Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Phân tích ổn định chuyển động ngang của xe khách giường nằm HB 120 bằng mô hình động lực học phương ngang

Xác định được sự ảnh hưởng chuyển động lắc quanh trục dọc, sự thay đổi vị trí toạ độ trọng tâm do chuyển động lắc gây ra, và đặc biệt là vị trí tâm lắc quanh trục dọc của xe khách giường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trần Hữu Nhân Cán bộ chấm nhận xét 01: TS Nguyễn Lê Duy Khải Cán bộ chấm nhận xét 02: TS Nguyễn Chí Thanh Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày 11 tháng 01 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch: PGS TS Huỳnh Thanh Công 2 Thư ký: TS Phạm Tuấn Anh

3 Phản biện 1: TS Nguyễn Lê Duy Khải 4 Phản biện 2: TS Nguyễn Chí Thanh 5 Ủy viên: TS Nguyễn Văn Trạng Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1- TÊN ĐỀ TÀI:

“Phân tích ổn định chuyển động ngang của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học phương ngang”

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

i Xác định được sự ảnh hưởng chuyển động lắc quanh trục dọc, sự thay đổi vị trí toạ độ trọng tâm do chuyển động lắc gây ra, và đặc biệt là vị trí tâm lắc quanh trục dọc của xe khách giường nằm HB120 đến sự an toàn và ổn định của xe khi vào cua hay quay vòng bằng phương pháp mô phỏng ii Từ kết quả tính toán phân tích mô phỏng giúp định hướng xác định cụ thể

phương án thiết kế cải tiến nhằm nâng cao tính năng ổn định và an toàn của xe khách giường nằm HB120 khi vào cua hay quay vòng

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 15 tháng 12 năm 2015 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 05 tháng 01 năm 2017 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trần Hữu Nhân

LỜI CÁM ƠN Để thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp “Phân tích ổn định chuyển động ngang của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học phương ngang”, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các tập thể, cá nhân đã tận tình

giúp đỡ trong suốt quá trình theo học tại trường:

 Thầy Cô Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM  Thầy Cô Bộ Môn Kỹ Thuật Ô Tô – Máy Kéo Trường Đại Học Bách

Khoa TPHCM  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  Thầy TS Nguyễn Lê Duy Khải đã đóng góp những ý kiến quý báu cho

đề tài  Các 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  Vợ và con đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi học tập, nghiên

TÓM TẮT

Để khảo sát ảnh hưởng của vị trí tâm lắc đến tính năng ổn định theo phương ngang của xe khách giường nằm HB120 khi xe quay vòng, mô hình tính toán mô phỏng động lực học theo phương ngang trong đó xét đến ảnh hưởng của vị trí tâm lắc được nghiên cứu và ứng dụng Quá trình tính toán và phân tích được thực hiện trên mô hình động lực học theo phương ngang, 4 bậc tự do có kể đến ảnh hưởng vị trí tâm lắc và thành phần lực ngang biến thiên theo thời gian thu được từ mô hình động lực học phẳng của xe khi vào cua hay chuyển động quay vòng Kết quả cho thấy ảnh hưởng của vị trí tâm lắc đến giới hạn lật ngang của xe HB120 khi vào cua Từ đó, xác định được các thông số tới hạn cho phép đảm bảo điều kiện an toàn theo phương ngang Các thông số này làm cơ sở tham khảo để tiến hành đề xuất phương án thiết kế nhằm nâng cao tính năng chuyển động ổn định của xe HB120 khi quay vòng

ABSTRACT

To analyze the roll center position’s effects on the lateral stability of the seating-bed passenger car model HB120 in the turning case, the computational lateral dynamics model, in which the influence of the vehicle’s roll center position is considered, has been investigated and applied The process of calculation and analysis is done by vehicle lateral dynamics model, 4 degrees of freedom, taking in to account the vehicle roll center position’s effects and the lateral force component variation over time obtained by calculation based on the vehicle planar dynamics model The results showed that the influence of the vehicle’s roll center position on the critical over-roll condition while the HB120 turning From there, the critical lateral stability parameters, so that the safe conditions to be met, have been determined Those are considered as the basis of references to carry out the proposed design model to enhance the features of vehicle’s lateral stability

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: PHAN VẠN PHÚC

Địa chỉ liên lạc: 49/5A, Đ Tân Thới Hiệp 21, P Tân Thới Hiệp, Q.12, Tp.HCM Số điện thoại: 0936 034 034

Tôi xin cam đoan luận văn “Phân tích ổn định chuyển động ngang của xe khách

giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học phương ngang” 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

Phan Vạn Phúc

MỤC LỤC

TỔNG QUAN 1CHƯƠNG 1:

1.1 Đặt vấn đề 11.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước 2

Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới 21.2.1

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 21.2.2

Lý do chọn đề tài 31.2.3

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 41.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

Đối tượng nghiên cứu 41.4.1

Phạm vi nghiên cứu 51.4.2

Các giả thuyết 51.4.3

1.5 Nội dung nghiên cứu 61.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6

Ý nghĩa khoa học 61.6.1

Ý nghĩa thực tiễn 61.6.2

1.7 Phương pháp nghiên cứu 6

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7CHƯƠNG 2:

2.1 Động lực học theo phương ngang 7

Hệ tọa độ 72.1.1

Mô hình dạng xe 2 bánh 82.1.2

Cơ sở lý thuyết tính toán động lực học theo phương ngang (không có 2.1.3

ảnh hưởng của góc lắc quanh trục x & z) [3] 9

Xác định lực và mô-men tác dụng lên xe theo phương ngang 2.1.3.1

(phương trình Newton – Euler) 9

Hệ lực và mô-men tác dụng lên xe 122.1.3.2

Mô hình động lực học chuyển động quay vòng của xe (dạng 2 bánh) [3]2.1.4

14Đáp ứng quay vòng ổn định 172.1.5

Đáp ứng thời gian 192.1.6

Xác định thông số lực ngang khi xe chuyển động quay vòng 20

2.1.7Góc lái là hàm bước 20

2.1.8Góc lái là hàm sin2 21

2.1.92.2 Tâm lắc [6] 21

Giới thiệu 21

2.2.1Tay đòn dẫn hướng 22

2.2.2Tâm lắc động lực học (KRC) 24

2.2.3Tâm lắc lực (FRC) 25

2.2.4Tâm lắc hình học (GRC) 28

2.2.52.3 Mô hình dao động ½ ô tô trong mặt phẳng ngang không có lực ly tâm (mô hình dao động thuần túy) [1] 29

2.4 Mô hình dao động ½ ô tô trong mặt phẳng ngang có lực ly tâm 32

2.5 Lý thuyết về đặc tính ổn định ngang của ô tô 39

Khái niệm 39

2.5.1Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang 39

2.5.2Điều kiện trượt 39

2.5.2.1Điều kiện lật 41

2.5.2.2THÔNG SỐ TÍNH TOÁN XE KHÁCH GIƯỜNG NẰM HB120 42

CHƯƠNG 3:3.1 Thông số kỹ thuật tổng quát xe khách giường nằm HB120 [8] 42

3.2 Thông số tính toán động lực học 44

Thông số trong mô hình động lực học phẳng 44

3.2.1Thông số trong mô hình động lực học mặt phẳng ngang 45

3.2.2Biên dạng mặt đường 45

3.2.2.1Các thông số 45

3.2.2.2TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 49

CHƯƠNG 4:4.1 Sơ đồ tính toán mô phỏng 49

4.2 Khảo sát và đánh giá biến thiên của lực ngang 50

Khảo sát giá trị cực đại Fy theo đều kiện bám và điều kiện lật ngang của 4.2.1xe 50

Khảo sát vận tốc giới hạn cực đại, vxc so với góc lái δ 524.2.2

Khảo sát sự biến thiên theo thời gian của thành phần lực ngang 534.2.3

4.3 Khảo sát sự chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng 544.4 Khảo sát và đánh giá trong miền thời gian của chuyển động lắc quanh trục

574.5 Khảo sát trong miền khoảng cách giữa tâm lắc φ và tọa độ trọng tâm (hr) 60

KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 65CHƯƠNG 5:

5.1 Kết luận 655.2 Hướng phát triển đề tài 65

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Hệ trục tọa độ gắn liền với trọng tâm C của xe B(oxyz) 7

Hình 2.2 Mô hình xe ô tô quy về mô hình dạng xe 2 bánh 8

Hình 2.3 Chuyển động của xe trong mặt phẳng 9

Hình 2.4 Miêu tả hệ lực và mô-men tác dụng lên bánh xe số 1 12

Hình 2.5 Biểu diễn lực và mô-men trong mặt phẳng x và y tác dụng lên xe 13

Hình 2.6 Mô hình động lực học chuyển động quay vòng của xe (dạng 2 bánh) 14

Hình 2.7 Sự thay đổi góc lái δ theo thời gian t 20

Hình 2.8 Xe vượt qua mặt xe cùng chiều 21

Hình 2.9 Các cấu trúc của các thanh dẫn hướng trên các loại hệ thống treo độc lập (Dixon, 1991) 23

Hình 2.10 Góc lắc trên khung xe liên quan đến kết cấu bố trí của thanh đòn dẫn hướng trên cầu 24

Hình 2.11 Chuyển vị của trọng tâm xe với một góc φ 25

Hình 2.12 Tổng các lực từ các thanh đòn dẫn hướng có phương vuông góc với mặt đường (Jacking forces); với I.C Height là chiều cao của trọng tâm tức thời (Instant center height) 25

Hình 2.13 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) 27

Hình 2.14 Tâm lắc của hệ thống treo độc lập có thanh đòn dẫn hướng song song nhau 29

Hình 2.15 Mô hình dao động ½ ô tô trong mặt phẳng ngang không lực ly tâm 29

Hình 2.16 Mô hình xe rẽ phải phát sinh lực ly tâm 33

Hình 2.17 Mô hình trọng tâm lệch qua trái một góc φ 34

Hình 2.18 Mô hình hệ thống treo lệch qua trái một góc φ 34

Hình 2.19 Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động quay vòng trên đường ngang 40

Hình 2.20 Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động rẽ phải trên đường ngang 41

Hình 4.1 Sơ đồ tính toán mô phỏng 49

Hình 4.2 Lực ngang Fy so với vận tốc vx (với δ = 0.2(rad)); Froll giá trị lớn nhất của lực lật ngang (Fyroll); Ffric giá trị lớn nhất của lực bám ngang (Fyφ) 52

Hình 4.3 Vận tốc giới hạn cực đại, vxc so với góc lái δ 53

Hình 4.4 Thành phần lực ngang theo thời gian 54

Hình 4.5 Sự chuyển vị theo phương thẳng đứng theo thời gian 55

Hình 4.6 Sự biến thiên của vận tốc theo phương thẳng đứng theo thời gian 56

Hình 4.7 Sự biến thiên của gia tốc theo phương thẳng đứng theo thời gian 57

Hình 4.8 Sự chuyển vị góc lắc φ theo thời gian 58

Hình 4.9 Sự biến thiên theo thời gian của vận tốc góc lắc φ 59

Hình 4.10 Sự biến thiên theo thời gian của gia tốc góc lắc φ 60

Hình 4.11 Sự chuyển vị góc lắc trong miền hr từ 0÷1.815(m) 61

Hình 4.12 Sự biến thiên của vận tốc góc lăn dφ trong miền hr 62

Hình 4.13 Sự biến thiên của gia tốc góc lắc ddφ trong miền hr 63

Hình 4.14 Vị trí tọa độ trọng tâm trong miền hr 64

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số mô hình dao động ô tô trong mặt phẳng ngang 30

Bảng 2.2 Thông số mô hình dao động ô tô trong mặt phẳng ngang có lực ly tâm 33

Bảng 3.1 Bảng thông số kỹ thuật tổng quát xe khách giường nằm HB120 42

Bảng 3.2 Thông số khi ô tô đầy tải 44

Bảng 3.3 Tổng hợp thông số sử dụng tính toán của xe khách HB120 47

C: Vị trí trọng tâm xe cf: Độ cản của giảm chấn trướccr: Độ cản của giảm chấn sau d: Vận tốc góc lắc khi ô tô khi dao động d1: Bước sóng mấp mô của mặt đường d2: Độ cao mấp mô của mặt đường dd: 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

k2: Hệ số đàn hồi hệ thống treo sau kR: Độ cứng chống xoắn thân xe KRC: Tâm lắc động lực học (the kinematic roll centre - KRC) 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

TỔNG QUAN CHƯƠNG 1:

1.1 Đặt vấn đề

Ngành công nghệ ô tô ngày một phát triển, hạ tầng giao thông ngày càng hoàn thiện nên 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 nhu cầu vận chuyển hành khách đi liên tỉnh ở cự li ngắn (dưới 500 km) và trung bình (từ 500 đến 1000 km), từ năm 2010 đến nay số lượng xe khách giường nằm ngày càng phát triển và được nhiều người dân sử dụng do sự thoải mái và tiện nghi khi di chuyển trong thời gian dài Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam, toàn quốc hiện có khoảng 4.553 xe chở khách giường nằm hai tầng, trong đó có 859 xe được hoán cải từ xe chở khách ghế ngồi thông thường, 80 xe nhập khẩu nguyên chiếc từ Trung Quốc, còn lại 3.606 xe sản xuất, lắp ráp mới Đi kèm với số lượng xe ngày càng tăng thì số vụ tại nạn có liên quan đến xe khách giường nằm cũng tăng theo Trong vòng 2 năm 2013 và 2014 số vụ tai nạn liên quan đến xe khách giường nằm là 22 vụ, đây là con số đáng báo động Mặc dù chưa có vụ nào được xác định là do nguyên nhân kỹ thuật và có tới 19/22 vụ là xe giường nằm nguyên bản được sản xuất, lắp ráp mới Tuy nhiên sau vụ tai nạn thảm khốc liên quan đến xe khách giường nằm tại Lào Cai ngày 1/9/2014, dù chưa có kết quả của cơ quan điều tra nguyên nhân tai nạn nhưng ngay sau đó Bộ trưởng Bộ Giao thông vận tải, ông Đinh La Thăng đã họp và đề xuất cấm xe khách giường nằm đi vào khu vực đèo, đồi, núi và thực tế từ tháng 4/2014 để đảm bảo an toàn kỹ thuật Cục Đăng kiểm Việt Nam đã cấm chuyển đổi xe khách ghế ngồi thông thường thành xe giường nằm Trong tương lai đối với xe sản xuất, láp ráp trong nước cần được thử nghiệm sau khi chuyển đổi, thay đổi kết cấu Tuy nhiên việc tính toán kỹ thuật, kiểm nghiệm tĩnh, chuyển động về tính an toàn, ổn định còn rất nhiều hạn chế tại Việt Nam Việc đánh giá động học và động lực học trong quá trình chuyển động của xe khách giường nằm 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

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

Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới 1.2.1

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] 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

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 1.2.2

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

Lý do chọn đề tài 1.2.3

Để phát triển những đề tài trên, tác giả chọn đề tài: “Phân tích ổn định

chuyển động ngang của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học phương ngang” để từng bước xây dựng mô hình xe ngày càng gần với thực tế

Kết quả tính toán dùng để phân tích tính năng an toàn trong chuyển động ngang, đồng thời đề xuất phương án cải thiện tính năng động học và động lực học của xe

khách giường nằm HB120, cũng như làm cơ sở để tính toán cho những dòng xe khách khác

1.3 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng thể:

- Xác định được sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế, điều kiện và các chế độ chuyển động quay vòng của xe khách giường nằm HB120 ảnh hưởng đến an toàn, ổn định của xe khi quay vòng bằng phương pháp mô phỏng

- Từ kết quả tính toán phân tích mô phỏng giúp ta định hướng xác định cụ thể phương án thiết kế cải tiến nhằm nâng cao tính năng ổn định và an toàn của xe khách giường nằm HB120 nói riêng và các chủng loại xe khác nói chung khi vào cua hay quay vòng

- Tính toán và phân tích 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

- Xác định các điều kiện tới hạn ổn định động lực học, an toàn chuyển động của xe khách giường nằm HB120 khi quay vòng

- Xác định giải pháp thiết kế cải tiến nhằm đảm bảo tốt hơn an toàn chuyển động của xe HB120 khi vào cua

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu 1.4.1

Xe khách giường nằm HB120 do công ty sản xuất và lắp ráp ô tô Trường Hải 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 phương ngang, các thông số này sẽ được nghiên cứu, xác định bằng phương pháp thu thập dữ liệu và mô phỏng

Phạm vi nghiên cứu 1.4.2

Đề tài này thực hiện nghiên cứu cơ sở tính toán mô phỏng động học và động lực học chuyển động theo phương ngang của ô tô theo mô hình động lực học phương ngang 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, đồng thời so sánh với kết quả tính toán khi sử dụng các mô hình mô phỏng từ các đề tài đã sử dụng trước đó

Các giả thuyết 1.4.3

- Khối lượng được treo được xem như là một vật thể đồng nhất, cứng hoàn toàn, có khối lượng tập trung vào trọng tâm

- Mặt đường cứng tuyệt đối - Khối lượng của bánh xe được coi là khối lượng không được treo và tập

trung tại trục xe, như vậy phần tử lốp có thể coi như phần tử không khối lượng

- Để đơn giản cho việc tính toán, bỏ qua độ giảm chấn của lốp xe, vì giảm chấn của lốp xe nhỏ hơn rất nhiều so với độ giảm chấn của giảm chấn trong hệ thống treo

- Bánh xe lăn không trượt trên đường - Bỏ qua tác dụng của khí động lực học - Xe được khảo sát trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với trục dọc xe,

các bánh xe cầu trước và sau được coi như một - Khả năng bám ngang của các bánh xe là như nhau

- Bỏ qua sự biến dạng bên của lốp - Độ cứng của giảm chấn bên trái và phải bằng nhau

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan của đề tài nghiên cứu - Cơ sở lý thuyết mô hình động lực học theo phương ngang

HB120 - Tính toán và phân tích kết quả mô phỏng - Kết luận và phát triển đề tài

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học 1.6.1

Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán học tính toán mô phỏng đánh giá tính năng động lực học của xe khách HB120 theo phương ngang

Kết quả tính toán sẽ được phân tích đánh giá để từ đó xác định được sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến tính an toàn chuyển động của xe khách HB120 khi vào cua một cách có hệ thống

Ý nghĩa thực tiễn 1.6.2

Từ kết quả tính toán mô phỏng ta có thể đánh giá được tính năng động học và động lực học theo phương ngang của xe khách giường nằm HB120 khi chuyển động quay vòng Xác định rõ các nhân tố trực tiếp làm ảnh hưởng tới tính năng động học và động lực học của xe, từ đó đề xuất các phương án cải tiến để nâng cao tính năng động học và động lực học của xe khách giường nằm HB120 nói riêng và các chủng loại xe khác nói chung

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 chuyển động ngang của xe

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2:

2.1 Động lực học theo phương ngang

Hệ tọa độ 2.1.1

Ta thường dùng hệ trục tọa độ địa phương B(Cxyz) có góc tọa độ trùng với

trọng tâm xe trong các phương trình động lực học của xe Theo hình 2.1 trục x gắn

với chiều chuyển động của xe, trục y song song với sàn xe, trục z hướng lên vuông góc với sàn xe

Hình 2.1 Hệ trục tọa độ gắn liền với trọng tâm C của xe B(oxyz)

Các phương trình động lực học chuyển động của xe được thiết lập theo hệ trục

tọa độ của xe B (oxyz), gắn liền với tọa độ trọng tâm C của xe, được thể hiện ở hình

2.1 Trong đó trục x qua trọng tâm C, có phương theo hướng dọc trục của xe, có

chiều theo chiều chuyển động của xe, trục z qua trọng tâm C, có phương vuông góc với mặt đường, có chiều từ mặt đường hướng lên, trục y qua trọng tâm C, có phương và chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái từ trục z sang trục x

Góc xoay của xe được thể hiện qua 3 góc chỉ phương: góc lắc ngang φ (roll

angle) là góc lắc của ô tô xoay quanh trục x, góc lắc dọc θ ( pitch angle) là góc lắc

của xe xoay quanh trục y, và góc ψ (yaw angle) xoay quanh trục z Giá trị và mức

độ thay đổi của 3 góc chỉ phương là các thông số quan trọng thể hiện tính năng động lực học của xe, được ký hiệu như sau:

p

(2.1)

ˆˆ ˆ, ,

i j kq

Mô hình dạng xe 2 bánh 2.1.2

Để đơn giản cho quá trình xây dựng các phương trình toán học tác giả sử dụng

mô hình dạng xe 2 bánh để xây dựng công thức tổng quát hình 2.2, sau đó áp dụng

công thức để tính toán cho xe đang khảo sát

Hình 2.2 Mô hình xe ô tô quy về mô hình dạng xe 2 bánh

Cơ sở lý thuyết tính toán động lực học theo phương ngang (không 2.1.3

có ảnh hưởng của góc lắc quanh trục x & z) [3] Xác định lực và mô-men tác dụng lên xe theo phương ngang 2.1.3.1

(phương trình Newton – Euler)

Hình 2.3 Chuyển động của xe trong mặt phẳng Hình 2.3 xe đang chuyển động với vận tốc v trong hệ trục tọa độ tổng thể G

(OXYZ) có tọa độ địa phương B(oxyz) trùng với trọng tâm C của xe, với ψ là góc giữa trục x và X, khoảng cách từ tọa độ tổng thể đến trọng tâm C của xe là Gd

- Vector vận tốc của xe

0

xB

- Mô-men tác dụng lên xe trong hệ tọa độ B (oxyz)

xB

FF

0

Bc

(2.13)Vận tốc góc

BBG



(2.15) Giả sử mô-men quán tính của khung xe là ma trận chéo

12

3

0 00 00 0

(2.18) Fx mvx mzvy

(2.19)

Fmvmv

(2.20)- Mô-men tác dụng lên xe

Hình 2.4 Miêu tả hệ lực và mô-men tác dụng lên bánh xe số 1

Xét bánh xe phía trước, hình 2.4 chọn tọa độ B (oxyz) đặt tại trọng tâm C của

xe, và tọa độ Bw (xw, yw, zw ) có tâm đặt tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường

Gọi B1RBw ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ B1 sang Bw

11

BB

cR

11os sin 1sin os 1

x

xx

Hình 2.5 Biểu diễn lực và mô-men trong mặt phẳng x và y tác dụng lên xe

Lực và mô-men tác dụng lên bánh xe trong hệ tọa độ B gắn liền với trọng tâm C của xe

wˆ

C: vị trí trọng tâm xe l: chiều dài cơ sở R: bán kính quay vòng a1,2: khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu trước, sau r: vận tốc góc của xe tại C

vf,r: vectơ vận tốc bánh xe trước, sau δ: góc lái bánh xe dẫn hướng (bánh xe trước) βf: góc lệch ngang vectơ vận tốc của bánh xe dẫn hướng, vf so với trục x β: góc lệch ngang vectơ vận tốc của xe, v so với trục x

αf = δ - βf: góc trượt ngang của bánh xe dẫn hướng Xét xe là vật rắn có khối lượng là m, có hệ trục tọa độ đặt tại trọng tâm C, góc đánh lái δ của bánh xe dẫn hướng có trị nhỏ Hệ lực tác dụng lên xe theo mô hình ở

Khi góc trượt ngang bánh xe trước, sau có giá trị nhỏ, lực ngang tương ứng tại bánh xe trước, sau được xác định:

- Cδ thể hiện mối quan hệ giữa lực ngang Fy và góc lái δ, Cδ luôn có giá trị âm và làm tăng lực ngang khi góc lái δ tăng

- Dr thể hiện mối quan hệ giữa mô-men Mz và vận tốc góc r Dr luôn có giá trị âm, Dr có xu hướng làm giảm mô-men Mz Giá trị Dr tỷ lên thuận a C12 f,a C22 r và tỷ lệ nghịch với vận tốc vx Khi Cf Cr Dr đạt giá trị lớn nhất khi a1=a2

- Dβ thể hiện mối quan hệ giữa mô-men Mz và góc trượt ngang β Dβ thể hiện sự ổn định hướng của xe Hệ số Dβ có giá trị âm để giữ cho xe chuyển động thẳng

- Dδ thể hiện mối quan hệ giữa mô-men Mz và góc lái δ, Dδ được gọi là hệ số kiểm soát Dδ có giá trị dương và tăng khi a1 và Cαf tăng

Đáp ứng quay vòng ổn định 2.1.5

Trong điều kiện quay vòng ổn định, tất cả các thông số trong phương trình là hằng số, do vậy đạo hàm của chúng có giá trị bằng 0 Hay phương trình Newton-

Euler, xác định lực và mô-men cho mô hình xe, hình 2.6, trở thành:

Khi quay vòng ổn định, xe chuyển động theo quỹ đạo tròn có bán kính R, tại vận tốc chuyển động vx, và vận tốc góc r Vì vậy:

R

Phương trình đầu tiên trong (2.49) cho thấy giá trị lực Fx cần thiết để giữ vận

tốc vx là hằng số Giá trị các biến quay vòng ổn định: góc lệch ngang β và độ cong quỹ đạo chuyển động κ Với:

Biến đổi (2.51) ta được:

2

111 x

Thay (2.44) vào (2.47), sau đó sắp xếp lại ta được phương trình vi phân mô tả

động lực học chuyển động quay vòng của xe, với góc lái δ(t) là thông số đầu vào,

được dùng để tính toán các đáp ứng theo thời gian cho các thông số:

v v t r r t

Và được viết dưới dạng tổng quát như sau [1]:

Trong đó: Ma trận hệ số

Cm

a CI

Xác định thông số lực ngang khi xe chuyển động quay vòng 2.1.7

Từ phương trình = [A] q + u, ta xác định Fy(t) đây chính là thông số đầu vào cho bài toán xác định tính năng động lực học của xe theo mặt phẳng ngang

Hàm mô tả sự thay đổi của góc lái δ(t), cho xe chuyển động quay vòng theo sự thay đổi góc δ theo thời gian được sử dụng hàm ¼ hình sin để xác định

Hình 2.7 Sự thay đổi góc lái δ theo thời gian t

Để khảo sát động lực học chuyển động của xe khi quay vòng hoặc khi xe vượt qua mặt xe cùng chiều ta khảo sát trong các trường hợp sau:

Góc lái là hàm bước 2.1.8

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:

Góc lái là hàm sin22.1.9

Để khảo sát thông số động lực học chuyển động của xe khi vượt qua mặt xe

cùng chiều hình 2.8, ta sử dụng hàm sin2 để mô tả sự biến thiên của góc lái δ theo thời gian Các giá trị và hàm toán học biểu diễn góc lái trong trường hợp này, được tham khảo tại tài liệu [1] trang 701

2

1sint < < ( )



 

x

Lv



(2.64)Trong đó L - là quãng đường đường xe di chuyển trong suốt quá trình vượt qua mặt xe cùng chiều Chọn L=200(m)

vx - là vận tốc chuyển động tới của xe ω - là tần số góc

Hình 2.8 Xe vượt qua mặt xe cùng chiều 2.2 Tâm lắc [6]

Giới thiệu 2.2.1

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)

Tay đòn dẫn hướng 2.2.2

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 2.9 bên dưới

Hình 2.9 Các cấu trúc của các thanh dẫn hướng trên các loại hệ thống treo độc

lập (Dixon, 1991) 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 2.9, xuất hiện

được Dixon (1991) giới thiệu, nhưng chưa chính xác với thực tế hoạt động của xe

Tâm lắc động lực học (KRC) 2.2.3

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

Hình 2.10 Góc lắc trên khung xe liên quan đến kết cấu bố trí của thanh đòn

dẫn hướng trên cầu 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 , trọng tâm của xe sẽ di chuyển một đoạn ∆ ,

chiều cao của KRC là hr theo hình 2.11 ta có:

(2.65)

0tan ( o)