Nghiên cứu và mô phỏng động lực học quay vòng của xe ô tô nhiều cầu chủ động

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế đó tôi đã lựa chọn đề tài „Nghiên cứu và mô phỏng động lực học quay vòng của xe ô tô nhiều cầu chủ động‟.. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘNG LỰC HỌC QUAY V

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THÀNH TRUNG

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG

CỦA XE Ô TÔ NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 605246

S K C0 0 4 3 9 3

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: Phạm Thành Trung Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/08/1984 Nơi sinh: Nam Định

Quê quán: Nam Định Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 1/161 Đường Đình Phong Phú, Quận 9, Tp.HCM

Điện thoại: Điện thoại nhà riêng:

Fax: Email: phamthanhtrung208@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …/… đến …/ ……

Người hướng dẫn: PGS Phạm Hữu Nam

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 9/2009 ÷ 8/2014 Trường Trung Cấp GTVT Miền Nam Giảng viên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 08 năm 2014

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

đã cho tôi nhiều kinh nghiệm trong thời gian thực hiện đề tài

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh và Trường Đại Học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh

đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Mặc dù đã cố gắng tiếp thu nhiều kiến thức từ các thầy cô và cập nhật thêm nhiều tài liệu liên quan nhưng do trình độ hạn chế và thời gian thực hiện ngắn cho nên luận văn không thể nào tránh được những sai sót Rất mong nhận được sự góp ý của quý Thầy Cô và các bạn đọc để đề tài được hoàn thiện hơn

Tp HCM ngày 20 Tháng 8 năm 2014 Học viên : Phạm Thành Trung

TÓM TẮT

Để nhằm mục đích nâng cao tính chất động lực học quay vòng của ô tô nhiều cầu chủ động Thì việc nghiên cứu về quỹ đạo chuyển động của ô tô đối với Việt Nam hiện nay là rất cần thiết, nó là cơ sở để đánh giá chất lượng của các loại ô tô nhập vào Việt Nam, đồng thời là cơ sở để đánh giá chất lượng của các loại ô tô khi cải tiến, lắp ráp Xuất phát từ những yêu cầu thực tế đó tôi đã lựa chọn đề tài

„Nghiên cứu và mô phỏng động lực học quay vòng của xe ô tô nhiều cầu chủ động‟

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn cho nên người nghiên cứu thực hiện được các phần chính sau:

Chương I TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI

Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương III KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG CỦA Ô TÔ NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG

Chương IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG CỦA XE NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG

Chương V: MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG XE Ô TÔ

Ưu điểm của đề tài có tính thực tiễn cao Người nghiên cứu đã quan tâm đến các các yếu tố ảnh hưởng tới động lực học quay vòng của xe nhiều cầu chủ động Đây cũng là mục đích chính của đề tài

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài i

Lý lịch cá nhân ii

Lời cam đoan iii

Cảm tạ iv

Mục lục vi

Danh sách các hình xi

Danh sách bảng xiv

Chương I TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn của đề tài 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Các kết quả nghiên cứu 3

Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Lực và moment tác dụng lên bánh xe bị động 4

2.2 Lực và moment tác dụng lên bánh xe chủ động 5

2.3 Quan hệ động học của bánh xe khi lăn 8

2.3.1 Bánh xe lăn không trượt 8

2.3.2 Bánh xe lăn có trượt quay 9

2.3.3 Bánh xe lăn có trượt lết 9

2.4 Đặc tính bám của xe nhiều cầu chủ động 10

2.4.1 Lực bám và hệ số bám giữa bánh xe chủ động với mặt đường 10

2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám và các giá trị của hệ số bám 12

2.4.3 Đặc tính trượt, các yếu tố ảnh hưởng đến trượt 15

2.4.4 Đặc tính hướng, các yếu tố ảnh hưởng đến hướng 17

2.5 Dòng công suất trên bánh xe chủ động 19

2.6 Phân phối công suất dùng vi sai 21

2.6.1 Nhiệm vụ của vi sai 22

2.6.2 Quan hệ Mô men phân phối trên cầu của xe ô tô 22

2.7 Phân phối công suất không có vi sai 24

2.8 Các quan hệ động học và mô men 25

Chương III KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG CỦA Ô TÔ NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG 29

3.1 Hệ trục tọa độ khảo sát 29

3.2 Động học quay vòng của ô tô 32

3.3 Xác định bán kính quay vòng nhỏ nhất Và chiều rộng hành lang quay vòng 34

3.4 Sơ đồ mô hình phẳng động lực học Chuyển động quay vòng của ôtô nhiều cầu 36

3.5 Xây dựng phương trình quay vòng Tổng quát của xe ô tô nhiều cầu chủ động 39

3.5.1 Phương trình chuyển động khi Quay vòng của ô tô một cầu chủ động 40

3.5.2 Phương trình chuyển động khi Quay vòng của ô tô hai cầu chủ động 41

3.5.3 Phương trình chuyển động khi quay vòng của ô tô ba trục 42

Chương IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG CỦA XE NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG 44

4.1 Góc lệch hướng của bánh xe đàn hồi 44

4.2 Lực tác dụng lên bánh xe khi quay vòng 45

4.3 Ảnh hưởng của cầu chủ động tới tính chất quay vòng của ô tô 47

4.4 Ảnh hưởng của hệ số bám  48

4.5 Ảnh hưởng của lực li tâm 50

4.6 Ổn định chuyển động của ô tô khi quay vòng 52

4.6.1.Ổn định chuyển động của ô tô hai cầu khi quay vòng 53

4.6.1.1 Trường hợp quay vòng trung tính 53

4.6.1.2 Trường hợp quay vòng thiếu 54

4.6.1.3 Trường hợp quay vòng thừa 55

4.6.1.4.Ổn định chuyển động của ô tô ba trục khi quay vòng 56

4.7 Ổn định ngang khi ô tô nhiều cầu quay vòng 58

4.8 Ổn định ngang của ô tô khi có tính đến biến dạng của Bộ phận đàn hồi hệ thống treo và biến dạng của lốp ô tô 61

Chương V: MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG XE Ô TÔ 64

5.1.Xây dựng chương trình mô phỏng ô tô hai cầu chủ động 64

5.1.1 Phương trình mô phỏng quỹ đạo một vết của ô tô hai cầu chủ động 64

5.1.2 Thông số đầu vào ban đầu của ô tô được sử dụng đưa vào Phần mền matlap giải phương trình vi phân 64

5.1.3.Quỹ đạo chuyển động của ô tô được mô tả bằng phần mền matlap 68

5.1.4 Quỹ đạo chuyển động của ô tô khi thay đổi vận tốc 70

5.1.6 Đồ thị góc lệch hướng Anpha và Beta, Epselon 72

5.2 Phương trình chuyển động khi quay vòng của ô tô ba trục 72

5.2.1 Thông số đầu vào ban đầu của ô tô được sử dụng đưa vào Phần mền matlap giải phương trình vi phân 73

5.2.2 Quỹ đạo chuyển động của ô tô ba trục 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 82

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động khi lăn 4

Hình 2.2: Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động khi lăn 6

Hình 2.3 : Các trạng thái chuyển động của bánh xe 7

Hình 2.4 : Bánh xe lăn không trượt 8

Hình 2.5: Bánh xe lăn có trượt quay 9

Hình 2.6: Bánh xe lăn có trượt lết 10

Hình 2.7.Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám 12

Hình 2.8: Đặc tính trượt toàn bộ của lực Fk và X 16

Hình 2.9: Sự lăn của bánh xe đàn hồi khi chịu tác dụng của lực ngang 17

Hình 2.10 : Góc lệch hướng của bánh xe khi chịu tác dụng của lực ngang 18

Hình 2.11 : Dòng công suất trên bánh xe chủ động 19

Hình 2.12 : Sơ đồ truyền lực xe nhiều cầu chủ động 22

Hình 2.13 : Các sơ đồ phân phối công suất không có vi sai 25

Hình 2.14 : Đặc tính trượt của bánh kính lăn 28

Hình 3.1: Hệ trục tọa độ tác dụng lên ô tô 29

Hình 3.2 : Quan hệ động học của ô tô trong mô hình phẳng 30

Hình 3.3 : Sơ đồ quay vòng của ô tô 32

Hình 3.4 : Sơ đồ mối quan hệ động học quay vòng ô tô 33

Hình 3.5 : Sơ đồ xác định bán kính quay vòng nhỏ nhất và Chiều rộng hành lang quay vòng 35

Hình 3.6: Sơ đồ mô hình khảo sát chuyển động Quay vòng của ô tô nhiều cầu 37

Hình 4.1: Sơ đồ tổng quát tác dụng của lực ngang Fy 44

Hình 4.2: Lực tác dụng lên bánh xe khi quay vòng 45

Hình 4.3: Biểu đồ lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe 47

Hình 4.4: Sơ đồ khảo sát ảnh hưởng của cầu chủ động tới quay vòng 48

Hình 4.5: Hiệu suất riêng vi sai và khả năng tận dụng bám 49

Hình 4.6 :Sơ đồ xác định bán kính quay vòng của ô tô hai cầu 52

Hình 4.7 : Sơ đồ chuyển động của ô tô có tính chất quay vòng trung tính… 54 Hình 4.8 : Sơ đồ chuyển động của ô tô có tính chất quay vòng thiếu 54

Hình 4.9 : Sơ đồ chuyển động của ô tô có tính chất quay vòng thừa 55

Hình 4.10 : Sơ đồ xác định bán kính quay vòng của ô tô 3 trục 56

Hình 4.11: Sơ đồ khảo sát ổn định ngang của

Ô tô khi quay vòng trên đường 59

Hình 4.12: Sơ đồ khảo sát ổn định ngang của ô tô khi chuyển động Quay vòng trên đường nghiêng 61

Hình 5.1: Quỹ đạo chuyển động của ô tô 68

Hình 5.2 : Quỹ đạo chuyển động của ô tô khi thay đổi vận tốc 71

Hình 5.3 Lực ngang Y và góc lệch hướng α 71

Hình 5.4: Đồ thị góc lệch hướng Anpha và Beta, Epselon 72

Hình 5.6: Quỹ đạo chuyển động của xe ô tô 3 trục 76

Hình 5.7: Đồ thị mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô khi Thay đổi góc đánh lái 77

Hình 5.8: Đồ thị mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô khi thay đổi vận tốc 78

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các loại hệ số cản lăn trên các loại đường khác nhau 14

Bảng 2.2 : Qui ước về dấu của mô men và tốc độ góc các phần tử vi sai 23

Bảng 3.1 : Bán kính quay vòng nhỏ nhất của một số lại ô tô 36

Bảng 4.1 : Đồ thị lực ngang và độ cứng lốp xe góc lệch 45

Đối với ngành công nghiệp ô tô của nước ta đang trong quá trình hình thành

và phát triển, trong những năm vừa qua đã đạt được nhiều kết quả khả quan Mặc dù nước ta chưa sản xuất được hoàn toàn ô tô và đang sử dụng các dây truyền lắp ráp của nước ngoài,song chủ trương của đất nước ta hiện nay là tăng tỷ lệ nội địa hóa trong các sản phẩm, bước đầu nước ta đã có được thành công trong các hãng xe như Trường Hải Để đạt được những mục tiêu này chúng ta cần quan tâm nghiên cứu sâu hơn về các cụm chi tiết, các bộ phận trong cụm chi tiết, các hệ thống cũng như điều kiện làm việc của ô tô để có thể có những giải pháp kỹ thuật can thiệp sâu hơn vào các hệ thống nhằm phát huy được đặc tính tối ưu của hệ thống

Nghiên cứu và mô phỏng động lực học quay vòng của xe ô tô nhiều cầu chủ động là bài toán cơ bản của lý thuyết ô tô nhằm đánh giá cũng như xác định được khả năng khai thác ô tô trong điều kiện khác nhau Động lực học quay vòng của ô tô

là vấn đề không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu, nhất là trong thời gian gần đây

sự gia tăng mạnh về hệ thống đường giao thông và mật độ ô tô cũng ngày một tăng

do đó cần phải đảm bảo tính điều khiển của ô tô ở mức độ cao nhằm hạn chế tối đa

Đặc tính địa hình của lãnh thổ Việt Nam được nổi bật bởi sự tương phản

giữa các đồng bằng châu thổ thuộc ven biển phía đông, và những rặng núi hiểm hóc dọc theo biên giới phía tây Núi và cao nguyên của nước Việt Nam chiếm khoảng 73% diện tích toàn thể (252.000 Km2 trong số 331.000 Km2 diện tích toàn quốc).Núi và cao nguyên Việt Nam chịu ảnh hưởng ở sự cấu tạo địa chất, hiện tượng địa động, và tình trạng xâm thực, cho nênmỗi miền mang một sắc thái khác nhau

1.2 Mục tiêu của đề tài

Bắt nguồn từ những yêu cầu được nêu ra ở trên, đề tài đã đặt ra đối tượng và mục đính nghiên cứu của đề tài là xây dựng cơ sở lý thuyết động học và động lực học để đánh giá khả năng quay vòng của ô tô vì thế đề tài có mục tiêu là: “Nghiên

cứu và mô phỏng động lực học quay vòng của xe ô tô nhiều cầu chủ động”

Nghiên cứu và mô phỏng động lực học quay vòng của xe ô tô nhiều cầu chủ động, để rút ra những đánh giá có tính khoa học về sự chuyển động quay vòng của

xe

Việc nghiên cứu đề tài nhằm bổ sung tư liệu nghiên cứu và làm cơ sở để lựa chọn tính toán thiết kế xe phù hợp trong điều kiện thực tế

1.3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn của đề tài

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, do kiến thức phần mền tin học có phần hạn chế, cho nên người nghiên cứu chỉ dừng lại ở nghiên cứu lý thuyết động lực học quay vòng của xe ô tô nhiều cầu chủ động và tính toán mô phỏng trên một loại xe thực tế

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Người nghiên cứu thực hiện phương pháp

+ Phương pháp phân tích lý luận

+ Phương pháp tra cứu tài liệu

+Phương pháp so sánh đánh giá

+ Phương pháp sử dụng phần mền Catia và Matlab để tính toán mô phỏng

1.5 Các kết quả nghiên cứu

Sau đây là một số đề tài điển hình:

Đề tài: “ Đặc tính quay vòng của xe du lịch” Của học viên Lê Đức Hiếu, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Hữu Nam, được thực hiện vào tháng 04 năm 2007 Đề tài đã thực hiện được việc nghiên cứu đặc tính quay vòng dưới ảnh hưởng của góc lệch hướng và sự biến dạng của lốp

Đề tài: “Nghiên cứu ổn định của thùng xe khi chuyển động thẳng và quay vòng của xe buýt hai tầng BHT89 đang sử dụng ở TPHCM” của học viên Cao Minh Đức, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, dưới sự hướng dẫn của TS Lâm Mai Long Đề tài tính toán góc nghiên của thùng xe của xe buýt 2 tầng khi chuyển động thẳng và quay vòng ổn định

Đề tài: “ Nghiên cứu động lực học chuyển động thẳng của xe nhiều cầu chủ động, các phương pháp phân phối công suất” của học viên Bùi Anh Tuấn, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, dưới sự hướng dẫn của TS Lâm Mai Long.Đề tài đã nghiên cứu tính toán các thông số động lực học chuyển động của ô

tô có tính đến trượt

Chương II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động

Để cho bánh xe có tải trọng 𝐹𝜀 có thể chuyển động được với vận tốc V ( hoặc

𝜔𝑘 thì tại ổ trục của nó phải có lực 𝐹𝜉 hướng theo chiều của V Hợp lực của 𝐹𝜀 và 𝐹𝜉

đi qua ổ trục và nghiêng một góc 𝛼, cắt mặt đường ở khoảng cách a Tại điểm này

có tác dụng của tất cả các phản lực của bánh xe với mặt đường X và Z

Hình 2.1: Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động khi lăn

Phản lực Z ngược hướng với tải trọng thẳng đứng trên bánh xe 𝐹𝜀 và bằng nó

về giá trị:

Phản lực X sẽ ngược chiều chuyển động của xe, tức là ngược chiều trục x và được coi là lực cản, đó chính là lực cản lăn, ký hiệu là 𝑂𝑓 Lực cản lăn được khắc phục bởi lực đẩy 𝐹𝜉, vì thế ta có phương trình:

Về mặt định lượng, lực cản lăn được mô tả bằng quan hệ:

Nếu chúng ta đặt trên bánh xe bị động một mô men chủ động 𝑀𝑘( cùng chiều

𝜔𝑘) và cân bằng với nó một cặp lực 𝐹𝑘, một điểm đặt tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường ( gọi là lực tiếp tuyết ) và một đặt tại tâm bánh xe ( là thành phần đẩy vào khung gây ra mô men chủ động 𝑀𝑘 ) Ta xẽ có quan hệ: