọi là "tandem semi trailer")

và SMRM 03 trục (gọi là "tridem semi trailer") Các loại SMRM này có các trục lắp cứng cố định tức không có việc điều khiển lái vì về cơ bản chúng vẫn đáp ứng được bán kính quay vòng theo quy định và tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu Ưu điểm của các loại SMRM này là kết cấu và cơ chế hoạt động đơn giản

Tuy nhiên hiện nay xuất hiện ngày càng nhiều các loại hàng hóa quá khổ yêu cầu SMRM phải có nhiều trục Đối với các SMRM nhiều trục (từ 04 trục trở lên) việc điều khiển lái trục dường như là điều bắt buộc Vì nếu không điều khiển lái chủ động các trục thì lốp xe sẽ chịu ma sát rất lớn với mặt đường, lốp sẽ mòn rất nhanh, tiêu hao nhiên liệu lớn

Khi điều khiển lái các trục phía sau sẽ giúp thu nhỏ bán kính quay vòng của đoàn xe, giúp cho việc quay vòng của đoàn xe nhiều trục được thực hiện tốt hơn

2 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Hình 1.1: Hình minh họa về đoàn xe gồm đầu kéo kết nối với SMRM nhiều trục

Thách thức đối với việc điều khiển lái các trục SMRM nhiều trục là việc tính toán và

cơ cấu hoạt động phức tạp, chi phí, giá thành cao Tuy nhiên do nhu cầu thi trường vận chuyển các loại hàng hóa siêu trường siêu trọng mà việc nghiên cứu và sản xuất loại

SMRM này trở thành nhu cầu tất yếu

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Hình 1.2: Mô hình kết nối đầu kéo và SMRM tám trục (TST)

3 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Việc điều khiển được thực hiện bởi tài xế trong cabin đầu kéo, khi quay vòng tài xế sẽ đánh lái để điều khiển chuyển hướng trục trước đầu kéo SMRM đươc kết nối với đầu kéo thông qua mâm kéo của đầu kéo và chốt kéo của SMRM

Hệ thống điện, khí nén phanh, khí nén giàn treo của SMRM được cấp từ đầu kéo thông qua các giắc nối nhanh ở đầu SMRM

1.3 ục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu động lực học của đoàn xe đầu kéo - SMRM nhiều trục này mà việc nghiên cứu thực hiện cụ thể trên SMRM 08 trục trong các thao tác quay vòng tốc độ thấp (≤30km/h) Chiến lược kiểm soát đánh lái SMRM sẽ được phát triển sau khi thực hiện nghiên cứu trong môi trường mô phỏng số MATLAB

Hình 1.3: Tổng thể đoàn xe TST khi thực hiện quay vòng

1.4 ấu trúc và phạm vi

Cấu trúc:

Luận văn này được cấu trúc như sau:

• Chương 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu

• Chương 2: Mô hình tính toán và cơ sở lý thuyết Giới thiệu các nguyên tắc cơ bản về động lực học xe đối với đặc tính của lốp xe, mô hình phương tiện cơ bản TST

• Chương 3: Thông số tính toán động lực học đoàn xe Tính toán thông số đối với đoàn

xe cụ thể để có cơ sở đánh giá tường minh

4 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

• Chương 4: Kết quả tính toán và thảo luận Kết quả mô phỏng động học quay vòng, động lực học đoàn xe và đánh giá kết quả

• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Phạm vi nghiên cứu:

Đề tài thực hiện nghiên cứu cơ sở tính toán mô phỏng động học và động lực học

chuyển động dọc của đoàn xe gồm đầu kéo bốn trục kết nối với SMRM tám trục mô hình động lực học một dãy tuyến tính Từ đó sử dụng các thông số cụ thể được xác định từ đối tượng nghiên cứu để tiến hành mô phỏng Từ kết quả thu được đưa ra phân tích và đánh giá

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Từ kết quả tính toán mô phỏng ta có thể đánh giá được tính năng động học quay vòng

và động lực học của đoàn xe gồm đầu kéo bốn trục kết nối với SMRM tám trục Xác định các thông số quan trọng và các nhân tố trực tiếp làm ảnh hưởng tới tính năng động học và động lực học của đoàn xe Từ đó đưa ra chiến lược điều khiển góc lái của SMRM sao cho tối ưu khả năng quay vòng, hạn chế mòn lốp và giảm tiêu hao nhiên liệu

1.6 Phương pháp nghiên cứu

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

phỏng

5 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

- Nghiên cứu lý thuyết các mô hình động học và động lực học lốp xe và chuyển động dọc của đoàn xe

- Mô phỏng động học quay vòng và động lực học chuyển động dọc của đoàn xe

6 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

hương 2:

MÔ HÌNH TÍNH TOÁ VÀ SỞ Ý THUYẾT

2.1 Mô hình tính toán và các giả định trong đề tài nghiên cứu

Mô hình động lực học phẳng mô tả chuyển động vào cua dạng 1 dãy của đoàn xe đầu kéo – SMRM được thể hiện như hình 2.1 dưới đây:

Hình 2.1: Mô hình một dãy của đoàn xe trong mặt phẳng quay vòng

ác giả định xây dựng mặt phẳng đoàn xe một dãy:

 Ban đầu góc lệch giữa đầu kéo và SMRM nhỏ

 Sử dụng các phương trình tuyến tính để mô tả chuyển động

7 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

 Lốp xe bên trái và bên phải được giả định thành mô hình một lốp xe

tương đương

 Cụm 08 trục của SMRM được quy về mô hình một lốp tương đương ở giữa cụm trục

 Không xét đến chuyển động lắc thân xe quanh trục dọc (Ox)

 Các vị trí toạ độ trọng tâm của đầu kéo và SMRM được xét trên mặt

phẳng đứng

 Vận tốc chuyển động theo phương dọc trục không đổi (hằng số)

 Không xét đến ảnh hưởng lực cản lăn, lên dốc và lực cản không khí lên

đoàn xe

Trong đó:

1 1

Ox y và Ox y2 2: vị trí trọng tâm xe đầu kéo và SMRM

α i : Góc trượt ngang lốp xe ( i = 1, 2, 3) (rad) (góc tạo bởi mặt phẳng bánh xe so với

véctơ vận tốc chuyển động tại vị trí bánh xe tương ứng)

ψ : Góc xoay quanh trục đứng Oz so với phương trục Ox tại vị trí tọa độ trọng tâm của

đầu kéo (rad)

 = : Vận tốc góc xoay quanh trục đứng Oz so với phương trục Ox tại vị trí tọa độ

trọng tâm của đầu kéo (rad/s)

δ: Góc đánh lái đầu kéo (rad)

δ sm : Góc đánh lái SMRM (rad)

 : Góc tạo bởi giữa trục dọc của đầu kéo và trục dọc của SMRM (rad)

θ: Góc xoay quay trục đứng Oz so với phương trục Ox tại vị trí tọa độ trọng tâm của

SMRM (rad)

 : Vận tốc góc xoay quanh trục đứng Oz so với phương trục Ox tại vị trí tọa độ trọng

tâm của SMRM (rad/s)

u, v 1 : vận tốc chuyển động xe tại trọng tâm đầu kéo lần lượt theo phương dọc trục và

phương ngang

8 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

e 1 : Khoảng cách từ vị trí tâm chốt kéo đến tâm cụm trục sau đầu kéo (m)

h 1 : Khoảng cách từ toạ độ trọng tâm đầu kéo đến vị trí tâm chốt kéo (m)

l 1 , l 2: Chiều dài cơ sở lần lượt của đầu kéo và SMRM (m)

Ci : Độ cứng lốp xe theo phương ngang (i= 1, 2, 3) (N/rad)

Fyi : Lực ngang lốp xe (i = 1, 2, 3) (N)

Iz 1 , Iz 2 : Momen quán tính khối lượng theo trục Oz tại vị trí tọa độ trọng tâm lần lượt

của đầu kéo và SMRM (kg.m2)

m 1 , m 2 : Khối lượng lần lượt của đầu kéo và SMRM (kg)

r 1 , ROH : Chiều dài đuôi xe đầu kéo và SMRM - khoảng cách từ tâm cục trục đến hết

đuôi xe đầu kéo và SMRM

2.2 Phương trình arange

Phương trình Lagrange mô tả chuyển động của đoàn xe được viết dưới dạng

tổng quát như sau:

 K: động năng của cơ hệ

 U: thế năng của cơ hệ

(2.2)

9 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

10 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Ta có mối quan hệ biểu diễn của hệ toạ độ tổng thể theo vận tốc đoàn xe về hệ

toạ độ cục bộ như sau:

11 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Đặt i với i = 1, 2, 3 lần lượt là góc tạo bởi vectơ vận tốc tại bánh xe thứ 1, 2, 3

so với trục dọc của đầu kéo và trục dọc của SMRM, với giá trị góc nhỏ ta có:

v a u

v h l u

Phương trình thứ 1 trong hệ mô tả động lực học theo phương dọc trục, ta xét vận tốc u

chuyển động tới của đầu kéo là hằng số, như vậy phương trình thứ nhất trong hệ phương trình (2.6) sẽ được đơn giản, không xét đến Thay (2.12) vào (2.6), cho ta tương ứng vế phải phương trình Lagrange:

(2.10)

(2.11)

(2.12)

12 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

d K

Q l F dt

Thay (2.7) vào (2.4), ta được vế trái tương ứng của phương trình Lagrange với hệ tọa

độ suy rộng X      1, 1, ,  T, cụ thể như sau:

Hệ phương trình vi phân mô tả động lực học chuyển động của đoàn xe đầu kéo -

SMRM, với góc lái các bánh xe dẫn hướng của đầu kéo và SMRM biến thiên theo thời

gian (δ(t) và δ sm (t)) là hai thông số đầu vào, được viết dưới dạng tổng quát như sau:

13 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

2.3 Xác Định Độ ứng ốp Theo Phương gang

Hiệu suất làm việc của xe nói chung và SMRM nói riêng bị ảnh hưởng rất lớn bởi lốp

xe Các lốp xe là trung gian tương tác giữa đường với xe và các thuộc tính của chúng

là rất quan trọng đối với hành vi động lực học xe Lực pháp tuyến và lực ma sát được truyền tại điểm tiếp xúc giữa lốp và bề mặt đường Trong hình 2.2 hệ trục tọa độ

Decard được đặt ở tâm các vết tiếp xúc lốp xe, giả sử mặt đường phẳng và nằm ngang Trục x là đường giao nhau giữa mặt phẳng lốp xe và mặt đường có chiều cùng chiều với chiều tiến của lốp xe Mặt phẳng lốp được xác định bằng cách thu hẹp lốp xe thành một đĩa phẳng Trục z vuông góc với mặt đường, có chiều ngược chiều với gia tốc trọng trường g và trục y vuông góc với mặt phẳng lốp xe hợp với trục x, trục z thành

hệ 3 trục theo quy tắc bàn tay phải

14 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Hình 2.2: Hệ trục tọa độ lốp xe

Hệ lực tác dụng từ mặt đường lên lốp xe được giả định đặt tại tâm của vết tiếp xúc lốp

xe và mặt đường gồm: ba thành phần lực và ba thành phần momen như thể hiện trong hình 2.2

o Lực dọc Fx – là một lực tác động dọc theo trục x Tổng hợp lực dọc Fx >0 nếu ô

tô đang trong quá trình tăng tốc và Fx < 0 nếu ô tô đang trong quá trình phanh Lực dọc nếu có giá trị dương được gọi là lực kéo

o Lực ngang Fy là lực tiếp tuyến với mặt đường và vuông góc với cả hai trục Fx

và Fz Tổng hợp lực ngang Fy > 0 nếu hướng theo chiều trục y

o Lực pháp tuyến Fz là một lực thẳng đứng, pháp tuyến với mặt phẳng đường Tổng hợp lực pháp tuyến Fz > 0 nếu nó là hướng lên trên Lực pháp tuyến còn được gọi là lực thẳng đứng hoặc tải lên bánh xe

o Momen lắc quang trục dọc x (Mx) là momen quanh trục x Tổng hợp momen

Mx > 0 nếu có xu hướng xoay lốp xe quanh trục x theo chiều kim đồng hồ (nhìn

từ tâm trục tọa độ theo chiều dương của trục x)

o Momen lắc quanh trục ngang y (My) là momen theo phương ngang quanh trục

y Tổng hợp momen My>0 nếu lốp xe có hướng xoay quanh trục y và di chuyển

về phía trước Momen lắc quanh trục ngang còn được gọi là momen cản lăn

15 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

o Momen quay quanh trục đứng z (Mz) là momen theo phương ngang quanh trục

z Tổng hợp momen Mz>0 nếu lốp xe có hướng xoay quanh trục z theo chiều kim đồng hồ ( nhìn từ tâm trục tọa độ ra chiều dương của trục z) Momen quay quanh trục đứng z còn được gọi là momen lái

Hình 2.3: Thể hiện thành phần ngang (lực bên) F y

Lốp xe di chuyển với vận tốc v theo hướng đi, hiện tượng trượt ngang (hay còn gọi là lệch bên) xảy ra Các thành phần bên bị nghiêng được mô tả bởi một góc α được gọi là góc trượt ngang (hay còn gọi góc lệch bên) của lốp, yếu tố gây ra góc trượt ngang là lực ngang Fy Vì góc trượt ngang này, vật liệu bố lốp đàn hồi đang trôi sang một bên, được minh họa trong hình 2.3 (a) Biến dạng của lốp xe cũng được chỉ ra trong mặt cắt ngang của hình 2.3 (b) Vì luận văn này chủ yếu xem xét hành vi lốp đơn giản của xe đầu kéo và SMRM trong chuyển động phẳng, độ nghiêng của bánh xe có thể được bỏ qua

Các mô hình lốp được đề xuất để tính toán động lực học bên trong mô phỏng động lực học xe Một trong những mô hình lốp xe phổ biến nhất là mô hình lốp xe Pacejika.Theo mô hình này, lực bên Fy có thể được tính toán phụ thuộc vào góc trượt ngang α

và lực pháp tuyến Fz được trình bày ở công thức 2.21

16 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Hình 2.4: Mô hình lốp xe đang chuyển động thẳng có góc trượt ngang α

Với góc lái là  và góc giữa trục x và phương vận tốc v là  ta có:

zc z

17 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Với c1 và c2 là các hằng số thực nghiệm dựa vào bảng thông số thông khảo

(Active Roll Control of Articulated Heavy Vehicles – David John Matthew Sampson 2000)[14]

Việc phân tích các lực đặt lên tất cả các trục xe của đoàn xe sẽ tạo ra một số lượng

ẩn số khá lớn, gây khó khăn khi tiến hành tính toán xác định giá trị các phản lực Trong khi các trục bánh xe thuộc cụm trục sau của ô tô đầu kéo cũng như cụm trục sau

( 2.24)

18 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

của SMRM chịu các ngoại lực cùng loại có giá trị gần như là bằng nhau trong hầu hết

các trường hợp

Vì thế, ta sẽ thay cụm trục sau của ô tô đầu kéo cũng như cụm trục sau của SMRM thành một trục duy nhất (trục cân bằng) đi qua tâm của các cụm trục để dễ dàng hơn

trong quá trình tính toán mà vẫn đảm bảo tính chính xác của mô hình Mô hình tương

đương với các lực tác dụng được thể hiện ở hình 2.1

Hình 2.3 : Vị trí tọa độ trọng tâm xe đầu kéo và SMRM

Khoảng cách từ trọng tâm đầukéo đến tâm cầu trước đầu kéo:

1 2 1

1

.

z zc

F l a

2

.

z zc

F l b

19 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Căn cứ vào giá trị các thành phần trọng lượng và toạ độ trọng tâm, ta xác định chiều cao trọng tâm của xe theo công thức

1,2

i i dx

G h h

G

Trong đó:

Gi – Trọng lượng của các cụm, chi tiết của xe

hi – Chiều cao trọng tâm của các cụm, chi tiết của xe

G – Trọng lượng của xe

2.5 Xác Định oment Quán Tính Khối ượng

Moment quán tính khối lượng của đoàn xe (I xx , I yy) được xác định bằng phương pháp gần đúng, phương pháp giả định xem từng phần đoàn xe như những hình hộp chữ nhật đồng nhất có kích thước (dài x rộng x cao) Từ đó, quy đổi hệ trục tọa độ quán tính của khối hình hộp chữ nhật về tọa độ trọng tâm từng phần của đoàn xe

20 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Hình 2.4: Moment quán tính khối lượng giả định

Công thức tính moment quán tính khối lượng:

I  I  mr

2 0

zz zz

Trong đó:

I xx , I zz : moment quán tính khối lượng của xe tại tọa độ trọng tâm của xe

I 0xx , I 0zz : moment quán tính khối lượng của khối hình hộp chữ nhật đồng chất đặt tại

tọa độ trọng tâm khối hộp

( 2.31)

21 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

r: khoảng cách từ trục tại tọa độ trọng tâm khối hộp tới trục tọa độ trọng tâm xe

2.5.1 Xác Định oment Quán Tính ủa S R Và tải

Để xác định được moment quán tính khối lượng của SMRM và tải ta chia ra

thành 3 khối hình hộp giả định lần lượt có các kích thước (dài x rộng x cao) Từ đó,

quy đổi hệ trục tọa độ quán tính của khối hình hộp chữ nhật về tọa độ trọng tâm tổng

thể của cụm SMRM và tải

Hình 2.5: Vị trí tọa độ trọng tâm các khối hình hộp giả định cùa SMRM

Trong đó:

i: số trường hợp giả định

Ci-21 ,Ci-22 ,Ci-23 , Ci-24: vị trí tọa độ trọng tâm hình hộp giả định

bi-2: khoảng cách từ đầu SMRM tới vị trí tâm tổng thể

bi-21, bi-22, bi-23 , bi-24: khoảng cách từ đầu SMRM tới tâm các hình hộp giả định

ri-21, ri-22, ri-23 , ri-24: khoảng cách từ tâm trục tọa độ khối hình hộp giả định tới

tâm trục trục tọa độ tổng thể

mi-21, mi-22, mi-23, mi-24, : khối lượng các khối hình hộp giả định

i-21 21 i-22 22 i-23 23 i-2

i-21 i-22 i-23

22 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Moment quán tính khối lượng tại tọa độ trọng tâm khối hình hộp giả định:

i i i

i i i

2.5.2 Xác Định oment Quán Tính ủa Đầu Kéo

Để xác định được moment quán tính khối lượng của đầu kéo ta chia ra thành 2 khối hình hộp giả định lần lượt có các kích thước (dài x rộng x cao) Từ đó, quy đổi hệ trục tọa độ quán tính của khối hình hộp chữ nhật về tọa độ trọng tâm tổng thể của đầu kéo

23 HVTH: Nguyễn Văn Hoàng

Hình 2.6: Vị trí tọa độ trọng tâm các khối hình hộp giả định của đầu kéo

Trong đó:

i: số trường hợp giả định

Ci-11 ,Ci-12 : vị trí tọa độ trọng tâm hình hộp giả định

ai-1: khoảng cách từ đầu SMRM tới vị trí tâm tổng thể

ai-11, ai-12,: khoảng cách từ đầu SMRM tới tâm các hình hộp giả định

ri-11, ri-12,: khoảng cách từ tâm trục tọa độ khối hình hộp giả định tới tâm trục trục tọa độ tổng thể

m0i-11, m0i-12,: khối lượng các khối hình hộp giả định

zi i

i i zi hitch

F l a