(Luận văn thạc sĩ) mô phỏng ảnh hưởng động học của bộ phận dẫn hướng đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN NHƯ TRUNG MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG ĐỘNG HỌC CỦA BỘ PHẬN DẪN HƯỚNG ĐẾN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 8520116 SKC008007 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN NHƯ TRUNG MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG ĐỘNG HỌC CỦA BỘ PHẬN DẪN HƯỚNG ĐẾN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 Hướng dẫn khoa học: TS LÊ THANH TUẤN ii Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2023 iii iv v vi vii viii ix x Hình 4.14: Biên dạng mặt đường thực nghiệm 4.4 Tiến hành khảo sát thực nghiệm 4.4.1 Khảo sát ảnh hưởng dịch chuyển bánh xe so với thân xe đến quỹ đạo chuyển động ô tô Để khảo sát ảnh hưởng động học phận dẫn hướng đến quỹ đạo chuyển động ô tô, ta tiến hành thay đổi tải trọng tác dụng xe nhằm tác động làm cho bánh xe thân xe có dịch chuyển, hay nói khác làm thay đổi khoảng cách thân xe bánh xe Tiến hành đo góc lệch bánh xe dẫn hướng bánh xe chịu tải trọng ban đầu ( khơng có người xe ) Hình 4.15 Hình 4.15: Khảo sát góc lệch bánh xe dẫn hướng tải trọng ban đầu xe 70 Ta tiến hành thay đổi tải trọng tác dụng lên bánh xe cách cho hai hành khách lên xe thực đo góc lệch bánh xe dẫn hướng Hình 4.16 Hình 4.16: Thực nghiệm thêm tải trọng lên xe lần thứ Sau ghi nhận kết quả, tiến hành thay đổi tải trọng lần thứ 2, lần thực nghiệm tăng tải trọng cách cho hành khách ngồi xe (Hình 4.17) Hình 4.17: Thực nghiệm thêm tải trọng lên xe lần thứ Kết đo giá trị từ bàn đo góc xoay bánh xe dẫn hướng qua điều kiện khảo sát khác Để đạt kết chuẩn xác nhất, luận văn tiến hành thực nghiệm nhiều lần đo kết Bảng 4.1 71 Bảng 4.1: Kết khảo sát góc lệch bánh xe dẫn hướng theo tải trọng Lần 415Kg 430Kg 370Kg 440Kg Khoảng dịch chuyển thân xe bánh xe Bánh xe Bánh xe trước trước phải trái 39 cm 41 cm Lần 450Kg 460Kg 415Kg 480Kg 38 cm 39 cm 3.2 2.9 Lần 465Kg 490Kg 525Kg 550Kg 37.5 cm 38.5 cm 4.5 4.3 Lần Thực Nghiệm Tải trọng bánh xe bên trái Bánh trước Tải trọng bánh xe bên phải Bánh sau Bánh trước Bánh sau Góc lệch bánh xe dẫn hướng(độ) Bên Bên trái phải 1.8 2.1 Qua trình thực nghiệm ta thấy tăng tải trọng lên xe, làm cho giảm chấn lò xo hệ thống treo bị nén xuống, dẫn đến khoảng cách bánh xe thân xe giảm Góc quay bánh xe dẫn hướng bị thay đổi không tác động vào vơ lăng có xu hướng mở rộng so với thân xe Điều chứng tỏ động học phận dẫn hướng có ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động xe Qua kết thực nghiệm chứng minh kết mô chương hồn tồn xác trùng khớp, động học phẩn dẫn hướng có làm thay đổi quỹ đạo chuyển động xe xe di chuyển 4.4.2 Đánh giá kết thực nghiệm Qua thông số kết đo đạc Bảng 4.1 cho ta thấy, tải trọng tăng lên làm cho độ cao thân bị thay đổi, cụ thể tăng tải trọng độ cao thân xe giảm, đồng thời khoảng dịch chuyển bánh xe so với thân xe tăng lên Chính dịch chuyển làm cho góc lái bánh xe dẫn hướng bị lệch so với ban đầu Tải trọng lớn góc lái lệch bánh xe dẫn hướng tăng lên góc bánh xe có xu hướng quay ngồi, dẫn đến độ chụm bánh xe tăng lên Điều làm cho tâm bánh xe có khả bị lệch trục dẫn đến ổn định quỹ đạo chuyển động xe 4.4.3 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ quỹ đạo chuyển động tơ 4.4.3.1 Mơ hình thực nghiệm 72 Hình 4.18: Mơ hình khảo sát thực nghiệm Mơ hình thực nghiệm sử dụng loại cảm biến là: cảm biến gia tốc, cảm biến HF, cảm biến tốc độ cảm biến GPS làm tín hiệu đầu vào Bộ GPS Kitsler có chức thu thập truyền tín hiệu máy tính để xử lý kết đo đạc 4.4.3.2 Tiến hành thực nghiệm Sau tiến hành lắp đặt cảm biến, tiến hành cho xe chuyển động quay vòng với tốc độ khác ( Vx = 7, 8, km/h ) tương ứng với góc quay vơ lăng hết cỡ Hình 4.19: Tiến hành cho xe chạy quay vịng 73 Qúa trình thực nghiệm đo nhiều lần ta kết trung bình sau: Hình 4.20: Đồ thị bán kính quay vịng xe vận tốc Vx = 7km/h Hình 4.21: Đồ thị bán kính quay vòng xe vận tốc Vx = 8km/h 74 Hình 4.22: Đồ thị bán kính quay vịng xe vận tốc Vx = 9km/h Kết thực nghiệm q trình dao động quay vịng tơ sau lấy trung bình vận tốc khoảng thời gian cố định ta Bảng 4.2 Bảng 4.2: Kết thực nghiệm khảo sát dao động quay vịng Vận tốc trung bình TT 7.4 8.7 9.4 Bán kính quay vịng thực tế trung bình 5.3 5.4 5.4 Bán kính quay vịng mơ 5.5 5.6 5.7 Qua kết thực nghiệm cho ta thấy được, tốc độ có ảnh hưởng đến động học hệ thống treo từ làm thay đổi quỹ đạo chuyển động tơ: - Khi ta quay vịng tốc độ lớn làm cho bán kính quay vòng xe tỷ lệ thuận với tốc độ Khi tốc độ xe tăng, làm xuất lực qn tính li tâm (lực có độ lớn tỉ lệ thuận với vận tốc trọng lượng xe), lực quán 75 tính li tâm lúc đóng vai trị giống lực ngang Lực li tâm có xu hướng kéo xe theo hướng ngược hướng quay vòng làm thân xe bị nghiêng theo hướng đối diện với tâm quay vịng Từ làm cho bán kính quay vịng xe tăng lên xe bị quay vòng thiếu Kết thực nghiệm thể Bảng 4.2 đồ thị ta thấy kết bán kính quay vịng ô tô trình thực nghiệm trình khảo sát mô Chương tương đối trùng khớp Có sai số nhỏ q trình mô thực ngiệm, thông số kết đo q trình mơ có phần lớn trình thực nghiệm thể Bảng 4.3 sau: Bảng 4.3: Kết sai số thực nghiệm mô TT Vận tốc trung bình 7.4 8.7 9.4 Sai số trung bình ± 0.2 ± 0.2 ± 0.3 Sự sai số nhỏ kết hai q trình khảo sát mơ thực nghiệm giải thích sau: - Trong q trình mơ phỏng, điều kiện khảo sát mặt đường phẳng tuyệt đối, trình thực nghiệm, khơng có mặt đường mặt đường phẳng tuyệt đối để đáp ứng cho trình thực nghiệm nên có sai lệch kết - Một yếu tố ảnh hưởng đến sai lệch hai trình khảo sát người điều khiển, trình thực nghiệm, người điều khơng thể trì tốc độ chuyển động xe mức cố định mơ phỏng, thay đổi tốc độ ảnh hưởng đến kết khảo sát - Và yếu tố thứ ba q trình thực nghiệm không thực tốc độ cao nhằm đảm bảo tính an tồn cho người, kết chưa hồn tồn tương thích với mơ 76 4.4.3.3 Kết luận Qua kết thực nghiệm, ta kiểm chứng kết q trình mơ hồn tồn xác Đồng thời cho thấy động học phận dẫn hướng ảnh hưởng nhiều đến quỹ đạo chuyển động ô tô, tác động làm thay đổi bán kính quay vịng tơ, sai lệch góc lái bánh xe dẫn hướng gây ổn định quỹ đạo chuyển động ô tơ Do đó, việc nghiên cứu, thiết kế, cải thiện hệ thống treo đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mặt động học, đảm bảo tính an tồn hiệu chuyển động vô cần thiết 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Thông qua trình nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng động học phận dẫn hướng trình chuyển động ô tô, luận văn đúc kết số kết góp phần đóng góp cho cải tiến hệ thống treo sau: Trình bày khái quát sở lý thuyết động học hệ thống treo Mc.Pherson động học phận dẫn hướng hệ thống treo để phục vụ cho trình nghiên cứu Thiết lập mơ hình khơng gian động học chuyển động ô tô dạng đơn giản hóa đáp ứng đầy đủ xác cho q trình tính tốn, nghiên cứu Qua thiết lập hệ phương trình vi phân lực mô men tác dụng lên xe, góp phần cho tính tốn động học hệ thống treo dễ dàng Ứng dụng mô 3D lập trình tính tốn phần mềm Inventor, luận văn xây dựng mơ hình hệ thống treo, đồng thời khảo sát thu thập thông số chứng minh cho ảnh hưởng động học phận dẫn hướng đến quỹ đạo chuyển động ô tô Đã thiết lập tiến hành thực nghiệm đo đạc kết thực tế xác để kiểm chứng cho mơ hình tính tốn, mơ Một lần chứng minh động học phận dẫn hướng có tác động làm làm thay đổi quỹ đạo chuyển động ô tô Định hướng phát triển nghiên cứu: Qua kết mà luận văn làm trên, luận văn tiếp tục tiến hành nghiên cứu yếu tố sau: Thực nghiên cứu tìm giải pháp để khắc phục ảnh hưởng động học phận dẫn hướng gây ra, nhằm góp phần mang lại ổn định tối đa cho trình di chuyển ô tô 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sert, E and P Boyraz, Optimization of suspension system and sensitivity analysis for improvement of stability in a midsize heavy vehicle Engineering science and technology, an international journal 20(3): pp.997-1012, 2017 [2] Amir Afkar and Mahdmoodi – Kaleibar, Geometry optimization of double wishbone suspension system via genetic algorithm for handling improvement,Vibroengineering.Journal 12(2): pp.1392-8716, 2012 [3] Patryk RóĪyáo, Kinematic simulation and numerical analysis of the suspension system of light wheeled vehicle, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol 21, 2014 [4] Rajvardhan, R., et al, Effect of wheel geometry parameters on vehicle steering SAS TECH Journal 9(2):1 11-18, 2010 [5] Parczewski, K and H Wnęk, The influence of vehicle body roll angle on the motion stability and maneuverability of the vehicle, Combustion Engines 56, 2017 [6] Quân, N H, Phân tích động học hệ thống treo hai địn ngang, Tạp chí nghiên cứu khoa học-Đại học Sao Đỏ, 2019 [7] Quân, N H, Tối ưu động học hệ thống treo độc lập hai địn ngang có kể đến tính đàn hồi phần tử dẫn hướng, Tạp chí KHKT Thủy Lợi Và Mơi Trường, 2019 [8] Anh, L.V, Ảnh hưởng sai lệch góc đặt bánh xe dẫn hướng đến ổn định chuyển động thẳng ô tô, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2017 [9] Toan, N.Q, Nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống treo đến khả ổn định ô tô, Luận văn thạc sĩ, Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2008 [10] Michael Blundell, Damian Harty, The Multibody Systems Approach to Vehicle Dynamics, Elsevier Butterworth-Heinemann, pp 23-43, 2004 xvii NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG TREO ĐẾN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ STUDY ON THE KINEMATIC EFFECT OF THE SUSPENSION SYSTEM ON VEHICLE'S TRAJECTORY STABILITY Lê Thanh Tuấn1, Nguyễn Chí Thanh1, Nguyễn Mạnh Hùng1, Trần Như Trung2 Trường Sỹ quan Kỹ thuật quân Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM TÓM TẮT: Động học hệ thống treo ảnh hưởng trực tiếp đến tính an tồn tính điều khiển tơ Bài báo trình bày mơ hình vật lý mơ hình tốn học khảo sát ảnh hưởng động học hệ thống treo đến ổn định quỹ đạo chuyển động quay vòng tơ Nhóm tác giả kết hợp mơ 3D phần mềm Autodesk Inventor lập trình Visual Basic for Applications để xây dựng đồ thị quan hệ động học hệ thống treo với quĩ đạo chuyển động tơ Kết nghiên cứu sử dụng cho việc tối ưu hóa việc cải tiến thiết kế hệ thống treo đảm bảo ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô Từ khóa: Động học hệ thống treo, quỹ đạo chuyển động, ổn định ABSTRACT: The kinematics of the suspension system directly affects the safety and control of the car This paper presents a physical model and a mathematical model investigate the influence of the suspension kinematics for the stability of the vehicle's corner trajectory The authors combine 3D simulation with Autodesk Inventor software and programming with Visual Basic for Applications to build a graph of the relationship between suspension kinematics with the vehicle's motion trajectory The research results can be used for optimization in the improvement and design of the suspension system to ensure the stability of the vehicle's trajectory trajectory Keywords: Kinematic of suspension system, vehicle's trajectory, stability ĐẶT VẤN ĐỀ An toàn điều khiển chuyển hưởng đến ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô tiêu hàng đầu động ô tô động học hệ đánh giá chất lượng thiết kế khai thống treo (Hình ), thay đổi vị thác sử dụng tơ Tính an tồn điều trí bánh xe mặt phẳng lăn khiển đánh giá thông qua chuyển chúng Sự phối hợp động học không động thẳng, chuyển động quay vòng hợp lý hệ thống treo dẫn dao động ô tô Trong chuyển động động hệ thống lái nguyên nhân gây quay vòng, ô tô ổn định quỹ nên thay đổi góc quay bánh xe đạo chuyển động dễ dàng dẫn tới dẫn hướng an toàn giao thơng Mối quan hệ dịch chuyển Trong q trình chuyển động tơ, ln có nhiều yếu tố tác động làm cho quỹ đạo chuyển động ô tô bị thay đổi Một yếu tố làm ảnh tương đối bánh xe so với khung xe góc quay bánh xe dẫn hướng tương ứng với góc quay vơ lăng xây dựng mô 3D xviii phần mềm Autodesk Inventor lập trình Visual Basic for Applications thể Hình Đồ thị cho thấy khoảng cách bánh xe thân xe tăng lên tương ứng với góc quay vơ lăng sang bên trái góc quay bánh xe Hình Mơ hình xác định góc quay bánh xe cầu trước dẫn hướng bên trái (đường nét đứt) tăng lên bên phải (đường nét liền) giảm xuống khơng thay đổi góc quay vô lăng Điều làm cho ô tô chuyển động quay vòng thiếu thừa hay ổn định quỹ đạo chuyển động Hình Đồ thị ảnh hưởng động học hệ thống treo đến góc quay bánh xe dẫn hướng XÂY DỰNG MƠ HÌNH KHẢO SÁT chuyển phương Xv, dịch chuyển phương Để khảo sát quỹ đạo chuyển động Yv xoay xung quanh phương Zv) tơ, báo xây dựng mơ hình khảo sát hệ tọa độ gắn với thân xe OSXSYSZS quay vịng cho tơ hai cầu với cầu (dịch chuyển phương Zs, xoay xung trước dẫn hướng (Hình ) Mơ hình quanh phương Xs xoay xung quanh gồm có hệ tọa độ gắn với quỹ đạo phương Ys) chuyển động ô tô O X Y Z (dịch V v v v Hình Mơ hình khơng gian khảo sát chuyển động quay vịng tơ xviii Theo định luật Newton, hệ phương trình mơ tả chuyển động quay vịng tơ xây dựng sau: mV O  AV FO ; JV O  M O ; mV Os  AV FO ; JV Os  M O (1) Với   FOV   FxV FyV 0 ; M OV  0 M zv  ;  FOs  0 Fzs  ; M Os   M xs M ys 0 V V V V s s  VOV  (vxV cos V  vyV sin V ) (vyV cos V  vxV sin V ) 0 O   0   V VOs   0 (vzs cos  s cos s ) ; O    0 S Để xác định trạng thái quay vịng tơ theo hệ phương trình (1) cần phải xác định lực dọc, lực ngang tác dụng lên bánh xe góc quay bánh xe dẫn hướng Lực dọc tác dụng lên bánh xe lực kéo tiếp tuyến bánh xe phía trước Lực ngang xác định theo công thức [2]: Fy = Dsin(C.arctan{B.(1E).(α+Sh) + E arctan[B (α+Sh)]}) + Sv (2) Trong đó: B, C, D, E, Sh, Sv hệ số phụ thuộc vào tải trọng thẳng đứng Fz hệ số thực nghiệm; α góc lệch ngang bánh xe Góc quay bánh xe dẫn hướng phụ thuộc vào góc quay vô lăng động học hệ thống treo Khảo sát động học hệ thống treo theo phương pháp giải tích phức tạp, nên báo sử dụng kết hợp mô 3D phần mềm Autodesk Inventor lập trình Visual Basic for Applications (Hình ) để xác định góc quay bánh xe dẫn hướng theo dịch chuyển tương đối bánh xe dẫn hướng so với thân xe tương ứng với góc quay vô lăng ô tô sử dụng hệ thống treo Macpherson Hình Sơ đồ khảo sát động học hệ thống treo lập trình Visual Basic for Applications (a) mô 3D phần mềm Autodesk Inventor (b) xvii KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG TREO ĐẾN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ Bài báo thực khảo sát ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô chuyển động quay vịng với thơng số kết cấu (Bảng ) thông số thực nghiệm lốp xe xe tham khảo tài liệu [2] Mô men quán tính kg khối lượng m quay quanh trục y Độ cứng hệ thống N/ treo trước m Độ cứng hệ thống treo sau 16 30 24 00 N/ m 20 00 m /s 30 ;4 0; 50 ;6 Bảng Thông số kết cấu tơ Thơng số Khối lượng tồn Khoảng cách từ cầu trước đến trọng tâm thân xe Chiều rộng thân xe Đơ Giá n vị trị kg 19 50 m m 83 Thông số Chiều cao tọa độ thân xe Khoảng cách từ cầu sau đến trọng tâm thân xe Mô men quán tính khối lượng quay quanh trục x Đơ n vị Giá trị m 0.5 m 1.5 kg m2 530 Hình Quỹ đạo chuyển động ô tô với vận tốc khác Vận tốc chuyển động ô tơ Mơ men qn tính khối lượng quay quanh trục z Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo sau Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo trước Tỉ số truyền hệ thống lái kg m2 165 N.m /s2 200 N.m /s2 150 - 26.5 Kết khảo sát quỹ đạo chuyển động dịch chuyển điểm treo phía trước thân xe ô tô ô tô chuyển động quay vịng với vận tốc chuyển động khơng đổi (Vx = 30, 40, 50, 60 km/h ) góc quay vô lăng sang trái lớn (7200) thể Hình Hình 6166 Hình 616 Dịch chuyển điểm treo bên trái bên phải phía trước thân xe KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Qua khảo sát cho thấy quay vòng xuất lực quán tính ly tâm làm thân xe bị xoay theo chiều ngược với hướng quay vòng Điều làm cho điểm treo hệ thống treo bên trái phía trước nâng cao lên (đường nét đứt Hình 616) điểm treo hệ thống treo xvii bên phải phía trước hạ thấp xuống (đường nét liền Hình 616) so với vị trí trước quay vịng, góc quay bánh xe dẫn hướng bên trái bên phải tăng lên KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình mơ hệ thống treo trước, mơ hình động lực học quay vịng để khảo sát ảnh hưởng động học hệ thống treo đến quỹ đạo chuyển động ô tô Với việc Bảng Kết khảo sát bán kính quay áp dụng phương pháp trên, báo vịng tơ khảo sát bán kính quay vịng Vận tốc Bán kính quay vịng (m) tơ tơ chuyển động quay vịng (km/h) Có ảnh Khơng có với vận tốc chuyển động khơng đổi hưởng ảnh hưởng góc quay vô lăng sang trái lớn Kết HTT HTT 30 13,79 14,57 khảo sát cho thấy hệ thống treo có 40 23,08 24,79 ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động 50 34,87 41,72 tơ, để đảm bảo cho ô tô 60 49,19 54,08 quay vòng theo ý muốn người điều Kết quỹ đạo chuyển động quay khiển (góc quay vơ lăng) cần tính vịng có ảnh hưởng động học hệ tốn thiết kế hệ thống treo có tính chất thống treo làm cho tơ quay vịng với động học cho giảm ảnh hưởng bán kính nhỏ (Bảng ) tơ có xu đến quỹ đạo chuyển động nhằm nâng hướng quay vịng thừa cao tính an tồn điều khiển tơ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Khắc Trai, Tính ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô, pp 1222, NXB Giao thông vận tải, (1997) [2] Giancarlo Genta, Lorenzo Morello ,The Automotive Chassis Vol.2, pp.306347,Springer, Inc, (2009) [3] Reza N.Jazar, Vehicle Dynamics Theory and Application, pp 583-618, Springer, Inc, (2017) Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Trần Như Trung Đơn vị: Trường Cao Đẳng Kỹ Nghệ II Điện thoại: 0388331186 Email: trannhutrung15145401@gmail.com xviii