Lập mô hình nghiên cứu chuyển động ngang của ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TƠ MAI VINH LẬP MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỘNG NGANG CỦA Ô TÔ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VÕ VĂN HƯỜNG HÀ NỘI – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi, Tô Mai Vinh, cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Hà Nội, Ngày 25 tháng năm 2014 Tác giả: Tô Mai Vinh MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ TỰ ĐẶC BIỆT 10 DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 12 LỜI NÓI ĐẦU 15 CHƯƠNG 16 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC NGANG Ô TÔ 16 1.1 Tổng quan điều khiển ô tô 16 1.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình động lực học tơ 22 1.3 Phương trình chuyển động tổng quát 26 CHƯƠNG 30 MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC NGANG Ô TÔ 30 2.1 Định nghĩa hệ tọa độ 30 2.2 Phương trình động lực học tổng quát tô tô 33 2.3 Động lực học ô tô dãy 34 2.4 Dao động ngang ô tô 37 CHƯƠNG 39 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT CẤU ĐẾN ỔN ĐỊNH NGANG Ô TÔ 39 3.1 Thông số phương án khảo sát 39 3.1.1 Bộ thông số khảo sát chương trình tính tốn 39 3.1.2 Các phương án khảo sát 41 3.2 Các kết đánh giá 41 3.2.1 Phương án 1: Khảo sát động lực học ngang ô tô với dạng đánh lái mức vận tốc khác 41 3.2.2 Phương án 2: Khảo sát góc quay bánh xe dẫn hướng khác 49 3.2.3 Phương án 3: Khảo sát ảnh hưởng độ cứng góc cầu trước Cα1 đến ổn định chuyển động ô tô 52 3.2.4 Phương án 4: Khảo sát ảnh hưởng độ cứng góc bánh xe cầu sau đến ổn định hướng chuyển động ô tô 54 3.2.5 Phương án 5: Khảo sát ảnh hưởng tăng đồng thời độ cứng góc bánh xe cầu trước cầu sau đến ổn định chuyển động ô tô 57 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa 4WD Bốn bánh xe chủ động (4 Wheels Drive) 4WS Lái bốn bánh (4 Wheels Steering) ABC ABS ACC ADC ADC+AYC ARS ARP CDC EAS Điều khiển hệ gầm tích cực (Active Body Control) Hệ thống chống hãm cứng bánh xe (Anti–lock Brake System) Điều khiển khoảng cách (Adaptive Cruise Control) Điều khiển giảm chấn (Active Damping Control) Điều khiển ổn định tích hợp (Active Yaw Control) Chống lắc ngang tích cực (Active Roll Stabilitization) Chống lật tích cực (Active Rollover Protection) Giảm chấn thay đổi theo tải (Continuous Damping Control) Hệ thống treo khí điều khiển điện tử (Electronic Air Suspension) ECU Bộ điều khiển (Electronic Control Unit) EHB Hệ thống phanh thủy lực điện (Electronic Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa Hydraulic Brake) Hệ thống phanh điện (Electronic Mechanic EMB Brake) Hệ thống phanh khí điều khiển điện tử EPB (Electronic Pneumatic Brake) Điều khiển ổn định điện tử (Electronic ESP Stability Programme) Hệ thống điều khiển gầm tích hợp (Global GCC Chassis Control) HB Phanh thủy lực (Hydraulic Brake) MBS Hệ nhiều vật (Multi Body System) Hệ thống chống trượt quay (Traction Control TCS System) Điều khiển ổn định lực kéo (Vehicle Drive VDC Control) p kgm/s Động lượng (p = mv ) L kgm2/s Mô men động lượng (L = rCp) x, y, z m Chuyển vị thân xe hệ B(Cxyz) X, Y, Z m Chuyển vị thân xe hệ G(OXYZ) a, b, h a1, a , h m Tọa độ trọng tâm ϕA rad, Góc quay trục Cy bánh xe ϕ, β, ψ rad, Góc quay thân xe trục Cy, Cx, Cz Ký hiệu ξ A , ξ&A , & ξ&A ξ Aij , ξ&Aij , & ξ&Aij ξ1, ξ&1, & ξ&1 ξ2 , ξ&2 , & ξ&2 && z, z, z& Đơn vị m, m/s, m/s2 m, m/s, m/s2 m, m/s, m/s2 m, m/s, m/s2 m, m/s, m/s2 z1, z&1, z&&1 z2 , z&2 , z&&2 m, m/s, m/s2 m, m/s, Giải nghĩa Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng cầu xe Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng bánh xe thứ ij (j = trái, j = phải) Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng cầu trước Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng cầu sau Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng treo Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng treo trước Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng m/s2 đứng khối lượng treo sau h m Chiều cao mấp mô đường h1 m Chiều cao mấp mơ đường phía trước h2 m Chiều cao mấp mơ đường phía sau h ij m r m γ rad, A m2 ρ kg/m3 Chiều cao mấp mô đường bánh xe ij (j = trái, j = phải) Bán kính tự lốp Góc Camber Diện tích, thiết diện Mật độ khơng khí Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa Cwx , Cwy , Cwz Hệ số cản khơng khí theo phương x, y, z CM wx , CM wy , Hệ số cản mơ men khí động theo phương x, y, CM wz z Hệ số cản lực nâng khí động cầu trước, cầu Cwz1 , Cwz2 sau m kg Khối lượng treo m1 kg Khối lượng treo trước m2 kg Khối lượng treo sau m A1 kg Khối lượng không treo trước mA2 kg Khối lượng không treo sau m Aij kg Khối lượng bánh xe ij m0 kg Khối lượng toàn xe Jx , Jy , Jz kgm2 J xA 1, J xA J yA 1, J yA , J yAij Fx , Fy , Fz Fwx , Fwy , Fwz MA , MB kgm kgm2 N N Nm Mô men qn tính trục Cx, Cy, Cz xe Mơ men quán tính trục x cầu trước, cầu sau Mơ men qn tính trục y cầu trước, cầu sau, bánh xe ij (j = trái, j = phải) Các thành phần phản lực trọng tâm xe theo phương x, y, z Các thành phần phản lực bánh xe theo phương x, y, z Mô men kéo, mô men phanh xe Ký hiệu Đơn vị M Aij , M Bij Giải nghĩa Mô men kéo, mô men phanh bánh xe ij (j Nm = trái, j = phải) FZ FZ1 FZ N N N Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau FZt N Tải trọng tĩnh bánh xe FZ1,t N Tải trọng tĩnh bánh xe phía trước FZ 2,t N Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau FZd N Tải trọng động bánh xe FG N Trọng lượng treo FA 1, FA N Trọng lượng treo cầu trước, cầu sau FG N Trọng lượng toàn xe CL N/m CL 1, CL , CL ij C N/m N/m Độ cứng hướng kính lốp Độ cứng hướng kính lốp cầu trước, cầu sau, bánh xe ij (j = trái, j = phải) Độ cứng hệ thống treo Độ cứng hệ thống treo cầu trước, cầu sau, C1, C2 , Cij N/m bánh xe ij (j = trái, j = phải) K N/(m/s) Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo Ký hiệu K 1, K , K ij FC FC1, FC , FCij FK FK 1, FK , FK ij FCL FCL 1, FCL , FCL ij Đơn vị N/(m/s) N N N N N N Giải nghĩa Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo cầu trước, cầu sau, bánh xe ij (j = trái, j = phải) Lực đàn hồi hệ thống treo Lực đàn hồi hệ thống treo cầu trước, cầu sau, bánh xe ij Lực cản hệ thống treo Lực cản hệ thống treo cầu trước, cầu sau, bánh xe ij Lực đàn hồi hướng kính bánh xe Lực đàn hồi hướng kính lốp cầu trước, cầu sau, bánh xe ij α rad, Độ lệch bên α1, α , α ij rad, Độ lệch bên cầu trước, cầu sau, bánh xe ij ϕx , ϕy Hệ số bám dọc, ngang ft m Độ võng tĩnh f t 1, f t , f ij m Độ võng tĩnh cầu trước, cầu sau, bánh xe ij Pe , M e , n e kW, Nm, rpm Công suất, mô men, số vịng quay động 49 Hình 3.12 Đồ thị gia tốc góc xoay thân xe Hình 3.13 Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe Cả vận tốc gia tốc góc xoay thân xe cho kết tương tự Do mơ hình tuyến tính nên tính chất vận tốc góc xoay thân xe có quy luật gần giống với góc quay bánh xe dẫn hướng Ở vận tốc dọc lớn vận tốc góc xoay lớn 3.2.2 Phương án 2: Khảo sát góc quay bánh xe dẫn hướng khác Trong phương án tác giả khảo sát ổn định xe mức quay bánh xe dẫn hướng khác vận tốc v=20 (m/s) a Đánh lái dạng Sin 50 Hình 3.14 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng dạng Sin Hình 3.15 Đồ thị gia tốc ngang Các kết gia tốc ngang (hình 3.15) cho thấy với tần số đánh lái tăng góc lái gấp lần gia tốc ngang lớn tăng tương ứng Điều tính chất tuyến tính mơ hình khảo sát 51 Hình 3.16 Đồ thị gia tốc góc xoay thân xe Hình 3.17 Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe Các tính chất ổn định hướng chuyển động cho thấy, lần quay vong gia tốc góc xoay thân xe đạt đến mức 65 deg/s2 chu kỳ sau giá trị tăng lên 96 deg/s2 52 b Đánh lái dạng xung Hình 3.18 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng dạng xung Hình 3.19 Đồ thị gia tốc góc xoay thân xe 3.2.3 Phương án 3: Khảo sát ảnh hưởng độ cứng góc cầu trước Cα1 đến ổn định chuyển động ô tô Các điều kiện khảo sát là: Vận tốc dọc ban đầu v=20m/s đánh lái với góc quay bánh xe dẫn hướng δ0=2 deg mức độ cứng góc cầu trước Cα1, 1,1Cα1 0,9Cα1 giữ Cα2=const 53 Hình 3.20 Đồ thị gia tốc ngang Ảnh hưởng độ cứng góc Cα1 đến gia tốc ngang quay vịng thể hình 3.26 Khi tăng độ cứng góc Cα1 thêm 10% gia tốc ngang aytăng từ 3,35 lên đến (m/s2) Điều độ cứng góc cầu trước tăng lực ngang bánh xecầu trước tăng tăng làm cho xe quay nhanh gia tốc ngang tăng Khi giảm độ cứng góc cầu trước xu hướng ngược lại 54 Hình 3.21 Đồ thị gia tốc góc xoay thân xe Hình 3.22 Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe Về hướng chuyển động xe ta nhận thấy, tăng độ cứng góc cầu trước Cα1 lên 10% gia tốc ngang tăng lên đạt đến 23 (deg/s2) sau giảm xuống Cịn vận tốc góc xoay thân xe đạt mức 11,6 (deg/s) sau có giảm xuống 11,3 (deg/s) giữ ổn định theo góc quay bánh xe dẫn hướng Có giảm tính chất đàn hồi ngang bánh xe cầu trước Các kết vận tốc góc xoay thân xe (hình 3.27) gia tốc góc xoay thân xe (hình 3.26) cho thấy, hết trình độ xe có xu hướng quay vịng thừa khoảng thời gian ngắn (vận tốc góc xoay dương gia tốc góc xoay âm) Với độ cứng góc cầu trước nhỏ khả quay vịng thừa lớn Sau xe có xu hướng quay vịng đủ 3.2.4 Phương án 4: Khảo sát ảnh hưởng độ cứng góc bánh xe cầu sau đến ổn định hướng chuyển động ô tô Các điều kiện khảo sát phương án có thay đổi độ cứng góc bánh xe cầu sau Cα2,1,1Cα2, 0,9Cα2 55 Hình 3.23 Đồ thị gia tốc ngang Trong trường hợp giữ nguyên độ cứng góc trước Cα1=const thay đổi độ cứng góc sau Cα2 kết cho thấy: Đối với gia tốc ngang ay(Hình 3.28) tăng lên sau ổn định góc quay bánh xe dẫn hướng ổn định Tuy nhiên, độ cứng góc bánh xe cầu sau lại gây ảnh hưởng ngược lại so với phương án Khi tăng Cα2 gia tốc ngang lại bị giảm từ 3,35 m/s2 xuống m/s2 Điều thân bánh xe cầu sau thành phần gây mơ men cản q trình quay vịng Vì độ cứng tăng gia tốc ngang lại bị giảm 56 Hình 3.24 Đồ thị gia tốc góc xoay thân xe Hình 3.25 Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe Về hướng chuyển động ta nhận thấy, tăng độ cứng góc Cα2 gia tốc vận tốc góc xoay thân xe bị giảm Và trường hợp khả xe quay vịng thừa lớn giảm độ cứng góc Cα2 57 3.2.5 Phương án 5: Khảo sát ảnh hưởng tăng đồng thời độ cứng góc bánh xe cầu trước cầu sau đến ổn định chuyển động ô tô Các điều kiện khảo sát đầu vào tương tự phương án Tuy nhiên khảo sát trường hợp giữ nguyên độ cứng hai bánh xe, tăng giảm độ cứng góc đồng thời Hình 3.26 Đồ thị gia tốc ngang Đối với gia tốc ngang gia tốc ngang tăng độ cứng góc gia tốc ngang tăng đạt mức 3,5 m/s2 Sau có giảm khơng nhiều Cịn giảm độ cứng đồng thời gia tốc ngang giảm xuống 3,3 m/s2 Điều với góc đánh lái lực ngang giảm độ cứng góc giảm 58 Hình 3.27 Đồ thị gia tốc góc xoay thân xe Hình 3.28 Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe Khi tăng độ cứng góc Cα khả tận dụng lực bám ngang tốt nên thông số động lực học ngang đạt giá trị lớn Tuy nhiên 59 thay đổi không nhiều so với trường hợp thay đổi thông số độ cứng Giai đoạn thay đổi nhiều kết thúc độ tăng giảm đồng thời độ cứng góc khơng ảnh hưởng lớn đến ổn định chuyển động ô tô 60 KẾT LUẬN Động lực học tơ tích hợp động lực học phương dọc, thẳng đứng ngang Trong động lực học ngang nghiên cứu tính chất ổn định ngang ô tô Sự ổn định ngang ô tô nguyên nhân quan trọng dẫn đến tượng ổn định chung ô tô trượt lật Ổn định ngang phụ thuộc vào nhiều yếu tố sử dụng, trạng thái điều khiển người lái, tác động ngoại cảnh vấn đề kết cấu ô tô Phạm vi luận văn nghiên cứu ảnh hưởng thông số kết cấu sử dụng đến động lực học ngang ô tô Vì vậy, luận văn tác giả trình bày vấn đề sau: - Tổng quan động lực học ngang dao động ngang ô tơ: Tác giả trình bày mơ hình điều khiển ô tô, phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật yếu tố ảnh hưởng đến tính chất ổn định tơ; - Xây dựng mơ hình động lực học ngang ô tô dựa phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật Từ giải hệ phương trình tốn học phần mềm máy tính; - Khảo sát ảnh hưởng thông số kết cấu sử dụng đến dao động ngang ô tô Tác giả mơ tính tốn theo mơ hình xây dựng với thay đổi thông số sử dụng góc quay bánh xe dẫn hướng, dạng điều khiển quay vòng, quay vòng vận tốc khác Tác giả khảo sát ảnh hưởng thông số kết cấu cụ thể độ cứng góc cầu trước cầu sau; - Các kết sau mô đánh giá trạng thái chuyển động ô tô Các kết đưa phù hợp với nghiên cứu trước điều cho thấy việc lựa chọn mơ hình tuyến tính đánh giá ổn định ngang Khi tăng góc quay bánh xe dẫn hướng vận tốc dọc xe thơng số đánh giá ổn định ngang tăng lên tăng cao khả trượt lớn Nội dung đề tài lập mô hình tuyến tính kết chưa phản ánh chi tiết trạng thái chuyển động ô tô thông số điều khiển 61 lớn trạng thái tới hạn tơ Cần có nghiên cứu sâu với mơ hình phi tuyến để đánh giá ổn định ngang tơ, góp phần nghiên cứu tích hợp chuyên sâu động lực học ô tô 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Hường, Dương Ngọc Khánh, Nguyễn Tiến Dũng, Đàm Hoàng Phúc (2014) Động lực học ô tô, nxb Giáo dục [2] Reza N Jazar (2005) Vehicle Dynamics Springer New York [3] Rajesh Rajamani (2006) Vehicle Dynamics and Control Springer Berlin Heidelberg New York [4] Werner Schiehlen (2007) Dynamical Analysis of Vehicle Systems: Theoretical Foundations and Advanded Applications ICMS – Courses and Lectures no.497, Springer WienNewYork [5] Hermann Appel (1995) Grundlagen der Kraftfahrzeugtechnik II TU Berlin [6] Manfred Mitschke/Henning Wallentowitz (2003) Dynamik der Kraftfahrzeuge Springer Berlin, Newyork, Paris, Mailand, Tokyo, London, Hongkong [7] Henning Holzmann (2004) Adaptive Modelle fuer die Kraftfahrzeugdynamik Springer Berlin, Newyork, Paris, Mailand, Tokyo, London, Hongkong [8] Popp K./Schiehlen W (1993) Fahrzeugdynamik B.G Teubner Stuttgart [9] Hans–Peter Willumeit (1998) Modelle und Modellierungsverfahren in der Fahrzeugdynamik B.G Teubner Stuttgart 10] Rolf Isermann (2010) Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe Vieweg + Teubner [11] Rolf Isermann (2006) Fahrdynamikregelung: Modellbildung, Fahrerassistenzsysteme, Mechatronik Vieweg & Sohn Wiesbaden http://www.viewegteubner.de [12] Wallentowitz/Reif (2006) Handbuch Kraftfahrzeugelektronik nxb Vieweg, ATZ/MTZ– Fachbuch, http://www.vieweg.de 63 [13] Winner Hermann/Hakuli Stefan (2009): Handbuch Fahrerassistenzsysteme nxb Vieweg ATZ/MTZ – Fachbuch, www.vieweg.de [14] Dieter Schramm (2010): Modellbildung und Simulation der Dynamik, von Kraftfahrzeuge, Springer, 2010, http://dnb.d–nb.de [15] Dieter Ammon (1997) Modellbildung und Systementwicklung, in der Fahrzeugdynamik B.G Teubner Stuttgart 1997 [16] Hans B Pacejka (2004) Tyre and Vehicle Dynamics TNO Delft Ha Land ... (iv) Mô đun ? ?Động lực học ô tô phương thẳng đứng z” nhằm xác định phản lực Fzj bao gồm mô đun con: (i) mô đun dao động dọc, (ii) mô đun dao động ngang, (iii) mô đun dao động ngang cầu xe, (iv) mô. .. nghiên cứu chuyển động ngang tơ” có phần sau: (i) Tổng quan động lực học ngang tơ; (ii) Lập mơ hình động lực học ngang ô tô; (iii) Khảo sát động lực học ngang ô tô 1.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình động. .. lực học ô tô mô hình tích hợp: động lực học hệ học nhiều vật, liên kết đàn hồi liên kết ma sát, liên kết khớp Động lực học ô tô mô tả hệ cố định G(OXYZ) Nhưng để mô tả hệ ta phải xác lập hệ cục