Đề tài này là sự nối tiếp và phát triển bổ sung trên cơ sở của đề tài trước trong việc phân tích ổn định chuyển động của xe khách giường nằm HB 120.Đề tài này tập trung vào việc nghiên c
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Kinh tế Việt Nam ngày một phát triển, 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 VN, 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 khó có thể chấp nhận được 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 Giao thông Vận tải Đinh La Thăng đã họp và đề xuất cấm xe buýt 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 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 như: 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 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
Sách Vehicle Dynamics: Theory and Application do Reza N Jazar viết được nhà xuất bản Springer xuất bản năm 2008
Trong chương 3 của sách đã phân tích ảnh hưởng của tình trạng, kết cấu lốp xe, các lực cũng như ảnh hưởng của tình trạng mặt đường đến các lực và mô men tác dụng đến lốp xe
Trong chương 3 của sách trình bày các mô hình để tính toán lực ngang lốp xe trong các trường hợp khác nhau như mô hình lốp xe tuyến tính, mô hình lốp xe phi tuyến Một trong số những mô hình lốp xe phi tuyến được trình bày trong đó là
Pacejka đây là mô hình chính được trình bày trong đề tài luận văn này
Trong chương 10 của sách cũng trình bày mô hình động học và động lực học phẳng của xe sử dụng mô hình lốp xe tuyến tính
Tuy nhiên sách chưa trình bày được ảnh hưởng của lốp xe phi tuyến đến động học và động lực học của xe và ảnh hưởng của các lực tác dụng lên xe khi xe chuyển động ngang Sách cũng chưa so sánh các lực và mô men được tính theo các mô hình lốp xe so với lốp xe thực tế
Nghiên cứu: Vehicle Dynamics Platform, Experiments, and Modeling Aiming at
Critical Maneuver Handling do đồng tác giả Kristoffer Lundahl, Jan Aslund, and Lars Nielsen viết được xuất bản năm 2013
Trong nghiên cứu này các tác giả đã sử dụng các thiết bị đo kiểm để phân tích các thông số động học và động lực học trong thực nghiệm với các thông số được tính toán theo các mô hình lốp xe tuyến tính và phi tuyến (trong đó có mô hình Pacejka) cho xe Volkswagen Golf V sản xuất năm 2008
Nghiên cứu: The single track model do M Gerdts viết được xuất bản năm 2003
Trong nghiên cứu này tác giả đã trình bày phương pháp tính toán mô hình động học và động lực học xe chuyển động ngang sử dụng lốp xe phi tuyến theo mô hình
Pacejka, và ảnh hưởng của các lực tác dụng lên xe trong quá trình xe chuyển động
Tuy nhiên nghiên cứu chưa phân tích được các thông số động học và động lực học khi xe chuyển động ngang
Những đề tài trên đã góp phần tính toán, mô phỏng được chuyển động của xe, xác định được vận tốc giới hạn, tính năng động học và động lực học của xe tuy nhiên đề tài được xây dựng trên cơ sở lốp xe tuyến tính chỉ phù hợp cho góc trượt nhỏ, chưa xét đến các lực tác dụng vào xe khi xe chuyển động
Vì những lý do đó tác giả chọn đề tài: “PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG
NGANG XE KHÁCH GIƯỜNG NẰM HB120 BẰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MỘT DÃY PHI TUYẾN” 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.
Đối tƣợng 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: Đối tƣợng nghiên cứu:
Chọn 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 một dãy phi tuyến, các thông số này sẽ được nghiên cứu, xác định bằng phương pháp thu thập dữ liệu và mô phỏng
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 ôtô mô hình động lực học một dãy phi tuyến 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.
Mục tiêu nghiên cứu
- Phát triển đề tài “PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG QUAY VÒNG XE
KHÁCH GIƯỜNG NẰM BẰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG” bằng cách sử dụng mô hình lốp xe phi tuyến Pacejka trong đó có xét đến ảnh hưởng của các thành phần lực khác tác dụng lên xe trong quá trình chuyển động: o Lực cản không khí dọc o Lực cản lăn (theo vận tốc)
- Giải được bài toán mô phỏng từ mô hình kết hợp phi tuyến từ đó giúp đánh giá tốt hơn các kết quả động học và động lực học chuyển động của xe: o Khi quay vòng, o Khi chuyển làn
- Các kết quả thu được từ mô hình tính toán mô phỏng phi tuyến được phân tích và so sánh với mô hình tuyến tính đã được thực hiện để có thể xác định được kết quả tốt nhất
Nội dung nghiên cứu
- Mô hình toán học mô phỏng lốp xe một dãy phi tuyến
- 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 một dãy phi tuyến
- Các thông số tính toán động học & động lực học xe khách giường nằm HB 120
- Giải được bài toán tính toán mô phỏng động học và động lực học chuyển động theo phương ngang của xe từ mô hình toán học
- Phân tích kết quả tính toán mô phỏng từ đó đánh giá được các tính năng về động học và động lực học, an toàn của xe trong quá trình chuyển động theo phương ngang.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài này là sự nối tiếp và phát triển bổ sung trên cơ sở của đề tài trước trong việc phân tích ổn định chuyển động của xe khách giường nằm HB 120 Đề tài trước được nghiên cứu dựa trên mô hình lốp bánh xe tuyến tính còn nhiều vấn đề cần thiết được thực thực hiện nghiên cứu tiếp theo do đó đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu các mô hình lốp xe phi tuyến từ đó tính toán tính năng động học và động lực học chuyển động theo phương ngang của xe khách giường nằm HB 120 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 của các chủng loại xe khác Ý nghĩa thực tiễn:
Từ kết quả tính toán mô phỏng ta có thể đánh giá được tính năng động học và động lực học của xe khách giường nằm HB 120 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 HB 120.
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.
Tiến độ thực hiện luận văn dự kiến
Viết luận văn và sửa chữa
CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MỘT DÃY PHI TUYẾN
Mô hình mô phỏng lốp xe
Để mô tả ảnh hưởng lốp xe với mặt đường và hệ thống các lực tác dụng, ta đặt hệ trục toạ độ Descartes ở tâm của vết tiếp xúc lốp xe như hình 2.1, giả sử mặt đường bằng phẳng và nằm ngang Trục x là đường giao nhau giữa mặt phẳng lốp xe và mặt đường Mặt phẳng lốp xe được tạo bởi việc thu hẹp lốp xe thành một đĩa phẳng Trục z vuông góc với mặt đường, có chiều ngược chiều với gia tốc trọng trường g, và trục y hợp thành hệ 3 trục theo quy tắc bàn tay phải
Hình 2.1 Hệ trục toạ độ lốp xe
Hai góc định hướng vị trí lốp xe: góc camber và góc trượt ngang α Góc camber là góc giữa mặt phẳng lốp xe và mặt phẳng thẳng đứng qua trục x Góc trượt ngang α là góc giữa vector vận tốc v và trục x quanh trục z
Gốc của của hệ trục toạ độ lốp xe là tâm của vết bánh xe khi lốp xe đứng thẳng và cố định trên mặt đường bằng phẳng
Hệ lực tác dụng từ mặt đường lên lốp xe được giả định đặt tại tâm của vết tiếp xúc lốp xe và mặt đường gồm: ba thành phần lực và ba thành phần mô-men, như thể hiện trong hình 2.1
1 Lực dọc F x Đó là một lực tác động dọc theo trục x Tổng hợp lực dọc F x >0 nếu ô tô đang trong quá trình tăng tốc và F x < 0 nếu ô tô đang trong quá trình phanh Lực dọc nếu có giá trị dương được gọi là lực kéo
2 Lực pháp tuyến F z là một lực thẳng đứng, pháp tuyến với mặt phẳng đường
Tổng hợp lực pháp tuyến F z > 0 nếu nó là hướng lên trên Lực pháp tuyến còn được gọi là lực thẳng đứng hoặc tải bánh xe
3 Lực ngang F y là lực tiếp tuyến với mặt đường và vuông góc với cả hai trục
F x và F z Tổng hợp lực ngang F y > 0 nếu hướng theo chiều trục y
4 Mô-men lắc quanh trục dọc x ( M x ) là mô-men theo chiều dọc quanh trục x Tổng hợp mô-men lắc quanh trục dọc x : M x > 0 nếu có xu hướng xoay lốp xe quanh trục x theo chiều kim đồng hồ (nhìn từ tâm trục toạ độ ra chiều dương của trục x)
5 Mô-men lắc quanh trục ngang y (M y ) là mô-men theo phương ngang quanh trục y Tổng hợp mô-men lắc quanh trục ngang y : M y > 0 nếu nó có xu hướng xoay lốp xe quanh trục y và di chuyển về phía trước Mô-men lắc quanh trục ngang còn được gọi là mô-men cản lăn
6 Mô-men quay quanh trục đứng z (M z ) là mô-men quanh trục z hướng lên
Tổng hợp mô-men quay quanh trục đứng z : M z > 0 nếu nó có xu hướng xoay lốp xe quanh trục z theo chiều kim đồng hồ (nhìn từ tâm trục toạ độ ra chiều dương của trục z) Mô-men quay quanh trục đứng z cũng được gọi là mô-men lái, mô-men tự lái
Mô-men tác dụng lên lốp xe tạo ra từ ô tô, quay quanh trục lốp xe được gọi là mô-men xoắn hoặc mô-men kéo bánh xe T
2.2 MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC MỘT DÃY PHI TUYẾN
Hình 2.2: Mô hình động lực học một dãy phi tuyến
Trong đó: v f , v r : Vận tốc bánh xe trước, sau v : Vận tốc tại trọng tâm xe δ : Góc lái bánh xe dẫn hướng (bánh xe trước) α f , α r : Góc trượt bánh xe trước, sau tạo bởi mặt phẳng lốp xe và vectơ vận tốc tương ứng
: Góc lệch ngang của đường đối xứng dọc xe so với trục x (góc quay của xe) β : Góc trượt ngang vectơ vận tốc của trọng tâm xe v so với đường đối xứng dọc xe yr yf F F , : Lực ngang lốp xe phía trước và phía sau xr xf F F , : Lực dọc lốp xe phía trước và phía sau r f l l , : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến bánh xe phía trước và phía sau
F Lx : Lực cản không khí theo phương dọc e SP : khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cản gió chính diện m : khối lượng xe
Góc lái phụ thuộc vào góc xoay vô lăng w theo công thức w i L i L : tỉ số truyền hệ thống lái
Do thân xe không thể mở rộng hoặc thu hẹp nên thành phần vận tốc dọc theo thân xe (Ox) được tính theo công thức sau: r v r vcos cos (2.1)
Trong phương ngang (Oy) sự khác biệt của vận tốc phụ thuộc vào vận tốc góc lệch ngang được tính theo công thức sau:
Lấy phương trình (2.4) chia cho phương trình (2.2)
cos arctan sin cos tan sin v v l v v l f f f f
Do đó góc trượt ngang bánh xe trước
(2.5) Lấy phương trình (2.3) chia cho phương trình (2.1):
cos tan sin cos sin cos sin v v l v v l v v r r r r r r r
Do đó góc trượt ngang bánh xe sau
Khi một lốp xe lăn trên đường, một phần chu vi của lốp xe đi qua mặt đường bị biến dạng Một phần năng lượng bị mất đi do biến dạng sẽ không được phục hồi khi lốp trở lại trạng thái ban đầu Do đó, sự thay đổi trong việc phân bố áp lực tiếp xúc làm ứng suất pháp tuyến z ở phần trước vết tiếp xúc lốp thì cao hơn phần sau
Năng lượng mất đi và ứng suất làm biến dạng là nguyên nhân gây ra lực cản lăn
Hình 2.3 Mô hình ứng suất pháp tuyến z (x,y) tại vết tiếp xúc lốp xe của một lốp xe đang quay
Lực cản lăn tại bánh xe trước và sau lần lượt được tính theo công thức :
Thông số f R được gọi là hệ số cản lăn nó không phải là hằng số và phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ lốp xe, áp lực bơm lốp xe, sự trượt ngang và góc camber Nó cũng phụ thuộc vào tính chất cơ học, tốc độ, độ mòn, nhiệt độ, tải trọng, kích thước, lực kéo, lực phanh, điều kiện đường sá và được tính theo công thức:
Lực pháp tuyến của lốp xe phía trước và phía sau khi chịu tải trọng tĩnh lần lượt được tính theo công thức sau:
Trong đó: c w : hệ số cản không khí theo phương dọc
A w : diện tích cản không khí chính diện (m 2 ) v : vận tốc xe (m/s)
2.2.4 Lực dọc và lực ngang lốp xe Lực dọc [1]
Xe có cầu sau chủ động Tài xế đạp hết ga và để tay số ở vị trí i1,2,3,4,5, vận tốc góc của động cơ được tính theo công thức :
Trong đó: v : là vận tốc xe (m/s)
R w : là bán kính bánh xe (m)
i i g : là tỷ số truyền của hộp số ở tay số (i) i t : là tỷ số truyền của truyền lực chính Mô men xoắn của động cơ được tính theo công thức:
1 f P , f P 2 , f P 3 : là hệ số thực nghiệm ứng với động cơ phun dầu
P M và M là công suất cực đại của động cơ và tốc độ động cơ tại công suất cực đại
Mô men kéo tại bánh xe chủ động:
Với là hiệu suất của hệ thống truyền lực
Lực kéo tại bánh xe chủ động
Lực dọc bánh xe trước[3]:
Lực dọc bánh xe sau[3]:
Xét xe là vật rắn có khối lượng là m, có hệ trục tọa độ đặt tại trọng tâm O, góc đánh lái δ của bánh xe dẫn hướng có trị nhỏ Hệ lực tác dụng lên xe theo mô hình ở Hình 2.2 : xr xf yf xr xf x F F F F F
F cos sin yr yf xf yr yf y F F F F F
M (2.22) Đối với mô hình lốp xe đơn giản lực ngang lốp xe là hàm theo góc trượt (và tải trong lốp, trong mô hình này tải trọng lốp không đổi)
Tuy nhiên khi góc trượt ngang lớn, mô hình tuyến tính (2.23) và (2.24) không thể mô tả đặc tính lốp xe do đó trong đề tài này sẽ sử dụng mô hình lốp xe Pacejika theo công thức sau:
C f , C r , E f , E r : là hệ số thực nghiệm Các hệ số còn lại được tính theo công thức sau: zf y f f f C F
y : là hệ số bám ngang
Với C 1 ,C 2 là hệ số thực nghiệm
2.3 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG [3]
Vận tốc dọc của xe
cos cos sin sin cos
Vận tốc ngang của xe
sin cos sin cos sin
Vận tốc tuyệt đối của xe
Vận tốc góc của xe
Góc trượt ngang của xe
Lực tác dụng lên xe:
F m v F xr cos F yr sin F Lx cos F Ly sin F xf cos F yf sin (2.42)
sin cos sin cos sin cos yr Lx Ly xf yf xr X
F xr F Lx cos (F yr F Ly )sin F xf cos F yf sin (2.43)
cos sin cos sin cos sin yr Lx Ly xf yf xr Y
F xr F Lx sin (F yr F Ly )cos F xf sin F yf cos (2.44)
Mô men tác dụng lên xe:
z yr r Ly SP yf f cos xf f sin zz z I F l F e F l F l
Từ phương trình (2.42), (2.43), (2.44) ta xác định gia tốc của xe
1 cos sin cos sin yf xf
1 cos ( )sin cos sin yf xf
1 sin ( )cos sin cos yf xf
Từ phương trình (2.45) ta xác định được gia tốc của xe
1 cos sin f xf f yf SP Ly r yr zz z F l F e F l F l
Lấy đạo hàm phương trình (2.41) ta được vận tốc trượt ngang của xe
Từ phương trình (2.42), (2.43) ta tìm được
sin sin cos cos sin sin cos cos cos sin cos sin cos ) ( sin
sin sin sin sin cos sin cos cos cos sin sin cos cos cos sin sin cos sin cos sin sin cos cos sin cos cos cos sin sin cos sin cos cos ) ( sin sin cos cos sin
Từ phương trình (2.38), (2.47) ta tìm được
sin cos cos sin sin sin cos cos sin ) ( cos cos 1 sin cos sin yf xf
Các phương trình chuyển động
Vận tốc dọc của xe
cos cos sin sin cos
Vận tốc ngang của xe
sin cos sin cos sin
Vận tốc tuyệt đối của xe
Vận tốc góc của xe
Góc trượt ngang của xe
Lực tác dụng lên xe:
F m v F xr cos F yr sin F Lx cos F Ly sin F xf cos F yf sin (2.42)
sin cos sin cos sin cos yr Lx Ly xf yf xr X
F xr F Lx cos (F yr F Ly )sin F xf cos F yf sin (2.43)
cos sin cos sin cos sin yr Lx Ly xf yf xr Y
F xr F Lx sin (F yr F Ly )cos F xf sin F yf cos (2.44)
Mô men tác dụng lên xe:
z yr r Ly SP yf f cos xf f sin zz z I F l F e F l F l
Từ phương trình (2.42), (2.43), (2.44) ta xác định gia tốc của xe
1 cos sin cos sin yf xf
1 cos ( )sin cos sin yf xf
1 sin ( )cos sin cos yf xf
Từ phương trình (2.45) ta xác định được gia tốc của xe
1 cos sin f xf f yf SP Ly r yr zz z F l F e F l F l
Lấy đạo hàm phương trình (2.41) ta được vận tốc trượt ngang của xe
Từ phương trình (2.42), (2.43) ta tìm được
sin sin cos cos sin sin cos cos cos sin cos sin cos ) ( sin
sin sin sin sin cos sin cos cos cos sin sin cos cos cos sin sin cos sin cos sin sin cos cos sin cos cos cos sin sin cos sin cos cos ) ( sin sin cos cos sin
Từ phương trình (2.38), (2.47) ta tìm được
sin cos cos sin sin sin cos cos sin ) ( cos cos 1 sin cos sin yf xf
Lý thuyết khảo sát động lực học của xe
sin cos sin cos sin cos sin cos sin cos cos cos sin sin sin cos sin sin sin cos cos cos sin sin cos cos sin cos sin cos sin cos sin ) ( sin cos cos cos sin
Từ phương trình (2.51), (2.52) ta tìm được
cos sin cos sin sin sin cos cos sin cos cos sin cos sin yf xf
Thế phương trình (2.39), (2.40), (2.53) vào phương trình (2.50) ta tìm được vận tốc trượt ngang của xe:
1 sin cos sin cos yf xf
2.4 LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA
XE 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:
2.4.1 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:
2.4.2 Góc lái là hàm sin
Góc lái là hàm sin mô tả sự biến thiên của góc lái δ theo thời gian
Trong đó L x - là một phần hai quãng đường đường xe di chuyển trong suốt quá trình vượt qua mặt xe cùng chiều Chọn L x 0(m) v - là vận tốc chuyển động tới của xe
z - là vận tốc góc khi xe quay vòng
0- là góc lái lớn nhất khi quay vòng
Hình 2.4: Hình xe vượt qua mặt xe cùng chiều 2.4.3 Xác định mô men quán tính
Coi xe đang xét như hình hộp chữ nhật đồng chất có kích thước (dài x rộng x cao) là (l.w.h) hình 2.7
Ta có công thức xác định mô men quán tính cho hình hộp chữ nhật đồng chất như sau:
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
Hình 2.5 Xét xe như hình hộp chữ nhật đồng chất
Công thức dời tọa độ trọng tâm
Với I - là mômen quán tính đối với trục đi qua trong tâm xe
I ’ - là mômen quán tính đối với trục ban đầu e - là khoảng cách từ trọng tâm thực tế của xe đến trọng tâm hình hộp chữ nhật m- Khối lượng của xe
Hình 2.6: Chuyển đổi tọa độ trọng tâm hình chữ nhật về tọa độ trọng tâm thực tế của xe
Trong đó: h – Chiều cao trọng tâm thực tế của xe h cn - Chiều cao trọng tâm của hình hộp chữ nhật
2.4.4 Các điều kiện tính toán
Góc lái bị giới hạn bởi:
Vận tốc góc lái bị giới hạn bởi:
THÔNG SỐ TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC & ĐỘNG LỰC HỌC
Thông số kỹ thuật tổng quát xe khách giường nằm
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật tổng quát xe khách giường nằm HB 120
Thông tin chung Đơn vị Giá trị các thông số
1 Loại phương tiện: - Ô tô khách
2 Thông số về kích thước
2.1 Kích thước bao (Dài x Rộng x Cao) mm 12000x2500x3700
2.2 Chiều dài cơ sở mm 6150
2.5 Vết bánh xe sau phía ngoài mm 2200
2.6 Chiều dài đầu xe mm 2630
2.7 Chiều dài đuôi xe mm 3220
2.8 Khoảng sáng gầm xe mm 210
2.9 Góc thoát trước/sau Độ 15/14
3 Thông số về khối lƣợng
3.1 Khối lượng bản thân kg 13710
3.2 Số người cho phép (kể cả người lái) người 40
3.3 Khối lượng toàn bộ kg 16110
4 Thông số về tính năng chuyển động
4.1 Tốc độ cực đại của xe km/h 110
4.2 Độ dốc lớn nhất xe vượt được khi đầy tải % 29,4
Thời gian tăng tốc của xe từ lúc khởi hành đến khi đạt được quãng đường 200 (m) khi đầy tải s 19,76
Góc ổn định tĩnh ngang của xe khi không tải độ 34,128
4.5 Quãng đường phanh của xe ở tốc độ
4.6 Quãng đường phanh của xe ở tốc độ
4.7 Gia tốc phanh ở tốc độ (30 km/h) khi đầy tải m/s 2 5,656
4.8 Gia tốc phanh ở tốc độ 30 (km/h) khi không tải m/s 2 7,83
4.9 Bán kính quay vòng nhỏ nhất theo vết bánh xe trước phía ngoài m 10,4
5.1 Tên nhà sản xuất - HYUNDAI
D6CA38, động cơ Diesel, 04 kỳ, 06 xi lanh thẳng hàng, làm mát bằng nước, tăng áp
5.3 Dung tích xy lanh cm 3 12920
5.5 Đường kính xi lanh x hành trình piston mm 133x 155
5.6 Công suất lớn nhất / Số vòng quay kW/v/ph 279/1900 5.7 Mômen xoắn lớn nhất / Số vòng quay kg.m/v/ph 148/1500 5.8 Phương thức cung cấp nhiên liệu - Phun dầu điện tử 5.9 Vị trí bố trí động cơ trên khung xe - Phía sau
5.10 Tốc độ cầm chừng động cơ khi không tải v/ph
5.11 Tốc độ lớn nhất của động cơ khi không tải v/ph
6.1 Kiểu loại - Cơ khí 5 số tiến, 1 số lùi
6.2 Tỷ số truyền của hộp số -
7 Truyền lực chính (cầu sau) D10H
8 Cỡ lốp trước và sau inch 12R22.5
Bố trí chung của xe khách giường nằm
Hình 3.1: Bố trí chung của xe khách giường nằm HB120
Thông số khối lƣợng
- Khối lượng khung gầm có gắn động cơ : mnt = 7215 (kg)
- Khối lượng khung vỏ và sàn của ô tô khách, xác định gần đúng theo diện tích sàn ô tô (1m 2 tương ứng với 150,67 (kg):
- Khối lượng giường nằm: mgn = (38 x 30) = 1140 (kg)
- Khối lượng hai ghế ngồi (ghế lái và ghế hướng dẫn viên): mgh=(15x2)0 (kg)
- Khối lượng hệ thống điều hòa: mđh = 200 (kg)
- Khối lượng nhiên liệu: mnl 45 (kg)
- Khối lượng toilet: mtl = 260 (kg)
3.3.1 Khối lƣợng bản thân: m0 = mnt + mkvx + mgn + mgh + m đh + mnl + mtl = 7215 + 4520 + 1140 + 30
- Khối lượng hành khách: Q = 40 x 60 = 2400 (kg) (60 kg/ 1 người)
3.3.2 Khối lƣợng toàn bộ: m= m0 + Q = 13710 + 2400 = 16110 (kg)
3.3.3 Thông số phân bố khối lƣợng
Sự phân bố khối lượng lên các trục của ô tô khi không tải và khi đầy tải được xác định trên cơ sở giá trị các thành phần khối lượng và vị trí tác dụng của chúng lên các trục ô tô Kết quả tính toán được cho trong bảng sau:
Bảng 3.2 Thông số phân bố khối lượng của xe
STT Thành phần khối lƣợng Đơn vị
1 Khung gầm có gắn động cơ kg 7215 1935 5280
2 Khung vỏ và sàn kg 4520 2160 2360
4 Ghế lái xe và ghế phụ kg 30 30 0
5 Hệ thống điều hòa kg 200 150 50
7 Hệ thống điều hòa kg 345 345 0
8 Khối lƣợng bản thân ô tô kg 13710 5150 8560
10 Khối lƣợng toàn bộ của ôtô kg 16110 6110 10000
Khối lượng hành khách phân bố lên cầu sau được xác định bằng phương pháp viết phương trình mômen trọng lượng của từng người đối với trục 1 với tọa độ trọng tâm được xác định trước.
Thông số tọa độ trọng tâm
Theo bảng thông số của xe, ta xác định tọa độ trọng tâm bằng phương pháp lý thuyết
Ký hiệu Phân loại m i (kg) h i (mm) m i h i (kg.mm) m nt Khối lượng khung gầm có gắn động cơ 7215 1200 8658000 m kvs Khối lượng khung vỏ và sàn 4520 2070 9356400 m gn Khối lượng giường nằm 1140 2300 2622000 m gh Khối lượng ghế lái xe và ghế hướng dẫn viên 30 1850 55500 m đh Khối lượng hệ thống điều hòa 200 3400 680000 mtl Khối lượng toilet 260 2200 572000 mnl Khối lượng nhiên liệu 345 900 310500 m 0 Khối lƣợng bản thân của ô tô 13710 h o 22254400
Q Khối lượng hành khách 2400 2100 5040000 m1/2 Khối lượng ô tô khi chứa 1/2 tải 14910 h 1/2 2520000 m Khối lƣợng toàn bộ của ô tô 16110 h 27294400
Ghi chú: Trong trường hợp ô tô chứa 1/2 tải, xem tất cả 1/2 tải đặt lên cầu trước
Sau khi thay các giá trị cụ thể ta tính được tọa độ trọng tâm của xe trong trường hợp không tải, 1/2 tải và đầy tải Kết quả được thể hiện trong bảng 3.3
Bảng 3.3 Thông số tọa độ trọng tâm của xe Ô TÔ KHÁCH
Thông số ổn định theo phương dọc trục của xe khách giường nằm
Bảng 3.4 Thông số ổn định của xe
Stt Tên gọi Kí hiệu
Không vị tải 1/2 tải Đầy tải
1 Góc giới hạn lật khi xe lên dốc ϕ L 54,910 521,063 54,011 độ 2 Góc giới hạn lật khi xe xuống dốc ϕ X 67,087 64,574 66,071 độ
3 Góc giới hạn lật trên đường nghiêng ngang β 34,128 31,218 32,998 độ
Thông số đường đặc tính ngoài của động cơ
Bảng 3.5 Thông số công suất hữu ích của động cơ D6CA38.
Thông số kiểm tra khả năng tăng tốc
THÔNG SỐ TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC & ĐỘNG LỰC HỌC
3.1.Thông số kỹ thuật tổng quát xe khách giường nằm HB 120
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật tổng quát xe khách giường nằm HB 120
Thông tin chung Đơn vị Giá trị các thông số
1 Loại phương tiện: - Ô tô khách
2 Thông số về kích thước
2.1 Kích thước bao (Dài x Rộng x Cao) mm 12000x2500x3700
2.2 Chiều dài cơ sở mm 6150
2.5 Vết bánh xe sau phía ngoài mm 2200
2.6 Chiều dài đầu xe mm 2630
2.7 Chiều dài đuôi xe mm 3220
2.8 Khoảng sáng gầm xe mm 210
2.9 Góc thoát trước/sau Độ 15/14
3 Thông số về khối lƣợng
3.1 Khối lượng bản thân kg 13710
3.2 Số người cho phép (kể cả người lái) người 40
3.3 Khối lượng toàn bộ kg 16110
4 Thông số về tính năng chuyển động
4.1 Tốc độ cực đại của xe km/h 110
4.2 Độ dốc lớn nhất xe vượt được khi đầy tải % 29,4
Thời gian tăng tốc của xe từ lúc khởi hành đến khi đạt được quãng đường 200 (m) khi đầy tải s 19,76
Góc ổn định tĩnh ngang của xe khi không tải độ 34,128
4.5 Quãng đường phanh của xe ở tốc độ
4.6 Quãng đường phanh của xe ở tốc độ
4.7 Gia tốc phanh ở tốc độ (30 km/h) khi đầy tải m/s 2 5,656
4.8 Gia tốc phanh ở tốc độ 30 (km/h) khi không tải m/s 2 7,83
4.9 Bán kính quay vòng nhỏ nhất theo vết bánh xe trước phía ngoài m 10,4
5.1 Tên nhà sản xuất - HYUNDAI
D6CA38, động cơ Diesel, 04 kỳ, 06 xi lanh thẳng hàng, làm mát bằng nước, tăng áp
5.3 Dung tích xy lanh cm 3 12920
5.5 Đường kính xi lanh x hành trình piston mm 133x 155
5.6 Công suất lớn nhất / Số vòng quay kW/v/ph 279/1900 5.7 Mômen xoắn lớn nhất / Số vòng quay kg.m/v/ph 148/1500 5.8 Phương thức cung cấp nhiên liệu - Phun dầu điện tử 5.9 Vị trí bố trí động cơ trên khung xe - Phía sau
5.10 Tốc độ cầm chừng động cơ khi không tải v/ph
5.11 Tốc độ lớn nhất của động cơ khi không tải v/ph
6.1 Kiểu loại - Cơ khí 5 số tiến, 1 số lùi
6.2 Tỷ số truyền của hộp số -
7 Truyền lực chính (cầu sau) D10H
8 Cỡ lốp trước và sau inch 12R22.5
3 2 Bố trí chung của xe khách giường nằm HB120
Hình 3.1: Bố trí chung của xe khách giường nằm HB120
- Khối lượng khung gầm có gắn động cơ : mnt = 7215 (kg)
- Khối lượng khung vỏ và sàn của ô tô khách, xác định gần đúng theo diện tích sàn ô tô (1m 2 tương ứng với 150,67 (kg):
- Khối lượng giường nằm: mgn = (38 x 30) = 1140 (kg)
- Khối lượng hai ghế ngồi (ghế lái và ghế hướng dẫn viên): mgh=(15x2)0 (kg)
- Khối lượng hệ thống điều hòa: mđh = 200 (kg)
- Khối lượng nhiên liệu: mnl 45 (kg)
- Khối lượng toilet: mtl = 260 (kg)
3.3.1 Khối lƣợng bản thân: m0 = mnt + mkvx + mgn + mgh + m đh + mnl + mtl = 7215 + 4520 + 1140 + 30
- Khối lượng hành khách: Q = 40 x 60 = 2400 (kg) (60 kg/ 1 người)
3.3.2 Khối lƣợng toàn bộ: m= m0 + Q = 13710 + 2400 = 16110 (kg)
3.3.3 Thông số phân bố khối lƣợng
Sự phân bố khối lượng lên các trục của ô tô khi không tải và khi đầy tải được xác định trên cơ sở giá trị các thành phần khối lượng và vị trí tác dụng của chúng lên các trục ô tô Kết quả tính toán được cho trong bảng sau:
Bảng 3.2 Thông số phân bố khối lượng của xe
STT Thành phần khối lƣợng Đơn vị
1 Khung gầm có gắn động cơ kg 7215 1935 5280
2 Khung vỏ và sàn kg 4520 2160 2360
4 Ghế lái xe và ghế phụ kg 30 30 0
5 Hệ thống điều hòa kg 200 150 50
7 Hệ thống điều hòa kg 345 345 0
8 Khối lƣợng bản thân ô tô kg 13710 5150 8560
10 Khối lƣợng toàn bộ của ôtô kg 16110 6110 10000
Khối lượng hành khách phân bố lên cầu sau được xác định bằng phương pháp viết phương trình mômen trọng lượng của từng người đối với trục 1 với tọa độ trọng tâm được xác định trước
3.4 Thông số tọa độ trọng tâm
Theo bảng thông số của xe, ta xác định tọa độ trọng tâm bằng phương pháp lý thuyết
Ký hiệu Phân loại m i (kg) h i (mm) m i h i (kg.mm) m nt Khối lượng khung gầm có gắn động cơ 7215 1200 8658000 m kvs Khối lượng khung vỏ và sàn 4520 2070 9356400 m gn Khối lượng giường nằm 1140 2300 2622000 m gh Khối lượng ghế lái xe và ghế hướng dẫn viên 30 1850 55500 m đh Khối lượng hệ thống điều hòa 200 3400 680000 mtl Khối lượng toilet 260 2200 572000 mnl Khối lượng nhiên liệu 345 900 310500 m 0 Khối lƣợng bản thân của ô tô 13710 h o 22254400
Q Khối lượng hành khách 2400 2100 5040000 m1/2 Khối lượng ô tô khi chứa 1/2 tải 14910 h 1/2 2520000 m Khối lƣợng toàn bộ của ô tô 16110 h 27294400
Ghi chú: Trong trường hợp ô tô chứa 1/2 tải, xem tất cả 1/2 tải đặt lên cầu trước
Sau khi thay các giá trị cụ thể ta tính được tọa độ trọng tâm của xe trong trường hợp không tải, 1/2 tải và đầy tải Kết quả được thể hiện trong bảng 3.3
Bảng 3.3 Thông số tọa độ trọng tâm của xe Ô TÔ KHÁCH
3.5 Thông số ổn định theo phương dọc trục của xe khách giường nằm HB120
Bảng 3.4 Thông số ổn định của xe
Stt Tên gọi Kí hiệu
Không vị tải 1/2 tải Đầy tải
1 Góc giới hạn lật khi xe lên dốc ϕ L 54,910 521,063 54,011 độ 2 Góc giới hạn lật khi xe xuống dốc ϕ X 67,087 64,574 66,071 độ
3 Góc giới hạn lật trên đường nghiêng ngang β 34,128 31,218 32,998 độ
3.6 Thông số đường đặc tính ngoài của động cơ D6CA38
Bảng 3.5 Thông số công suất hữu ích của động cơ D6CA38
3.7 Thông số đặc tính nhân tố động lực học
Bảng 3.6 Thông số giá trị vận tốc ở các tay số
3.8 Thông số tính toán lực kéo của xe
Bảng 3.7 Thông số tính toán lực kéo của xe
Ký hiệu Giá trị Đơn vị
4 Hiệu suất của hệ thống truyền lực 0.95
Thông số tính toán động lực học theo phương ngang
Bảng 3.8 Thông số khi xe không tải
Stt Tên gọi Ký Giá trị Đơn vị n e (v/ph) 700 850 1000 1150 1300 1450 1600 1750 1900
1 Chiều dài cơ sở của xe L 6,150 m
2 Khoảng cách từ trọng tâm ôtô đến cầu trước l f 3,840 m 3 Khoảng cách từ trọng tâm ôtô đến cầu sau l r 2,310 m
4 Khối lượng ôtô khi không tải m o 13710 kg
5 Mômen quán tính đối với trục z I zz 173918 kg.m 2
6 Khoảng cách từ tâm cản gió chính diện đến trọng tâm xe e sp 6,47 m
Bảng 3.9 Thông số khi xe được 1/2 tải
Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Chiều dài cơ sở của xe L 6,150 m
2 Khoảng cách từ trọng tâm ôtô đến cầu trước l f 3,531 m 3 Khoảng cách từ trọng tâm ôtô đến cầu sau L r 2,619 m
4 Khối lượng ôtô khi 1/2 tải m 1/2 14910 kg
5 Mômen quán tính đối với trục z I zz 186975 kg.m 2
6 Khoảng cách từ tâm cản gió chính diện đến trọng tâm xe e sp 6,161 m
Bảng 3.10 Thông số khi ôtô đầy tải
Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Chiều dài cơ sở của xe L 6,150 m
2 Khoảng cách từ trọng tâm ôtô đến cầu trước l f 3,818 m 3 Khoảng cách từ trọng tâm ôtô đến cầu sau l r 2,332 m
4 Khối lượng ôtô khi đầy tải m 16110 kg 5 Mômen quán tính đối với trục z I zz 202808 kg.m 2
6 Khoảng cách từ tâm cản gió chính diện đến trọng tâm xe e sp 6,448 m
Thông số tính toán mô hình lốp xe
Bảng 3.11 Thông số lốp xe theo mô hình Pacejka
Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Hệ số tính đến ảnh hưởng hình dạng lốp trước C f
2 Hệ số tính đến ảnh hưởng hình dạng lốp sau C r 1,3 3 Hệ số tính đến ảnh hưởng độ cong lốp trước E f -0,5 4 Hệ số tính đến ảnh hưởng độ cong lốp sau E r -0,5
Thông số tính toán sự cản gió
Bảng 3.12 Thông số tính toán sự cản gió
Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Hệ số cản khí dọc c w 0,55
2 Hệ số cản khí ngang c y 0,55
4 Diện tích cản không khí chính diện A w 6.6 m 2 5 Diện tích cản không khí bên hông xe A y 36 m 2
TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Kiểm tra các thông số động học khi xe chuyển động thẳng
Từ công thức (2.7), (2.8), (2.9) ta xác định được lực cản lăn thay đổi theo vận tốc: zf R
Thực hiện mô phỏng vận tốc v0120 km/h , ở chế độ không tải
DThông số động học chuyển động ngang theo thời gian (t)
DThông số động lực học chuyển động ngang theo thời gian (t)
,Phân tích ổn định chuyển động ngang xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học một dãy phi tuyến
Hình 4.1: Sự thay đổi của lực cản lăn theo vận tốc xe
Khi vận tốc xe tăng thì lực cản lăn ở bánh trước, bánh sau và tổng lực cản lăn của bánh trước và sau đều tăng
Do trọng tâm xe dồn về cầu sau nên phản lực pháp tuyến từ mặt đường của cầu sau lớn hơn cầu trước làm cho lực cản lăn của bánh sau luôn lớn hơn bánh trước
4.2.2 Lực cản không khí dọc
Theo công thức (2.12) thì lực cản không khí dọc thay đổi theo bình phương vận tốc:
Thực hiện mô phỏng vận tốc v0120 km/h , ở chế độ không tải
Hình 4.2: Sự thay đổi của lực cản không khí dọc theo vận tốc xe
Khi vận tốc xe tăng thì lực cản không khí dọc tăng
Khi xe đứng yên (vận tốc xe là 0) thì không có lực cản không khí dọc Do lực cản không khí dọc tỷ lệ với bình phương vận tốc xe nên khi vận tốc xe càng tăng thì lực cản không khí dọc tăng càng nhanh, điều này thể hiện ở đường cong hướng lên của đồ thị
4.2.3 Lực kéo bánh xe chủ động
Từ công thức (2.13), (2.18), (2.19) ta xác định lực kéo bánh xe chủ động thay đổi theo vận tốc động cơ và vị trí tay số:
Thực hiện mô phỏng vận tốc động cơ e 5002200 rpm, ở chế độ không tải theo từng tay số để kiểm tra lực kéo bánh xe chủ động theo vận tốc xe.
Hình 4.3: Sự thay đổi của lực kéo bánh xe chủ động theo vận tốc xe ứng với từng tay số
Hình 4.3 thể hiện: Ở từng tay số, khi vận tốc xe tăng từ thấp nhất đến cao nhất thì lực kéo bánh xe chủ động tăng đến giá trị lớn nhất khi tốc độ động cơ đạt giá trị lúc công suất là lớn nhất, sau đó lực kéo giảm
Khi hộp số ở tay số càng thấp (tay số 1) thì lực kéo càng cao và ngược lại khi tay số càng cao (tay số 5) thì lực kéo càng giảm Ứng với mỗi tay số thì tốc độ xe chỉ có thể hoạt động trong vùng tốc độ nhất định từ thấp nhất đến cao nhất
Tay số càng thấp thì phạm vi của tốc độ xe càng nhỏ do đó ở vận tốc thấp phải sang số liên tục
Từ công thức (2.12), (2.19) và (2.20), khi xe chuyển động thẳng lực dọc xe gồm lực kéo, lực cản lăn và lực cản không khí Ta cần kiểm tra mối quan hệ giữa các lực này để đánh giá khả năng tăng tốc, vận tốc tối đa của xe
Hình 4.4: Sự thay đổi của lực kéo (ứng với từng tay số) và các lực cản theo vận tốc xe
Hình 4.4 thể hiện: Để đạt vận tốc xe cao người lái phải chuyển số lên số cao nhưng khi đó lực kéo bánh xe chủ động sẽ giảm xuống
Khi vận tốc xe càng tăng cao thì lực cản tăng cao
Khi lực kéo lớn hơn tổng lực cản càng nhiều thì xe càng tăng tốc nhanh, khi lực kéo nhỏ hơn tổng lực cản thì xe sẽ giảm tốc Ở tay số 5, mặc dù có lực kéo ở tốc độ xe trên 150 km/h tuy nhiên lúc này tổng lực cản (F R +F l ) tăng cao hơn lực kéo nên trên thực tế xe không thể đạt được tốc độ này Điểm giao nhau giữa lực kéo tay số 5 và tổng lực cản (F R +F l ) theo trục vận tốc chính là vận tốc cực đại của xe (gần 150 km/h).
