Đồ án Nghiên cứu tính toán ổn định của ô tô khi quay vòng xe bus samco

Chương I: Chuyển động quay vòng của ô tô khi tính đến sự biến dạng của lốp xe Chương II: Ảnh hưởng của kết cấu ô tô khi quay vòng Chương III: Hàm truyền khi xe quay vòng Chương IV: Ảnh hưởng của gió bên khi quay vòng Chương V: Tính toán các thông số cụ thể của xe Bus SAMCO – BG4W Chương VI: Đề xuất và tính toán tính ổn định tối ưu của ôtô Chương VII: Kết luận và kiến nghị.

1.1/ Lí do chọn đề tài:

Xe buýt là một phần thiết yếu của cuộc sống hàng ngày và đóng một vai trò quantrọng trong cơ cấu xã hội ở nhiều nước nói chung và đặc biệt là Việt Nam ta nói riêng.Một nước phát triển vươn tầm thế giới thì không thể thiếu được hệ thống xe buýt, quản lí,dịch vụ chuyên nghiệp

Xe buýt đã trở thành thói quen không thể thiếu trong đời sống của nhiều người dân, đặcbiệt là cán bộ hưu trí và học sinh, sinh viên Ước tính trung bình mỗi ngày xe buýt vậnhành trên 10.000 lượt xe, vận chuyển được trên 1 triệu lượt hành khách, hạn chế trên700.000 lượt xe máy tham gia giao thông trên đường phố Vì vậy có thể giảm thiểu đươctình trạng ách tắc giao thông ở nước ta, giảm thiểu các vụ tai nạn giao thông đáng tiếcxảy ra Giảm thiểu được tình hình ô nhiễm môi trường đang ngày càng quá độ do sự thamgia của quá nhiều phương tiện giao thông Có thể nói xe buýt là một phương tiện côngcộng không thể thiếu trên bất cứ quốc gia nào

Đứng trước nhu cầu quá lớn về xe buýt như hiện nay thì vấn đề an toàn và ổn định củanhững chiếc xe buýt phục vụ người dân hàng ngày phải được đảm bảo Những vấn đề đó

đã nhắc nhở những người có trách nhiệm phải luôn luôn đặt nặng lên vai mình vấn đềnghiên cứu để có thể nêu ra những vấn đề trong những chiếc xe buýt hiện hành và đặcbiệt là dựa trên những vấn đề đó có thể đề xuất ra những phương án để khắc phục vấn đềmột cách tối ưu nhất mà vẫn phù hợp với nền kinh tế của nước nhà

Qua đó chúng tôi nhận thấy được là mình cần phải làm một điều gì đó để cống hiến chonền công nhiệp nước nhà và dưới dây là nghiên cứu của chúng tôi về đề tài “ Nghiên cứutính toán ổn định của ô tô khi vào quay vòng” và chúng tôi nghiên cứu cụ thể trên xe buýt

SAM CO BG4w, một vấn đề rất thực tế của chúng ta hiện nay là vấn đề an toàn ,ổn định

của xe buýt khi vào quay vòng Qua việc nghiên cứu chúng tôi sẽ tìm hiểu và đưa ra đượcnhững vấn đề còn mắc phải của chiếc xe buýt này và những đề xuất để có thể làm chonhững chiếc xe buýt này được an toàn và ổn định hơn khi vào quay vòng cũng như khi đi

Đề tài “ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ KHI QUAY VÒNG” 1.2/ Mục tiêu và nhiệm vụ:

1.2.1/ Mục tiêu:

Vận dụng những kiến thức, lí thuyết về ổn định để nghiên cứu và tính toán sự ổnđịnh đối với dòng xe buýt 50 chỗ ngồi SAMCO BG4w Từ đó rút ra được những vấn đềhiện tại đối với nhứng chiếc xe buýt đã xuất xưởng và đang hoạt động trên đường, songsong với những vấn đề đó là đề xuất ra những ý kiến để có thể đảm bảo được sự an toàn,

ổn định của xe khi hoạt động trên đường đặc biệt là khi vào cua hay là khi có gió tácdụng vào Khắc phục những vấn đề đó cho những chiếc xe sẽ xuất xưởng sau này

1.2.2/ Nhiệm vụ:

Đưa ra được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quay vòng của xe, trong nhữngyếu tố đó phải đưa ra được cụ thể những vấn đề, từ đó đưa ra những điều khuyên nên làmđối với các xe hiện nay

Nghiên cứu mô hình tình toán của xe để có được những phương trình động học, động lựchọc tạo nền tảng cho việc nghiên cứu các vấn đề trong đề tài

Dựa trên những chỉ tiêu đánh giá về độ ổn định để đánh giá sự ổn định của xe đang xétnếu xe không đạt tiêu chuẩn lập tức phải có biện pháp khắc phục

1.3/ Giới hạn của đề tài:

Việc khảo sát tính ổn định của xe trong thực tế là rất khó khăn do xe là một cơ hệphức tạp gồm nhiều hệ thống, nhiều bộ phận cấu thành, mỗi hệ thống là một cơ hệ nhỏđàn hồi nên có thể xem như xe được đặt trên một cơ hệ đàn hồi Nên để dễ đàng hơntrong việc nghiên cứu ta sẽ nghiên cứu xe trên các mô hình hóa với hệ tọa độ là mặtđường

nhất thiết hoặc là những vấn đề thực tế không ảnh hưởng nhiều cho lắm, tuy nhiên sự đơngiản hóa vẫn nằm trong giới hạn cho phép

1.4/ Phương pháp nghiên cứu:

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến một chiếc xe khi vào quay vòng hay khi đi trênđường trong thực tế, bao gồm yếu tố chủ quan và yếu tố khác quan

Phân tích các yếu tố động học của xe, các yếu tố động lực học tác động vào xe thông quacác mô hình tính toán đã được đơn giản hóa Từ các phương trình động lực học làm nêntảng ta sẽ thiết lập các phương trình tính toán các thông số ảnh hưởng đến ổn định khiquay vòng của xe

Sau khi thiết lập được các phương trình tính toán ta sẽ tính toán đối với các thông số cụthể của xe ta đang xét Sau đó sẽ so sánh với các chỉ tiêu đánh giá để kiểm nghiệm độ ổnđịnh thông qua các thông số đó

Nếu với các thông số kết cấu của xe không đạt được sự an toàn, ổn định ta phải đề xuấtlại các thông số kết cấu mới, sau đó sẽ tính toán lại từ đầu các thông số ổn định với cácthông số mới này

1.5/ Bố Cục Luận Văn:

Bố cục luận văn gồm các chương sau:

Chương I: Chuyển động quay vòng của ô tô khi tính đến sự biến dạng của lốp xe

Chương II: Ảnh hưởng của kết cấu ô tô khi quay vòng

Chương III: Hàm truyền khi xe quay vòng

Chương IV: Ảnh hưởng của gió bên khi quay vòng

Chương V: Tính toán các thông số cụ thể của xe Bus SAMCO – BG4W

Chương VI: Đề xuất và tính toán tính ổn định tối ưu của ôtô

Chương VII: Kết luận và kiến nghị

Phụ lục

CHƯƠNG I: CHUYỂN ĐỘNG QUAY VÒNG CỦA Ô TÔ KHI TÍNH ĐẾN SỰ

BIẾN DẠNG CỦA LỐP XE

1.1/Qúa trình quay vòng của ô tô:

Hình 1-1 : Quá trình quay vòng của ô tô

Qúa trình quay vòng của ô tô được chia làm 3 giai đoạn:

GDI: là giai đoạn chuẩn bị vào đường quay vòng với R 

GDII: là giai đoạn vào quay vòng với bán kính tức thời R = Const

GDIII: là giai đoạn ra khỏi đường quay vòng với R 

1.2.1/ Qúa trình quay vòng của ô tô:

Hình 1-2: Mô hình quay vòng của ô tô

m: chiều rộng vết bánh xe

l : khoảng cách giữa 2 cầu xe

R: bán kính quay vòng tức thời

O: tâm quay vòng tức thời

: góc quay của hệ thống lái

n

 : góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài

có thể bỏ qua và xem như n= t Vì vậy trong tính toán về sau ta xem như n=t.

1.2.2/ Các lực tác dụng vào ô tô khi quay vòng :

xe Trọng tâm này cách cầu trước một đoạn là a, cách cầu sau một đoạn là b.

Tại tâm T khi quay vòng thì xuất hiện lực li tâm P lt tác dụng lên xe, có phương chiều nhưhình vẽ Phân tích P lt thành 2 thành phần theo phương Ox0 và Oy0 ta được P x,P y Trong

đó lực P x là lực dọc trục xe có xu hướng làm xe đi tới ta không xét đến Lực P y có xuhướng làm xe văng ra khỏi đường vì vậy ta xét lực P y

Hình 1-3: Phân tích lực tác dụng khi quay vòng

j t là gia tốc tiếp tuyến

Phân tích Hình 1-3 ta được: j y j C v osa j Sin t a [1-6]Với a là góc hợp bởi lực li tâm với phương ngang của xe

v

v j

Ta có nhận xét về biểu thức [1-10] như sau:

Lực P y là lực làm xe có xu hướng văng ra khỏi mặt đường nên khi vào quay vòng để xe

an toàn thì lực P yphải nhỏ Để P y giảm thì:

+v giảm : tức là giảm tốc độ của xe khi vào quay vòng

+ = Const  '

 = 0 tức là khi xe vào quay vòng thì góc quay của hệ thống lái phải từ từ,chỉ thay đổi nhỏ lúc đó ta xem như  = Const ( Người tài xế phải bẽ lái một cách từ từkhông được bẽ quá gấp)

Ví dụ : Xác định lực ngang P y khi xe đi vào đường vòng với tốc độ v = 30km/h tại thờiđiểm t = 0 và t = 2s Tốc độ quay của hệ thống lái là '

y

+ Khi t = 2s:  = 0,05.2 = 0,1 (1/s)

 

8,33 0,1 1,3.8,33.0,05 5324 9,81.2,7

Khi không có sự biến dạng của lốp xe , xe vào cua với vận tốc V 1

hợp với phương ngangmột góc  là vận tốc của cầu trước và cầu sau chuyển động với vận tốc V 2

như hình.Khi có sự biến dạng của lốp xe với

2

V

Hình 1-4: Mô hình quay vòng khi có sự biến dạng lốp xe

Khi đó xảy ra 3 trường hợp sau:

TH1: Nếu 1 = 2 tức là áp suất các bánh xe trước bằng áp suất các bánh xe sau

TH2: Nếu 1>2 tức là áp suất các bánh xe trước nhỏ hơn áp suất các bánh xe sau

TH3: Nếu 1<2 tức là áp suất các bánh xe trước lớn hơn áp suất các bánh xe sau

1.3.2/ Xét ảnh hưởng biến dạng của lốp xe:

R R không có gì để nói và thực tế nó cũng rất ít khi xảy ra

1.3.2.1/ Trường hợp quay vòng thiếu: 1>2

Hình 1-5: Ảnh hưởng của biến dạng lốp xe TH quay vòng thiếu

Trường hợp này khi xe chuyển động với vận tốc V

dưới ảnh hưởng của P gió

do áp suấtcác bánh xe trước nhỏ hơn áp suất các bánh xe sau nên tức thời cầu trước của xe bị lệchhướng chuyển động 1 góc 1, cầu sau của xe bị lệch hướng chuyển động 1 góc 2

Dựng các đường vuông góc như hình ta tìm được tâm OT ( tức thời xe quay quanh tâmOT) Nên tạo ra lực li tâm P lt

, phân tích lực li tâm Plt thành 2 thành phần P x

;P y

:

thành phần này không quan trọng Thành phần P ycó xu hướng làm xe làm xe bị lệch khỏiquĩ đạo chuyển động nhưng lúc này P y và P gió

cùng phương , ngược chiều, khác điểm đặt

vì vậy triệt tiêu lẫn nhau tạo ra tính ổn định của xe

Kết luận: Chính vì lí do trên mà thực tế người ta thường bơm lốp trước mềm hơn lốp

sau Và ở xe chúng ta đang xét cũng bơm sao cho áp suất các bánh xe trước nhỏ hơn ápsuất các bánh xe sau

1.3.2.2/Trường hợp quay vòng thừa :1<2

Hình 1-6: Ảnh hưởng của biến dạng lốp xe TH quay vòng thừa

Trường hợp này Py và Pgiócùng phương , cùng chiều, khác điểm đặt vì vậy tạo ra sự mất

ổn định của xe

Kết luận: Chính vì lí do trên mà thực tế người ta thường tránh bơm lốp trước cứng hơn

hơn lốp sau Điều này gây sự mất ổn định của xe, thậm chí là mất điều khiển

CHƯƠNG II: ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU Ô TÔ KHI QUAY VÒNG

2.1/Phương trình động học của xe khi quay vòng:

Khi xe vào quay vòng thì yếu tố động học của xe gồm 3 yếu tố sau: vận tốc của xe,quĩ đạo chuyển động của xe và yếu tố thứ 3 là gia tốc hướng tâm

Ta xét mô hình phẳng của xe như hình bên dưới Để xét quĩ đạo chuyển động của xe ta sẽxét đến yếu tố trọng tâm T(x0;y0) của xe so với hệ tọa độ mặt đường

Hệ trục tọa độ xTy là hệ trục tọa độ gắn trên khung xe Hệ tọa độ x Oy0 0 là hệ tọa độ mặtđường được đưa vào trọng tâm T

Khi đó phương vectơ vận tốc v hợp với khung xe một góc  là góc chuyển hướng của ôtô

Khung xe hợp với mặt đường một góc  gọi là góc quay khung xe

Hình 2-1: Mô hình xác định quĩ đạo tâm xe và vận tốc xe 2.1.1/Phương trình vận tốc :

Xét Hình 2-1: Chiếu v lên 2 phương Tx o,Ty ota được

Từ đó ta có thể xác định được tọa độ trọng tâm tại một thời điểm nhất định

2.2.3/Gia tốc hướng tâm của xe:

Gia tốc hướng tâm a ht xuất hiện khi xe đi vào một quĩ đạo cong Thông thường ta có thểxác định được a htnhư sau:

Được các vectơ theo phương Tx onhư hình

Hình 2-2: Mô hình xác định gia tốc hướng tâm của xe

0

' ' ( ) ( ' ') os( )

y

Được các vectơ theo phương Ty o như hình

Và theo sơ đồ ta dễ dàng xác định được gia tốc hướng tâm

' '

ht

2.2/Phương trình động lực học của xe khi quay vòng:

Hình 2-3: Mô hình động lực học của xe khi quay vòng

Xét mô hình phẳng của xe trên Hình 2-3 Các lực tác dụng lên xe bao gồm:

M là mômen cản quay của bánh xe

i=1, 2, 3, 4 tùy thuộc vào ta kí hiệu

Tại trọng tâm T của xe cách cầu trước một đoạn a và cách cầu sau một đoạn b Chiều dài

cơ sở của xe là l = a + b Tại điểm C cách trọng tâm T một đoạn e có hai lực theo phương

x là P(lực cản không khí), lực theo phương y là lực gió bên N

Tại trọng tâm T có các lực tác dụng như sau:

Xét Hình 2-3 ta có phương trình cân bằng lực và mômen như sau:

Đối với trục dọc ô tô ( trục x):

Thay vì xét mô hình phẳng bây giờ ta chỉ xét mô hình một vết bánh xe.

Góc  nhỏ thì góct nhỏ.

Sin C

Hình 2-5: Sự thay đổi vết tiếp xúc khi vận tốc v  k 0 và v  k 0

Ta cần xác định được giá trị t,s để có thể tính được S t,S s Để xác định được góc lệchbên t,s ta xét mô hình phẳng động học như hình bên dưới

Ở đây trong biểu thức [2-22] lại xuất hiện đại lượng t là góc quay bánh xe Khi vàoquay vòng tài xế sẽ quay vành lái một góc v khi đó trụ quay đứng sẽ quay một góc *

v

 Trụ quay đứng quay một góc *

Trong đó i l là tỉ số truyền từ trụ đứng đến trụ quay đứng

Công thức xác định mối quan hệ giữa v và t là

t k s l

t k s l

C C

t t

t k s l

C C

Trong thực nghiệm khi quay vòng để an toàn xe sẽ chuyển động với v = Const và thayđổi bán kính R để được các gia tốc hướng tâm khác nhau.

Nếu quay vòng đều với v = const, R = const thì góc chuyển hướng  và vận tốc góckhung xe '

 cũng không đổi Điều đó đồng nghĩa với việc:

Ta đã tìm ra được giá trị S t;S snên thay vào hệ ba phương trình [2-32],[2-33],[2-34].Được hệ phương trình như sau.

CHƯƠNG III : HÀM TRUYỀN KHI XE QUAY VÒNG

3.1/ Khái niệm:

Khi xe vào quay vòng đòi hỏi tài xế phải tác động lên vành lái để thay đổi góc quayvành lái dẫn tới làm thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng và mục đích cuối cùng là làmcho xe quay vòng một cách an toàn, ổn định nhất

Vậy dễ thấy ngay yếu tố để làm cho xe quay vòng được là *

v

 (góc quay vành lái) đóchính là thông số đầu vào, sau đó khung xe sẽ chuyển động trên một quĩ đạo mà đặctrưng có các thông số :  là góc lệch hướng chuyển động (góc chuyển hướng), '

 là vậntốc góc quay thân xe và yếu tố cuối cùng đánh giá tính ổn định khi quay vòng là ''

y (giatốc hướng tâm)

Định nghĩa hàm truyền ra đời với mục đích là tìm được mối quan hệ của thông số đầuvào là *

v

 với các thông số đầu ra là '

 , , ''

y Tức là ta xác định được các phản ứng của ô

tô trước sự thay đổi của góc quay vành lái

Qui ước viết gọn hàm truyền như sau:

3.2/ Hàm truyền của vận tốc góc quay thân xe Hiện tượng quay vòng thừa, quay vòng thiếu:

Giải hệ phương trình [2-35], [2-36] ta được :

' '

Khi xe quay vòng đều , xảy ra các trường hợp sau :

K = 0 : ôtô ở trạng thái quay vòng đúng

K > 0 : ôtô ở trạng thái quay vòng thiếu

K < 0 : ôtô ở trạng thái quay vòng thừa

Ta thấy ngay hàm truyền

Ta xét từng trường hợp sau :

3.2.1/ Ôtô quay vòng thiếu ( K > 0 ):

Khi xe vào cua sẽ chạy với vận tốc v = const nào đó Đến khi v l

'

t s

sb t

C C l l

Khi ôtô vào quay vòng đến một giá trị v nào đó, mà v l

'

t s ng

C C l l

Hình 3-1: Đồ thị đặc tính tốc độ hàm truyền vận tốc góc quay thân xe

Nhận xét :

Đối với trường hợp quay vòng đúng K = 0 : ta không có gì để thảo luận

Đối với trường hợp quay vòng thiếu K > 0 : tức là để xe có thể quay vòng an toàn, ngườilái phải tăng góc quay vành lái lên so với trường hợp quay vòng đúng Khi vận tốc quayvòng đạt v v ' thì hàm truyền đạt cực đại, lúc này rất nhạy cảm nên đòi hỏi người láiphải hết sức chú ý và thận trọng khi vào cua để được an toàn

Đối với trường hợp quay vòng thừa ( K < 0 ) để xe có thể quay vòng an toàn thì người láiphải giảm góc quay vành lái so với trường hợp quay vòng đúng Khi vận tốc vào cua đạt

ng

v v gọi là “vận tốc nguy hiểm”, xe sẽ mất lái và rất nguy hiểm nên ta gọi đây là vùngnguy hiểm

3.3/ Hàm truyền góc lệch bên của trọng tâm ôtô:

Hàm truyền góc lệch bên của trọng tâm ôtô được ký hiệu là *

3.3.1 Ôtô quay vòng thiếu ( K > 0 ):

.1

m a v b

v =  =>

2 '

mav b

Từ đó ta sẽ vẽ được đồ thị biểu diễn 3 trường hợp trên.

Hình 3-2: Đồ thị đặc tính tốc độ hàm truyền góc lệch hướng chuyển động

3.4/ Hàm truyền gia tốc bên :

.1

v

K v l

*

'

'' 1

.1

*

''2

v t

v y

*

''

v t

v y

*

'' 1

.1

''

v t

v y

Hình 3-3: Đồ thị đặc tính tốc độ hàm truyền gia tốc bên

3.5/ Hàm truyền momen quay vành lái :

M : momen quay của trụ quay đứng v*

trưng cho tính nhạy cảm của xe khi quay vòng ở vận tốc đó Nếu độ nhạy cảm lớn thì xe

sẽ mất tính ổn định khi chuyển động , ngược lại độ nhạy cảm nhỏ thì xe sẽ ổn định hơn.Vậy các giá trị cụ thể, các biểu thức cụ thể của góc quay vành lái v, góc lệch hướngchuyển động  hay vận tốc góc quay thân xe ' là như thế nào :

Hình 3-4: Quan hệ giữa góc quay vành lái và bán kính R khi v = 0

Ta xét trường hợp như sau : khi xe đang đứng yên ( v = 0 ), ta quay vành lái đi một góc