- Đặt nền tảng mô phỏng động học Cơ cấu hình thang lái đa liên kết cho các phát triển nghiên cứu trong tương lai về Động lực học và sức bền của Cơ cấu... Bán kính giới hạn quay vòng của
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Nhân loại ngày nay đều nhận thấy rằng với đà sử dụng năng lượng từ năng lượng hóa thạch như hiện nay thì nguồn năng lượng hóa thạch mà con người đang sở hữu chỉ còn đủ cho trong khoảng 30-40 năm sắp đến Mặt khác sử dụng năng lượng hóa thạch luôn phát thải một lượng rất lớn các chất khí gây ô nhiễm môi trường, gây ảnh hưởng nặng nề tới Môi trường sống của chúng ta và Hệ sinh thái toàn cầu Nhưng rõ ràng hiện tại con người chưa có nguồn năng lượng thay thế tối ưu cho nguồn năng lượng này
Vì vậy chúng ta phải vừa tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế vừa phải tìm cách sử dụng năng lượng hóa thạch một cách hiệu quả hơn
Một trong các giải pháp là nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này trên phương tiện giao thông Đây là khởi nguồn ý tưởng của cuộc thi do Honda khởi xướng tại Nhật Bản cách đây 32 năm và hiện nay đã xuất hiện trên khắp thế giới với nhiều tên gọi khác nhau Việt nam cũng đã tham gia và tổ chức cuộc thi này với tên gọi “Cuộc thi lái xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu của Honda Việt Nam” tại Đại bản doanh của Honda Cuộc thi đã thu hút rất đông các đội tham gia và số lượng tăng theo từng năm Năm 2012 kỷ lục mới đạt được tại Việt Nam là 911,2 (km/l) vược xa kỷ lục 2011 nhưng so với kỷ lục thiết lập tại Nhật Bản thì chúng ta cần những bước tiến liên tục và mạnh mẽ trong tương lai Để cải thiện thành tích này chúng ta phải nghiên cứu, giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật để cải tiến rất nhiều các thông số trên xe như giảm khối lượng thân xe nhưng lại tăng bền, tổn thất khí động học thân xe là nhỏ nhất, động cơ sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn, loại lốp phù hợp với địa hình nhưng tổn hao năng lượng khi hoạt động là nhỏ nhất, hệ thống lái và cả chiến thuật điều khiển xe
Rõ ràng sự hoạt động tối ưu của hệ thống lái trên xe cũng sẽ làm giảm tối đa năng lượng tiêu thụ trên các bánh xe dẫn hướng, giúp tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu là mục tiêu hàng đầu khi thiết kế xe EMC Nên tối ưu hóa hệ thống lái cũng là mục tiêu mà đề tài nhắm đến
Với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của Thầy TS Trần Hữu Nhân cùng sự chia sẻ của các bạn Kỹ Sư, sự giúp đỡ của các bạn trong lớp và sự cố gắng nỗ lực của bản thân Em tin sẽ đạt được mục tiêu đặt ra.
Mục tiêu đề tài
- Xây dựng chương trình tối ưu hóa Cơ cấu hình thang lái dạng đa liên kết đang sử dụng trên xe EMC và dạng Cơ cấu hình thang lái 4 khâu, rút ra kiến nghị loại Cơ cấu hình thang lái sử dụng trên xe EMC trong tương lai
- Đảm bảo tốt nhất động học và động lực học quay vòng Giảm thiểu tối đa mất mát năng lượng vô ích do hoạt động của hệ thống lái gây ra
- Xây dựng dữ liệu cơ sở cho các thiết kế hình thang lái xe EMC trong tương lai gần
- Xây dựng mô hình Vật lý mô phỏng trên môi trường Matlab để kiểm tra đối chứng với kết quả tính toán tối ưu từ mô hình toán học
- Chỉ ra thiếu sót còn tồn tại trên Cơ cấu hình thang lái xe EMC 2010 và khắc phục.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Xây dựng mô hình tính toán mô phỏng tối ưu hóa hình thang lái dạng đa liên kết
- Tối ưu hóa động học góp phần nâng cao thành tích tiết kiệm nhiên liệu cho xe EMC
- Tạo một nền tảng mô phỏng Cơ cấu hình thang lái để phát triển tiếp tục trong tương lai
Sơ đồ quá trình tính toán tối ưu hóa hình thang lái
Hình 1-1: Sơ đồ thuật giải tổng quát
Điều kiện hoạt động của xe
Hình 1-2: Sơ đồ đường đua và vị trí các khu vực
1.5.2 Thành tích t ố t nh ấ t c ủ a cu ộc đua
Eco Mileage Challenge (Nhật) đạt kỷ lục 3644 km/l xăng của đội Firewall đến từ Nhật Bản, xác lập năm 2011
Cuộc thi Eco Mileage Challenge Việt Nam 2011 là lần tổ chức thứ 2 nên kết quả vẫn khiêm tốn, đội đạt thành tích cao nhất là đội V.A.P với cự ly 355 km/lít xăng.
Cuộc thi EMC lần thứ ba tại Việt Nam được Công ty Honda Việt Nam phát động năm 2012 Kết quả ở phần thi xe tự chế năm nay, kỷ lục mới về tiết kiệm xăng được đội Cánh gió - Honda Việt Nam lập lên khi đạt thành tích 912,661 km/l và dành giải nhất Giải nhì là đội MQ - EQ với thành tích 876,127 km/l và giải ba thuộc về đội Phoenix 18 là 694,190 km/l
Shell Eco-Marathon Asia (năm 2011):
- Nhiên liệu Xăng: 1608 km/ l của đội ATE.1 đến từ Thái Lan
- Đội ICE-HUST của Việt Nam đạt thành tích 192 km/ l đứng thứ 16 trong cuộc thi
Hình 1-3: Đội Fireball đạt kỷ lục 3644 (km/l)của năm 2011
- Nhiên liệu Ethanol: 2213 km/l của đội đến từ Thái Lan
- Nhiên liệu Diesel: 564 km/l của đội NTU đến từ Singapo
- Thành tích cao nhất: 1608 km/l của đội ATE.1
Shell Eco-Marathon Europe (năm 2011):
- Nhiên liệu Xăng: 3688 km/l của đội đến từ Pháp
- Nhiên liệu Ethanol: 2944 km/l của đội đến từ Pháp
- Nhiên liệu Diesel: 1784 km/l của đội đến từ Pháp
- Thành tích cao nhất: của đội ĐH Nantes Pháp 4896 km/l
Shell Eco-Marathon America (năm 2011):
- Nhiên liệu Xăng: 1090 km/l của đội NTFS.O đến từ Canada
- Nhiên liệu Ethanol: 370 km/l của đội Bluelighting đến từ Mỹ
- Nhiên liệu Diesel: 244 km/l của đội Diesel Weasel
- Thành tích cao nhất: 1090 km/lit của đội Đại Học Laval, Quebec, Canada
Hình 1-4: Xe của đội Cánh gió đạt giải nhất 2012
Hình 1-5: Sơ đồ chiến thuật các điểm ngắt và khởi động động cơ trên đường đua
Hình 1-6: Đồ thị biểu diễn vận tốc xe, các điểm tắt và khởi động động cơ theo quãng đường
1.5.4 Bán kính gi ớ i h ạ n quay vòng c ủa đường đua
Từ thông số về kích thước cơ sở của xe và 2 khúc cua tương đương nhau về mặt hình học trong sơ đồ đường đua, ta xây dựng một sơ đồ để tính bán kính quay vòng nhỏ nhất và lớn nhất mà đường đua có thể đáp ứng được như sau
Hình 1-7: Sơ đồ biểu diễn Bán kính quay vòng của đường đua
Hai bán kính quay vòng giới hạn từ đường đua được tính như sau:
Tóm tắt các công trình liên quan
1.6.1 Công trình Đạ i h ọ c bách khoa H ồ Chí Minh
Thiết kế kỹ thuật và công nghệ xe tiết kiệm nhiên liệu dùng động cơ Wave RS 110 Honda năm 2011
Cuộc thi "Lái xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu" tại Việt Nam cùng các cuộc thi quốc tế nổi bật như Eco Mileage Challenge (Nhật Bản), Shell Eco-Marathon (châu Á, châu Âu, châu Mỹ) là những sân chơi có ý nghĩa to lớn trong việc nâng cao nhận thức về tiết kiệm nhiên liệu, bảo vệ môi trường.
- Tìm hiểu những mô hình xe đạt kết quả cao ở các cuộc thi trong và ngoài nước để đưa ra những phương án thiết kế, sau đó tính toán so sánh tính năng ổn định, động lực học… để đưa ra phương án thiết kế của đội
- Tìm hiểu và học các phần mềm ứng dụng trong tính toán động lực học và kết cấu ôtô: Matlab 7.7.0, Ansys 12.0 Đồng thời sử dụng các phần mềm vẽ kỹ thuật: Solidworks 2010, Autocad 2008 trong quá trình thiết kế kỹ thuật
- Ứng dụng được phần mềm Ansys 12.0 trong tính toán bền và tối ưu khung xe, do đó đảm bảo khung xe đủ bền vững, tiết kiệm được vật liệu, do đó giá thành sẽ thấp hơn
- Ứng dụng được phần Mềm Matlab trong tính toán Động học và động lực học của xe, tiết kiệm được thời gian tính toán
- Đưa ra những phương pháp thực nghiệm xác định: Trọng tâm của xe, Chiều cao trọng tâm, Mô men quán tính Izz, Hệ số trượt ngang của bánh xe
- Thiết kế chi tiết các hệ thống Lái, Phanh, Truyền lực Đồng thời tận dụng 1 số chi tiết có sẵn trên thị trường để rút ngắn thời gian chế tạo, nâng cao tính kinh tế
- Thiết kế công nghê chế tạo khung và vỏ composit
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các góc đặt bánh xe
Hình 2-1: Hình biểu diễn các góc đặt của bánh xe
Hình 2-2: Hình biểu diễn góc Camber
Các bánh xe trước được lắp sao cho phần trên của bánh xe có góc nghiêng so với phương thẳng đứng (góc Camber) Góc Camber dương khi phần trên bánh xe nghiêng ra ngoài, ngược lại, góc Camber âm khi phần trên bánh xe nghiêng vào trong.
Tác dụng của góc Camber dương là ngăn ngừa khả năng bánh xe bị nghiêng theo chiều ngược lại dưới tác động của trọng lượng xe do các khe hở và sự biến dạng trong các chi tiết của trục trước và hệ thống treo trước Tạo nên thành phần chiều trục từ trọng lực của xe chống lại lực (hình 2-7) và giữ cho phương mặt phẳng thẳng đứng đi qua tâm bánh xe luôn trùng theo phương thẳng đứng với trục của cam quay
Hình 2-3: Hình chiếu đứng khung xe EMC, góc Camber bằng 0
Khi bánh xe bị đặt nghiêng nó có xu hướng lăn theo một cung tròn với tâm quay là giao điểm của đường tâm bánh xe và mặt đường Điều này dẫn đến làm nảy sinh ở vùng tiếp xúc của bánh xe và mặt đường phản lực bên hướng về phía nghiêng của bánh xe Như vậy lực cản lăn đối với bánh xe nghiêng và độ mài mòn lốp sẽ tăng lên
Trong các kiểu xe hiện đại, hệ thống treo và trục có độ bền cao hơn trước và mặt đường lại bằng phẳng nên bánh xe không cần nghiêng dương nhiều như trước nữa Vì vậy góc Camber được giảm xuống gần đến “không” (một số xe có góc Camber bằng không) vì giúp cho lốp xe mòn đều Nếu bánh xe có Camber dương hoặc âm thì góc nghiêng của bánh xe so với mặt đường sẽ tạo nên hiện tượng bán kính quay vòng của phần phía trong và phía ngoài khác nhau, và lốp xe sẽ mòn không đều
Trên xe EMC ta chọn góc Camber bằng 0, vì đơn giản khi chế tạo thân xe và phù hợp với điều kiện đường đua mà xe hoạt động
2.1.2 Góc Caster và kho ả ng Caster
Góc Caster là góc nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trục xoay đứng Góc Caster được xác định bằng góc nghiêng giữa trục xoay đứng và đường thẳng đứng, nhìn từ bên cạnh xe
Hình 2-4: Hình biểu diễn góc Caster và khoảng Caster
Dưới tác dụng của lực ly tâm khi xe vào đường vòng, lực gió bên hay thành phần bên của trọng lực khi xe chạy trên mặt đường nghiêng, ở khu vực tiếp xúc của bánh xe với mặt đường sẽ xuất hiện các phản lực bên tại O như hình 2-4
Khi trụ quay đứng được đặt nghiêng về phía sau một góc so với chiều tiến của xe thì phản lực bên của đường sẽ tạo nên một mô men ổn định với tâm tiếp xúc O
Hình 2-5: Góc Caster trên xe EMC 2010 so với phương thẳng đứng bằng 0
Mô men hồi phục này có xu hướng làm cho bánh xe trở về vị trí trung tâm ban đầu của nó khi nó bị lệch khỏi vị trí này Góc caster được tính bằng góc tạo bởi trục lái và phương thẳng đứng khi nhìn từ bên cạnh.
Nên mômen ổn định có thể viết như sau:
Khi thực hiện quay vòng người lái phải tốn thêm một lực để khắc phục mô men này, vì vậy góc Caster thường không lớn Góc Caster có ảnh hưởng đến độ ổn định khi xe chạy trên đường thẳng, còn khoảng Caster thì ảnh hưởng đến tính năng hồi vị bánh xe khi chạy xe trên đường vòng Vì vậy với bánh xe có góc Caster dương lớn thì độ ổn định trên đường thẳng tăng lên, nhưng lại khó chạy trên đường vòng
Hình 2-6: Hình biểu diễn góc Kingpin
Khi trụ đứng được đặt nghiêng ngang thì phản lực thẳng đứng của đất tác dụng lên trục trước của xe sẽ được sử dụng để đảm bảo tính ổn định của các bánh xe dẫn hướng Vì trên mặt đường cứng khi bánh xe dẫn hướng bị lệch khỏi vị trí trung gian thì trục trước của xe sẽ được nâng lên
Sơ đồ ở hình 2-7 có trụ đứng đặt nghiêng ngang một góc Nếu xem như bánh xe không có góc doãng thì ta có thể phân phản lực thẳng đứng của đất Zb làm hai thành phần là song song với đường tâm trụ quay đứng và vuông góc với nó
Bánh xe dẫn hướng và các lực tác dụng lên nó trong mặt phẳng đường
Giả sử rằng bánh xe quay đi một góc thì lực có thể chia làm hai thành phần tác dụng trong mặt phẳng đi qua đường tâm của cam quay và tác dụng trong mặt phẳng giữa của bánh xe
Với là khoảng cách từ tâm bề mặt tựa của bánh xe đến đường tâm trụ đứng
Hình 2-7: Góc kingpin và các thành phần lực.
Hình 2-8: Góc Kingpin và độ lệch L trên xe EMC
Mômen ổn định tăng lên cùng với sự tăng lên của góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng Mô men này có giá trị nhỏ và chỉ đóng vai trò chính là làm cho các bánh xe dẫn hướng tự động quay về vị trí trung gian sau khi thực hiện quay vòng Cũng chính mô men này yêu cầu người lái phải gia tăng thêm lực đánh lái, nhưng nhờ độ nghiêng ngang của trụ đứng mà mô men do phản lực
Trang 24 tiếp tuyến của đất tác dụng lên bánh xe sẽ giảm xuống vì cánh tay đòn được giảm đi
Trong các xe có bánh trước chủ động, khoảng lệch L thường là nhỏ (bằng không hoặc âm) để ngăn ngừa hiện tượng truyền chấn động từ lốp xe (do phanh hoặc chạy qua vật cản) lên vô lăng, và giảm thiểu mô men quay quanh trục xoay đứng do động lực tạo ra khi khởi động nhanh hoặc tăng tốc
2.1.4 Góc ch ụ m Độ chụm là độ lệch của phần trước và phần sau bánh xe khi nhìn từ trên xuống Góc lệch của bánh xe được gọi là Góc chụm Khi phần phía trước của các bánh xe gần nhau hơn so với phần phía sau thì được gọi là “Độ chụm”, và nếu ngược lại thì được gọi là “Độ doãng”
Hình 2-9: Góc chụm trên xe EMC
Động học quay vòng của xe
Khi xe quay vòng bên trái và di chuyển rất chậm khi đó các góc trong và ngoài của 2 bánh xe dẫn hướng phía trước phải tuân theo điều kiện động lực học để các bánh xe quay vòng mà không bị trượt Điều kiện này gọi là điều kiện Ackerman
Biểu thức cot − cot Với là góc lái của bánh xe phía trong, và là góc lái của bánh xe phía ngoài Hai góc này được định nghĩa theo tâm quay vòng tức thời O, là
Trang 26 khoảng cách hai đầu trụ đứng của xe và là khoảng cách giữa hai cầu trước và sau của xe
Hình 2-10: Sơ đồ các góc quay bánh xe theo tâm vận tốc tức thời O
Trên hình 2-10, w là bề rộng cơ sở của xe
Giả sử trọng tâm của xe quay vòng với bán kính là R thì được tính như sau
Với là trung bình cộng giá trị cotg của hai góc trong và ngoài của bánh chủ động, a 2 là khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau cotδ Với là góc quy đổi tương đương từ góc hệ thống lái đối với một xe 2 bánh có cùng khoảng cách trục và bán kính quay vòng R lên một mô hình xe hai bánh
Các công thức được chứng minh như sau: Để các bánh xe khi quay vòng điều tạo nên các đường cong quỹ đạo có cùng đặc điểm thì chúng phải thỏa điều kiện Ackerman
Hình 2-11: Sơ đồ biểu diễn các kích thước của xe
Hình 2 - 11 chỉ ra rằng khi xe quay vòng sang trái thì Tâm quay tức thời O xuất hiện bên trái kèm theo góc quay trái của bánh xe phía trong sẽ gần tâm quay này hơn bánh còn lại Theo hình thì hai góc này điều có thể được tính theo các công thức hình học theo tam giác OAD và tam giác OBC tan tan Suy ra
Theo định lý Ackerman, mối quan hệ trực tiếp giữa góc lái và góc lệch bánh xe là cot - cot Để xác định bán kính quay vòng R của trọng tâm xe, ta sử dụng mô hình hai bánh tương đương Trong mô hình này, bán kính quay vòng R vuông góc với véc tơ vận tốc đặt tại trọng tâm xe.
Hình 2-12: Mô hình tương đương
Hình 2-13: Ảnh hưởng của tỷ số đếncác góc lái trục trước
Từ hình 2-12 ta suy được:
= + Chúng ta nhận thấy với tỷ số càng lớn chúng ta càng có sự sai lệch lớn giữa góc quay phía trong và phía ngoài của cùng một cầu xe Điều này đồng
Trang 29 nghĩa với việc càng khó đảm bảo hệ thống lái sẽ làm việc gần đúng với điều kiện Ackerman lý thuyết Hình 2-13 cho ta thấy mối tương quan này
Hình 2-14 Bán kính quay vòng lớn nhất và nhỏ nhất
Những hệ thống lái tuân theo điều kiện Ackerman điều được gọi là hệ thống lái Ackerman hay cơ cấu Ackerman Cơ cấu hình thang lái 4 khâu không thể tuân theo chính xác điều kiện này, tuy nhiên chúng ta vẫn có thể thiết kế một hệ thống gồm nhiều khâu để có thể làm việc gần nhất với điều kiện này
Mặt khác hầu hết các xe điều có khoảng cách giữa các vết bánh xe ở cầu trước và sau khác nhau Khoảng cách giữa hai vết bánh xe ở cầu trước là Khoảng cách giữa hai vết bánh xe cầu sau xem như không tác động lên điều kiện động học ở cầu trước nên ta chỉ chọn cho tính toán
Ngoài ra điều kiện Ackerman còn được dùng để tính khoảng không gian cần thiết cho quay vòng (hành lang quay vòng) Với xe 2 cầu, cầu trước chủ động, hệ thống lái tuân theo điều kiện Ackerman được thể hiện như hình 2-14 Điểm có bán kính quay vòng lớn nhất được tính bán kính quay vòng cực đại được tính
Và chúng ta có thể có được không gian yêu cầu cho hành lang quay vòng là ∆
Động lực quay vòng của xe
Với , là khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và sau , là Front sideslip coefficient và Rear sideslip coefficient Với là vận tốc xe.
Biểu thức (2.1) yêu cầu vận tốc không thay đổi nhiều trong quá trình quay vòng Biểu thức (2.2) và (2.3) thể hiện giá trị tĩnh của các biến đầu ra, giá trị k thể hiện độ cong của quỹ đạo quay vòng
= Từ hệ số Curvature response
= Hình 2-15: Quan hệ giữa và vận tốc của xe
Theo biểu thức hệ số ổn định K được xác định từ luôn phụ thuộc vào sự biến thiên của véc tơ vận tốc Hệ số K phụ thuộc vào hiệu hai tỷ lệ và
Hai tỷ số này lại phụ thuộc vào vị trí của trọng tâm (hay giá trị và ) cùng với giá trị của hai hệ số và Nếu K > 0 hay >
Thì = / là một hàm giảm khi tăng và vì vậy giá trị độ cong của quỹ đạo k = 1/R sẽ giảm nếu giữ nguyên Điều này chỉ ra rằng bán kính quay vòng ổn định R sẽ phải tăng lên khi tăng vận tốc Rõ ràng hệ số ổn định trong trường hợp này là mong muốn Một xe có K > 0 và luôn giảm là ổn định và gọi là xe có tính quay vòng thiếu ( Understeer )
Khi tăng vận tốc thì độ cong của quỹ đạo cũng tăng, dẫn đến bán kính quay vòng R sẽ giảm Hệ số ổn định k âm là không mong muốn, thể hiện xe bị thừa lái (oversteer) và mất ổn định.
Nếu K = 0 hay Thì = / là một hàm không phụ thuộc và vì vậy giá trị độ cong của quỹ đạo k = 1/R là hằng số nếu giữ nguyên Điều này chỉ ra rằng bán kính quay vòng ổn định R sẽ không thay đổi theo vận tốc Một xe có K = 0 luôn quay vòng trên quỹ đạo ổn định và gọi là xe có tính quay vòng đúng ( Neutral steer ), và khi chúng ta tăng hay giảm tốc độ ta không cần tăng hay
Trang 33 giảm góc lái để tìm lại được quỹ đạo quay vòng mong muốn, điều này là mong muốn.
Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình tối ưu hóa Cơ cấu hình thang lái
2.4.1 T ối ưu hóa d ạ ng Hình thang lái 4 khâu 2.4.1.1 Sơ đồ giải thuật tối ưu Cơ cấu hình thang lái 4 khâu
Hình 2-16: Sơ đồ giải thuật tối ưu Cơ cấu hình thang lái 4 khâu
Hình 2-17: Sơ đồ tính toán Cơ cấu hình thang lái 4 khâu
2.4.1.2 Phương pháp tối ưu Cơ cấu Hình thang lái 4 khâu
Tối ưu hóa về mặt động học nghĩa là hệ thống lái cơ khí được thiết kế để có thể làm việc gần nhất với điều kiện Ackerman So sánh giá trị đầu ra của một hệ thống lái cơ khí và điều kiện Ackerman với cùng một dữ kiện đầu vào, chúng ta tính được giá trị hàm sai lệch e Hàm sai lệch thể hiện mức độ sai khác nhau giữa góc lái phía ngoài của một thiết kế cơ khí δ Do và điều kiện Ackerman δ Ao cho cùng một góc lái phía trong δ i
Hàm sai lệch có thể nhận giá trị thuần túy của hiệu hai giá trị này
Hay là căn bậc hai của hàm tích phân (Root mean square: RMS) về sự khác nhau từ hai hàm này trong vi phân của góc trong
= ∫( − ) Hàm RMS được định nghĩa là hàm liên tục theo biến số và Tuy nhiên, tùy theo thiết kế cơ khí không phải lúc nào cũng có thể tìm được một hàm sai số e gần chính xác nhất với cơ cấu đó Trong trường hợp hàm sai lệch không thể được định nghĩa rõ ràng thì hàm sai lệch có thể xác định được giá trị cho n giá trị khác nhau của góc trong Kết quả thu được là các giá trị và
Sử dụng kết quả này ta có được giá trị hàm sai lệch ứng với tham số tương ứng
Hàm sai lệch chỉ tạo nên giá trị từ các giá trị khác nhau của các tham số
Sau đó vẽ sơ đồ của e theo các giá trị tham số để nhận thấy xu hướng sự dao động của e như là một hàm của tham số Nếu đó là một giá trị nhỏ nhất cho e thì giá trị tối ưu cho tham số có thể được tìm ra Theo cách khác, hàm sai lệch e có thể chỉ ra trực tiếp giá trị nhỏ nhất cần tìm
Với biểu thức điều kiện Ackerman cos − Chúng ta có thể định nghĩa hàm sai lệch là:
Khi tìm thấy giá trị sai lệch e tối ưu cho hình thang lái cơ khí ta cũng rút được giá trị tối ưu cho tham số đưa vào để sử dụng trong thiết kế cơ cấu cơ khí tương ứng
Hình 2-18: Hình liên quan giữa các thông số của Hình thang lái
Trong cơ cấu hình thang lái 4 khâu, vị trí của hình thang lái thể hiện mối quan hệ giữa các góc ν và δ theo công thức: δ = kν, trong đó k là hệ số khuếch đại của cơ cấu.
Biểu thức này có thể được chứng minh dựa theo tam giác vuông ABC và qua một số phép biến đổi Trong tam giác vuông ABC ta có
Sau đó ta rút ra
Hình 2-19: Ảnh hưởng góc đến quan hệ ,
Với một giá trị , dãy các giá trị chọn trước, một giá trị khoảng cách giữa hai trụ đứng cho một xe cố định tương ứng với một giá trị độ dài d chọn sẵn Dựa theo biểu thức ta hoàn toàn có thể tìm được dãy hoạt động của
Hình 2-19 biểu diễn ảnh hưởng của các giá trị góc nghiêng đến mối liên hệ của góc trong và ngoài của một Cơ cấu 4 khâu
∆ = − Sau đó dùng biểu thức
= ∑ ( − ) Để tìm được kết quả là một giá trị của sai lệch e
Tiếp tục thay đổi giá trị ta sẽ có biểu đồ biểu diễn các giá trị của e theo Dựa vào biểu đò này hoặc dãy các giá trị cặp số tương ứng với đồ thị ta sẽ có giá trị sai lệch e là nhỏ nhất ứng với góc Góc tìm được này là gái trị tối ưu cho hình thang lái mà chúng ta thiết kế, ứng với 1 giá trị độ dài d và 1 giá trị
Từ giá trị tìm được trên biểu đồ ta suy được giá trị phù hợp cho Hình thang lái 1 khâu như trên hình 2-20
Hình 2-20: Biểu đồ thể hiện giá trị hàm sai lệch e của Cơ cấu hình thang lái 4 khâu với 1 gía trị góc
2.4.2 T ối ưu hóa Cơ cấ u hình thang lái đa liên kế t 2.4.2.1 Sơ đồ thuật giải tối ưu Cơ cấu hình thang lái đa liên kết
Hình 2-21: Sơ đồ thuật giải tối ưu hóa Cơ cấu đa liên kết
2.4.2.2 Phương pháp tối ưu hóa Cơ cấu hình thang lái đa liên kết
Như đã đề cập ở trên, cơ cấu hình thang lái 4 khâu không đạt được độ chính xác tốt nhất so với điều kiện Ackerman nên chúng ta sẽ thiết kế một Cơ cấu nhiều khâu để đảm bảo nhiệm vụ này Tuy nhiên nó cũng đủ đơn giản để chế tạo, lắp đặt, bảo dưỡng và sửa chữa
Với Cơ cấu hình thang lái đa liên kết ta chia chúng thành 2 cơ cấu 4 khâu liên kết Phần 1 bên trái và phần 2 bên phải, chúng được chỉ rõ trên hình 2-22
Chúng ta thừa nhận rằng MA là đầu vào của liên kết trái và PB là đầu ra Đường kết nối PB là phần cứng tác động lên PC, đó cũng là đầu vào của phần bên phải Đầu ra của phần bên phải là ND Để tìm được quan hệ giữa góc lái bánh trong và ngoài chúng ta cần tìm góc của ND như một hàm theo góc MA
Hình 2-22: Các thông số hình học của Cơ cấu đa liên kết
Xác định từ bán kính quay vòng nhỏ nhất tìm ra góc quay lớn nhất mà cơ cấu có thể đáp ứng Từ giá trị đó chúng ta sẽ chọn khoảng hoạt động cho biến số (góc trong) được đưa vào ở cơ cấu bên trái
Ta xác định các thông số hình học của Cơ cấu bên trái dựa theo bảng 2.1
Bảng 2.1: Các kích thước và góc tương ứng với các khâu bên trái
Khâu Độ dài hình học (m) Góc (deg)
= − 90 – Ta chọn dãy hoạt động của để tìm ra , đưa vào biểu thức 2.24 để tìm ra giá trị
Với các biểu thức hệ số được tính:
Sử dụng công thức liên kết của 2 cơ cấu bên phải và bên trái để tìm góc
Tiếp tục tính các giá trị hình học của cơ cấu bên phải theo bảng 2.2
Bảng 2.2: Các kích thước và góc tương ứng với các khâu bên phải
Khâu Độ dài hình học (m) Góc (deg)
Ta tiếp tục có được , đưa vào các biểu thức để tìm được giá trị của
Với các biểu thức hệ số được tính:
Ta tìm được giá trị Sử dụng để tìm được giá trị góc là giá trị đầu ra của Cơ cấu đa liên kết
= − (90 + ) Có và chúng ta sẽ tìm được sai khác ∆
∆ = − = − Với n giá trị của trong giới hạn làm việc Dựa trên số lần n để có ∆, chúng ta có thể tìm ra hàm sai lệch e
Thay đổi giá trị của x và tính lại sai lệch e, kết quả là ta có = ( )
Tại giá trị sai lệch e nhỏ nhất chúng ta sẽ có được giá trị khoảng x tối ưu cần tìm như biểu đồ 2-23
Hình 2-23: Tối ưu hóa hàm sai lệch theo x
2.5 Kết luận về xác định Cơ cấu hình thang lái sử dụng cho xe EMC trong tương lai
2.5.1 Mô hình hình thang lái đa liên kế t s ử d ụ ng trên xe EMC
Hình 2-24: Mô hình hình thang lái đa liên kết sử dụng trên xe EMC
2.5.2 Lý do ch ọn Cơ cấ u hình thang lái đa liên kế t Độ sai lệch của góc lái bánh xe bên ngoài so với điều kiện Ackerman là nhỏ hơn so với Cơ cấu hình thang lái 4 khâu truyền thống (số liệu tính toán ở cuối phần tính toán tối ưu hóa cơ cấu đa liên kết sẽ làm rõ nhận định này) Điều này sẽ giúp cho xe thực hiện quay vòng tổn hao ít năng lượng hơn do bánh xe bị trượt Đây là mục đích trực tiếp 43hon đầu của đề tài đặt ra
Cơ cấu hình thang lái đa liên kết đủ đơn giản để chế tạo, bảo dưỡng và sửa chữa
Về mặt kinh tế là phù hợp với chỉ tiêu vốn được tài trợ cho việc chế tạo một xe EMC của hãng Honda đưa ra.
TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
Thông số tính toán
Bảng 3.1: Thông số tính toán
STT Tên gọi Ký hiệu Đơn vị Giá trị
01 Khoảng cách 2 đầu trụ đứng m 0,72
02 Chiều dài cơ sở của xe m 1, 8
03 Bề rộng cơ sở của xe w m 0,8
04 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước m 0,8
05 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau m 1
06 Khoảng cách từ cầu trước đến mũi xe g m 0,4
07 Khối lượng tổng thể của xe m kg 120
09 Front sideslip coefficient và Rear sideslip coefficient
10 Chiều cao hình thang trong Cơ cấu đa liên kết f m 0,07 11 Đáy lớn một cơ cấu trong Cơ cấu đa kiên kết d m 0,36 12 Góc nghiêng bên của một Cơ cấu hình thang deg 15
13 Góc hoạt động của bánh xe phía trong deg ±25
14 Góc hoạt động bên trái của Cơ cấu hình thang lái deg ±30
Động học quay vòng của xe
Hình 3-1: Sơ đồ biểu diễn các góc quay bánh xe theo tâm vận tốc tức thời O
Khi xe quay vòng bên trái và di chuyển rất chậm khi đó các góc trong và ngoài của 2 bánh xe dẫn hướng phía trước phải tuân theo điều kiện động lực học để cho phép các bánh xe quay vòng mà không bị trượt Điều kiện này gọi là điều kiện Ackerman
Giá trị là khoảng cách của 2 tâm trụ đứng 2 bên trong hình thang lái, l là chiều dài cơ sở của xe
Với là góc lái của bánh xe phía trong, và là góc lái của bánh xe phía ngoài Hai góc này được định nghĩa theo tâm quay vòng tức thời O
Chọn khoảng hoạt động của = 25 là giá trị góc lái cực đại phía trong so với tâm quay vòng 0, ta tìm được các giá trị động học của xe
Dựa vào biểu thức (3.1) ta suy ra được giá trị góc quay của bánh xe bên ngoài là
, + 25 ≈ 21,4573 Theo phần lý thuyết cơ sở ta tính được các thong số còn lại như sau:
= 1 + 1,8 cot 23,1017 = 4,3370 ( ) Bán kính quay vòng nhỏ nhất
Bán kính quay vòng lớn nhất Ta chọn giá trị khoảng cách từ trục trước đến mũi xe là g = 0,4 (m)
≈ 5,1533 ( ) Chúng ta có được không gian yêu cầu cho hành lang quay vòng là ∆
Bảng 3.2: Tổng hợp các thông số đầu vào của tính động học xe EMC
Bảng 3.3: Tổng hợp các số liệu đầu ra cho tính động lực học xe EMC
Động lực học quay vòng của xe
3.3.1 Tính l ự c ngang tác d ụ ng lên bánh xe c ầu trướ c và các mô men ổn đị nh
Hình 3-2: Hình biểu diễn góc Caster và khoảng Caster
Có bán kính quay vòng nhỏ nhất là: = 3,8601 ( ), Kết hợp với
≈ 9,722 ( / ) ta tìm được vận tốc góc:
Dựa vào lý thuyết đã nêu ta tính được lực ngang
Chọn bánh xe có bán đường kính 0,650 (m) ta có bán kính bánh xe là
= 0,325 ( ) Chọn góc Caster = 7 ta tính được khoảng Caster của xe là:
= = 0,325 sin(7 ) = 0,0396 ( ) Nên mômen ổn định có giá trị:
Hình 3-3: Góc Kingpin và độ lệch L trên xe EMC
Khi tính toán tải trọng lên một bánh xe cầu trước trong điều kiện tĩnh, chúng ta cần xem xét tổng khối lượng xe (120 đơn vị) và tọa độ trọng tâm xe (1 đơn vị; 0,8 đơn vị) Dựa trên các thông số này, ta có thể tính toán được tải trọng phân bố lên mỗi bánh xe.
Lựa chọn bán kính quay r = 0,05 m, góc nghiêng trụ đứng γ = 12° và góc quay vòng lớn nhất của xe α = 30° Khi đó, mô men ổn định có giá trị được tính là:
Hình 3-4: Góc kingpin và các thành phần lực
3.3.2 Xây d ự ng bi ểu đồ liên h ệ gi ữ a h ệ s ố ổn đị nh K và t ỷ l ệ kho ả ng cách t ừ tr ọng tâm đế n 2 c ầ u
Theo cơ sở lý thuyết đã nêu ở trên, chúng ta sẽ bắt đầu với việc chọn chiều dài cơ sở l cho xe thiết kế Dựa trên yêu cầu cuộc thi chiều dài cơ sở của xe phải lớn hơn 1 mét và nhỏ hơn 3,5 mét Xét theo mức độ hài hòa với đường đua, phương diện chế tạo khung vỏ, cách bố trí động cơ, chỗ ngồi và tối ưu về mặt khối lượng của xe thì chúng ta nên chọn chiều dài cơ sở của xe từ 1,5 đến 2 mét
Theo phân tích này thì đề xuất chọn chiều dài cơ sở của xe được thiết kế là = 1,8 ( )
Khối lượng toàn bộ của xe = 120 ( )
Trang 50 Để xác định được xe quay vòng thừa, quay vòng thiếu hay quay vòng đúng ta cần xác định hệ số ổn định K ( Stability factor )
Vì trên xe EMC chúng ta sử dụng cùng một loại lốp cho cả hai cầu trước và sau nên dựa theo biểu thức (3.2) thì giá trị của các hệ số và là không ảnh hưởng đến kết quả tính toán của K
Hình 3-5: Ảnh hưởng của tọa độ trọng tâm đến sự giảm tốc cực đại của xe lái bằng cầu trước và cầu sau
Ta có và là khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và cầu sau, l là chiều dài cơ sở của xe nên ta có:
Trên hình 3-5 có g là Gia tốc trọng trường, a là Gia tốc của xe, là Gia tốc cực đại của xe lái cầu sau, là Gia tốc cực đại của xe lái cầu trước, là Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước, l là Chiều dài cơ sở của xe
Từ hình 3-5 ta có tỷ lệ = 0,4 ÷ 0,6 ta suy ra được tỷ lệ ÷
Từ biểu thức (3.3) ta chọn = 1,8 ( ) thì khoảng = 0,72 ÷ 1,08 ( ) và ta cũng có khoảng dao động giá trị của = 1,08 ÷ 0,72 ( )
Hình 3-6: Đồ thị tương quan giữa K và tyle
Với 1 giá trị ta tính được 1 giá trị Ta gọi đây là một cặp giá trị [ ] để xác định tọa độ trong tâm C trên xe Lần lược thay từng cặp giá trị này vào biểu thức (3.2) ta sẽ có được từng giá trị của K
Xét theo điều kiện ≥0 thì ta nhận cặp giá trị [ ], tổng hợp các cặp giá trị này sẽ cho ta một khoảng tỷ lệ luôn đảm bảo cho xe có tính
Trang 52 chất quay vòng mong muốn đồng thời xác định luôn khoảng vị trí thiết lập trọng tâm C của xe để đảm bảo tính chất này
Theo đồ thị tthì khoảng giá trị nên thiết kế để trọng tâm xe rơi vào là 2 3 < < 1.
Số liệu rút được từ tính toán Động học và Động lực học của xe
Bảng 3.4: Thông số động học của xe EMC
∆ 23,1017 3,8601 ( ) 5,0811 ( ) 1,221 ) 4,337 ( ) Để xe có được tính chất quay vòng thiếu hay quay vòng đúng thì ≥0
Tính toán động lực học chỉ ra khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước là và từ trọng tâm đến cầu sau là phải luôn nằm trong khoảng tỷ lệ 2/3 ≤
Tối ưu hóa động học Cơ cấu hình thang lái 4 khâu
3.5.1 Thông s ố đầ u vào tính toán
STT Tên gọi Ký hiệu Đơn vị
01 Khoảng cách 2 đầu trụ đứng m 0,72
03 Chiều dài cơ sở của xe m 1, 8
04 Đáy lớn một cơ cấu trong Cơ cấu đa kiên kết d m 0,36 05 Góc nghiêng bên của 1 Cơ cấu hình thang deg 15
06 Góc hoạt động của bánh xe phía trong deg ±25
07 Góc hoạt động bên trái của Cơ cấu hình thang lái deg ±30
Hình 3-7: Sơ đồ tính toán Cơ cấu hình thang lái 4 khâu
3.5.2 Độ ng h ọ c lý t ưở ng theo điề u ki ệ n Akerman
Xe có thể quay vòng với bán kính nhỏ nhất là = 3,8601 ( ) Từ bán kính quay vòng nhỏ nhất ta xác định góc lái cực đại (hay )
Khi xe quay vòng với bán kính nhỏ nhất thì tương ứng là:
= 1,8 cot (25,7708 ) = 3,7283 ( ) Lúc này các góc trong và ngoài của hình thang lái sẽ có giá trị
Bởi vì cơ cấu có tính đối xứng, mỗi bánh xe của hệ thống lái cơ học có thể quay ít nhất là 28,1196 Để an toàn, chúng ta nên chọn góc hoạt động của bánh quay phía trong tâm quay vòng từ - 30 0 đến 30 0
Theo biểu thức của điều kiện Ackerman
Cot – cot Với , là góc lái của bánh xe phía trong và phía ngoài của Với mỗi một giá trị của ta sẽ tính được một giá trị của
= acot ( + ) Tập hợp các cặp giá trị [ , ] sẽ cho ta biểu đồ hiển thị quan hệ của hai thông số này theo điều kiện Ackerman
Hình 3-8: Biểu đồ liên hệ giữa hai góc lái trong và ngoài theo điều kiện
3.5.3 Tính giá tr ị góc lái trong và ngoài cho Cơ cấ u hình thang lái 4 khâu
Mối quan hệ giữa góc $\alpha$ và góc $\beta$ được biểu diễn qua biểu thức: $\alpha + \beta = 180^o$ Điều này có nghĩa là tổng số đo của hai góc đối đỉnh này luôn bằng $180^o$.
Hình 3-10: Quan hệ góc ngoài và trong với 1 giá trị = 19,4745
Với một giá trị = 19,4745 , dãy các giá trị = ± 30 chọn trước, một giá trị khoảng cách giữa hai trụ đứng = 0,72 ( ) cho xe EMC tương ứng với một giá trị độ dài = 0.72 ( ) chọn = 0.07 ( ) để có được chiều cao của Cơ cấu hình thang lái 4 khâu là tương ứng với cơ cấu đa liên kết) Dựa theo biểu thức ta hoàn toàn có thể tìm được dãy hoạt động của như trên hình 3-10
Khi thay đổi các giá trị góc nghiêng để thiết lập mối liên hệ giữa các góc trong và ngoài theo điều kiện lý thuyết Ackerman, có thể thấy được mối tương quan giữa các giá trị này như được thể hiện trong hình 3-11.
Hình 3-11: Ảnh hưởng góc đến quan hệ , so với điều kiện
3.5.4 Giá tr ị góc nghiêng t ối ưu
∆ = − Sau đó đưa vào biểu thức
Trang 57 Để tìm được kết quả là một giá trị của sai lệch e tập hợp các kết quả này là đồ thị như hình 3-12
Hình 3-12: Đồ thị liên hệ giữa các giá trị sai lệch e và góc nghiêng
Hình 3-13: So sánh kết quả tối ưu và Ackerman condition
Tiếp tục thay đổi giá trị ta sẽ có biểu đồ biểu diễn các giá trị của e theo góc nghiêng như trên hình 3-12 Trên biểu đồ này ta tìm được giá trị , ứng với giá trị ≈ 19,4745 nên giá trị góc nghiêng tìm được là phù hợp cho Cơ cấu hình thang lái 4 khâu nếu được sử dụng cho xe EMC.
Tối ưu hóa động học Cơ cấu hình thang lái đa liên kết
3.6.1 Mô hình tính t ối ưu Cơ cấ u đa liên k ế t
Hình 3-14: Sơ đồ tính toán tối ưu hóa động học Cơ cấu hình thang lái đa liên kết
3.6.2 Độ ng h ọ c lý t ưở ng theo điề u ki ệ n Akerman
Hình 3-15: Biểu đồ liên hệ giữa hai góc lái theo điều kiện Ackerman
Tương tự như Cơ cấu hình thang lái 4 khâu ta chọn góc hoạt động của bánh quay phía trong tâm quay vòng từ - 30 0 đến 30 0 Ta tính và vẽ được liên hệ của góc trong và ngoài theo điều kiệnAckerman như hình 3-15
3.6.3 Tính giá tr ị góc lái trong và ngoài cho C ơ cấ u hình thang lái đa liên k ế t
Hình 3-16: Sơ đồ cơ cấu đa liên kết sử dụng trên xe EMC
Dựa vào cơ sở lý thuyết ta tính được chiều dài của các khâu cùng các góc tương ứng cho Cơ cấu bên trái Ta tính được 1 giá trị của ứng với một giá trị bằng biểu thức
Bảng 3.5: Đặc điểm hình học của các khâu trong cơ cấu bên trái
Khâu Độ dài hình học (m) Góc (deg)
Khi đã có chiều dài , , , ta tiếp tục tính các hệ số , ,
Tiếp tục đưa các hệ số , , vào biểu thức hệ số A, B, C
= + − (1 + ) Cuối cùng ta đưa các biểu thức hệ số vào để tính được giá trị của ứng với từng giá trị của Tuy nhiên kết quả vẫn còn chứa biến số x
Hình 3-17: Hai kết quả thu đươc của
Với biểu thức ta nhận thấy sẽ có hai kết quả tìm được Một kết quả lớn hơn không và kết quả còn lại nhỏ hơn không Hai kết quả này được mô tả trong hình 3-17
Ta chỉ nhận kết quả > 0 mới phù hợp với hoạt động của một hình thang lái trên xe Kết quả này ứng với nghiệm là kết quả của dấu “-” trong biểu thức
Kết quả nhận được đưa vào biểu thức:
Ta tìm được giá trị , tiếp tục tính độ dài hình học cho các khâu của cơ cấu bên phải Dựa vào bảng 3.6
Bảng 3.6: Đặc điểm hình học của các khâu cơ cấu bên phải
Khâu Độ dài hình học (m) Góc (deg)
Tính tiếp tục các hệ số của Cơ cấu bên phải
Sau đó đưa các hệ số này vào các biểu thức hệ số A, B, C
= + − (1 + ) cos Và đưa các biểu thức này vào biểu thức tìm 1 giá trị từ 1 giá trị đầu vào của
Với mỗi giá trị đầu vào, ta nhận được hai giá trị đầu ra Tuy nhiên, tương tự như cơ chế ở bên trái, chúng ta chỉ nhận giá trị
Dùng giá trị vừa tìm được để tính giá trị góc xoay cần thiết cho bánh bên ngoài
= − (90 + ) Đến đây kết quả vẫn mang ẩn x
3.6.4 Tính giá tr ị t ối ưu x dự a trên t ối ưu độ ng h ọ c
Kết quả chuỗi giá trị thu được vì vẫn còn chứa ẩn x nên khi thay 1 giá trị x vào ta sẽ thu được một chuỗi giá trị
So sánh kết quả của Cơ cấu hình thang lái đa liên kết (gọi là ) với tính theo điều kiện Ackerman (gọi là ) cho ta sai khác ∆
∆ = − Sau đó tìm hàm sai lệch e bằng biểu thức:
Lúc này với mỗi một giá trị của ẩn x ta sẽ có một giá trị sai lệch e, thay đổi các giá trị của ẩn x trong một khoảng, ta cũng thu được một khoảng các giá trị của sai lệch e tương ứng như đồ thị hình 3-18
Theo đồ thị này ta tìm được với = − 0,0859 ( ) thì sai lệch đạt Điều này có nghĩa là với giá trị = − 0,0859 ( ) thì sai lệch của Cơ cấu đa liên kết và điều kiện Ackerman là ít nhất, hay nói khác đi giá trị x đó là tối ưu cho Cơ cấu đa liên kết có các thông số như đã chọn
Hình 3-18: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của ẩn x và sai lệch e
Hình 3-19: So sánh giữa điều kiện Akerman và giá trị x tối ưu
Hình 3-20 biểu diễn sai số so với điều kiện Ackerman của Cơ cấu 4 khâu và Cơ cấu đa liên kết trên cùng 1 đồ thị
Hình 3-20: So sánh Sai khác giá trị tối ưu của Cơ cấu 4 khâu và Cơ cấu đa liên kết so với điều kiện Ackerman
Hình 3-21: Phần trăm sai khác giá trị tối ưu của Cơ cấu 4 khâu và Cơ cấu đa liên kết so với điều kiện Ackerman
Dựa vào các biểu đồ so sánh độ chính xác trong hoạt động của Cơ cấu 4 khâu và Cơ cấu đa liên kết ta nhận thấy với cùng các điều kiện hình học và đầu vào giống nhau thì Cơ cấu đa liên kết có độ chính xác khi hoạt động cao hơn Cơ cấu 4 khâu về tổng thể và về từng giá trị góc Điều này làm rõ cho kết luận ở
Trang 65 cuối chương II khi tác giả chọn tính toán tối ưu và áp dụng Cơ cấu hình thang lái đa liên kết cho các thế hệ xe EMC trong tương lai
Từ các kết quả trên ta có được các thông số hình học cho 2 Cơ cấu bên trái và bên phải của Cơ cấu đa liên kết
Hình 3-22: Cơ cấu bên trái khi gán các giá trị tính toán tối ưu hoá
Hình 3-23: Cơ cấu bên phải khi gán các giá trị tính toán tối ưu hoá.
Ảnh hưởng khi thay đổi giá trị các tham số , , và đến giá trị x
Ngoài ra trong thuật toán đã trình bày chúng ta nhận thấy các giá trị , à nếu thay đổi cũng sẽ ảnh hưởng đến các giá trị x tìm được Ta sẽ
Trang 66 lần lược thay đổi từng tham số để thấy sự ảnh hưởng của từng tham số đến giá trị tối ưu của ẩn x
3.7.1 Thay đổ i góc nghiêng , tìm vùng giá tr ị x xu ấ t hi ện tương ứ ng 3.7.1.1 Sơ đồ thuật khi thay đổi góc nghiêng
Hình 3-24: Sơ đồ thuật khi thay đổi góc nghiêng
3.7.1.2 Mô hình tính thay đổi góc nghiêng
Hình 3-25: Mô hình tính thay đổi góc nghiêng 3.7.1.3 Kết quả thu được khi thay đổi góc nghiêng
Hình 3-26: Đồ thị tương quan giữa góc và x
Giá trị tuyệt đối của x tăng gần như tuyến tính theo giá trị góc Bởi vì góc càng lớn, sai số giữa góc trong và góc ngoài càng lớn, dẫn đến x phải tăng để bù vào sai số gia tăng.
3.7.2 Thay đổ i chi ề u cao hình thang trong c ơ cấu đa liên kế t 3.7.2.1 Sơ đồ thuật khi thay đổi chiều cao hình thang
Hình 3-27: Sơ đồ thuật khi thay đổi chiều cao hình thang
3.7.2.2 Mô hình tính thay đổi Chiều cao hình thang
Hình 3-28: Mô hình tính thay đổi Chiều cao hình thang
3.7.2.3 Kết quả thu được khi thay đổi Chiều cao hình thang
Hình 3-29: Đồ thị tương quan giữa f và x
Khi chiều cao của hình thang tăng thì giá trị thu được của ẩn x cũng tăng theo về độ lớn để có sự đồng dạng tương đối trong Cơ cấu đa liên kết
3.7.3 Thay đổ i t ỷ l ệ gi ữ a Kho ảng cách 2 đầ u tr ụ đứ ng h ệ th ố ng lái và Chi ề u dài cơ sở c ủ a xe EMC 3.7.3.1 Sơ đồ thuật khi thay đổi tỷ lệ
Hình 3-30: Sơ đồ thuật khi thay đổi tỷ lệ giữa Khoảng cách 2 đầu trụ đứng hệ thống lái và Chiều dài cơ sở của xe EMC
Hình 3-31: Đồ thị tương quan giữa tỷ lệ giữa Khoảng cách 2 đầu trụ đứng hệ thống lái và Chiều dài cơ sở của xe EMC và giá trị x
Tỷ lệ khoảng cách giữa hai đầu trụ thẳng và chiều dài cơ sở xe càng lớn thì góc trong và góc ngoài của cầu trước càng sai khác, dẫn đến giá trị của khoảng x tăng lên.
Xây dựng mô hình vật lý cho Cơ cấu đa liên kết trên Matlab
3.8.1 Mô hình v ậ t lý cho C ơ cấu đa liên kế t
Hình 3-32: Mô hình vật lý Cơ cấu đa liên kết
Hình 3-33: Vị trí và tọa độ trọng tâm của các thành phần trong Mô hình vật lý
Hình 3-34: Hoạt động của Mô hình khi quay trái
Hình 3-35: Hoạt động của Mô hình khi quay phải
3.8.2 B ả ng thu ộ c tính các thành ph ần trong Cơ cấ u Bảng 3-8: Thuộc tính các thành phần trong Mô hình vật lý đa liên kết
Tên gọi Giá trị Tên biến
Tọa độ cs1_1 [0 0 0] cs1_1 Tọa độ cs1_1_or [0 0 75] cs1_1_or Tọa độ cg_1 [0,0362 0 0] cg_1 Tọa độ cs2_1 [0,0725 0 0] cs2_1
Tên gọi Giá trị Tên biến
Tọa độ cs1_2 [0 0 0] cs1_2 Tọa độ cg_2 [0,1921 0 0] cg_2 Tọa độ cs2_2 [0,3842 0 0] cs2_2 Tọa độ cs3_2 [0,3842 0 0] cs3_2
Tên gọi Giá trị Tên biến
Tên gọi Giá trị Tên biến
Tên gọi Giá trị Tên biến
Tọa độ cs1_5 [0 0 0] cs1_5 Tọa độ cs1_5_or [0 0 -75] cs1_5_or Tọa độ cg_5 [0,0362 0 0] cg_5 Tọa độ cs2_5 [0,0725 0 0] cs2_5
3.8.3 So sánh sai s ố c ủ a Mô hình v ậ t lý và k ế t qu ả t ối ưu Cơ cấ u đa liên kế t v ớ i đ i ề u ki ệ n Ackerman
Hình 3-36: So sánh quan hệ góc trong và ngoài của Mô hình vật lý, Kết quả tính toán tối ưu và điều kiện Ackerman
Hình 3-37: Đồ thị biểu diễn sai khác của Mô hình vật lý và Kết quả tính toán tối ưu so với Điều kiện Ackerman
Sai số tồn tại khi hoạt động của Mô hình vật lý mô phỏng và giá trị tính toán tối ưu tìm được cho cùng Cơ cấu đa liên kết là do 2 nguyên nhân chính
Thứ nhất là trong Mô hình vật lý có sự tham gia của các yếu tố thời gian, khối lượng, vận tốc và gia tốc của các khâu trong mô hình Trong khi đó tính toán theo mô hình toán học chỉ trên khía cạnh hình học không có sự tham gia của các yếu tố này
Nguyên nhân thứ hai là do cả Mô hình vật lý được xây dựng trên cơ sở là Phuong pháp số, sai số xảy ra là đặc tính của phương pháp này Tuy nhiên sai số đó là chấp nhận được
3.8.4 So sánh sai s ố c ủ a Mô hình v ậ t lý C ơ cấu đa liên kế t theo thông s ố t ố i ưu hóa và thông s ố th ự c trên xe EMC 2010
Hình 3-38: So sánh quan hệ góc trong và ngoài của Mô hình vật lý tối ưu, Xe
EMC 2010 và điều kiện Ackerman
Hình 3-39: Đồ thị biểu diễn sai khác của Mô hình vật lý tối ưu và Xe EMC 2010 so với điều kiện Ackerman
Khi so sánh giá trị của Mô hình vật lý và thông số thực của xe EMC 2010 hiện hữu với điều kiện Ackerman ta nhận thấy Cơ cấu hình thang lái xe EMC 2010 vẫn còn tồn tại sai số rất lớn Điều này trước tiên sẽ ảnh hưởng đến thành tích tiết kiệm nhiên liệu của xe vì xe đã tiêu tốn một khoản năng lượng vô ích tại hệ thống lái Thêm nữa sẽ ảnh hưởng đến độ bền của Cơ cấu hình thang lái, khối lượng và độ tin cậy của toàn hệ thống.
Thông số đề nghị cho thiết kế các thế hệ xe EMC tương lai
Bảng 3.7: Thông số hình học
STT Tên gọi Ký hiệu Đơn vị
01 Khoảng cách 2 đầu trụ đứng m 0,72
02 Chiều dài cơ sở của xe m 1, 8
03 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước m 0,8
04 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau m 1
05 Khoảng cách từ cầu trước đến mũi xe g m 0,4
06 Khối lượng tổng thể của xe m kg 120
07 Vận tốc quay vòng của xe m/s 9,72
08 Chiều cao hình thang trong Cơ cấu đa liên kết f m 0,07 09 Đáy lớn một cơ cấu trong Cơ cấu đa kiên kết d m 0,36 10 Góc nghiêng bên của 1 Cơ cấu hình thang deg 15
11 Góc hoạt động của bánh xe phía trong deg ±25
12 Góc hoạt động bên trái của Cơ cấu hình thang lái deg ±30
13 Sideslip coeficent trước và sau
Hình 3-40: Các thông số hình học của Cơ cấu đa liên kết tối ưu
KHẢO SÁT THÔNG SỐ THỰC NGHIỆM
Thông số trên xe EMC 2010
STT Tên gọi Ký hiệu Đơn vị
01 Khoảng cách 2 đầu trụ đứng m 0,59
02 Bề rộng cơ sở của xe w m 0,736
03 Chiều dài cơ sở của xe m 1,6 8
04 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước m 0,641
05 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau m 1,039
06 Khoảng cách từ cầu trước đến mũi xe g m 0,62
07 Khối lượng tổng thể của xe m kg 113
08 Vận tốc quay vòng của xe m/s 9,72
09 Hệ số lốp cầu trước và cầu sau , N/rad 9000
10 Chiều cao hình thang trong Cơ cấu đa liên kết f m 0,064
11 Đáy lớn một cơ cấu trong Cơ cấu đa kiên kết d m 0,295
12 Góc nghiêng bên của 1 Cơ cấu hình thang deg 12
13 Góc hoạt động của bánh xe phía trong deg ±25
14 Góc hoạt động bên trái của Cơ cấu hình thang lái deg ±30
Hình thang lái đa liên kết trên xe EMC 2010
Hình 4-1: Thông số hình học Cơ cấu hình thang lái đa liên kết xe EMC 2010.
Tính toán với số liệu Cơ cấu hình thang lái đa liên kết của xe EMC 2010
4.3.1 Độ ng h ọ c quay vòng c ủ a xe
Chọn khoảng hoạt động của = 25 là giá trị góc lái cực đại phía trong so với tâm quay vòng 0 Ta suy ra được giá trị góc quay của bánh xe bên ngoài là
Hình 4-2: Sơ đồ biểu diễn các góc quay bánh xe theo tâm vận tốc tức thời O
= 1,039 + 1,68 cot 23,31 = 4,0339 ( ) Bán kính quay vòng nhỏ nhất
Bán kính quay vòng lớn nhất Ta chọn giá trị khoảng cách từ trục trước đến mũi xe là g = 0,4 (m)
≈ 4,9107 ( ) Chúng ta có được không gian yêu cầu cho hành lang quay vòng là ∆
4.3.2 Độ ng l ự c h ọ c quay vòng c ủ a xe Để xác định được xe quay vòng thừa, quay vòng thiếu hay quay vòng đúng ta cần xác định hệ số ổn định K ( Stability factor )
Vậy xe EMC 2010 có tính chất quay vòng thiếu
4.3.3 T ối ưu hóa độ ng h ọc Cơ cấ u hình thang lái đa liên kế t
4.3.3.1 Động học lý tưởng theo điều kiện Akerman
Xe có thể quay vòng với bán kính nhỏ nhất là Rmin = 3,6028 (m) Từ bán kính quay vòng nhỏ nhất ta xác định góc lái cực đại (hay )
Khi xe quay vòng với bán kính nhỏ nhất thì tương ứng là:
= 1,68 cot (25,96 ) = 3,4496 ( ) Lúc này các góc trong và ngoài của hình thang lái sẽ có giá trị
Bởi vì cơ cấu có tính đối xứng, mỗi bánh xe của hệ thống lái cơ học có thể quay ít nhất là 26,45 Để an toàn, chúng ta nên chọn góc hoạt động của bánh quay phía trong tâm quay vòng từ - 30 0 đến 30 0
Theo biểu thức của điều kiện Ackerman cot − cot Với , là góc lái của bánh xe phía trong và phía ngoài Với mỗi một giá trị của ta sẽ tính được một giá trị của
Tập hợp các cặp giá trị [ , ] sẽ cho ta biểu đồ hiển thị quan hệ của hai thông số này theo điều kiện Ackerman
Hình 4-3: Biểu đồ liên hệ giữa hai góc lái theo điều kiện Ackerman trên xe
4.3.3.2 Tính giá trị góc lái trong và ngoài cho Cơ cấu đa liên kết
Với mỗi một giá trị góc bên trong , ta tính được 1 giá trị góc bên ngoài
= + (90 − ) Theo hình thang lái xe EMC 2010 đã có sẵn các độ dài của các khâu trong cơ cấu đa liên kết như hình 4-4
Hình 4-4: Độ dài các thanh trong Cơ cấu hình thang lái đa liên kết
4.3.3.3 Tính giá trị tối ưu của x dựa trên tối ưu động học
Sử dụng thuật toán Tối ưu hóa cho Cơ cấu hình thang lái đa liên kết như đã tính trong chương III, Với các thông số của xe EMC 2010 ta thu được kết quả
Hình 4-5: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của ẩn x và sai lệch e
Theo đồ thị này ta tìm được với = −0,0669 ( ) thì sai lệch 0,0028 Điều này có nghĩa là với giá trị = − 0,0669 ( ) thì sai lệch của Cơ cấu hình thang lái đa liên kết và điều kiện Ackerman là ít nhất, hay nói khác đi giá trị x đó là tối ưu cho Cơ cấu hình thang lái đa liên kết có các thông số như đã chọn
So với kết quả được sử dụng trên xe EMC cho khoảng x = 0,03 (m) thì có sự khác biệt khá lớn.
Đánh giá kết quả tính toán
Hình 4-6: Đồ thị tương quan của giá trị tối ưu và giá trị thực xe EMC so với điều kiện Ackerman
Dựa vào đồ thị trên hình 4-6 chúng ta nhận thấy xe EMC 2010 có một Cơ cấu hình thang lái đa liên kết chưa hoàn thiện, với giá trị = 0,03 ( ) Thì có một sai lệch khá lớn so với Ackerman condition mong muốn Với các thông số hình học trên xe EMC 2010 chúng ta tối ưu hóa và có được giá trị −0.0669 ( )
Hình 4-7: Sai khác DENTA của giá trị x thực tế trên xe EMC 2010 và giá trị tối ưu so với Ackerman
Hình 4-8: Phần trăm sai khác của giá trị x thực tế trên xe EMC 2010 và giá trị tối ưu so với Ackerman
Biểu đồ 4-8 cho thấy giá trị thực tế đang tồn tại trên xe EMC dẫn đến sự sai lệch khá lớn so với hoạt động mong muốn của một hình thang lái, ở đây là điều kiện Ackerman Kết quả này cho thấy một cách gián tiếp là trong quá trình hoạt động trên đường xe đã phải chi trả một lượng năng lượng không cần thiết khi quay vòng cho hệ thống lái Điều này làm giảm kết quả tổng thể về tiết kiệm nhiên liệu của xe EMC 2010
Với kết quả tính toán tối ưu, chúng ta nhận thấy sai khác này nhỏ hơn rất nhiều về giá trị cực đại và tại từng góc đánh lái Kết quả này nếu được áp dụng lên xe thì sẽ giúp nâng cao độ chính xác mong muốn của hệ thống lái và giảm tiêu hao năng lượng vô ích ở hệ thống này Tất nhiên chúng ta cũng sẽ cải thiện được mức tiêu hao nhiên liệu cho xe
Chương 5 K Ế T LU Ậ N VÀ KI Ế N NGH Ị Đề tài thực hiện tính toán mô phỏng tối ưu hóa động học cơ cấu hình thang lái đa liên kết là dạng Cơ cấu hình thang lái đã và đang được ứng dụng trong Thiết kế và Chế tạo hệ thống lái xe EMC, các thông số ban đầu trong tính toán mô phỏng được lấy từ xe EMC hiện hữu Dựa trên Cơ sở lý thuyết mô hình tính toán tối ưu động học của cơ cấu đa liên kết, tác giả xây dựng chương trình tính toán mô phỏng bằng việc ứng dụng Ngôn ngữ lập trình Matlab, các thông số đầu vào cũng được xem xét thay đổi trong giới hạn thực tế thiết kế xe EMC có thể xảy ra
Kết quả mô phỏng so sánh với điều kiện lý tưởng theo Ackerman, nhằm thiết lập cấu hình tối ưu với nhiều thông số biến đổi Dựa trên kích thước, hình dạng hình học của Cơ cấu lái đa liên kết, sẽ tham chiếu để thiết kế nên một Hệ thống lái tối ưu cho xe EMC.
Bên cạnh đó, một chương trình Tính toán, Thiết kế mô phỏng cũng đã được xây dựng hoàn thiện đáp ứng yêu cầu giúp xác định thông số tối ưu của một Cơ cấu lái đạng đa liên kết khi ta đã có các thông số hình học Tuy nhiên trong khuôn khổ thực hiện đề tài phạm vi chỉ thực hiện tối ưu hóa về mặt động học Chỉ xác định về kích thước và hình dáng hình học tối ưu cho một Cơ cấu hình thang lái đa liên kết Để phát triển tiếp tục trong tương lai gần thì mô hình cần hoàn thiện thêm về tính toán động lực học cũng như tính bền của các phần tử trong cơ cấu cũng cần được thiết lập, đi kèm là giải pháp về công nghệ chế tạo cho một Cơ cấu hình thang lái hoàn chỉnh
[1] Reza N Jazar Vehicle Dynamics: Theory and Applications Dept.of
Mechanical Engineering, Manhattan College, Riverdale, NY 10471 Chương 2, chương 7, chương 10
[2] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài Lý thuy ế t Ô tô Máy kéo NXB Khoa học và kỹ thuật 2008 Trang 241-247
[3] Nguyễn Ngọc Lâm Lý thuy ế t Ô tô NXB Giao thông vận tải Hà Nội 1984
[4] Shigekazu Tannaka, Osaka (JP); Kaoru Hoshide, Tokyo (JP); Takashi Ogata (JP) STEERING FOR DRIVE SIMULATOR AND DRIVE SIMULATOR Ngày cấp bằng sáng chế: Ngày 17 tháng 3 năm 2011
[5] Eduard Krivec, Zeltweg (AT); Thomas Gross, Zeltweg (AT); STEERING
ARANGEMENT FOR VEHICLES Ngày cấp bằng sáng chế: Ngày 5 tháng 8 năm 2010
[6] Toru Takenaka, Saitama (JP); Hiroshi Kono, Saitama (JP); Takayyuki Toyoshima, Saitama (JP); Hiroyuki Urabe, Saitama (JP); VEHICLE CONTROL DEVICE Ngày cấp bằng sáng chế: Ngày 22 tháng 1 năm 2009
[7] Hui Chen, Gunma (JP); Yushin Ma, Gunma (JP); INTEGRATED DESIGN
SYSTEM OF ELECTRIC POWER STEERING SYSTEM Ngày cấp bằng sáng chế: Ngày 29 tháng 12 năm 2005
[8] John-Oliver Derick, Hettstadt (DE) VEHICLE STEERING WHEEL
Ngày cấp bằng sáng chế: Ngày 19 tháng 6 năm 2003
[9] Arthur E.Bishop, Gladesville, Australia FOUR WHEEL STEERING SYSTEM Ngày cấp bằng sáng chế: Ngày 21 tháng 6 năm 1994
[10] Ken Ito; Naohiko Inoue, both of Yokohama, Japan STEERING ANGLE CONTROL SYSTEM FOR WHEELED VEHICLE Ngày cấp bằng sáng chế:
[11] Ken Ito; Naohiko Inoue, both of Yokohama; Taketosi Kawabe, Tokyo, all of Japan STEERING CONTROL SYSTEM FOR WHEELED VEHICEL
Ngày cấp bằng sáng chế: Ngày 14 tháng 7 năm 1987
[12] Trần Đức, Trần Quang Lâm, Trần tú Đồ án tốt nghiệp ĐHBK HCM, Khoa Kỹ thuật giao thông, Bộ môn Ô tô – Máy động lực Thiết kế kỹ thuật và công nghệ xe tiết kiệm nhiên liệu dung động cơ Wave RS 110 Honda Tháng 1 năm 2012.
