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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG 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 TRƢỜNG 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 NGƢỜI HƢỚNG DẪN: TS HOÀNG THĂNG BÌNH Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu Những nội dung đƣợc trình bày luận văn thực với hƣớng dẫn khoa học thầy giáo TS Hoàng Thăng Bình, thầy giáo Bộ môn ôtô – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Toàn nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với nội dung đƣợc đăng ký phê duyệt Hiệu trƣởng Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết luận văn trung thực Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2016 Tác giả Hoàng Tùng Nghĩa MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tính thực tế đề tài 1.2 Lý chọn đề tài 11 1.3 Tổng quan 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 trƣờng hợp quay vòng 16 1.4 Ảnh hƣởng gió tới quay vòng ô tô 19 1.5 Tốc độ giới hạn tính ổn định xe quay vòng 21 1.5.1 Tính ổn đinh ̣ theo điều kiện lật 21 1.5.2 Xét ổn định theo điều kiện trƣợt 24 CHƢƠNG PHẦN MỀM CARSIM PRO 8.02 28 2.1 Giới thiệu Carsim 28 2.1.1 Một số nút chức hình làm việc 28 2.2 Các mô hình Carsim 29 2.2.1 Cài đặt thông số cho xe mô 29 2.2.2 Bảng cài đặt thông số mô 36 CHƢƠNG MÔ PHỎNG VÀ NGHIÊN CỨU SỰ QUAY VÒNG CỦA Ô TÔ CON TRONG CARSIM 40 3.1 Sử dụng phần mềm carsim để mô trạng thái quay vòng xe 40 3.2 Mô dòng xe Sedan 43 3.2.1 Mô dòng xe sedan khúc cua thứ 44 3.3 Mô dòng xe SUV 49 3.3.1 Mô dòng xe SUV khúc cua thứ 50 3.4 Kết mô với dòng xe Sedan với toàn quãng đƣờng 56 3.5 Nhận xét 60 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT c : Chiều rộng sở ô tô Carsim : Car Simulation F1 : Lực ly tâm G : Trọng lƣợng toàn ô tô G : Gia tốc trọng trƣờng L : Là chiều dài sở ô tô R : Bán kính quay vòng xe TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam V : Vận tốc quay vòng , m/s : Vận tốc giới hạn xe quay vòng bị lật Y’ : Các phản lực ngang từ đƣờng tác động lên bánh xe YY : Trục quay vòng ô tô Z’ : Các phản lực phƣơng thẳng đứng từ đƣờng tác động lênh bánh xe β : Góc nghiêng ngang đƣờng βđ : Góc nghiêng ngang đƣờng xe quay vòng bị lật βφ : Góc nghiêng ngang đƣờng xe quay vòng bị trƣợt φy : Hệ số bám ngang đƣờng bánh xe DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Thống kê số ngƣời chết tai nạn giao thông giới .7 Hình 1.2: Thống kê tai nạn giao thông năm gần .8 Hình 1.3: Tỷ lệ phƣơng tiện gây tai nạn .9 Hình 1.4: Tuyến đƣờng xảy tai nạn Hình 1.5: Thống kê tỷ lệ gây tai nạn năm gần 10 Hình 1.6: Mô hình quay vòng hình học xe 13 Hình 1.7: Quay vòng xe lốp có biến dạng ngang 14 Hình 1.8: Mô hình quay vòng dãy 14 Hình 1.9: a - Quỹ đạo quay vòng xe trạng thái quay vòng b - Quỹ đạo chuyển động xe có lực ngang tác động 18 Hình 1.10: Xác định ảnh hƣởng gió 19 Hình 1.11: Lực bên, mô men quay gió góc tác dụng gió 20 Hình 1.12: Sơ đồ lực mô men tác động lên ô tô quay vòng đƣờng nghiêng ngang .21 Hình 1.13: Sơ đồ lực mô men tác động lên ô tô quay vòng đƣờng nghiêng ngang vào 23 Hình 1.14: Sơ đồ lực mô men tác động lên ô tô quay vòng đƣờng nằm ngang 24 Hình 1.15: Sơ đồ mô men lực tác động lên bánh xe chủ động có lực ngang tác động .26 Hình 2.1: Màn hình làm việc phần mềm Carsim 29 Hình 2.2: Bảng thông số xe mô 30 Hình 2.3: Các thông số mô hình hệ thống treo 31 Hình 2.4: Các thông số mô hình hệ thống phanh .32 Hình 2.5: Các thông số mô hình hệ thống lái .33 Hình 2.6: Các thông số mô hình lốp 34 Hình 2.7: Các thông số mô hình hệ thống động lực 35 Hình 2.8: Các thông số mô hình hệ thống chiếu sáng 36 Hình 2.9: Bảng thiết lập thông số cho mô hình mô 37 Hình 2.10: Lựa chọn 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 mốc quãng đƣờng 39 Hình 3.1: Thông số đƣờng chạy xe mô 40 Hình 3.2: Xác định bán kính quay vòng đƣờng chạy 40 Hình 3.3: Quá trình mô xác định vận tốc nguy hiểm xe với bán kính quay vòng cho trƣớc 41 Hình 3.4: Lựa chọn thông số cho xe sedan mô 43 Hình 3.5: Bảng thông số khối lƣợng đƣợc treo xe sedan 44 Hình 3.6: Chạy mô dòng xe Sedan Carsim 44 Hình 3.7: Dải vận tốc điều khiển vận tốc xe chạy mô .45 Hình 3.8: Quỹ đạo chuyển động xe so với quỹ đạo điều khiển 45 Hình 3.9: Khoảng cách dịch chuyển theo phƣơng ngang xe khỏi quỹ đạo 46 Hình 3.10: Độ lớn lực ngang tác động lên bánh xe 47 Hình 3.11: Độ lớn lực dọc tác động lên bánh xe 47 Hình 3.12: Lực tác động lên bánh xe theo phƣơng thẳng đứng 47 Hình 3.13: Lực tác động không khí lên xe theo phƣơng 48 Hình 3.14: Mô men xoay tác động lên cầu trƣớc cầu sau 48 Hình 3.15: mô men khí động tác động lên xe 49 Hình 3.16: Thông số dòng xe SUV .50 Hình 3.17: Thông số hình học dòng xe SUV .50 Hình 3.18: Chạy mô dòng xe SUV Carsim 51 Hình 3.19: Dải vận tốc điều khiển vận tốc xe chạy mô 51 Hình 3.20: Quỹ đạo chuyển động xe so với quỹ đạo điều khiển 52 Hình 3.21: Khoảng cách dịch chuyển theo phƣơng ngang xe khỏi quỹ đạo 52 Hình 3.22: Độ lớn lực ngang tác động lên bánh xe 53 Hình 3.23: Độ lớn lực dọc tác động lên bánh xe 53 Hình 3.24: Lực tác động lên bánh xe theo phƣơng thẳng đứng 54 Hình 3.25: Lực tác động không khí lên xe theo phƣơng 54 Hình 3.26: Mô men xoay tác động lên cầu trƣớc 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 đƣờng 56 Hình 3.29: Quỹ đạo chuyển động xe 56 Hình 3.30: Độ trƣợt ngang 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 phƣơng thẳng đứng 58 Hình 3.34: Lực tác động không khí lên xe theo phƣơng 59 Hình 3.35: Mô men xoay tác động lên 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 ô tô bị trƣợt bên tƣơng ứng với hệ số bám φ = 0.75 41 Bảng 3.2: Vận tốc nguy hiểm ô tô trƣợt ngang > 0.2 m so với quỹ đạo chuyển động 42 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tính thực tế đề tài Hiện nay, với công nghiệp hóa nhanh chóng tăng trƣởng ngành công nghiệp ô tô, việc sở hữu ô tô làm phƣơng tiện lại điều cần thiết nhƣng dẫn đến nhiều vấn đề.Trong tai nạn giao thông điểm nóng, ta thấy số ngƣời tử vong tai nạn giao thông qua thống kê sau đây: Hình 1.1: Thống kê số ngƣời chết tai nạn giao thông giới (Nguồn tổ chức y tế giới) Ở Việt Nam, vấn đề tai nạn giao thông vấn đề nóng hổi đƣợc quan tâm, nhìn vào hình 1.2 thấy đƣợc tai nạn giao thông gây thiệt hại ngƣời nhiều nhƣ Tuy năm trở lại có nhiều luật đƣợc ban hành để giảm thiểu tai nạn giao thông nhƣng số tai nạn giao thông cao 60000 50000 Ngƣời 40000 Thương vong 30000 Tử vong Tổng số vụ 20000 10000 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Hình 1.2: Thống kê tai nạn giao thông năm gần (Nguồn viện chiến lƣợc phát triển giao thông vận tải) Nƣớc ta đà phát triển việc chuyển đổi phƣơng tiện cá nhân từ xe gắn máy sang ô tô điều tất yếu tƣơng lai, nhìn lại năm gần thấy tỷ lệ tai nạn ô tô gây chiếm tỷ lệ không nhỏ tổng số tai nạn năm gần theo hình1.3 Qua số liệu thống kê đến thời điểm 15/9/2015, tổng số phƣơng tiện giới đƣờng đăng ký nƣớc 46.065.091 xe - đó, ôtô 2.579.675 xe, mô tô 43.485.416 xe Tức xe ô tô chiếm gần 6% tổng số nhƣng số tai nạn ô tô gây lại gần 26% số lớn - Lực tác động không khí tĩnh lên xe theo phƣơng dọc phƣơng thẳng đứng xe tuyến tính với vận tốc xe, lực tác động lên phƣơng ngang ảnh hƣởng vận tốc góc quay vòng ô tô Hình 3.13: Lực tác động không khí lên xe theo phƣơng - Mô men tác động lên xe cầu trƣớc lớn cầu sau, điều khiến cho xe có xu hƣớng quay vòng thiếu Hình 3.14: Mô men xoay tác động lên cầu trƣớc cầu sau 48 Hình 3.15: mô men khí động tác động lên xe 3.3 Mô dòng xe SUV Các thiết kế khác thông số hình học có ảnh hƣởng lớn đặc tính quay vòng xe, lựa chọn mô dòng xe SUV, dòng xe đa dụng đƣợc sử dụng nhiều Việt Nam Tác giả tiến hành mô ảnh hƣởng vận tốc quay vòng xe nhằm so sánh khác biệt dòng xe phổ thông Để đƣa kết luận tổng thể yếu tố vận tốc ảnh hƣởng nhƣ quay vòng xe Thiết lập thông số thông số hình học cho dòng xe SUV nhƣ hình 3.16 hình 3.17 Qua thông số hình học ban đầu ta thấy dòng xe SUV có trọng tâm xe cao hơn, khối lƣợng lớn so với dòng xe Sedan Các yếu tố thiết kế khí động học không tối ƣu thiết kế dòng xe Sedan 49 Hình 3.16: Thông số dòng xe SUV Hình 3.17: Thông số hình học dòng xe SUV 3.3.1 Mô dòng xe SUV khúc cua thứ Quá trình mô với dòng xe SUV với vận tốc 53 km/h cho kết sau: 50 Hình 3.18: Chạy mô dòng xe SUV Carsim Hình 3.19: Dải vận tốc điều khiển vận tốc xe chạy mô - Quỹ đạo dòng xe SUV có độ lệch lớn dòng xe sedan thấy qua hình 3.20 hình 3.21 51 Hình 3.20: Quỹ đạo chuyển động xe so với quỹ đạo điều khiển Hình 3.21: Khoảng cách dịch chuyển theo phƣơng ngang xe khỏi quỹ đạo - Từ biểu đồ độ lớn lực tác động lên dòng xe SUV so với dòng xe sedan không khác biệt lớn thấy qua hình 3.22, hình 3.23 hình 52 3.24 Sự khác biệt lớn dòng xe lực không khí tác động vào dòng xe SUV lớn dòng xe sedan Hình 3.22: Độ lớn lực ngang tác động lên bánh xe Hình 3.23: Độ lớn lực dọc tác động lên bánh xe 53 Hình 3.24: Lực tác động lên bánh xe theo phƣơng thẳng đứng Hình 3.25: Lực tác động không khí lên xe theo phƣơng 54 - Các mô men tác động lên dòng xe SUV cho ta thấy độ trƣợt ngang khác biệt so với dòng xe sedan đƣợc tạo mô men khí động theo phƣơng Y dòng xe SUV lớn Hình 3.26: Mô men xoay tác động lên cầu trƣớc cầu sau Hình 3.27: Mô men khí động tác động lên xe 55 3.4 Kết mô với dòng xe Sedan với toàn quãng đƣờng Dải vận tốc thiết lập vận tốctrên mô cho xe sedan Để thiết lập đƣợc dải vận tốc phù hợp với toàn quãng đƣờng thửsử dụng liệu từ bảng 3.2 sau chạy thử điều chỉnh đến phù hợp với toàn quãng đƣờng chạy Sự sai lệch vận tốc điều kiện đánh lái mô men quán tính quay vòng liên tục với bán kính khác Điều làm cho vận tốc trung bình khúc cua đặc trƣng nhỏ so với tính toán bảng 3.2 Từ có dải vận tốc thiết lập theo mốc quãng đƣờng nhƣ hình 3.28 Hình 3.28: Thiết lập vận tốc cho xe sedan theo quãng đƣờng - Sau thiết lập dải vận tốc ta có đƣợc đƣờng chạy xe mô nhƣ sau: Hình 3.29: Quỹ đạo chuyển động xe 56 Qua hình ta thấy quỹ đạo chạy thực xe mô có quỹ đạo khớp với đƣờng chạy đƣợc thiết lập so với mô với vận tốc cố định ta thấy khoảng cách trƣợt ngang bánh xe nằm giới hạn cho phép xe không bị lệch xa khỏi quỹ đạo chuyển động lấn vào đƣờng xe chạy đối diện gây nguy hiểm - Chi tiết độ trƣợt ngang đƣợc thấy rõ hình Hình 3.30: Độ trƣợt ngang xe - Các lực mô men tác động lên xe mô Hình 3.31: Các lực dọc tác động lên bánh xe 57 Hình 3.32: Các lực ngang tác động lên bánh xe Hình 3.33: Lực tác động lên bánh xe theo phƣơng thẳng đứng 58 Hình 3.34: Lực tác động không khí lên xe theo phƣơng - Mô men tác động lên xe Hình 3.35: Mô men xoay tác động lên cầu 59 Hình 3.36: Mô men khí động tác động lên xe 3.5 Nhận xét - Để xác định đƣợc vận tốc nguy hiểm quay vòng ô tô con, cần phải có nhiều thông số để tính toán có nhiều thông số ta khó đo đạc xác, nhƣ từ thông số để tính toán vận tốc nguy hiểm khó khăn - Dựa vào phần mềm Carsim cách mô theo thông số thực tế có đƣợc, mô với giả thiết thực nghiệm khác với thông số lựa chọn, để nghiên cứu xác định ảnh hƣởng yếu tố đến xe quay vòng nhƣ từ mô ta xác định đƣợc gần vận tốc nguy hiểm quay vòng ô tô - Với mô cho dòng xe sedan SUV ta thấy vận tốc nguy hiểm hai dòng xe bán kính quay vòng khác nhau, vận tốc phụ thuộc vào hệ số bám mặt đƣờng, đă ̣c tính khí động học xe hệ số K vv 60 KẾT LUẬN - Từ kết nghiên cứu xác định vận tốc nguy hiểm ô tô phần mềm Carsim, cách xác định thông số cung đƣờng thông số thiết kế ô tô, đƣa nhiều điều kiện khác để mô cách xác - Với khả phần mềm giúp cho việc nghiên cứu ô tô đƣợc dễ dàng hơn, giảm thiểu thời gian công sức, phần mềm giúp kiểm định mẫu thiết kế ô tô, xác định đƣợc ảnh hƣởng cung đƣờng có nhiều điều kiện đặc trƣng gây ảnh hƣởng tới khả chuyển động ô tô nhƣ nào, nhƣ đƣờng trơn trƣợt, đƣờng có gió ngang lớn v.v - Vì điều kiện chƣa thực nghiệm kiểm chứng giá trị trên, nên tác giả kiến nghị làm thực nghiệm bƣớc nghiên cứu Nếu kết phù hợp với thực nghiệm từ nghiên cứu điểm nóng giao thông toàn quốc để đƣa phƣơng hƣớng giải vấn đề tai nạn giao thông tốt 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài báo (2013), https://tinhte.vn/threads/infographic-tai-nan-giao-thong- nhung-con-so-dang-bao-dong.2057359/ [2] Bài báo (2015), http://www.csgt.vn/tintuc/3917/Tinh-hinh-tai-nan-giao-thongduong-bo-6-thang-dau-nam-2015-va-nhung-van-de-dat-ra.html [3] File hƣỡng dẫn sử dụng phần mềm carsim (2009), Mechanical Simulation Corporation [4] TS Đặng Quý (2012), Giáo trình lý thuyết ô tô, Nhà xuất Đại học quốc gia Hồ Chí Minh, (117, 118, 119, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134) [5] TCVN-4054 (2005), Bộ khoa học công nghệ [6] PGS.TS Nguyễn Khắc Trai (1997), Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô, Nhà xuất giao thông vận tải, (31, 32, 33, 36, 37, 38, 51, 52, 53) [7] PGS.TS.Lƣu Văn Tuấn (2015), Bài giảng Động lực học ô tô, Tài liệu lƣu hành nội bộ, (62,63,64,65,66,67) 62 ... - 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 NGƢỜI... theo phƣơng ngang ô tô Khi ô tô quay vòng góc tác dụng không khí lên bề mặt xe thay đổi xuất mô men làm quay ô tô xung quanh trục z Mô men làm quay ô tô xung quanh trục z điểm O ô tô là: ρ Mz o =... đến quay vòng ô tô xét trƣờng hợp tổng quát bao gồm: - Vận tốc dịch chuyển ô tô môi trƣờng không khí tĩnh Trên trục toạ độ gắn với ô tô vận tốc mang đấu âm (-Vô) nghiêng so với trục dọc ô tô góc