Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Phân tích động lực học của xe mini racing car bằng mô hình động lực học phẳng để xác định thông số điều khiển góc đánh lái

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN HUỲNH QUANG THIỆN

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE MINI RACING CAR BẰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG

ĐỂ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN GÓC ĐÁNH LÁI

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số : 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2021

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN HỮU NHÂN

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá ĐC và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN HUỲNH QUANG THIỆN MSHV: 1770538 Ngày, tháng, năm sinh: 04-04-1991 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số: 60520116

I TÊN ĐỀ TÀI: “Phân tích động lực học của xe Mini Racing Car bằng mô hình động lực học phẳng để xác định thông số điều khiển góc đánh lái”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Phân tích quá trình điều khiển góc đánh lái lên xe Mini Racing Car

2 Thiết lập mô hình toán học mô tả tính năng động học và động lực học chuyển động trong mặt phẳng ngang của xe theo mô hình động lực học hai dãy

3 Xác định các thông số đầu vào của xe Mini Racing Car

4 Phân tích các tính năng động học và động lực học, an toàn của xe trong quá trình chuyển động khi nhận tín hiệu điều khiển lái

5 Xác định thông số điều khiển góc đánh lái đảm bảo an toàn chuyển động của xe

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/02/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 16/08/2021 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS.Trần Hữu Nhân

LỜI CÁM ƠN

Đề cương này được thực hiện vào tháng 02 năm 2021 trong bộ môn Kỹ Thuật Ô tô - Máy kéo tại trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Trong suốt thời gian thực hiện luận văn tác giả đã gặp nhiều khó khăn nếu không có sự hỗ trợ từ những thầy, cô trong khoa, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp thì đã không thể hoàn thành luận văn

Đầu tiên, tác giả tỏ lòng cảm ơn chân thành đến TS.Trần Hữu Nhân, người thầy đã tiếp nhận, giao đề tài, thầy đã hỗ trợ tác giả rất nhiều mỗi khi thực hiện đề tài có khó khăn cũng như động viên tác giả vượt qua khó khăn và hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này Tác giả cũng gửi lời cám ơn sâu sắc đến các giảng viên bộ môn Kỹ Thuật Ô tô - Máy kéo đã chỉ dẫn tác giả trong suốt quá trình đào tạo

Kế đến, tác giả cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã động viên, khuyến khích trong suốt quá trình học tập và làm luận văn của tác giả

Cuối cùng, tác giả cám ơn những đồng nghiệp, trưởng bộ môn ô tô, trưởng Khoa Cơ khí Động lực của trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng đã tạo điều kiện học tập, thực hiện luận văn, công việc của tác giả trong thời gian thực hiện luận văn

Một lần nữa, tác giả chân thành cảm ơn tất cả

Tp HCM, ngày 16 tháng 08 năm 2021 Học viên thực hiện

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Việc tính toán động học và động lực học rất quan trọng trong việc thiết kế, bố trí các thành phần quan trọng trên xe, các thông số trong quá trình tính toán giúp cho việc đánh giá, cải thiện tính năng an toàn của xe Mini Racing Car trong quá trình vận hành Giảm thiểu và tiết kiệm chi phí thử nghiệm trong quá trình chế tạo xe Mini Racing Car để tham gia cuộc thi

Đề tài này là sự phát triển dựa trên cơ sở phân tích ổn định chuyển động của xe Mini Racing Car Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu các thông số điều khiển góc lái từ đó tính toán tính năng động học và động lực học chuyển động theo phương ngang của xe Mini Racing Car Phân tích vai trò và ý nghĩa của các thông số cơ sở ảnh hưởng đến tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe Làm cơ sở tham khảo cho việc tính toán mô phỏng động học và động lực học chuyển động cho các chủng loại xe có kết cấu tương đương như xe Mini Racing Car

Dựa vào những đặc điểm đó, các thí sinh tham gia cuộc thi có thể cải tiến những chi tiết hoặc những bộ phận nhằm cải thiện hiệu suất hoặc giúp xe hoàn thiện vòng đua một cách tốt nhất Giảm thiểu tối đa các rủi ro không mong muốn phát sinh ra gây thiệt hại về kết cấu cũng như chi phí chế tạo xe

ABSTRACT

Calculation of kinematics and dynamics is very important in the design, arrangement of important components on the vehicle, the parameters in the calculation process help to evaluate, improve the safety of Mini Racing Car during operation Minimize and save testing costs in the process of building a Mini Racing Car to participate in the competition

This topic is the development based on the analysis of motion stability of Mini Racing Car This topic focuses on studying the steering angle control parameters, thereby calculating the kinematics and dynamics Mini Racing Car 's horizontal motion Analyze the role and significance of basic parameters affecting the kinematics and dynamics Mini Racing Car 's horizontal motion As a reference basis for calculating simulation of kinematics and dynamics of motion for vehicles with similar structure such as Mini Racing Car

Based on these characteristics, competitors can improve details or components to reform performance or help the car complete the lap in the best way Minimizing unexpected risks that cause structural damage as well as vehicle manufacturing costs

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Họ và tên học viên: NGUYỄN HUỲNH QUANG THIỆN

Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1991 Nơi sinh: TP.HCM

Địa chỉ liên lạc: 37/2 KP 3, Lý Thường Kiệt, Tổ 29, Thị Trấn Hóc Môn, Tp.HCM Số điện thoại: 0987 283825 Email: nguyenthien7761@gmail.com

Tôi xin cam đoan luận văn “Phân tích động lực học của xe Mini Racing Car bằng mô hình động lực học phẳng để xác định thông số góc đánh lái” là do tôi

thực hiện, không sao chép của người khác Nếu sai sự thật, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật

Học viên thực hiện

NGUYỄN HUỲNH QUANG THIỆN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.2.1 Nghiên cứu trong nước 2

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước 3

1.2.3 Lý do chọn đề tài 4

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 4

1.5 Nội dung nghiên cứu 5

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5

1.6.1 Ý nghĩa khoa học 5

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 6

1.7 Phương pháp nghiên cứu 6

1.8 Tiến độ thực hiện luận văn dự kiến 6

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE TRONG MẶT PHẲNG ĐƯỜNG 7

2.3.4 Phản lực tiếp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe 18

2.4 Phương trình động lực học mô tả chuyển động của xe trong mặt phẳng đường 18

2.5 Lý thuyết khảo sát động lực học chuyển động của xe 20

2.5.1 Góc lái là hàm bước 20

2.5.2 Xác định mô men quán tính khối lượng 20

2.5.3 Các điều kiện tính toán 22

2.6 Lý thuyết về tính ổn định ngang của xe 23

2.6.1 Khái niệm 23

2.6.2 Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang 23

2.6.2.1 Điều kiện trượt 23

2.6.2.2 Điều kiện lật 24

CHƯƠNG 3 THÔNG SỐ TÍNH TOÁN 26

3.1 Thông số kích thước 26

3.2 Thông số khối lượng 27

3.2.1 Khối lượng bản thân 27

3.2.2 Thông số phân bố khối lượng 27

3.2.3 Thông số toạ độ trọng tâm 28

3.2.4 Thông số mô hình lốp xe 28

3.3 Thông số góc lái 29

3.4 Sự biến thiên góc quay của Servo theo thời gian 33

3.4.1 Thông số của động cơ Servo 33

3.4.5 Khảo sát góc quay của Servo 49

3.4.5.1 Khảo sát góc quay của Servo với bước nhảy 10o 49

3.4.5.2 Khảo sát góc quay của Servo với bước nhảy 5o 50

3.4.5.3 Khảo sát góc quay của Servo với bước nhảy 2o 52

3.5 Sự biến thiên góc lái của xe theo thời gian 53

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 55

4.1 Sơ đồ tiến trình thực hiện tính toán mô phỏng 55

4.2 Xác định các thông số động học và động lực học 56

4.2.1 Bán kính quay vòng 56

4.2.2 Bán kính quay vòng tại trọng tâm G 57

4.3 Khảo sát động học và động lực học theo phương ngang 58

4.3.1 Khảo sát góc lái là hàm bước theo thời gian 58

4.3.2 Khảo sát góc lái của bánh xe theo thời gian 59

4.3.3 Khảo sát sự biến thiên của lực ngang Fy(N) theo thời gian 60

4.3.4 Khảo sát gia tốc chuyển động ngang theo thời gian 61

4.4 Khảo sát tính ổn định chuyển động theo phương ngang 62

4.4.1 Khảo sát giá trị cực đại Fy theo điều kiện bám và điều kiện lật ngang của xe62 4.4.2 Khảo sát vận tốc giới hạn cực đại vxc so với góc lái δ 64

4.5 Khảo sát các thông số an toàn trên đường đua Mini Racing Car 65

4.5.1 Sơ đồ tổng quan về đường đua Mini Racing Car 65

4.5.2 Thông số các khúc cua khi xe quay vòng trên đường đua 68

4.5.3 Khảo sát vận tốc giới hạn cực đại so với góc lái tại các khúc cua 70

4.5.4 Khảo sát vận tốc giới hạn cực đại so với bán kính quay vòng tại các khúc cua 71

4.5.5 Khảo sát góc lái so với bán kính quay vòng tại các khúc cua 72

4.5.6 Khảo sát quãng đường quay vòng so với thời gian tại các khúc cua 73

4.5.7 Khảo sát tốc độ giới hạn cực đại so với thời gian tại các khúc cua 74

4.5.8 Khảo sát vận tốc giới hạn cực đại so với quãng đường quay vòng tại các khúc cua 75

4.5.9 Thông số vận hành trên đường đua 76

4.6 Xác định thông số an toàn trong quá trình điều khiển 77

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN ĐỂ TÀI 79

5.1 Kết luận 79

5.2 Hướng phát triển đề tài 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 83

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Mô hình động học của lốp xe chuyển động với vận tốc tức thời v, góc

trượt ngang α và góc đánh lái δ 7

Hình 2.7: Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động quay vòng trên đường ngang 23

Hình 2.8: Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động quay vòng trên đường ngang 24

Hình 3.1: Bố trí chung của xe Mini Racing Car 27

Hình 3.2: Sơ đồ tổng quát về cơ cấu lái của xe Mini Racing Car 29

Hình 3.3: Cơ cấu góc quay của Servo và cánh tay đòn của Servo 30

Hình 3.4: Cơ cấu góc quay của Đòn liên kết 31

Hình 3.5: Cơ cấu Cụm dẫn hướng 32

Hình 3.6: Động cơ Servo RC LD-27MG 33

Hình 3.7: Kích thước động cơ Servo RC LD-27MG 34

Hình 3.8: Cấu tạo động cơ Servo 35

Hình 3.9: Các xung điều khiển vị trí động cơ 36

Hình 3.10: Điều khiển tốc độ động cơ 37

Hình 3.11: Bo mạch module ESP 38

Hình 3.12: Các chân của module ESP32 39

Hình 3.13: Các chân liên kết giữa module ESP32 và động cơ Servo 40

Hình 3.14: Sơ đồ mạch liên kết ESP32 và động cơ Servo 40

Hình 3.15: Giao diện của Arduino 1.8.9 41

Hình 3.16: Thêm thư viện vào IDE 42

Hình 3.17: Chọn thư viện bo mạch ESP32 42

Hình 3.18: Mô hình liên kết giữa các thiết bị với nhau 44

Hình 3.19: Mô hình router wifi 45

Hình 3.20: Router Asus ROG Rapture Wireless GT-AC5300 46

Hình 3.21: Giao diện ban đầu của ứng dụng MiniCar 47

Hình 3.22: Giao diện thiết lập IP của ứng dụng MiniCar 48

Hình 3.23: Giao diện chính điều khiển của ứng dụng MiniCar 48

Hình 3.24: Đồ thị mối quan hệ giữa góc quay của động cơ Servo và thời gian đáp ứng với bước nhảy 10o 50

Hình 3.25: Đồ thị mối quan hệ giữa góc quay của động cơ Servo và thời gian đáp ứng với bước nhảy 5o 51

Hình 3.26: Đồ thị mối quan hệ giữa góc quay của động cơ Servo và thời gian đáp ứng với bước nhảy 2o 53

Hình 3.27: Đồ thị mối quan hệ giữa góc lái của xe Mini Racing Car và thời gianđáp ứng theo các giá trị bước 54

Hình 4.1: Sơ đồ tính toán mô phỏng 54

Hình 4.2: Đồ thị giữa góc lái trong δi, góc lái trong δo và bán kính quay vòng R1 56

Hình 4.3: Đồ thị giữa bán kính quay vòng R1 và bán kính quay vòng R tại trọng tâm 57

Hình 4.4: Đồ thị góc lái theo thời gian và góc lái là hằng số 58

Hình 4.5: Đồ thị góc quay lái của bánh xe theo thời gian 59

Hình 4.6: Lực ngang tổng cộng tác dụng tại trọng tâm xe 60

Hình 4.7: Gia tốc chuyển động phương ngang theo thời gian 61

Hình 4.8: Đồ thị lực ngang Fy ở vận tốc vx ứng với từng góc lái δ 63

Hình 4.9: Đồ thị giới hạn cực đại vxc với góc lái δ theo điều kiện trượt 64

Hình 4.10: Tổng quát đường đua Mini Racing Car 66

Hình 4.11: Mô phỏng đường đua Mini Racing Car 67

Hình 4.12: Thông số chi tiết đường đua Mini Racing Car 67

Hình 4.13: Thông số đường cong dưới – bên phải 68 Hình 4.14: Thông số đường cong cua dưới – bên trái 69 Hình 4.15: Thông số đường cong trên – bên phải 69 Hình 4.16: Đồ thị giới hạn vận tốc cực đại so với góc lái ở các vị trí đường cong 70 Hình 4.17: Đồ thị vận tốc giới hạn cực đại so với bán kinh quay vòng ở các vị trí

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số kích thước của xe 26

Bảng 3.2: Thông số xe khi đầy tải 26

Bảng 3.3: Thông số phân bố khối lượng của xe 28

Bảng 3.4: Thông số khối lượng của xe 28

Bảng 3.5: Thông số động cơ Servo RC LD-27MG 34

Bảng 3.6: Thời gian đo góc quay của động cơ Servo với bước nhảy 10o 49

Bảng 3.7: Thời gian đo góc quay của động cơ Servo với bước nhảy 5o 51

Bảng 3.8: Thời gian đo góc quay của động cơ Servo với bước nhảy 2o 52

Bảng 4.1: Giá trị lực ngang 62

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến bánh xe phía trước và phía sau

: Gia tốc hướng tâm

: Hệ số tính đến ảnh hưởng độ cứng lốp xe thứ i, trước, sau C : Trọng tâm của xe

: Hệ số tính đến ảnh hưởng của hình dạng lốp xe thứ i , : Hệ số thực nghiệm

: Độ cứng góc lệch bên bánh xe trước trái, phải : Độ cứng góc lệch bên bánh xe sau phải, trái : Phản lực ngang

: Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe

: Phản lực pháp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe trước trái, trước phải

: Phản lực pháp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe sau phải, sau trái

: Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước trái

: Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước phải : Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau phải : Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau trái

: Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước trái

: Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước phải : Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau phải : Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau trái

Fyφ : Lực ngang theo điều kiện bám

Fyroll : Lực ngang theo điều kiện lật

ywF

Izz : Mô men quán tính khối lượng quanh trục z l : Chiều dài cơ sở xe

m : Khối lượng của xe

: Momen tác dụng lên xe

, : Mô men tác dụng lên bánh xe trước trái, phải , : Mô men tác dụng lên bánh xe sau phải, trái : là bán kính quay vòng

β : Góc lệch vectơ vận tốc v so với phương trục x β1, β2 : Góc lệch giữa vectơ vận tốc v1, v2 với trục x1, x2β3, β4 : Góc lệch giữa vectơ vận tốc v3, v4 với trục x3, x4

: Góc quay của bánh dẫn hướng trong (trái) : Góc quay của bánh dẫn hướng ngoài (phải)

ψ : Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm

: Góc quay, vận tốc, gia tốc thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng

fw wr

w

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Cuộc thi Mini Racing Car là một cuộc thi về các dòng xe mô hình do chính các đội nhóm của những sinh viên quy tụ từ nhiều trường Cao Đẳng ,Đại Học trên khắp khu vực miền Nam Đây là một sân chơi lớn với sự tham gia của hơn 12 trường như : trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, trường Đại học Nguyễn Tất Thành, trường Đại học Văn Lang, trường Cao đẳng Nghề Thành phố Hồ Chí Minh, trường Cao đẳng Công Nghệ Thủ Đức, trường Cao đẳng Công nghệ cao Đồng An, trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex, trường Cao đẳng Miền Nam, trường Cao đẳng Kinh tế Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, Cuộc thi cũng gây nên tiếng vang xa trên các trang báo cũng như những trang báo điện tử khác và các đài truyền thông như HTV, VTV ngày nay

Cuộc thi bắt nguồn từ trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng vào năm 2015 cũng là năm đầu tiên cho chính trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng là đơn vị chủ quản đăng cai tổ chức cuộc thi Mini Racing Car mùa đầu tiên Cuộc thi nhằm tạo sân chơi bổ ích, mang tính học thuật cao, khích lệ tinh thần ham học hỏi, yêu thích nghiên cứu khoa học và đam mê sáng tạo của các sinh viên thuộc nhiều khoa khác nhau trong trường Nhằm giúp cho sinh viên áp dụng các kiến thức lý thuyết vào thực tế sau cũng buổi học tập lý thuyết trên lớp cũng như các môn thực hành trong xưởng vào thực tế một cách sâu rộng và tường tận hơn Vào các mùa kế tiếp, cuộc thi đẫ gây nên tiếng vang xa và truyền đạt tinh thần này cho các trường lân cận và tạo điều kiện cho các trường bạn tham gia cuộc thi vào những mùa kế tiếp đó

Hiện nay việc tính toán tính năng động học và động lực học của xe hoàn toàn bằng thực nghiệm rất tốn kém là một trong những nhược điểm khá lớn của cuộc thi Do đó việc tính toán mô phỏng bằng phần mềm chuyên dùng sẽ mang lại nhiều lợi thế hơn cho các sinh viên về mặt chi phí và thời gian trước khi đi vào thực nghiệm và

chế tạo Trong các tính năng động học và động lực học thì tính năng ổn định chuyển động ngang của xe đặc biệt là xe Mini Racing Car đang được quan tâm và chú ý nhiều nhất trong cuộc thi Mini Racing Car trong các năm gần đây Do xảy ra nhiều vấn đề hỏng hóc và thiệt hại không nhỏ trong quá trình điều khiển xe vào thời điểm luyện tập cũng như thi đấu Có thế dẫn đến việc chế tạo hay sửa chữa không kịp tiến độ thời gian để tham gia thi đấu, dẫn đến một số đội nhóm bỏ cuộc do nhiều yếu tố khách quan và không mong muốn Vì vậy việc mô phỏng này là một bước ngoặc giúp ích khá nhiều cho các đội đua tham gia cuộc thi Mini Racing Car

1.2 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.1 Nghiên cứu trong nước

- Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích ổn định chuyển động quay vòng xe khách giường nằm bằng mô hình động lực học phẳng” do Nguyễn Duy Bảo

thực hiện, 2013 [2] Đề tài trên được xây dựng trên mô hình động lực học chuyển động phẳng của xe khi quay vòng dạng 2 bánh Xe chuyển động với vận tốc dọc theo chiều trục xe không đổi trong suốt quá trình quay vòng hoặc vượt xe khác Sử dụng hàm bước để mô tả góc đánh lái của xe Sử dụng mô hình lốp bánh xe tuyến tính để xác định lực ngang ảnh hưởng tới xe Đề tài đã đánh giá được đặc tính quay vòng trong tất cả các trường hợp tải trọng của xe, xác định được vận tốc tới hạn cho phép đảm bảo điều kiện trượt ngang khi xe quay vòng, xác định các thông số động học và động lực học của xe tại vị trí từng bánh xe trước, sau riêng biệt theo thời gian Tuy nhiên đề tài chưa đánh giá được ảnh hưởng của các ngoại lực tác dụng lên xe cũng như lực kéo của bánh xe chủ động có thể làm cho xe chuyển động theo chiều dọc với vận tốc thay đổi, việc đánh lái với góc lái thay đổi đột ngột theo hàm bước không phù hợp với thực tế, mô hình bánh xe phi tuyến chỉ phù hợp khi xe đánh lái với góc lái nhỏ

- Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích ổn định chuyển động ngang của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học một dãy phi tuyến” do

Nguyễn Trường Lĩnh [3] thực hiện Đề tài này đã so sánh được tính năng động học và động lực học khi xe chuyển động ngang dựa trên mô hình lốp phi tuyến với

trường hợp dựa trên mô hình lốp xe tuyến tính Tuy nhiên, khi đánh lái thì góc lái của bánh lái hai bên khác nhau mà đề tài này chỉ mô phỏng động học và động lực học trên một dãy bánh xe nên chưa đánh giá được ảnh hưởng của ngoại lực tác dụng lên xe khi quay vòng như xe thực tế được

- Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích động lực học quay vòng của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học phẳng bốn bánh” do Lê Quang

Thống thực hiện, 2017 [5] Tác giả tập trung vào việc nghiên cứu mô hình động lực học phẳng bốn bánh từ đó phân tích vai trò và ý nghĩa của các thông số cơ sở ảnh hưởng đến tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe Tuy nhiên, đề tài này chưa đánh giá được ảnh hưởng của lốp xe thực tế ảnh hưởng lên xe khi quay vòng

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước

- Sách Vehicle Dynamics: Theory and Application do Reza N Jazar viết

được nhà xuất bản Springer xuất bản năm 2008 [1] Trong chương 9, 10, 11 tác giả trình bày cơ sở động lực học mô hình động lực học phẳng một dãy

- Bài báo khoa học: “Study of the Vehicle Controllability and Stability Based on Multi – body System Dynamics” (The Open Mechanical Engineering

Journal, 2014, 8, 865 – 871) của tác giả Lin Hu, Shengyong Fang, Jia Yang, [8] Trong bài báo này tác giả đã sử dụng phần mềm ADAMS/CAR để tiến hành khảo sát mô phỏng đặc tính kiểm soát và ổn định của xe như khả năng quay vòng, khả năng trượt trên đường dốc có chướng ngại vật, khả năng hồi vị của hệ thống lái; kết quả rút ra được là để cải thiện đặc tính tối ưu đó là có 3 yếu tố: khối lượng ô tô, tải trọng đặt lên cầu trước và độ cứng xoắn của thanh ổn định chống lật sau

phỏng và phân tích đánh giá tính năng chuyển động quay vòng, nâng cao tính năng an toàn chuyển động và tăng tính cơ động cả ở tốc độ thấp và tính ổn định khi chuyển động ở tốc độ cao

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nguồn lực và yêu cầu của luận văn thạc sĩ đề tài này nghiên cứu như sau:

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Chọn xe Mini Racing Car do các sinh viên trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng chế tạo là đối tượng cụ thể để tiến hành nghiên cứu Xác định các thông số ảnh hưởng đến tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe theo mô hình động lực học hai dãy, các thông số này sẽ được nghiên cứu, xác định bằng phương pháp thu thập dữ liệu và mô phỏng

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài này thực hiện nghiên cứu cơ sở tính toán mô phỏng động học và động lực học chuyển động ngang của ô tô mô hình động lực học hai dãy Từ đó sử dụng các thông số cụ thể được xác định từ đối tượng nghiên cứu như nêu trên, tiến hành mô phỏng để có được kết quả tính toán mô phỏng Kết quả tính toán mô phỏng của các mô hình toán học mô tả động học và động lực học chuyển động ngang sẽ được phân tích và đánh giá

1.3.3 Các giả thuyết

- Xe chuyển động đều và quay vòng đều trên đường nằm ngang

- Mặt đường cứng tuyệt đối

- Khả năng bám ngang của các bánh xe là như nhau

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 1.4.1 Mục tiêu chung:

Xác định các thông số đảm bảo điều kiện an toàn chuyển động của xe Mini

Racing Car trong quá trình điều khiển dẫn hướng của xe 1.4.2 Mục tiêu cụ thể

- Xác định mối quan hệ của góc đánh lái xe Mini Racing Car với thời gian trong quá trình điều khiển

- Xác định điều kiện đảm bảo an toàn chuyển động dẫn hướng của xe thông qua việc phân tích tính năng an toàn chuyển động của xe trong quá trình vận hành thực tế

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Phân tích quá trình điều khiển góc đánh lái lên xe Mini Racing Car

- Thiết lập mô hình toán học mô tả tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe theo mô hình động lực học hai dãy

- Xác định các thông số đầu vào của xe Mini Racing Car

- Phân tích các tính năng động học và động lực học, an toàn của xe trong quá trình chuyển động khi nhận tín hiệu điều khiển lái

- Xác định thông số điều khiển góc đánh lái đảm bảo an toàn chuyển động của xe

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1.6.1 Ý nghĩa khoa học:

- Xác định thông số động lực học đảm bảo an toàn chuyển động dẫn hướng của xe Mini Racing Car thông qua việc phân tích kết quả tính toán, mô phỏng bằng mô hình động lực học phẳng hai dãy kết hợp với khảo sát xe thực tế

- Xác định mối quan hệ của góc đánh lái biến thiên theo thời gian trong quá trình điều khiển

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đảm bảo an toàn chuyển động dẫn hướng của xe Mini Racing Car trong quá

trình điều khiển bánh xe dẫn hướng khi tham gia cuộc thi Mini Racing Car 1.7 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu của đề tài này là phương pháp lý thuyết kết hợp với mô phỏng

- Nghiên cứu lý thuyết các mô hình động học và động lực học lốp xe và chuyển động ngang của xe

- Mô phỏng động học và động lực học chuyển động ngang của xe

1.8 Tiến độ thực hiện luận văn dự kiến

Nội dung công việc 2021

Viết luận văn và sửa chữa

2.1.1 Mô hình động học lốp xe

Hình 2.1: Mô hình động học của lốp xe chuyển động với vận tốc tức thời v,

góc trượt ngang α và góc đánh lái δ

Xét mô hình lốp xe như Hình 2.1, có 2 trường hợp có khả năng xảy ra là

vec-tơ vận tốc tức thời tại vị trí tâm tiếp xúc bánh xe với mặt đường v có thể nằm trong

hay nằm ngoài khoảng giữa hai trục toạ độ trung gian x và trục toạ độ bánh xe xw,

lần lượt được thể hiện ở Hình 2.1a và 2.1b

Hệ trục tọa độ bánh xe Bw đặt tại tâm vết tiếp xúc bánh xe với mặt đường

được thể hiện như hình 2.1a Phương và hướng của hệ trục toạ độ Bw được xác định

bởi một hệ trục toạ độ khác, có các phương song song với hệ toạ độ thân xe B(x, y) Góc quay của bánh xe dẫn hướng δ là góc tạo bởi trục toạ độ x quét sang trục xw theo chiều quay trục z Góc lệch bên lốp xe α là góc tạo bởi sự quét trục xw của hệ trục toạ độ bánh xe Bw sang vec-tơ vận tốc tức thời của bánh xe v Tương tự, góc lệch toàn cục β là góc tạo bởi sự quét trục x của hệ trục toạ độ trung gian B sang

vec-tơ vận tốc tức thời của bánh xe v Các góc α, β, δ trong hình 2.1a có giá trị

dương và có quan hệ như sau:

(2.1) Trong thực tế chuyển động, khi bánh xe dẫn hướng chuyển động hướng tới,

mối quan hệ giữa các góc α, β, δ trong trường hợp này cho thấy rằng vec-tơ vận tốc

v nằm giữa khoảng hai trục toạ độ x và xw Trường hợp thực tế có thể xảy ra được thể hiện Hình 2.1b Góc đánh lái sẽ làm quay hướng tới của lốp xe một góc δ Tuy

nhiên, do sự biến dạng đàn hồi của lốp xe, làm cho vec-tơ vận tốc của lốp xe v quay

trễ hơn so với hướng tới của lốp xe (tức trục xw), tạo thành góc trượt ngang toàn cục β, lúc này β < δ Do vậy, trong trường hợp này góc đánh lái bánh xe dẫn hướng là

dương tạo ra góc trượt ngang lốp xe âm Phân tích Hình 2.1b và sử dụng định nghĩa chiều dương của các góc cho thấy rằng ngay cả trong trường hợp thực tế thì biểu thức (2.1) vẫn đúng cho cả hai trường hợp như Hình 2.1a và 2.1b

Góc lệch bên α là nguyên nhân sinh ra lực ngang tại lốp xe Trong phân tích

động lực học của xe, mô hình lốp xe tập trung vào các lực và mô men được tạo ra giữa lốp và mặt đường Các mô hình lốp thực nghiệm có hiệu quả với độ chính xác cao trong phân tích động lực xe, đặc biệt là trên đường bằng phẳng, cứng và đáp ứng tần số thấp

a b d=

Các thí nghiệm chứng minh rằng lực ngang được chuẩn hoá khi đo cho các góc lệch bên khác nhau dẫn đến cùng một đường cong lực ngang / góc lệch bên, với lực ngang được chuẩn hóa và góc lệch bên được chuẩn hóa được xác định bởi:

µ=

Trong đó μ là hệ số ma sát giữa lốp xe và mặt đường và là độ cứng góc lệch bên là một hàm theo phản lực pháp tuyến của mặt đường Mối quan hệ này của các đường cong lực ngang / góc lệch bên dẫn đến khả năng mô hình hóa thực nghiệm của lốp xe với các phản lực pháp tuyến của mặt đường khác nhau dựa trên mối quan hệ thu được ở tải trọng thẳng đứng bằng cách điều chỉnh cả tải trọng ngang và độ cứng ngang trong vùng tuyến tính của các đường cong lực ngang/ góc

lệch bên Pacejka đề xuất trong rằng phản lực ngang được chia tỷ lệ theo tỷ lệ của

phản lực pháp tuyến với phản lực pháp tuyến danh nghĩa với góc lệch bên tương đương được xác định bởi:

(2.5)

(2.6) Tuy nhiên, mô hình lốp xe vẫn cần các hàm để tính toán các lực ngang phản lực pháp tuyến danh nghĩa và độ cứng góc lệch bên được điều chỉnh , do đó

mô hình công thức ma thuật do Pacekja được phát triển và sử dụng

(F Fz/ z0)

( )

( )

2.2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE

Mô hình động lực học của xe gồm có mô hình một dãy và mô hình hai dãy Trong đó mô hình hai dãy phù hợp với ô tô thực tế hơn

Hình 2.3: Mô hình động lực học hai dãy

Mô hình ô tô hai dãy bánh xe (two-track model) nghiên cứu chuyển động của

ô tô trong trường hợp ô tô chịu tác dụng của phản lực ngang, phản lực tiếp tuyến từ mặt đường lên các bánh xe

Các ký hiệu trong hình vẽ được giải thích như sau: : Trọng tâm của xe

: Góc quay của bánh dẫn hướng trong (trái) và ngoài (phải)

: Góc lệch bên của bánh xe trước trái, trước phải : Góc lệch bên của bánh xe sau phải, sau trái

: Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm

β : Góc lệch vectơ vận tốc v so với phương trục x C

d d

y

β1, β2 : Góc lệch giữa vectơ vận tốc v1, v2 với trục x1, x2 β3, β4 : Góc lệch giữa vectơ vận tốc v3, v4 với trục x3, x4 v : Vận tốc chuyển động của xe

v x , v y : Các thành phần vận tốc ô tô trong hệ toạ độ trọng tâm

: Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước trái

: Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước phải : Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau phải : Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau trái

: Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước trái

: Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước phải : Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau phải : Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau trái , : Mô men quay do sự trượt dọc gây ra ở bánh xe trước trái, phải , : Mô men quay do sự trượt dọc gây ra ở bánh xe sau phải, trái , : Khoảng cách giữa hai tâm vệt bánh xe trước, sau

: Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vết bánh xe phía trước, phía sau

l : Chiều dài cơ sở xe

Giả thuyết xe chuyển động ổn định với 𝑥̇ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, 𝑥̈ = 0 và bỏ qua sự trượt dọc ở bánh xe nên mô hình chỉ nghiên cứu chuyển động của ô tô theo phương ngang trong mặt phẳng là mô hình có 2 bậc tự do Các bậc tự do này bao gồm : - Gia tốc theo phương ngang của ô tô trong hệ trục toạ độ cố định

- Vận tốc góc quay thân xe 𝜓̇

fw wr

1, 2

a a

ay

2.3 CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE 2.3.1 Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe

Do khảo sát xe chuyển động ổn định trên mặt phẳng nên phản lực pháp tuyến được xác định như sau:

- , : khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vệt bánh xe trước, sau

2 2

= =

2 2

= =

1

wRl

- w : là chiều rộng cơ sở - : là góc lái trong - : là góc lái ngoài Từ phương trình (2.14) ta có :

Đối với mô hình một dãy góc lái được tính theo công thức sau [1] : 𝑐𝑜𝑡𝛿 =𝑐𝑜𝑡𝛿!− 𝑐𝑜𝑡𝛿"

08 là véc tơ vị trí bánh xe thứ i 𝑣

# = 9𝑣$𝑣%

0: là véc tơ vận tốc tại toạ độ trọng tâm ψ̇

# = 900

ψ: 𝑙à véc tơ vận tốc góc xoay thân xe

Mở rộng biểu thức trên, véc tơ vận tốc tại bánh xe thứ i được biểu diễn theo véc tơ vận tốc tại toạ độ trọng tâm như sau:

: = 9𝑣$𝑣%0

: + 900ψ̇: 6

08 ⇔ 9𝑣$"𝑣%"0

: = =𝑣𝑣$%− 𝑦+ 𝑥"" ψ̇ ψ̇0

> 1

-Các thành phần vận tốc tại bánh xe thứ i (i=1, 2, 3, 4)

𝑣!" = 𝑣! − 𝑦" ψ̇ , 𝑣#" = 𝑣#+ 𝑥" ψ̇ (2.16) - Bánh xe trước trái: 𝑣!$ = 𝑣! −%!

& ψ̇ , 𝑣#$ = 𝑣#+ 𝑎$ ψ̇ (2.17) - Bánh xe trước phải: 𝑣!& = 𝑣! +%!

& ψ̇ , 𝑣#& = 𝑣#+ 𝑎& ψ̇ (2.18) - Bánh xe sau phải: 𝑣!' = 𝑣!+%!

& ψ̇ , 𝑣#' = 𝑣#− 𝑎' ψ̇ (2.19) - Bánh xe sau trái: 𝑣!( = 𝑣! −%!

𝛽& = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 A𝑣%&

𝑣$&B = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 E

𝑣%+ 𝑎& ψ̇𝑣$−'!

- Tại bánh xe sau phải:

𝛽* = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 A𝑣%*

𝑣$*B = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 E

𝑣%+ 𝑎( ψ̇𝑣$+'"

𝛼( = 𝛽(− 𝛿( = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 E𝑣%+ 𝑎& ψ̇𝑣$+'!

- Tại bánh xe sau phải:

𝛼* = 𝛽* = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 E𝑣%− 𝑎( ψ̇𝑣$ +'"

- Tại bánh xe sau trái:

𝛼+ = 𝛽+ = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 E𝑣% − 𝑎( ψ̇𝑣$ −'"

2.3.4 Phản lực tiếp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe

- Lực dọc tác dụng tại bánh xe thứ i theo toạ độ trọng tâm (B)

(2.32) (2.33) (2.34) (2.35) (2.36)

2.4 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÔ TẢ CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE TRONG MẶT PHẲNG ĐƯỜNG

Mô hình động lực học hai dãy

Phản lực ngang mặt đường tác dụng lên mỗi bánh xe: 𝐹%'& = −𝐶-&𝛼& = −𝐶-)9𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 E𝑣%+ 𝑎&ψ̇

( ψ̇F − 𝛿&: (2.37)

𝐹%'( = −𝐶-(𝛼( = −𝐶-)9𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 E𝑣%+ 𝑎&ψ̇𝑣$ −'!

𝐹%'* = −𝐶-*𝛼* = −𝐶-,9𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 E𝑣%− 𝑎(ψ̇𝑣$ +'"

𝐹%'+ = −𝐶-+𝛼+ = −𝐶-,9𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 E𝑣%− 𝑎(ψ̇𝑣$ −'"

Suy ra hợp lực tác dụng lên xe theo phương ngang tại tọa độ trọng tâm được tính như sau:

2.5 LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE

Để khảo sát động lực học chuyển động của xe khi quay vòng ta khảo sát trường hợp sau:

2.5.1 Góc lái là hàm bước

Góc lái là một hàm bước, trong trường hợp này góc lái δ thay đổi đột ngột từ

0 đến giá trị hằng số khác 0 Giá trị và hàm toán học biểu diễn hàm bước của góc lái

δ(t) được lấy theo tài liệu [1] trang 689 như sau:

(2.48)

2.5.2 Xác định mômen quán tính khối lượng

Coi xe đang xét như hình hộp chữ nhật đồng chất có kích thước (dài x rộng x cao) là (l.w.h) hình 2.6

Ta có công thức xác định mômen quán tính cho hình hộp chữ nhật đồng chất như sau:

Tham khảo tài liệu [2]

(2.49)

(2.50)

(2.51) Vì trọng tâm thực tế của xe không trùng với trọng tâm của hình chữ nhật, nên ta dùng công thức chuyển đổi về trọng tâm thực tế của xe hình 2.7

0.2 11.459deg 0( )

' ( 2 w )2

' ( 22)12

' (w22)12

zzm

Hình 2.6: Chuyển đổi toạ độ trọng tâm hình chữ nhật về toạ độ trọng tâm thực tế

của xe

Trong đó: h – Chiều cao trọng tâm thực tế của xe

hcn - Chiều cao trọng tâm của hình hộp chữ nhật

2.5.3 Các điều kiện tính toán

Góc lái bị giới hạn bởi :

|𝛿| ≤ 0,5263 [𝑟𝑎𝑑]

Vận tốc góc lái bị giới hạn bởi :

U𝛿̇U ≤ 0,5 [𝑟𝑎𝑑/𝑠]

2.6 LÝ THUYẾT VỀ TÍNH ỔN ĐỊNH NGANG CỦA XE 2.6.1 Khái niệm

Tính chất ổn định của ô tô là tính chất đảm bảo không bị lật đổ hoặc trượt khi ô tô đứng yên cũng như khi nó chuyển động Mất ổn định có thể xảy ra theo phương ngang hoặc phương dọc, trong đó phương ngang dễ xảy ra hơn Tác nhân gây mất ổn định là lực quán tính ly tâm khi ô tô chuyển động trên đường vòng, thành phần phát sinh do trọng lực khi ô tô chuyển động trên đường nghiêng, lực gió ngang, và do các xung động từ đường khi đi trên đường mấp mô

Tính ổn định được đánh giá thông qua vận tốc giới hạn lớn nhất của ô tô trên đường vòng với bán kính cong nhất định, bằng góc nghiêng lớn nhất của mặt đường, theo điều kiện lật đổ ngang

2.6.2 Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang 2.6.2.1 Điều kiện trượt

Xét trường hợp ô tô quay vòng trên đường bằng, bỏ qua ảnh hưởng độ nghiêng ngang của thùng xe và độ đàn hồi của lốp, sự trượt ngang của các bánh xe có thể xuất hiện do tác dụng của lực quán tính ly tâm Fy(t) ở thời điểm lực ngang

bằng lực bám ngang của bánh xe với mặt đường, tức là: Fy(t) = Fy

Hình 2.7: Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động quay vòng trên đường ngang

B