Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Phân tích ổn định lắc ngang xe khách ghế ngồi wenda doosan bằng phương pháp động lực học đa vật thể

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

KIỀU TRUNG TÍN

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH LẮC NGANG XE KHÁCH GHẾ NGỒI WENDA DOOSAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN HỮU NHÂN Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 19 tháng 09 năm 2020

Thành phần Hội đồng đánh giá đề cương luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch: PGS.TS LÊ TẤT HIỂN

2 Thư ký: TS TRẦN ĐĂNG LONG 3 Phản biện 1: TS HỒNG ĐỨC THÔNG 4 Phản biện 1: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG 5 Ủy viên: TS ĐẶNG TIẾN PHÚC

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

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

Ngày, tháng, năm sinh: 08/04/1982 Nơi sinh: TP HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí – Động Lực Mã số: 60520116

I TÊN ĐỀ TÀI:

Phân tích ổn định lắc ngang xe khách ghế ngồi Wenda Doosan bằng phương pháp động lực học đa vật thể

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Xây dựng được mô hình đa vật thể với 4 bậc tự do bằng Matlap Simscape để phân tích ổn định ngang của xe khách ghế ngồi Wenda Doosan

2 So sánh kết quả tính toán ổn định theo phương ngang bằng mô hình Matlap Simscape với tính toán bằng Matlap code

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/02/2012.IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2010.V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Trần Hữu Nhân

 Thầy hướng dẫn TS Trần Hữu Nhân, người đã dành nhiều thời gian hướng dẫn và đóng góp những ý kiến quý báu cho đề tài

 Gia đình, bạn bè đồng nghiệp, bạn bè cao học và anh chị cao học đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

Tp HCM ngày 16 tháng 09 năm 2020

Học viên thực hiện

Kết quả thu được dùng để đánh giá cho sự ổn định ngang của xe khi vào cua Từ đó, Tác giả tiến hành so sánh kết quả thu được khi tính toán bằng matlab code và Matlap Simscape Các kết quả tính toán phía trên được xem là cơ sở tham khảo ban đầu để thực hiện việc thiết kế cũng như đề xuất các phương án cải tiến nhằm tăng cường tính năng ổn định theo phương ngang của xe trong điều kiện vận hành thực tế

The knowledge derived from simulation results could use to evaluate the horizontal stability of the vehicle when cornering The author compares the results obtained when simulating with Matlap Simscape model and calculating by matlap code model The results can be used to test and improve the horizontal stability of design vehicles

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: Kiều Trung Tín

Ngày, tháng, năm sinh: 08/04/1982 Nơi sinh: Tp HCM Địa chỉ liên lạc: C12/23 ấp 3 xã Bình Chánh huyện Bình Chánh TP Hồ Chí Minh Số điện thoại: 0776148847

Tôi xin cam đoan luận văn “Phân tích ổn định lắc ngang xe khách ghế ngồi Wenda Doosan bằng phương pháp động lực học đa vật thể” 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

KIỀU TRUNG TÍN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

Đặt vấn đề 1

Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước 1

1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới 1

1.2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 2

1.2.3 Lý do chọn đề tài 3

Mục tiêu nghiên cứu 3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 3

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 4

Nội dung nghiên cứu 4

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

1.6.1 Ý nghĩa khoa học 4

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

Phương pháp nghiên cứu 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

Mô hình lực ngang tác dụng lên xe 6

Tâm lắc ngang 7

Động lực học theo phương ngang ( KRC ) 8

Mô hình dao động ½ ô tô trong mặt phẳng ngang có lực ly tâm 10

Thanh cân bằng (Anti-Roll Bar) 15

2.5.1 Thanh cân bằng (Anti-Roll Bars) 15

2.5.2 Phương pháp tính toán độ cứng thanh chống xoắn 16

Biên dạng mặt đường dạng bán bình phương hàm sin 18

Thông số đàn hồi – giảm chấn 19

2.11.2 Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang 27

Tổng quan về Matlab, Simulink & Simechanics 29

2.12.1 Tổng quan về Matlab 29

2.12.2 Matlab Simulink & Simcape 29

2.12.3 Sim Mechanics 30

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ 32

Giới thiệu về mô hình mô phỏng 32

Mô tả mô hình mô phỏng: 33

Mô phỏng khối lượng được treo 33

Mô phỏng các phần tử treo 34

Mô phỏng lốp xe 34

Thông số của mô hình mô phỏng 34

3.6.1 Thông số độ cứng bầu hơi 34

3.6.2 Thông số độ cứng thanh chống xoắn 35

3.6.3 Thông số kỹ thuật tổng quát xe WENDA DOOSAN 36

3.6.4 Thông số tính toán động lực học 38

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VỚI MATLAB SIMSCAPE 41

Giới thiệu 41

4.1.1 Giới thiệu về Matlab Simulink 41

4.1.2 Giới thiệu về Matlab Simscape: 42

Mô phỏng kết cấu xe với Matlab Simulink và Matlab Simscape 45

Mấp mô mặt đường hình bán sin 48

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 50

Giới thiệu 50

5.2.3 Biên thiên gia tốc góc lắc theo thời gian 52

5.2.4 Biên thiên góc lắc ngang theo miền hr 53

So sánh kết quả của mô phỏng bằng Matlab simscape với sử dụng mô hình động lực học để tính toán bằng Matlab code 54

5.3.1 Biến thiên góc lắc theo thời gian: 54

5.3.2 Biến thiên vận tốc góc theo thời gian 55

5.3.3 Biến thiên gia tốc góc lắc theo thời gian 56

5.3.4 Biến thiên góc lắc theo miền hr 57

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

Kết luận: 59

Kiến nghị 59

Hình 2.1 Mô hình phân tích lực tác động lên xe 6

Hình 2.2 Moment xoắn tác động lên dầm cầu trước và sau 7

Hình 2.3 Mô hình moment chống xoắn lên dầm cầu trước 9

Hình 2.4 Mô hình moment chống xoắn dầm cầu sau 9

Hình 2.5 Mô hình xe rẽ phải phát sinh lực ly tâm 11

Hình 2.6 Mô hình trọng tâm lệch qua trái một góc φ 11

Hình 2.7 Mô hình hệ thống treo lệch qua trái một góc φ 12

Hình 2.8 Thanh cân bằng và các vị trí liên kết 16

Hình 2.9 Mô hình phân tích lực tác dụng lên thanh chống xoắn 17

Hình 2.10 Mô hình phân tích góc xoay trên thanh chống xoắn 17

Hình 2.11 Biên dạng mặt đường mô tả bằng bán bình phương hàm Sin 18

Hình 2.12 Đồ thị động lực học của bầu khí nén 19

Hình 2.13 Mặt cắt lốp xe 21

Hình 2.14 Đồ thị tối ưu hệ số giảm chấn cho xe có khối lượng m với tần số f ≈1Hz 22

Hình 2.15 Các cấu trúc của các thanh dẫn hướng trên các loại 23

Hình 2.16 Góc lắc trên khung xe liên quan đến kết cấu bố trí của thanh 24

Hình 2.17 Chuyển vị của trọng tâm xe với một góc φ 24

Hình 2.18 Tổng các lực từ các thanh đòn dẫn hướng có phương vuông góc 25

Hình 2.19 Sơ đồ lực tác dụng lên hệ thống treo độc lập khi xe rẽ trái: (a) sơ đồ lực khi xe chưa chuyển hướng; (b) sơ đồ lực trong hệ trục tọa độ của thanh đòn dẫn hướng khi xe chuyển hướng; (c) sơ đồ lực trở lại vị trí bình thường và các thành phần của lực ngang; (d) điểm hợp lực tại vị trí tâm lắc hình học (GRC), và các thành phần của FLJ (link jacking force) và lực ngang FY (lateral force) tại điểm tâm lắc lực (FRC) 26

Hình 2.20 Tâm lắc của hệ thống treo độc lập có thanh đòn dẫn hướng song song nhau 27

Hình 2.21 Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động quay vòng trên đường ngang 28

Hình 2.22 Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động rẽ phải trên đường ngang 28

Hình 2.23 Các công cụ sử dụng trong Matlab 31

Hình 3.1 Bản vẽ tổng thể xe khách ghế ngồi WENDA DOOSAN 32

Hình 3.2 Mô hình xe chịu lực ngang 4 bậc tự do 33

Hình 3.3 Bản vẽ thanh cân bằng trước và sau xe WENDA DOOSAN 36

Hình 4.1 Khối Constant 41

Hình 4.2 Nhập giá trị khối Constant 41

Hình 4.3 Khối Sigal Builder 41

Hình 4.4 Nhập thông số khối Sigal Builder 42

Hình 4.5 Khối Sigal Scope 42

Hình 4.10 Khối Solver Configuration 44

Hình 4.11 Khối connection port 44

Hình 4.12 Khối mechanism configuration 44

Hình 4.13 Nhận thông số khối mechanism configuration 44

Hình 4.14 Khối World Frame 44

Hình 4.15 Khối Solid 45

Hình 4.16 Khối Frames và Transforms 45

Hình 4.17 Khớp Joints 45

Hình 4.18: Mô hình Matlab Simscape trên mặt phẳng ngang xe WENDA DOOSAN 46

Hình 4.19: Mô hình trên mặt phẳng ngang xe WENDA DOOSAN trong mô phỏng 46

Hình 4.20: Mô hình bánh xe bên trái và bên phải 47

Hình 4.21: Mô hình hệ thống treo bên trái và bên phải 48

Hình 4.22: Mô hình thân xe (Body) 48

Hình 4.23: Mô hình mấp mô mặt đường hình bán sin 49

Hình 5.1: Sự biến thiên gia tốc góc theo thời gian 51

Hình 5.2: Sự biến thiên vận tốc góc theo thời gian 52

Hình 5.3: Sự biến thiên gia tốc góc theo thời gian 52

Hình 5.4: Sự biến thiên góc lắc theo hr 53

Hình 5.5: So sánh sự biến thiên góc lắc không có thanh cân bằng theo thời gian 54

Hình 5.6: So sánh sự biến thiên góc lắc có thanh cân bằng theo thời gian 55

Hình 5.7: So sánh sự biến thiên vận tốc không có thanh cân bằng theo thời gian 55

Hình 5.8: So sánh sự biến thiên vận tốc có thanh cân bằng theo thời gian 56

Hình 5.9: So sánh sự biến thiên gia tốc không có thanh cân bằng theo thời gian 56

Hình 5.10: So sánh sự biến thiên gia tốc có thanh cân bằng theo thời gian 57

Hình 5.11: So sánh sự biến thiên góc lắc không có thanh cân bằng hr 58

Hình 5.12: So sánh sự biến thiên góc lắc có thanh cân bằng theo hr 58

a1: Khoảng cách từ trọng tâm C đến cầu trước ô tô a2: Khoảng cách từ trọng tâm C đến cầu sau ô tô

B: Chiều rộng cơ sở của ô tô

b: Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm đến bánh xe b1 = b2: Khoảng cách từ trọng tâm ra 2 bên hông xe.c: Hệ số giảm chấn của hệ thống treo

ddϕ: Gia tốc góc lắc khi ô tô khi dao động

ddx: Gia tốc theo phương thẳng đứng của ô tô khi dao động dvbxt: Vết bánh trước

dx: Vận tốc theo phương thẳng đứng của ô tô khi dao động f: Tần số dao động

FRC: Tâm lắc lực (the force roll centre - FRC)

FyR: Tổng phản lực pháp tuyến tại các bánh xe phía trong hướng bên phải g: Gia tốc trọng trường (g=9.81m/s2)

h0: Chiều cao của trọng tâm xe

hr: Chiều cao từ tâm lắc đến trọng tâm xe

I’x: Mô-men quán tính dời trục quanh trục Ox của ½ thân xe I0: Mô-men quán tính khối lượng bản thân phần được treo Ix: Mô-men quán tính khối lượng quanh trục Ox của ½ thân xe Iy: Mô-men quán tính xoay quanh trục Y

k: Độ cứng hệ thống treo

k1: Hệ số đàn hồi hệ thống treo trước

kt: Độ cứng lốp xe trái, phải ktf: Độ cứng của lốp xe trước ktr: Độ cứng của lốp xe sau l: Chiều dài cơ sở

m: Khối lượng thân ô tô khi đầy tải

m1, m2: Khối lượng bánh xe bên trái và bên phải mf: Khối lượng phần không được treo trước

MRC: Tâm lắc mô-men (the moment roll centre - MRC) ms: Khối lượng phần được treo

mt: khối lượng phân bố lên trục trước R: Bán kính quay vòng

r: Vận tốc góc của xe tại C

r0: Chiều cao từ mặt đường đến tâm lắc r0tire: Bán kính thiết kế của bánh xe v: Vận tốc xe (m/s)

vf,r: Véc-tơ vận tốc bánh xe trước, sau vxc: Vận tốc giới hạn cực đại.

x1, x2: Chuyển động theo phương thẳng đứng của lốp bên phải, trái y1, y2: Kích động của mặt đường lốp bên phải, trái

αf = δ - βf: Góc trượt ngang của bánh xe dẫn hướng β: Góc lệch ngang vectơ vận tốc của xe, v so với trục x

βf: Góc lệch ngang vectơ vận tốc của bánh xe dẫn hướng, vf so với trục x δ(t): Góc đánh lái theo thời gian

δ: Góc lái bánh xe dẫn hướng (bánh xe trước) δ: Góc lái bánh xe dẫn hướng (bánh xe trước) φ: Góc lắc (Body roll)

φY: Hệ số bám ngang ω: Tần số góc.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây đất nước ngày càng phát triển, đời sống người dân ngày càng được nâng cao Vì thế nhu cầu đối với dịch vụ giao thông vận tải hành khách ngày một nâng cao cả về số lượng và chất lượng của dịch vụ

Để đáp ứng được yêu cầu thoải mái và tiện nghi khi di chuyển trong thời gian dài, các nhà xe vận chuyển hành khách đi liên tỉnh ở cự li ngắn chuyển sang sử dụng xe khách ghế ngồi có hệ thống treo khí vì độ êm dịu cao Tuy nhiên, nhiều mẫu trong số đó sử dụng chung khung gầm đặt ra vấn đề về độ ổn định cũng như an toàn trong quá trình sử dụng

Theo số liệu thống kê cho thấy khoảng 30% số vụ tai nạn giao thông đặc biệt nghiêm trọng và thảm khốc xảy ra đối với xe giường nằm trên các đoạn đường đèo núi Cục Đăng kiểm Việt Nam đã có văn bản đề xuất Bộ Giao thông Vận tải sửa đổi, bổ sung một số quy định tại Thông tư 29/2012/TT-BGTVT (quy định về cải tạo xe cơ giới) nhằm siết chặt hơn nữa công tác cải tạo xe cơ giới, trong đó cấm cải tạo ôtô khách thông thường thành xe khách giường nằm hai tầng; cấm các ô tô tải cải tạo thùng chở hàng, hệ thống phanh, cầu bị động, hệ thống treo…để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành

Vì các lý do trên nên vấn đề đánh giá động học và động lực học theo phương ngang trong quá trình chuyển động của xe khách cần được tính toán mô phỏng và thực nghiệm tốt hơn Thực tế tại Việt Nam và thế giới hiện nay đã có một số công trình nghiên cứu về vấn đề tương tự Tuy nhiên các

Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước

1.2.1.Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới

Sách Vehicle Dynamics: Theory and Application do Reza N Jazar viết được nhà xuất bản

Springer xuất bản năm 2008 [1]

Trong chương 13 của sách cũng trình bày về dao động của xe bằng mô hình dao động xe trong mặt phẳng ngang Mô hình cho phép khảo sát thông số dao động của thân xe theo phương thẳng đứng x lắc ngang quanh trục Ox của xe với góc lắc ngang φ, chuyển động thẳng đứng của các bánh xe x1, x2 và các dao động riêng biệt từ mặt đường y1, y2

Tuy nhiên sách chưa trình bày được ảnh hưởng của lực quán tính đến động học và động lực học của xe cũng như ảnh hưởng của ổn định ngang của xe khi quay vòng

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, [2]

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

1.2.2.Tổng quan tình hình 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 [3]

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 thực hiện,

2015 [4]

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, 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 “Khảo sát ảnh hưởng của hệ thống treo đến đặc tính ổn định ngang của xe MobiHome HB120 khi chuyển động quay vòng trên mặt đường mấp mô” do Nguyễn

Xuân Ngọc thực hiện, 2016 [5]

Tác giả chỉ khảo sát đánh giá ảnh hưởng độ cứng của giảm chấn khi xe chuyển động qua mặt đường mấp mô từ đó xác định vận tốc nguy hiểm của xe Tuy nhiên, đề tài này 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 ổn định chuyển động ngang của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học phương ngang” do Phan Văn Phúc thực hiện, 2016 [6]

Tác giả xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng trong tính toán ổn định ngang, xác định các điều kiện tới hạn ổn định động lực học, an toàn chuyển động của của xe khách giường nằm HB120 khi quay vòng Tuy nhiên trong quá trình tính toán có nhiều thông số lấy giá trị gần đúng nên cần thực nghiệm lại kết quả

Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích đặc tính chống lắc ngang trên hệ thống treo xe ghế ngồi

Nhằm phân tích sự ảnh hưởng của thanh cân bằng đến độ ổn định ngang của xe ở xe khách ghế ngồi WENDA và ảnh hưởng của việc bố trí hệ thống treo trên dòng xe này (trên nền sát xi DOOSAN và ISUZU ) trong trường hợp vào cua bằng mô hình toán học, trong đó xem xét đến sự ảnh hưởng của góc lật đến ổn định thân xe theo chiều ngang

Tuy nhiên các đề tài trên sử dụng mô phỏng bằng mô hình toán học nên rất khó khăn khi sử dụng trong thực tế đối với các kỹ sư thiết kế của các công ty

1.2.3.Lý do chọn đề tài

Để kiểm nghiệm lại kết quả tính toán mô phỏng bằng mô hình toán của những đề tài trên, đồng thời xây dựng mô hình mô phỏng trực quan giúp các kỹ sư thiết kế dể dàng sử dụng, tác giả xây dựng mô hình mô phỏng dao động xe khách ghế ngồi Wenda Doosan với hệ thống treo khí bằng

2019

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1.Đối tượng nghiên cứu

Xe khách ghế ngồi Wenda Doosan do công ty sản xuất và lắp ráp ô tô SAMCO chế tạo là đối

tượng cụ thể để tiến hành nghiên cứu Xác định các thông số ảnh hưởng đến tính năng động học

1.4.2.Phạm vi nghiên cứu

Vấn đề dao động theo phương ngang của xe khi quay vòng là một vấn đề rất phức tạp vì nó chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và các trạng thái làm việc khác nhau Vì vậy đề tài nghiên cứu chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu động lực học khi xe quay vòng theo phương ngang khi chuyển động thẳng qua các mấp mô với vận tốc không đổi, các tín hiệu kích thích từ mặt đường có dạng bán bình phương hàm sin

Nội dung nghiên cứu

Xây dựng mô hình vật lý và mô hình toán học mô tả dao động của xe sử dụng trong tính toán ổn định ngang của xe khách ghế ngồi Wenda Doosan khi quay vòng

Xác định toàn bộ các thông số cần thiết của xe bằng thực nghiệm kết hợp với lý thuyết để sử dụng cho bài toán tính toán mô phỏng

Xây dựng mô hình mô phỏng dao động xe với hệ thống treo khí bằng phần mềm Matlab Simscape dựa trên các thông số kỹ thuật cụ thể của xe

Nhận xét kết quả thu được từ đó rút ra các kết luận về ảnh hưởng của các thông số động lực học theo phương ngang khi xe chuyển động quay vòng trong các chế độ hoạt động khác nhau kết hợp với các điều kiện tới hạn ổn định

So sánh các điều kiện tới hạn ổn định động lực học, an toàn chuyển động của xe khách ghế ngồi Wenda Doosan khi quay vòng Từ đó đề ra giải pháp thiết kế cải tiến nhằm đảm bảo tốt hơn an toàn chuyển động của xe khi vào cua

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.6.1.Ý nghĩa khoa học

Xây dựng được mô hình tính toán mô phỏng động lực học đánh giá ổn định an toàn chuyển động theo phương ngang khi vào cua của xe khách ghế ngồi Wenda Doosan bằng mô hình vật lý trong đó Matlab Simscape được khai thác sử dụng

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài này thực hiện nghiên cứu cơ sở tính toán mô phỏng động học và động lực học chuyển

toán động lực học trong mặt phẳng ngang 4 bậc tự do (4 DOF) với các thông số đàn hồi và giảm chấn là tuyến tính Với thành phần lực ngang khi xe vào cua được xác định theo các đề tài trước đó, với góc đánh lái là hàm bước 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, đồng thời so sánh với kết quả tính toán khi sử dụng các mô hình mô phỏng theo phương pháp toán học từ các đề tài đã sử dụng trước đó

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mô hình lực ngang tác dụng lên xe

Trên thế giới hiện nay, một trong những thông số thường được sử dụng để đánh giá sự ổn định là hệ số ổn định tĩnh, được tính bằng

Trong đó: t: là chiều dài cơ sở

h: là chiều cao trọng tâm CG

Hầu hết các phương tiện chở khách có phạm vi SSF trong khoảng từ 1,30-1,50, với xe SUV, xe tải dao động trong khoảng từ 1,00 đến 1,30 SSF được NHTSA sử dụng để xác định thử nghiệm va chạm và xếp hạng đánh giá ổn định ngang Để hiểu rõ hơn về điều này, ta nghiên cứu các cơ sở lý thuyết sau

Mô hình tính của xe được mô tả ở hình 1 bên dưới Các thông số kích thước như chiều dài cơ sở , chiều rộng cơ sở , chiều cao trọng tâm…ảnh hưởng rất lớn đến các thông số về hình học, cũng như sự ổn định của xe trong lúc vận hành Mô hình này mô tả thân xe ở trạng thái bất kì , với một gia tốc theo phương ngang của xe, cùng các lực tác động lên thân xe trong lúc di chuyển

Tổng hợp lực và moment tác động lên thân xe tại trọng tâm được thể hiện qua các phương trình sau:

Hình 2.1 Mô hình phân tích lực tác động lên xe

F =F +F : là tổng hợp lực theo phương đứng tác động lên bên phải của xe (N)

Hình 2.2 Moment xoắn tác động lên dầm cầu trước và sau.

Tâm lắc ngang

Với mô hình đưa ra ở trên, ta thêm vào mô hình một độ cứng xoắn lên cầu trước và cầu sau để ổn định trạng thái của xe, do đó mô hình phát sinh ra một tâm gọi là tâm lật ngang Hình 2.2 thể hiện các moment được thêm vào, vị trí tâm xoắn lên cầu trước và cầu sau, tác động đến ứng xử ngang của xe Nhờ vào độ cứng xoắn này, giúp sinh ra một moment tác động lên thân xe, sẽ giúp tạo ra sự ổn định của xe, hạn chế khả năng lật đặc biệt ở trạng thái khi vào cua

Các thông số kích thước về khoảng cách d và e được thể hiện trên hình 2.4, tương ứng với độ lệch của tâm lắc ngang so với trọng tâm theo phương đứng và phương ngang Tâm lật ngang không chỉ giải quyết sự bất ổn định của xe mà còn có một số tác động lên hệ thống treo của xe và khả năng lật của xe

Động lực học theo phương ngang ( KRC )

Phân bố tải ở trạng thái ổn định cho mô hình được ghi nhận bằng các phương trình KRC, bằng cách tổng hợp các moment tâm xoay ở trước và sau, thể hiện ở các phương trình sau:

Với lực sinh ra do gia tốc ngang F may = y, ay là gia tốc ngang, độ cứng xoắn cầu trước sau

tương ứng là K Krf , rr Giả định rằng gia tốc ngang sinh ra do xe đang chạy trong quỹ đạo tròn với ay =U R2 / , với U là vận tốc của xe, R là bán kính của quỹ đạo cung tròn Ta có W mg=lực sinh ra do gia tốc ngang được xác định như sau:

eW dFKK

φ = +

+ trong đó, thông số phân bố độ cứng xoắn KF được cho bởi:

KKF

Hình 2.3 Mô hình moment chống xoắn lên dầm cầu trước.

Với dầm cầu sau, được thể hiện trong hình 2.4 , với chiều rộng cơ sở Br Ta có phương trình tổng hợp moment cho cầu sau:

Mô hình dao động ½ ô tô trong mặt phẳng ngang có lực ly tâm

Khi xe quay vòng theo hình 2.8 sẽ sinh ra lực ly tâm Fy (t) được đặt tại vị trí tọa độ trọng tâm

C và sinh ra mô-men ly tâm Mc (t) như sau: ( )( )

Bảng 2.1 Thông số mô hình dao động ô tô trong mặt phẳng ngang có lực ly tâm

Ix Mô-men quán tính khối lượng quanh trục Ox của ½ thân xe kg.m2m1,m2 Khối lượng bánh xe bên trái và bên phải kg

b Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm đến bánh xe m x1, x2 Chuyển động theo phương thẳng đứng của lốp bên phải, trái m

Khi đó, mô-men quán tính dời trục 𝐼𝐼𝑥𝑥′ hình 2.9

Hình 2.5 Mô hình xe rẽ phải phát sinh lực ly tâm

Hình 2.6 Mô hình trọng tâm lệch qua trái một góc φ

Hình 2.7 Mô hình hệ thống treo lệch qua trái một góc φ

Từ hình 2.10 xác định được góc:

0 arctan

bh

�; 𝑋𝑋̇ = �𝛥𝛥𝜑𝜑̇𝛥𝛥1̇𝛥𝛥2̇

�; 𝑋𝑋̈ = �𝛥𝛥̈𝜑𝜑̈𝛥𝛥1̈𝛥𝛥2̈

�

Vk x yk xyksk x xh d

 Hàm tiêu tán năng lượng:

∂ =∂ 

2( xr) ;

∂ 

K m x

0;∂ =

x 0;

∂ =∂

ϕ ∂ 1 =0;∂

x 2 0;

∂ =∂

V k x x h dx

( sin ) ( sin ) sin sinsin cos sin cos

kdkdx kdkdkkdxkdx kh dkh d

0+ 𝑚𝑚𝑚𝑚ℎ𝑟𝑟𝜑𝜑0

Ta thu được các ma trận:

k y kh kdk y kh kd

Thanh cân bằng (Anti-Roll Bar)

2.5.1.Thanh cân bằng (Anti-Roll Bars)

Thanh cân bằng (Anti-Roll Bars) được sử dụng để tăng độ ổn định của xe thân xe khi vào cua

cua, lực quán tính tác động lên thân xe, gây ra trạng thái nghiêng, các lực này thông quay hệ thống liên kết nêu trên tác động đên thanh cân bằng một moment xoắn, từ đó thanh cân bằng cũng sinh ra một moment nhằm chống lại moment này, hạn chế góc nghiêng dọc thân xe nhằm tăng sự ổn định

Cấu trúc của thanh chống chống xoắn có dạng hình chữ U kết nối hai bánh xe trái và phải bánh xe và thanh được cố định vào khung gầm của xe thông qua các khớp nối cao su Thanh cân bằng có thể là ở dạng đặc hoặc ở dạng ống rỗng Chính chức năng của thanh cân bằng là giảm chuyển động xoay nghiêng dọc trục của khi chiếc xe đang vào cua

Thanh cân bằng sử dụng trong mô hình ở dạng bị động (hay cố định) Thanh được gắn trên khung gầm bằng cách sử dụng khớp xoay cao su tại A; A’, cho phép thanh thực hiện chuyển vị xoay tự do quanh trục Các đầu ngoài cùng của thanh tại B; B’ được kết nối với hai bên của hệ thống treo bánh xe, được thể hiện trên hình 2.11

Hình 2.8 Thanh cân bằng và các vị trí liên kết

Phương pháp giải tích:

Thanh cân bằng là một hệ đa phần tử gồm nhiều yếu tố cấu thành Để mô hình hóa thanh chống xoắn, ta giả thiết rằng quá trình xoắn của thanh được tập trung trong một khớp quay theo hướng trục xoắn tại vị trí A (hoặc A’) Bên cạnh đó, ta giả sử quá trình uốn xảy ra là không đáng kể so với quá trình xoắn của thanh

Vì khối lượng của thanh cân bằng là rất nhỏ so với hệ thống treo, nên phần khối lượng này cũng sẽ bị bỏ qua, tức là thanh cân bằng được mô phỏng như một phần tử không có khối lượng Mô hình được thể hiện trên hình 2.13 Ở mô hình này ta giả định rằng mỗi nửa thanh giằn được kết nối với xe bằng cách sử dụng một mối nối quay (khớp xoay cao su) Bằng cách này, ta có thể tính toán được góc xoay của thanh cân bằng trên một nữa còn lại

Hình 2.9 Mô hình phân tích lực tác dụng lên thanh chống xoắn

Đối với moment xoắn của dầm góc xoắn γ ta thu được moment xoắn như sau:

GJc

b ϕ

Biên dạng mặt đường dạng bán bình phương hàm sin

Hình 2.11 Biên dạng mặt đường mô tả bằng bán bình phương hàm Sin

Hàm bán bình phương hình sin được thể hiện bằng hàm toán học:

𝑦𝑦 = �

0; 𝑡𝑡 < 𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑟𝑟𝑠𝑠

𝑑𝑑2𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠22𝜋𝜋𝜋𝜋𝑑𝑑10; 𝑡𝑡 ≥ 𝑡𝑡𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒

; 𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑟𝑟𝑠𝑠 ≤ 𝑡𝑡 < 𝑡𝑡𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 (2.55)

Dạng bán bình phương hàm sin là dạng hàm kích động tiêu biểu mô tả biên dạng mặt đường có mô cao dạng bán hình sin, các thông số được chọn như ở [7], được thể hiện bằng mô hình toán học:

Trong đó: t_start = 0: thời điểm ngay tại đó bánh xe bắt đầu tiếp xúc với bậc (s) t_end = 0.5d1

v: thời điểm ngay khi bánh xe bắt đầu rời khỏi bậc (s) d2: độ cao mấp mô của mặt đường (m)

d1: bước sóng mấp mô của mặt đường (m) V: vận tốc chuyển động của xe (m/s)

Thông số đàn hồi – giảm chấn

2.7.1.Hệ số đàn hồi hệ thống treo

Bầu khí nén là một bộ phận đàn hồi có độ êm dịu cao, đặc tính đàn hồi của bầu khí nén có dạng phi tuyến, không giống dạng tuyến tính như trên lò xo trụ Hệ số đàn hồi thay đổi theo tải trọng tác dụng lên bầu khí nén

Trong hình 2.18 thể hiện đồ thị động lực học của bầu khí nén với trục tung (Load) là tải tác dụng lên bầu khí nén, trục hoành (Deflection) là chiều cao hình học của bầu khí nén trong quá trình làm việc Bầu khí nén có trạng thái cân bằng tại vị trí L

Công thức tính hệ số đàn hồi của bầu khí nén:

Hình 2.12 Đồ thị động lực học của bầu khí nén

k = (Lc – Le)/(∆hc + ∆he) (2.56)

Trong đó:

k : Hệ số đàn hồi bầu khí nén

∆he : Độ giản của bầu khí nén Tính Lc và Le:

Lc = Pgc (Ac) (2.57)

Le = Pge (Ae) (2.58)

Trong đó:

Pgc: Áp suất dư của khí nén tại điểm Lc.

Pge: Áp suất dư của khí nén tại điểm Le.

Ac: Diện tích tác dụng bầu khí nén tại điểm Lc

Ae: Diện tích tác dụng bầu khí nén tại điểm Le Thế công thức 2.82 và 2.83 vào công thức 2.81 ta được:

cVP =P

cVP =P

Ve : Thể tích bầu khí nén tại vị trí Le

Thế các công thức 2.87 vào 2.88 và 2.85 vào 2.86 ta được:

cV

Nhóm các phần chung và rút gọn công thức 2.91 ta thu được công thức tính hệ số đàn hồi k của

bầu khí nén như sau:

2.7.2.Hệ số đàn hồi của lốp xe

Tính độ cứng thẳng đứng của lốp xe k_t1,t2,t3: ( vertical stiffness) [3]

Trong đó: Kw : độ đàn hồi của lốp [N/m]

AR: tỉ số giữa chiều cao và chiều rộng lốp xe SN: chiều rộng danh nghĩa lốp xe

Ta cần xác định tải trọng phân bố lên bánh xe trước và bánh xe sau, từ đó xác định được hệ số

giảm chấn phù hợp dựa theo công thức c ≈ 0,112πm [Ns/m]

Hình 2.14 Đồ thị tối ưu hệ số giảm chấn cho xe có khối lượng m với tần số f ≈1Hz

Tiêu chuẩn đánh giá

SSF được dùng bởi NHTSA để đánh giá khả năng tai nạn cũng như lật của xe Số “sao” đánh giá được dựa trên nguy cơ lật của xe, và được thể hiện trong bảng 2.3 Dựa trên các thống kê NHTSA trên mẫu xe, các xe có SSF dưới 1,15 rơi vào loại xếp hạng 3 sao trở xuống Tuy nhiên, với SSF trên 1,35, thống kê cho thấy xếp hạng từ 4 “sao” trở lên, do đó chứng tỏ nguy cơ lật của các phương tiện như SUV, xe tải hoặc xe dễ bị lật hơn so với xe con hay nói cách khác các xe có trọng tâm cao, dễ lật hơn các dòng xe có trọng tâm thấp hơn

Bảng 2.3: Bảng đánh giá khả năng lật của xe dựa trên hệ số tĩnh SSF

5 sao Khả năng lật xe thấp hơn 10% 4 sao Khả năng lật xe giữa 10 % và 20 % 3 sao Khả năng lật xe giữa 20 % và 30 % 2 sao Khả năng lật xe giữa 30 % và 40 % 1 sao Khả năng lật xe lớn hơn 40%

Tâm lắc

2.10.1.Giới thiệu

Trong hầu hết mô hình của hệ thống treo độc lập thì được mô tả đơn giản chỉ có một tâm lắc duy nhất đáp ứng các chức năng hoạt động của xe Nhưng trong thực tế, có một số chức năng riêng biệt khác nhau, với các tâm lắc riêng biệt như:

(1) Tâm lắc hình học (the geometric roll centre –GRC) (2) Tâm lắc động lực học (the kinematic roll centre - KRC) (3) Tâm lắc lực (the force roll centre - FRC)

(4) Tâm lắc mô-men (the moment roll centre - MRC)

2.10.2.Tay đòn dẫn hướng

Tâm lắc hình học được xác định bằng phương pháp hình học dựa vào cấu trúc của đòn dẫn hướng của hệ thống treo, do đó tâm lắc sẽ được xác định tùy vào các hình dạng và cấu trúc của các

thanh dẫn hướng như hình 2.18 bên dưới

Trong những năm gần đây, các kết quả phân tích hệ thống treo của xe có nhiều chủng loại thanh

dẫn hướng và tâm lắc được giới thiệu trong hình 2.18, xuất hiện được Dixon (1991) giới thiệu,

nhưng chưa chính xác với thực tế hoạt động của xe

Hình 2.15 Các cấu trúc của các thanh dẫn hướng trên các loại hệ thống treo độc lập (Dixon, 1991)

Nhiều tác giả cho rằng tâm lắc chính là điểm trùng trọng tâm lắc của thân xe Nhưng điều này là không thực sự đúng với thực tế hoạt động của xe khi xét đến độ lệch ngang của xe khi vào cua hay quay vòng

Thực tế là tâm lắc liên quan mật thiết vói các chi tiết trên cầu của xe như thuộc đặt tính cứng của lò xo giảm chấn chứ không phải là phụ thuộc hoàn toàn vào các thanh thanh dẫn hướng

Với góc xoay của hệ thống treo 𝜑𝜑, trọng tâm của xe sẽ di chuyển một đoạn ∆𝑦𝑦, chiều cao của

KRC là hr theo hình 2.20 ta có:

Hình 2.16 Góc lắc trên khung xe liên quan đến kết cấu bố trí của thanh đòn dẫn hướng trên cầu

0 o tanyh r

0tan ( o)

y ϕ h r

Trong đó h0 là chiều cao của trọng tâm xe và r0 là chiều cao từ mặt đường đến tâm lắc như hình 2.21

Hình 2.17 Chuyển vị của trọng tâm xe với một góc φ

Theo hình 2.20, mô-men được xác định:

M mg y=∆

2.10.4.Tâm lắc lực(FRC)

Chiều cao của FRC ảnh hưởng bởi hai yếu tố sau: + Các lực bám ngang từ thanh đòn dẫn hướng

+ Các lực có phương thẳng đứng từ các thanh đòn dẫn hướng thể hiện theo hình 2.22

(link jacking force: LJF.)