Phân tích động lực học theo phương ngang xe máy 3 bánh bằng mô hình động lực học phẳng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ ANH TUẤN PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG NGANG XE MÁY BÁNH BẰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG Chun ngành: Kỹ thuật Ơ tơ - Máy kéo Mã số: 60 52 35 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Trần Hữu Nhân Cán chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Lê Duy Khải Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Chí Thanh Luận văn thạc sĩ bảo vệ trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 28 tháng 07 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch, TS Nguyễn Ngọc Dũng Thư ký, TS Phạm Tuấn Anh ủy viên, TS Nguyễn Lê Duy Khải ủy viên, TS Nguyễn Chí Thanh ủy viên, TS Hồng Đức Thông Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau nhận luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ ANH TUẤN MSHV: 13130419 Ngày, tháng, năm sinh: 05/10/1982 Nơi sinh: Lâm Đồng Chuyên ngành: Kỹ thuật Ơtơ - Máy kéo Mã số: 60 52 35 I TÊN ĐỀ TÀI: “PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG NGANG XE MÁY BÁNH BẰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xác định thơng số hệ thống treo, kích thuớc, khối luợng, mơmen qn tính khối luạng xe tải Xây dụng mơ hình động lực học lắc theo phương ngang xe Tính tốn mơ động học, động lục học xe cho truờng hợp: a Xe bánh có bánh truớc b Xe bánh có bánh sau Phân tích, đánh giá kết II NGÀY GIAO NHỆM VỤ: 11/01/2016 III NGÀY HOÀN THÀNH NHỆM VỤ: 21/07/2016 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN HỮU NHÂN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) Tp.HCM, ngày thảng năm 2016 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, đặc biệt quý thầy cô Khoa Kỹ Thuật Giao Thơng, mơn Ơtơ - Máy động lực giúp đỡ, tạo điều kiện cho suốt q trình học tập trường Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Hữu Nhân, người tận tình hướng dẫn tơi thực luận văn Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân, đồng nghiệp hết lòng tạo điều kiện, giúp đỡ từ ngày đầu học tập đến Mặc dù luận văn hoàn thành chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế Do đó, tơi mong nhận nhận xét, ý kiến đóng góp từ q thầy bạn độc giả Lời cuối, xin chân thành cảm ơn xin gửi lời chúc sức khỏe đến tất q thầy, người TĨM TẮT Trong phân tích tính động lực học chuyển động xe máy bánh, việc đánh giá giới hạn ổn định ngang xe nhân tố quan trọng, trực tiếp ảnh hưởng tới độ an toàn xe chuyển động, đặc biệt quay vòng Để phân tích tính ổn định ngang xe chuyển động, thông số dùng để tính tốn xác định dựa xe sở thực tế có sẵn (HONDA Wave 110) Mơ hình tính tốn mơ xe chuyển động quay vòng mặt phẳng nghiên cứu ứng dụng để xác định thông số sở cần thiết cho việc đánh giá tính ổn định ngang xe chuyển động quay vòng Kết tính tốn mơ cho thấy điều kiện tới hạn độ ổn định ngang xe chuyển động Từ đó, làm sở tham khảo, đề xuất phương án thiết kế hay giới hạn khai thác sử dụng xe nhằm nâng cao đảm bảo tốt độ an toàn, ổn định ngang xe hoạt động đường ABSTRACT The calculation of limited lateral stability plays an incredible role in analysing a dynamic model for a three-wheel vehicle in motion, especially steady state- turning To estimate lateral stability of vehicle, factors that used for calculating base on a model (HONDA Wave 110) This meddling calculated model is necessarily researched and applied to estimate the force components for assesing steady-state turning turns on planar The consequence of modelling illustrates the boundary action of steady-state condition Base on this approach, author gives a reference and promotes a designed promotion or boudary of using vehicle to improve and ensure the most gratest safe and lateral stability of vehicle in motion Họ tên: Võ Anh Tuấn Ngày sinh: 05/10/1982 Nơi sinh: Lâm Đồng Địa liên lạc: Phòng Đào tạo - Trường Đại học Trần Đại Nghĩa, 189 Nguyễn Oanh, phường 10, quận Gò vấp, thành phố Hồ Chí Minh Tơi xin cam đoan, luận văn “PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG NGANG XE MÁY BÁNH BẰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG” tơi thực hướng dẫn TS Trần Hữu Nhân, không chép người khác Nếu sai thật, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước Nhà trường Pháp luật Học viên Võ Anh Tuấn MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Phuơng pháp nghiên cứu 1.4 Đối tuợng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu đề tài 1.5 Ý nghĩa khoa học thục tiễn đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ trục tọa độ xe số bậc tụ 2.2 Mơ hình xe máy bánh quy mơ hình dạng xe bánh 2.3 Cơ sở lý thuyết tính tốn động lục học theo phuơng ngang 2.3.1 Xác định lục mômen tác dụng lên xe theo phuơng ngang (phuơng trình Newton - Euler) 2.3.2 Hệ lục mômen tác dụng lên xe 2.4 Mơ hình động lục học chuyển động quay vòng xe (dạng bánh) 16 2.5 Trạng thái ổn định xe quay vòng 18 2.6 Đáp ứng theo thời gian 20 CHƯƠNG 3: CÁC THƠNG SỐ TÍNH TỐN MƠ PHỎNG 22 3.1 Thơng số bố trí chung 22 3.1.1 Xe máy bánh có bánh trước 22 3.1.2 Xe máy bánh có bánh sau 23 3.2 Các thông số trọng lượng 24 3.3 Xác định tọa độ trọng tâm 25 3.3.1 Xác định tọa độ trọng tâm phần treo xe theo phương dọc 25 3.3.2 Tải trọng phân bố lên cầu 30 3.4 Tính momen quán tính khối lượng 32 3.5 Xác định hệ số trượt ngang Cạf, Car 34 3.6 Thơng số góc đánh lái ỗ 35 3.7 Tổng hợp thơng số cho mơ hình tính tốn mơ 36 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 37 4.1 Sơ đồ tiến trình mơ 37 4.2 Giới hạn ổn định ngang xe quay vòng 38 4.3 Động học quay vòng 40 4.3.1 4.3.2 4.4 Đáp ứng quay vòng ổn định 40 Đáp ứng theo thời gian 48 Động lực học quay vòng 56 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐÈ TÀI 62 5.1 Kết luận 62 5.2 Hướng phát triển đề tài 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ trí chung xe máy bánh có bánh trước Hình 1.2 Sơ đồ trí chung xe máy bánh có bánh sau Hình 2.1 Hệ trục tọa độ gắn với thân xe Hình 2.2: Mơ hình xe máy bánh quy mơ hình dạng xe bánh Hình 2.3: Chuyển động xe mặt phẳng Hình 2.4: Hệ lực mơmen tác dụng lên bánh xe (xe máy bánh có bánh trước) Hình 2.5: Hệ lực mômen tác dụng lên bánh xe (xe máy bánh có bánh sau) Hình 2.6: Hệ lực đặt bánh xe mơ hình xe máy bánh bánh trước 11 Hình 2.7: Hệ lực đặt bánh xe mơ hình xe máy bánh bánh sau 12 Hình 2.8: Mơ hình động lực học chuyển động quay vòng xe (quy dạng bánh) 16 Hình 2.9: Độ cong quỹ đạo quay vòng Sk theo với vận tốc Vx 19 Hình 3.1: Kết cấu xe máy bánh có bánh trước 22 Hình 3.2: Kết cấu xe máy bánh có bánh sau 23 Hình 3.3: Sơ đồ phân bố tải trọng theo phương X xe máy bánh có bánh trước 25 Hình 3.4: Sơ đồ phân bố tải trọng theo phương đứng xe máy bánh có bánh trước26 Hình 3.6: Sơ đồ phân bố tải trọng theo phương đứng xe máy bánh có bánh sau.„28 Hình 3.7: Mơmen qn tính khối lượng giả định 32 Hình 3.8: Kích thước tồn xe máy bánh 33 Hình 4.1: Sơ đồ tiến trình mơ 37 Hình 4.2 Lực ngang Fy tác dụng lên xe máy bánh có bánh trước theo với vận tốc Vx (với ỗ = 0,2 (rad)) 39 Hình 4.3 Lực ngang Fy tác dụng lên xe máy bánh có bánh sau theo với vận tốc vx (với ỏ = 0,2 (rad)) 39 Hình 4.4: Độ cong quỹ đạo quay vòng Sk theo với vận tốc Vx xe máy bánh có bánh trước 41 Hình 4.5: Độ cong quỹ đạo quay vòng Sk theo với vận tốc Vx xe máy bánh có bánh sau 42 Hình 4.6: Đường cong Sp theo với vận tốc Vx xe máy bánh có bánh trước 43 Hình 4.7: Đường cong Sp theo với vận tốc Vx xe máy bánh có bánh sau „43 Hình 4.8: Đường cong Sr theo với vận tốc Vx xe máy bánh có bánh trước 44 Hình 4.9: Đường cong Sr theo với vận tốc Vx xe máy bánh có bánh sau 44 Hình 4.10: Đường cong Sa theo với vận tốc Vx xe máy bánh có bánh trước 45 Hình 4.11: Đường cong Sa theo với vận tốc Vx xe máy bánh có bánh sau 46 Hình 4.12 Bán kính quay vòng R theo với vận tốc Vx (với ỗ = 0.2rad) xe máy bánh có bánh trước 47 Hình 4.13 Bán kính quay vòng R theo với vận tốc Vx (với ô = 0.2rad) xe máy bánh có bánh sau 47 Hình 4.14 Bán kính quay vòng đột ngột đánh lái theo thời gian xe máy bánh có bánh trước 48 Hình 4.15 Bán kính quay vòng đột ngột đánh lái theo thời gian t xe máy bánh có bánh sau 49 Hình 4.9 Biến thiên vận tốc theo phương ngang Vy theo thời gian t xe máy bánh có bánh trước 49 Hình 4.17 Biến thiên vận tốc theo phương ngang Vy theo thời gian t xe máy bánh có bánh sau 50 Hình 4.18 Vận tốc ngang bánh xe trước Vyi xe máy bánh có bánh trước 51 Hình 4.19 Vận tốc ngang bánh xe trước Vy2 xe máy bánh có bánh trước 51 Hình 4.20 Vận tốc ngang bánh xe trước Vyi xe máy bánh có bánh sau 52 Hình 4.21 Vận tốc ngang bánh xe trước Vy2 xe máy bánh có bánh sau 52 Hình 4.22 Biến thiên vận tốc góc quanh trục Oz, r theo thời gian t xe máy bánh có bánh trước 53 Hình 4.23 Biến thiên vận tốc góc quanh trục Oz, r theo thời gian t xe máy bánh có bánh sau 54 Hình 4.24 Biến thiên góc trược ngang p theo thời gian t xe máy bánh có bánh trước55 Hình 4.25 Biến thiên góc trược ngang p theo thời gian t xe máy bánh có bánh sau 55 Hình 4.26 Biến thiên lực Fx theo thời gian t xe máy bánh có bánh trước .56 Hình 4.27 Biến thiên lực Fx theo thời gian t xe máy bánh có bánh sau 56 Hình 4.28 Biến thiên lực Fy theo thời gian t xe máy bánh có bánh trước 57 Hình 4.29 Biến thiên lực Fyf bánh trước theo thời gian t xe máy bánh có bánh trước .59 Hình 4.30 Biến thiên lực F bánh sau theo thời gian t xe máy bánh có bánh trước59 Hình 4.31 Biến thiên lực Fy theo thời gian t xe máy bánh có bánh sau 58 Hình 4.32 Biến thiên lực Fyf bánh trước theo thời gian t xe máy bánh có bánh sau 60 Hình 4.33 Biến thiên lực F bánh sau theo thời gian t xe máy bánh có bánh sau 60 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật xe Wave 110 24 Bảng 3.2: Các thông số trọng lượng xe máy bánh 24 Bảng 3.3: Khối lượng vị trí phận heo xe 26 Bảng 3.4 : Tọa độ trọng tâm xe máy bánh có bánh trước 27 Bảng 3.5: Khối lượng vị trí phận heo xe 29 Bảng 3.6: Tọa độ trọng tâm xe máy bánh có bánh sau 30 FjpcNI Hình 4.32 Lực ngang tác dụng bánh dẫn hướng trước xe máy bánh có bánh sau FJkN] Hình 4.33 Lực ngang tác dụng lên bánh xe sau đổi vớì xe máy bánh có bánh sau Lực ngang tác dụng bánh xe dẫn hướng trước Fyf(t), hình 4.30, 4.31, bánh xe sau 60 Fyr(t), hình 4.32, 4.33, ta thấy: Đối với với xe bánh có bánh trước giá trị lực ngang bánh xe dẫn hướng trước Fyf(t) lớn so với lực ngang bánh xe dẫn hướng trước Fyf(t) xe bánh có bánh sau sau khoảng thời gian l,7s xe đạt trạng thái cân bước vào quay vòng ổn định Lực ngang tác dụng bánh xe sau Fyr(t) xe máy bánh có bánh trước nhỏ lực ngang tác dụng bánh xe sau Fyr(t) xe máy bánh có bánh sau, điều cho thấy quay vòng xe máy bánh có bánh trước có khả ổn định xe máy bánh bánh sau 61 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Mơ hình phân tích động lực học theo phương ngang xe máy bánh mơ hình động lực học phẳng xây dựng cho trường hợp: xe máy bánh có bánh trước, xe máy bánh có bánh sau ứng với chế độ tải trọng là: nửa tải toàn tải Kết phân tích so sánh với điều kiện tới hạn cho phép đảm bảo tính động lực học độ ổn định an toàn cụ thể sau: - Quay vòng thừa xảy tất trường hợp tải trọng xe, trường hợp nguy hiểm quay vòng Và trường hợp nguy hiểm quay vòng xe máy bánh có bánh sau đầy tải có hệ số ổn định quay vòng Kfuiioad = -l,9.10'4 Do khắc phục tượng người điều khiển phải giảm tốc độ quay vòng, thiết kế cần điều chỉnh tọa độ trọng tâm xe cho khoảng cách từ tọa độ trọng tâm xe đến bánh trước (ai) khoảng cách từ tọa độ trọng tâm xe đến bánh sau (a2) tương đương - Giá trị vận tốc tới hạn xe chọn luận văn (Vcx = ố,78m/s - xe máy bánh nửa tải, Vcx = ố,39m/s - xe máy bánh đầy tải) cho phép đảm bảo điều kiện trượt ngang xe quay vòng - Giá trị bề rộng xe thiết kế (w=0,8 lm) tương đối phù hợp so sánh điều kiện tới hạn lật trượt Trong tính toán kiểm nghiệm, tăng bề rộng xe lên 0,85m giá trị Fyroii xe nửa tải l,537kN lớn với giá trị lực bám ngang Fy