Nội dung đề tài bao gồm:Chương 1: Mở đầu và giới hạn đề tàiChương 2: Tính toán, xây dựng đường đặc tính ngoài động cơChương 3: Tính toán, xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo, đồ thị cân bằn
TÍNH TOÁN XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH NGOÀI ĐỘNG CƠ
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật Toyota Fortuner 2.7V 2011 Đơn vị
Số ghế 7 Động cơ Xăng, 4 xylanh thẳng hàng, DOHC, Dual VVT-i
Dung tích xylanh 2.7L Đường kính X Hành trình piston 95x95 (mm)
Vận tốc cực đại 160÷180 (km/h)
Công suất cực đại 118 kW tại 5200 v/p
Mô men xoắn cực đại 241 Nm tại 3800 v/p
Tỉ số truyền ih1=2.804, ih2=1.531, ih3=1, ih4= 0.753, iR=2.939
Bán kính quay vòng tối thiểu 5.7 m
Phanh trước Đĩa tản nhiệt
Phanh sau Phanh tang tống dẫn dầu với Super LSPV
Khối lượng toàn tải 2450 kg
Chiều dài tổng thể 4695 mm
Chiều rộng tổng thể 1840 mm
Chiều cao tổng thể 1795 mm
Chiều dài cơ sở 2750 mm
Khoảng cách 2 bánh xe 1540 mm
Khoảng sáng gầm tối thiểu 220 mm
Dung tích bình nhiên liệu 65 lít
Trọng lượng phân bố cầu trước 11050 N
Trọng lượng phân bố cầu sau 13450 N
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH NGOÀI ĐỘNG CƠ
Đường đặc tính ngoài là một trong những đường đặc tính quan trọng nhất của động cơ,dùng để đánh giá các chỉ tiêu công suất tối đa và hiệu suất nhiên liệu thấp nhất Đường đặc tính này cho phép đánh giá sức kéo của động cơ thông qua đặc tính mô men xoắn, vùng làm
XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA ĐỘNG CƠ
Ta tính toán và xây dựng được đường đặc tính ngoài nhờ công thức S.R.Lây Đécman.
Do xe có động cơ xăng không hạn chế số vòng quay, nên để giảm mài mòn � ���� thường không được vượt quá�� � từ 10% đến 20%
Số vòng quay tối thiểu để động cơ làm việc nemin= 800 (v/p)
Cho các chỉ số ne chạy từ 500 (v/p) ÷ 6000 (v/p) Và thế vào công thức S.R.Lây Đécman :
- Me, Pe, ne: Mô men xoắn, công suất hữu ích và số vòng quay của động cơ ứng với một điểm bất kỳ của đồ thị đặc tính ngoài.
- Pemax, neP: Công suất có ích cực đại và số vòng quay ứng với từng công suất.
- a, b, c: các hệ số thực nghiệm được chọn theo loại động cơ.
����� = 241 (Nm);���= 3800 (vòng/phút) Đối với cộng cơ xăng không hạn chế số vòng quay: a = b = c = 1.
Ta tiến hành nối các điểm giá trị� � vừa tìm được ứng với � � từ 500 ÷ 6000 (v/p) Ta thu được đường đặc tính mô men của động cơ.
Bảng 2.2: Bảng giá trị công suất và mô men của động cơ theo số vòng quay trục khuỷu n e (v/p) P e (kW) M e (Nm)
Có các giá trị Pe, Metương ứng với ne ta có thể vẽ đồ thị Pe=f(ne) và Me=f’(ne)
Hình 2.1:Đường đặc tính ngoài động cơ
- Xét đồ thị trên thấy được, công suất động cơ đạt cực đại có giá trị����� = 118 (kW) tại số vòng quay���= 5200 (vòng/phút) Khi netăng từ 800→5200 (v/p) thì công suất động cơ cũng tăng đến cực đại Nếu nevẫn tiếp tục tăng và vượt qua nepthì Pesẽ giảm dần.
- Mô men xoắn cực đại�����= 270.6 (Nm) tại số vòng quay � e � = 2800 (vòng/phút) và mômen tương ứng với công suất cực đại ��� = 216,7365 (Nm) Ta thấy mô men xoắn Me tăng và đạt cực đị khi ne đạt 2800 (v/p) Và sau đó giảm dần khi số vòng quay ne tiếp tục tăng Việc đường mô men xoắn Me không trùng với thông số nhà sản xuất là dô sai số từ công thức S.R.Lây Đécman.
- Việc Memaxkhông trùng với thông số từ nhà sản xuất trong quá trình tính toán là hướng
Pemax8 kW có lợi bởi vì Fkmaxsẽ phụ thuộc vào Memax Nếu Međạt cực đại sớm thì Fkcũng sẽ đạt cực đại sớm
- Từ đồ thị ta tính được hệ số thích ứng của mô men xoắn�� = � � ����
Hệ số Km tính toán phù hợp với Km lý thuyết Km là hệ số đánh giá khả năng vượt chướng ngại vật cũng như tăng tốc của xe Kmcàng lớn thì đường cong Mecàng uốn. Đối với động cơ xăng: Km= 1,25 ÷ 1,35
TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÂN BẰNG LỰC KÉO, ĐỒ THỊ CÂN BẰNG CÔNG SUẤT VÀ ĐỒ THỊ ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC
CÁC LỰC TÁC ĐỘNG LÊN XE KHI CHUYỂN ĐỘNG TỔNG QUÁT
Trước khi tính toán động lực học, ta sẽ vẽ sơ đồ chuyển động tổng quát cho ô tô (trường hợp lên dốc, không kéo rơ móc) Sơ đồ này nhằm mục đích thể hiện và phân tích các lực, mô men tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động tổng quát
Hình 3.1: Các lực tác dụng lên ô tô trong chuyển động tổng quát
ĐỒ THỊ CÂN BẰNG LỰC KÉO
Xét trường hợp tổng quát, ta có:
Thay các giá trị vào trường hợp tổng quát, ta có:
3.2.1 Tính toán lực kéo tiếp tuyếnFk [N]
Xácđịnh lực kéo tiếp tuyến theo công thức sauđây:
3.2.2 Tính toán vận tốc ở các cấp số vn= πn 30i e r b t (3.4)
Bán kính thiết kế bánh xe:� 0 = ℎ + � 2 = 265.65% + 16.25,4 2 = 388,7 (��) Bán kính tính toán bánh xe:� � = � � 0 = 365,378 (��)
Bảng 3.1: Bảng giá trị vận tốc v và lực kéo�� ở các cấp số
Lực cản lăn là ngoại lực tác dụng lên bánh xe khi nó chuyển động và được xác định theo công thức:
Ff = (Z1+Z2).f = f.Gcos� (3.6) Khi xe chuyển động trên đường ngang thì� = 0→ cos� = 1
Bảng 3.2: Giá trị hệ số cản lăn f ở các loại đường
Bảng 3.3: Bảng giá trị lực cản lăn Ff v1(m/s) Ff1(N) v2(m/s) Ff2(N) v3(m/s) Ff3(N) v4(m/s) Ff4(N)
Loại đường Hệ số cản lăn f ứng với v ≤ 22,2 m/s
(80 km/h) Đường nhựa tốt Đường nhựa bê tông Đường rải đá Đường đất khô Đường đất sau mưa Đường cát Đất sau khi cày
Lực cản lên dốc Fi được tính bằng công thức:
Khi xe lên dốc thì Fi trở thành lực cản sẽ có dấu (+), còn khi xuống dốc thì Fi trở thành lực đẩy sẽ có dấu (-)
3.2.5 Tính toán lực cản không khíF ω [N]
Lực cản không khí được tính theo công thức sau:
S: Tiết diện cản không khí
Bảng 3.4: Hệ số Cx và S
Ta chọn thông số tương ứng:
Bảng 3.5: Bảng giá trị lực cản không khí Fω v1
- Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng lên cầu sau mk2= 1,2 (1,2 ÷ 1,4)
- Hệ số bám dọc giữa lốp và mặt đường φ = 0,8 (0,7 ÷ 0,8) Chọn φ = 0,8 đối với mặt đường tốt
Ta sẽ xét theo trường hợp xe chuyển động đều (j=0) trên đường nằm ngang, không dốc (α = 0) và không kéo theo rơ móc thì các giá trị cân bằng lực kéo
Bảng 3.6: Bảng giá trị số liệu lực kéo tổng cộng v1
Từ bảng số liệu trên ta sẽ xây dựng được đồ thị cân bằng lực kéo của ô tô:
Hình 3.2: Đồ thị cân bằng lực kéo theo từng tay số
- Fk4và (Ff + Fω) cắt nhau tại K, chiếu K xuống trục v ta được vmax = 57,979 (m/s) 208,7244 (km/h) ứng với điệu kiện chuyển động đã cho Ta thấy vmax= 180 (km/h) của thông số kỹ thuật có sai số so với vmaxtừ đồ thị, nguyên nhân là do đồ thị cân bằng lực kéo được vẽ dựa trên thông số có được từ công thức S.R.Lây Đécman nên sẽ có sai số vì đây là công thức gần đúng.
- Phần tung độ giữa Fkvà (Ff+ Fω) ở bên trái điểm K gọi là lực kéo dư của xe Fd.
- Fddùng để: leo dốc, tăng tốc, kéo rơ móc
- Đường biểu thị lực bám Fφ là đường thẳng song song với với trục v Vùng an toàn xe không bị trượt quay khi Fk ≤ Fφ, nếu Fk > Fφ thì xảy ra hiện tượng trượt quay ở các bánh xe chủ động.
- Điều kiện tiên quyết để ô tô chuyển động là: Fφ≥ Fk ≥ (Ff+ Fω) và tỷ số truyền trong hệ thống truyền lực vừa bị giới hạn bởi điều kiện bám �����= F Nên lực kéo tiếp tuyến chỉ phát huy ở vùng Fk ≤ Fφ.
TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÂN BẰNG CÔNG SUẤT
3.3.1 Phương trình cân bằng công suất
Công suất được tạo ra bởi động cơ đã bị hao phí một phần do ma sát sinh ra trong hệ thống truyền lực, phần khác là được dùng để thắng các lực cản trong quá trình chuyển động. Phương trình cân bằng công suất là sự cân bằng giữa công suất được tạo ra bởi động cơ và công suất cản trong quá trình chuyển động của ô tô:
Pe= Pt± Pi+ Pω ± Pj+ Pm (3.12)
Nếu chỉ tính toán ở bánh xe chủ động thì phương trình cân bằng lúc này sẽ là:
Pk= Pe– Pt = Pf ± Pi+ Pω± Pj+ Pm (3.13) Với Pklà công suất truyền tới bánh xe chủ động:
=> Pt= Pe.(1 – η) Tổng hợp công suất hao phí do lực cản của mặt đườngP ψ :
3.3.2 Tính toán các thông số dùng để xây dựng đồ thị cân bằng công suất
Tính toán các thông số dùng để vẽ cho trường hợp: hộp số có bốn cấp số truyền, xe chuyển động ổn định: j = 0 trên đường nằm ngang, α = 0 và không kéo rơ móc:
3.3.2.1 Công suất P k và công suất P e ở từng tay số
Bảng 3.7: Bảng giá trị của Pk (kW) và Pe (kW) v1
3.3.2.2 Công suất tiêu hao do lực cản không khí
Bảng 3.8: Bảng giá trị Pω(kW) v1
3.3.2.3 Công suất tiêu hao do lực cản lăn
Pf = G.f.cosα.v = Ff.v (3.18) Bảng 3.9: Bảng giá trị Pf v 1
3.3.2.4 Công suất lực cản tổng cộng
3.3.3 Đồ thị cân bằng công suất
Từ các thông số đã tính ở trên, ta xây dựng được đồ thị cân bằng công suất theo từng tay số:
Hình 3.3: Đồ thị cân bằng công suất theo từng tay số
Phần tung độ nằm giữa đường (P ψ ) và đường Pklà công suất dự trữ, hay còn gọi là công suất dư Pdđược dùng: tăng tốc, leo dốc, kéo rơ móc,…
Tại I: Pd= 0, xe không thể leo dốc, tăng tốc… chiếu điểm I xuống trục v ta được vmax 57,979 (m/s) = 208,7244 (km/h).
Ta thấy vmax= 180 (km/h) của thông số kỹ thuật có sai số so với vmax từ đồ thị, nguyên nhân là do đồ thị cân bằng công suất được vẽ dựa trên thông số có được từ công thức S.R.Lây Đécman nên sẽ có sai số vì đây là công thức gần đúng.
Nếu muốn ô tô chuyển động ổn định trên một quăng đường bất kỳ với vận tốc v nhỏ hơn vmaxthì cần giảm độ mở cánh bướm ga, hay ta có thể về trả tay số thấp hơn.
Lưu ý: Vận tốc lớn nhất chỉ đạt được khi xe chuyển động ổn định trên đường nằm ngang,đồng thời cánh bướm ga phải mở hết và ở tay số cao nhất
XÂY DỰNG ĐỒ THỊ ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE
3.4.1 Giới thiệu đặc tính động lực học Đặc tính động lực học là tỷ lệ giữa lực kéo tiếp tuyến trừ đi lực cản không khí (Fk– F ω ) và trọng lượng toàn bộ G của ô tô Ta có công thức tính đặc tính động lực học D:
D= F k -F G ω = M r e i t η b - v 2 1 G (3.15) Đặc tính động lực học D chỉ phụ thuộc vào các thông số kết cấu của xe nên nó có thể xác định cho mỗi xe cụ thể.
Dựa trên phương trình cân bằng lực kéo không kéo rơ móc:
Ta chuyển vế Wv 2 và chia hai vế cho G:
3.4.2 Tính toán các thông số để xây dựng đồ thị động lực học:
Giá trị của D bị giới hạn dựa trên điều kiện bám Fφ ≥ Fkmax hay mi Gb.φ ≥ Fkmax Vì thế nên chúng ta đưa thêm đặc tính động lực học dựa trên điều kiện bám Dφ:
D φ = F φ G - F ω = m i G b G φ - v 2 (3.17) Để xe chuyển động ổn định (không trượt quay): Dφ ≥ D. Để xe chuyển động được thì điều kiện cần và đủ là: Dφ≥ D ≥ f Để tính D ta dùng công thức (3.15)
Bảng 3.11: Bảng giá trị động lực học D v1
3.4.3 Đồ thị đặc tính động lực học
Từ thông số tính toán ở trên ta xây dựng được đồ thị đặc tính động lực học:
Hình 3.4: Đồ thị đặc tính động lực học
3.4.4 Xác định vận tốc lớn nhất của ô tô:
Khi ô tô chuyển động ổn định: j = 0, trên đường nằm ngang, không kéo rơ móc thì đường đặc tính động lực học D4và f giao nhau Ta chiếu xuống trục v thì xác định được vmax của ô tô: vmax= 57,979 (m/s) = 208,772 (km/h). Đường màu đen là đường đặc tính động lực học giới hạn theo điều kiện bám D φ Để xe di chuyển được thìf ≤ D ≤ Dφ.
3.4.5 Xác định độ dốc lớn nhất mà xe vượt qua được: Để xác định được độ dốc lớn nhất trong khi xe chạy chuyển động đều (j = 0) ta có D = ѱ, dựa vào hệ số cản lăn f có thể xác định được độ dốc lớn nhất ứng với các loại đường khác nhau: i = D – f = ѱ – f (3.18) Độ dốc lớn nhất khi ô tô hoạt động ở chế độ toàn tải: imax = Dmax – f (3.19)
Bảng 3.13: Bảng giá trị góc dốc theo từng tay số đạt được
Tay số Dmax imax Góc dốc�( o )
3.4.6 Xác định gia tốc của ô tô:
Dựa vào hình 3.4 có thể:
Suy ra: j = dv dt = D - ψ g δ i Trong đó:
- δi: hệ số ảnh hưởng của khối lượng quay của từng tỷ số truyền (δi = 1,05
-Ψ: Hệ số cản tổng cộng của mặt đườngΨ= f ± i
Xét trong trường hợp xe chuyển động trên đường bằng thì i = 0 khi đóΨ = f = 0,012 Thay thế lần lượt ihvào công thức phía trên ta được giá trị δi
Bảng 3.14: Bảng giá trị δi theo từng tay số. ih ih1 ih2 ih3 ih4
Hình 3.5: Đồ thị gia tốc
TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ AN TOÀN
TÍNH ỔN ĐỊNH DỌC CỦA
4.1.1 Tính ổn định dọc tĩnh
4.1.1.1 Tính toán tọa độ trọng tâm của xe
Xét trường hợp xe đứng yên trên đường ngang và không kéo theo rơ
Hình 4.1: Các lực tác dụng lên ô tô khi đứng yên trên đường ngang
Xác định hai phản lực thẳng đứng � 1� và � 2� này bằng cách lấy mô men tại các điểm
���1 = 0 ⇔ � � − �2� � = 0 (4.1) Với L = 2,75(m) là chiểu dài cơ sở của ô tô được cho trước ở bảng 2.1.
Tương tự mô men tại điểm� 2 :
4.1.1.2 Tính toán theo điều kiện lật a Trường hợp ô tô đậu trên dốc hướng lên
Hình 4.2: Lực và mô men tác dụng lên ô tô đậu trên dốc hướng lên
Ta lập phương trình mô men đối với điểm�2
-� � : là góc giới hạn mà xe bị lật đổ khi đứng yên quay đầu lên dốc b Xe đậu trên dốc hướng xuống
Hình 4.3: Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên ô tô khi đứng yên quay đầu xuống dốc.
Xét mô men đối với điểm� 1 ta có:
-� � ' : là góc giới hạn mà xe bị lật đổ khi đứng yên quay đầu xuống dốc
Chú ý: Không xét đến mô men cản lăn nhằm tăng tính ổn định của ô tô.
Nhận xét: Qua các biểu thức tính toán trên, ta có thể thấy góc giới hạn lật đổ tĩnh chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe.
4.1.1.3 Tính toán theo điều kiện trượt a Ô tô đậu trên dốc hướng lên
Hiện tượng trượt trên dốc do lực bám không tốt giữa các bánh xe và mặt đường.
Với một chiếc xe có hệ thống dẫn động 4WD thì sẽ dễ dàng vượt qua được những địa trên những địa hình phức tạp để xem xét xem liệu xe có thể di chuyển an toàn trong trường hợp này hay không.
Ta xét trường hợp chỉ cầu sau chủ động Đối với Toyota Fortuner 2.7V thì phanh tay là phanh hệ thống truyền lực nên khi này cầu sau là cầu chủ động nên khi dùng phanh tay chỉ cầu sau được phanh Khi lực phanh lớn nhất đạt giới hạn bám, xe có thể bị trượt xuống dốc, góc dốc của xe bị trượt được xác định như sau:
�����: Lực phanh lớn nhất đặt ở các bánh xe sau
Khi�tăng tới góc� �� (góc dốc giới hạn mà ô tô bắt đầu bị trượt khi đứng quay đầu trên dốc), lúc đó lực phanh đạt tới giới hạn bám)
Thay�2vào công thức (4.5), ta được:
� �� : góc giới hạn bị trượt khi ô tô đứng yên trên dốc quay đầu lên b Ô tô đậu trên dốc hướng xuống
Khi ô tô đứng trên dốc quay đầu xuống, làm tương tự ta được:
-� �� ' : góc giới hạn bị trượt khi xe đứng yên trên dốc quay đầu xuống.
Từ công thức (4.7) và (4.8) ta sẽ lập được bảng góc giới hạn trượt khi xe đứng yên trên dốc tại các loại đường
Bảng 4.1: Bảng góc giới hạn trượt khi xe đứng yên trên dốc với các loại đường khác nhau
Loại đường Hệ số bám � y � ��
Nhựa bê tông ướt 0,55 19,721 14,608 Đất khô 0,7 25,678 17,734 Đất ướt 0,5 17,765 13,491
Cát ướt 0,6 21,683 15,686 Để đảm bảo an toàn khi ô tô đứng yên trên dốc thì hiện tượng trượt phải xảy ra trước khi lật đổ, được xác định bằng các biểu thức: tg� �� < tg� � ⇔ � �� 0 o và vận tốcv ≠ const, gia tốc j ≠ 0.
Hình 5.5: Sơ đồ động lực học quay vòng của xe có hai bánh dẫn hướng phía trước Để ô tô quay vòng ổn định và không bị lệch khỏi quỹ đạo thì tổng hợp lực trên trục Tx bằng 0, tổng hợp lực trên trục Ty bằng 0 và tổng mô men xung quanh trục thẳng đứng Tz cũng bằng 0.
Lực quán tính ly tâm là lực ảnh hướng nhiều nhất đến ô tô khi xoay vòng Nó được tính bằng công thức:
Trong trường hợp ô tô chuyển động đều (dv/dt = 0) theo một quỹ đạo đường tròn thì góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sẽ không đổi α = const (dα/dt = 0).
Trường hợp ô tô quay vòng với vận tốc v = 5 m/s và bán kính quay vòng Rmin = 5.7 m:
Từ các dữ kiện trên ta lập được bảng lực quán tính ly tâm theo dải vận tốc từ 5km/h đến
Bảng 5.2: Bảng giá trị của Fjlx, Fjly, Fjl ứng với từng vân tốc quay vòng giới hạn khác nhau.
Hình 5.6: Đồ thị thể hiện lực quán tính theo tốc độ quay vòng
- Những nhân tố ảnh hướng đến lực quán tính ly tâm Fjl là: khối lượng xe, bánh kính quay vòng và vận tốc xe Nhân tố ảnh hưởng nhiều nhất là vận tốc vì Filtỷ lệ thuận với bình phương vận tốcđể giảm lực quán tính ly tâm khi quay vòng ta cần giảm vận tốc hoặc cũng có thể giảm khối lượng hoặc tăng bán kính quay vòng
- Trong 2 thành phần của lực quán tính ly tâm thì Filylà nguyên nhân dẫn đến hiện tượng lật ngang của xe Vì thế chúng ta cần giảm Fjlyđể tránh hiện tượng lật ngang bắng cách giảm vận tốc, tăng bán kính quay vòng hoặc giảm khối lượng xe.
KHẢO SÁT XE QUAY VÒNG TRÊN CÁC LOẠI ĐƯỜNG KHÁC NHAU: 55 1 Trường hợp xe quay vòng trên đường nhựa bê tông khô
5.2.1 Trường hợp xe quay vòng trên đường nhựa bê tông khô (chọn�� =0,9)
Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu trước theo phương ngang:
Fjly1= Yb1’’.cos(α1) + Yb1’.cos(α2) (5.16)
Vì góc α1và α2khi quay vòng khá nhỏ nên α1=α2≈0
Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu sau theo phương ngang:
Fjly2= 0,9.13450 = 12105 (N) Để xe quay vòng không bị trượt ngang thì:
Fjly< Yb1’ + Yb1” + Yb2’ + Yb2” = φy.Z (5.18)
Fjl → Fjl = F jly cosβ 22050 cos (12 o 16 ' ) = 22565.17779 Gia tốc trọng tâm T của xe hướng theo chiều trục ngang: j y = F m jly = 22050 2450 = 9(m/s 2 ) Theo hình 5.5, ta có: sinβ = F jlx
Fjl → Fjlx = sinβ Fjl = sin 12 o 16 ' 22565.17779 = 4800.4179 N Gia tốc trọng tâm T của xe hướng theo chiều trục dọc:
� � = � � ��� = 4800.4179 2450 = 1,9594(m/s 2 ) Vận tốc cực đại vmaxcủa xe khi đi vào đường vòng trên đường nhựa bê tông khô:
Fjly = G.v g.R max 2 min ⇒ vmax = F jly g.R � min = 22050.10.5,7
Vậy vận nguy hiểm của xe khi đi quay vòng trên đường nhựa bê tông khô: vmax= 7,1624 (m/s) = 25,7846 (km/h)
5.2.2 Trường hợp xe quay vòng trên đường nhựa bê tông ướt(chọn�� =0,55)
Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu trước theo phương ngang:
Fjly1 = Yb1′′.cos(α1) + Yb1′.cos(α2)
Vì góc α1và α2khi quay vòng khá nhỏ nên α1= α2≈ 0 cos(α1) = cos(α2) = 1
- φy: Hệ số bám ngang (chọn 0,55)
- G1: Trọng lượng phân bố của xe lên cầu trước (N)
Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu sau theo phương ngang:
- G2: Trọng lượng phân bố của xe lên cầu sau (N) Để xe quay vòng không bị trượt ngang thì cần thỏa mãn điều kiện:
Fjly< Yb1’ + Yb1” + Yb2’ + Yb2” = φy.Z (5.20)
F jl → F jl = F jly cosβ 13475 cos (12 o 16 ' )= 13789.83087 (N)Gia tốc trọng tâm T của xe hướng theo chiều trục ngang:
Từ hình 5.5, ta có: sinβ = Fjlx
F jl → F jlx = sinβ F jl = sin 12 o 16 ' 13749,83087 = 2929.814 N Gia tốc trọng tâm T của xe hướng theo chiều trục dọc:
Vận tốc cực đại vmaxcủa xe khi đi vào đường vòng trên đường nhựa bê tông khô:
F jly = G.v g.R max 2 min ⇒ v max = F jly g.R � min = 13475.10.5,7
Vậy vận nguy hiểm của xe khi đi quay vòng trên đường nhựa bê tông khô: vmax = 5,6 (m/s) = 20,1567 (km/h).
Tương tự cách tính toán loại đường nhựa bê tông ta có thể tính được vận tốc nguy hiểm vmaxcủa xe khi vào đường vòng trên các loại đường khác nhau ứng với từng hệ số φy khác nhau
Như vậy: Để xe chuyển động quay vòng ổn định ứng với các loại đường khác nhau thì tài xế chỉ chạy được với tốc độ tối đa cho phép vmax(km/h) < vNH (vận tốc nguy hiểm), để đảm bảo an toàn cho xe không bị trượt ngang Tương ứng với các loại đường ta tính được vận tốc nguy hiểm vNH (km/h) khi xe quay vòng như sau:
Bảng 5.3: Bảng giá trị vận tốc nguy hiểm khi xe trượt ngang trên từng loại đường
Loại đường Hệ số bám� y vmax(km/h)
Nhựa bê tông ướt 0,55 20,1567 Đất khô 0,7 22,7399 Đất ướt 0,5 19,2187
CHƯƠNG 6 : MÔ PHỎNG VÀ NGHIÊN CỨU SỰ QUAY VÒNG CỦA Ô
TÔ TRONG PHẦN MỀM CARSIMMục đích: Mô phỏng, nghiên cứu sự quay vòng của xe khi di chuyển trên đường có bán kính quay vòng khác nhau Từ đó đưa ra những dải vận tốc di chuyển an toàn cho xe trên đường dốc và đường trường.
GIỚI THIỆU CARSIM
Hình 6.1: Logo phần mềm Carsim
Phần mềm Carsim là phần mềm giúp mô phỏng dự đoán các chuyển động của xe, bao gòm hơn 23 loại và có những loại xe chuyên dụng khác Carsim cùng với Trucksim hay Bikesim hiện được được sư dụng bởi hơn 30 nhà sản xuất, 150 trường học và nhiều nhóm nghiên cứu trên toàn cầu.
Phần mềm giúp mô phỏng và dự đoán chuyển động của xe, hỗ trợ giải quyết các nhu cầu điều khiển mô phỏng các điều kiện lái thực tế, cho ra những thông số thực tế của các hệ
Phần mềm cũng cung cấp các hình ảnh cũng như hơn 800 phương trình và đồ thị phân tích Carsim cũng có thể xuất dữ liệu theo nhiều dạng như file Matlab, Excel và nhiều định dạng khác Các đồ thị và mô phỏng này là công cụ phân tích linh hoạt, dễ dàng chèn vào các báo cáo và bài thuyết trình PowerPoint.
6.1.1 Một số chức năng trên màn hình làm việc:
Giao diện làm việc của phần mềm Carsim như hình 6.2, bằng cách lựa chọn trực tiếp vào các chế độ mô phỏng của phần mềm có thể dễ dàng thao tác và làm quen nhanh chóng
Hình 6.2: Màn hình làm việc của phần mềm Carsim
6.1.2 Bảng cài đặt thông số mô phỏng xe:
Các thông số thiết lập cho mô hình xe trong Carsim có thể được thiết lập trong hình 6.3.Trong dữ liệu của phần mềm đã có sẵn thông số của các dòng xe cơ bản và ở đây nhóm chúng em đã thay đổi các thông số cơ bản từ dòng SUV trên Carsim cho phù hợp với các thông số thực nghiệm của Toyota Fortuner 2.7AT để mô phỏng trong phần mềm.
Hình 6.3: Bảng thông số mô phỏng xe
Hình 6.4: Bảng thông số mô phỏng hệ thống treo
Hình 6.5: Bảng thông số mô phỏng hệ thống phanh
Hình 6.6: Bảng thông số mô phỏng hệ thống lái
Hình 6.7: Bảng thông số mô phỏng hệ thống truyền lực
6.1.3 Bảng cài đặt thông số điều kiện mô phỏng:
Với bảng thiết lập các thông số mô phỏng có thể thiết lập được hầu hết các điều kiện cần để có thể đưa ra được một mô phỏng gần giống với điều kiện thực tế nhất Ở đây, thiết lập các thông số như điều khiển xe và các thông số đường chạy của xe.
Hình 6.8 Bảng thiết lập thông số cho mô hình mô phỏng Điều khiển vận tốc của xe:
Có thể điều khiển vận tốc của xe theo 5 cách khác nhau như trong hình 6.9.
- Điều khiển bằng cách lựa chọn vận tốc ban đầu và độ mở bướm ga
- Điều khiển bằng độ mở bướm ga
- Điều khiển với vận tốc cố định
- Điều khiển vận tốc ứng với thời gian chạy
- Điều khiển vận tốc ứng với từng mốc trên đường chạy
Hình 6.9: Lựa chọn các kiểu điều khiển vận tốc cho xe
Hình 6.10: Thiết lập thông số vận tốc cho xe theo thời gian
Hình 6.11: Thiết lập thông số vận tốc cho xe theo từng mốc quãng đường
MÔ PHỎNG CÁC TRẠNG THÁI QUAY VÒNG CỦA XE BẰNG PHẦN MỀM CARSIM
6.2.1 Sử dụng phần mềm Carsim để mô phỏng trạng thái quay vòng của xe: Để thiết lập mô phỏng các trạng thái của xe, cần thiếp lập cho xe chạy trên một đoạn đường với các thông số về vận tốc của xe, hệ số bám,… Để có thể thấy được những ảnh hưởng của vận tốc khi quay vòng xe ở các điều kiện quay vòng khác nhau, sẽ xem xét quá trình chạy mô phỏng và các đồ thị. Đường chạy của xe mô phỏng được thiết lập có độ dài 2300 m, được thiết lập các thông số để mô phỏng đường chạy ngoài thực tế ví dụ như hệ số bám ta chọn 0,85 (đường nhựa, bê tông khô) theo TCVN 7559 : 2005 ISO 8855 : 1991 Đường chạy này sẽ gồm nhiều góc cua với bán kính quay vòng khác nhau và độ dốc khác nhau mô phỏng như hình đường đèo tạiViệt Nam như hình 6.12.
Hình 6.12: Thông số đường chạy mô phỏng trong Carsim
Lựa chọn các thông số hệ số bám cho đường có thể lập bảng vận tốc giới hạn trượt xe ứng với bán kính quay vòng dựa theo công thức (4.35).
Hình 6.13: Xác định bán kính quay vòng trên đường chạy
Có thể tính được vận tốc giới hạn khi ô tô bị trượt bên ứng với từng bán kính quay vòng
Bảng 6.1: Bảng giá trị vận tốc giới hạn lý thuyết khi ô tô trượt bên tương ứng với hệ số bám
11 64,08 84,018 Đồng thời có thể xác định vận tốc nguy hiểm của xe khi quay vòng trên đường mô phỏng bằng cách xây dựng thêm một đường chạy thư hình tròn với bán kính ứng với 11 khúc cua của đường chạy mô phỏng chính Và cho xe chạy với vận tốc tăng dần đều có thể xác định được vận tốc nguy hiểm khi xe quay vòng ứng với từng bán kính quay vòng khác nhau.
Hình 6.14: Thông số đường chạy với từng bán kính quay vòng trong Carsim
Ta sẽ chạy mô phỏng với 11 bán kinh quay vòng của đường chạy mô phỏng, điều chỉnh giá trị vận tốc phù hợp để xe có thể di chuyển an toàn cũng như ổn định.
Hình 6.15: Quá trình mô phỏng xác định vận tốc nguy hiểm của xe với bán kính quay vòng khác nhau
Sau khi chạy mô phỏng ta có được bảng các giá trị vận tốc sau đây:
Bảng 6.2: Bảng giá trị vận tốc nguy hiểm khi ô tô trượt ngang lớn hơn 0,3 so với quỹ đạo chuyển động
Như vậy khi so sánh giữa bảng 6.1 và bảng 6.2, ta có thể thấy ở những bán kính quay vòng thấp (khúc cua 3 và 9) vận tốc nguy hiểm khi ô tô trượt ngang lớn hơn 0,3m và vận tốc giới hạn trượt lý thuyết chênh lệch nhau không đáng kể Những giá trị còn lại thì có sự chênh lệch khá nhiều do nhiều yếu tố ngoại lực tác động, kể cả kết cấu, trọng lượng xe cũng là một trong những nguyên nhân làm tốc độ giới hạn trượt nhỏ đi rất nhiều. Ở bảng 6.2, các bán kính quay vòng càng lớn thì vận tốc cũng càng lớn nhưng ta thấy được khi bán kính quay vòng từ 50m trở lên thì dường như vận tốc nguy hiểm trượt ngang lớn hơn 0,3m tại những trường hợp đấy không chênh lệch nhau quá nhiều và nhỏ hơn so với giới hạn trượt lý thuyết rất nhiều Điều này sẽ khiến cho Toyota Fortuner sẽ dễ gặp tai nạn khi chạy tốc độ cao trên những bán kính quay vòng lớn.
Tiếp theo ta sẽ lựa chọn thông số vận tốc để mô phỏng nằm trong khoảng lân cận vận tốc giới hạn tại góc cua đặc trưng để xác định những yếu tố ảnh hưởng tới xe khi quay vòng. Dựa vào bảng 6.2 dễ thấy góc cua đặc trưng nhất tại đường thư có bán kính nhỏ nhất là 30,56 m, ứng với vận tốc nguy hiểm trượt ngang hơn 0,3m là 51,89 km/h Vì vậy lựa chọn vận tốc mô phỏng nằm trong khoảng lân cận giá trị 51 km/h để nghiên cứu liệu xe có chuyển động ổn định với một vận tốc cố định mà không bị trượt ngang hay không?
Các thiết kế khác nhau về thông số hình học có ảnh hưởng rất lớn đối với đặc tính quay vòng của xe Và ta sẽ mô phỏng xe theo các thông số được cho ở bảng 2.1.
Thiết lập các thông số chính và các thông số hình học cho xe như hình 6.16 và hình 6.17.
Hình 6.16: Thông số cơ bản của xe
Hình 6.17: Thông số hình học của xe
6.2.2.1 Mô phỏng với vận tốc cố định 51 km/h trên đường chạy mô phỏng:
Quá trình mô phỏng với xe cho những kết quả sau: Đầu tiên thiết lập vận tốc chạy cho xe là hằng số bằng 51 km/h.
Hình 6.18: Chạy mô phỏng tại khúc cua thứ 3
Theo hình 6.18 ta đầu tiên thiết lập vận tốc chạy cho xe là hằng số bằng 58 km/h.
Theo hình 6.19 ta thấy được vận tốc của xe ở trong mô phỏng (đường màu xanh) có sai lệch với vận tốc điều khiển Ở những nơi sai lệch đó là do đường lên dốc và xuống dốc hoặc xe bị trượt thì khi đó vận tốc dài của xe sẽ thay đổi so với thông số điều khiển.
Hình 6.20: Quỹ đạo chuyển động của xe so với quỹ đạo điều khiển
Dựa theo hình 6.20 có thể thấy được địa điểm xe chạy vượt ra khỏi quỹ đạo Ta thấy được rằng với vận tốc không đổi 51 km/h thì khi xe quay vòng tại khúc cua đặc trưng số 3 xe vẫn có hiện tượng lệch khỏi quỹ đạo Và ngoài ra khi di chuyển với vận tốc này thì tại khúc cua thứ 7 cũng xảy ra hiện tượng lệch tương quỹ đạo tương đối.
Hình 6.21: Khoảng cách dịch chuyển theo phương ngang của xe khỏi quỹ đạo Ở hình 6.21 ta có được khoảng cách dịch chuyển theo phương ngang, từ đó ta thấy rằng ở khoảng cách từ 500m – 600m và khoảng cách 1400m – 1550m từ khi xuất phát là địa điểm có độ dịch ngang lớn nhất với độ dịch theo chiều xe chạy lên tới hơn mức cho phép (>0,3m). Kết luận: xe đi với vận tốc nguy hiểm nhỏ nhất tại bảng 6.2 là 51 km/h nhưng vẫn xảy ra hiện tượng xe bị lệch khỏi quỹ đạo chuyển động gây nguy hiểm cho những xe lưu thông ngược chiều và cả người lái Ta thấy rằng không chỉ mỗi yếu tố vận tốc mà còn rất nhiều yếu tố như các lực tác động theo nhiều hướng tới xe, khí động học, khí tĩnh,…khiến xe di chuyển không như mong muốn giống như nhà sản xuất đưa ra.
Hình 6.22: Độ lớn lực ngang tác động lên bánh xe
Hình 6.23: Độ lớn lực dọc tác động lên bánh xe
Hình 6.24: Độ lớn lực theo phương thẳng đứng tác động lên bánh xe
Các lực theo các phương tác động lên bánh xe được biểu diễn ở hình 6.22, hình 6.23 và hình 6.24 ta thấy được khi tổng hợp 2 lực tác động lên các bánh xe lớn hơn lực bám của bánh xe thì xe bắt đầu xảy ra hiện tượng trượt.
Hình 6.25: Lực tác động của không khí lên xe theo các phương
Lực tác động của không khí tĩnh lên xe theo phương dọc và phương thẳng đứng của xe tuyến tính với vận tốc của xe, còn lực tác động lên phương ngang thì ảnh hưởng bởi cả vận tốc và góc quay vòng của ô tô.
Hình 6.26: Mô men khí động học tác dụng lên xe
6.2.2.2 Mô phỏng với vận tốc phù hợp để di chuyển an toàn trên đường chạy mô phỏng:
Ta thấy từ mô phỏng khi di chuyển cố định với vận tốc 51 km/h thì xe vẫn sẽ xảy ra hiện tượng trượt ngang lớn hơn 0,3m gây nguy hiểm Thế nên ta sẽ xác định các vận tốc phù hợp ở các bán kính quay vòng khác nhau tại đường chạy mô phỏng để giúp người lái di chuyển an toàn. Để có thể thiết lập được dải vận tốc phù hợp với toàn bộ quãng đường được mô phỏng ta sư dụng dữ liệu từ bảng 6.2 sau đó chạy thư và điều chỉnh đến khi vận tốc phù hợp để di chuyển an toàn trên các bán kính quay vòng khác nhau.
Sự sai lệch vận tốc là do điều kiện đánh lái và mô men quán tính khi quay vòng liên tục với các bán kính khác nhau Cùng với đó ta sẽ thêm điều kiện là giới hạn độ trượt ngang dưới 0,3m để xe có thể di chuyển an toàn.
Từ đó có dải vận tốc thiết lập theo từng mốc quãng đường như hình 6.27
Hình 6.27: Thiết lập vận tốc phù hợp cho xe di chuyển an toàn cả quãng đường
Từ kết quả của vận tốc của hình 6.27, ta tính toán được vận tốc trung bình thiết lập và vận tốc trung bình khi chạy mô phỏng:
Quãng đường với từng bán kính quay vòng
Ta thấy rằng giá trị trung bình giữa vận tốc thiết lập và vận tốc mô phỏng gần như bằng nhau hoặc có độ chênh lệch không đáng kể Có thể kết luận vận tốc thiết lập dựa trên bảng 6.2 là phù hợp với đường mô phỏng.
Nên bảng 6.2 phù hợp làm bảng giá trị vận tốc giới hạn nguy hiểm cho Toyota Fortuner 2.7 V khi đi trên đường có bán kính quay vòng khác nhau.
Sau khi thiết lập dải vận tốc ta có được đường chạy xe trong mô phỏng như sau:
Hình 6.28: Quỹ đạo chuyển động theo vận tốc phù hợp của xe
