Trang 1 VŨ THẾ TRUYỀNBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- Vũ Thế TruyềnCƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ CON KHI PHANH TRÊN ĐƯỜNG VÒNG Trang 2
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU -
Yêu cầu thực tế
- Được thực hiện bằng những hành vi cụ thể
- Gây ra thiệt hại nhất định về tính mạng, sức khỏe con người, vật, tài sản.
Chủ thể thực hiện hành vi cuối cùng trong vụ tai nạn giao thông phải là những người đang tham gia vào hoạt động giao thông.
- Xét về lỗi, chỉ có thể là lỗi vô ý hoặc là không có lỗi, không thể là lỗi cố ý.
Vào năm 1896, một chiếc ôtô thử nghiệm tại Anh đã gây ra cái chết của hai người, và ba năm sau, một vụ tai nạn ôtô khác tại Mỹ đã làm một người thiệt mạng Kể từ đó, số lượng tử vong do tai nạn giao thông ngày càng gia tăng, trở thành một vấn đề phức tạp và đa dạng trên toàn cầu Tai nạn giao thông hiện nay không chỉ xảy ra trên đường bộ mà còn liên quan đến xe hai bánh, tàu hỏa và máy bay, tạo thành một mối nguy hiểm toàn cầu, đặc biệt nghiêm trọng ở các nước đang phát triển và kém phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam và Thái Lan Trong số đó, tai nạn giao thông đường bộ, chủ yếu liên quan đến ôtô và xe gắn máy, là phổ biến nhất, bên cạnh các loại tai nạn khác như tai nạn đường sắt, đường thủy và hàng không.
Theo báo cáo của WHO, tai nạn giao thông đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng về sức khỏe và phát triển con người toàn cầu, với trung bình 1,2 triệu người chết và 50 triệu người bị thương mỗi năm Tại Việt Nam, từ 16/11/2011 đến 16/11/2012, đã ghi nhận 36.376 vụ tai nạn giao thông, dẫn đến 9.838 người tử vong và 38.060 người bị thương.
Số lượng tai nạn giao thông ở Việt Nam đang gia tăng đáng lo ngại, với nhiều vụ việc liên quan đến vi phạm luật lệ giao thông như lái xe quá tốc độ, vượt ẩu và quay vòng ngoặt Những hành vi này diễn ra phổ biến trên toàn quốc và chủ yếu gây ra thiệt hại về người và tài sản do ôtô.
Trong bối cảnh ôtô trở thành phương tiện chính cho việc di chuyển và vận chuyển hàng hóa tại Việt Nam, vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển ôtô ngày càng được chú trọng Khi ôtô di chuyển, nó chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như người lái, điều kiện ngoại cảnh và các yếu tố ngẫu nhiên trên đường Người lái có thể thực hiện các thao tác như tăng ga, đạp phanh và đánh vô lăng để điều khiển xe Ngoài ra, điều kiện đường xá và hệ số bám của lốp xe cũng thay đổi, ảnh hưởng đến khả năng điều khiển Gió và các yếu tố ngoại cảnh khác cũng góp phần tác động đến sự chuyển động của ôtô.
Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến an toàn giao thông là sự xuất hiện bất ngờ của các chướng ngại vật trên đường Những tác động ngẫu nhiên này có thể gây ra nguy hiểm cho người lái xe và phương tiện, do đó cần được chú ý để đảm bảo an toàn khi tham gia giao thông.
Tất cả các yếu tố này đều có ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái chuyển động và mức độ an toàn của xe Trong số đó, tính ổn định hướng của ôtô là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo chuyển động và là nguyên nhân chính gây ra các vụ tai nạn giao thông.
Sự gia tăng tốc độ và mật độ lưu thông của ô tô yêu cầu phải nâng cao khả năng điều khiển để giảm thiểu tai nạn giao thông.
1.1.2 Nghiên cứu động lực học ôtô
Nghiên cứu động lực học ôtô nhằm xác định quy luật chuyển động của xe, từ đó thiết lập giới hạn an toàn và tìm kiếm sự tương thích giữa người lái và phương tiện Qua đó, nghiên cứu này cũng mở rộng khả năng điều khiển xe của người lái.
Hiện nay, ngành công nghệ ô tô đang phát triển mạnh mẽ, với các mẫu xe thế hệ mới có vận tốc cao hơn, hướng tới việc tối ưu hóa hiệu suất và đạt gần đến giới hạn trượt vật lý của bánh xe.
Ôtô ngày càng được cải tiến về cấu trúc và khả năng thích ứng động lực học, nhằm nâng cao an toàn động lực học và an toàn tích cực Các chỉ tiêu đánh giá ôtô bao gồm vận tốc, gia tốc và quỹ đạo chuyển động, trong đó trạng thái quay vòng của xe là thông số quan trọng để đánh giá hiệu suất tổng thể.
Hệ thống phanh là một trong những cơ cấu an toàn quan trọng của ôtô, có chức năng giảm tốc độ, dừng xe hoặc đỗ xe khi cần thiết theo yêu cầu của người lái Nó đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo sự ổn định của ôtô trong quá trình di chuyển.
Một trong những thách thức lớn trong việc đảm bảo an toàn giao thông là cải thiện hiệu suất của hệ thống phanh trên các bề mặt đường có hệ số bám thấp như đường trơn, ướt hay đường cát Khi phanh, nếu bánh xe trước bị bó cứng, xe sẽ không thể chuyển hướng, trong khi nếu bánh xe sau bị bó cứng, ôtô sẽ dễ dàng bị trượt ngang Để nâng cao hiệu quả phanh, cần phải hiểu rõ các mối quan hệ trong quá trình phanh, điều này chỉ có thể thực hiện thông qua các mô hình động lực học, với mô hình lốp là yếu tố trung tâm quyết định đến quãng đường phanh và ổn định của xe Để giảm thiểu tai nạn giao thông, bên cạnh việc nâng cao kỹ năng và ý thức của người lái, cần chú trọng đến các yếu tố kỹ thuật như kết cấu xe, tính điều khiển và các thiết bị an toàn Trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh chóng, việc cải thiện tính điều khiển của ôtô đang nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà khoa học.
Các đề tài nghiên cứu về phanh và quỹ đạo chuyển động của ôtô con
Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng là một nghiên cứu quan trọng do PGS.TS Hồ Hữu Hải tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn, với sinh viên Lê Ngọc Trung thực hiện vào năm 2008 Nghiên cứu này góp phần nâng cao hiểu biết về cơ chế hoạt động và khả năng điều khiển của ô tô bốn bánh, từ đó hỗ trợ trong việc phát triển các công nghệ ô tô tiên tiến hơn.
Mô phỏng và nghiên cứu quá trình động lực học của hệ thống phanh thủy lực được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Văn Hùng dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hồ Hữu Hải tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2011 Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống phanh thủy lực trong các ứng dụng thực tiễn.
“Ứng dụng phần mềm matlab-simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe du lịch”-Do Ths Đồng Minh Tuấn , trường Đại học SPKT Hưng Yên hướng dẫn-
Sinh viên thực hiện Nguyễn Trọng Khương
Nghiên cứu mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô với hệ thống ABS và ASR được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Vũ Tiến Linh tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội vào năm 2007 Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống phanh và kiểm soát lực kéo, góp phần nâng cao an toàn và ổn định cho xe ô tô trong quá trình di chuyển.
“ Nghiên cứu đặc tính quay vòng của xe du lịch”, trường đại học Bách Khoa
Hà Nội, do sinh viên Lê Đức Hiếu thự hiện năm 2007
Bài viết "Tổng hợp bộ điều khiển điện tử và mô phỏng hệ thống phanh có ABS trên ô tô du lịch" được thực hiện bởi sinh viên Lại Năng Vũ tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội vào năm 2007, tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển công nghệ phanh ABS trong ô tô, nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn khi lái xe.
Mục tiêu, nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài
Đề tài này tập trung khảo sát động lực học của ôtô con khi phanh trên đường vòng, với các giả thiết quan trọng nhằm mục đích phân tích hiệu suất phanh và sự ổn định của xe trong các tình huống lái xe khác nhau.
Kế thừa mô hình toán học và mô hình mô phỏng trong Matlab - Simulink, bài viết này tập trung vào việc mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng Mô hình này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về động lực học của ô tô mà còn cung cấp công cụ hữu ích cho việc tối ưu hóa thiết kế và hiệu suất của xe Việc áp dụng các phương pháp mô phỏng tiên tiến sẽ hỗ trợ trong việc dự đoán hành vi của ô tô trong các điều kiện khác nhau, từ đó nâng cao độ an toàn và hiệu quả trong việc điều khiển xe.
Do PGS.TS Hồ Hữu Hải, trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn – Sinh viên thực hiện Lê Ngọc Trung, năm 2008
- Khảo sát phản ứng của xe đối với các tác động của góc quay vành lái, phanh và lực bàn đạp phanh
Do phạm vi của đề tài rộng với thời gian cho phép, đề tài chỉ tập chung vào các vấn đề sau:
- Tổng quan và các nhiệm vụ
Kế thừa mô hình động lực học từ đề tài “Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng” do PGS.TS Hồ Hữu Hải tại trường Đại học Bách khoa thực hiện, nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển và tối ưu hóa các phương pháp mô phỏng chuyển động của ô tô Mô hình này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về quỹ đạo chuyển động mà còn hỗ trợ trong việc cải tiến thiết kế và hiệu suất của ô tô bốn bánh.
Hà Nội hướng dẫn Sinh viên thực hiện Lê Ngọc Trung, năm 2008.–
Khảo sát phản ứng của xe khi lái xe thực hiện thao tác điều khiển hành và quay vòng trên những cung đường cong không quá một phần tư đường tròn là rất quan trọng Việc này giúp đánh giá độ ổn định và khả năng xử lý của xe trong các tình huống lái xe thực tế Thông qua việc phân tích các phản ứng của xe, người lái có thể cải thiện kỹ năng và nâng cao an toàn khi di chuyển trên những đoạn đường cong.
Với nội dung nghiên cứu trên đề tài được trình bày trong 3 chương và phần kết luận đánh giá các kết quả
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học và mô hình mô phỏng trong môi trường Matlap - simulink
Chương 3: Khảo sát phản ứng của xe khi lái xe thực hiện thao tác điều khiển phanh và quay vòng ở những cung đường cong không quá một phần tư đường tròn.
Kết luận và đánh giá các kết quả
Do hạn chế về thời gian, kinh phí và tính phức tạp của hệ trục tọa độ quy chiếu, nghiên cứu chỉ tập trung vào mô phỏng lý thuyết chuyển động của ôtô con khi phanh trên đường vòng Quỹ đạo được xem xét là những cung đường cong không quá một phần tư đường tròn và với vận tốc không lớn.
Việc nghiên cứu đề tài có thể tiến hành nhiều cách như:
- Khảo sát trên mô hình thực với bãi thí nghiệm lớn.
- Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn.
- Dùng mô tả toán học và mô phỏng bằng các công cụ trên máy tính.
Phương pháp thực nghiệm trên bãi lớn mang lại kết quả tin cậy nhưng tốn kém và nguy hiểm Ngày nay, sự phát triển của công nghệ máy tính cho phép mô tả toán học và chuyển đổi sang mô hình mô phỏng bằng phần mềm hiện đại, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Mô phỏng trên máy giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu, dễ dàng thay đổi thông số và đạt độ chính xác cao Đề tài này lựa chọn phương pháp thiết lập mô hình toán học phù hợp, từ đó xây dựng mô hình mô phỏng và khảo sát quỹ đạo chuyển động của xe khi thực hiện các thao tác phanh và phanh khi quay vòng.
Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học của ôtô
Mô hình phẳng của ôtô được thể hiện trên hình
Mô hình tính toán cho ôtô bao gồm các lực tác động lên xe, trong đó lực dọc F i là phản lực từ mặt đường lên bánh xe chủ động, được xác định tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường Khi thực hiện phanh, lực phanh tại các bánh xe đóng vai trò quan trọng như một lực dọc, ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn của ôtô.
= -1) (2 Trong đó: Me: Mô men xoắn của động cơ [N.m] ih : Tỷ số truyên của hộp số chính
10 ip : Tỷ số truyền của hộp số phụ i0 : Tỷ số truyền của truyền lực chính ηt : Hiệu suất của hệ thống truyền lực b Lực cản lăn P f
Lực cản lăn sinh ra do tác dụng của mặt đường lên các bánh xe và đặt tại vị trí đặt lực Fi nhưng ngược chiều.
Trong đó : G: Trọng lượng của ô tô f : Hệ số cản lăn của bánh xe, được xác định theo công thức:
Với : f0 : Hệ số cản lăn của đường v : Vận tốc chuyển động của xe [m/s] c Lực bên S i
Là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe theo phương vuông góc với mặt phẳng dọc của bánh xe, đặt tại tâm vết tiếp xúc
Trong trường hợp góc lệch bên nhỏ, khi đó quan hệ giữa lực bên Si và góc lệch bên của bánh xe αt là quan hệ tuyến tính:
Công thức Si = Cα αt (2-3) thể hiện mối quan hệ giữa độ cứng góc lệch bên bánh xe (Cα) và góc lệch bên (αt) trong trường hợp góc lệch bên lớn Chỉ số i đại diện cho các bánh xe dẫn hướng, trong khi lực bên, tải trọng phân bố (Zi) và độ trượt dọc (s) cũng cần được xem xét Ngoài ra, lực cản không khí cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.
Là lực cản của gió được phân ra hai thành phần theo hai phương vuông g
- Lực theo phương dọc (lực cản không khí) Pw : có giá trị tương đối được xác định bằng biểu thức sau: Pw = K.F.v0 2 (2-4)
Trong đó: K : Hệ số cản không khí [Ns 2 /m 4 ]
F: Diện tích cản chính diện của ô tô [m 2 ]
11 v0: Vận tốc tương đối giữa ô tô và không khí [m/s]
- Lực theo phương ngang (lực gió bên) N: giá trị không theo quy luật, để thuận tiện trong luận văn chọn N = 0 d Lực ly tâm Pj
Lực ly tâm xuất hiện khi ô tô chuyển độn theo quỹ đạo là đường cong, đặt tại trọng tâm ô tô và xác định theo công thức:
Trong đó: y : Gia tốc hướng tâm [m/s 2 ]
Các phương trình chuyển động của ô tô
Tịnh tiến theo phương dọc ôtô: w f P
Tịnh tiến theo phương ngang ôtô:
Quay thân xe quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm T :
Trong đó: v0: là vận tốc ban đầu [m/s] x0 : là tọa độ ban đầu [m] y0: là độ lệch bên ban đầu [m] ε0 : là góc quay thân xe ban đầu [rad]
2.1.2 Sự nghiêng thân xe và tải trọng thẳng đứng
Khi thân xe được đặt trên bệ treo đàn hồi, lực ly tâm sẽ khiến thân xe nghiêng quanh trục nghiêng dọc một góc ψ Trọng tâm của ô tô nằm ở độ cao hg so với mặt đường, được xem như chiều cao của phần treo.
Hình 2-2 Sự nghiêng thân xe quanh trục nghiêng dọc
Theo bài viết "Tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô" của PTS Nguyễn Khắc Trai, xuất bản năm 1997 bởi Nhà xuất bản Giao thông vận tải, việc áp dụng mô hình (2-2) cho thấy sự quan trọng của việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng điều khiển và quỹ đạo di chuyển của ô tô Mô hình này giúp hiểu rõ hơn về động lực học của phương tiện, từ đó cải thiện an toàn và hiệu suất trong quá trình vận hành.
Công thức tính góc nghiêng thân xe như sau:
C t ψ , C s ψ : là độ cứng chống nghiêng của cầu xe trước và sau [N/rad] m ’ 0: khối lượng phần được treo [kg]
Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng và các phản lực bên tác dụng lên các bánh xe được tính theo sơ đồ không gian
Gia tốc theo phương dọc thân xe x sẽ dẫn đến sự phân bố lại tải trọng giữa hai cầu trước và sau, ảnh hưởng đến lực ly tâm và sự thay đổi phản lực thẳng đứng.
Hình 2-4 Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng giữa hai cầu trước và sau
Mặt khác tải trọng tĩnh tác dụng lên các bánh trước và sau được tính như sau:
Khi đó tải trọng tác dụng lên cầu trước và cầu sau là:
Zs = Zs T - ∆Z (2-17) Gia tốc hướng tâm y gây ra sự phân bố lại tải trọng thẳng đứng giữa các bánh xe trên cùng một cầu, phương trình cân bằng lực : S t ' +S s ' =m ' 0 y (2-18)
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các lực bên tác dụng lên cầu trước và cầu sau, ký hiệu là St’ và Ss’ Ngoài ra, m0’ đại diện cho khối lượng phần
15 lt ; ls : là khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và cầu sau Để thuận tiện cho việc mô phỏng trong Matlab ta coi : lt = a ; ls = b
Hình 2-5 Sơ đồ cân bằng lực ngang
Hình 2-6a.Lực và mô men ở cầu sau Hình 2 6b.- Lực và mô men ở cầu trước
Từ phương trình cân bằng mô men đối với tâm nghiêng ngang của cầu trước (Oc1) và cầu sau (Oc2),ta tính được:
Here is a rewritten paragraph that contains the important sentences and complies with SEO rules:"Khi tính toán chiều cao tâm nghiêng ngang Oc1, Oc2 tới mặt đường, chúng ta cần quan tâm đến các thông số quan trọng Chiều rộng tiếp xúc của hai cầu sau và trước được lấy bằng chiều rộng cơ sở xe (B) để thuận tiện cho tính toán Bên cạnh đó, khối lượng không được treo cầu trước và cầu sau (mt;ms) và chiều cao từ trọng tâm phần khối lượng không được treo cầu trước và cầu sau tới mặt đường (ht;hs) cũng là những yếu tố cần được tính đến."
Khi xe di chuyển với góc quay bánh xe dẫn hướng βti > 0 hoặc trên đường nghiêng ngang, tải trọng thẳng đứng tác động lên các bánh xe sẽ thay đổi.
Z1 : tải trọng phân bố lên bánh trước trái [N]
Z2 : tải trọng phân bố lên bánh trước phải [N]
Z3 : tải trọng phân bố lên bánh sau trái [N]
Z4 : tải trọng phân bố lên bánh sau phải [N]
2.1.3 H ệ thống lái hai bánh xe dẫn hướng
2.1.3.1 Các trạng thái quay vòng của ôtô
Hệ thống lái hai bánh xe dẫn hướng (2WS) phổ biến trên xe ô tô con và xe du lịch, cho phép xe thực hiện các thao tác quay vòng hiệu quả Khi xe quay vòng, có thể xảy ra một số trạng thái quay vòng khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng điều khiển và an toàn của phương tiện.
Trường hợp xe quay vòng đủ là trạng thái lý tưởng, giúp xe duy trì ổn định ngang Tuy nhiên, trạng thái này rất hiếm khi xảy ra trong thực tế.
Hình 2-8 Trường hợp xe quay vòng thiếu. βvl = const
Hình 2-9 Trường hợp xe quay vòng thừa.
2.1.3.2 Mối quan hệ giữa các bánh xe dẫn hướng ôtô
Khi nghiên cứu động học và động lực học quay vòng của với hệ thống lái hai bánh xe dẫn hướng rút ra được biểu:
Cotgβt2 – cotgβt1 B/L (2- ) = 29 Trong đó: βt2: góc quay trục bánh xe dẫn hướng bên trong [rad] βt1: góc quay trục bánh xe dẫn hướng bên ngoài [rad]
Với tỷ số truyền của hệ thống lái là i (ta chọn i = 20), góc quay vành lái là βv
, góc quay bánh xe dẫn hướng là βt * , ta có: i v t β * = β (2-30)
Hệ thống phanh thủy lực được sử dụng phổ biến trên ô tô con, xe du lịch và xe tải nhỏ Khi người lái đạp bàn đạp phanh, áp suất chất lỏng trong xy lanh công tác sẽ được tạo ra, điều khiển hoạt động của cơ cấu phanh một cách hiệu quả.
Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực
1 Bàn đạp phanh; 2 Cần đẩy; 3 Piston chính ; 4 Xy lanh chính; 5 Van cao áp;
6 Đường ống; 7 Xy lanh con ; 8 Piston con ; 9 Guốc phanh ; 10 Chốt ;
11 Tang trống ; 12 Lò xo 2.1.4.1 Mô hình mô phỏng xy lanh chính
Hình 2-11.Sơ đồ xy lanh chính 2 khoang m1 , m2 : Khối lượng của piston 1 và piston 2
N1 , N2 : Lực từ bàn đạp phanh tác dụng lên piston 1 và piston 2
Phương trình chuyển động của Piston 1
Các lực tác dụng lên piston
- Áp lực của dầu khoang I : Fdp =Pmcp.Amc (2-31)
Pmcp : Áp suất khoang I (N/m 2 ) ; Amc : Diện tích bề mặt piston (m 2 )
- Lực lò xo : Flxp = Flxpo + Kp(xmcp - xmcs) (2-32)
Xmcp : Dịch chuyển của piston I hay chính là dịch chuyển của bàn đạp qui đổi (m) ;
Xmcs: Dịch chuyển của piston II (m) ;
Kp: Độ cứng lò xo khoang I (N/m)
- Lực đầu vào phanh, có thể là lực bàn đạp qui đổi hoặc lực đầu ra của bộ trợ lực phanh : Fmc (N)
- Phản lực tại chốt cản Np
Np = 0 (Khi Fmc ≥ FlxP + Pmcp + Pmcp.Amc)
Vậy phương trình của pistong I như sau :
Phương trình chuyển động của Piston 2
Các lực tác dụng lên piston 2 :
- Áp lực của khoang dầu I : Fdp = Pmcp.Amc
- Áp lực của khoang dầu II : Fds = Pmcs.Amc (2-34) Trong đó :
Pmcs : Áp suất khoang II (N/m 2 ) ;
Amc: Diện tích bề mặt piston (m 2 )
- Lực lò xo : Flxs = Flxso + KP.xmcs (2-35) Trong đó :
Xmcs: là dịch chuyển của piston 2 (m) ;
Kp : độ cứng lò xo khoang I (N/m)
- Phản lực tại chốt cản Ns
Ns = Flxp + Pmcs.Amc - Pmcp.Amc (khi PmcsAmc < Flxp + PmpsAmc) (2-36) Vậy phương trình chuyển động của piston như sau 2 :
N A P F A p x m mcs mcs = mc mc − lxs − mcp mc + (2-37) Lưu lượng dòng dầu phanh I :
- Lưu lượng vào: Qmcp =Amc( xmcp− xmcs) (2-38)
N A P F F x m mcp mcp = mc − lxp − mcp mc +
+ Lưu lượng tiết lưu vào đường ống từ khoang I (khoang chính): Q1 (m 3 /s)
+ Lưu lượng tiết lưu về bình chứa từ khoang I : à ρ
Pck là áp suất không khí tính bằng N/m², ρ là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m³), và μ là hệ số cản nhớt của dầu (kgm/s) Diện tích thông qua được ký hiệu là a1 (m²) Các công thức liên quan đến áp suất và lưu lượng chất lỏng có thể được biểu diễn thông qua các tham số như r, x, và arctg, cho phép tính toán chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.
(2-40) a1 = 0 khi xmcp ≥ 2r Phương trình cân bằng lưu lượng khoang I như sau:
Với giả thiết pistong ở gần vị trí lỗ bù dầu nên có thể coi 1 v =0 Lưu lượng dòng dầu phanh II :
- Lưu lượng vào: Qmcs= Amsx mcs (2-42)
+ Lưu lượng tiết lưu vào đường ống từ khoang II (khoang phụ): Qmcs2 (m 3 /s) + Lưu lượng tiết lưu về bình chứa từ khoang II à ρ
Pck : áp suất không khí (N/m 2 ); ρ: Khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 );
22 μ : Hệ số cản nhớt của dầu (kgm/s); a2: diện tích thông qua (m 2 ) r x khi x r r x x r r x r arctg r r a r x khi x r r x x r r x r arctg r r r a mcs mcs mcs mcs mcs mcs mcs mcs mcs mcs
(2-44) a2 = 0 khi xmcs≥ 2r Phương trình cân bằng lưu lượng khoang II như sau:
Với giả thiết piston ở gần vị trí lỗ bù dầu nên có thể coi 2 0
2.1.5.2 Mô hình mô phỏng đường ống dẫn dầu hệ thống phanh thủy lực cho 1 cầu
Hình 2-12 Sơ đồ đường ống dẫn dầu hệ thống phanh thủy lực cho 1 cầu
Trong đó: k: mô đun đàn hồi của dầu phanh, coi k = 2.10 9 Pa.
Q1: Lưu lượng dầu chảy từ khoang I xy lanh chính tới
Q2: Lưu lượng dầu chảy từ khoang II xy lanh chính tới
Q11: Lưu lượng dầu chảy vào xy lanh bánh xe bên trái
Q12: Lưu lượng dầu chảy vào xy lanh bánh xe bên phải
Qd : Lưu lượng danh nghĩa
Pd: áp suất danh nghĩa
Pxl1: áp suất trong xy lanh bên trái
Pxl2: áp suất trong xy lanh bên phải
- Phương trình chuyển động của piston: mf xl xl s x P S x x x k m 31 = 1 1 − 31 à − ( 31 − 0 ) (2-50)
Pxl1 : Áp suất trong xy lanh bánh xe bên trái.
Sx11 : Diện tích pistong bên trái μ: Hệ số cản nhớt giữa pistong và xy lanh kmf : Độ cứng của má phanh
- Phương trình chuyển động của piston mf xl xl s x P S x x x k m 32 = 2 2 − 32 à − ( 32 − 0 ) (2-53)
Pxl2: Áp suất trong xy lanh bánh xe bên phải.
Sxl2 là diện tích của pistong bên phải, trong khi μ là hệ số cản nhớt giữa pistong và xy lanh Khe hở ban đầu giữa má phanh và đĩa phanh được ký hiệu là x0, và độ cứng của má phanh được biểu thị bằng kmf.
2.1.4.3 Mô hình mô phỏng cơ cấu phanh bánh xe
Cơ cấu phanh đĩa bao gồm các thành phần chính như xy lanh công tác, má phanh và đĩa phanh Trong mô hình mô phỏng, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích cơ cấu phanh đĩa, đặc biệt là mô hình mô phỏng của xy lanh công tác.
Hình 2-13 Mô hình mô phỏng cơ cấu phanh đĩa
Từ mô hình trên ta lập các công thức tính toán:
- Vxlt : tổng thể tích của đường ống dẫn dầu và thể tích của khoang xy lanh công tác bánh xe trước bên trái (m 3 )
- VR2 : thể tích đường ống dẫn dầu từ van điều khiển tới xy lanh công tác bánh xe cầu trước bên trái (m 3 )
- D, l2 : đường kính, chiều dài đường ống dẫn từ van điều khiển đến xy lanh công tác trước bên trái (m)
- V_x lt: thể tích khoang xy lanh công tác (m 3 )
- dt, lt : đường kính, chiều dài xy lanh công tác cơ cấu phanh trước (m)
- Sx t l : diện tích làm việc của pistong, xy lanh công tác cơ cấu phanh trước (m 2 )
- xt: dịch chuyển của pistong, xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh xe trước bên trái (m)
- P0t : áp suất đầu dầu trong xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh trước bên trái (N/m 2 )
- Q1t: lưu lượng dầu chảy qua van về thùng chứa dầu hồi của cơ cấu chấp hành bánh xe trước bên trái
Phương trình xác định chuyển động của pistong, xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh xe trước bên trái: ms t xlt xlt t xltx P S F F m = − − (2-56)
⇒ xlt xlt t ms t xlt t P S F F dt x x m1 ( ) 2 0
- mx t l : Khối lượng pistong, xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh xe trước (kg)
- Ft : Lực cản chuyển động do má phanh tác dụng ngược trở lại pistong (N)
- x0t : Độ dịch chuyển ban đầu của pistong, xy lanh công tác để khắc phục khe hở giữa hai má phanh với đĩa phanh của cơ cấu phanh (m)
- k: Độ cứng của vật liệu làm má phanh (N/m 2 )
- Fms : Lực cản nhớt của dầu (N)
- : Hμ ệ số cản nhớt của dầu (kgm/s) b Mô hình mô phỏng má phanh và đĩa phanh
Mô men phanh tương ứng ở các bánh xe : Mp1 ; Mp2được xác định:
Mp = 2.fp.Fp.Rtb (Nm) (2-58)
Trong đó: fp: hệ số ma sát giữa đĩa phanh với má phanh
Rtb: bán kính trung bình tấm ma sát (m)
Fp : lực ép ép má phanh với đĩa phanh (N)
Độ dịch chuyển của piston trong xy lanh công tác của cơ cấu phanh được xác định bởi công thức Fp k (x – x0 = 0), trong đó x là độ dịch chuyển hiện tại của piston (m), x0 là độ dịch chuyển ban đầu để khắc phục khe hở giữa hai má phanh và đĩa phanh (m), và k là độ cứng của vật liệu làm má phanh (N/m²).
2 1.5 Mô hình mô phỏng bánh xe
2.1.5.1 Các chế độ làm việc của bánh xe
Mô hình mô phỏng chuyển động của ôtô khi phanh trên đường vòng trong Matlab-simulink
2.2.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng SIMULINK
Simulink là một công cụ đồ họa mạnh mẽ cho việc mô phỏng hệ động lực, cho phép người dùng xây dựng mô hình hệ thống thông qua việc vẽ sơ đồ khối Phần
Các nhóm thư viện trong SIMULINK
Các thư viện của Simulink nằm trong Simulink Library Browser , hình 2-22
Hình 2-23 Simulink Library Browser Chức năng chính của các khối thư viện như sau :
- Thư viện sourees : Các khối chuẩn trong này gồm các nguồn phát tín hiệu, các khối cho phép nhập tín hiệu từ một file hay từ MATLAB workspace
Thư viện Sinks bao gồm các khối có khả năng hiển thị số đơn giản và các khối dao động ký, cho phép biểu diễn tín hiệu phụ thuộc vào thời gian hoặc hai tín hiệu trên hệ tọa độ x, y Thư viện này cũng hỗ trợ xuất dữ liệu vào cửa sổ MATLAB - workspace và lưu trữ dữ liệu dưới dạng file.
Thư viện Math cung cấp nhiều khối chức năng để thực hiện các phép toán học trên các tín hiệu khác nhau Ngoài các khối đơn giản cho phép cộng và nhân tín hiệu, thư viện này còn bao gồm nhiều hàm chuẩn như hàm lượng giác và các phép toán logic.
Thư viện lookup tables được sử dụng để nội suy giá trị từ các bảng tham chiếu, với các giá trị đầu vào có thể là một, hai hoặc nhiều tùy thuộc vào loại lookup tables một chiều hoặc nhiều chiều Trong luận văn này, chúng tôi áp dụng lookup tables 3D để mô phỏng khối góc lệch bên của bánh xe.
Hình 2-24 Thư viện lookup tables
Thư viện Ports & Subsystems trong SIMULINK cho phép tạo ra các hệ thống con linh hoạt Việc kết nối giữa các mô hình được thực hiện thông qua các khối Input và Output, giúp dễ dàng quản lý dữ liệu Số lượng đầu vào và đầu ra của khối Subsystems sẽ phụ thuộc vào số lượng Input và Output được xác định.
Thư viện Continuous & Discrete được thiết kế để xử lý các tín hiệu liên tục và rời rạc, bao gồm các hàm tích phân, vi phân và các hàm tính toán cần thiết.
- Thư viện Funtion & Table : CHứa các khối thực hiện việc gọi hàm từ Matlab, khối nội suy và khối nguyên hàm
- Khối Nonlinear : Chứa các khối phi tuyến
2.2.2 Mô phỏng chuyển động của ôtô
2.2.2.1 Mô phỏng chuyển động khối thân xe
Kết hợp các phương trình vi phân mô tả chuyển động của thân xe, chúng tôi xây dựng chương trình mô phỏng khối thân xe, như được thể hiện trong sơ đồ hình 2-24.
Hình 2-25 Sơ đồ mô phỏng khối thân xe
Khối thân xe ôtô bao gồm ba thành phần chính: khối cận tốc và gia tốc dọc, khối vận tốc và gia tốc bên, cùng với khối góc xoay và các yếu tố liên quan đến vận tốc và gia tốc góc.
- Vận tốc và gia tốc dọc của ôtô
Từ các phương trình (2-1), (2-2) ta xây dựng sơ đồ mô phỏng vận tốc dọc vx và gia tốc axdọc của ôtô
Với các tín hiệu đầu vào là các lực dọc Fi và các lực bên Si , góc quay bánh xe dẫn hướng βi , góc quay thân xe ε
Lực dọc Fi và lực bên Si được xác định từ mô hình khối bánh xe, trong khi góc quay bánh xe dẫn hướng βi được lấy từ mô hình hệ thống lái 2WS.
Tín hiệu đầu ra của ôtô bao gồm vận tốc dọc (vx) và gia tốc dọc (ax), là những thông số quan trọng để khảo sát Vận tốc dọc (vx) được đo bằng mét trên giây (m/s) và cũng là tín hiệu đầu vào cho khối bánh xe, trong khi gia tốc dọc (ax) được đo bằng mét trên giây bình phương (m/s²) và là tín hiệu đầu vào cho khối tính góc nghiêng thân xe.
- Vận tốc và gia tốc bên của ôtô
Từ các phương trình (2-3), (2-4) ta xây dựng mô phỏng vận tốc bên vx và gia tốc bên axcủa ôtô
Với các tín hiệu đầu vào là các lực dọc Fi và các lực bên Si , góc quay bánh xe dẫn hướng βi , góc quay thân xe ε
Tín hiệu đầu ra của ôtô bao gồm vận tốc bên vy (m/s) và gia tốc bên ay (m/s²), được sử dụng để khảo sát và làm tín hiệu đầu vào cho các khối như khối bánh xe, khối tính góc lệch bên bánh xe, khối tính góc nghiêng ngang thân xe ψ, và tải trọng tác dụng lên bánh xe Zi.
- Góc xoay thân xe - vận tốc và gia tốc góc xoay thân xe
Từ các phương trình (2-5), (2-6) ta xây dựng sơ đồ mô phỏng góc xoay thân xe ε, vận tốc và gia tốc góc xoay thân xe.
Với các tín hiệu đầu vào là các lực dọc Fi và các lực bên Si , góc quay bánh xe dẫn hướng βi
Tín hiệu đầu ra bao gồm góc xoay thân xe ε, vận tốc góc xoay thân xe ε, và gia tốc góc xoay thân xe ε Những thông số này không chỉ được sử dụng để khảo sát mà còn là tín hiệu đầu vào cho khối tính góc lệch bên bánh xe α i.
2.2.2.2 Mô phỏng hệ thống lái hai bánh xe dẫn hướng (2WS)
Từ các biểu thức (2 26), (2 ) ta xây dựng chương trình mô phỏng quy luật góc quay bánh xe dẫn hướng của hệ thống lái 2WS trong matlab-simulink
Tín hiệu đầu vào: góc quay vành lái βvl
Tín hiệu đầu ra: Góc quay của bánh xe dẫn hướng βi , là tín hiệu đầu vào cho khối thân xe, khối tính góc lệch bên bánh xe α i
2.2.2.3 Mô phỏng tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe
Từ các phương trình: (2 ÷ 29) ta xây dựng được mô phỏng sự phân bố tải trọng thẳng đứng Z lên các bánh xe
Tín hiệu đầu vào bao gồm gia tốc dọc ax và gia tốc bên ay được thu thập từ khối thân xe, cùng với các thông số kỹ thuật của ôtô như khối lượng toàn bộ xe m, khối lượng phần treo m0, góc nghiêng thân xe ψ, và độ cứng chống nghiêng của hai cầu trước và sau là Ctψ và Csψ.
…) được nhập thông qua cửa sổ chính trong Matlab.
Tín hiệu đầu ra bao gồm tải trọng thẳng đứng phân bố lên các bánh xe hai cầu trước và sau (Z1 ÷ Z4), cùng với góc nghiêng thân xe ψ, là các yếu tố quan trọng được sử dụng trong quá trình khảo sát.
Tải trọng phân bố lê các bánh xe dẫn hướng sẽ là tín hiệu đầu vào khối bánh xn e
2.2.2.4 Mô phỏng hệ thống phanh thủy lực a Mô phỏng xy lanh chính
Từ các phương trình (2-28) ÷(2-42) ta lập được sơ đồ Matlap simulink Đầu vào của khối gồm:
Lực tác dụng lên cần đẩy (N) Áp suất khoang I (N/m 2 ) Áp suất khoang II (N/m 2 ) Đầu ra của khối gồm:
Dịch chuyển của pistong khoang I (m)
Lưu lượng chảy vào đường ống từ khoang I (m 3 /s)
Dịch chuyển của pistong khoang II (m)
Lưu lượng chảy vào đường ống từ khoang II (m 3 /s) b Mô phỏng đường ống dẫn dầu hệ thống phanh thủy lực cho 1 cầu
Từ các phương trình (2-43) ÷ (2-51) ta lập được sơ đồ mô phỏng bằng Matlap simulink Đầu vào của khối:
- Lưu lượng chảy qua đường ống (m 3 /s)
- Đạo hàm của lưu lượng
- Áp suất của đường ống (N/m 3 ) Đầu ra của khối có:
- Độ chênh áp 2 đầu đường ống (N/m 2 )
- Áp suất cuối đường ống (N/m 2 ) c Mô phỏng cơ cấu phanh bánh xe
* Mô phỏng xy lanh công tác
Từ các phương trình (2-52)÷(2-54) ta lập được sơ đồ mô phỏng bằng Matlap simulink
+ Q11: lưu lượng dầu chảy qua van điều khiển tới cơ cấu phanh bánh xe trước bên trái
+ Q1t: lưu lượng dầu chảy qua van về thùng chứa dầu hồi của cơ cấu chấp hành bánh xe trước bên trái
+ Px t l : áp suất tại xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh xe phía trước bên trái.
+ xt; độ dịch chuyển của pistong, xy lanh công tác
* Mô hình mô phỏng má phanh , đĩa phanh gồm:
Từ biểu thức (2 59) ta lập được sơ đồ mô phỏng.-
Dịch chuyển piston và xy lanh công tác của hệ thống phanh bánh xe trước bên trái và bánh xe sau bên trái là hai quá trình quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất phanh tối ưu Việc kiểm tra và bảo trì định kỳ các bộ phận này giúp tăng cường an toàn khi lái xe và kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh.
+ Mp1: mô men phanh bánh xe trước bên trái
+ Mp2: Mô men phanh bánh xe sau bên trái
2.2.2.5 Mô phỏng góc lệch bên a i của bánh xe
Từ các phương trình toán học: (2-61) ÷ (2-68) ở trên, ta xây dựng mô hình mô phỏng góc lệch bên ai của bánh xe.
Mô phỏng chuyển động của ô tô con khi phanh trên đường vòng với góc quay vành lái thay đổi lần lượt là: 60 0 – 120 0 - 180 0
3.2 Mô phỏng chuyển động của ô tô con khi phanh trên đường vòng với vận tốc ban đầu thay đổi: Góc quay vành lái 120 0 , lực bàn đạp phanh 490N, vận tốc ban đầu lần lượt là: 10m/s – 15m/s – 20m/s.