nghiên cứu thiết kế mô phỏng động lực học và ổn định của ô tô 1 cầu và 2 cầu chủ động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỖ SĨ HẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ CẦU VÀ CẦU CHỦ ĐỘNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 S K C0 7 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH **************** LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỖ SĨ HẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ CẦU VÀ CẦU CHỦ ĐỘNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Hướng dẫn khoa học: TS LÂM MAI LONG Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Đỗ Sĩ Hải Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 29/12/1987 Nơi sinh: Hớn Quản – Bình Phước Quê quán: Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: KP5 - Trảng Dài - Biên Hòa - Đồng Nai Điện thoại quan: Điện thoại di động: 0983273074 Fax: Email: dohaiauto@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …./… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 09/2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Ô tô Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu tính ổn định phanh loại xe Bus chạy thành phố Hồ Chí Minh Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 18/07/2011, Trường Đại học Công nghiệp Tp HCM Người hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Văn Phụng Trang i III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 1/2012 đến Trường Đại học Công nghệ Đồng Nai Giảng viên Trang ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 09 năm 2015 Đỗ Sĩ Hải Trang iii LỜI CẢM TẠ Trong thời gian học tập nghiên cứu chương trình đào tạo sau đại học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, em tiếp thu đúc kết nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn Với đề tài nghiên cứu hình thức luận văn thạc sĩ, em vận dụng kiến thức học để giải vấn đề thực tế Đề tài em nghiên cứu giải tính toán vấn đề động lực học ổn định ô tô, lần tiếp xúc nên em gặp nhiều khó khăn Với hướng dẫn tận tình thầy hướng dẫn GVC TS Lâm Mai Long hỗ trợ gia đình, bạn bè, đồng nghiệp Cho đến thời điểm luận văn em củng đạt kết mong muốn Đến đây, cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Ban Giám Hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM - Thầy GVC TS Lâm Mai Long - trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM - Quý thầy cô khoa Cơ Khí Động Lực - trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM - Gia đình, bạn bè đồng nghiệp Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, hỗ trợ động viên quý báu tất người Xin trân trọng cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2015 Học viên thực luận văn Đỗ Sĩ Hải Trang iv TÓM TẮT Đề tài: ”Nghiên cứu thiết kế mô động lực học ổn định ô tô cầu cầu chủ động” đề tài nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô Đề tài thực thời gian từ tháng 09/2014 đến 09/2015 Những tính toán mô thực trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Nội dung luận văn trình bày cách đầy đủ cô đọng lý thuyết bám, trượt phân phối công suất; thực tính toán mô phần mềm MATLAB/SIMULINK Kết tính toán mô dựa thông số đầu vào điều kiện thực tế mặt đường tình trạng hoạt động ô tô cầu, cầu chủ động Kết đề tài làm sở cho nghiên cứu giảng dạy ngành công nghệ ô tô Việt Nam Trang v ABSTRACT “Researching Dynamical Simulation Design and Stabilization of Two-wheel Drive and Four-wheel Drive” is a theoretical subject combined with simulation This research was conducted from Septemper 2014 to Septemper 2015 Computations and simulations were executed in Ho Chi Minh City University of Technology and Education The Thesis content with theory of traction-skid and power distribution was presented compactly Progress computation and simulation were completed with MATLAB/SIMULINK software The result of computation and simulation based on entry parameter was the road surface’s reality condition and operation state of two-wheel drive and four-wheel drive The result of subject sets a foundation for research and education purposes in Auto Technology Trang vi MỤC LỤC Trang tựa Lý lịch khoa học i Lời cam đoan iii Lời cảm tạ iv Tóm tắt .v Mục lục vii Danh sách chữ viết tắt x Danh sách hình xiii Danh sách bảng xv Chƣơng 1: TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI .1 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Đối tượng nghiên cứu giới hạn đề tài 1.4 Các phương pháp nghiên cứu Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Đặc tính trượt .3 2.2 Góc lệch hướng 2.2.1 Góc lệch bên bánh xe chịu lực ngang 2.2.2 Sự lăn lốp xe tác dụng đồng thời lực ngang Y lực vòng X 2.3 Đường đặc tính tốc độ động 10 2.4 Các lực tác dụng lên ô tô 11 2.4.1 Phản lực thẳng góc mặt đường tác dụng lên bánh xe .12 2.4.2 Lực cản không khí 12 3.4.3 Lực cản leo dốc .13 3.4.4 Lực cản quán tính 13 3.4.5 Lực cản lăn 13 2.5 Động lực học ô tô .14 Trang vii 2.5.1 Tốc độ cực đại ô tô 14 2.5.2 Khả tăng tốc cực đại ô tô 17 2.5.3 Khả leo dốc cực đại ô tô 20 2.6 Ổn định ngang dọc ô tô 24 2.6.1 Ổn định dọc ô tô .24 2.6.2 Ổn định ngang ô tô 27 2.7 Ổn định quay vòng ô tô 31 2.7.1 Quay vòng lý thuyết 31 2.7.2 Quay vòng thực tế 32 2.7.3 Ảnh hưởng phân bố lực kéo đến quay vòng ô tô 36 Chƣơng 3: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 46 3.1 Giới thiệu Matlab 46 3.2 Thông số kỹ thuật xe chọn để tính toán mô 46 3.3 Tốc độ cực đại ô tô 47 3.4 Khả tăng tốc cực đại ô tô 48 3.4.1 Khả tăng tốc cực đại ô tô bỏ qua trượt 48 3.4.2 Khả tăng tốc cực đại ô tô chạy cầu sau chủ động 48 3.4.3 Khả tăng tốc cực đại ô tô chạy hai cầu chủ động 50 3.4.4 Nhận xét 50 3.5 Khả leo dốc cực đại ô tô .51 3.5.1 Khả leo dốc cực đại ô tô bỏ qua trượt 51 3.5.2 Khả leo dốc cực đại ô tô chạy cầu sau chủ động .51 3.5.3 Khả leo dốc cực đại ô tô chạy hai cầu chủ động .52 3.5.4 Nhận xét 52 3.6 Góc lật ô tô lên dốc 53 3.6 Góc trượt ô tô lên dốc 53 3.6.1 Góc trượt ô tô lên dốc cầu sau chủ động 53 3.6.2 Góc trượt ô tô lên dốc hai cầu chủ động 54 Trang viii Hình 3.2: Đồ thị khả tăng tốc cực đại phụ thuộc hệ số bám dọc 3.5 Khả leo dốc cực đại ô tô 3.5.1 Khả leo dốc cực đại ô tô bỏ qua trƣợt Áp dụng công thức (2.33) ta có:  M M i I   e tl tl  mgr    M M i I  2   2    imax  fimax   e tl tl   f     mgr     Với: M eP =330; itlI =16,6; g  9,8 m / s ; m  1696 kg ; r  0,34 m; tl  0,93 ; f  0,015  imax  2,174 3.5.2 Khả leo dốc cực đại ô tô chạy cầu sau chủ động - Độ trƣợt dọc ô tô tăng tốc cực đại  xics   xjcs  0, 441 - Độ bám dọc ô tô tăng tốc cực đại  xics   xjcs  0,787 Trang 51 Áp dụng công thức (2.35) ta có: imcsax  fL  (a  fr ) xics hg xics  L Với: f  0,015 ; L  m; a  1,309 m; L  m; r  0,34 m; hg  0,657 m;  imcsax  0,39 3.5.3 Khả leo dốc cực đại ô tô chạy hai cầu chủ động - Độ trƣợt dọc ô tô tăng tốc cực đại  xi 2c   xj 2c  0, 22 - Độ bám dọc ô tô tăng tốc cực đại  xi 2c   xj 2c  0,8 Áp dụng công thức (2.37) ta có: im2cax   xi 2c  f Với: f  0,015  im2cax  0,785 3.5.4 Nhận xét - Khả leo dốc cực đại ô tô trạng thái lý tưởng (không trượt): imax  2,174 - Khả leo dốc cực đại ô tô chạy cầu sau: imcsax  0,39 - Khả leo dốc cực đại ô tô chạy hai cầu: im2cax  0,785 Rõ ràng khả leo dốc cực đại xe hai cầu lớn nhiều so với xe chạy cầu sau chủ động, nhiên trường hợp ô tô chạy hai cầu chủ động công suất động phát bị tổn hao trượt Trang 52 Hình 3.3: Đồ thị khả leo dốc cực đại phụ thuộc hệ số bám dọc 3.6 Góc lật ô tô lên dốc Áp dụng công thức (2.40) ta có: l  arctg b hg Với: b  1,691 m; hg  0,657 m  l  680 3.6 Góc trƣợt ô tô lên dốc 3.6.1 Góc trƣợt ô tô lên dốc cầu sau chủ động Áp dụng công thức (2.41) ta có: tcs  arctg a. xs L   xs hg Với: a  1,309 m; xs  0, 72 ; L  m; hg  0,657 m  tcs  20, 450 Trang 53 3.6.2 Góc trƣợt ô tô lên dốc hai cầu chủ động Áp dụng công thức (2.42) ta có: t2c  arctgxs Với: xs  0, 72  t2c  360 3.6.3 Nhận xét Ta thấy t2c > tcs ô tô chuyển động đường dốc tài xế nên gài hai cầu để leo góc dốc cao hơn, chuyển động ổn định 3.7 Giới hạn lật đổ ô tô chuyển động đƣờng nghiêng ngang 3.7.1 Góc giới hạn lật ô tô chuyển động thẳng đƣờng nghiêng ngang Áp dụng công thức (2.45) ta có:   l  arctag B 2hg Với: B  1, 47 m; hg  0,657 m   l  480 3.7.2 Vận tốc nguy hiểm ô tô chuyển động quay vòng đƣờng nghiêng Áp dụng công thức (2.46) ta có: B  tg ) 2hg B 1 tg 2hg g.R(  Với: g  9,8 m / s ; B  1, 47 m; hg  0,657 m; chọn loại đường có góc nghiêng   200 bán kính quay vòng R  m   6,33 m/s  22,8 km/h Trang 54 Hình 3.4: Đồ thị mô tả mối quan hệ vận tốc lật đổ góc nghiêng mặt đường Nhận xét: Khi ô tô chuyển động quay vòng đường nghiêng vận tốc giới hạn lật đổ tỉ lệ nghịch với độ lớn góc nghiêng mặt đường Trường hợp ô tô chuyển động quay vòng đường nghiêng tải xế phải giảm tốc độ đồng thời mở rộng bán kính quay vòng để đảm bảo an toàn chuyển động 3.8 Góc lệch hƣớng ô tô quay vòng Sử dụng công thức (2.62) ta có:  mv 2b cos  1  C RL Y1   mv a   CY RL   L R  tg (   1 )  tg  Sử dụng Matlab/Simulink để mô cho ta sơ đồ khối sau: Trang 55 Hình 3.5: Sơ đồ khối Simulink mô tả đặc tính góc lệch hướng bánh xe quay vòng Với: m  1696 kg; b  1,691 m; CY  CY  50000 N/rad; L  m; ô tô quay vòng tay số ( i3  1, 428 ) góc xoay bánh xe   100 Hình 3.6: Đồ thị thể góc lệch hướng bánh xe cầu trước cầu sau phụ thuộc tốc độ quay vòng Nhận xét: Góc lệch hướng bánh xe cầu trước lớn góc lệch hướng bánh xe sau ( 1   ) Vì ô tô có đặc tính quay vòng thiếu 3.9 Ô tô quay vòng cầu trƣớc chủ động Sử dụng công thức (2.64) (2.66) kết hợp với mô hình Burckhardt Matlab/Simulink ta được: Trang 56 Hình 3.7: Sơ đồ khối Simulink mô tả lực ngang giới hạn bám ngang bánh xe ô tô quay vòng cầu trước chủ động Với: r  0,34 m; Nmax  105 kW; nN  3500 v/p; F  0,01.103 N/m; tl  0,93 ; m  1696 kg; a  1,309 m; b  1,691 m; CY  CY  50000 N/rad; L  m; ô tô quay vòng tay số ( i3  1, 428 ) góc xoay bánh xe   100 Hình 3.8: Đồ thị thể lực ngang giới hạn bám ngang bánh xe trước ô tô quay vòng cầu trước chủ động Trang 57 ct Nhận xét: Khi Y1  Y1max thời điểm bánh xe bắt đầu trượt ngang, vị trí giúp ta xác định vận tốc quay vòng làm bánh xe cầu trước bị trượt ngang v1ct  11,3 m/s Hình 3.9: Đồ thị thể lực ngang giới hạn bám ngang bánh xe sau ô tô quay vòng cầu trước chủ động Nhận xét: Khi Y2  Y2ctmax thời điểm bánh xe bắt đầu trượt ngang, vị trí giúp ta xác định vận tốc quay vòng làm bánh xe cầu sau bị trượt ngang v2ct  12,5 m/s  Kết luận: Ô tô quay vòng cầu trước chủ động với góc xoay bánh xe   100 có trạng thái sau: - Vận tốc v  12,5 m/s ô tô quay vòng thiếu - Vân tốc v  12,5 m/s bánh xe cầu trước cầu sau điều bị trượt ngang 3.10 Ô tô quay vòng cầu sau chủ động Sử dụng công thức (2.68) (2.70) kết hợp với Mô hình Burckhardt Matlab/Simulink ta được: Trang 58 Hình 3.10: Sơ đồ khối Simulink mô tả lực ngang giới hạn bám ngang bánh xe ô tô quay vòng cầu sau chủ động Với: r  0,34 m; Nmax  105 kW; nN  3500 v/p; F  0,01.103 N/m; tl  0,93 ; m  1696 kg; a  1,309 m; b  1,691 m; CY  CY  50000 N/rad; L  m; ô tô quay vòng tay số ( i3  1, 428 ) góc xoay bánh xe   100 Hình 3.11: Đồ thị thể lực ngang giới hạn bám ngang bánh xe trước ô tô quay vòng cầu sau chủ động Trang 59 cs Nhận xét: Khi Y1  Y1max thời điểm bánh xe bắt đầu trượt ngang, vị trí giúp ta xác định vận tốc quay vòng làm bánh xe cầu trước bị trượt ngang v1cs  12,75 m/s Hình 3.12: Đồ thị thể lực ngang giới hạn bám ngang bánh xe sau ô tô quay vòng cầu sau chủ động Nhận xét: Khi Y2  Y2csmax thời điểm bánh xe bắt đầu trượt ngang, vị trí giúp ta xác định vận tốc quay vòng làm bánh xe cầu sau bị trượt ngang v2cs  10,1 m/s  Kết luận: Ô tô quay vòng cầu sau chủ động với góc xoay bánh xe   100 có trạng thái sau - Vận tốc v  10,1 m/s ô tô quay vòng thiếu - Vận tốc 10,1  v  12,75 m/s ô tô quay vòng thừa - Vận tốc v  12,75 m/s bánh xe cầu trước cầu sau điều bị trượt ngang 3.11 Ô tô quay vòng hai cầu chủ động Sử dụng công thức (2.72) (2.74) kết hợp với mô hình Burckhardt Matlab/Simulink ta được: Trang 60 Hình 3.13: Sơ đồ khối Simulink mô tả lực ngang giới hạn bám ngang bánh xe ô tô quay vòng hai cầu chủ động Với: r  0,34 m; Nmax  105 kW; nN  3500 v/p; F  0,01.103 N/m; tl  0,93 ; m  1696 kg; a  1,309 m; b  1,691 m; CY  CY  50000 N/rad; L  m; ô tô quay vòng tay số ( i3  1, 428 ) góc xoay bánh xe   100 Hình 3.14: Đồ thị thể lực ngang giới hạn bám ngang bánh xe trước ô tô quay vòng hai cầu chủ động Trang 61 2c Nhận xét: Khi Y1  Y1max thời điểm bánh xe bắt đầu trượt ngang, vị trí giúp ta xác định vận tốc quay vòng làm bánh xe cầu trước bị trượt ngang v12c  12, m/s Hình 3.15: Đồ thị thể lực ngang giới hạn bám ngang bánh xe sau ô tô quay vòng hai cầu chủ động c Nhận xét: Khi Y2  Y22max thời điểm bánh xe bắt đầu trượt ngang, vị trí giúp ta xác định vận tốc quay vòng làm bánh xe cầu sau bị trượt ngang v22c  11,87 m/s  Kết luận: Ô tô quay vòng hai cầu chủ động với góc xoay bánh xe   100 có trạng thái sau: - Vận tốc v  11,87 m/s ô tô quay vòng thiếu - Vận tốc 11,87  v  12,4 m/s ô tô quay vòng thừa - Vận tốc v  12, m/s bánh xe cầu trước cầu sau điều bị trượt ngang Trang 62 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Để đánh giá ô tô người ta phải dựa vào nhiều yếu tố như: Tốc độ, khả tăng tốc, khả leo dốc đặc biệt tính ổn định chuyển động…Vì việc nghiên cứu động lực học ổn định ô tô góp phần đáp ứng nhu cầu sử dụng, tiết kiệm nhiên liệu nâng cao an toàn cho người điều khiển người xung quanh Luận văn nghiên cứu lý thuyết bám trượt bánh xe mặt đường mô hình Burckhardt, từ sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để tính toán mô Kết xác định hệ số bám dọc, hệ số bám ngang hệ số bám tổng hợp làm sở để tính toán thông số động lực học ổn định ô tô cầu sau chủ động cầu chủ động Từ kết tính kết luận: - Khả tăng tốc leo dốc cực đại ô tô chạy hai cầu lớn so với ô tô chạy cầu chủ động - Góc giới hạn leo dốc của ô tô chạy hai cầu lớn so với ô tô chạy cầu chủ động - Trạng thái quay vòng ô tô cố định mà phụ thuộc tốc độ quay vòng lực kéo phân phối đến cầu 4.2 Kiến nghị hƣớng phát triển đề tài Do điều kiện thời gian kinh phí không cho phép nên đề tài chưa thể tiến hành thực nghiệm xây dựng đặc tính bám trượt chuyển động lệch bánh xe, để có sở liệu đầy đủ xác nghiên cứu tính động xe cầu so với cầu chủ động, đầu tư thí nghiệm để đáp ứng nhu cầu Tiếp tục nghiên cứu khả bám trượt ô tô chuyển động đường đất, đường có hệ số bám thấp, hệ số bám không đồng điều… điều kiện khác để làm bật tính động ô tô chạy hai cầu chủ động Trang 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] TS Lâm Mai Long, Cơ học chuyển động ô tô, Đại học sư phạm kỹ thuật Tp HCM, 2001 [2] GS TS Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, Lý thuyết ô tô - máy kéo, NXB khoa học kỹ thuật HN, 2008 [3] Hàn Trung Dũng, Bùi Hải triều, Lê Anh Sơn, Ứng dụng mô hình Burckhardt để mô tả toán học đặc tính thực nghiệm bánh xe máy kéo nông nghiệp, Tạp chí Khoa học Phát triển 2013 [4] Đặng Quý, Giáo trình ô tô 1, Đại học sư phạm kỹ thuật Tp HCM, 2010 [5] PGS TS Nguyễn Văn Phụng , Tính toán chuyển động ổn định ô tô, 2009 [6] Nguyễn Khắc Trai, Tính điều khiển quĩ đạo chuyển động ô tô, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội, 1997 Trang 64 S K L 0