khảo sát động lực học phanh ô tô khi quay vòng bằng mô hình một dãy phi tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - GIANG VĂN TIẾN KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC PHANH Ô TÔ KHI QUAY VÒNG BẰNG MÔ HÌNH MỘT DÃY PHI TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật Cơ khí động lực Hà Nội – Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - GIANG VĂN TIẾN KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC PHANH Ô TÔ KHI QUAY VÒNG BẰNG MÔ HÌNH MỘT DÃY PHI TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật Cơ khí động lực NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS LƯU VĂN TUẤN Hà Nội – Năm 2013 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ PHANH Ô TÔ Chương LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHANH VÀ HIỆU QUẢ PHANH 19 2.1 Phương trình chuyển động tổng quát 23 2.2 Phương pháp xác định lực tương tác bánh xe 32 Chương MÔ HÌNH MỘT DÃY PHI TUYẾN ĐỘNG LỰC HỌC PHANH Ô TÔ 38 3.1 Hệ phương trình động lực học ô tô dãy phi tuyến 38 3.2 Các lực liên kết 39 Chương KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ 45 4.1 Đối tượng thông số đầu vào 45 4.2 Các phương án khảo sát 46 3.3.1 Phanh đánh lái xung 49 3.3.2 Lái sin phanh 52 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - A  m2  : Diện tích, thiết diện -   kg / cm3  : Mật độ không khí - CL  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp - CL1  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp trước - CL  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp sau - C  N / m : Độ cứng hệ thống treo - C1  N / m  : Độ cứng treo trước - C2  N / m  : Độ cứng treo sau - K  Ns / m  : Hệ số cản hệ thống treo - K1  Ns / m  : Hệ số cản hệ thống treo trước - K  Ns / m  : Hệ số cản hệ thống treo sau - a  m : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước - b  m : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau -r : Bán kính tự lốp - J  kgm2  : Mômen quán tính trục y xe - J yA1  kgm2  : Mômen quán tính trục y cầu trước - J yA2  kgm2  : Mômen quán tính trục y cầu sau - h  m : Chiều cao mấp mô đường - h1  m  : Chiều cao mấp mô đường phía trước - h2  m  : Chiều cao mấp mô đường phía sau - FZ  N  : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe - FZ  N  : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước - FZ  N  : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau - FZt  N  : Tải trọng tĩnh bánh xe - FZ 1,t  N  : Tải trọng tĩnh bánh xe phía trước - FZ 2,t  N  : Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau - FZd  N  : Tải trọng động bánh xe - FC  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo - FC1  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo trước - FC  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo sau - FK  N  : Lực cản hệ thống treo - FK1  N  : Lực cản hệ thống treo trước - FK  N  : Lực cản hệ thống treo sau - FCL  N  : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe - FCL1  N  : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước - FCL  N  : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau - m N  : Khối lượng treo - m1  N  : Khối lượng treo trước - m2  N  : Khối lượng treo sau - mA1  N  : Khối lượng không treo trước - mA  N  : Khối lượng không treo sau - b : Hệ số bám đường - ft  m  : Độ võng tĩnh - f t1  m  : Độ võng tĩnh phía trước - ft  m  : Độ võng tĩnh phía sau -   rad  : Góc lắc thân xe -   m : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu xe - 1  m  : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước - 2  m  : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau -  m / s : Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe - 1  m / s  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước - 2  m / s  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau -   m / s2  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu xe - 1  m / s  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước - 2  m / s  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau - z, z, z  m, m / s, m / s  : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng treo - z1 , z1 , z1  m, m / s, m / s  : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng treo trước - z2 , z2 , z2  m, m / s, m / s  : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng treo sau DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nguyên lý phanh 10 Hình 1.2 Động lực học bánh xe phanh tăng tốc 10 Hình 1.3 Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt 11 Hình 1.4 Nguyên lý phanh thông thường 14 Hình 1.5 Nguyên lý phanh ABS 15 Hình 1.6 Sơ đồ điều khiển 15 Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển ô tô 16 Hình 1.8 Quan hệ động lực học ô tô: j = 1,2,3,4 17 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc mô hình động lực học ô tô 21 Hình 2.2 Mô đun động lực học mặt phẳng & mô đun bánh xe 22 Hình 2.3 Mô đun xác định phản lực Fz 22 Hình 2.4 Mô đun dao động lắc dọc ngang khối lượng treo 23 Hình 2.5 Mô đun hệ thống treo động lực học ngang cầu xe 23 Hình 2.6 Mô hình chuyển động ô tô 24 Hình 2.7 Mô hình động lực học 3D 28 Hình 2.9 Mặt chiếu đứng 29 Hình 2.10 Cấu trúc lốp 36 Hình 2.11 Định nghĩa hệ tọa độ lực bánh xe 37 Hình 2.12 Định nghĩa hệ tọa độ lực bánh xe theo SAE 37 Hình 2.9 Đặc tính lực Fx(s) tham số  37 Hình 2.10 Đặc tính lực bên Fy(s) tham số  37 Hình 3.1 Mô đun động lực học ô tô mặt phẳng xoy 38 Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống treo 40 Hình 3.3 Sơ đồ đặc tính treo 40 Hình 3.4 Đặc tính lốp 41 Hình 4.1.1 Đồ thị mô men phanh bánh xe 46 Hình 4.1.2 Đồ thị góc đánh lái 47 Hình 4.1.3 Đồ thị lực phanh 47 Hình 4.1.4 Đồ thị lực ngang Fy 48 Hình 4.1.5 Đồ thị phản lực Fz 48 Hình 4.1.6 Đồ thị hệ số trượt 49 Hình 4.1.7 Đồ thị góc lệch bánh xe 49 Hình 4.1.8 Đồ thị góc lệch hướng 50 Hình 4.1.9 Đồ thị hiệu góc lệch bên 50 Hình 4.1.10 Đồ thị góc quay đứng thân xe 51 Hình 4.1.11 Đồ thị vận tốc gia tốc góc quay thân xe 51 Hình 4.1.12 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe 52 Hình 4.2.1 Đồ thị mô men bánh xe 52 Hình 4.2.2 Đồ thị góc đánh lái 53 Hình 4.2.3 Đồ thị hệ số trượt dọc 53 Hình 4.2.4 Đồ thị lực ngang Fy 54 Hình 4.2.5 Đồ thị lực dọc Fx 54 Hình 4.2.6 Đồ thị góc hướng 55 Hình 4.2.7 Đồ thị hiệu góc trượt 55 Hình 4.2.8 Đồ thị góc trượt bánh xe 56 Hình 4.2.9 Đồ thị gia tốc dọc xe 56 Hình 4.2.10 Đồ thị vận tốc dọc xe 57 Hình 4.2.11 Đồ thị vận tốc gia tốc góc quay đứng thân xe 57 Hình 4.2.12 Đồ thị vận tốc góc quay đứng thân xe 58 LỜI NÓI ĐẦU Ngày mà ô tô trở thành phương tiện lại ngày phổ biến, tốc độ ô tô ngày tăng cao yêu cầu độ an toàn thuận tiện điều khiển ô tô ngày yêu cầu phải cao Khi ô tô chuyển động chịu nhiều tác động từ phía người lái phanh, quay vô lăng, hay ga… Ngoài tác động người lái yếu khách quan từ ngoại cảnh …rồi yếu tố bất ngờ tất ảnh hưởng lớn đến an toàn xe lưu thông Phanh trình ảnh hưởng nhiều đến an toàn Trong tình phanh ô tô người lái phải thêm điều khiển khác đánh lái yếu tố chướng ngại vật dọc đường Khi mà số lượng ô tô lưu thông đường tăng kéo theo vấn đề tai nạn giao thông ô tô gây Trước nhu cầu thực tế trên, đề tài chọn nghiên cứu “Khảo sát động lực học phanh ô tô quay vòng mô hình dãy phi tuyến” để mô trình phanh đường vòng ô tô thực tế lấy thông số động lực học ô tô.Trong thời gian làm luận văn, tác giả có nhiều cố gắng tích cực chủ động học hỏi, vận dụng kiến thức học tìm hiểu kiến thức Dưới hướng dẫn trực tiếp PGS-TS Lưu Văn Tuấn thầy Bộ môn ô tô xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đề tài hoàn thành mục tiêu nhiệm vụ đề Mặc dù cố gắng kiến thức thời gian có hạn nên luận văn khó tránh khỏi vài sai sót, em mong nhận bảo thêm thầy Hà Nội, ngày 26 / 09/2013 Học viên Giang Văn Tiến 47 Hình 4.1.2 Đồ thị góc đánh lái Trong phương án tác giả khảo sát với điều khiển kết hợp trình phanh (Hình 4.1.1) 1,5s đến hết độ 2s trình đánh lái dạng xung biên độ 40 (0,07 rad) với thời gian xung 0,2s Nhằm đánh giá tình trạng ô tô chịu hai tác động đồng thời Hình 4.1.3 Đồ thị lực phanh 48 Hình 4.1.4 Đồ thị lực ngang Fy Hình 4.1.5 Đồ thị phản lực Fz Nhận xét: kết lực mô hình đánh giá phần phản ứng xe Khi bắt đầu phanh lực dọc Fxj (Hình 4.1.3) cầu giảm nhanh theo quy luật mô men phanh Khi hết trình độ, lúc người lái tác động góc đánh lái dạng xung Điều có ảnh chút đến lực dọc, tác động thấy rõ cầu trước (Fx1) cầu dẫn hướng Khi góc lệch bánh xe lớn, làm thay đổi hệ số trượt bánh xe Khi bắt đầu đánh lái, bánh xe dẫn hướng xuất lực ngang tức thời Fy1max=3000N, sau giảm thay đổi theo quy luật xung, hết xung lực 49 có xu hướng ngược chiều, bánh xe không dẫn hướng xuất lực ngang thời gian tăng lực ngang chậm giá trị nhỏ góc trượt nhỏ Sau hết xung thành phần lực ngang có xu hướng ngược chiều ổn định sau hết xung khoảng thời gian thân kết cấu có tính đàn hồi phi tuyến kết cấu ô tô (từ 2,2s đến 3s) Hình 4.1.6 Đồ thị hệ số trượt Xét trượt dọc xe bánh xe dẫn hướng có xu hướng bị trượt lớn hơn, tác động tổng hợp trượt dọc trượt ngang Nhất có tác động góc đánh lái xung Hình 4.1.7 Đồ thị góc lệch bánh xe 50 Hình 4.1.8 Đồ thị góc lệch hướng Hình 4.1.9 Đồ thị hiệu góc lệch bên Về hướng chuyển động ô tô, tác giả nhận thấy, bắt đầu đánh lái hiệu góc lệch bên (Hình 4.1.9) dương, xe có xu hướng quay vòng thiếu, sau hiệu góc lại giảm âm hết xung lái Đến khoảng 3s hết xung xe chuyển động ổn định, với thành phần hướng quanh giá trị 51 Hình 4.1.10 Đồ thị góc quay đứng thân xe Hình 4.1.11 Đồ thị vận tốc gia tốc góc quay thân xe Khi bắt đầu đánh lái xung, vận tốc góc gia tốc góc quay thân xe ban đầu đánh lái xung dương, xe quay vòng thiếu nhiên trả lái góc 00 gia tốc góc theo xu góc lái giảm nhanh -3(deg/s2) vậ tốc góc có lúc giảm nhỏ (deg/s), xe có xu hướng quay vòng thừa, ổn định Tuy nhiên thời gian xung nhỏ, góc đánh lái nhỏ, tác động hệ số trượt dọc không lớn, nên xe có xu hướng trở trạng thái ổn định t=3s 52 Hình 4.1.12 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe 3.3.2 Lái sin phanh Hình 4.2.1 Đồ thị mô men bánh xe 53 Hình 4.2.2 Đồ thị góc đánh lái Nhận xét: Trong phương án tác giả khảo sát xe bắt đầu phanh t=1,5s hết độ s Cùng với xe chịu tác động đánh lái dạng hình sin với biên độ đánh lái lớn Hình 4.2.3 Đồ thị hệ số trượt dọc 54 Hình 4.2.4 Đồ thị lực ngang Fy Hình 4.2.5 Đồ thị lực dọc Fx Các thành phần lực học phương án có thay đổi tương ứng Sự thay đổi rõ lực ngang Fy Thành phần lực ngang thay đổi theo gần theo góc đánh lái bánh xe Tuy nhiên giai đoạn sau từ khoảng 5s giá trị lực giảm tác động tổng hợp trượt bánh xe Thành phần 55 lực dọc Fx thay đổi theo mô men phanh Tác động quay vòng ảnh hưởng phần đến giá trị lực (Hình 4.2.5), không rõ ràng Hình 4.2.6 Đồ thị góc hướng Hình 4.2.7 Đồ thị hiệu góc trượt Về hướng chuyển động xe chịu hai tác động phanh quay vòng thể rõ ràng đồ thị góc hướng (Hình 4.2.6) Ở giai đoạn đầu đánh lái phanh, bánh xe chưa bị trượt nên góc hướng nhỏ, xe 56 chuyển động ổn định Nhưng từ khoảng 4s có trượt lớn bánh xe góc hướng lớn Xe có xu hướng ổn định lái phanh Hình 4.2.8 Đồ thị góc trượt bánh xe Tính ổn định xe sau chịu tác động tổng hợp lái phanh thể rõ ràng đồ thị góc trượt bánh xe (hình 4.2.8) Sau 4,5s góc trượt tăng nhanh xu hướng ổn định trở lại tác động bánh xe bị trượt phanh hoàn toàn tác động đến chuyển động ngang xe Hình 4.2.9 Đồ thị gia tốc dọc xe 57 Sự trượt xe thời điểm sau 4,5s thể rõ đồ thị gia tốc dọc (hình 4.2.9) Trước 4,5s gia tốc thay đổi theo quy luật phanh lái, bánh xe bị trượt gia tốc phanh giảm nhanh, xe bị tính phanh quay vòng Hình 4.2.10 Đồ thị vận tốc dọc xe Hình 4.2.11 Đồ thị vận tốc gia tốc góc quay đứng thân xe 58 Hình 4.2.12 Đồ thị vận tốc góc quay đứng thân xe Kết hợp với đồ thị tốc độ gia tốc góc xoay thân xe, tác giả nhận thấy, trạng thái quay vòng xe phụ thuộc nhiều vào góc đánh lái tác động trạng thái trượt bánh xe Trong giai đoạn đầu góc đánh lái dương xe có xu hướng quay vòng thiếu, trạng thái xe ổn định, sau góc lái trở âm xe có xu hướng quay vòng thừa ổn định Do tác động góc lái tuần hoàn nên trạng thái xe thay đổi liên tục Khi bắt đầu phanh từ 1,5s đến 2s tốc độ góc quay thân xe có biến động khác trạng thái không phanh Xe có lúc quay vòng thừa, có lúc quay vòng thiếu, đến khoảng 4,5 s ổn định thể rõ ràng việc tốc độ gia tốc không biến đổi theo quy luật ban đầu Do trượt bánh xe ảnh hưởng lớn đến khả ổn định ô tô phanh quay vòng 59 KẾT LUẬN Ngày mà ô tô trở thành phương tiện lại ngày phổ biến, tốc độ ô tô ngày tăng cao yêu cầu an toàn chuyển động ngày cao Hệ thống phanh hệ thống an toàn định đến việc hạn chế tai nạn giao thông Khi ô tô chuyển động chịu nhiều tác động từ phía người lái phanh, quay vô lăng, hay ga Ngoài tác động người lái yếu khách quan từ ngoại cảnh chất lượng mặt đường khác nhau, gió yếu tố bất ngờ tất ảnh hưởng lớn đến an toàn xe lưu thông Khảo sát động lực học ô tô mô hình động lực học dãy phi tuyến: kết đưa phù hợp với công bố trước Có phương án chọn để nghiên cứu là: (a) Phương án khảo sát 1: xe phanh đánh lái xung: Phương án đưa kết đánh giá ứng xử xe điều kiện phanh gặp chướng ngại vật đột ngột (b) Phương án khảo sát 2: xe phanh đánh lái hình sin, Phương án đưa kết đánh giá ứng xử xe điều kiện phanh qua nhiều chướng ngại vật gần Các kết khảo sát cho thấy rằng, điều kiện phanh kết hợp với đánh lái với quy luật khác Mà điều kiện bánh xe không bị trượt hoàn toàn, quỹ đạo thông số động lực học xe đảm bảo khả theo yêu cầu 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rolf Isermann (2006): Fahrdynamik-Regelung, nxb Vieweg ATZ/MTZFachbuch, http://www.vieweg.de [2] Raesh Rajamani (2006): Vehicle Dynamics and Control, nxb Springer USA [3] Bernd H./Metin E.(2008): Fahrwerkhandbuch, nxh Vieweg-Teubner, http://www.viewegteubner.de [4] Wallentowitz/Reif (2006) Handbuch Kraftfahrzeugelektronik, nxb Vieweg ATZ/MTZ- Fachbuch, http://www.vieweg.de [5] Wallentowitz/Mítschke (2004):Dynamik der Kraftfahrzeuge, nxb Springer, http://www.springer.de [6] Ryszard Andrzejewski (2005): Nonlinear Dynamics of a Wheeled Vehicle, nxb Springer USA, http://www.springeronline.de [7] Winner Hermann/ Hakuli Stefan (2009): Handbuch Fahrerassistenzsysteme, nxb Vieweg ATZ/MTZ- Fachbuch, www.vieweg.de [8] Dieter Schramm (2010): Modellbildung und Simulation der Dynamik von Kraftfahrzeuge, Springer, 2010, http://dnb.d-nb.de [9] Raesh Rajamani (2006): Vehicle Dynamics and Control, nxb Springer USA [10] Mannfred B (1993): Fahrwerktechnik: Radschlupf-Regelsysteme, nxb Vogel [12] Ammon, D (1997): Modellbildung und Systementwicklung in der Fahrzeugtechink, BG Teubner 61 [13] Nguyễn Quí Toàn (2008): Nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống treo đến khả ổn định ô tô, Luận văn Thạc sỹ, ĐHBK Hà Nội [14] Đỗ Quốc Hoàn (2008): Nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống treo đến khả truyền lực xe mô hình thực nghiệm, Luận văn Thạc sỹ, ĐHBK Hà Nội [15] Nguyễn Trọng Du (2008): Nghiên cứu dao động hệ thống treo ô tô có điều khiển, Luận văn Thạc sỹ, ĐHBK Hà Nội [16] Nguyễn Khăc Trai (1997): Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô, nxb Giao thông, Hà Nội [17] Võ Văn Hường, Thái Mạnh Cầu (2007): Nghiên cứu chuyển động thực ô tô mô hình ¼, Tuyển tập công trình Hội nghị học toàn quốc lần thứ VII, Hà Nội, 12/2007 [18] Võ Văn Hường, Thái Mạnh Cầu (2007): Lập mô hình phẳng nghiên cứu phanh ô tô, Tuyển tập công trình Hội nghị học toàn quốc lần thứ VII, Hà Nội, 12/2007 ... lỏi Khi phanh xy hai quỏ trỡnh: ma sỏt gia mỏ phanh v trng phanh( a phanh) xy c cu phanh; ma sỏt gia bỏnh xe vi mt ng Ma sỏt c cu phanh c c trng bi h s ma sỏt gia vt liu lm guc phanh, mỏ phanh vi... men phanh) Bn cht truyn lc gia bỏnh xe v ng l ô truyn khp-truyn n hi n hi-truyn ma sỏt ằ 10 S nguyờn lý phanh c th hin hỡnh 1.1 Hỡnh 1.1 Nguyờn lý phanh Khi phanh, lỏi xe p phanh, to mụ men phanh. .. Hiu qu phanh c xỏc nh bi hai yu t: + Quóng ng phanh sP Cỏc thụng s tng ng ỏnh giỏ quỏ trỡnh phanh l gia tc phanh x , thi gian phanh t p , lc phanh riờng Fx G + n nh phanh v tớnh dn hng phanh: