Nghiên cứu xác định vận tốc nguy hiểm của ô tô con khi quay vòng bằng phần mềm carsim

Ô tô con là một phương tiện có tốc độ di chuyển cho phép cao hơn rất nhiều so với xe gắn máy ví dụ như tốc độ tối đa cho phép ở đường quốc lộ khu vực ít dân cư là 80 km/h đối với xe con

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HOÀNG TÙNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VẬN TỐC NGUY HIỂM

CỦA Ô TÔ CON KHI QUAY VÒNG

BẰNG PHẦN MỀM CARSIM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HOÀNG TÙNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VẬN TỐC NGUY HIỂM

CỦA Ô TÔ CON KHI QUAY VÒNG

BẰNG PHẦN MỀM CARSIM

CHUYÊN NGÀNH

KT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – KT Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS HOÀNG THĂNG BÌNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Những nội dung được trình bày trong luận văn do chính tôi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của thầy

giáo TS Hoàng Thăng Bình, cùng các thầy giáo Bộ môn ôtô – Trường Đại học

Bách Khoa Hà Nội Toàn bộ nội dung trong luận văn hoàn toàn phù hợp với nội dung đã được đăng ký và phê duyệt của Hiệu trưởng Trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực

Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2016

Tác giả

Hoàng Tùng Nghĩa

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 7

1.1 Tính thực tế của đề tài 7

1.2 Lý do chọn đề tài 11

1.3 Tổng quan về động lực học quay vòng 12

1.3.1 Động lực học quay vòng xe có bánh xe không đàn hồi 12

1.3.2 Động lực học quay vòng có bánh xe đàn hồi 14

1.3.3 Các trường hợp quay vòng 16

1.4 Ảnh hưởng của gió tới quay vòng ô tô 19

1.5 Tốc độ giới hạn và tính ổn định của xe khi quay vòng 21

1.5.1 Tính ổn đi ̣nh theo điều kiện lật 21

1.5.2 Xét ổn định theo điều kiện trượt 24

CHƯƠNG 2 PHẦN MỀM CARSIM PRO 8.02 28

2.1 Giới thiệu Carsim 28

2.1.1 Một số nút chức năng trên màn hình làm việc 28

2.2 Các mô hình trong Carsim 29

2.2.1 Cài đặt các thông số cho xe mô phỏng 29

2.2.2 Bảng cài đặt các thông số mô phỏng 36

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ NGHIÊN CỨU SỰ QUAY VÒNG CỦA Ô TÔ CON TRONG CARSIM 40

3.1 Sử dụng phần mềm carsim để mô phỏng tại các trạng thái quay vòng của xe 40

3.2 Mô phỏng dòng xe Sedan 43

3.2.1 Mô phỏng dòng xe sedan tại khúc cua thứ 3 44

3.3 Mô phỏng dòng xe SUV 49

3.3.1 Mô phỏng dòng xe SUV tại khúc cua thứ 3 50

3.4 Kết quả mô phỏng với dòng xe Sedan với toàn quãng đường 56

3.5 Nhận xét 60

KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Thống kê số người chết do tai nạn giao thông trên thế giới 7

Hình 1.2: Thống kê tai nạn giao thông những năm gần đây 8

Hình 1.3: Tỷ lệ phương tiện gây tai nạn 9

Hình 1.4: Tuyến đường xảy ra tai nạn 9

Hình 1.5: Thống kê tỷ lệ gây tai nạn những năm gần đây 10

Hình 1.6: Mô hình quay vòng hình học của xe 13

Hình 1.7: Quay vòng xe khi lốp có biến dạng ngang 14

Hình 1.8: Mô hình quay vòng 1 dãy 14

Hình 1.9: a - Quỹ đạo quay vòng xe ở các trạng thái quay vòng b - Quỹ đạo chuyển động của xe khi có lực ngang tác động 18

Hình 1.10: Xác định ảnh hưởng của gió 19

Hình 1.11: Lực bên, mô men quay của gió và các góc tác dụng của gió 20

Hình 1.12: Sơ đồ lực và mô men tác động lên ô tô khi quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài 21

Hình 1.13: Sơ đồ lực và mô men tác động lên ô tô khi quay vòng trên đường nghiêng ngang vào trong 23

Hình 1.14: Sơ đồ lực và mô men tác động lên ô tô khi quay vòng trên đường nằm ngang 24

Hình 1.15: Sơ đồ mô men và lực tác động lên bánh xe chủ động khi có lực ngang tác động 26

Hình 2.1: Màn hình làm việc của phần mềm Carsim 29

Hình 2.2: Bảng thông số xe mô phỏng 30

Hình 2.3: Các thông số của mô hình hệ thống treo 31

Hình 2.4: Các thông số của mô hình hệ thống phanh 32

Hình 2.5: Các thông số của mô hình hệ thống lái 33

Hình 2.6: Các thông số của mô hình lốp 34

Hình 2.7: Các thông số của mô hình hệ thống động lực 35

Hình 2.8: Các thông số của mô hình hệ thống chiếu sáng 36

Hình 2.9: Bảng thiết lập các thông số cho mô hình mô phỏng 37

Hình 2.10: Lựa chọn các kiểu điều khiển vận tốc cho xe 38

Hình 2.11: Thiết lập thông số vận tốc cho xe theo thời gian 38

Hình 2.12: Thiết lập vận tốc cho xe theo từng mốc quãng đường 39

Hình 3.1: Thông số đường chạy của xe trong mô phỏng 40

Hình 3.2: Xác định bán kính quay vòng trên đường chạy 40

Hình 3.3: Quá trình mô phỏng xác định vận tốc nguy hiểm của xe với bán kính quay vòng cho trước 41

Hình 3.4: Lựa chọn các thông số cơ bản cho xe sedan mô phỏng 43

Hình 3.5: Bảng thông số khối lượng được treo của xe sedan 44

Hình 3.6: Chạy mô phỏng dòng xe Sedan trong Carsim 44

Hình 3.7: Dải vận tốc điều khiển và vận tốc xe chạy trong mô phỏng 45

Hình 3.8: Quỹ đạo chuyển động của xe so với quỹ đạo điều khiển 45

Hình 3.9: Khoảng cách dịch chuyển theo phương ngang của xe khỏi quỹ đạo 46

Hình 3.10: Độ lớn lực ngang tác động lên các bánh xe 47

Hình 3.11: Độ lớn lực dọc tác động lên các bánh xe 47

Hình 3.12: Lực tác động lên bánh xe theo phương thẳng đứng 47

Hình 3.13: Lực tác động của không khí lên xe theo các phương 48

Hình 3.14: Mô men xoay tác động lên cầu trước và cầu sau 48

Hình 3.15: mô men khí động tác động lên xe 49

Hình 3.16: Thông số cơ bản của dòng xe SUV 50

Hình 3.17: Thông số hình học của dòng xe SUV 50

Hình 3.18: Chạy mô phỏng dòng xe SUV trong Carsim 51

Hình 3.19: Dải vận tốc điều khiển và vận tốc xe chạy trong mô phỏng 51

Hình 3.20: Quỹ đạo chuyển động của xe so với quỹ đạo điều khiển 52

Hình 3.21: Khoảng cách dịch chuyển theo phương ngang của xe khỏi quỹ đạo 52

Hình 3.22: Độ lớn lực ngang tác động lên các bánh xe 53

Hình 3.23: Độ lớn lực dọc tác động lên các bánh xe 53

Hình 3.24: Lực tác động lên bánh xe theo phương thẳng đứng 54

Hình 3.25: Lực tác động của không khí lên xe theo các phương 54

Hình 3.26: Mô men xoay tác động lên cầu trước và cầu sau 55

Hình 3.27: Mô men khí động tác động lên xe 55

Hình 3.28: Thiết lập vận tốc cho xe sedan theo quãng đường 56

Hình 3.29: Quỹ đạo chuyển động của xe 56

Hình 3.30: Độ trượt ngang của xe 57

Hình 3.31: Các lực dọc tác động lên bánh xe 57

Hình 3.32: Các lực ngang tác động lên bánh xe 58

Hình 3.33: Lực tác động lên bánh xe theo phương thẳng đứng 58

Hình 3.34: Lực tác động của không khí lên xe theo các phương 59

Hình 3.35: Mô men xoay tác động lên 2 cầu 59

Hình 3.36: Mô men khí động tác động lên xe 60

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Tính toán giá trị vận tốc giới hạn khi ô tô bị trượt bên tương ứng với hệ

số bám φ = 0.75 41 Bảng 3.2: Vận tốc nguy hiểm khi ô tô trượt ngang > 0.2 m so với quỹ đạo chuyển động 42

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tính thực tế của đề tài

Hiện nay, với sự công nghiệp hóa nhanh chóng và sự tăng trưởng của ngành công nghiệp ô tô, việc sở hữu một chiếc ô tô làm phương tiện đi lại là điều cần thiết nhưng nó cũng dẫn đến nhiều vấn đề.Trong đó tai nạn giao thông là một điểm nóng, ta

có thể thấy con số người tử vong do tai nạn giao thông qua thống kê sau đây:

Hình 1.1: Thống kê số người chết do tai nạn giao thông trên thế giới

(Nguồn tổ chức y tế thế giới)

Ở Việt Nam, vấn đề tai nạn giao thông là một trong những vấn đề nóng hổi luôn được quan tâm, nhìn vào hình 1.2 có thể thấy được tai nạn giao thông đã gây ra thiệt hại về người và của nhiều như thế nào Tuy những năm trở lại đây đã có nhiều

bộ luật được ban hành để giảm thiểu tai nạn giao thông nhưng con số tai nạn giao thông vẫn còn rất cao

Hình 1.2: Thống kê tai nạn giao thông những năm gần đây

(Nguồn viện chiến lược và phát triển giao thông vận tải) Nước ta hiện đang trên đà phát triển việc chuyển đổi phương tiện cá nhân từ

xe gắn máy sang ô tô con là một điều tất yếu trong tương lai, nhìn lại những năm gần đây có thể thấy rằng tỷ lệ tai nạn do ô tô gây ra chiếm một tỷ lệ không nhỏ trong tổng số tai nạn trong những năm gần đây theo hình1.3 Qua những số liệu thống kê thì đến thời điểm 15/9/2015, tổng số phương tiện cơ giới đường bộ đã đăng ký trong cả nước là 46.065.091 xe - trong đó, ôtô là 2.579.675 xe, mô tô là 43.485.416 xe Tức là xe ô tô chỉ chiếm gần 6% trong tổng số nhưng số tai nạn do ô

tô gây ra lại gần 26% là một con số rất lớn

Hình 1.3: Tỷ lệ phương tiện gây tai nạn

(Nguồn theo thống kê của cục cảnh sát giao thông) Thống kê trong hình 1.4 cho thấy những đoạn đường thường hay xảy ra tai nạn nhất là đường quốc lộ, đó là đường có mật độ xe ô tô qua lại rất lớn so với xe gắn máy, không những thế theo các hình 1.5 có thể thấy rằng việc vượt quá tốc độ

và vượt xe chiếm một tỷ lệ cao

Hình 1.4: Tuyến đường xảy ra tai nạn

(Nguồn cục cảnh sát giao thông)

Hình 1.5: Thống kê tỷ lệ gây tai nạn những năm gần đây

(Nguồn cục cảnh sát giao thông)

Chạy quá tốc độ 16%

Sử dụng sai làn đường 26%

Vượt xe 12%

Sử dụng rượu bia 3%

Quy trình lái xe 1%

Người đi bộ 4%

Phương tiện giao thông 1%

Công trình giao thông 0%

Nguyên nhân khác 37%

2009

Chạy quá tốc độ 18%

Sử dụng sai làn đường 29%

Vượt xe 13%

Sử dụng rượu bia 5%

Quy trình lái xe 3%

Người đi bộ 4%

Phương tiện giao thông 1%

Công trình giao thông 1%

Nguyên nhân khác 26%

2010

Chạy quá tốc độ 19%

Sử dụng sai làn đường 31%

Vượt xe 18%

Sử dụng rượu bia 5%

Quy trình lái xe 3%

Người đi bộ 3%

Phương tiện giao thông 1%

Công trình giao thông 0%

Nguyên nhân khác 20%

2011

1.2 Lý do chọn đề tài

Qua những thống kê nói trên có thể thấy được vấn đề về việc cần phải giảm thiểu tai nạn giao thông là rất cấp bách về mặt an toàn trong tham gia giao thông của ô tô con Ô tô con là một phương tiện có tốc độ di chuyển cho phép cao hơn rất nhiều so với xe gắn máy ví dụ như tốc độ tối đa cho phép ở đường quốc lộ khu vực

ít dân cư là 80 km/h đối với xe con việc xảy ra tai nạn là hết sức nguy hiểm nếu không kiểm soát được tốc độ và nếu xảy ra các yếu tố khiến việc quay vòng không trùng khớp với người lái như ảnh hưởng của yếu tố vận tốc khi quay vòng, chính vì vậy tác giả chọn đề tài “Nghiên cứ u xác đi ̣nh vâ ̣n tốc nguy hiểm của ô tô con khi quay vòng bằng phần mềm Carsim” và bằng cách nghiên cứu các ảnh hưởng của tốc

độ đến các yếu tố quay vòng của xe tác giả mong có thể góp phần tìm một giải pháp đúng đắn để giải quyết vấn đề tai nạn giao thông đang nhức nhối hiện nay Với mục đích có thể hỗ trơ ̣ cá c nhà quản lý giao thông cắm các biển hạn chế tốc độ để đảm bảo an toàn giao thông , đồng thời giúp các nhà quản lý vâ ̣n tải kiểm soát tốc đô ̣ và hành trình của các phương tiện vận tải của đơn vị mình

1.3 Tổng quan về động lực học quay vòng

Khi quay vòng các bánh xe bị nhiều lực tác động và do bánh xe làm bằng cao

su nên sẽ bị biến dạng tới một mức nào đó, khi vượt qua giới hạn sẽ xuất hiện hiện tượng trượt của các bánh xe, khi xét tới ảnh hưởng của thông số kết cấu xe, cần xem xét ảnh hưởng của sự biến dạng đó tới quay vòng ô tô nghĩa là xét trong giới hạn khi bánh xe nằm trong mức giới hạn của biến dạng

Nói về các lực tác động lên ô tô khi quay vòng ta phải kể đến rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến như:

- Các thông số kỹ thuật của xe như các đặc tính của bánh xe, hệ thống lái, các thông số kết cấu….vv

- Các yếu tố môi trường tác động lên xe như, ảnh hưởng của gió, mặt đường…vv

- Yếu tố người lái kiểm soát xe như vận tốc …vv

Với rất nhiều yếu tố ảnh hưởng như thế, để quay vòng ô tô một cách an toàn

và chính xác phải thỏa mãn các điều kiện của các yếu tố ảnh hưởng đó, như giới hạn của lốp, giới hạn của gió bên, giới hạn của hệ thống lái …vv Các yếu tố đó đều liên quan mật thiết đến nhau và có chung một vài thông số quan trọng quyết định đến quay vòng ô tô như tốc độ, hệ số bám và các thông số kết cấu Để có thể nhìn nhận một cách tổng quan ta đi sâu sao nghiên cứu tới động lực học quay vòng của ô tô

1.3.1 Động lực học quay vòng xe có bánh xe không đàn hồi

Các bánh xe sử dụng trên ô tô đều là bánh xe đàn hồi (bánh hơi cao su) Khi quay vòng sẽ xuất hiện lực ngang do lực li tâm tạo ra Lực ngang này làm biến dạng lốp theo chiều ngang

Tuy nhiên, để dễ tiếp cận trước tiên xét trường hợp bánh xe không đàn hồi có nghĩa là bánh xe không bị biến dạng Trên thực tếkhi xe quay vòng ở vận tốc chuyển động thấp có thể bỏ qua lực li tâm và do đó có thể coi bánh xe không biến dạng theo chiều ngang Người ta gọi trạng thái quay vòng này là quay vòng hình học, quay vòng Ackerman hay quay vòng không trượt

Xét trường hợp xe quay vòng bằng cách thay đổi hướng chuyển động của các bánh xe dẫn hướng phía trước Để các bánh xe khi quay vòng không bị cưỡng bức

lẫn nhau thì các bánh xe phải quay quanh cùng một tâm nghĩa là trục quay các bánh

xe phải quay quanh cùng một điểm

Có trường hợp quay vòng hình học trong hình sau:

Hình 1.6: Mô hình quay vòng hình học của xe

Xét các quan hệ giữa các thông số suy ra được:

cotgα1 =R +

m 2

L ; cotgα2 =

R −m

2

Lcotgα1 − cotgα2 =m

LCông thức trên được coi là công thức quay vòng lý tưởng

1.3.2 Động lực học quay vòng có bánh xe đàn hồi

Khi quay vòng có lực ngang tác dụng các bánh xe sẽ bị biến dạng và lệch hướng chuyển động như trên hình 1.7 Giá trị của các góc lệch phụ thuộc vào giá trị lực ngang và độ cứng của lốp theo công thức:

Fy = CLδ (2.1) Trong đó 𝐶𝐿 là hệ số cản lệch bên của lốp

Hình 1.7: Quay vòng xe khi lốp có biến dạng ngang

Khi các đường vuông góc với hướng chuyển động của các bánh xe có thể không gặp nhau tai tâm quay vòng O như trên hình vẽ thì việc khảo sát sự quay vòng của xe sẽ rất khó khăn Vì thế để việc khảo sát có tính khả thi, coi các bánh trước có góc lệch trung bình là 𝛿1, các bánh sau có góc lệch trung bình là 𝛿2 Khi đó mô hình quay vòng thể hiện trên hình 1.7 sẽ được đơn giản hóa thành mô hình một dãy hình 1.8

Hình 1.8: Mô hình quay vòng 1 dãy

Khi quay vòng đặc biệt là quay vòng với vận tốc cao, các góc lệch 𝛿1,𝛿2 và góc quay bánh xe dẫn hướng α có giá trị nhỏ

Mặt khác bán kính quay vòng R cũng lớn hơn nhiều so với chiều dài cơ sở L (R>>L)

Khi đó coi rằng

AOB = L

RTheo quan hệ hình học:δ2 = AOC ; α − δ1 = COB

α − δ1 + δ2 = AOB = L

R → α = L

R + δ1 − δ2 (2.2) Lực li tâm của xe:Flt = mRω2 = mv2

L = G1;G∗a

L = G2Trong đó:Fy1, Fy2 là phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe;

G1, G2 là trọng lượng xe phân bổ lên cầu trước và cầu sau

α = L

R + Kv2

gR (2.4) Trong đó K = G1

C L 1− G2

C L2 (2.5) Được gọi là hệ số quay vòng

Công thức (2.4) biểu diễn mối quan hệ giữa góc quay bánh xe dẫn hướng và các thông số quay vòng xe như bán kính quay vòng R, vận tốc xe v, biến dạng lốp Giá trị của hệ số K sẽ quyết định trạng thái quay vòng xe

Khi K = 0 (khi đó δ1 = δ2) xe có trạng thái quay vòng đủ

Khi K > 0 (khi đó δ1 > δ2) xe có trạng thái quay vòng thiếu

Khi K < 0 (khi đó δ1 < δ2) xe có trạng thái quay vòng thừa

1.3.3 Các trường hợp quay vòng

Có thể thấy rằng khi bánh xe đàn hồi các thông số kết cấu khác khau của từng xe sẽ cho ra một trường hợp quay vòng riêng biệt, các trường hợp này chính là một trong các yếu tố quan trọng quyết định tới việc quay vòng an toàn của ô tô mà các hãng sản suất rất chú trọng để có thể sản xuất ra một chiếc xe an toàn Tổng quát lại, có thể chia ra làm 3 trường hợp chính đó là:

mà không phụ thuộc vào vận tốc tịnh tiến của xe Khi đó:

RNgười ta gọi trạng thái quay vòng này là trạng thái quay vòng đủ Khi quay vòng đủ, bán kính quay vòng sẽ không đổi nếu ta giữ nguyên góc quay vô lăng, nói cách khác khi ta giữ nguyên góc quay vô lăng thì xe sẽ chuyển động trên một cung tròn

có bán kính không đổi Ở điều kiện quay vòng đủ K = 0, nếu xe chuyển động thẳng và

có lực ngang Y tác động thì các bánh xe sẽ bị biến dạng một góc như nhau xe sẽ bị lệch hướng nhưng quỹ đạo chuyển động của xe vẫn là đường thẳng hình 1.9

Người ta gọi trạng thái quay vòng này là trạng thái quay vòng thiếu Ở trạng thái quay vòng thiếu, khi vận tốc xe tăng để giữ cho bán kính quay vòng không đổi, góc quay bánh xe dẫn hướng phải tăng, nghĩa là người lái phải tăng góc quay vô lăng Nói cách khác nếu giữ nguyên góc quay vô lăng thì bán kính quay vòng xe sẽ tăng lên Ở điều kiện quay vòng thiếu K > 0,nếu xe chuyển động thẳng và có lực ngang Y tác động thì các bánh xe sẽ bị biến dạng một góc khác nhau xe sẽ bị lệch hướng sang trái và quỹ đạo chuyển động của xe đi theo quy luật như hình 1.9

Ở trường hợp quay vòng thiếu, khi vận tốc xe tăng, góc quay bánh xe dẫn hướng cũng tăng, góc quay dẫn hướng α đạt giá trị 2L/R (gấp đôi trường hợp quay vòng đủ) khi xe đạt vận tốc 𝑉2

Trường hợp này nếu muốn giữ nguyên bán kính quay vòng, góc quay của bánh đẫn hướng phải giảm theo vận tốc chuyển động của xe Người ta gọi trạng thái này là trạng thái quay vòng thừa

Khi xe quay vòng thừa, để giữ cho bán kính quay vòng không đổi, người lái phải giảm góc quay vô lăng Nói cách khác nếu giữ nguyên góc quay vô lăng thì bán kính quay vòng xe sẽ giảm xuống Ở điều kiện quay vòng thừa K< 0, nếu xe chuyển động thẳng và có lực ngang Y tác động thì các bánh xe sẽ bị biến dạng một góc khác nhau xe sẽ bị lệch hướng sang phải và quỹ đạo chuyển động của xe đi theo quy luật như hình 1.9

Khi xe quay vòng thừa, nếu vận tốc xe tăng thì bán kính quay vòng của xe sẽ giảm xuống rất nhanh khi nó đạt vận tốc 𝑉1

V1 = gL

−K (2.7)

𝑉1 trong trường hợp này được gọi là vận tốc giới hạn (vận tốc nguy hiểm)

Hình 1.9: a - Quỹ đạo quay vòng xe ở các trạng thái quay vòng

b - Quỹ đạo chuyển động của xe khi có lực ngang tác động

1.4 Ảnh hưởng của gió tới quay vòng ô tô

Ảnh hưởng của gió tới quay vòng của ô tô là một ảnh hưởng rất đáng kể vì

nó tỷ lệ với bình phương vận tốc ô tô, vậy nên ở tốc độ cao thì nó chính là yếu tố chính tạo ra các lực tác động lên ô tô hay nói cách khác là tác động lên quay vòng của ô tô, chính vì vậy mà việc nghiên cứu khí động học là một trong những ngành rất quan trọng trong việc chế tạo và phát triển ô tô

Để xác định ảnh hưởng của gió đến quay vòng ô tô có thể xét một trường hợp tổng quát bao gồm:

- Vận tốc dịch chuyển của ô tô trong môi trường không khí tĩnh Trên trục toạ độ gắn với ô tô vận tốc này mang đấu âm (-Vô) và nghiêng so với trục dọc của ô

Để xác định ảnh hưởng của gió bên trong bài toán quỹ đạo chuyển động có thể giả thiết rằng:

Hình 1.11: Lực bên, mô men quay của gió và các góc tác dụng của gió

- Phương vận tốc ô tô nghiêng đi so với trục dọc một góc +α

- Toạ độ của vỏ khí động được xác định là điểm giữa của ô tô: điểm O trong hình 1.11

- Vận tốc c ủa không khí Vkk được xác định theo hai thành phần Vkky và Vkkô

Lực tác dụng của không khí tỷ lệ thuận với mật độ không khí ρ và bình phương vận tốc Vkk Nếu biết hệ số cản khí đô ̣ng ho ̣c theo phương nganglà CN thì:

N = CNρ

2Sxvkky

2 (2.8) Trong đó: N là lực tác dụng của gió bên

Sx là diện tích cản chính diện theo phương ngang của ô tô

Khi ô tô quay vòng góc tác dụng của không khí lên bề mặt xe thay đổi khi đó

sẽ xuất hiện mô men làm quay ô tô xung quanh trục z

Mô men làm quay ô tô xung quanh trục z đối với điểm O của ô tô là:

Mz o = CMz oρ

2Sxvkk

2 L (2.9) Trong đó: (CMz)o là hệ số quay của mô men xung quanh điểm O

L: là chiều dài cơ sở của ô tô

Hệ số CN và (CMz)o phụ thuộc vào góc tác dụng của không khí và được xác định qua thực nghiệm, bằng cách đo trên ổng thổi và mô hình đồng dạng

1.5 Tốc độ giới hạn và tính ổn định của xe khi quay vòng

Với mục tiêu là nghiên cứu tốc độ nguy hiểm của ô tô khi quay vòng, có thể thấy rằng tạo ra một chiếc ô tô tốt đã khó, điều khiển nó làm sao cho an toàn còn khó hơn nhiều bởi vì việc đó phụ thuộc vào thói quen điều khiển củangười lái xe Vậy khi quay vòng người lái điều khiển tốc độ xe bao nhiêu là an toàn Phần này sẽ tìm hiểu về tính ổn định của xe và ảnh hưởng của vận tốc tới tính ổn định của xe

Tính ổn định của ô tô là khả năng đảm bảo giữ cho quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau Tùy thuộc vào điều kiện

sử dụng, ô tô có thể chuyển động trên đường nghiêng dọc, nghiêng ngang có thể phanh hoặc quay vòng ở các loại đường khác nhau

Trong những điều kiện phức tạp như vậy ô tô phải giữ được quỹ đạo của nó sao cho xe giữ được chuyển động an toàn, nâng cao vận tốc chuyển động của xe có nghĩa là tăng tính kinh tế và ổn định của ô tô trong mọi điều kiện làm việc

Phần này sẽ nghiên cứu tính ổn định của ô tô khi quay vòng trong các trường hợp khác nhau để đảm bảo khả năng không bị lật hoặc bị trượt trong những điều kiện khác nhau

Trường hợp ô tô quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài

Hình 1.12: Sơ đồ lực và mô men tác động lên ô tô khi quay vòng trên đường

nghiêng ngang ra ngoài

Trong đó:

G – Trọng lượng toàn bộ của ô tô

Mjn – Mô men của các lực quán tính tiếp tuyến của các thành phần quay của động cơ và hệ thống truyền lực tác dụng trong mặt phẳng ngang khi xe chuyển động không ổn định

F1 – Lực ly tâm

g – Gia tốc trọng trường

c – Chiều rộng cơ sở của ô tô

YY- Trục quay vòng của ô tô

β – Góc nghiêng ngang của đường

Z’ – Các phản lực phương thẳng đứng từ đường tác động lênh bánh xe Y’ – Các phản lực ngang từ đường tác động lên bánh xe

Trong trường hợp này, ô tô chịu lực tác dụng của các lực sau: lực ly tâm F1, trọng lượng của toàn bộ của ô tô G

Khi góc β tăng dần đồng thời dưới sự tác động của lực ly tâm F1, xe sẽ bị lật

đổ quanh trục đi qua A (trục này là giao tuyến giữa mặt phẳng của đường với mặt phẳng lăncủa các bánh xe bên phải), lúc đó vận tốc của ô tô đạt giá trị giới hạn và hợp lực Z” = 0

Để xác định trị số các phản lực bên trái, lập phương trình cân bằng mô men đối với đường thẳng đi qua hai điểm tiếp xúc (hai điểm A hình) của các bánh xe bên phải với mặt đường:

vn- Vận tốc giới hạn khi xe quay vòng bị lật

1.5.1.1 Trường hợp ô tô quay vòng trên đường nghiêng ngang vào trong

Hình 1.13: Sơ đồ lực và mô men tác động lên ô tô khi quay vòng trên đường

nghiêng ngang vào trong

Ô tô có xu hướng lật đổ quanh trục A và nằm trong mặt phẳng của mặt đường

MiA = Gc

2cosβ + Ghgsinβ − Z" − F1hgsinβ + F1

c

2sinβ = 0 (2.12) Khi vận tốc ô tô tăng tới giá trị giới hạn, ô tô sẽ lật đổ Lúc đó, các bánh xe phía bên trái không còn tiếp xúc với mặt đường nữa, nên Z” = 0

1.5.1.2 Trường hợp ô tô quay vòng trên đường nằm ngang

Khi đường ngang (βđ = 0), vận tốc khi xe lật là:

vn = Rg2hc

g

(2.14)

Sơ đồ biểu diễn trạng thái ô tô quay vòng trên dường nằm ngang:

Hình 1.14: Sơ đồ lực và mô men tác động lên ô tô khi quay vòng

trên đường nằm ngang

1.5.2 Xét ổn định theo điều kiện trượt

Khi quay vong trên đường nghiêng ngang ô tô có thể bị trượt bên dưới tác dụng của các thành phần lực Gsinβ và F1cosβ (do điều kiện bám ngang của xe và đường không đảm bảo)

1.5.2.1 Trường hợp ô tô quay vong trên đường nghiêng ngang ra ngoài

Khi vận tốc ô tô đạt tới giá trị giới hạn vφ , ô tô bắt đầu trượt ngang, lúc đó các phản lực ngang sẽ bằng lực bám

Y’ +Y” = φy (Z’+ Z”) (2.15) Chiếu các lực lên phương song song với mặt đường và phương vuông góc với mặt đường được:

Y′ + Y′′ = F1cosβφ + Gsinβφ

Z′ + Z′′ = Gcosβφ− F1sinβφ (2.16) Thay thế giá trị của biểu thức (2.15) vào (2.16) rồi rút gọn được:

vφ2 =Rg(φycosβφ − sinβφ)

φysinβφ+ cosβφ

→ vφ = Rg φy − tgβφ

1 + φytgβφ (2.17)

1.5.2.2 Trường hợp xe quay vòng trên đường nghiêng ngang vào trong

Để xác định vận tốc giới hạn mà tại đó ô tô bắt đầu trượt bên, cũng làm tương tự như trên là chiếu các lực lên phương song song với mặt đường và phương vuông góc với mặt đường và được:

F1cosβφ - Gsinβφ = Y’ + Y” = φy (Z’ + Z”) = φy (Gcosβφ + F1sinβφ) (2.18) Rút gọn biểu thức được:

βφ – Góc nghiêng ngang của đường khi xe quay vòng bị trượt

φy – Hệ số bám ngang của đường và bánh xe

1.5.2.4 Nhận xét

Góc nghiêng ngang giới hạn và vận tốc nguy hiểm mà tại đó ô tô bị lật đổ hoặc bị trượt ngang khi chuyển động trên đường nghiêng ngang phụ thuộc vào toạ

độ trọng tâm, bán kính quay vòng và hệ số bám ngang của bánh xe với đường

Ngoài ra, khi xe chuyển động còn bị mất ổn định do ảnh hưởng của các yếu

tố khác như lực gió ngang, do đường mấp mô và do phanh trên đường trơn

Tính ổn định của ô tô khi quay vòng trên đường nghiêng vào trong là tốt nhất

so với quay vòng trên mặt đường nằm ngang hoặc nghiêng ra ngoài trục quay vòng

Sau đây, để hiểu rõ ảnh sự ảnh hưởng của lực gió ngang, sẽ đi nghiên cứu trường hợp bánh xe chủ động lăn chịu lực ngang Fy

Bánh xe lăn sẽ chịu tác động của các mô men và lực: Mk, Gb, Fx, Fy, và các phản lực như Zb, Yb, Fk

Theo hình 1.15: R là hợp lực của các lực kéo tiếp tuyến Fk và lực Yb (phản lực ngang Yb do lực ngang Fy gây ra)

Hợp lực R có điểm đặt là điểm tiếp xúc giữa bánh xe và đường được xác định theo công thức:

- Sự trượt này dẫn đến hiện tượng quay vòng thiếu (khi bánh xe ở cầu trước

bị trượt) hoặc hiện tượng quay vòng thừa (khi bánh xe ở cầu sau bị trượt)

- Hiện tượng quay vòng thừa rất nguy hiểm trong quá trình chuyển động khi

có lực ngang tác động

CHƯƠNG 2 PHẦN MỀM CARSIM PRO 8.02 2.1 Giới thiệu Carsim

Phần mềm Carsim được xây dựng và phát triển bởi công ty Mechanical Simulation Corporation có trụ sở tại Ann Abor, Michigan, chuyên cung cấp các ứng dụng mô phỏng tương tác 3D Ra đời vào năm 1996, đến nay Carsim cùng với các phần mềm tính toán Trucksim, Bikesim được cung cấp cho hơn 30 nhà sản xuất,

150 trường đại học và các nhóm nghiên cứu trên toàn thếgiới

Carsim thực hiện các mô phỏng dự đoán về ô tô, các chuyển động của xe đua, xe chở khách, xe tải nhẹ và các loại xe chuyên dùng…, tìm câu trả lời cho mong muốn điều khiển của người lái (hệ thống lái, bướm ga, hệ thống phanh, ly hợp, và sangsố…) trong một số điều kiện lái xe thực tế và mô phỏng một phần các thiết kế ban đầu ở dạng cơ bản nhất

Được dùng để thiết kế, phát triển và kiểm định các hệ thống trên xe, carsim cho phép người dùng thay đổi các thông số, lựa chọn và phân tích tốt nhất về khí động học, kiểm nghiệm khung sườn và các ảnh hưởng đến xe của hệ thống treo, hệ thống lái, hệ thống phanh… Carsim phân tích hiệu suất ứng với sự thay đổi trên xe trong một môi trường nhất định nào đó bằng các chuyển động, lực và moment tác động lên quá trình tăng tốc, ổn định hay phanh

Carsim với hệ thống dữ liệu hình ảnh mô phỏng sống động, hơn 800 phương trình phân tích tính toán, đồ thị và có khả năng xuất ra dưới dạng file mathlab, excel… với giao diện hiện đại, người dùng có thể chạy một thử nghiệm mô phỏng hay xem đồ thị đặc tính với một click chuột Các đồ thị và mô phỏng là công cụ phân tích linh hoạt và tương tác cao, có thể dễ dàng xuất và chèn vào các bản báo cáo, haythuyết trình power point

2.1.1 Một số nút chức năng trên màn hình làm việc

Màn hình làm việc của phần mềm Carsim như hình 2.1, bằng cách lựa chọn trực tiếp vào các chế độ mô phỏng của phần mềm có thể dễ dàng thao tác và làm quen nhanh chóng

Hình 2.1: Màn hình làm việc của phần mềm Carsim 2.2 Các mô hình trong Carsim

2.2.1 Cài đặt các thông số cho xe mô phỏng

Các thông số thiết lập cho mô hình xe trong Carsim có thể đƣợc thiết lập trong hình 3.2 Trong dữ liệu của phần mềm đã có sẵn thông số của các dòng xe cơ bản, có thể sử dụng các thông số đó bằng cách chọn hoặc cũng có thể thiết lập lại từ đầu các thông số theo những thông số xác định trong thực nghiệm

Hình 2.2: Bảng thông số xe mô phỏng

2.2.1.1 Hệ thống treo

Các mô hình hệ thống treo có đầy đủ các chuyển động phi tuyến và bất đối xứng Mỗi hệ treo chịu tác động bởi lực dọc và lực theo phương thẳng đứng Góc đặt các bánh xe được xác định bởi góc Camber và độ chụm Toe Tất cả các thông số

có thể biểu diễn tuyến tính hoặc phi tuyến thông qua bảng cấu hình

Hệ treo cầu trước hay cầu sau có thể khai báo là hệ treo độc lập hoặc phụ thuộc Đối với hệ treo phụ thuộc, khối cầu được coi là khối rắn tuyệt đối, sự tương tác giữa các bánh được khởi tạo thông qua sự tương tác giữa các dầm Đối với hệ treo độc lập, lò xo và giảm chấn được khai báo phi tuyến có tính đến độ trễ do ma sát

Trong quá trình mô phỏng người dùng cần khai báo các thông số về khối lượng được treo, độ cứng của lò xo và hệ số giảm chấn, chiều rộng cơ sở của xe, bán kính lăn bánh, các góc đặt bánh xe đồng thời khai báo đặc tính thay đổi của các góc đặt bánh xe khi có sự thay đổi về lực dọc, lực ngang, mô men lái … chi tiết các thông số như hình 2.3