Qua đề tài "Nghiên cứu, thiết kế mô hình mô phỏng lái xe có tính thích nghi với dao động của hệ thống treo" chúng em mong muốn đóng góp vào việc phát triển và hoàn thiện hơn các mô hình
Lý do chọn đề tài
Những năm gần đây quy định về việc học, thi giấy phép lái xe ô tô thay đổi theo hướng quản lý chặt hơn, đặc biệt là bổ sung thêm phần học lái xe trên Cabin mô phỏng Cabin mô phỏng được sử dụng để luyện tập các tình huống giao thông, tạo môi trường an toàn mà không có áp lực giao thông từ thực tế từ đó giảm thiểu căng thẳng và dễ dàng làm quen với các thao tác điều khiển xe Tuy nhiên, các Cabin mô phỏng hiện tại còn khá hạn chế khi chưa tạo ra những cảm giác chân thực khi lái xe, chẳng hạn như độ rung của xe, lực phản hồi từ vô lăng, ghế ngồi
Việc cải tiến và hoàn thiện các mô hình giả lập lái xe mang lại rất nhiều lợi ích Một mô hình giả lập lái xe tốt cho phép thực hành và rèn luyện kỹ năng lái xe mà không cần đến môi trường thực tế, từ đó giảm thiểu những rủi ro tai nạn, thương tích, đặc biệt khi thực hiện các kỹ năng lái xe chuyên nghiệp Sử dụng có hiệu quả các mô hình giả lập lái xe cũng giúp tiết kiệm chi phí đáng kể so với việc sử dụng xe thật (chi phí nhiên liệu, bảo dưỡng, sửa chữa…) và cũng góp phần bảo vệ môi trường (giảm phát thải, tiêu tốn tài nguyên)
Không những tái tạo lại những cảm giác thực khi lái xe, một hệ thống mô phỏng tốt cũng cho phép mô phỏng lại các thông số hoạt động của động cơ, hộp số, hệ thống treo… từ đó xác định các dao động của xe khi có tải trọng từ mặt đường tác dụng lên các hệ thống trên làm ảnh hưởng đến chuyển động của xe và được theo dõi dưới dạng các thông số, biểu đồ Việc tận dụng hiệu quả mô phỏng có thể giúp sinh viên chuyên ngành ô tô dễ dàng tiếp cận, giải thích các nguyên lý vật lý, tính năng kỹ thuật của xe một cách trực quan, thú vị Tận dụng những lợi ích đó, các nhà sản xuất xe cũng dễ dàng trong việc giả lập, thử nghiệm đánh giá hiệu suất và cải tiến trước khi đưa ra sản xuất mà vẫn giữ an toàn và hiệu quả Ngoài ra, mô hình giả lập cũng cung cấp những trải nghiệm giải trí độc đáo và chân thật cho người chơi đam mê lái xe mà vẫn nhanh chóng, an toàn và tiết kiệm chi phí rất nhiều so với đua xe thực tế
Giá trị mang lại của một mô hình lái xe mô phỏng khá lớn và mang tính ứng dụng cao Nhận thấy rằng các mô hình mô phỏng lái xe phổ biến hiện nay chủ yếu chỉ cung cấp trải nghiệm thao tác lái xe mà thiếu đi các phản hồi của xe lên người lái như lực phản hồi đánh lái, dao động và dịch chuyển của hệ thống treo Ngoài ra, các phần mềm mô phỏng lái xe phổ biến hiện nay ít có khả năng tùy biến cao như thay đổi các thuộc tính của xe, môi trường và các tiện ích phục vụ theo dõi và nghiên cứu trực quan về các dữ liệu hoạt động của xe Với mục tiêu góp phần phát triển và hoàn thiện hơn các mô hình mô phỏng lái xe, nhóm sinh viên chúng em quyết định lựa chọn và nghiên cứu đề tài: ‘‘Nghiên cứu, thiết kế mô hình mô phỏng lái xe có tính thích nghi với dao động của hệ thống treo”.
Mục tiêu của đề tài
- Hiểu được một số yếu tố (các lực, phản lực lên cầu xe và hệ thống treo) ảnh hưởng đến chuyển động của xe trong các trường hợp thực tế (tăng/ giảm tốc, quay vòng, điều kiện mặt đường thay đổi)
- Chế tạo được mô hình giả lập được các trạng thái chuyển động của ô tô
- Đánh giá được hiệu quả mô phỏng lại các trạng thái chuyển động của xe trong các trường hợp trên.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết động lực học chuyển động của ô tô và hệ thống treo
- Phân tích các lực, phản lực từ mặt đường tác động lên cầu xe, hệ thống treo ảnh hưởng đến chuyển động của ô tô
- Các công trình nghiên cứu, phương pháp mô phỏng và điều khiển các mô hình giả lập lái xe
- Các thành phần cấu tạo, nguyên lý hoạt động và điều khiển cơ bản của động cơ servo
Đối tượng nghiên cứu
- Mô hình giả lập lái xe bao gồm hệ thống giả lập lái xe và hệ thống tái tạo chuyển động của hệ thống treo tích hợp từ các thành phần cơ khí (trục vít bi, động cơ servo, bộ khuếch đại điện tử), mạch điều khiển điện tử (Arduino)
- Các phần mềm giả lập lái xe và các phần mềm đọc và vẽ biểu đồ từ các thông số hoạt động của xe mô phỏng.
Phương pháp nghiên cứu đề tài
- Tham khảo các tài liệu, giáo trình, đề tài nghiên cứu khoa học
- Tham khảo, tra cứu thông tin từ các nguồn hướng dẫn xây dựng mô hình giả lập lái xe
- Sử dụng các phần mềm mô phỏng lái xe
- Phân tích, đánh giá biểu đồ
Giới hạn đề tài
Đề tài kế thừa các thiết kế và phần mềm hỗ trợ được chia sẻ bởi các cộng đồng nghiên cứu phát triển mô hình giả lập lái xe Đề tài không đi sâu vào nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến dao động của xe mà chỉ tìm hiểu các lý thuyết cơ bản để giải thích cho các hiện tượng dao động của xe liên quan đến hệ thống treo Đề tài không nghiên cứu và phát triển mà chỉ sử dụng các phần mềm mô phỏng lái xe và các phần mềm hỗ trợ đọc dữ liệu có sẵn làm công cụ thực hiện mô hình Đề tài chỉ nghiên cứu, nâng cấp bộ mô phỏng hệ thống treo cho mô phỏng lái xe với giàn mô phỏng lái xe đã có sẵn.
Kết quả dự kiến
- Chế tạo bộ mô phỏng giả lập hệ thống treo hoạt động giống với những chuyển động của xe khi bị các lực tác dụng trong thực tế
- Đánh giá khả năng vận hành của bộ giả lập mô phỏng giả lập hệ thống treo thông qua các thử nghiệm xe vận hành
Động lực học chuyển động của xe
Động lực học chuyển động của xe (vehicle dynamics) nghiên cứu về cách thức các lực tác động và tạo ra chuyển động cho xe bao gồm việc nghiên cứu các lực và mô men tác động lên xe, cũng như cách mà các thành phần của xe phản ứng và tương tác với nhau trong quá trình di chuyển
Về cơ bản, có thể xem ô tô là một hệ thống cơ học biến dạng Nếu gắn vào thân xe một hệ tọa độ đi qua trọng tâm của ô tô, chúng ta có thể biểu thị biến dạng của các phần tử đàn hồi, giảm chấn, bánh xe, khâu khớp đòn giằng, khung vỏ… Với biến dạng đó có thể coi ô tô đặt trên một cơ hệ đàn hồi chuyển động trong hệ tọa độ cố định Các dịch chuyển của ô tô theo các trục tọa độ gây nên các chuyển vị dọc theo 3 trục và quay quanh 3 trục Như vậy có thể coi trong tọa độ không gian 3 chiều, chuyển động của trọng tâm ô tô được xem xét bởi 6 chuyển vị Tùy vào mục đích khảo sát mà có thể xem xét các chuyển vị này là đồng thời hay độc lập Việc quan sát quỹ đạo chuyển động của xe có thể được theo dõi sự chuyển vị của xe theo tọa độ mặt đường cố định (Ox, Oy, Oz) biểu diễn bằng tọa độ xo yo và góc quay thân xe E
Hình 2.1 Mô hình cơ học ô tô [3]
5 Để mô phỏng lại các trạng thái chuyển động của tô, trước tiên chúng ta cần nghiên cứu về chuyển động của ô tô Vấn đề nghiên cứu quỹ đạo chuyển động được nghiên cứu trong không gian ba chiều bằng cách xem xét các điều kiện không gian Đối với ô tô, có thể xem xét quỹ đạo của ô tô trong mặt phẳng của đường (tọa độ 2 chiều) đồng thời cũng cần xem xét kể đến ảnh hưởng của dịch chuyển tải trọng trong không gian 3 chiều, từ đó đưa ra được cơ sở động học của hệ thống mô phỏng chuyển động
Hình 2.2 Các lực tác dụng lên xe trong quá trình chuyển động [16] Ứng với các mặt phẳng vuông góc với nhau đi qua trọng tâm S của xe, ta có thể phân tích các lực tác dụng lên xe theo như sau:
• Các lực theo trục thẳng đứng (vertical): tải trọng tại bánh xe, các lực gây ra bởi mặt đường không bằng phẳng
• Các lực theo trục ngang (transverse): lực ly tâm (centrifugal force, xuất hiện khi đánh lái), lực gió, lực bám ngang (lateral force)
• Các lực theo trục dọc (longitudinal): lực kéo (traction force), lực phanh (brake force), lực ma sát (friction force) Khi xe chuyển động thẳng đều trên đường phẳng và không có lực ngoại tác động, khi đó một hoặc một số lực tác động lên xe
6 cùng một lúc với tổng hợp lực không bằng 0, xe sẽ chuyển động thẳng đều với gia tốc bằng 0 theo hướng của tổ hợp các lực này và không có hiện tượng đặc biệt nào xảy ra
Tuy nhiên, khi một hoặc một vài trong các lực kể trên cùng lúc tác dụng lên xe với hợp lực khác 0, xe cũng bắt đầu chuyển động với gia tốc khác 0 Cụ thể, gia tốc a < 0 khi giảm tốc hoặc phanh và gia tốc a > 0 khi tăng tốc theo một hướng nhất định Gia tốc này sẽ xảy ra theo hướng và độ lớn của chúng phụ thuộc vào độ lớn các lực tác động cụ thể và mối quan hệ của chúng với nhau, qua đó làm thay đổi vận tốc và hướng di chuyển của xe
Chiếu các chuyển động này lên ba trục đi qua trọng tâm xe, ta thu được các dạng chuyển động sau của xe trong các trường hợp bao gồm sáu bậc tự do và cũng là tổng số cách mà một vật có thể di chuyển trong không gian ba chiều Các chuyển động này bao gồm ba chuyển động quay và ba chuyển động tuyến tính Các chuyển động trên được xác định theo hai trục ngang và một trục dọc (được ký hiệu là X, Y và Z) Cả ba trục giao nhau theo kiểu vuông góc với nhau tại một điểm gọi là trọng tâm của vật thể đang chuyển động
Hình 2.3 Các trạng thái chuyển động của xe trong không gian.[15]
Các chuyển động quay bao gồm:
• Lắc ngang (Roll): Là chuyển động của ô tô xoay quanh trục dọc đi qua tâm của xe, tạo ra sự nghiêng sang một bên trái/phải Chẳng hạn như khi xe vào cua, sự nghiêng trái/phải của thân xe là kết quả của lực ly tâm tác dụng lên trọng tâm của xe
• Lắc dọc (Pitch): Là sự nghiêng lên hoặc hạ xuống của ô tô quanh trục ngang đi qua tâm của xe làm cho phần đầu/đuôi xe có thể nghiêng thấp xuống hoặc lên cao, thường xảy ra khi xe tăng/giảm tốc hoặc đổi hướng di chuyển
• Xoay đứng (Yaw): Là sự xoay của ô tô xung quanh trục thẳng đứng đi qua tâm của xe, tạo ra các chuyển động xoay thường xảy ra khi có sự khác biệt giữa hướng xe đang hướng tới và hướng xe đang di chuyển (trượt hoặc mất lực kéo một trong hai cầu của xe)
Các chuyển động tịnh tiến bao gồm:
• Tịnh tiến dọc (Surge): Là chuyển động của ô tô theo hướng tiến hay lùi theo trục dọc đi qua tâm của xe gây ra bởi việc tăng tốc và giảm tốc về phía trước hoặc sau
• Tịnh tiến ngang (Sway): Là chuyển động sang trái và phải dọc theo trục ngang đi qua tâm của xe xảy ra khi xe quay vòng hoặc trượt ngang
• Tịnh tiến đứng (Heave): Là chuyển động lên xuống theo trục thẳng đứng được xảy ra khi xe tăng tốc và giảm tốc hoặc phanh Ngoài ra, hiện tượng này còn xuất hiện khi xe qua mặt đường gồ ghề
Trong quá trình lái xe, phản hồi lực là cảm giác được truyền đến người dùng thông qua bánh xe và được mô phỏng với bộ điều khiển phản hồi lực Phản hồi này mô phỏng các lực mà một chiếc xe thật trải qua, chẳng hạn như lực cản lái, kết cấu đường, sự đâm đụng và va chạm Nó nâng cao cảm giác chân thực của trải nghiệm lái xe, cho phép người dùng cảm thấy được kết nối nhiều hơn với môi trường ảo.
Ảnh hưởng của hệ thống treo, cầu xe đến chuyển động của ô tô
Ô tô là một hệ động lực học rất phức tạp, khi xe chuyển động với vận tốc khác nhau trên các bề mặt đường khác nhau thì tình trạng chịu tải của các chi tiết trên xe sẽ thay đổi Do đó khi xét đến các tải trọng tác động lên ô tô, ngoài tải trọng tĩnh cần phải xét đến tải trọng động
“Tải trọng động tác dụng lên chi tiết trong thời gian ngắn, nhưng giá trị của nó lớn hơn tải trọng tĩnh rất nhiều Tải trọng động xuất hiện trong các bộ phận và chi tiết của hệ thống truyền lực như khi người lái đóng ly hợp đột ngột, khi gài hộp số trong quá trình tăng tốc hay giảm tốc, khi phanh đột ngột bằng phanh tay hoặc tác động vào bàn đạp phanh Còn đối với các bộ phận không được treo (các dầm cầu xe, bánh xe….) và hệ thống lái, tải trọng động sẽ xuất hiện khi xe chuyển động trên mặt đường không bằng phẳng.”[1]
Việc xác định chính xác các giá trị tải trọng động tác dụng lên các chi tiết của xe là một bài toán rất phức tạp Bởi vì giá trị tải trọng động có thể thay đổi do điều kiện mặt đường và trạng thái chuyển động của xe thay đổi
“Đối với các hệ thống truyền lực của ô tô, tải trọng tĩnh tác dụng lên chi tiết được tính từ mô men xoắn cực đại của động cơ 𝑀 𝑒𝑚𝑎𝑥 Còn tải trọng động thường được xác định theo công thức thực nghiệm nhận được từ hàng loạt các thí nghiệm Thông thường tải trọng động được đặc trưng bằng hệ số tải trọng động 𝑘 đ Theo tài liệu [1] hệ số này bằng tỉ số của giá trị tải trọng động trên giá trị tải trọng tĩnh:”
𝑘 đ =Giá trị tải trọng động Giá trị tải trọng tĩnh (2.1)
Khi xe chuyển động trên mặt đường không bằng phẳng sẽ xảy ra hiện tượng dao động của xe sẽ làm xuất hiện thêm các tải trọng phụ Thường thì tải trọng động này được cân nhắc và xét đến khi tính toán bộ phận vận hành Đối với những chi tiết của hệ thống treo và các cầu xe được tính toán bền theo tải trọng cực đại 𝐹 𝑚𝑎𝑥 khi xe chuyển động thông qua tải trọng tĩnh 𝐹 𝑡 (đã biết) và hệ số tải trọng động 𝑘 đ :
“Bằng thực nghiệm có thể chứng tỏ rằng 𝑘 đ tăng khi độ cứng của hệ thống treo và vận tốc của xe tăng Khi xe hoạt động trong điều kiện bình thường thì tải trọng động cực đại ít khi xuất hiện.”
“Khi xe chuyển động trên đường bằng phẳng, tải trọng sẽ tác dụng lên dầm cầu và vỏ cầu chủ yếu là từ khối lượng được treo ngược lại khi mặt đường không bằng phẳng thì tải trọng tác dụng lên dầm cầu và vỏ cầu chủ yếu là tải trọng động từ các khối lượng không được treo.”
Với hệ thống treo dùng để nối khung hay thân xe với các cầu (hoặc bánh xe) ô tô và từng bộ phận thực hiện các nhiệm vụ sau đây:
- Bộ phận đàn hồi làm giảm nhẹ các tải trọng động tác dụng từ bánh xe lên khung, đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi di chuyển và truyền lực, mô men từ đường lên khung xe
- Bộ phận dẫn hướng để truyền lực dọc, ngang và mô men từ đường lên khung xe Động học của bộ phận dẫn hướng xác định tính chất dao động tương đối của bánh xe đối với khung
- Bộ phận giảm chấn để dập tắt các dao động của phần được treo và không được treo của ô tô
Hệ thống treo có nhiệm vụ đảm bảo sự thoải mái cũng như đảm bảo các bánh xe tiếp xúc tốt với mặt đường Có thể hình dung rằng bánh xe và mặt đường là cơ cấu truyền và biến đổi năng lượng tạo động lực cho xe chuyển động Cơ chế truyền năng lượng này khá phức tạp, có thể hiểu là cơ chế ma sát giữa bánh xe và mặt đường, tuy nhiên bánh xe là phần tử đàn hồi sinh ra các biến dạng phức tạp cùng với sự hoạt động hệ thống treo ảnh hưởng đến các dao động lên khung gầm xe nói riêng và toàn xe nói chung Do đó, các đặc tính của hệ thống treo và bánh xe có ảnh hưởng lớn đến động học và các hành vi chuyển động của xe
Khi phân tích hệ thống treo thường phân tích ở hai phần chính:
• Khối lượng được treo: là toàn bộ khối lượng thân xe được đỡ trên hệ thống treo gồm khung vỏ, động cơ, hệ thống truyền lực
• Khối lượng không được treo: là phần khối lượng không được đỡ bởi hệ thống treo gồm bánh xe và cầu xe
Hình 2.4 Khối lượng được treo và khối lượng không được treo.[14]
Sự dao động của phần tử được treo bao gồm:
• Sự lắc dọc: là sự nghiêng về phía trước hoặc phía sau của xe khi phanh hoặc tăng tốc Khi phanh, phần trước của xe sẽ chúi xuống do tác dụng của lực phanh và lực quán tính Tương tự, khi tăng tốc, phần sau của xe cũng sẽ bị đẩy xuống Hiệu ứng này phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống treo và phân phối khối lượng của xe
• Sự lắc ngang: Là sự nghiêng của thân xe sang trái hoặc phải khi vào cua hoặc đi trên mặt đường nghiêng Khi vào cua, lực ly tâm tác dụng lên thân xe sẽ gây ra sự nghiêng của xe về phía bên ngoài của góc cua, các lò xo của hệ thống treo ở một phía sẽ giãn ra, còn phía kia bị nén co lại Hiệu ứng này ảnh hưởng đến khả năng xử lý và ổn định của xe và được điều chỉnh bởi hệ thống treo và thiết kế khung xe
• Sự nhún: là sự dịch chuyển lên xuống của thân xe Khi xe đi với tốc độ cao trên nền đường gợn sóng, hiện tượng này rất dễ xảy ra
• Sự xoay đứng: là sự xoay của thân xe sang trái hoặc sang phải quanh trọng tâm của xe
Hình 2.5 Các dao động của khối lượng được treo trong không gian.[14]
Sự dao động của khối lượng không được treo:
• Sự dịch đứng: là sự chuyển lên xuống của các bánh xe trên mỗi cầu xe Điều này thường xảy ra khi xe đi trên đường gợn sóng với tốc độ trung bình hoặc cao
• Sự xoay dọc theo cầu xe: là sự dao động lên xuống ngược hướng nhau của các bánh xe trên mỗi cầu làm cho bánh xe nảy lên khỏi mặt đường Thường xảy ra đối với hệ thống treo phụ thuộc
• Sự uốn: là hiện tượng các lá nhíp có xu hướng bị uốn quanh bản thân cầu xe do mô men xoắn chủ động (kéo hoặc phanh) truyền tới
Hình 2.6 Các dao động của các phần tử không được treo.[14]
Mô hình điểu khiển chuyển động giả lập của xe
Hình 2.11 Hình ảnh mô hình toàn xe có hệ thống treo.[4]
Từ mô hình toàn xe Hình 2.12 ta có thể mô phỏng như sau:
Hình 2.12 Hình Mô hình giả lập lái xe.[8]
Cấu tạo mô hình giả lập lái xe có thể chia làm hai phần chính:
- Giàn mô phỏng lái xe: bao gồm các bộ phận phục vụ thao tác điều khiển xe như vô lăng, bộ bàn đạp ly hợp, bàn đạp phanh, bàn đạp ga, cần số, phanh tay và ghế ngồi của người lái cũng được lắp ráp đồng bộ với nhau trên một khung mô hình chịu lực tạo thành một mô hình giả lập lái xe hoàn chỉnh Có thể coi khối này tượng trưng cho phần khối lượng được treo được nâng đỡ bởi các cơ cấu chuyển động tịnh tiến thay cho hệ thống treo
- Hệ thống giả lập chuyển động của xe (mô phỏng hệ thống treo): bao gồm mạch điều khiển chuyển động, các cơ cấu chuyển động, động cơ servo và các bộ khuếch đại điều khiển servo tương ứng Đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu và chế tạo hệ thống giả lập chuyển động của xe nên các nội dung nghiên cứu ở chương này không đi sâu vào cấu tạo giàn mô phỏng thao tác lái xe mà chủ yếu xoay quanh các thành phần cấu tạo của hệ thống giả lập hệ thống treo.
Trong suốt luận án, bộ mô phỏng chuyển động được xây dựng dựa trên nền tảng chuyển động song song bao gồm 4 bộ truyền động tạo ra các chuyển động tịnh tiến tại 4 góc nâng đỡ trọng lượng của toàn mô hình và người lái như Hình 2.13
Cấu tạo của mô hình mô phỏng được dựa trên cấu tạo và hiện tượng chuyển động của xe như đã phân tích ở phần động lực học chuyển động của xe Các cơ cấu chuyển động tuyến tính theo trục z được đặt ở các góc của mô hình mô phỏng với thứ tự 1, 2, 3, 4 lần lượt ứng với vị trí bánh trước bên phải, bánh trước bên trái, bánh sau bên trái, bánh sau bên phải
Các cơ cấu chấp hành (bộ phận tạo ra chuyển động) được bố trí để tạo ra các chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng cho phép mô phỏng lại ba trạng thái chuyển động của xe (Roll- khi quay vòng, Pitch - khi tăng tốc hay giảm tốc, Heave - khi điều kiện mặt đường thay đổi) Từ ba trạng thái chuyển động trên có thể tái tạo lại cảm giác nghiêng của mô hình mô phỏng khi đánh lái hay khi vào cua, nâng lên hay hạ xuống của xe khi tăng hoặc giảm tốc, cảm giác rung động khi chuyển động trên mặt đường gồ ghề
Từ những phân tích ở trên, yêu cầu của mỗi bộ chuyển động tại mỗi góc ứng với các bánh xe phải tạo ra được các chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng một cách độc lập ứng với hoạt động của các hệ thống treo của xe trong thực tế
Hình 2.13 Các cơ cấu giả lập chuyển động xe
Với mỗi bộ chuyển động sẽ được cung cấp động lực quay bằng một động cơ servo Mô men quay của động cơ servo sẽ được truyền qua bộ truyền trục vít me bi quay đẩy con trượt và thanh đẩy (kết nối với con trượt) nằm trong khung nhôm định
25 hình chuyển động tịnh tiến tạo ra chuyển động nâng lên hoặc hạ xuống của bộ mô phỏng chuyển động Bốn bộ mô phỏng chuyển động này hoạt động độc lập như một hệ thống treo và bánh xe, việc phối hợp nâng lên hoặc hạ xuống nhịp nhàng và chính xác của bốn bộ chuyển động này sẽ mô phỏng lại các chuyển động của xe
2.3.1 Sơ đồ điều khiển cơ cấu chuyển động
Quá trình hoạt động của hệ thống mô phỏng có thể được minh họa một cách tổng quát như (Hình 2.15) Trong đó có thể xem tài xế đang lái xe trực tiếp thông qua việc tương tác với bộ mô phỏng lái xe Trong quá trình mô phỏng vòng lặp kín, một mô hình động học lái xe (Driving Dynamics) được sử dụng để mô hình hóa các động học của một phương tiện ảo theo các tín hiệu điều khiển bởi tài xế Các dữ liệu mô tả động học của xe này được ghi nhận và xử lý bởi “thuật toán gợi ý chuyển động” (Motion Cueing Algorithms) từ đó đưa ra các giả lập chuyển động nhằm đưa đến các chuyển động kích thích phù hợp đến người điều khiển.
Hình 2.14 Mô hình mô phỏng chuyển động vòng lặp kín.[5]
Các chuyển động giả lập được tạo ra bởi các bộ mô phỏng chuyển động (Actuators) phối hợp nhịp nhàng và chính xác Các cơ cấu chuyển động tạo ra được các chuyển động nhờ sự dẫn động của các động cơ servo nên có thể hiểu quá trình mô phỏng này cũng là quá trình điều khiển hoạt động của các động cơ servo.
Hình 2.15 Sơ đồ mô hình điều khiển cơ cấu chấp hành.[8]
Mô hình điều khiển bao gồm:
- Tín hiệu đầu vào (Input) là các dữ liệu về động học (các lực tác dụng lên xe, thông số kết cấu hệ thống trên xe) được tính toán bởi máy tính dựa trên các thao tác của người lái
- Bộ điều khiển (Controller) là mạch điều khiển chuyển động sử dụng Arduino thực hiện việc điều khiển vị trí, đồng bộ hóa và kiểm soát hoạt động của các cơ cấu chấp hành dựa trên dữ liệu nhận được từ máy tính Bộ điều khiển này giao tiếp và nhận dữ liệu từ máy tính thông qua một phần mềm hỗ trợ (Sim Feedback)
- Bộ chấp hành (Actuator) gồm 4 động cơ servo dẫn động các cơ cấu trục vít me bi biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến Các động cơ servo được cung cấp nguồn điện, xung điều khiển bằng các bộ khuếch đại điều khiển servo (AC drive)
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của mô hình Để điều khiển được các bộ chuyển động một cách nhịp nhàng, chính xác và đảm bảo các điều kiện an toàn khi vận hành và để nâng đỡ một tải trọng khá lớn bao gồm trọng lượng của giàn mô phỏng lái xe và trọng lượng của người điều khiển thì hệ thống mô phỏng Hình 2.16 được xây dựng từ các thành phần cơ bản như sau:
- Ứng dụng mô phỏng và phần mềm điều khiển Sim Feedback:
• Ứng dụng mô phỏng hay game Assetto Corsa giúp mô phỏng quá trình vận hành của xe tùy chọn trên đường
• Phần mềm điều khiển Sim Feedback, đây là phần mềm chuyên dụng để mô phỏng lại các chuyển động thực tế từ môi trường mô phỏng (trò chơi Assetto Corsa) nên phần mềm đảm nhiệm việc lấy dữ liệu như các lực tác, phản lực tác dụng lên xe (bằng phân tích, ở luận án này ta thấy phần mềm lấy dữ liệu Suspention travel dưới dạng analog), từ dữ liệu này phần mềm đưa lên mạch điều khiển arduino để điều khiển động cơ servo
- Bộ điều khiển chuyển động: gồm mạch điều khiển Arduino, bộ khuếch đại tín hiệu động cơ servo (AC drive), động cơ servo
Thiết lập điều khiển động cơ servo
3.1.1 Động cơ servo và các chức năng điều khiển chuyển động
Mô hình hoạt động với tải trọng lớn và yêu cầu đủ điện áp, công suất để chịu tải trọng đó, ngoài ra còn phải đáp ứng được tốc độ phản hồi đủ nhanh để mô phỏng chính xác các tác dụng từ các tải trọng tĩnh và tải trọng động tác dụng lên xe từ mô phỏng, do đó khi thiết kế sử dụng trong luận án sử dụng động cơ servo xoay chiều 3 pha như Hình 3.1
Hình 3.1 Động cơ servo và bộ khuếch đại tín hiệu (AC drive).[12] Động cơ servo điện xoay chiều là loại động cơ sử dụng rotor là nam châm vĩnh cửu và Stator bao gồm ba cuộn dây được bố trí cách đều nhau 120 độ Khi cấp điện áp xoay chiều cho các cuộn dây stator sẽ tạo ra từ trường quay tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu trên rotor, tạo ra lực từ Lực này tạo ra mô men xoắn làm quay rotor, dẫn động cho trục đầu ra của động cơ Bộ phận encoder cũng đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều khiển và giám sát vị trí và tốc độ của động cơ Dựa vào
30 độ phân giải của encoder, ta có thể tính toán số lượng xung điều khiển cần gửi tới để động cơ quay một quãng đường nhất định Với độ phân giải 2500 vòng/phút, mỗi xung phản hồi từ encoder tương ứng với 1/2500 vòng quay Chẳng hạn, để quay động cơ 1 góc 90 0 , mạch điều khiển cần gửi 90
Tốc độ quay của động cơ phụ thuộc vào tần số xung điều khiển và độ phân giải của encoder:
Tốc độ quay của động cơ (vòng/phút) = Tần số xung điều khiển độ phân giải encoder × 60
Tốc độ quay của động cơ ảnh hưởng đến tốc độ phản hồi nhanh chậm của cơ cấu chấp hành ứng với những biến động của dữ liệu đầu vào, tần số xung điều khiển đặc trưng cho khả năng xử lý của mạch điều khiển và độ phân giải đặc trưng cho độ chính xác về vị trí của động cơ Tuy nhiên, mỗi mạch điều khiển có giới hạn tần số xung tối đa mà nó có thể xử lý Nếu tần số xung vượt quá giới hạn này, mạch điều khiển có thể không xử lý kịp thời, dẫn đến mất xung hoặc sai lệch trong điều khiển
Vì vậy các yếu tố trên cần phải được cân bằng hợp lý, phù hợp với yêu cầu hoạt động của hệ thống cụ thể Động cơ servo là bộ phận quan trọng có vai trò tạo ra chuyển động quay truyền động cho các cơ cấu chấp hành chuyển động Yêu cầu của hệ thống mô phỏng lái xe là hệ thống yêu cầu thời gian đáp ứng nhanh, việc phản hồi của các cơ cấu chấp hành phải đồng bộ với dữ liệu mô phỏng khi người lái thao tác Ngoài ra việc nâng đỡ tải trọng của cả mô hình lái xe cùng với khối lượng của người lái cũng yêu cầu các motor truyền động tạo ra mô men xoắn và công suất phù hợp Các động cơ servo được chọn để sử dụng trong mô hình này là loại động cơ servo điện xoay chiều với mã 90ST-M02430 với các thông số hoạt động trên Bảng 3.1
Công suất định mức 0.75 kW
Momen xoắn định mức 2.4 N.m Điện áp định mức 220 V
Cường độ dòng điện định mức 3 A
Tốc độ định mức 3000 vòng/phút
Cường độ dòng điện cực đại 9A
Nguồn định dòng 51V/1000 vòng/phút Độ phân giải Encoder 2500 (xung/vòng)
Bảng 3.1 Các thông số hoạt động của động cơ Ac servo 90ST- M02430
Các chế độ điều khiển của động cơ servo:
- Điều khiển vị trí và tốc độ
- Điều khiển mô men và vị trí
- Điều khiển mô men và tốc độ
Với luận án, chỉ tập trung vào việc sử dụng chức năng điều khiển vị trí của động cơ servo Tuy nhiên, để điều khiển 1 servo motor thì cần có 1 bộ driver đi kèm của cùng hãng đó, không thể dùng driver của hãng khác được Driver cho servo cũng cần cài đặt tham số để điều khiển Có thể cài đặt thông qua các nút nhấn trên driver hoặc sử dụng các phần mềm cài đặt tham số trên máy tính của hãng giống như biến tần
3.1.2 Bộ khuếch đại tín hiệu động cơ
Bộ khuếch đại điều khiển servo (Servo Driver) là một bộ phận quan trọng trong hệ thống mô phỏng chuyển động của hệ thống treo Các chức năng của Servo driver trong hệ thống:
Chuyển đổi tín hiệu điều khiển: Servo driver nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển chính (mạch Arduino) dưới dạng tín hiệu xung và chuyển đổi các tín hiệu này thành dòng điện phù hợp để điều khiển động cơ servo, đảm bảo rằng động cơ nhận được mức dòng điện cần thiết để thực hiện các chuyển động chính xác theo yêu cầu
Kiểm soát vị trí, tốc độ và mô men xoắn: Servo driver sử dụng thông tin phản hồi từ encoder để xác định vị trí hiện tại của động cơ và điều chỉnh dòng điện để đạt được vị trí với tốc độ và momen xoắn phù hợp
Cấu hình và lập trình: Servo driver cho phép cấu hình các tham số điều khiển như momen xoắn tối đa, tốc độ tối đa, và các giá trị khác để phù hợp với yêu cầu của hệ thống sử dụng
Bảo vệ hệ thống: Servo driver giám sát liên tục các thông số hoạt động của động cơ như dòng điện, nhiệt độ, và tình trạng lỗi từ đó thực hiện các biện pháp bảo vệ như giảm dòng điện hoặc ngắt động cơ khi phát hiện ra các trạng thái nguy hiểm như quá dòng, quá nhiệt
Hình 3.2 Sơ đồ chân giao tiếp trên bộ khuếch đại tín hiệu động cơ servo.[9]
Hệ thống sử dụng việc điều khiển vị trí của Servo motor để tạo ra mô phỏng chuyển động của xe, nhưng thực tế việc kiểm soát một cách hoàn hảo chuyển động mong muốn khi có tải (khối lượng đặt lên hệ thống) là rất khó Luôn có một độ trễ trong giai đoạn tăng tốc và vượt tốc quá mức trong giai đoạn giảm tốc làm cho chuyển động có sai lệch vị trí khác 0 Một lý do khác là trong một mô hình thực tế, việc cân bằng giữa độ chính xác và độ ổn định của hệ thống là một yếu tố rất quan trọng
Bộ khuếch đại điện tử không chỉ có vai trò khuếch đại tín hiệu điều khiển nhận được từ mạch điều khiển mà còn có chức năng thiết lập các giới hạn an toàn nhằm kiểm soát hoạt động, đảm bảo động cơ servo hoạt động hiệu suất hoạt động cao, đáp ứng nhanh, chính xác và nằm trong ngưỡng an toàn
Bộ khuếch đại động cơ servo cho phép thiết lập các chức năng như: giới hạn mô men xoắn động cơ, giới hạn tốc độ động cơ, điều chỉnh độ chính xác dựa vào xung điều khiển, điều chỉnh độ nhạy của motor đối với các biến động điều khiển, điều chỉnh thời gian đáp ứng đối với các biến động điều khiển, điều chỉnh độ chính xác và ổn
34 định dựa trên tín hiệu phản hồi, điều chỉnh mức độ lọc tín hiệu phản hồi Các thông số trên được được thiết lập dựa trên tài liệu kỹ thuật của bộ khuếch đại điện tử cùng với các thực nghiệm và đánh khả năng hoạt động thực tế của mô hình: (Các thông số thiết lập ở Bảng 5.1, Phụ lục 1)
3.1.2.1 Thiết lập giới hạn momen xoắn bên trong
Cơ cấu chuyển động
Cơ cấu chuyển động được dẫn động bởi động cơ servo với chức năng biến đổi chuyển động quay của động cơ servo thành chuyển động tịnh tiến, nâng đỡ khối lượng của toàn bộ mô hình bao gồm cả người lái
Hình 3.9 Sơ đồ lắp ghép các chi tiết của cơ cấu chuyển động.[8]
Mặt cắt bộ cơ cấu chuyển dộng sau khi lắp ghép các chi tiết:
Hình 3.10 Sơ đồ mặt cắt bộ cơ cấu chuyển dộng sau khi lắp ghép.[8]
Ngoại trừ động cơ servo, một cụm cơ cấu chuyển động còn bao gồm các chi tiết sau:
• Khuôn nhôm định hình: Tạo nên cấu trúc chắc chắn cho cơ cấu chuyển động, đóng vai trò như bộ khung kết nối các chi tiết lại với nhau và với giàn mô phỏng lái
48 xe Các rãnh chữ T dọc thân khuôn nhôm giúp lắp ráp, điều chỉnh cơ cấu trở nên dễ dàng
• Trục vít me: Trục thép được gia công các rãnh xoắn ốc ren cùng với đai ốc chứa các bi thép nhỏ chạy trong các rãnh xoắn ốc này
• Khớp nối trục: liên kết trục động cơ và trục vít bi
• Giá đỡ motor: giữ cố định động cơ servo đúng vị trí
• Ổ trục cố định: giữ cố định và giảm ma sát cho trục vít bi
• Giá đỡ trục cố định: giữ định tâm trục vít bi và ổ trục bên trong khuôn nhôm định hình
• Thanh trượt: ăn khớp với lòng trong của khuôn nhôm định hình và được gắn cố định với đai ốc bi của bộ trục vít bi tạo ra chuyển động trượt bên trong lòng khuôn nhôm
• Trục rỗng hay trục đẩy: được gắn cố định với cơ cấu con trượt và đai ốc bi
Cả cụm chi tiết cố định này di chuyển tịnh tiến và trục đẩy là bộ phận tiếp nhận phản lực từ mặt đất truyền lên cơ cấu
• Ổ trục tuyến tính: giữ định tâm trục đẩy so với khuôn nhôm định hình, giảm ma sát khi trượt
• Giá đỡ ổ trục tuyến tính: giữ cố định ổ trục tuyến tính và trục đẩy với khuôn định hình
• Cơ cấu chặn va chạm: Bao gồm một giá đỡ nhỏ và một vòng đệm cao su gắn chi tiết đai ốc bi, có tác dụng như một tấm đệm đàn hồi ngăn chặn va chạm mạnh khi đai ốc bi di chuyển đến giới hạn hành trình
Các chi tiết trên được lắp ráp với nhau bằng các bulong cố định Kích thước và số lượng các chi tiết lắp ráp được liệt kê trong Phụ lục 3, Phụ lục 4 và Phụ lục 5
Hình 3.11 Các chi tiết lắp ráp của cơ cấu chuyển động
Hình 3.12 Cơ cấu chuyển động được lắp hoàn chỉnh với động cơ servo
Nguyên lý tạo ra chuyển động tịnh tiến nâng hạ giàn mô phỏng:
Khi trục vít me xoay, các bi thép chuyển động trong rãnh và lăn giữa trục vít và đai ốc, tạo ra chuyển động tịnh tiến của đai ốc dọc theo trục của trục vít Nếu đai ốc bi được giữ cố định, khi trục vít xoay thì chính trục vít cũng đồng thời di chuyển tịnh tiến dọc theo trục của mình Theo thông số bước ren trục vít me là 5mm (Phụ lục 3) ta thấy cứ một vòng quay của động cơ servo thì trục sẽ tịnh tiến lên hoặc xuống 5mm Trong cơ cấu chuyển động, đai ốc bi được gắn cố định với trục đẩy và đứng cố định trên mặt đất Trục vít bi được gắn cố định với khuôn nhôm định hình nên khi trục vít bi quay nó cũng đồng thời tịnh tiến dọc trục, kéo theo chuyển động của cả cơ cấu nhôm định hình gắn với mô hình lái xe Nói cách khác, khi trục vít quay thì chính nó cả phần còn lại của mô hình mô phỏng sẽ chuyển động tịnh tiến so với cụm đai ốc bi, con trượt, thanh đẩy và mặt đất, tạo nên các hiệu ứng nâng hạ ở các góc của mô hình
50 mô phỏng Chiều của chuyển động tịnh tiến này phụ thuộc vào chiều quay của trục vít bi và cũng là chiều quay của động cơ servo.
Phần mềm mô phỏng lái xe và thiết lập ứng dụng Sim Feedback
Ngoài các thành phần, cơ cấu cấu tạo nên mô hình mô phỏng lái xe, một thành phần quan trọng khác là phần mềm giả lập lái xe Phần mềm mô phỏng chính được sử dụng trong đề tài này là Assetto Corsa - một phần mềm đua xe giả lập có nghiệm vụ nhận các tín hiệu điều khiển từ người lái và giả lập lại các tính chất vật lý của xe trên mô hình xe giả lập
Hình 3.13 Trò chơi mô phỏng lái xe Assetto Corsa.[13]
Ngoài việc tạo ra các mô phỏng lái xe thông qua hình ảnh, ứng dụng này còn cho phép hiển thị cho người dùng theo dõi các thông số về trạng thái hoạt động của xe ngay trong quá trình lái xe Nhờ vào khả năng tùy biến cao, Assetto Corsa không chỉ là một trò chơi đua xe mà còn là một nền tảng mô phỏng với khả năng mở rộng và tùy chỉnh rộng rãi, phục vụ cho cả mục đích giải trí lẫn các nghiên cứu, thử nghiệm Phần mềm có thể cung cấp các dữ liệu hoạt động cơ bản trong quá trình lái xe như vận tốc xe, tốc độ động cơ, tình trạng hoạt động của các hệ thống kiểm soát điện tử (TC, ABS…), nhiệt độ và tình trạng các lốp xe… Ngoài ra, dựa trên các tín hiệu điều khiển của người lái, phần mềm cũng có thể tính toán và giả lập lại khá chính xác các đặc tính động lực học của xe, thể hiện qua các thông số như gia tốc, chiều cao trọng tâm xe, vận tốc góc, độ trượt và tải trọng tại các bánh xe, độ dịch chuyển của hệ thống treo… Các gói dữ liệu liên quan đến việc vận hành xe được lưu trữ bên trong bộ nhớ
51 dùng chung và cho phép người dùng truy cập và sử dụng thông qua giao thức UDP (User Datagram Protocol).
Hình 3.14 Sự khác nhau giữa giao tiếp TCP và UDP.[17]
Không giống với giao thức TCP (Transmission Control Protocol), UDP không cung cấp các cơ chế kiểm soát lỗi, xác nhận thứ tự hay kiểm soát luồng của các gói dữ liệu Tuy vậy, sai số trong truyền dẫn UDP thường khá thấp, trong môi trường mạng ổn định, tỷ lệ lỗi truyền dẫn có thể dưới 1% UDP thường được chọn bởi hiệu năng và tốc độ truyền dẫn trong các ứng dụng không yêu cầu tính toàn vẹn dữ liệu tuyệt đối Do không có các cơ chế kiểm soát lỗi, UDP có độ trễ thấp hơn và sử dụng ít tài nguyên hơn so với TCP Với những đặc trưng đó, giao thức UDP rất phù hợp sử dụng trong ứng dụng mô phỏng giả lập lái xe.
Trong dự án này, phần mềm Sim Feedback được sử dụng để truy cập và sử dụng các dữ liệu về hệ thống treo của xe từ phần mềm mô phỏng lái xe Assetto Corsa Các dữ liệu này được thu thập và xử lý thông qua giao thức UDP, sử dụng làm tín hiệu đầu vào cho mạch điều khiển chuyển động servo motor Ngoài nhiệm vụ truy cập các dữ liệu từ trò chơi, phần mềm Sim Feedback còn được thiết kế cho phép người dùng tùy chỉnh và giới hạn một số thông số về hoạt động của mô hình giả lập chuyển động nhằm giúp trải nghiệm mô phỏng phù hợp với điều kiện và đối tượng sử dụng khác nhau.
Hình 3.15 Giao diện hoạt động của phần mềm Sim Feedback
Trong giao diện điều chỉnh của Sim Feedback, các tham số như Intensity (Cường độ) và Smoothing (Độ mượt) là những yếu tố quan trọng, tác động trực tiếp đến trải nghiệm mô phỏng của người dùng Ví dụ, khi tăng thông số cường độ, các giá trị từ trò chơi sẽ được truyền tới bộ mô phỏng chuyển động với cường độ tăng lên, điều này tạo ra các hiệu ứng mạnh hơn Một yếu tố khác là Smoothing (Độ mượt) có chức năng điều chỉnh cho các chuyển động trở nên mềm mại hơn, loại bỏ các dao động không mong muốn Chẳng hạn như khi di chuyển trên một đường đua gồ ghề, việc tăng thông số Smoothing sẽ giúp các dao động ổn định hơn, giảm các rung động gây ra bởi địa hình Ngược lại, các cảm giác về dao động, rung này sẽ trở nên rõ ràng hơn khi tăng thông số Smoothing Ngoài ra, giao diện còn cho phép điều chỉnh các thông số Acceleration (Gia tốc), tốc độ tối thiểu và tối đa của động cơ servo Ví dụ, tăng thông số Acceleration, các dao động nhỏ hoặc bề mặt địa hình gồ ghề sẽ trở nên rõ ràng và dễ cảm nhận hơn Thiết lập tốc độ tối thiểu và tối đa cho phép người dùng kiểm soát tốc độ khởi động và tốc độ tối đa nhằm đặt các giới hạn an toàn cho mô hình mô phỏng.
Các tùy chỉnh này cũng có thể áp dụng riêng biệt cho từng hiệu ứng mô phỏng khác nhau của mô hình:
Hình 3.16 Tùy chỉnh các hiệu ứng riêng biệt trong Sim Feedback
• Hiệu ứng Heave: cả 4 bộ truyền động di chuyển lên hoặc xuống đồng thời, tạo ra cảm giác như xe đang di chuyển lên dốc hoặc đi xuống thung lũng
• Hiệu ứng Pitch: 2 bộ truyền động ở phía trước và sau của xe được điều chỉnh sao cho một bộ đi xuống, trong khi bộ kia đi lên hoặc ngược lại giúp người lái cảm nhận được cảm giác của việc xe nghiêng lên khi tăng tốc hoặc hạ xuống khi giảm tốc
• Hiệu ứng Roll: 2 bộ truyền động bên trái và bên phải của xe di chuyển lên hoặc xuống tương ứng, tái tạo cảm giác của việc lái xe qua các cung đường cong.
Lắp ráp các cơ cấu chấp hành lên giàn và hoàn thiện mô phỏng lái xe
Bước đầu tiên cầu xác định mức chịu tải của các cơ cấu chấp hành khi lắp trên bộ mô phỏng lái:
Hệ thống được trang bị 4 động cơ servo có công suất 4x750W tương ứng với mức tiêu thụ điện năng tối đa Bằng cách thử nghiệm với nhiều loại xe và điều kiện
54 đường đua khác nhau, kết hợp với việc thay đổi các thông số cường độ (Intensity), gia tốc (Acceleration) để khảo sát công suất làm việc của hệ thống trong nhiều trường hợp khác nhau.
Thử nghiệm cho thấy công suất làm việc của toàn hệ thống sẽ tăng khi tăng các thông số cường độ và gia tốc dịch chuyển, nhưng không vượt quá 500W (tổng tiêu thụ trên cả 4 động cơ) Có thể thấy công suất làm việc thực tế nằm trong ngưỡng công suất an toàn.
Lượng điện năng tiêu thụ phụ thuộc vào lượng tải trọng mà hệ thống chịu tải Với tải trọng của cả giàn mô phỏng và người điều khiển dao động ở khoảng 170kg và hệ thống làm việc ở ngưỡng cường độ và gia tốc không đổi, hệ thống tiêu thụ khoảng 50W ở giai đoạn bắt đầu khi chưa di chuyển, 70-90W trong điều kiện chuyển động nhẹ nhàng, với 200W khi chuyển động trên các mặt đường tương đối gồ ghề và đạt 300W khi xe xảy ra va chạm [8]
Bước hoàn thiện cuối cùng của chế tạo mô hình là lắp cơ cấu chuyển động được lắp đặt chắc chắn lên giàn mô phỏng lái xe Các rãnh chữ T trên thân khuôn nhôm định hình và khung chịu lực của giàn mô phỏng giúp việc lắp đặt và điều chỉnh vị trí các bộ truyền động dễ dàng và nhanh chóng.
Hình 3.17 Bố trí các mô phỏng chuyển động và hoàn thiện giàn mô phỏng lái xe.
Trường hợp xe tăng tốc
Xét trong khoảng thời gian khi xe tăng tốc từ 1 phút 00 giây đến 1 phút 05 giây:
Vị trí bàn đạp ga thay đổi từ khoảng 0% ở thời điểm 1 phút 00 giây lên 70% ga ở thời điểm 1 phút 05 giây, cho thấy người lái đang tăng tốc mạnh Ở trường hợp này vị trí phanh giữ nguyên ở mức 0% và góc lái cũng dao động ở mức 0 độ nên các yếu tố này không ảnh hưởng đáng kể đến sự thay đổi chuyển vị của khối lượng được treo Trong khoảng thời gian này vận tốc của xe thay đổi từ khoảng 0 km/h lên 58.5 km/h.
Hình 4.4 Chuyển vị của khối lượng được treo trong trường hợp tăng tốc
Hình 4.5 Phản ứng nghiêng về phía sau khi tăng tốc của bộ chấp hành
Theo biểu đồ Hình 4.4, ta có thể thấy hành trình treo của hai bánh trước có sự thay đổi khá giống nhau do sự phân bố đều tải trọng và tương đồng hệ thống treo Điều này cũng tương tự đối với hai bánh sau
Giá trị suspension travel ban đầu của hai bánh trước khi bắt đầu tác dụng bàn đạp ga là khoảng 159 mm, giảm xuống 126 mm khi xe tăng tốc sau 2 giây và tăng dần lên khoảng 155mm cho tới khi thả bàn đạp ga (1 phút 05 giây)
Tương tự, giá trị suspension travel của hai bánh sau là khoảng 73 mm trước khi đạp ga, tăng lên khoảng 100mm sau khi xe tăng tốc được 2 giây và giảm xuống còn khoảng 80 mm khi thả bàn đạp ga (1 phút 05 giây)
Từ những dữ liệu của trường hợp trên, trên ta có thể nhận xét: Trong trường hợp tăng tốc nhanh, lực quán tính đẩy trọng lượng xe về phía sau, làm giảm tải trọng lên hệ thống treo trước và tăng tải trọng lên hệ thống treo sau Việc tăng tốc này là tác nhân gây ra sự thay đổi chuyển vị hệ thống treo tại các bánh xe:
- Đối với cầu trước (FL và FR): Hệ thống treo trước giãn ra do giảm tải trọng Điều này thể hiện qua việc giá trị suspension travel của FL và FR giảm xuống sau đó tăng lên lại vị trí ổn định nhờ tác dụng đàn hồi của hệ thống treo
- Cầu sau (RL và RR): Hệ thống treo sau nén lại do tăng tải trọng Điều này thể hiện qua việc giá trị suspension travel của RL, RR tăng lên và cũng trở lại vị trí ổn định ngay sau đó nhờ tác đụng đàn hồi của hệ thống treo
Sự thay đổi tăng lên giảm xuống ngược chiều của hành trình treo xét ở hai cầu xe trong trường hợp tăng tốc là nguyên nhân gây ra hiện tượng nghiêng thân xe với xu hướng đầu xe nâng cao và đuôi xe hạ thấp (Pitch) Phân tích trường hợp này cho thấy mối quan hệ trực tiếp giữa việc tăng tốc và sự thay đổi hành trình treo, đồng thời minh họa cách hệ thống treo phản ứng để duy trì độ ổn định và kiểm soát xe trong quá trình tăng tốc.
Trường hợp khi xe phanh
Xét trong khoảng thời gian khi xe giảm tốc từ 0 phút 44 giây đến 0 phút 48 giây:
Vị trí bàn đạp phanh thay đổi từ khoảng 0% ở thời điểm 0 phút 44 giây lên 100% phanh cho tới hết 0 phút 48 giây, cho thấy người lái đang phanh rất đột ngột Ở trường hợp này vị trí bàn đạp ga được giữ nguyên ở mức 0% và góc lái cũng dao động ở mức
0 độ nên các yếu tố này không ảnh hưởng đáng kể đến sự thay đổi của hành trình treo Trong khoảng thời gian này vận tốc của xe thay đổi từ khoảng 93 km/h xuống còn 0 km/h
Hình 4.6 Chuyển vị của khối lượng được treo trong trường hợp phanh
Hình 4.7 Phản ứng nghiêng về chúi về phía trước khi xe phanh gấp ở tốc độ cao của bộ chấp hành
Theo biểu đồ Hình 4.6, ta có thể thấy hành trình treo của hai bánh trước có sự thay đổi khá giống nhau do sự phân bố đều tải trọng và tương đồng hệ thống treo Điều này cũng tương tự đối với hai bánh sau
Giá trị suspension travel ban đầu của hai bánh trước khi bắt đầu tác dụng bàn đạp phanh là khoảng 148 mm và tăng đột ngột lên 183 mm trong khoảng 1 giây phanh đầu tiên, sau đó tăng giảm lên xuống trong quá trình phanh và giảm xuống còn khoảng
170 mm ở thời điểm 0 phút 48 giây
Giá trị suspension travel ban đầu của hai bánh sau khi bắt đầu tác dụng bàn đạp phanh là khoảng 80mm và tăng đột ngột lên 92 mm trong khoảng 1 giây phanh đầu tiên, sau đó tăng giảm lên xuống trong quá trình phanh và giảm xuống còn khoảng
75 mm ở thời điểm 0 phút 48 giây
Từ những dữ liệu của trường hợp trên, trên ta có thể nhận xét: Trong trường hợp phanh đột ngột ở tốc độ cao, lực quán tính đẩy trọng lượng xe về phía trước, làm tăng tải trọng lên hệ thống treo trước và giảm tải trọng lên hệ thống treo sau Đây là tác nhân gây ra sự thay đổi chuyển vị hệ thống treo tại các bánh xe:
- Đối với cầu trước (FL và FR): Hệ thống treo trước nén lại do tăng tải trọng tác dụng Điều này thể hiện qua việc giá trị suspension travel của FL và FR tăng lên đột ngột, sau đó trở về vị trí ổn định nhờ tác dụng đàn hồi của hệ thống treo
- Đối với cầu sau (RL và RR): Hệ thống treo sau dãn ra do giảm tải trọng Điều này thể hiện qua việc giá trị suspension travel của RL, RR giảm xuống và cũng trở lại vị trí ổn định ngay sau đó nhờ tác đụng đàn hồi của hệ thống treo
Sự thay đổi tăng lên giảm xuống ngược chiều của hành trình treo xét ở hai cầu xe trong trường hợp giảm tốc là nguyên nhân gây ra hiện tượng nghiêng thân xe với xu hướng đầu xe nâng cao và đuôi xe hạ thấp (Pitch) Tuy nhiên biên độ thay đổi của các giá trị này ở các bánh xe ở hai cầu có sự khác nhau (+35 đối với hai bánh trước và -12 đối với hai bánh sau) do có sự khác biệt giữa cấu tạo và thông số của hệ thống treo (hệ thống treo ở các bánh trước mềm hơn nên dịch chuyển với biên độ lớn hơn)
Phân tích này cho thấy cách hệ thống treo phản ứng với tình huống phanh gấp, giúp duy trì độ ổn định và kiểm soát xe khi thực hiện các thao tác phanh mạnh.
Trường hợp xe quay vòng
Xét trong khoảng thời gian khi xe quay vòng từ 1 phút 00 giây đến 1 phút 05 giây:
Góc lái thay đổi từ 0 đến 42 độ (rẽ phải) sau đó trở về 0 trong khoảng thời gian từ 1 phút 00 giây đến 1 phút 05 giây Ở trường hợp này vị trí phanh và chân ga được giữ nguyên ở mức 0%, xe chuyển động đều với tốc độ khoảng 100km/h nên các yếu tố này không ảnh hưởng đáng kể đến sự thay đổi của hành trình treo
Hình 4.8 Chuyển vị của khối lượng được treo trong trường hợp quay vòng
Hình 4.9 Phản ứng nghiêng về bên trái khi quay vòng sang phải của bộ chấp hành
Theo biểu đồ Hình 4.8, ta có thể thấy hành trình treo của hai bánh bên phải có xu hướng thay đổi khá giống nhau và ngược lại với xu hướng thay đổi hành trình treo của hai bánh xe bên phía tay trái:
- Giá trị suspension travel của hai bánh bên trái (màu đỏ và hồng) có giá trị khoảng 157 mm tại thời điểm bắt đầu đánh lái sau đó tăng dần lên tới khoảng 184 mm (đối với bánh trước bên trái) và tăng từ 75 mm tới khoảng 100 mm đối với bánh sau bên trái
- Giá trị suspension travel của hai bánh bên phải (màu xanh dương đậm và nhạt) có giá trị trung bình khoảng 153 mm tại thời điểm bắt đầu đánh lái sau đó giảm dần lên còn khoảng 121 mm (đối với bánh trước bên trái) và giảm từ 71 mm còn khoảng
30 mm đối với bánh sau bên phải
Từ những dữ liệu của trường hợp trên, trên ta có thể nhận xét: Trong trường hợp quay vòng ở tốc độ cao, lực quán tính đẩy trọng lượng xe nghiêng về phía ngược hướng với hướng rẽ, làm giảm tải trọng tác dụng lên hai bên bánh xe, biểu hiện qua việc giảm hành trình treo ở hai bánh bên trái và tăng hành trình treo ở hai bánh bên phải Sự thay đổi tải trọng này là tác nhân gây ra sự thay đổi chuyển vị hệ thống treo tại các bánh hai bên xe:
- Đối với hai bánh bên trái: Hệ thống treo nén lại do tăng tải trọng tác dụng, điều này thể hiện qua sự tăng lên của giá trị suspension travel ở hai bánh bên trái Sự tăng lên này có biên độ không giống nhau (+27 đối với FL và +25 đối với RL) do có sự khác nhau giữa các hệ số và cấu tạo của hệ thống treo trước và sau xe
- Đối với hai bánh bên trái: Hệ thống treo nén lại do tăng tải trọng tác dụng, điều này thể hiện qua sự tăng lên của giá trị suspension travel ở hai bánh bên trái Tương tự, biên độ giảm dần của suspension travel ở hai bánh bên phải cũng khác nhau (-32 đối với FR và -41 đối với RR) do có sự khác nhau giữa các hệ số và cấu tạo của hệ thống treo trước và sau xe
Sự thay đổi tăng lên giảm xuống ngược chiều của hành trình treo xét ở các bánh hai bên xe trong trường hợp tăng tốc là nguyên nhân gây ra hiện tượng nghiêng thân xe với xu hướng một bên thân xe bị ghì xuống trong khi bên con lại được nâng lên (Roll) Phân tích trường hợp này cho thấy mối quan hệ trực tiếp giữa việc thay đổi góc lái tới sự thay đổi hành trình treo, đồng thời minh họa cách hệ thống treo phản ứng trong trường hợp quay vòng, từ đó xem xét độ ổn định và khả năng kiểm soát xe trong quá trình vào cua