luận văn, nghiên cứu mô phỏng chuyển động của ôtô con khi phanh trên đường vòng

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Hồ Hữu Hải. Luận văn được thực hiện tại Bộ môn ôtô và xe chuyên dụng, Viện cơ khí động lực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Hà Nội, ngày 21 tháng 04 năm 2014 Học viên cam đoan i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………… i MỤC LỤC…………………………………………………………………………… ii CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN…………………………………iii 1 1 MỤC LỤC 1 LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3 CHƯƠNG 2 9 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB - SIMULINK 9 CHƯƠNG 3 44 MÔ PHỎNG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP CHUYỂN ĐỘNG ĐIỂN HÌNH 44 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 1 71 TRƯỜNG HỢP 1: v = 10(m/s), lực bàn đạp 280 (N), βvl = 1200 71 TRƯỜNG HỢP 2: v = 10(m/s), lực bàn đạp 280 (N), βvl = 1800 76 PHỤ LỤC 2 81 TRƯỜNG HỢP 1: βvl=1200, lực bàn đạp 490(N), v = 15(m/s) 81 TRƯỜNG HỢP 2: βvl=1200, lực bàn đạp 490(N), v = 20(m/s) 86 PHỤ LỤC 3 91 TRƯỜNG HỢP 1: βvl = 600, v = 20(m/s), lực bàn đạp phanh là 490(N) 91 TRƯỜNG HỢP 2: βvl = 600, v = 20(m/s), lực bàn đạp phanh là 700(N) 96 ii CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN Ký hiệu Ý nghĩa (Tên gọi) Đơn vị a Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm m b Khoảng cách từ tâm cầu sau đến trọng tâm m B Chiều rộng cơ sở của xe m L Chiều dài cơ sở của xe m m Khối lượng xe khi đầy tải Kg m 0 ’ Khối lượng phần được treo Kg m t Khối lượng phần không được treo cầu trước Kg m s Khối lượng phần không được treo cầu sau Kg h g Chiều cao trọng tâm xe m h t Chiều cao trong tâm phần không được treo cầu trước m h s Chiều cao trong tâm phần không được treo cầu sau m G Trọng lượng của xe Kg g Gia tốc trọng trường m/s 2 a y Gia tốc bên m/s 2 iii a x Gia tốc dọc m/s 2 a h Gia tốc hướng tâm m/s 2 J z Mô men quán tính ô tô quanh trục thẳng đứng Kg.m M k Mô men kéo N.m M p Mô men phanh N.m Z i Tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe N r b Bán kính làm việc bánh xe M v Vận tốc dọc của xe m/s p t Khoảng cách từ tâm nghiêng ngang cầu trước đến mặt đường M p s Khoảng cách từ tâm nghiêng ngang cầu sau đến mặt đường M i h Tỷ số truyền của hệ thống lái C t ψ Độ cứng chống nghiêng ngang cầu trước N/rad i Chỉ số các bánh xe dẫn hướng C s ψ Độ cứng chống nghiêng ngang cầu sau N/rad α Góc lệch bên bánh xe Rad iii ε Góc quay thân xe Rad β vl Góc quay vành lái Rad β 1 Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước bên trái Rad β 2 Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước bên phải Rad ψ Góc nghiêng thân xe Rad φ x Hệ số bám dọc φ y Hệ số bám ngang 2WS Hệ thống lái 2 bánh xe dẫn hướng iii LỜI NÓI ĐẦU Nước ta với nền kinh tế tăng trưởng, hội nhập và phát triển, số lượng ôtô nhập khẩu, lắp ráp trong nước ngày càng nhiều đặc biệt là xe con, xe du lịch và xe bus. Thị trường ôtô Việt Nam là một thị trường đầy tiềm năng, sức mua lớn với nhu cầu cao, dự báo doanh số bán cả năm 2014 tăng 9% lên 120.000 chiếc của toàn thị trường. Số lượng ôtô tăng nhanh dẫn đến mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn. Chất lượng đường bộ ngày càng được nâng cao, các ôtô được thiết kết với công suất lớn, tốc độ cao đòi hỏi phải có tính ổn định chuyển động cao nhằm nâng cao tính an toàn chuyển động. Khi ô tô chuyển động nó sẽ chịu rất nhiều tác động từ phía người lái như phanh, quay vô lăng hay ga… Ngoài những tác động của người lái thì các yếu tố khách quan từ ngoại cảnh như chất lượng mặt đường, gió…và các yếu tố bất ngờ khác sẽ ảnh hưởng rất lớn đến an toàn khi xe lưu thông. Khi phanh các xe thường mất ổ định và có thể bị trượt ngang gây tai nạn. Việc nghiên cứu quỹ đạo chuyển động và tính ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu nhằm nâng cao tính ổn định chuyển động của ôtô. Với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu, học tập, giảng dạy ở các trường Đại học, Cao đẳng và Trung tâm nghiên cứu chuyên ngành…, đề tài: “ Nghiên cứu mô phỏng chuyển động của ôtô con khi phanh trên đường vòng” được thực hiện. Để nghiên cứu chuyển động của ôtô ta có thể sử dụng các phương pháp khác nhau như: - Dựng thực nghiệm trên các bãi lớn (polygon) - Dựng mô tả toán học - Dựng mô hình đồng dạng trên sa bàn. Việc mô tả bằng toán học có nhiều thuận lợi, có thể đánh giá độc lập các yếu tố, để tối ưu hóa về mặt kết cấu. Các kết quả tính toán đều phải qua thực nghệm trên cơ sở đó đánh giá tính đúng đắn của mô hình khảo sát. 1 Đề tài đã chọn phương pháp khảo sát mô hình toán học với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng matlab simulink. Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Hồ Hữu Hải và các thầy trong bộ môn, Viện Đào tạo sau đại học và các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã được thực hiện tại bộ môn Ôtô và xe máy chuyên dụng – Viện cơ khí động lực Trường ĐHBK Hà Nội. Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn cũng như sự góp ý quý báu để bản luận văn được hoàn thành, rất mong tiếp tục nhận được sự góp ý, bổ xung để luận văn được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày 21 tháng 04 năm 2014 Tác giả Vũ Thế Truyền 2 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Yêu cầu thực tế 1.1.1. Tai nạn giao thông Tai nạn giao thông (TNGT) đã có từ rất lâu trong lịch sử dưới nhiều hình thức khác nhau. Tuy nhiên hiện tại vẫn chưa có một định nghĩa thật chính xác có thể lột tả hết những đặc tính của nó. Về cơ bản tai nạn giao thông có những đặc tính như sau: - Được thực hiện bằng những hành vi cụ thể - Gây ra thiệt hại nhất định về tính mạng, sức khỏe con người, vật, tài sản. - Chủ thể trực tiếp thực hiện hành vi cuối cùng trong vụ tai nạn giao thông cụ thể phải là đối tượng đang tham gia vào hoạt động giao thông. - Xét về lỗi, chỉ có thể là lỗi vô ý hoặc là không có lỗi, không thể là lỗi cố ý. Năm 1896, tại Anh chiếc ôtô chạy thử đã sau khi xuất xưởng đã cán chết 2 người. Và 3 năm sau, ở Mỹ mới lại có một người chết do ôtô gây lên, từ đó những cái chết do phương tiện giao thông gây lên ngày một nhiều. Và ngày nay, TNGT đã trở nên phức tạp , đa dạng hơn rất nhiều, có thể là tai nạn ôtô, xe 2 bánh, tầu hỏa hay máy bay. Nó đang là một hiểm họa không chỉ riêng một quốc gia nào mà là của cả thế giới, tuy nhiên TNGT vẫn tập chung chủ yếu ở các nước đang phát triển và các nước kém phát triển, đặc biệt là các quốc gia ở châu A như: Trung Quốc, ấn Độ, Việt Nam, Thái Lan. Phổ biến nhất hiện nay ở phần lớn các quốc gia là tai nạn giao thông đường bộ, loại tai nạn này thường xảy ra đối với ôtô và xe gắn máy 2 bánh. Ngoài ra còn có các loại tai nạn giao thông khác như tai nạn giao thông đương sắt, tai nạn giao thông đường thủy và tai nạn giao thông đường hàng không. Theo báo cáo tình hình toàn cầu của WHO, tai nạn giao thông đang trở thành một vấn đề lớn về sức khỏe và phát triển con người trên thế giới. Trung bình mỗi năm trên toàn thế giới có tới 1,2 triệu người chết vì tai nạn giao thông và 50 triệu người bị thương. Còn tính riêng nước ta, từ 16/11/2011 đến 16/11/2012, toàn quốc đã xảy ra 3 36.376 vụ tai nạn giao thông, làm chết 9.838 người và bị thương 38.060 người. Những con số kinh hoàng đó tăng dần theo từng năm và vẫn chưa có dấu hiệu giảm . Việc không tuân thủ luật lệ giao thông và lái xe quá tốc độ, vượt ẩu, quay vòng ngoặt thường xuyên xảy ra trên khắp đất nước. Trong các vụ tai nạn giao thông gây tổn thất về người và tài sản chủ yếu là do ôtô. Ngày nay khi mà ôtô đã trở thành phương tiện chính dùng để đi lại và chuyên chở hàng hoá ở nước ta thì vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển của ôtô là rất quan trọng. Khi ôtô chuyển động nó sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố như người điều khiển, tác động của ngoại cảnh, các yếu tố ngẫu nhiên xảy ra trên đường. Người lái xe có thể thực hiện các thao tác để điều khiển xe như: tăng ga để tăng tốc xe, đạp phanh để giảm tốc độ, và đánh vô lăng để quay vòng. Các yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe cũng khác nhau. Xe có thể chạy trên các đường với các biên độ khác nhau. Khi xe chạy trên đường khác nhau thì hệ số bám của lốp xe và đường cũng khác nhau. Và khi xe chạy trên đường thì gió cũng là một yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe và còn nhiều yếu tố khác ảnh hưởng tới xe khi xe chuyển động . Một yếu tố ảnh hưởng khá nhiều đến xe và thường gây mất an toàn đó là các tác động ngẫu nhiên bất ngờ xảy ra trên đường như sự xuất hiện bất ngờ của các chướng ngại vật. Tất cả các yếu tố trên sẽ ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái chuyển động của xe và nó cũng ảnh hưởng tới mức độ an toàn của xe.Trong đó tính ổn định hướng của ôtô là yếu tố ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo chuyển động của xe, nguyên nhân chính gây ra các vụ tai nạn giao thông. Sự tăng trưởng tốc độ và mật độ chuyển động của ô tô đòi hỏi phải đảm bảo tính điều khiển ở mức độ cao nhằm hạn chế tối đa tai nạn giao thông xảy ra. 1.1.2. Nghiên cứu động lực học ôtô Nghiên cứu động lực học ôtô là tìm ra qui luật chuyển động của ôtô từ 4 đó xác định giới hạn an toàn, tìm sự tương thích giữa lái xe và xe, mở rộng khả năng điều khiển xe của lái xe. Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghệ ôtô thì những ôtô ra đời của thế hệ sau luôn có vận tốc lớn hơn và hướng tới giới hạn trượt vật lý (bánh xe có thể bị trượt). Ôtô ngày càng hoàn thiện về kết cấu tức khả năng thích ứng động lực học tốt hơn, ngày càng hướng tới an toàn động lực học, an toàn tích cực. Chỉ tiêu để đánh giá ôtô là vận tốc, gia tốc, quỹ đạo chuyển động, thông qua thông số chung để đánh giá là trạng thái quay vòng của xe. Bên cạnh đó hệ thống phanh là cơ cấu an toàn của ôtô, dùng để giảm tốc độ, dừng xe hoặc đỗ xe khi cần thiết theo yêu cầu của người lái. Nó là một trong những hệ thống chính và có ý nghĩa quan trọng bảo đảm sự ổn định của ôtô khi chuyển động. Một trong những vấn đề đặt ra là phải giải quyết vấn đề hoạt động của hệ thống phanh khi phanh trên các loại đường có hệ số bám thấp như đường trơn, ướt, đường cát, điều này dẫn đến bánh xe nhanh chóng bị bó cứng và mất ổn định. Khi phanh ôtô, nếu bánh xe trước bị bó cứng trước thì sẽ làm cho xe không thể chuyển hướng theo sự điều khiển của người lái; nếu bánh xe sau bị bó cứng trước, ôtô sẽ bị trượt ngang. Để có thể nâng cao hiệu quả phanh chúng ta phải xác định rõ các quan hệ nội hàm liên quan đến quá trình phanh. Điều đó chỉ có thể được xác định thông qua các mô hình động lực học của quá trình phanh; trong đó mô hình lốp là hạt nhân của mô hình vì các lực tương tác bánh xe sẽ quyết định đến các giá trị nội hàm và ảnh hưởng đến quãng đường phanh, ổn định phanh và ổn định dẫn hướng. Để giảm thiểu tai nạn giao thông do ôtô gây ra ngoài việc nâng cao trình độ, kỹ thuật, ý thức của người điều khiển, cần phải giảm thiểu các tai nạn do yếu tố kỹ thuật gây ra: kết cấu toàn bộ ôtô, tính điều khiển, các thiết bị an toàn bị động. Với tốc độ phát triển của khoa học công nghệ như ngày nay ngoài việc đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của các cụm tổng thành thì việc cải thiện tính điều khiển của ôtô đang được các nhà khoa học rất quan tâm. 5 [...]... lập mô hình toán học thích hợp từ đó xây xựng mô hình mô phỏng và mô phỏng lý thuyết trên máy tính quỹ đạo chuyển động cũng như khảo sát chuyển động của xe khi người lái thực hiện các thao tác phanh và phanh khi quay vòng của xe ô tô con 8 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB - SIMULINK 2.1 Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học của ôtô 2.1.1 Mô hình phẳng Mô. .. việc nghiên cứu mô phỏng lý thuyết chuyển động của ôtô con khi phanh trên đường vòng với quỹ đạo là những cung đường cong không quá một phần tư đường tròn với vận tốc không lớn 1.3.4 Phương pháp nghiên cứu Việc nghiên cứu đề tài có thể tiến hành nhiều cách như: - Khảo sát trên mô hình thực với bãi thí nghiệm lớn - Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn - Dùng mô tả toán học và mô phỏng bằng các công cụ trên. .. bàn đạp phanh nhằm xác định các trạng thái chuyển động của ôtô trong các điều kiện thực tế 1.2.Các đề tài nghiên cứu về phanh và quỹ đạo chuyển động của ôtô con Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng” – Do PGS.TS Hồ Hữu Hải, trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn – Sinh viên thực hiện Lê Ngọc Trung, năm 2008 Mô phỏng và nghiên cứu quá trình động lực học của hệ thống phanh thủy... ôtô khi phanh trên đường vòng chỉ căn cứ vào các quan hệ hình học thì chưa đủ, cần thiết phải kể đến ảnh hưởng của hệ thống phanh, hệ thống lái và các đặc tính biến dạng của bánh xe cao su đàn hồi, thông số kết cấu của xe Từ yêu cầu thực tế trên dẫn đến yêu cầu phải xây dựng một mô hình động lực học tổng quát có thể mô tả chuyển động của ô tô khi phanh trên đường vòng có tính đến ảnh hưởng của góc... x32 µ − ( x32 − x0 )k mf  dt ms   1 → x32 = ms → x32 = ∫ x32 dt (2-54) 2.1.4.3 Mô hình mô phỏng cơ cấu phanh bánh xe Cơ cấu phanh đĩa gồm xy lanh công tác và má phanh, đĩa phanh Trên mô hình mô phỏng ta xét cơ cấu phanh đĩa a Mô hình mô phỏng xy lanh công tác 25 Hình 2-13 Mô hình mô phỏng cơ cấu phanh đĩa Từ mô hình trên ta lập các công thức tính toán: Pxl1 = ∫ K ( Q11 − S xl1.2 x1 − Q1t ) dt + P0t... cung đường cong không quá một phần tư đường tròn Với nội dung nghiên cứu trên đề tài được trình bày trong 3 chương và phần kết luận đánh giá các kết quả Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học và mô hình mô phỏng trong môi trường Matlap - simulink 7 Chương 3: Khảo sát phản ứng của xe khi lái xe thực hiện thao tác điều khi n phanh và quay vòng. . .Khi nghiên cứu quá trình phanh của ôtô, từ trước đến nay khi tính toán các thông số kết cấu, những nhân tố ảnh hưởng đến khả năng phanh của ôtô, chưa tính đến biến dạng của lốp xe cho nên giữa bánh xe và mặt đường không có hiện tượng trượt, lúc này các quan hệ giữa các thông số chỉ là các quan hệ đơn thuần về mặt hình học Như vậy, qua các phân tích trên để nghiên cứu quá trình chuyển động của ôtô khi. .. ép ép má phanh với đĩa phanh (N) Fp = k (x –x0) (2-59) x : độ dich chuyển của piston, xy lanh công tác cơ cấu phanh (m) 27 x0 : độ dich chuyển ban đầu của piston, xy lanh công tác để khắc phục khe hở giữa hai má phanh với đĩa phanh của cơ cấu phanh (m) k : độ cứng của vật liệu làm má phanh (N/m2) 2.1.5 Mô hình mô phỏng bánh xe 2.1.5.1 Các chế độ làm việc của bánh xe Khi bánh xe lăn trên mặt đường xảy... bộ điều khi n điện tử và mô phỏng hệ thống phanh có ABS trên ô tô du lịch”, trường đại học Bách Khoa Hà Nội, do sinh viên Lại Năng Vũ thực hiện năm 2007 1.3 Mục tiêu, nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài 1.3.1 Mục tiêu Từ cơ sở đặt vấn đề ở trên, đề tài tập trung vào khảo sát động lực học của ôtô con khi phanh trên đường vòng với các giả thiết quan trọng nhằm mục đích: - Lập mô hình... vòng ở những cung đường cong không quá một phần tư đường tròn Kết luận và đánh giá các kết quả Kết quả của đề tài có thể làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về ổn định hướng chuyển động của ôtô khi phanh trên đường vòng, làm tài liệu giảng dạy cho các trường đại học và cao đẳng, trung tâm đào tạo nghề 1.3.3 Phạm vi nghiên cứu Do hạn chế về mặt thời gian, kinh phí và tính phức tạp của hệ trục tọa độ . lượng nghiên cứu, học tập, giảng dạy ở các trường Đại học, Cao đẳng và Trung tâm nghiên cứu chuyên ngành…, đề tài: “ Nghiên cứu mô phỏng chuyển động của ôtô con khi phanh trên đường vòng được. phức tạp của hệ trục tọa độ quy chiếu nên đề tài mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu mô phỏng lý thuyết chuyển động của ôtô con khi phanh trên đường vòng với quỹ đạo là những cung đường cong không quá. và phanh khi quay vòng của xe ô tô con. 8 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB - SIMULINK 2.1. Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học của ôtô 2.1.1. Mô