Khảo sát động lực học ô tô bằng mô hình 14

Trước nhu cầu thực tế trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu về động lực học ô tô và xây đựng mô hình động lực học tổng quát của ô tô để mô phỏng các quá trình động lực học của ô tô tron

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội -

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU……… 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT……… 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……… 10

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ ………13

1.1 Yêu cầu thực tế 13

1.2 Nghiên cứu động lực học ôtô 13

CHƯƠNG 2 CÁC MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TRÊN ÔTÔ ……… 17

2.1 Mô hình 1/4 17

2.2 Mô hình 1/2 ……… 18

2.3 Mô hình không gian xe con 19

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ CON ………20

3.1 Phương pháp lập hệ phương trình 20

3.2 Cấu trúc ô tô……… 21

Đặc điểm cấu trúc lốp: 25

3.3 Xây dựng mô hình 24

3.3.1 Thiết lập các phương trình động lực học của xe 255

3.3.2 Mô hình hệ thống treo 30

3.3.3 Mô hình 1/4 366

3.3.4 Động lực học bánh xe 40

3.4 Phương pháp giải 50

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ BẰNG SIMULINK 51

4.1 Trình tự thực hiện quá trình mô phỏng 51

4.2 Sơ đồ thuật toán của chương trình mô phỏng Simulink 52

4.3 Xây dựng chương trình mô phỏng 53

4.3.1 Khối tính toán các thông số động học của xe 55

4.3.2 Khối Ammon 56

4.3.3 Khối mô tả động lực học bánh xe 57

4.3.4 Khối dao động xe 58

CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN KHẢO SÁT VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ ……… 60

5.1 Khảo sát trạng thái của xe khi vừa quay vòng vừa phanh ở vận tốc khác

nhau 60

5.1.1 Đồ thị mô tả góc quay bánh xe và mômen phanh M 61

5.1.2 Các kết quả thu được 62

5.2 Khảo sát vừa phanh vừa đánh lái với cá góc đánh lái khác nhau 67

5.2.1 Đồ thị mômen phanh và góc đánh lái 67

5.2.2 Các kết quả thu được 69

5.3 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ phanh khi xe quay vòng 73

5.3.1 Đồ thị góc đánh lái và momen phanh 73

5.3.2 Các kết quả thu được 75

KẾT LUẬN……… 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………82

PHỤ LỤC……… 83

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khi mà ô tô đã trở thành phương tiện đi lại ngày càng phổ biến ,tốc độ ô tô ngày càng tăng cao.thì yêu cầu về độ an toàn cũng như sự thuận tiện khi điều khiển ô tô ngày càng yêu cầu phải cao hơn Khi ô tô chuyển động nó sẽ chịu rất nhiều tác động từ phía người lái như phanh, quay vô lăng , hay ga… Ngoài những tác động của người lái thì các yếu khách quan từ ngoại cảnh như chất lượng mặt đường khác nhau, gió …rồi các yếu tố bất ngờ tất cả sẽ ảnh hưởng rất lớn đến an toàn khi xe lưu thông Do vậy viêc nghiên cứu về các thông số động lực học của ô tô

là rất cần thiết Bởi từ các thông số động lực học đó các nhà sản xuất sẽ tìm ra các giải pháp để làm cho chiếc xe trở lên an toàn hơn Một chiếc ô tô thông minh ngày nay là một hệ thống cơ điện tử vì vậy việc cần nghiên cứu các thông số về động lực học giúp các nhà thiết kế có thể thiết kế các bộ điều khiển tự động giúp cho việc điều khiển chiếc xe thuận tiên hơn với người sử dụng Khi mà số lượng ô tô lưu thông trên đường tăng cũng kéo theo các vấn đề về tai nạn giao thông do ô tô có thể gây ra Vì thế việc biết các thông số về động lực học của ô tô để các nhà quản lí đưa

ra các yêu cầu về thông số kĩ thuật của ô tô khi nhập về, các yêu cầu về kĩ thuật, tốc

độ của các ô tô khi lưu thông là rất cần thiết

Trước nhu cầu thực tế trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu về động lực học ô tô và xây đựng mô hình động lực học tổng quát của ô tô để mô phỏng các quá trình động lực học của ô tô trong thực tế và lấy ra các thông số về động lực học ô tô Trong thời gian làm luận văn, tác giả đã có nhiều cố gắng tích cực và chủ động học hỏi, vận dụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu các kiến thức mới Dưới sự hướng dẫn trực tiếp PGS-TS Võ Văn Hường và các thầy trong Bộ môn ô tô

và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đề tài

đã được hoàn thành các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra

Mặc dù hết sức cố gắng nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên luận văn này khó tránh khỏi một vài sai sót, em mong nhận được sự chỉ bảo thêm của các thầy

Hà Nội, ngày 06 / 4 /2012

Nguyễn Minh Tú

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

-A m( )2 : Diện tích, thiết diện

-C1R(N m/ ) : Độ cứng treo trước dãy phải

-C1L(N m/ ) : Độ cứng treo trước dãy trái

-C2R(N m/ ) : Độ cứng treo sau dãy phải

-C2L(N m/ ) : Độ cứng treo sau dãy trái

- K Ns m( / ) : Hệ số cản hệ thống treo

- K Ns m1( / ) : Hệ số cản hệ thống treo trước

- K Ns m2( / ) : Hệ số cản hệ thống treo sau

- K1R(Ns m/ ) : Hệ số cản hệ thống treo trước dãy phải

- K1L(Ns m/ ) : Hệ số cản hệ thống treo trước dãy trái

- K2R(Ns m/ ) : Hệ số cản hệ thống treo sau dãy phải

- K2L(Ns m/ ) : Hệ số cản hệ thống treo sau dãy trái

- a m( ) : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước

- b m( ) : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau

J kgm : Mômen quán tính trục y của lốp sau dãy trái

- h m( ) : Chiều cao mấp mô của đường

- h m1( ) : Chiều cao mấp mô của đường phía trước

- h m2( ) : Chiều cao mấp mô của đường phía sau

- F N Z( ) : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe

- F Z1( )N : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước

- F Z2( )N : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau

- F Z t1, ( )N : Tải trọng tĩnh bánh xe phía trước

- F Z t2, ( )N : Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau

- F Zd( )N : Tải trọng động bánh xe

- F Z d1, ( )N : Tải trọng động bánh xe phía trước

- F Z d2, ( )N : Tải trọng động bánh xe phía sau

- F N C( ) : Lực đàn hồi hệ thống treo

- F C1( )N : Lực đàn hồi hệ thống treo trước

- F C2( )N : Lực đàn hồi hệ thống treo sau

- F CL1( )N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước

- F CL2( )N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau

F N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau dãy trái

- M kg( ) : Khối lượng toàn xe

- m kg( ) : Khối lượng được treo

- m kg1( ) : Khối lượng được treo trước

- m kg2( ) : Khối lượng được treo sau

- m A1( )kg : Khối lượng không được treo trước

- m A2( )kg : Khối lượng không được treo sau

- ξ1( )m : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước

- ξ2( )m : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau

ξ : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau dãy trái

- ξ&(m s/ ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe

- ξ& 1(m s/ ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước

- ξ& 2(m s/ ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau

- ξ& 1R(m s/ ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy phải

- ξ& 1L(m s/ ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy trái

- ξ& 2R(m s/ ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy phải

- ξ& 2L(m s/ ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy trái

- ξ&&(m s/ 2) : Gia tốc phương thẳng đứng cầu xe

ξ&& : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy trái

- z z z m m s m s, ,& &&( , / , / 2) : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng được treo

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển ôtô Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Mô hình động lực học 1/4 Error! Bookmark not defined

Hình 2.2 Mô hình dao động phẳng 18

Hình 2.3 Mô hình động lực tổng thể 19

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc ôtô 23

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc ngang và dọc ôtô 24

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc quay vòng 24

Hình 3.4 Mô hình động lực theo phương bằng Error! Bookmark not defined.6 Hình 3.5 Mô hình động lực học theo phương đứng 267

Hình 3.6 Mô hình động lực học theo phương cạnh 278

Hình 3.7Mô hình hệ thống treo 31

Hình 3.8 Đặc tính đàn hồi 33

Hình 3.9 Sơ đồ xác định chế độ mở của tiết lưu 345

Hình 3.10 Mô hình động lực học ôtô ¼ 378

Hình 3.11 Sơ đồ tách cấu trúc và lực 389

Hình 3.12 Thông số động lực học các loại bánh xe 42

Hình 3.13 Hệ số bám dọc µ và hệ số bám ngang B µ 44 S Hình 3.14 Hệ số bám dọc, ngang phụ thuộc hệ số trượt 44

Hình 3.15 Mô hình lốp 45

Hình 3.16 Sơ đồ tính lực Fx , Fy của lốp 46

Hình 3.17 Đồ thị lực tương tác bánh xe F xtheo hệ số trượt 47

Hình 3.18 Hàm Ammon 469

Hình 4.1 Sơ đồ thuật toán của chương trình 54

Hình 4.2 Sơ đồ mô đun tổng thể của hệ 56

Hình 4.3.khối tính toán ra các thông số động học của xe 57

Hình 4.4 khối mô tả hàm Ammon 58

Hình 4.5 Mô tả động lực học bánh xe 59

Hình 4.6 Khối mô tả dao động của xe 60

Hình 5.1 Đồ thị mô tả góc quay bánh xe 63

Hình 5.2 Đồ thị mômen phanh ỏ bánh chủ động và bánh bị động 64

Hình 5.3 Hệ số trượt của các bánh xe khi vừa phanh vừa quay xe với vận tốc 0 10( / ) v = m s 64

Hình 5.4 Hệ số trượt của các bánh xe khi vừa phanh vừa quay xe với vận tốc đầu 0 20( / ) v = m s 65

Hình 5.5 Áp lực lên các bánh xe khi vừa phanh vừa quay xe với vận tốc đầu

0 10( / ) v = m s 66

Hình 5.6 Áp lực lên các bánh xe khi vừa phanh vừa quay xe với vận tốc đầu 0 20( / ) v = m s 66

Hình 5.7 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe theo thời gian

Trong trường hợp quay vòng ở v0 =10( / )m s 67

Hình 5.8 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe theo thời gian

Trong trường hợp quay vòng ở v0 =20( / )m s 67

Hinh 5.9 Đồ thị mô tả quỹ đạo xe khi quay vòng và phanh ở vận tốc ban đầu khác nhau 68

Hinh 5.10 Đồ thị mô tả mômen phanh 679

Hình 5.11 Đồ thị mô tả góc quay bánh xe trường hợp góc quay bằng 5 độ 70

Hình 5.12 Đồ thị mô tả góc quay bánh xe trường hợp góc quay bằng 10 độ 70

Hình 5.13 Đồ thị mô tả hệ số trượt của các bánh xe theo thời gian 71

Hình 5.14 Đồ thị mô tả hệ số trượt của các bánh xe theo thời gian 71

Hình 5.15 Đồ thị mô tả áp lực tác dụng lên các bánh xe trong trường hợp phanh và quay xe với góc quay bánh xe bằng 5 độ 72

Hình 5.16 Đồ thị mô tả áp lực tác dụng lên các bánh xe trong trường hợp phanh và quay xe với góc quay bánh xe bằng 10 độ 72

Hình 5.17.Đồ thị mô tả vận tốc góc theo thời gian 73

Hình 5.18 Đồ thị mô tả vận tốc góc theo thời gian 73

Hình 5.19.Đồ thị mô tả quỹ đạo xe 74

Hình 5.20 Đồ thị mô tả góc quay bánh xe 75

Hình 5.21 Đồ thị mô tả mômen phanh ở bánh củ động và bị động 76

Hình 5.22 Đồ thị mô tả mômen phanh ở bánh chủ đọng và bị động 76

Hình 5.23 Đồ thị mô tả hệ số trượt của các bánh theo thời gian

Trong trường hợp phanh non 77

Hình 5.24 Mô tả hệ số trượt cảu các bánh xe trong trường hợp phanh già 77

Hình 5.25 Đồ thị mô tả áp lực tác dụng lên các bánh xe trong trường hợp quay xe và phanh non 78

Hình 5.26 Đồ thị mô tả áp lực tác dụng lên các bánh xe trong trường hợp quay xe và phanh già 78

Hình 5.27.Đồ thị mô tả góc quay thân xe theo thời gian trường hợp phanh non 79

Hình 5.28.Đồ thị mô tả góc quay thân xe theo thời gian trường hợp phanh già 79

Hình 5.29 Đồ thị mô t ả vận tốc quay thân xe trong trường hợp phanh non và quay vòng 80

Hình 5.30 Đồ thị mô t ả vận tốc quay thân xe trong trường hợp phanh già và quay vòng 80

HÌnh 4.31 Đồ thị mô tả gia tốc tâm xe theo thời gian trong trường hợp phanh non 81

Hình4.32 Đồ thị mô tả gia tốc tâm xe theo thời gian trong trường hợp phanh già 81 HÌnh 4.33 Đồ thị mô tả quỹ đạo chuyển động của xe quay vòng trong trường hợp phanh non và phanh già 82

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Yêu cầu thực tế

Ngày nay khi mà ôtô đã trở thành phương tiện chính dùng để đi lại và chuyên trở hàng hoá ở nước ta thì vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển của ô

tô la rất quan trọng Khi ô tô chuyển động nó sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố như người điều khiển, tác động của ngoại cảnh, các yếu tố ngẫu nhiên xảy ra trên đường…

Người lái xe có thể thực hiện các thao tác để điều khiển xe như : ga để tăng tốc xe, nhấn phang để giảm tốc độ và đánh vô lăng để quay vòng

Các yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe cũng khác nhau Xe có thể chạy trên các đường với các cung độ khác nhau Khi xe chạy trên đường khác nhau thì hệ số bám của lốp xe và đường cũnng khác nhau Và khi xe chạy trên đường thi gió cũng

là một yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe và còn nhiều yếu tố khác anh hưởng tới xe khi xe chuyển động

Một yếu tố ảnh hưởng khá nhiều đến xe và thường gây mất an toàn đó là các tác động ngẫu nhiên bất ngờ xảy ra trên đường như sự xuất hiện bất ngờ của các chướng ngại vật

Tất cả các yếu tố trên sẽ ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái chuyển động của

xe và nó cũng ảnh hưởng tới mức độ an toàn của xe

Vì vậy việc nghiên cứu quy luật chuyển động của ô tô nhằm xác định khả năng chuyển động ổn định của ôtô rà rất cần thiết

1.2 Mục tiêu nghiên cứu động lực học ô tô

Nghiên cứu động lực học ôtô là tìm ra qui luật chuyển động của ôtô từ đó xác định giới hạn an toàn, tìm sự tương thích giữa lái xe và xe, mở rộng khả năng điều khiển xe của lái xe Quỹ đạo chuyển động của ô tô được xác đinh bởi vận tốc, gia tốc, quỹ đạo chuyển động bởi các thông số ( , , )x y& &ψ& ; đồng thời quỹ đạo chuyển

động của nó được khái quát 3 trạng thái

- Quay vòng đủ

- Quay vòng thiếu

- Quay vòng thừa

a Quay vòng đủ: ở trạng thái này ôtô có tính chất quay vòng lý tưởng, ở

trường hợp này bán kính quay vòng thực tế của xe bằng với bán kính quay vòng yêu cầu Xe chạy ổn định

b Quay vòng thiếu: Là trạng thái mà lái xe quay vô lăng nhiều hơn để vào

cua Trường hợp giới hạn xe có thể chuyển động theo phương tiếp tuyến Trong

trường hợp này xe có thể rơi vào trạng thái nguy hiểm – mất lái

c Quay vòng thừa: ôtô có tính năng quay vòng thừa tức là bán kính quay

vòng của xe nhỏ hơn bán kính yêu cầu, ở trạng thái này xe bị mất ổn định nguy

hiểm

Hình 1.1: Sơ đồ điều khiển ô tô

Nhìn vào hình 1.1 chúng ta thấy lái xe có ba tác động: Ga để thay đổi mômen của động cơ (MA), phanh để tạo ra mô mem phanh (MB) và quay vô lăng δ Dưới điều kiện ngoại cảnh như gió, đường nghiêng, lực quán tính, có thể làm thay đổi phản lực Fz lên các bánh xe và từ đó làm thay đổi các lực phương dọc và phương

ngang tại các bánh xe, khi đó ô tô sẽ chuyển động với vận tốc dọcx&, vận tốc ngang

y&, vận tốc góc quay thân xe ψ&

Trong thực tế thì MA, MB, δ không có quan hệ tuyến tính với hàm phản ứng ( , , )x y& &ψ& Vì vậy việc nghiên cứu thiết lập một mô hình động lực học ô tô để xác ịnh

các giới hạn nguy hiểm là điều cần thiết, chúng ta có thể thiết lập quan hệ như sau:

Trong đó: j = 1,2,3,4

( , , )x y& &ψ& là đặc trưng cho phản ứng của xe , được xác định quỹ đạo chuyển động của

ô tô cũng như trạng thái quay vòng của ô tô Chính vì vậy việc thiết lập một mô hình động lực học ô tô là cần thiết nhằm xác định các yếu tố cấu trúc của ô tô, phản ứng

của lái xe và các yếu tố ngoại cảnh là mục tiêu của nội dung nghiên cứu

Các yếu tố ảnh hưởng:

1 Điều kiện đường:

- Độ bám, tính chất mặt đường, đặc trưng bới ( , , )x y& & ψ&

- Độ nghiêng, độ dốc của đường

- Các lực quán tính dọc, ngang

2 Phản ứng lái xe:

- Tốc độ ga, phanh, quay vô lăng và giá trị cực đại của MA, MB, δ

3 Cấu trúc của ô tô:

- Phân bố khối lượng (tọa độ trọng tâm)

- Kết cấu lốp (Liên quan đến độ cứng dọc, độ cứng ngang, hướng kính)

CHƯƠNG 2 CÁC MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TRÊN Ô TÔ

Trong thực tế có nhiều mô hình động lực học ô tô với những mục tiêu

nghiên cứu khác nhau Sau đây ta xét 03 mô hình cơ bản:

2.1 Mô hình ¼

Chuyển động tịnh tiến phương x không đồng nhất với chuyển động quay của bánh xe Vì vậy ta phải mô tả 3 phương trình chuyển động: tịnh tiến phương x, phương ngang y và quay quanh trục y

Hình 2.1 Mô hình động lực học 1/4

Nếu bỏ qua dao động lắc dọc và lắc ngang của thân xe thì ta có thể đưa mô hình động lực học của ôtô về mô hình 1/4 như hình 2.1 Đây là mô hình cơ bản của động lực học ôtô

Hà Nội tác giả thấy mô hình Ammon phù hợp với điều kiện của Việt Nam

khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của đường theo phương thẳng đứng (sự thay đổi FZ)

và ảnh hưởng của việc cấp mô men MA, MB đến chuyển động của bánh xe, đây là

mô hình cơ bản để thiết lập các mô hình phức tạp hơn

2.2 Mô hình ½

2h

m

L 2 C

Ý nghĩa: mô hình ½ là mô hình có thể dùng để nghiên cứu quá trình phanh,

quay vòng và tích hợp phanh-quay vòng Có thể nghiên cứu nhiều thuộc tình động lực học ô tô Tuy nghiên với mô hình ½ (mô hình một dòng) thì không xét được yếu

tố gió ngang và đường nghiêng cũng như gia tốc ngang khi quay vòng ảnh hưởng đến phản lực FZ, cũng như chưa xét được yếu tố ảnh hưởng của phanh ổn định Vì vậy mô hình ½ không xét đến ảnh hưởng thay đổi phản lực hai bên phải và trái

2.3 Mô hình không gian xe con

Trạng thái chuyển động của ôtô phụ thuộc tích hợp bởi động lực học dọc, động lực học ngang và động lực học phương thẳng đứng Hình 2.2 là một mô hình động lực học tổng quát có thể mô tả chuyển động của ôtô với các phản ứng khác nhau của lái xe và ngoại ảnh Chuyển động của ô tô phụ thuộc nhiều yếu tố tích hợp, đặc trưng bới các lực tương tác bánh xe Chuyển động quay của bánh xe không đồng nhất với chuyển động tịnh tiến; quan hệ về lực của các bánh xe là khác nhau; việc cấp mô men phanh và chủ động khác nhau, yếu tố ngoại cảnh cũng thay đổi Vì vậy xây dựng mô hình tích hợp là cần thiết cho các ô tô thông minh Việc phân tầng cấu trúc của mô hình phải tương thích với mô đun hóa trong điều khiển điện tử

Ý nghĩa: Mô hình không gian xe con là mô hình tổng quát có thể xét đầy đủ

các yếu tố động lực học ô tô Mô hình không gian xe con thực chất được mô phỏng theo nguyên lý hệ nhiều vật, tách cấu trúc nó thành 3 mô đun cơ bản:

- Mô tả chuyển động tổng quát của ô tô trong mặt phẳng nền ( động lực học ngang) ( , , )x y& &ψ& Ở đây chúng ta dùng phương trình Newton Euler để mô tả chuyển động của ô tô

- Mô tả chuyển động ô tô theo phương thẳng đứng còn gọi là động lực học phương thẳng đứng, với mô đun này ta có thể xác đinh tức thời các phản lực mặt đường lên bánh xe

- Mô đun quan trọng của ô tô đó chính là mô đun xác định động lực học bánh xe nhưng ở phần 2.1 chỉ được mô tả đặc điểm mô hình động lực học ô tô là độc lập tương đối vì vậy để khảo sát động lực học ô tô một cách toàn diện hơn thì chúng

ta phải khảo sát mô hình không gian xe con

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ CON

3.1 Phương pháp lập hệ phương trình

Khi nghiên cứu dao động ôtô ta thấy nó là một hệ nhiều vật bao gồm hữu hạn các vật liên kết đàn hồi với nhau và chuyển động tương đối với biên độ lớn và tần số thấp từ 0 đến 50Hz Để lập phương trình chuyển động cho hệ nhiều vật ta sử dụng phương trình Newton Euler

Phương pháp Newton Euler thân thiện hệ nhiều vật và với người sử dụng hơn

Đó là phương pháp tách cấu trúc, mỗi vật trong hệ được coi là một hệ con Việc thành lập phương trình cho một hệ con dựa vào nguyên lý lực cắt Nguyên lý đó là, tại điểm cắt các nội lực của hệ cân bằng với các ngoại lực tác dụng; các nội lực và mômen cùng phương nhưng ngược chiều và có cùng cường độ Cần chú ý rằng khi

sử dụng phương pháp tách vật và nguyên lý lực cắt, cơ hệ và hệ con cần được thiết lập ở trạng thái cân bằng tĩnh Khi đó các lực cắt trở thành ngoại lực gây dao động cho các vật

Các bước của phương pháp tách vật, nguyên lý lực cắt và sử dụng phương trình Newton Euler để lập phương trình dao động:

- Cắt các vật ra khỏi hệ tại các điểm có liên kết; vật sẽ được cân bằng bởi các lực cắt

- Chọn khối tâm Ci của các vật i làm gốc hệ toạ độ cục bộ (hệ toạ độ vật)

Phương pháp tách vật được lựa chọn bởi các lý do sau:

+ Phương pháp là đơn giản, không cần các quy tắc biến đổi phức tạp, không hạn chế khối lượng, bậc tự do;

+ Phương pháp trên phù hợp với tư duy lập trình theo môdun, cho phép thay đổi nhanh cấu trúc và tham số của mô hình

+ Phương pháp cho phép xác định nội lực làm cơ sở cho bài toán thiết

kế cụm và tối ưu các cụm

3.2 Cấu trúc ô tô

Đối với xe con ta coi xe như một hệ nhiêu vật bao gồm: một khối lượng đươc treo là thân xe và bốn khối lượng không được treo là các bánh xe

Các yếu tố về kết cấu của xe như: Vị trí trọng tâm, hình dáng khí động học của xe cũng ảnh hưởng đến quá trình chuyển động của xe vì thế ta cần xét đến khi khảo sát chuyển động của xe

Khi xe chuyển động xe sẽ chịu tác động của các lực thực tế đó là: F F F X, Y, Zcác lực này được mô tả tổng quát trên các sơ đồ sau

a b

Và một phần tử rất quan trọng thuộc về các yếu tố kết cấu xe và ảnh hưởng rất nhiều

đến quá trình chuyển động của xe đó là cấu trúc lốp xe

Đặc điểm cấu trúc lốp:

Lốp là phần tử liên kết giữa xe và đường, cùng tham gia chịu tải và chuyển động theo phương thẳng đứng Ngoài ra lốp còn có nhiệm vụ truyền lực dọc, lực ngang khi xe tăng tốc, khi phanh, khi quay vòng cũng như các lực do gió gây ra Lực tác dụng hướng kính gọi là phản lực F Z, lực F X là lực tiếp tuyến và lực

y

F là lực ngang Các lực này trong thực tế là các lực động, tức là phụ thuộc thời gian Nếu xe chạy 100km/h và vết tiếp xúc là l=0.15m thì chu kỳ dao động

là0.0054s Ngoài ra cấu trúc của vỏ lốp không đồng nhất, bề mặt cong hai chiều do

đó lốp dao động như một tấm cong đàn hồi Thêm vào đó áp suất trong lốp cũng thay đổi, bề mặt tiếp xúc như vậy phụ thuộc bán kính động Xét theo quan điểm nguyên nhân kết quả, sự biến dạng của lốp tương ứng với các cặp lực F F FZ, X, y Việc mô tả sự thay đổi biên dạng lốp và do đó mô tả thay đổi do sự thay đổi khả năng truyền lực của lốp là rất khó khăn Xét về sự thay đổi giữa lốp và đường ta thấy

nó đặc trưng bởi hai dạng truyền lực khớp và ma sát Do vậy định luật ma sát Cu - lông không đúng trong trường hợp này Trong quá trình chuyển động lốp biến dạng

ở cả ba phương khi có ngoại lực tác động Khi ngoại lực tác dụng vượt quá giới hạn đàn hồi thì lốp trượt tương đối so với đường Quá trình đàn hồi xảy ra trước và sau

đó là trượt Sự biến dạng do đàn hồi, trượt này sinh ra tổn hao về vận tốc

Ta dễ dàng thấy mối quan hệ sau: lực gây ra biến dạng và trượt, đặc trưng bởi

sự tổn hao vận tốc Vậy nếu xác định được sự tổn hao vận tốc (thông qua các thông

số quan sát được) ta có thể xác định được các lực được truyền ở bánh xe Việc xác định các lực truyền ở bánh xe và đường là hạt nhân của động lực học ôtô hiện đại

3.3 Xây dựng mô hình

Từ viêc phân tích các yếu tố cấu trúc , và động lực học ô tô để thuận tiện cho việc lập các phương trình ta có thể chiếu mô hình xe cùng các lực tác dụng lên

xe lên ba măt phẳng :

+ mặt phẳng chiếu bằng

+ mặt phẳng chiếu đứng

+ mặt phẳng chiếu cạnh

3.3.1 Thiết lập các phương trình động lực học của xe

Trước tiên ta xây dựng mô hình động lực học theo mặt phẳng bằng Để thuận

tiện cho việc xây dựng các phương trình trước tiên ta sẽ xây dựng các phương trình

trên hệ toạ độ tương đối có:

Gốc tọa độ gắn với trọng tâm xe, ox theo phương dọc của xe chiều hướng về

phía trước, oy có phương trùng với phương ngang xe chiều hướng từ trái sang phải,

oz có phương thẳng đứng chiều từ dưới lên trên

Hệ toạ độ oxyz tự quay quanh trục oz với vận tốc ψ& và chuyển động so với

hệ toạ độ cố định OXYZ với vận tốc là (X Y& & , ) sau khi xây dựng xong trên hệ quy

chiếu trên ta sẽ chiếu lên hệ quy chiếu cố định OXYZ

Hình 3.4 Mô hình động lực học theo phương bằng

Với giả thiết các lực tương tác bánh xe R1 , L1 , R1 , L1

M X =c ψ∑Fy+ ψ∑Fx (3.2)

Mô hình động lực học ô tô theo mặt phẳng cạnh

Gọiδ là góc quay bánh xe, các lực cản R L R L R L R L

X1 X1 X2 X2 Y1 Y1 Y2 Y2

F ,F ,F ,F ,F ,F ,F ,F là các lực bám tại điểm tiếp xúc bánh xe, được xác định từ các quan hệ động lực học bánh xe Tiếp theo ta xét mô hình động lực học ô tô theo mặt phẳng cạnh

Hình 3.5 Mô hình động lực học theo phương đứng

Hệ số bám Hệ số bám ϕ ϕx, y được xác định theo mô hình lốp Ammon Để xác

định được ϕ ϕx, y trước hết ta phải xác định các hệ số trượt của bánh xe từ các

phương trình động lực học phương x

Hình 3.6 Mô hình động lực học theo phương cạnh

Xét trên hệ quy chiếu tương đối gắn với xe trên mặt phẳng cạnh oxzy có thể

quay quanh ox góc gamma với :

Tâm o trùng với tâm xe

oz hướng thẳng đứng lên trên

oy hương ngang, chiều từ tái sang phải

góc gamma chiều dương cùng chiều kim đồng hồ Ta có :

Phương trình lắc ngang của xe:

( )Y

artag X

β =

1

1 1

1 2

2 2

L R R

R L L

L

Y artag X Y artag X Y artag X Y artag X

Trong đó X Y X Y X Y X Y1R, 1R, 1L, 1L 2R, 2R 2L, 2Llần lượt các toạ độ của bánh trước bên

phải, bánh trước bên trái ,bánh sau bên phải , bánh sau bên trái ,X,Y là toạ độ trọng

tâm xe trong hệ toạ độ cố định OXYZ

& & & &

& & & &

& & & &

& & & &

& & & &

& & & &

& & & &

& & + − ( l2)ψ&cosψ − − ( b2) sinψ& ψ

Sau khi chiếu hệ động lực ô tô lên cả ba mặt ta được hệ bốn phương trình căn

bản mô tả chuyển động của ô tô

2 2 1 cos 1 1 cos 1 1 sin 1 1 cos 1

Trong các phương trình trên các lực F F F x, y, zlà các lực tương tác giữa đường

và bánh xe và được xác định thông qua các mô hình con

F : lực của gió tác dụng vào xe

h: hàm biểu diễn độ mấp mô mặt đường

Để xác định được các lực trên ta sẽ xét các mô hình con sau

3.3.2 Mô hình hệ thống treo

Hệ thống treo là phần tử liên kết giữa bánh xe và thân xe; bảo đảm êm dịu cho thân xe và truyền lực ở các phương dọc, phương ngang và phương thẳng đứng

Hệ thống treo gồm 4 phần tử sau đây:

Phần tử đàn hồi: phần tử đàn hồi có thể là kim loại như nhíp, lò xo; cao su, khí nén Đặc tính của chúng có thể phi tuyến, có thể tuyến tính

Phần tử cản: phần tử cản gồm cản ma sát và cản thuỷ lực Trong hệ thống treo thường trang bị giảm chấn thuỷ lực có đặc tính phi tuyến; trong các hệ treo điện tử các lực cản được điều khiển bởi một CPU tù theo điều kiện dao động của ôtô

Cơ cấu hướng: cơ cấu hướng xác định động học bánh xe; xác lập liên kết giữa bánh xe và thân xe

Thanh ổn định: hạn chế dao động lắc ngang thân xe

Do vậy hệ thống treo được đặc trưng bởi độ cứngC= f (ξ−z) và hệ số cản ( )

( ) ( )

C F

f : độ võng động (hành trình trả)

n d

f : độ võng động (hành trình nén)

C : độ cứng của hệ thống treo

z : chuyển vị khối lượng phần được treo

ξ : chuyển vị khối lượng phần không được treo Lực cản giảm chấn được xác định như sau:

( )n K

F =K ξ& & −z (3.7)

K: Hệ số cản giảm chấn

Lực cản ma sát:

( )0

C f z

K f z

ξξ

=

= & & (3.9)

f : Độ võng động hành trình trả

n d

f : Độ võng động hành trình nén

b) Đặc tính giảm chấn

Xác định đặc tính giảm chấn là một bài toán khó khăn vì hai lý do:

- Đặc tính giảm chấn phụ thuộc kết cấu, tức là chế độ tiết lưu hay thông qua;

- Chế độ dòng chảy và tổn hao

Trên thực tế người ta có thể xây dựng đặc tính giảm chấn theo các điều kiện lý tưởng, tức là hệ không tổn hao, sau đó hiệu chỉnh bằng các hệ số kinh nghiệm Xét các cửa của dòng chất lỏng có hai dạng:

- Lỗ thông qua, có diện tích thông qua không đổi: A tq =const

- Lỗ tiết lưu, có diện tích thông qua phụ thuộc vào vận tốc A V = A v( )

Với giảm chấn thông thường, giai đoạn đầu, khi vận tốc bé, giảm chấn làm việc ở chế độ nén/trả nhẹ Giai đoạn này có chế độ thông qua Khi áp suất đủ lớn (v lớn) van bắt đầu mở, giảm chấn làm việc ở chế độ van cho đến khi van mở hết cỡ, lúc đó tổng các diện tích thông qua là không đổi Tóm lại giảm chấn có 3 chế độ sau:

- Thông qua A = constTq

- Tiết lưu A = A (v)v

- Thông qua A + ATq v max = const

- Dựa vào phương trình Bernoulli, ta có công thức xác định lưu lượng:

µ : Hệ số tổn hao ( = 0,65 0,85)µ0 ÷

γ : Trọng lượng riêng của dầu (N/m3)

Dựa vào phương trình liên tục ta có : Q= Fv&

= µ

4 và với một vị trí x bất kỳ, f v =x dπ v,

và theo điều kiện cân bằng:

max v

F

2 F

= v,max v v

Ta suy ra công thức tính lực cản chế độ van:

= ∆ =

πµ

2 2 2/3 3

Như vậy giảm chấn sẽ có 3 quá trình như sau:

- Khi v v ≤ 1 : chế độ thông qua:

ρ

=µ

3 2

1

2 2 2/3 3

- Khiv > v2: tiết lưu mở hết(chế độ như chế độ thông qua):

D 3

3F

Ngoài ra, do mục tiêu thiết kế giảm chấn mà lực cản hành trình trả và nén còn khác nhau; thêm vào đó phụ thuộc bậc 2 vào vận tốc Giai đoạn quá độ v1≤ ≤v v 2 là quá ngắn nên có thể bỏ qua để dễ tính toán Như vậy, đặc tính giảm chấn là hợp của hai đường bậc 2 Hệ số K trong hệ phương trình vi phân trên không phải hằng số mà phụ thuộc vận tốc

ρ

=µ

3 2

o Tq

FK

2 A A khi v>v2 (3.19) Như vậy, các yếu tố phi tuyến của phần tử đàn hồi, giảm chấn đã làm cho hệ phương trình trên trở thành phi tuyến Sau này trong mô phỏng với phần mềm

MatLab – Simulink, các hệ số trên được xác định tại mỗi thời điểm tính (phương pháp số) và ta phải lập trình một mô đun riêng để xác định nó

3.3.3 Mô hình 1/4

Có thể:

+ Nghiên cứu quá trình vật lý của bánh xe đàn hồi khi phanh

+ Xác định giới hạn phanh và tốc độ tăng mômen phanh

Khi đi thiết lập hệ phương trình mô tả dao động ta có một số giả thiết sau:

+ Giữa khối lượng được treo m và khối lượng không được treo mA không có hiện tượng lắc dọc, lắc ngang

+ Chỉ xuất hiện hiện tượng trượt dọc mà không có hiện tượng trượt ngang + Trọng tâm của khối lượng được treo và không được treo chỉ dao động theo phương thẳng đứng

+ Lực đàn hồi của hệ thống treo là tuyến tính và được tính bằng công thức:

+ Lực cản do gió tập trung vào khối lượng được treo

Sử dụng phương pháp tách vật và nguyên lý lực cắt và sử dụng phương trình Newton – Euler để lập phương trình dao động

Cấu trúc của mô hình 1/4 bao gồm: khối lượng không được treo m A liên kết với khối lượng được treo m thông qua hệ thống treo

Z m

K

h

m C

Với cơ sở trên ta có các điểm cắt sau:

+ Điểm cắt giữa bánh xe và mặt đường

+ Điểm cắt giữa khối lượng không được treo và khối lượng được treo tại hệ thống treo

Như vậy ta có các lực tác dụng vào cơ hệ là:

+ Lực đàn hồi, lực cản của hệ thống treo F F C, K

+ Lực cản không khí F KK

+ Lực đàn hồi lốp F CL

+ Các lực quán tính

+ Các nội lực

CLF

KFCF

FK

FCmz

ξAm

x m

xF'M

ϕ J

Fx f

M

M f x

F FCL

A(m+m )g

e

v

r =r -(h- )d 0 ξM

kkFZ