Nghiên cứu mô phỏng và khảo sát khí động học xe con trong carsim

Sự ổn định hướng chuyển động Dòng không khí xung quanh ô tô không những tạo ra các lực cản mà còn gây ra các lực và mô men khí động học khác ảnh hưởng đến sự ổn định hướng chuyển động c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

 ĐINH VĂN TÙNG

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT

KHÍ ĐỘNG HỌC XE CON TRONG CARSIM

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS HOÀNG THĂNG BÌNH

HÀ NỘI 2014

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG 6

1.1 Các vấn đề về khí động học 6

1.1.1 Các loại khí động học 6

1.1.2 Các lực và mô men khí động 16

1.1.3 Sự ảnh hưởng của hình dạng ô tô đối với các lực và mô men khí động….……….… 23

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 32

1.3 Nội dung, phương pháp và ý nghĩa của đề tài nghiên cứu 33

1.3.1 Nội dung nghiên cứu 33

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 34

1.3.3 Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu 34

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU PHẦN MỀM CARSIM 35

2.1 Giới thiệu Carsim 35

2.1.1 Các mô hình trong CarSim 35

2.1.2 Mô hình chủng loại xe sử dụng trong CarSim 43

2.2 Một số ứng dụng điển hình của CarSim 46

2.2.1 Đánh giá các bộ phận cấu thành của xe bằng mô phỏng HIL kết hợp phần mềm hiển thị thời gian thực Labview 46

2.2.2 Mô phỏng động lực học của xe 48

2.3 Mô hình khí động học 49

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT KHÍ ĐỘNG HỌC SỬ DỤNG CARSIM 52

3.1 Xác định các lực và mô men khí động 52

3.1.1 Lực và mô men khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh 52

3.1.3 Lực và mô men khí động tác dụng lên xe khi xe đánh lái hình sin 60 3.2 Sự tác động của gió tới trạng thái chuyển động của ô tô 62 3.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của lực phân bố khí động tới tính năng vận hành của

xe 66

KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Sơ đồ các lực khí động 6

Hình 1 2: Phân loại khí động học 7

Hình 1 3: Sự thay đổi hệ số khí động theo phương tác động 8

Hình 1 4: Lực khí động tác dụng lên mặt trước của xe 9

Hình 1 5: Sự phân bố lực cản khí động tác dụng lên mặt trước của xe 10

Hình 1 6: Mối quan hệ giữa hệ số khí động và hình dáng mui xe 10

Hình 1 7: Sơ đồ dòng chảy khí động 11

Hình 1 8: Các nhân tố ảnh hưởng tới sự phân bố lực khí động 12

Hình 1 9: Sự phân bố áp lực khí động lên trần xe 13

Hình 1 10: Sự thay đổi hệ số khí động dưới gầm xe 14

Hình 1 11: Lực cản khí động qua xe 14

Hình 1 12: Các giải pháp về kết cấu 15

Hình 1 13: Phương và chiều của các lực và mô men khí động 16

Hình 1 14: Hình dáng khí động của đuôi xe 18

Hình 1 15: Mối qua hệ giữa hệ số cản khí động với kích thước vật cản 20

Hình 1 16: Sơ đồ lực tác dụng của khí động lên xe 21

Hình 1 17: Sự ảnh hưởng của khí động học đối với đặc tính phanh 22

Hình 1 18: Sự ảnh hưởng của biên dạng xe tới mô men lắc dọc và lực nâng 24

Hình 1 19: Sự thay đổi của hệ số lực bên, lực nâng theo biên dạng xe 25

Hình 1 20: Sự phụ thuộc của hệ số mô men xoay khi biên dạng xe thay đổi 26

Hình 1 21: Sự thay đổi hệ số lực cản và lực nâng khi dòng khí thực hiện làm mát 27 Hình 1 22: Sự ảnh hưởng của lốp tới lực nâng khí động 28

Hình 1 23: Sự thay đổi của các hệ số khí động khi lấp thêm các chi tiết phụ 30

Hình 1 24: Sự thay đổi hệ số khí động khi thêm vào các bộ phận tách khí ở đuôi 31

Hình 1 25: Sự thay đổi hệ số khí động khi thay đổi tải trọng lên nóc xe 32

Hình 2 1: Các thông số của mô hình hệ thống treo 37

Hình 2 2: Các thông số của mô hình hệ thống lái 38

Hình 2 3: Các thông số của mô hình hệ thống phanh 39

Hình 2 4: Các thông số của mô hình lốp 40

Hình 2 5: Các thông số của mô hình hệ thống động lực 41

Hình 2 6: Các thông số của mô hình hệ chiếu sáng 42

Hình 2 7: Mô hình các xe sử dụng trong CarSim (Hatch back, Sport Car) 43

Hình 2 8: Mô hình xe sử dụng trong CarSim (hatchback, sedan, sportcar, SUV, GT, minivan) 44

Hình 2 9: Mô hình xe sử dụng trong CarSim (tractor, wheeler, utility, axle boat trailer, pickup, fomula, stock car) 45

Hình 2 10: Sơ đồ mô phỏng HIL 46

Hình 2 11: Kết quả mô phỏng hiển thị trên labview 47

Hình 2 12: Các bước mô phỏng động lực học của xe 48

Hình 2 13: Màn hình chính khi khảo sát khí động 50

Hình 2 14: Hệ số lực cản khí động đối với dòng xe Sedan và SUV 51

Hình 3 1 Cài đặt các thông số cho xe thí nghiệm 53

Hình 3 2: Khai báo các kích thước hình học của xe 53

Hình 3 3: Cài đặt thông số khí động cho xe 54

Hình 3 4: Vận tốc dài của xe trong quá trình khảo sát khí động 54

Hình 3 5: Góc trượt khí động trong quá trình mô phỏng 55

Hình 3 6: Lực khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh 56

Hình 3 7: Mô men khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh 57

Hình 3 8: Các thông số hình học của dòng xe SUV 58

Hình 3 9: Kích thước hình học của xe Van cỡ lớn 59

Hình 3 10: Lực khí động tác dụng lên xe SUV và xe VAN 59

Hình 3 11: Quy luật đánh lái của vô lăng vành lái 60

Hình 3 12: Sự thay đổi của góc trượt khí động tác động lên xe 61

Hình 3 13: Sự thay đổi của lực khí động khi xe đánh lái hình sin 61

Hình 3 14: Mô men khí động tác dụng lên xe 62

Hình 3 15: Mô hình đường thí nghiệm 63

Hình 3 16: Đặc tính của gió bên 64

Hình 3 17: Lực cản gió tác động lên xe 64

Hình 3 18: Mô men của gió tác động lên xe 65

Hình 3 19: Vận tốc dòng khí động 65

Hình 3 20: Góc xoay thân xe 66

Hình 3 21: Hệ số khí động hình parabol 67

Hình 3 22: Đồ thị vận tốc của xe khi Cfx = 0,28 67

Hình 3 23: Đồ thị vận tốc của xe khi Cfx = 0,8 68

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG 1.1 Các vấn đề về khí động học

1.1.1 Các loại khí động học

Lực khí động gồm ba thành phần: Một thành phần có phương vuông góc với vectơ vận tốc, chiều hướng lên trên gọi là lực nâng và một thành phần cùng phương ngược chiều với vectơ vận tốc gọi là lực cản

Ngoài các thành phần trên, lực khí động còn bao gồm lực ép xuống (down force), lực này cùng phương ngược chiều với lực nâng Lực này có tác dụng làm tăng tải trọng trên các bánh xe mà không cần tăng trọng lượng của ô tô do đó tăng

độ bám đường của lốp

Hình 1 1: Sơ đồ các lực khí động

1.1.1.1 Phân chia lực khí động

Sự phân chia lực cản khí động học là để thiết lập mối quan hệ giữa nguyên nhân và ảnh hưởng của lực cản Điều này rất khó thực hiện do sự tương tác giữa các miền dòng chảy xung quanh ô tô Lực cản có thể được xem xét từ hai quan điểm khác nhau:

- Sự phân bố lực cản

- Ảnh hưởng của lực cản

Sự phân loại này là cơ sở của tất cả những sự khảo sát đối với lực cản

Hình 1 2: phân loại khí động học Với loại thân trơn không có các chi tiết kèm theo, lực cản thường phân bố ở bốn khu vực : Mui xe, sườn, thân, phần đuôi xe

Sự đóng góp của các thành phần đối với lực cản tổng cộng được trình bày trên hình 1.3 với các góc nghiêng khác nhau Lực cản ở mui xe CB rất nhỏ Lực cản phía trước được đặc trưng bởi hệ số cản trước CF* không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi hình dạng đuôi Tuy nhiên, khi tăng góc nghiêng của chiều tác động, sẽ có sự thay đổi trong sự phân chia lực cản xung quanh ô tô Tỉ lệ được biểu diễn bởi phần thân phía trước CB giảm trong khi với phần thân phía sau CS tăng

Hình 1 3: Sự thay đổi hệ số khí động theo phương tác động

Hình 1 4: Lực khí động tác dụng lên mặt trước của xe Điểm tách dòng được tạo ra trên bề mặt thẳng đứng phía trước Vì không khí phía trước ô tô có xu hướng chạy lên trên và qua hai bên sườn xe hơn là chảy qua gầm nên nó cùng phương với phương chuyển động của ô tô Dòng chảy bị lệch đáng kể tại nút giao giữa mặt trước, capô và chắn bùn Nếu không có các biệt pháp đặc biệt, dòng chảy này sẽ gây ra sự tách dòng, với kết quả là sự phân bố áp lực gần các cạnh của phần thân phía trước sẽ lệch so với dòng chảy lý tưởng Sự hút gió tại các cạnh trước của capô và chắn bùn ít hơn so với dòng lý tưởng (hình 2.5) Do đó

áp lực dòng chảy ở phần đầu xe lớn hơn ở dòng chảy lý tưởng và một thành phần của lực cản được tạo ra Hình dạng của phần đầu ô tô cũng ảnh hưởng đến sự phân

bố lực cản Điều này được thể hiện trên hình 1.5

Để ngăn sự tách dòng xảy ra trong thực tế do độ lệch khác nhau từ hình dạng ban đầu Trong mặt cắt dọc, các thông số cần quan tâm là độ dốc của mui xe, độ dốc của capô và bán kính góc lượn với capô Trong hình chiếu đứng là độ côn và bán kính Nếu bán kính cạnh phía trước tăng lên, lực cản của các phần liên quan sẽ giảm nhanh Sau đó, khi đạt đến một giá trị nào đó, lực cản không đổi Sự tách dòng không còn xảy ra và dòng chảy thực tế gần với dòng lý tưởng Điều này có nghĩa là việc bo tròn các cạnh trước có tác dụng ngăn sự tách dòng qua đó giảm thiểu sự đóng góp của phần thân phía trước đối với lực cản

Hình 1 5: Sự phân bố lực cản khí động tác dụng lên mặt trước của xe

Tham số hình học thứ hai cần quan tâm là góc nghiêng của mui xe Tác dụng của độ nghiêng trên mui xe đối với lực cản cũng chịu ảnh hưởng bão hòa, không có

sự giảm lực cản khi giảm độ nghiêng

Hình 1 6: Mối quan hệ giữa hệ số khí động và hình dáng mui xe

Tham số thứ ba là góc nghiêng của mặt trước, ảnh hưởng của nó đối với lực cản được trình bày trong hình 1.6 Trong thực tế, ảnh hưởng này là nhỏ có thể do sử dụng bán kính góc trước lớn

b) Kính chắn gió và cột A

Sơ đồ của dòng chảy xung quanh kính chắn gió được hiển thị trong hình 2.8 Sự tách dòng xuất hiện ở ba vị trí khác nhau

Hình 1 7: Sơ đồ dòng chảy khí động

- Ở đáy (chân) kính chắn gió, khoảng lõm được tạo ra bởi khớp nối với capô

- Phần trên kính chắn gió, chỗ nối với nóc

- Ở cột A

Những nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản trên kính chắn gió được làm rõ trong 1.8 Hai trong số chúng, độ đảo và bán kính cột A đã được phân tích chi tiết hơn Bán kính cột A không chỉ liên quan đến lực cản mà còn liên quan đến tiếng ồn gió

Khi tăng góc nghiêng kính chắn gió, lực cản sẽ giảm nhưng không nhiều Với các góc nghiêng > 60 gần như không có sự cải thiện về lực cản Ngoài ra khi kính chắn gió có góc nghiêng lớn sẽ gây ra một số vấn đề liên quan đến khả năng quan sát và nhiệt độ cao trong buồng lái

Hình 1 8: Các nhân tố ảnh hưởng tới sự phân bố lực khí động

Góc nghiêng kính chắn gió ảnh hưởng gián tiếp đến lực cản Góc nghiêng lớn tạo ra ít áp lực ngược hơn ở phần tiếp xúc với nóc Ngoài ra khi góc nghiêng kính lớn hơn, không khí bị đẩy ra phía cột A sẽ ít hơn và vì vậy dòng xoáy tạo ra sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn

c) Nóc

Nóc cũng là phần chịu tác động của lực cản Hệ số cản có thể giảm bằng cách làm tăng độ cong của nóc xe theo chiều dọc Tuy nhiên nếu độ cong quá lớn thì hệ số cản CD lại có thể tăng Những ảnh hưởng thuận lợi của sự tạo vòm phụ thuộc vào sự duy trì đủ độ lớn bán kính cong tại vị trí giữa kính chắn gió với nóc và giữa nóc với kính chắn gió sau (cửa sau) Vì vậy các áp lực ngược tại các vị trí này không lớn và độ chênh lệch áp suất tương ứng nhỏ

Hình 1 9: Sự phân bố áp lực khí động lên trần xe Tuy nhiên khi thiết kế độ cong của nóc phải đảm bảo diện tích mặt trước của chiếc xe không đổi, nếu không lực cản sẽ tăng mặc dù đã giảm hệ số cản CD như trên đồ thị phía trên của hình 1.9

d) Gầm xe

Mặt dưới của hầu hết các gầm xe đều là các mặt nhám Mức độ tăng của lực cản liên quan đến các xe có gầm nhẵn có thể thấy trên hình 1.10 Thực tế là một gầm xe nhẵn làm giảm lực cản một cách đáng kể Tuy nhiên sự thay đổi này sẽ phức tạp và khó thực hiện

Hình 1 10: Sự thay đổi hệ số khí động dưới gầm xe

e) Lực cản từ dòng không khí qua một chiếc xe

Trong ô tô có một vài đường ống dẫn khí để dẫn không khí đến bộ tản nhiệt cho nước làm mát, ngoài ra không khí còn được cung cấp đến động cơ để đốt cháy nhiên liệu Không khí sạch cần được đưa vào khoang hành khách và thoát ra ngoài

Áp lực tổn thất do dòng chảy đi qua những ống dẫn riêng biệt sẽ tạo ra lực cản Tuy nhiên, với ô tô chỉ các lực cản phụ gây ra bởi dòng không khí đi qua bộ tản nhiệt là đáng kể Sự đóng góp của các ống dẫn bên trong đối với lực cản là rất nhỏ

Hình 1 11: Lực cản khí động qua xe

Các lực tạo ra bởi dòng không khí làm mát được tính toán dựa trên các định luật bảo toàn Nếu không khí làm mát được đẩy lên phía trên, nó sẽ tạo ra áp lực ngược Vì lý do đó mà loại ống dẫn không khí này thường được dùng trên xe đua

Lực cản tổng cộng do luồng không khí làm mát bao gồm hai thành phần:

- Sự tổn thất áp lực bên trong ống dẫn không khí làm mát

- Lực cản giao thoa Không khí đi qua một chiếc xe có thể làm thay đổi luồng không khí xung quanh thân của nó, do đó tác động đến lực cản bên ngoài Thông thường sự giao thoa lực cản là tích cực, tuy nhiên trong một số trường hợp nó lại có ảnh hưởng tiêu cực Luồng không khí làm mát chủ yếu thay đổi dòng chảy bên dưới một chiếc xe Góc lắc ngang ở trước bánh xe sẽ tăng lên, do đó lực cản của các bánh

xe tăng Để làm chậm quá trình tăng của lực cản này, các nhà thiết kế đã tạo ra các lối thoát cho không khí ở các bên sườn xe hình 1.12

Hình 1 12: Các giải pháp về kết cấu

Tuy nhiên, trong thực tế hai thành phần của lực cản thường không tách biệt nhau Tổng của cả hai thành phần được xác định bằng phép đo sự khác biệt trong lực cản giữa các hình dạng với các cửa hút và đóng luồng không khí làm mát đi vào

Hình 1.12 đưa ra một vài dạng của ống dẫn không khí làm mát và chỉ ra ảnh hưởng của chúng đối với lực cản không khí làm mát Mục tiêu của sự khảo sát này

là đạt được lượng không khí làm mát lớn nhất, biểu hiện như vận tốc vR ở két làm mát với lực cản phụ nhỏ nhất Sự tối ưu này đạt được với biến thể C Trong biến thể này, hầu như các vận tốc tương tự vR thì đạt được như trong phiên bản tiêu chuẩn A, nhưng lực cản không khí làm mát được giảm 1/2 Phiên bản C chỉ dành cho xe đua, không áp dụng cho các xe thông thường, bởi vì không khí làm mát được làm nóng

sẽ đi vào cửa nạp không khí sạch của khoang hành khách ở phía trước kính chắn gió

1.1.2 Các lực và mô men khí động

Khi một chiếc xe chuyển động, không khí xung quanh nó gây ra lực cản và lực nâng Lực cản không khí gồm hai thành phần chính: Lực cản do hình dạng xe tạo ra và lực cản do ma sát giữa không khí với vỏ xe Những tác động loại này làm giảm tốc độ, tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và gây khó khăn cho việc điều khiển xe Lực cản tỉ lệ với hệ số cản, diện tích mui xe và vận tốc của xe

Hình 1 13: Phương và chiều của các lực và mô men khí động

Lực nâng cũng là một yếu tố khí động học quan trọng Vì khoảng cách di chuyển của dòng không khí trên nóc xe luôn lớn hơn dưới gầm xe nên vận tốc tương ứng cũng lớn hơn Theo nguyên lý Becnuli, sự khác biệt về vận tốc sẽ tạo ra

áp suất ngược tác dụng lên bề mặt trên gọi là lực nâng Tương tự như lực cản, lực nâng cũng tỉ lệ với diện tích bề mặt, vận tốc xe và hệ số nâng và phụ thuộc vào hình dáng của xe Khi ô tô chạy với tốc độ cao, lực nâng có thể tăng tới một mức nào đó gây tình trạng mất cân bằng cho xe Lực nâng tập trung chủ yếu ở phần đuôi do vùng áp suất thấp tồn tại xung quanh Nếu không cân bằng hiệu quả lực nâng, hai bánh xe phía sau dễ bị trượt có thể dẫn đến trường hợp xe bị mất ổn định

1.1.2.1 Sự ổn định hướng chuyển động

Dòng không khí xung quanh ô tô không những tạo ra các lực cản mà còn gây

ra các lực và mô men khí động học khác ảnh hưởng đến sự ổn định hướng chuyển động của ô tô

Không khí phía trước xe tạo ra lực nâng và mô men lắc dọc, điều này dẫn đến thay đổi tải trọng thẳng đứng do đó ảnh hưởng đến khả năng bám đường của lốp Các lực và mô men ảnh hưởng đến sự ổn định hướng chuyển động của ô tô khi chuyển động thẳng cũng như sự ổn định trong quá trình thay đổi hướng chuyển động

Thông qua gió tự nhiên, dòng chảy xung quanh ô tô sẽ trở nên bất đối xứng Lực bên, mô men lắc, mô men xoay, lực nâng, mô men lắc dọc thay đổi, điều này dẫn đến sự lệch hướng chuyển động

Trong thực tế, ảnh hưởng của các lực và mô men khí động học đối với sự ổn định đáng chú ý nhất là gió bên Điều này đặc biệt đúng trong sự dao động hoặc qua những chướng ngại vật ở những chỗ rộng Những sự thay đổi nhanh ở hướng và tốc

độ gió xung quanh xuất hiện Trong những trường hợp này, sự tương tác giữa lực không khí và lực quán tính quyết định sự ổn định hướng chuyển động

Sự đánh giá chủ quan sự ổn định hướng chuyển động và cảm giác an toàn được xác định không chỉ bằng độ bám đường của ô tô dưới ảnh hưởng của các lực khí động học Các đặc tính của hệ thống treo và hệ thống lái cũng tác động đến sự đánh giá của lái xe

Cho đến đầu những năm 1930, điều kiện đường xá và các điều kiện kỹ thuật chỉ cho phép lái xe ở tốc độ thấp, do đó khí động học chưa có nhiều ý nghĩa đối với

sự ổn định hướng chuyển động

Để giảm lực cản, phần khuyết của bánh xe được bao bọc Sau đó, nhờ những phát minh trong giao thông đường bộ, ảnh hưởng của khí động học đối với trạng thái lái xe đã trở nên rõ ràng hơn Các nhà khí động học, những người đang nghiên cứu để tìm cách giảm lực cản đã thiết kế những chiếc xe có hình dáng khí động mới thay thế cho những chiếc xe đồ sộ, đó chính là chiếc xe đuôi lướt có thiết kế mảnh, với hệ số cản thấp hơn

Hình 1 14: Hình dáng khí động của đuôi xe Tuy nhiên, so với những thân xe có cạnh vuông thông thường, những hình dạng này bất lợi đối với sự ổn định hướng chuyển động Lực nâng phía sau đuôi dưới tác dụng của gió bên cũng như mô men lắc đều tăng mạnh Sau đó là sự xuất hiện với số lượng lớn những chiếc xe với động cơ đặt phía sau

Sự thay thế của những hình dạng tinh giản ở cuối những năm 1930 với các tấm chắn tích hợp đã không thay đổi đáng kể tình trạng này Những hình dạng mở với đường biên được bo tròn đã tạo ra sự liên hệ giữa mô men lắc và lực nâng phía sau cao Việc đưa vào những chiếc cánh phía sau ở những năm 1960 đã mang đến một vài sự cải thiện đối với sự ổn định hướng chuyển động Mô men lắc đã giảm trong cả hai trường hợp Những cạnh vuông ở phía sau cũng dẫn đến sự giảm lực nâng ở phía sau

Trong những năm 1970 - 1980 động cơ phía trước đã trở thành tiêu chuẩn cho những chiếc xe con Sự tăng tải trọng ở cầu trước và giảm khoảng cách giữa trọng tâm và tâm lực bên khí động học đã cải thiện sự ổn định hướng chuyển động

Đó cũng là một thực tế hữu ích, một hình dạng cơ sở mới đã được thiết kế cho những chiếc xe vừa và nhỏ Nó được đặc trưng bởi mô men lắc thấp và sự giảm lực nâng phía sau

Những chiếc xe với hình dạng thấp ở phía trước, cao ở phía sau hầu như không có tác động nào đối với lực nâng Tuy nhiên, những hình dạng mới giảm đáng kể lực cản khí động học lại làm tăng mô men lắc Sự tăng mô men lắc đáng chú ý nhất trên các hình dạng 3 hộp và đuôi lướt, sự bo tròn ở hình chiếu bằng phía sau và độ côn ở các cột phía sau và cửa sổ sau là nguyên nhân Với sự giảm lực cản khí động học, các lực bên ở phía sau được giảm nhiều hơn phía trước, do đó làm tăng mô men lắc

1.1.2.2 Sự cân bằng động học

Sự cân bằng động học có nghĩa là một sự thay đổi hướng gió phía trước tạo

ra một mô men lắc chống lại xu hướng làm quay xe để giảm sự thay đổi này Nếu một mô men lắc được tạo ra bởi gió bên có xu hướng làm tăng sự nhiễu loạn của xe tức là động học không ổn định

Trên hình 1.15, một dòng chảy cố định xung quanh mui xe và đuôi xe sẽ gây

ra một mô men lắc tương đối lớn Nếu tỉ số giữa sự thay đổi mô men lắc và góc lắc

là dương, chiếc xe khi đó được coi là có động học không ổn định (trường hợp a),

một dòng chảy tách ở phía sau xe sẽ giảm sự không ổn định này (trường hợp b) Ví

dụ, lực bên ở đuôi xe có thể được tăng bằng cách gắn cánh rộng ở phía sau, cánh này sẽ tạo ra mô men lắc cân bằng động học (trường hợp c)

Hình 1 15: Mối qua hệ giữa hệ số cản khí động với kích thước vật cản

Tuy nhiên, điều này không phù hợp với những chiếc xe thông thường, chỉ có thể áp dụng cho xe đua

Sự cân bằng động học của xe có thể chịu ảnh hưởng bởi thiết kế của mui xe cho các xe có dạng hộp Với các xe có mui gồm các cạnh nhọn, sự cân bằng động học cũng được đưa ra nhưng chỉ trong một khoảng giới hạn của góc lắc Những xe

có cạnh trước bo tròn là những xe có động học không ổn định

1.1.2.3 Ảnh hưởng của lực và mô men khí động đối với hiệu quả phanh

Các lực khí động học không chỉ tác động đến trạng thái lái thông thường, chúng còn đóng một vai trò quan trọng đối với sự dao động phanh, đặc biệt khi

phanh ở tốc độ cao Lúc đầu, lực phanh được hỗ trợ bởi lực cản khí động học Phụ thuộc vào tốc độ của ô tô, lực nâng ở cầu trước và cầu sau sẽ thay đổi Tổng tải trọng của bánh xe thay đổi có thể ảnh hưởng đến hiệu quả phanh và sự ổn định hướng chuyển động của xe trong quá trình phanh Công suất hãm của phanh không

có sự điều khiển lực hãm, chủ yếu phụ thuộc vào sự phân bố lực phanh giữa cầu trước và cầu sau

Hình 1 16: Sơ đồ lực tác dụng của khí động lên xe

Sự phân bố tải trọng bánh xe và lực phanh đạt được ở cầu trước và cầu sau cũng bị ảnh hưởng bởi lực nâng Các lực được xác định như sau:

Sự ổn định phanh là một chỉ tiêu quan trọng trong thiết kế hệ thống phanh

Sự chuyển động an toàn của ô tô phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái chuyển động của nó khi phanh Các trạng thái thường xảy ra là ô tô không thể điều khiển hướng chuyển động theo quỹ đạo của đường khi phanh Trạng thái này gắn liền với sự bó cứng các bánh xe ở các cầu Ở đây ta giả thiết rằng sự bó cứng xảy ra ở từng cầu

Có hai khả năng xảy ra:

- Bó cứng cầu sau trước

- Bó cứng cầu trước trước

Khi các bánh xe cầu trước bị hãm cứng, khả năng dẫn hướng sẽ bị mất, tuy nhiên chiếc xe vẫn có tính ổn định hướng chuyển động Mô men lắc gây ra sẽ được cân bằng bởi mô men do các lực bên ở cầu sau Trường hợp các bánh xe cầu sau bị hãm cứng, xe sẽ mất ổn định Đặc biệt ở tốc độ cao hoặc khi hệ sô bám thấp, điều này có thể dẫn đến khả năng mất điều khiển

Sự ổn đinh phanh còn phụ thuộc vào lực phanh tới hạn Sự tăng lực nâng ở cầu trước hoặc giảm lực nâng ở cầu sau sẽ tăng lực phanh tới hạn, do đó sẽ cải thiện

sự ổn định khi phanh

Hình 1 17: Sự ảnh hưởng của khí động học đối với đặc tính phanh

Xét ảnh hưởng của khí động học đối với đặc tính phanh của ô tô không có hệ thống chống bó cứng bánh xe (hình 1.17) Trong hình ta thấy một đường cong phân

bố lực phanh lý tưởng cho các dạng khí động học khác nhau Trong một hệ thống phanh với một sự phân bố lực phanh cố định, sự phanh già (khóa cứng) sẽ xuất hiện

ở hệ sô ma sát tĩnh ỡ = 0,8 (đường cong 1) Với các tấm chắn (thiết bị cản) phía trước và phía sau cùng với sự giảm lực nâng tổng cộng, cầu trước bị khóa trước và

xe vẫn có trạng thái phanh ổn định (đường cong 2) Với một lực nâng âm ở cầu trước (đường cong 3) được tạo ra bằng cách bổ xung một tấm chắn phía sau(giảm lực nâng phía sau - đường cong sẽ thu được hệ số cao hơn và sự ổn định của xe được cải thiện Các tấm chắn phía sau điều chỉnh được được sử dụng trên một số xe

để cải thiện sự ổn định lái ở tốc độ cao cũng có thể đóng góp vào sự ổn định phanh

Có thể điều chỉnh một đường parabol phân bố lực phanh thực tế gần với đường parabol phân bố lực phanh lý tưởng bằng cách sử dụng một van cân bằng phanh Điều này sẽ dẫn đến quãng đường phanh ngắn hơn mà không làm mất hiệu quả phanh Hệ thống chống bó cứng về cơ bản sẽ ngăn sự khóa cứng các bánh xe trong quá trình phanh, do đó xe vẫn có tính ổn định hướng chuyển động, không phụ thuộc vào các ảnh hưởng của lực nâng Mỗi sự giảm lực nâng ở cầu trước và cầu sau sẽ tạo ra sự tăng lực phanh có ích và giảm quãng đường phanh

1.1.3 Sự ảnh hưởng của hình dạng ô tô đối với các lực và mô men khí động

Các hình dạng đặc trưng cơ bản là các yếu tố xác định các đặc tính khí động học của ô tô Đặc tính khí động học của các hình dạng cơ bản:

- Lực nâng và mô men lắc dọc

- Lực bên

- Mô men xoay

1.1.3.1 Lực nâng và mô men lắc dọc

Ta biết rằng độ lớn của lực nâng, sự khác nhau giữa lực nâng phía trước và lực nâng phía sau là các nhân tố quyết định đến sự ổn định hướng chuyển động của

Hình 1 18: Sự ảnh hưởng của biên dạng xe tới mô men lắc dọc và lực nâng Điều đầu tiên được nghiên cứu là ảnh hưởng của việc bo tròn những cạnh ở các góc (vuông góc).Việc bo tròn các cạnh sẽ làm giảm sự tách dòng ở các vùng bị ảnh hưởng Tốc độ của dòng chảy qua ô tô đã được tăng lên, áp lực không ổn định trên các bề mặt cao hơn của nó đã giảm tương ứng với sự tăng lực nâng (hình 1.18)

Một ảnh hưởng đáng chú ý đạt được bằng cách bo tròn các cạnh phía dưới của mui xe Dòng không khí đi vào khu vực gầm xe đầu tiên tăng tốc ở đó, do bị vướng bởi các bánh xe đã giảm xuống Điều này tạo ra một sự tăng áp lực giữa đường và gầm xe và kết quả là tăng lực nâng tổng cộng, lực nâng phía trước

Mỗi phương pháp tạo ra điểm đình trệ ở phía trước sẽ đẩy dòng không khí đi lên nhiều hơn và làm giảm lực nâng Các ví dụ điển hình là các tấm chắn ở phía trước dốc về phía sau và tấm chắn ở phía trước có cạnh nhọn, thấp Điều này ảnh hưởng rõ rệt đến hình dạng của mui xe hiện đại Ngoài ra để giảm lực nâng có thể

sử dụng kính chắn gió với độ nghiêng lớn

1.1.3.2 Lực bên

Ảnh hưởng của việc bo tròn các cạnh đối với lực, mô men xoay được thể hiện trên hình 1.19 Sự bo tròn các cạnh phía trước (capô-1) và các cạnh bên (4) dẫn

đến tăng mô men xoay Mặt khác sự bo tròn các cạnh bên ở trước capô(6) cũng như

bo tròn cột A sẽ tạo ra sự giảm lực bên phía trước và mô men xoay Ở phía sau, tất

cả các cạnh ngang được bo tròn (7,8,10) sẽ tạo ra sự giảm lực bên ở cầu sau tương ứng sự tăng mô men xoay Sự bo tròn các cạnh phía dưới mui xe sẽ tạo ra sự tăng

mô men

xoay, lực nâng và lực cản

Hình 1 19: Sự thay đổi của hệ số lực bên, lực nâng theo biên dạng xe

1.1.3.3 Mô men xoay

Hình 1.20 là các ví dụ điển hình của việc tăng mô men xoay với góc lệch β Do các đường cong trong biểu đồ góc lệch gần như tuyến tính, những hình dạng ở góc lệch β = 200 có thể được sử dụng với độ chính xác hợp lý cho mức độ so sánh của các cấu hình khác nhau Chiếc đuôi vuông biểu hiện mô men lớn nhất, chiếc xe có dạng 3 hộp sẽ có mô men thấp nhất Mô men xoay tăng cùng với lực bên

1 6

5 2

9 10

C Y 20° C N 20°

Hình 1 20: Sự phụ thuộc của hệ số mô men xoay khi biên dạng xe thay đổi

1.1.3.4 Sự ảnh hưởng của biên dạng vỏ và gầm xe

Vỏ ngoài và gầm những chiếc xe thực tế là các vùng thô, các khe hở và các

lỗ Các đặc tính khí động học của chúng khác với các đặc tính khí động học của các hình dạng cơ bản Phần lớn những nghiên cứu khí động học tập trung vào việc giảm những sự khác biệt này: các đường hàn được đẩy vào trong, các cửa nạp không khí làm mát được điều chỉnh phù hợp với yêu cầu về nhiệt độ

Dòng không khí làm mát không chỉ tác động đến lực cản khí động học mà còn ảnh hưởng đến lực nâng và mô men lắc dọc Các số liệu về lực cản và lực nâng được trình bày trong hình 1.21 Sự tăng lực nâng phía trước lớn hơn đáng kể so với sự tăng lực cản Như vậy, với lực cản, sự tăng lực nâng phụ thuộc vào độ lớn của dòng không khí làm mát (dòng không khí làm mát càng nhỏ càng tốt)

Hình 1 21: Sự thay đổi hệ số lực cản và lực nâng khi dòng khí thực hiện làm mát Cùng với sự ảnh hưởng đối với lực nâng và sự lắc dọc, dòng không khí làm mát cũng gây ra sự tăng mô men xoay, lực bên tăng ở phía trước và giảm ở phía sau Tuy nhiên, ảnh hưởng này không rõ ràng bằng sự thay đổi của lực nâng

Trên các xe đuôi lướt, sự bịt kín các khe hở ở các bên của cửa hậu có thể làm tăng mô men xoay Trong nhiều ô tô liên hợp và xe nhỏ (compact) với cửa sổ sau nghiêng, các khe hở giữa nóc và cửa hậu đảm bảo một sự tách dòng kiểu đuôi vuông ổn định với lực nâng phía sau thấp Bịt kín khe hở này có thể dẫn đến một sự điều chỉnh dòng chảy với lực nâng phía sau cao và lực cản phía sau cao

channeled

yes no

Drag change due to cooling airflow

c) Gương và kính chiếu hậu

Gương chiếu hậu bên ngoài làm rối loạn dòng chảy ở các cột A Các phần đuôi kéo dài sẽ tác động đến dòng chảy ở các bên và xung quanh đuôi xe Cùng với

sự tăng lực cản, sự tách dòng trên các cột A gây ra một sự giảm nhẹ lực nâng ở cầu trước ÄL = 0.01 Trên cầu sau, sự thay đổi xấp xỉ bằng một nửa Về sự ổn định hướng chuyển động, điều này khó nhận thấy

d) Bánh xe, lốp và gầm

Trong những năm gần đây, lốp rộng được sử dụng nhiều hơn, chúng cải thiện

độ bám của lốp trên đường khô, có tính thẩm mỹ cao hơn, do đó làm tăng giá trị của

xe

Hình 1 22: Sự ảnh hưởng của lốp tới lực nâng khí động Theo các nhà khí động học, lốp rộng hơn sẽ tạo ra một sự ngăn chặn dòng không khí dưới gầm xe tốt hơn Điều này sẽ làm tăng lực nâng, như H.Kersbaum đã

chứng minh bằng các kết quả trên hình 1.22 Độ tăng của lực nâng phụ thuộc vào hình dạng của mui xe Sự tăng lực nâng do lốp rộng có thể được cân bằng bởi một tấm chắn (thiết bị cản) ở phía dưới ba đờ xốc Nó có thể thích hợp để phát triển các tấm chắn đặc biệt phía trước cho các mẫu xe thể thao với các lốp cực rộng Chiều rộng

của lốp không có một sự tác động đáng kể nào đối với mômen xoay Các lỗ ở nắp chụp bánh xe và biên có lợi cho sự làm mát hệ thống phanh sẽ giảm nhẹ lực bên và lực nâng ở phía trước

Kết cấu nhô ra và sự không bằng phẳng ở gầm xe làm chậm dòng chảy ở gầm xe và tăng áp lực ổn định trong vùng này Kết quả là tăng lực cản và lực nâng.Sự làm nhẵn ở phía trước làm giảm lực nâng phía trước nhưng làm tăng lực nâng phía sau Bổ xung các tấm đậy ở giữa và phía sau gầm xe sẽ làm giảm lực nâng phía sau và dẫn đến sự tăng nhẹ lực nâng ở phía trước

Đặc biệt, các ô tô với tính năng thể thao thường được trang bị các chi tiết khí động học phụ Các nhà sản xuất đã đề xuất một sự đa dạng các tấm chắn phía trước, phía sau và các rocket molding (miếng cánh đúc đối trọng) Khi điều chỉnh đúng, các chi tiết này sẽ giảm lực cản và góp phần cải thiện sự ổn định hướng chuyển động Một số ví dụ về ảnh hưởng của việc lắp đặt các chi tiết bổ xung được trình bày trên hình 1.23 với một chiếc xe 3 hộp Sự kết hợp của các chi tiết phụ này sẽ dẫn đến lực cản tổng cộng nhỏ hơn và mô men lắc dọc âm (ngược) giảm xuống; cả hai ảnh hưởng đều làm tăng sự ổn định lái Vì lý do thẩm mỹ, các cạnh thấp hơn của

ba đờ xốc sau được đặt ở dưới Biện pháp này làm chậm dòng chảy ngầm ở phía sau

và giảm một phần sự cải thiện trong lực cản và lực nâng

Lực nâng ở phía sau của đuôi lướt và 3 hộp có thể được cải thiện đáng kể bằng một tấm chắn phía sau như trong hình 1.24 Tùy chọn tấm chắn phía sau cũng

có thể được dùng cho đuôi vuông; tuy nhiên, vì lực nâng phía sau với hình dạng này

là nhỏ nên một tấm chắn bổ xung đóng góp rất ít vào việc cải thiện sự ổn định hướng chuyển động

Hình 1 23: Sự thay đổi của các hệ số khí động khi lấp thêm các chi tiết phụ

Để giảm mô men xoay, một vài chiếc đuôi lướt và 3 hộp được trang bị các đường tách dòng ở các cột phía sau Những đường này có thể được thiết kế như những chi tiết phụ hoặc được tích hợp vào khung cửa Khi không có các đường tách, dòng chảy xung quanh vùng bên ngoài của cửa sổ sau sẽ tạo ra một vùng áp suất thấp ở đầu ngược gió

Điều này dẫn đến lực ngang phía sau thấp Với các đường tách, một sự tách dòng khác biệt sẽ xuất hiện ở những cột D ngược gió Điều này sẽ làm tăng lực bên phía sau do đó giảm mô men xoay Mặc dù hợp lực của lực bên tăng nhưng sự ổn định hướng chuyển động vẫn đạt được

Hình 1 24: Sự thay đổi hệ số khí động khi thêm vào các bộ phận tách khí ở đuôi e) Tải trọng của nóc

Tải trọng đặt trên khung nóc tác động đên sự ổn định hướng chuyển động với hai lý do Một mặt, trọng tâm của xe được đẩy lên trên, trong đa số các trường hợp, mặt sau không ảnh hưởng gì Mặt khác, các lực và mô men khí động học có thể thay đổi rất nhanh nên các ảnh hưởng đáng kể đối với khả năng lái phải được dự tính Hình 1.25 trình bày một vài ví dụ về vấn đề tải trọng của nóc tác động như thế nào đến các đặc tính khí động học Như đã đề cập, mỗi tải trọng của nóc dẫn đến lực cản tăng dẫn đến một xu hướng không tải ở cầu trước và đẩy tải về cầu sau Do sự mất cân bằng của dòng chảy qua nóc, lực nâng tổng cộng được giảm xuống

Hình 1 25: Sự thay đổi hệ số khí động khi thay đổi tải trọng lên nóc xe

Dưới tác động của gió ngang, toàn bộ tải trọng của nóc gây ra sự tăng lực bên và mô men xoay Vì tâm áp lực dịch chuyển lên trên và lực bên khí động học có liên hệ thúc đẩy đối với các đệm lốp, mô men xoay thậm chí tăng nhiều hơn lực bên khí động học

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Vấn đề khí động học được các nhà nghiên cứu và thiết kế xe hơi trên thế giới nghiên cứu từ nhiều thập niên trước đây Thành tựu của sự nghiên cứu này là kết quả về hình dáng khí động trên nhiều loại xe hiện nay, điển hình như:

Năm 1960, các kỹ sư của hãng siêu xe nổi tiếng thế giới Ferrari đã phát minh

ra cánh điều khiển dòng khí động vào đuôi xe, lực nâng giảm đáng kể đồng thời phát sinh lực nén lên xe giúp xe ổn định chuyển động ở tốc độ cao và nâng cao khả năng tăng tốc

Nhưng năm 1970 nhà nghiên cứu Collin Chapman đã tìm ra một phương thức hoàn toàn mới để tạo lực nén mà không làm ảnh hưởng đến lực cản Đó là hiệu ứng mặt đường Ông đã tạo một đường dẫn không khí ở dưới đáy chiếc xe đua Lotus 72 của mình Đường dẫn không khí này khá hẹp ở phía trước và mở rộng dần

về phía sau Do gầm xe gần sát mặt đường, sự kết hợp giữa đường dẫn không khí và

mặt đường tạo thành một đường hầm gần như đóng kín Khi chiếc xe đang chạy, không khí vào đường hầm từ phía mũi rồi thoát thẳng ra phía sau khiến áp suất không khí giảm dần về phía đuôi xe và như vậy sẽ phát sinh lực nén

Vào năm 1978, Brabham (người chế tạo F1 McLaren lừng danh) áp dụng phương pháp nghiên cứu của Collin Chapman cho chiếc Gordon Murray của mình bằng phương thức khác, thay vì đường dẫn khí mở rộng, anh ta đã sử dụng một quạt gió công suất lớn để tạo áp suất thấp ở gần đuôi xe

Ở Việt Nam các nghiên cứu về khí động còn nhiều hạn chế và chưa được lưu

tâm Năm 2009, công trình nghiên cứu “Đặc tính khí động học ô tô” của tác giả

Nguyễn Minh Hải mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu các đặc tính khí động của ô

tô, sự ảnh hưởng qua lại giữa hình dáng xe và lực, mô men khí động Việc mô phỏng và khảo sát khí động trở lên khó khăn bởi đặc tính tương tác dòng khí động

và xe là đặc tính phi tuyến, không có phương trình toán học mô tả được bản chất của sự tương tác này CarSim là một phần mềm vừa được phát triển năm 1996 có thế mạnh vượt trội trong mô hình mô phỏng đáp ứng của nhiều loại xe khác nhau Việc sử dụng Carsim để nghiên cứu khí động sẽ mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong tương gần

1.3 Nội dung, phương pháp và ý nghĩa của đề tài nghiên cứu

1.3.1 Nội dung nghiên cứu

Trước tính hình nghiên cứu trong và ngoài nước được trình bày tại mục 1.2 Luận văn tiến hành thực hiện nghiên cứu các vấn đề sau:

- Nghiên cứu khí động học trên xe con;

- Tìm hiểu phần mềm CarSim;

- Mô phỏng khí động học trong CarSim và khảo sát

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện các nội dung nghiên cứu trên, luận văn tiến hành nghiên cứu về khí động và sử dụng phần mềm Carsim mô phỏng xác định các lực khí động tác dụng lên xe

1.3.3 Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu

Để tính toán thiết kế ra xe ô tô, các hãng sản xuất mất nhiều thời gian công sức để tính toán chế tạo thử nghiệm và đưa vào sản suất Gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự hỗ trợ của máy tính các nhà nghiên cứu đã xây dựng được phần mềm CarSim Với tính toán và mô phỏng gần xác thực, phần mềm CarSim giúp cho con người tiết kiệm được thời gian công của để sản xuất ra chiếc ô

tô

Phần mềm CarSim tính toán và mô phỏng rất nhiều hệ thống trên ô tô nhưng

có một phần không kém quan trọng đó là khí động học Khí động học là nghiên cứu

về dòng chảy của chất khí có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tính toán thiết kế khung xe, vật liệu chế tạo và công xuất của động cơ Việc mô phỏng phân tích tác động của khí động học lên ô tô sẽ cho ta tính toán gần chính xác các lực và mô men tác động lên xe Và từ đó chúng ta có thể biết các dòng khí có ảnh hưởng tốt hay xấu lên xe Do vậy, việc ‘Nghiên cứu mô phỏng khảo sát khí động học xe con trong Carsim” là cần thiết và có tính ứng dụng cao

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU PHẦN MỀM CARSIM 2.1 Giới thiệu Carsim

Tổng công ty mô phỏng cơ khí MSC (Mechanical Simulation Corporation) dẫn đầu thế giới trong việc phát triển và phân phối các phần mềm tiên tiến được sử dụng để mô phỏng hành vi, phản ứng của xe khi có sự tương tác động lực học theo

3 phương của xe, các bộ điều khiển tiên tiến, dẫn hướng và đường MSC được thành lập năm 1996, công ty cung cấp các gói mô phỏng dành cho xe hơi (CarSim),

xe tải (TruckSim), dành cho các xe gắn máy (BikeSim) Ngoài ra công ty đào tạo và

hỗ trợ liên tục hơn 30 nhà sản xuất OEM, hơn 60 đại lý cấp 1, hơn 150 trường đại học và các nhóm nghiên cứu của chính phủ trên toàn thế giới

Phần mềm có thể sử dụng trên các hệ điều hành 32 bít, 64 bít cho thời gian

mô phỏng nhanh hơn so với thời gian thực Trên hệ thống có tích hợp cho kiểm tra

mô phỏng phần cứng theo vòng kín – Hardware In the Loop (HIL)

2.1.1 Các mô hình trong CarSim

CarSim cung cấp các mô hình toán học mô phỏng các hệ thống trên xe cho phép tùy chỉnh các thông số trong mô hình để đưa bài toán về tối ưu, đồng thời đưa

ra các hành động ứng xử của xe trong quá trình mô phỏng Ngoài ra, CarSim cho phép làm việc cùng một số phần mềm khác như Simulink, labView, ATAS ASCET, chương trình C/C++, Visual Basic,… để tự động hóa hay mở rộng ứng dụng của mô hình

Chức năng của bảng cấu hình

Có khả năng xác định mối quan hệ phi tuyến giữa các biến độc lập với các biến phụ thuộc trong VS (VehicleSim®) Các mối quan hệ này có thể biểu diễn dưới dạng hằng số, hệ số tuyến tính, bảng phi tuyến với phương pháp nội suy đối với một hay hai biến độc lập

Nếu lựa chọn các phương pháp đơn giản để cấu hình (Sử dụng hệ số hay nội suy tuyến tính) sẽ rút ngắn được thời gian mô phỏng