phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định chuyển động của ô tô - máy kéo

I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong giai đoạn hiện nay trước sự phát triển của khoa học kỹ thuật cuộc sống của con người được nâng cao cả về vật chất và tinh thần, như cầu tham gia giao thông các phương tiện ngày càng tăng, tai nạn giao thông gia tăng vì vậy vấn đề an toàn khi sử dụng các phương tiện khi tham gia giao thông luôn được đặt ra đối với các nhà kỹ thuật ôtô – máy kéo. Sự chuyển động an toàn của ô tô phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái chuyển động của ô tô. Trong đó có trạng thái chuyển động không ổn định của xe xẩy ra khi ô tô không thể điều khiển hướng chuyển động theo quỹ đạo ổn định. Trạng thái chuyển động ổn định của ô tô phụ thuộc vào tính ổn định hướng chuyển động của ô tô máy kéo, được hiểu là khả năng của xe tự duy trì hướng chuyển động theo hướng đã được người điều khiển định trước. Tính ổn định hướng chuyển động của ô tô đảm bảo đến sự chuyển động êm dịu của xe, quyết định lớn đến mức độ an toàn và sức khoẻ cho người và sự an toàn hàng hóa trên xe. Đối với máy kéo, tính ổn định hướng chuyển động còn ảnh hưởng đến chất lượng công việc và hiệu quả kinh tế. Trong đó tính ổn định chuyển động thẳng gây ảnh hưởng lớn nhất. Ví dụ nếu máy kéo có tính ổn định chuyển động thẳng không tốt sẽ ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng cày, bừa … Do vậy việc nghiên cứu để nâng cao tính ổn định chuyển động của ô tô máy kéo luôn là vấn đề được nhiều nhà khoa học kỹ thuật trên thế giới và trong nước coi trọng. Các kiến thức về tính ổn định chuyển động ô tô máy kéo cũng cần được trang bị cho nhà quản lý và tổ chức sử dụng khai thác các phương tiện vận tải bằng ô tô cũng như sử dụng các liên hợp máy kéo trên đồng ruộng nhằm nâng cao tính an toàn, nâng cao chất lượng công việc và nâng cao hiệu quả kinh tế sử dụng các loại phương tiện này. Từ những lý do trên tôi tiến hành nghiên cứu chuyên đề : “Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định chuyển động của ô tô - máy kéo” • Mục tiêu của chuyên đề: Là đi sâu vào phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định chuyển động của ô tô máy kéo, từ đó đưa ra các biện pháp nâng cao tính an toàn khi sử dụng ô tô – máy kéo. • Yêu cầu: Trên cơ sở thu thập, nghiên cứu các tài liệu có liên quan tính ổn định chuyển động của xe, ta đi sâu vào phân tích các yếu tố chính làm ảnh hưởng đến tính ổn định chuyển động của ô tô máy kéo làm nổi bật lên mức độ ảnh hưởng của các yếu tố chính đó. 1 II. NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở đọc tài liệu sách vở, trên mạng kết hợp với kiến thức thầy cô cung cấp và thực tiễn tìm hiểu đưa ra phương án phân tích cho phù hợp. 2.2. Nội dung nghiên cứu 2.2.1. Cơ sở lý thuyết phân tích tính ổn định chuyển động của ô tô – máy kéo 2.2.1.1 Khái niệm Tính ổn định hướng chuyển động là tính chất chuyển động của cơ hệ sát gần với chuyển động chính hoặc chuyển động có thể đạt tới chuyển động chính khi có nhiễu. Ngược lại, chuyển động không ổn định có đặc tính của chuyển động chính và sau đó tiếp tục nhận được một vài nhiễu ban đầu nhỏ. 2.2.1.2 Các dạng chuyển động ổn định và dấu hiệu chính Tính chất ổn định của hệ thống cơ học có thể chia thành 2 dạng chính: Dạng 1- Từ những nhiễu ban đầu, trong suốt thời gian tác dụng, nhiễu có trị số gần bằng 0. Chuyển động chính của hệ thống nhận được gọi là ổn định tiệm cận. Dạng 2 - Nhiễu tồn tại nhưng nhỏ và không mất đi. Chuyển động chính của hệ thống nhận được gọi là ổn định không tiệm cận. Hệ thống cơ học học thực tế nào đó ( ví dụ máy kéo, Ô tô, máy móc, liên hợp máy kéo …) có thể nhận được hoặc không nhận được tính chất ổn định của chuyển động, nó phụ thuộc vào việc chọn các tham số động học khi thiết kế máy. Để đánh giá tính ổn định chuyển động của hệ thống cơ học có thể sử dụng một số chỉ tiêu nhất định tùy theo mức độ phức tạp của cơ hệ cũng như mục đích và điều kiện nghiên cứu. Một trong những lý thuyết cổ điển về chuyển động ổn định được sử dụng rộng rãi là công trình của A.M. Liapunov. Tóm tắt nội dung của lý thuyết này như sau: Nếu xét sự sai lệch giữa chuyển động có nhiễu và chuyển động không co nhiễu và ký hiệu e i , ta có: )()()( 0 tqtqt iiii −== εε (1.1) Khoảng cách ρ giữa những quĩ đạo chuyển động nhiễu và không nhiễu được xác định theo theo công thức: ∑ = = n i i 1 2 ερ (1.2) Từ đó ta có những khái niện ổn định xác định sau đây : + Ổn định chuyển động : Sự chuyển động của hệ thống cơ học được gọi là ổn định nếu có số α nhỏ tuỳ ý có thể tìm được một số A để sao cho ρ 0 <A thì nhận được 2 ρ< α khi t > t 0 . + Ổn định tiệm cận : Sự chuyển động hệ thống cơ học được gọi là ổn định tiệm cận nếu có thể tìm được số dương A để ρ 0 <A thì ρ →0 khi t→∞. + Chuyển động không ổn định : Sự chuyển động của hệ thống cơ học được gọi là không ổn định nếu nó không thoả mãn các điều kiện nói trên . 2.1.1.3. Lý thuyết xác định ổn định hướng chuyển động của cơ hệ Theo định lý A.M. Liapunov phương trình đại số bậc bất kỳ có nghiệm phức với phần thực âm, nếu tất cả các hệ số của phương trình là dương, ngoài ra định thực được lập từ các hệ số của phương trình đã được nghiên cứu có giá trị bằng 0. Dấu hiệu chỉ sự ổn định của hệ thống cơ học là trường hợp khi mà sai lệch so với chuyển động chính được miêu tả bằng phương trình vi phân tuyến tính có hệ số không đổi, nhưng khi thành lập phương trình vi phân của chuyển động lại thường nhận được phương trình không tuyến tính. Trong những trường hợp đó khi nghiên cứu một hệ thống di dời rất nhỏ sẽ dẫn đến phương trình tuyến tính. Với mục đích là thành lập tất cả phương trình tuyến tính nhờ có các bậc tự do hoặc một phương pháp nào đó sẽ đưa đến chuỗi bậc cao vô cùng nhỏ. Khi nghiên cứu phương trình đặc tính bằng 0 sẽ phức tạp trong việc xác định ổn định của cơ hệ, sự ổn định của chuyển động trong trường hợp đó có thể được giải quyết bằng phương trình không tuyến tính. Khi sai lệch của hệ thống so với vị trí cân bằng là nhiều nó sẽ phụ thuộc vào lực tác dụng, nên di chuyển và vận tốc cũng không phải là tuyến tính có thể sinh ra dao động tự động. 2.2.1.4. Quỹ đạo chuyển động của xe ô tô * Quan hệ động học Mô hình đưa ra ở dạng phẳng, trọng tâm của ô tô coi như đặt tại mặt đường. Quỹ đạo chuyển động của xe là một đường cong và được xác định bởi các vị trí liên tiếp của trọng tâm ô tô T. Vận tốc tức thời của ô tô là v đặt tại trọng tâm. Hệ toạ độ cố định (hệ toạ độ mặt đường) ký hiệu Ox 0 y 0 z 0, hệ toạ độ di động (hệ toạ độ gắn với trọng tâm ô tô) ký hiệu là Txyz. Như vậy vận tốc v tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động và nghiêng đi so với trục dọc ô tô là α (góc này được gọi tên là góc lệch hướng chuyển động của ô tô). Góc quay tương đối giữa hai hệ toạ độ là ε và cũng chính là góc quay của trục dọc ô tô khi chuyển động Chiếu vận tốc v lên hai trục Ox 0 và Oy 0 , ta có: . os( + ) xo v v c α ε = .sin( ) yo v v α ε = + Vị trí toạ độ trọng tâm được tính bằng tích phân: 3 0 0 .cos( ). t t o xo x v dt v dt α ε = = + ∫ ∫ 0 0 .sin( ). t t o yo y v dt v dt α ε = = + ∫ ∫ Để xác định quỹ đạo chuyển động của xe cần xác định các góc α và ε , toạ độ x 0, y 0. Các thông số khác cần xác định trên là: − Gia tốc hướng tâm: a h có mặt là do ô tô chuyển động trên một quỹ đạo cong có gia tốc chuyển động tịnh tiến không trùng với vận tốc v 2 h i v a R = Trong đó R i là bán kính đường cong tức thời của quỹ đạo. Đạo hàm theo thời gian của v x0 và y y0 thu được : cos( ) .( ).sin( ) xo v v v α ε α ε α ε = + − + + & & & & .sin( ) .( ). os( + ) yo v v v c α ε α ε α ε = + + + & & & & ( )v α ε + & & là gia tốc hướng tâm a h: .( ) h a v α ε = + & & 4 Khoảng cách TP là bán kính cong của quỹ đạo R i . Khoảng cách TP là bán kính quay của trọng tâm ô tô. Nếu trong trường hợp v= const; α=const thì R i =R lúc đó a h = a ht; và t ε ε = & & 2 ht t v a v R ε = = & Ở đây sử dụng “t” để chỉ trạng thái quay vòng ổn định (gọi là quay vòng đều). * Phương trình mổ tả quỹ đạo chuyển động của ôtô Các lực tác dụng lên bánh xe bao gồm: Lực kéo (X i ), lực cản lăn (P fi ); các lực phản bên (S i ), các mô men quay cản của bánh xe (M si ). Trọng tâm ô tô T đặt cách tâm trục cầu sau một đoạn là b; cách tâm trục cầu trước một đoạn là a. Chiều dài cơ sở là l =a+ b. Lực cản của không khí (kể cả của gió ) đặt tại điểm C cách trọng tâm một đoạn e và chia làm hai thành phần. Lực cản không khí theo phương dọc là x là Pw và lực gió bên là N. 5 Tại trọng tâm ô tô có lực quán tính mv & , lực ly tâm là . ( )m v α ε + & & , trong đó m là khối lượng của ô tô. Khi thân xe quay, xuất hiện mô men quán tính xung quanh trục Tz và có giá trị là z J ε && (J z là mô men quán tính của ô tô đối với trục Tz đi qua trọng tâm T, ε && là gia tốc góc quay thân xe). Góc quay của bánh xe trước là β t , các kích thước chiều rộng vết lốp của cầu trước là t t , cầu sau là t s. Phương trình cân bằng các lực và mô mem sẽ là: Đối với trục dọc ô tô 1 2 1 2 1 2 t 3 4 3 4 cos ( )sin ( )sin ( ) os 0 t f f f f mv mv s s X X P P c P X X P P ω α α ε α β β − + + − + + + + − − − + + − − = & & & (2.1) Đối với trục ngang ô tô 1 2 t 3 4 1 2 1 2 sin ( ) os -(S ) os ( )sin 0 f f t mv mv c S c S S X X P P N α α ε α β β − − + + + + + + + − − + = & & & (2.2) Phương trình cân bằng mô men đối với trọng tâm ô tô T 1 2 3 4 1 2 1 2 3 4 1 2 1 2 t 1 2 1 2 t 3 3 4 4 ( ) cos ( ) ( ). sin 2 ( ) ( )a.sin ( ) os ( ) . 0 2 2 t z t t s s s s f f t s f f f f t J S S a S S b S S M M M M X X P P t t X X P P c X P X P N ε β β β β ε − + + − + + − − − + + + + + − − − − − − + − − − + + = && (2.3) Các phương trình này biểu thị sự chuyển động của ô tô khi bánh xe dẫn hướng có thể lệch một góc β t . Vậy phương trình 2.1, 2.2, 2.3 được gọi là phương trình quay vòng của ô tô. Nếu β t = 0 khi đó ô tô có thể chuyển động thẳng. Ở đây coi chuyển động thẳng là một trường hợp đặc biệt của chuyển động quay vòng. Các phương trình này có dạng vi phân bậc 2 đối với α, ε, với các hàm kích động là các mô men, phản lực của mặt đuờng, các lực cản 6 không khí, lực cản gió bên và góc đánh vành lái β t . * Mô hình của hệ thống lái Góc quay các bánh xe dẫn hướng β t của ô tô được coi là như nhau. Trong thực tế các góc quay này là khác nhau và được quyết định bởi phương pháp dẫn động lái. Sự sai khác này ở đây không kể tới bởi vì cần thiết hơn cả là xác định mối quan hệ của góc quay vành lái β v và góc quay bánh xe dẫn hướng β t chịu ảnh hưởng của góc quay vành lái, cơ cấu lái, đòn dẫn động lá, trụ đứng và các bánh xe dẫn hướng. Mô hình được miêu tả như trên hình: Mối quan của β t và * t β được thể hiện qua phương trình sau: 1 21 * )).(( C nnSS sk t ++ −= ββ (2.4) Khi cần xác định mối quan hệ của β t và β v ta sử dụng công thức: 1 21 1 )).(( C nnSS i skv t ++ −= β β (2.5) Áp dụng 2 mô hình 1 có thể khảo sát mối quan hệ động lực học theo hướng chuyển động của ô tô bằng các phương trình 2.1, 2.2, 2.3 và 2.5. 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định hướng chuyển động xe ô tô Sự chuyển động của ô tô trên nền đường phụ thuộc rất nhiều vào mối quan hệ của bánh xe trên nền đường. Nếu gắn vào bánh xe một hệ tọa độ không gian ba chiều, bánh xe sẽ chịu các lực dọc (theo phương x), lực ngang (theo phương y) và lực thẳng đứng (theo phương z) đồng thời chịu mô men tác dụng theo các trục M x , (quay xung quanh trục x); M y (quay xung quanh trục y); M z (quay xung quanh trục z). Các lực và mô men này luôn luôn biến động và phụ thuộc và tốc độ quay và khả năng biến dạng của bánh xe. Trong khoảng thời gian ngắn bánh xe có thể được coi là lăn đều, tâm quay của bánh xe là tâm trục. Trạng thái này là trạng thái cơ sở để khảo sát . 7 Hình 1: Mô hình của hệ thống lái Trụ đứng Cơ cấu lái Vành lái Trục lái Đòn quay đứng Độ cứng (C z) Đòn quay phụ Đòn quay bánh xe Trụ đứng X 1 X 1 X 2 n s1 n k S 1 S 2 t β + t β + x 0 y 0 z 0 + n s2 n k r 0 n x2 n x1 r 0 S 1 v β Đòn ngang * v v l i β β = P P P 2.3.2.1 Góc lệch bên và mô men đàn hồi của bánh xe khi chịu lực ngang Coi bánh xe được đặt vuông góc với mặt đường và đứng yên, chiu lực theo phương z (hình 2), lực bên Y k tác dụng vào bánh xe tại tâm quay.Tại bề mặt tiếp xúc của bánh xe; phản lực thẳng đứng Z k và phản lực bên S k . Do bánh xe đàn hồi nên mặt phẳng đối xứng của bánh xe dịch chuyển một đoạn y k (so với khi không có lực bên Y k ). Các thí nghiệm chỉ ra rằng biểu đồ phân bố các lực bên phần tử tại vết tiếp xúc có dạng như trên hình vẽ. Tổng hợp các lực bên S k và đặt tại điểm giữa của vết tiếp xúc . Trường hợp này không tạo nên mô men đàn hồi của bánh xe. Nếu bánh xe lăn đều (v k ≠ 0) biến dạng của phần bánh xe đàn hồi nằm trong vết tiếp xúc sẽ khác nhau. Biểu đồ lực bên phần tử sẽ có dạng như trên hình vẽ (3.1.b). Tổng hợp các lực bên phần tử sẽ chuyển dịch về phía sau so với tâm vết tiếp xúc một đoạn n s (Độ dịch sau của lực bên tổng hợp S k ), đồng thời tạo nên sự lệch bên của đường tâm vết tiếp xúc với phương vận tốc bánh xe x k một góc k α . Góc lệch k α được gọi là góc lệch bên của bánh xe khi chịu lực bên. Do có độ dịch sau của lực bên tổng hợp so với lực Y k tác dụng tại tâm trục, xuất hiện mô men ngẫu lực của S k và Y k quay xung quanh trục z. Nếu ta chuyển lực S k về tâm vết tiếp xúc thì phải thêm vào mô men M sk . k sk s S M n = (2.6) Mô men M sk có cùng chiều quay của véc tơ v k và tạo nên xu hướng làm quay bánh xe gây nên mất ổn định cho xe. Bởi vậy M sk được gọi là mô men đàn hồi bánh xe. Dấu và chiều được xác định trên hình vẽ . 8 Hình 2: Sự thay đổi vết tiếp xúc và các mối quan hệ động học, động lực học của bánh xe khi v k =0 (a) và v k 0 (b) z k z k V k = 0 V k ≠ 0 Y k Y k y k y k S k Z k Z k S k S k X k Y k y k Vết tiếp xúc X k k α Y k S k S k n s y k 2.3.2.2 Các đặc tính của bánh xe khi có mặt lực dọc, khả năng trượt ngang, trượt dọc Sự lăn của bánh xe thường xảy ra khi có măt cả lực dọc và lực bên.Lực dọc có thể quy ước theo hệ toạ độ của ô tô đã chọn, hoặc quy ước là dương khi truyền lực kéo và là âm khi chịu lực phanh. Lực dọc bị giới hạn bởi lực bám . Giá trị lực dọc lớn nhất của bánh xe có thể đạt giá trị bằng giá trị lực bám của bánh xe với mặt đường. Giới hạn axm k X của lực dọc khi không có mặt lực bên là: ax ax . m m k x k X Z ϕ = (2.7) Ký hiệu axm x ϕ biểu thị hệ số bám dọc lớn nhất của bánh xe theo phương x. Nếu Z k =const; S k =0 bánh xe có thể tiếp nhận lực dọc lớn nhất. Khi có mặt của lực bên khả năng truyển lực dọc của bánh xe sẽ bị giảm nhỏ. Giả thiết rằng khả năng bám ngang ( y ϕ ) và bám dọc ( x ϕ ) là như nhau thì trong toạ độ Oxy trên mặt phẳng của đường, đầu mút của các vectơ phản lực tổng hợp từ lực dọc và lực ngang lớn nhất sẽ được vẽ trên đường tròn với bán kính là axm k R , tâm là tâm của vết tiếp xúc của bánh xe như hình vẽ. 2 2 k k k R X S= + (2.8) Giá trị axm k R đạt được khi ( axm x ϕ = axm y ϕ = axm ϕ ) axm k R = axm ϕ . Z k (2.9) Từ đồ thị nhận thấy nếu X k đạt axm k X thì S k =0 tức là khi đó bánh xe không có khả năng tiếp nhận lực bên. Ngược lại nếu S k đạt axm k S khi đó bánh xe không có khả năng tiếp nhận lực tổng hợp từ lực dọc. Như vậy đường tròn vẽ nên bởi đầu mút của axm k R là giới hạn khả năng tiếp nhận lực tổng hợp từ lực dọc và lực ngang của bánh xe. 9 Hình 3: Dấu và chiều của , S k , M sk . X k X kv k v k -Y k -Y k y k y k +S k n s +S k z k + k α + M sk k α + Kèm theo khả năng tiếp nhận lực dọc và lực bên của bánh xe là hiện tượng trượt dọc và trượt ngang của bánh xe, khi có lực dọc cực đại (kéo, phanh) bánh xe dễ dàng bị trượt bên và ngược lại khi có lực bên cực đại, bánh xe dễ dàng bị trượt dọc. Đó là cơ sở khi xem xét tính điều khiển và dẫn hướng của bánh xe và của ô tô. 2.3.2.3 Ảnh hưởng của gió Ảnh hưởng của gió đuợc tính toán trong trường hợp tổng quát bao gồm: -Vận tốc dịch chuyển của ô tô trong môi trường không khí tĩnh. Trên trục toạ độ gắn với ô tô vận tốc này mang dấu âm (- o v ) và nghiêng so với trục dọc của ô tô một góc α . - Vận tốc gió v g biểu thị trên hình 5. Tổng hợp hai véctơ vận tốc này: 0kk k v v v= + r r r Véctơ kk v r nghiêng so với trục dọc ô tô một góc τ . Góc τ được gọi là góc tác dụng của gió. Khi ô tô chuyển động thẳng theo chiều gió thì τ =0, còn lại thường xuyên chịu ảnh hưởng của gió với τ ≠ 0. Để xác định ảnh hưởng của gió bên trong bài toán quỹ đạo chuyển động có thể giả thiết rằng: - Phương của vận tốc ô tô nghiêng đi so với trục dọc một góc + α - Toạ độ của vỏ khí động được xác định là điểm giữa (hình dạng hình dọc) của ô tô: O. 10 S k S k 0 0 X k =0 X k1 X k2 S k S k1 S k2 X k α k ϕ Y Z K X K1 X K2 Hình 4: Ảnh hưởng của lực dọc tới đặc tính lệch bên của bánh xe V g τ α V g V kk Hình 5: Xác định ảnh hưởng của gió [...]... đạo chuyển động Vậy βs >0 sẽ ảnh hưởng theo xu hướng quay vòng thiếu, βs 0 ⇒ vận tốc v = ⇒ v • = , K ε m Cas b − Cat a ( ) (2.20) Với vận tốc này ô tô có độ nhạy lớn đối với góc quay thân xe Ở trạng thái này người lái xe cần thận trọng điều khiển tốc độ để ô tô có thể làm chủ quỹ đạo chuyển động , - K < 0 ở tại vận tốc v = − 1 Cat Cas l 2 2 vng . vào phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định chuyển động của ô tô máy kéo, từ đó đưa ra các biện pháp nâng cao tính an toàn khi sử dụng ô tô – máy. lý do trên tôi tiến hành nghiên cứu chuyên đề : Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định chuyển động của ô tô - máy kéo • Mục tiêu của chuyên