Mục tiêu nghiên cứu - Nghi n cứu ảnh hưởng sự lăn lệch bánh xe đàn hồi đến tính dẫn hướng của ô tô khách sản xuất lắp ráp ở Việt Nam.. Những kết quả mới và ý nghĩa khoa học, thực tiễn c
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Giao thông vận tải
Người hướng dẫn khoa học: TS Đặng Việt Hà
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Trường ĐH Giao thông vận tải
2 Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 3MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án
Từ khi ra đời cho đến nay, ngành công nghiệp ô tô đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật Với sự tăng trưởng tốc độ và mật độ chuyển động của ô tô, đòi hỏi ô tô phải đảm bảo tính dẫn hướng ở mức độ cao Vì vậy để hạn chế tối đa tai nạn giao thông xảy ra, việc nghi n cứu s u hơn về tính dẫn hướng của xe ô tô sản xuất lắp ráp trong nước là rất c n thiết trong giai đoạn hiện nay
Mục tiêu nghiên cứu
- Nghi n cứu ảnh hưởng sự lăn lệch bánh xe đàn hồi đến tính dẫn hướng của ô tô khách sản xuất lắp ráp ở Việt Nam
- Đề xuất biện pháp n ng cao tính dẫn hướng của ô tô
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghi n cứu của luận án là một loại ô tô khách sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam
Phạm vi nghi n cứu của luận án là sự lăn lệch bánh xe đàn hồi đến tính dẫn hướng của ô tô
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghi n cứu của luận án là kết hợp giữa nghi n cứu lý thuyết và đánh giá kiểm chứng lý thuyết thông qua thực nghiệm
và phương pháp đo ti n tiến, dựa tr n các ti u chuẩn quốc tế hiện hành
Những kết quả mới và ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận
án
Những kết quả mới của luận án:
- Đã x y dựng mô hình không gian động lực học quay vòng ô
tô để khảo sát ảnh hưởng của áp suất lốp đến sự lăn lệch của bánh xe, đến gia tốc ngang th n xe, vận tốc quay th n xe, quỹ đạo quay vòng của ô tô
Trang 4- Thí nghiệm xác định các thông số động lực học quay vòng như: gia tốc ngang; vận tốc quay th n xe; quỹ đạo quay vòng để so sánh, đánh giá mô hình lý thuyết
- Thí nghiệm đo được đặc tính lăn lệch của lốp tr n cơ sở tận dụng thiết bị hiện có Đồ gá thí nghiệm có thể sử dụng để thí nghiệm cho các loại lốp khác nhau
- Nghi n cứu mô hình Pacejka đối với 8 bộ thông số có tính đến áp suất lốp
Ý nghĩa khoa học:
Kết quả nghi n cứu của luận án giúp hoàn thiện hơn cơ sở lý thuyết và thực nghiệm trong lĩnh vực nghi n cứu động lực học chuyển động nói chung và quay vòng nói ri ng của ô tô Đã nghi n cứu ảnh hưởng của áp suất lốp đến tính dẫn hướng của ô tô khách sản xuất lắp ráp tại Việt Nam Xác định bằng thực nghiệm đặc tính lăn lệch của lốp tr n thiết bị chuy n dụng
Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghi n cứu của luận án có thể sử dụng trong hoạt động thực tiễn thử nghiệm xe cơ giới Là cơ sở đề xuất các giải pháp đảm bảo an toàn giao thông đường bộ Là tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghi n cứu và x y dựng các văn bản pháp quy chuy n ngành
Nội dung luận án
Xuất phát từ mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghi n cứu, ngoài ph n mở đ u, bố cục của luận án bao gồm các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghi n cứu
Chương 2: X y dựng mô hình động lực học nghi n cứu tính dẫn hướng của ô tô khách
Chương 3: Khảo sát tính dẫn hướng của ô tô khách
Chương 4: Nghi n cứu thực nghiệm
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Những khái niệm cơ bản về tính dẫn hướng của ô tô
Tính dẫn hướng [26][27] là một trong những tính chất quan trọng của ô tô, dưới tác dụng điều khiển, ô tô có chức năng thay đổi,
ổn định hướng chuyển động, do đó giữ vai trò quyết định đến an toàn chuyển động của ô tô Nó xác định khả năng chuyển động an toàn của ô tô ở tốc độ cao và đặc biệt ở tr n đường với mật độ giao thông lớn
Trang 5Các ô tô tham gia giao thông đều sử dụng bánh xe đàn hồi, ưu điểm bánh xe đàn hồi này là tạo độ bám tốt với đường, nhẹ, ít phá hủy kết cấu mặt đường [41] Tuy nhi n, một trong những nhược
điểm của bánh xe đàn hồi là sinh ra góc lăn lệch [41][42] (góc lệch, side slip angle) trong quá trình chuyển động, nó g y ra sự sai lệch
quỹ đạo trong quá trình chuyển động của xe, điều này ảnh hưởng lớn đến tính an toàn chuyển động của xe
Khái niệm về sự lăn lệch của bánh xe đàn hồi
Sự chuyển động của ô tô tr n đường phụ thuộc rất nhiều vào mối quan hệ của bánh xe với mặt đường Khi ô tô chuyển động xuất hiện 1 góc lăn lệch của bánh xe [30][25]:
δγ: Góc lăn lệch do góc vát (camber) bánh xe gây ra;
Kγ được gọi là hệ số cản lăn lệch do góc vát bánh xe gây ra
Khái niệm về tính quay vòng của ô tô
Tính thay đổi các thông số lệch hướng do biến dạng b n của lốp so với lốp cứng dưới tác dụng của lực ngang được gọi là tính quay vòng của ô tô [26][44] Tùy theo giá trị và quan hệ giữa δ1 và δ2
mà ô tô có thể có các tính quay vòng khác nhau: quay vòng thừa δ1 <
δ2, thiếu δ1 > δ2 hay trung hòa δ1 = δ2 [14] Trong trường hợp lốp không biến dạng thì góc lăn lệch của các bánh xe bằng không, trường hợp lốp biến dạng thì góc lăn lệch của các bánh xe khác không Ô tô
có tính quay vòng thừa không ổn định khi chuyển động và tính an toàn nhỏ hơn ô tô có tính quay vòng thiếu và quay vòng trung hòa Khi thiết kế xe c n chú ý tránh trường hợp quay vòng thừa
Các yếu tố đánh giá tính dẫn hướng
- KS ảnh hưởng của AS lốp đến hiệu góc lăn lệch trước sau;
- KS ảnh hưởng (AH) của AS lốp tới gia tốc ngang;
- KS ảnh hưởng của AS lốp tới vận tốc quay th n xe;
- KS ảnh hưởng của AS lốp đến quỹ đạo chuyển động
Mô hình động lực học nghiên cứu tính dẫn hướng của ô tô
Một số hướng mô hình đã được x y dựng để khảo sát tính dẫn hướng của ô tô như Mô hình phẳng một khối lượng, Mô hình không gian một khối lượng, Mô hình không gian 3 khối lượng [23][24] nghi n cứu tính dẫn hướng:
Trang 6Hình 1 1 Sơ đồ mô hình không gian 3 khối lượng nghiên cứu
tính dẫn hướng
Trong nội dung của luận án sẽ chú ý tới 16 bậc tự do: Chuyển động dọc trục theo các phương nằm ngang, dọc, thẳng đứng của khối lượng được treo và chuyển động quay quanh các trục này C u trước
và c u sau có chuyển động theo phương thẳng đứng, phương ngang
và quay quanh trục dọc (lắc dọc)
Các nghiên cứu tính dẫn hướng của ô tô ở trong và ngoài nước
Nghiên cứu trong nước
Năm 2015, nhóm tác giả Đào Mạnh Hùng đã nghi n cứu ảnh hưởng của hệ số cản lăn lệch của lốp tới quỹ đạo chuyển động của ô
tô [10] Tuy nhi n mô hình tác giả sử dụng là mô hình phẳng 1 khối lượng Do vậy tính chính xác của mô hình nghi n cứu chưa cao Năm 2016 tác giả Nguyễn Ngọc Tú [17] đã x y dựng mô hình tích hợp kết hợp mô tả quá trình phanh, đạp ga và quay vô lăng để khảo sát một số quá trình mất ổn định động lực học ô tô k o moóc Tác giả khảo sát ổn định cho xe ô tô k o moóc bằng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật và giải mô hình này nhằm ra quy luật và giới hạn mất ổn định của ô tô k o moóc, giúp cho lái xe có cơ sở điều khiển ô tô k o moóc ổn định và an toàn Năm 2017 tác giả Tạ Tuấn Hưng [11] x y dựng được mô hình động lực học đoàn xe sơ mi
rơ moóc (ĐXSMRM) và khảo sát ảnh hưởng của các thông số như chiều cao trọng t m, góc quay bánh xe dẫn hướng và vận tốc khi quay vòng đến sự mất ổn định lật ngang ĐXSMRM Năm 2018 tác giả Nguyễn Tiến Dũng [5] x y dựng được mô hình động lực học đoàn xe sơ mi rơ moóc để nghi n cứu ổn định quỹ đạo chuyển động của đoàn xe sơ mi rơ moóc khi chuyển làn do ảnh hưởng của góc lái, vận tốc xe Từ đó đưa ra giới hạn lệch làn đường khi chuyển làn Năm 2017 tác giả Võ Quốc Đại [50] đã nghi n cứu mô hình không gian với 4 bậc tự do: dịch chuyển dọc, ngang, quay quanh trục z và lắc ngang Tác giả nghi n cứu đến ảnh hưởng lắc dọc và dịch chuyển
Trang 7theo phương thẳng đứng và xác định ảnh hưởng của các góc đặt, góc nghi ng trụ đứng đến góc camber Tác giả cũng đánh giá đặc tính dẫn hướng khi thay đổi góc nghi ng trụ đứng (caster) Tuy nhiên, các tác giả tr n chưa đánh giá ảnh hưởng của áp suất lốp, cũng như sự lăn lệch bánh xe đàn hồi tới tính dẫn hướng của xe mà trực tiếp là ảnh hưởng đến quỹ đạo
Nghiên cứu ngoài nước
Năm 2013, nhóm tác giả Krzysztof Parczewski ơp[33] đã nghi n cứu về ảnh hưởng của áp suất lốp đến động lực học ô tô, cụ thể là đến quá trình phanh của ô tô Tác giả không đi ph n tích sự ảnh hưởng của áp suất lốp đến động lực ngang của xe: góc lăn lệch bánh xe, gia tốc ngang, quỹ đạo xe Năm 2013 nhóm tác giả Shaopu Yang, Yongjie, Shaohua Li [40] đã nghi n cứu 1 cách khá tổng quan
về mô hình nghi n cứu tính dẫn hướng từ mô hình phẳng đến mô hình không gian Tuy nhi n tác giả chưa đi s u vào nghi n cứu các
mô hình cụ thể cũng như chưa đánh giá ảnh hưởng bởi các thông số
đ u vào khác nhau đối với các yếu tố tính dẫn hướng
Tác giả A.C ЛИТВИНОВ [23] đã nghi n cứu mô hình không gian một khối lượng để nghi n cứu tính dẫn hướng của ô tô
Tác giả Nenad Lazic đã nghi n cứu về ảnh hưởng của góc lệch
b n đến quỹ đạo chuyển động sử dụng mô hình ô tô với bốn bánh dẫn hướng [24]
Li n quan đến mô hình không gian 3 khối lượng nghi n cứu tính dẫn hướng, Năm 1999 các tác giả S Hegazy, H Rahneejat and K Hussain [52] có đưa ra nghi n cứu mô hình với tách thành hệ nhiều vật với 34 vật và 94 bậc tự do Năm 2008 nhóm tác giả Jaehoon Lee, Jonghyun, Seung Jin [53] đã nghi n cứu mô hình 16 bậc tự do cho quay vòng và chuyển làn để đánh giá mô hình này với thực nghiệm cũng như với ph n mềm mô phỏng carsim Sai số của mô hình so với thực nghiệm lớn nhất 15% khi quay vòng, sai số này còn khá lớn Sau khi ph n tích những công trình nghi n cứu trong và ngoài nước có thể thấy các tác giả đã x y dựng mô hình không gian cho các nghi n cứu khác nhau về tính ổn định, tính dẫn hướng Tuy nhi n, chưa nghi n cứu ảnh hưởng của áp suất lốp đến sự lăn lệch của bánh xe, đến gia tốc ngang th n xe, vận tốc quay th n xe, quỹ đạo quay vòng của ô tô
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC NGHIÊN CỨU TÍNH DẪN HƯỚNG CỦA Ô TÔ KHÁCH
Trang 82.1 Phân tích cấu trúc và các giả thiết lập mô hình
2.1.1 Chọn xe làm đối tượng nghiên cứu
Tỉ lệ nội địa hóa ô tô khách tại Việt Nam đã đến 45% [21] trong đó có linh kiện lốp hơi, vấn đề đặt ra cho các nghi n cứu đảm bảo tính an toàn chuyển động của ô tô được lắp các linh kiện này là rất quan trọng Ngoài ra, số lượng xe khách chở người từ 26 chỗ đến
46 chỗ chiếm tỉ lệ lớn 33% tổng số xe khách chở người tr n 10 chỗ [3] N n đề tài chọn xe khách Hyundai COUNTY HM K29SL được lắp ráp bởi Nhà máy Tracomeco làm đối tượng nghi n cứu
2.1.2 Phân tích cấu trúc của đối tượng
Ô tô khách [2] được lựa chọn làm đối tượng nghi n cứu có đặc điểm cấu trúc như sau: c u trước bị động dẫn hướng; treo c u trước, sau dạng treo nhíp phụ thuộc có giảm chấn; c u sau là chủ động với
vi sai côn đối xứng ph n bố mô men chủ động hai b n; lốp xe c u sau mỗi b n là lốp k p; khung ô tô khách là dạng hai d m dọc đỡ động cơ và cabin
2.1.3 Các giả thiết khi xây dựng mô hình
Với ph n tích cấu trúc đối tượng được nghi n cứu luận án đưa
ra một số giả thiết c n thiết để x y dựng mô hình động lực học xe khách nghi n cứu tính dẫn hướng như sau:
Với ph n tích cấu trúc đối tượng được nghi n cứu, luận án đưa
ra một số giả thiết c n thiết để x y dựng mô hình động lực học ô tô khách nghi n cứu tính dẫn hướng như sau:
1 Ph n bố khối lượng ô tô khách đối xứng qua trục dọc của xe; các khối lượng tập trung tại trục dọc của xe;
2 Trọng t m của khối lượng được treo, không được treo nằm trong mặt phẳng đối xứng dọc xe;
3 C u xe không quay theo trục ngang;
4 Các điểm đặt lực từ hệ thống treo l n khối lượng được treo được quy về điểm tương ứng với điểm giữa nhíp;
5 Các bánh xe k p được quy về bánh xe đơn với độ cứng bánh xe k p bằng 2 l n bánh xe đơn;
6 Đường phẳng tuyệt đối với chiều cao mấp mô mặt đường bằng 0;
7 Bỏ qua ảnh hưởng đàn hồi hệ thống lái;
8 Bỏ qua ảnh hưởng của lực cản khí động theo phương ngang;
9 Bỏ qua ảnh hưởng của góc vát (camber) bánh xe;
Trang 910 Vận tốc góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng không đổi;
11 Coi hệ số bám tại các bánh xe là không đổi;
12 Coi khung xe là cứng tuyệt đối;
13 Góc nghi ng dọc của khối lượng không được treo h = 0;
14 Góc nghi ng dọc của khối lượng được treo n =
2.2 Xây dựng mô hình động lực học
X y dựng hệ phương trình động lực học trong mặt phẳng đường, mặt phẳng dọc và mặt phẳng ngang của ô tô khách
Mô hình khảo sát được thể hiện như sau:
Hình 2 1 Mô hình không gian 3 khối lượng nghiên cứu tính dẫn
hướng của ô tô khách
2.3 Thiết lập hệ phương trình toán học
Trang 10- 6 bậc tự do của khối lượng được treo: tịnh tiến dọc (x) và quay (γk) theo trục Ox, tịnh tiến ngang (y) và quay (n) theo trục Oy, tịnh tiến lên xuống (z) và quay (ωa) theo trục Oz
- 6 bậc tự do cho khối lượng không được treo là các c u xe: thẳng đứng (ξci) theo trục Cizi, dịch chuyển (yci) theo trục Ciyi và lắc ngang (βci) quanh trục Cixi (i=1,2)
- 4 bậc tự do cho mỗi bánh xe mô tả góc quay (φci) bánh xe (1x4 bánh xe).Các phương trình động lực học:
Trang 112.3.3 Mô hình lốp
Luận án sử dụng mô hình lốp Pacejka [29] là mô hình phức tạp nhưng có khá đ y đủ các yếu tố đ u vào về hình dáng, kích thước, vận tốc, áp suất, nhiệt độ … ảnh hưởng tới lốp (hình 2.3)
Hình 2 3 Biểu diễn lốp theo mô hình Pacejka
sin arctan arctan
sin arctan arctan
sin arctan arctan
2.3.4 Xác định lực cản khí động
Trang 12CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT TÍNH DẪN HƯỚNG CỦA Ô TÔ
KHÁCH SẢN XUẤT LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM
Lựa chọn các thông số để khảo sát
3.1.1 Chỉ tiêu đánh giá tính dẫn hướng
Tính dẫn hướng của ô tô, đặc trưng là các góc lăn lệch c u trước và c u sau δ1, δ2 có ảnh hưởng lớn đến tính điều khiển và ổn định quỹ đạo (ổn định hướng chuyển động) Để khảo sát tính dẫn hướng có các phương án khảo sát thí nghiệm [9] như:
- Tính ổn định quỹ đạo khi chuyển làn
Trong khuôn khổ luận án chọn phương án tính quay vòng của
ô tô và các thông số khảo sát tính dẫn hướng của ô tô như sau:
- Ảnh hưởng của AS lốp đến hiệu góc lăn lệch trước và sau;
- Ảnh hưởng của AS lốp tới gia tốc ngang;
- Ảnh hưởng của AS lốp tới vận tốc quay th n xe;
- Ảnh hưởng của AS lốp đến quỹ đạo chuyển động
Tải trọng (kN)
v (km/h)
Tiêu chí đánh giá
Ph n trình bày Khảo sát ảnh hưởng
3.3.1
Trang 133.1.2.2 Đối với mô hình không gian 3 khối lượng nghiên cứu tính dẫn hướng
Khảo sát trong trường hợp ô tô quay vòng với góc quay vành
tay lái không đổi, vận tốc không đổi
Bảng 3 2 Các chế độ khảo sát mô hình không gian 3 khối lượng
nghiên cứu tính dẫn hướng
Thông số
Phương án
Áp suất lốp (kPa)
Góc quay vành tay lái (độ)
v ( km/h)
Tiêu chí đánh giá Ph n trình
bày Phương án 1:
Hiệu góc lăn lệch trước sau 3.3.2 Phương án 2:
3.2 Điều kiện khảo sát
3.2.1 Quy luật đánh lái
Hình 3 1 Góc quay của vành tay lái lý thuyết và thực nghiệm
Trang 143.2.2 huật toán giải hệ phương trình vi phân b ng ph n mềm mô ph ng số
3.3 Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến tính dẫn hướng của ô tô
3.3.1 Khảo sát đặc tính lốp
Khảo sát ảnh hưởng của áp suất lốp đến góc lăn lệch
Hình 3 2, 5, 6 Quan hệ góc lăn lệch và lực ngang F y tại 2, 4, 6 kN
Từ 3 hình 3.4, 3.5, 3.6 cho thấy khi lực ngang tăng, góc lăn lệch tăng, mối quan hệ này được coi là tuyến tính khi góc lăn lệch trong khoảng 0o
~3o Khi áp suất lốp giảm, độ cứng ngang của lốp giảm (Góc hợp bởi đường đồ thị và trục hoành tăng l n)
3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của áp suất lốp đến hiệu góc lăn lệch ở các tốc độ khác nhau
3.3.2.1 Áp suất của cả 2 lốp trước giảm
Hình 3 3, 8, 9 Đồ thị ảnh hưởng AS lốp (AS lốp trước giảm) tới hiệu góc lăn lệch (δ 1 – δ 2 ) ở vận tốc 20, 30, 40 km/h
- Khảo sát khi ô tô quay vòng với vận tốc v = 20, 30, 40 km/h, góc quay vành tay lái α =1800, tương ứng góc quay của bánh xe dẫn hướng θTB1=9,730 Từ hình 3.7, 3.8, 3.9 tại thời điểm 1s xe bắt đ u đánh lái, hiệu góc lăn lệch tăng l n (lớn hơn 0), trong khoảng từ 2s đến 10s giữ nguy n góc quay vòng tay lái α =1800
, hiệu góc lăn lệch đạt đỉnh rồi giảm d n Xe có xu hướng ổn định hiệu góc lăn lệch, ổn định hướng chuyển động hơn Khi giảm áp suất l n lượt là 580 kPa,
