Động lực học theo phương thẳng đứng của tổ hợp xe đầu kéo và sơ mi rơ moóc được phân tích bằng Matlab - Simmechanics. Tổ hợp xe đầu kéo Hyundai và sơ mi rơ moóc loại 30 tấn được mô hình hóa trong mặt phẳng dọc của xe (Oxz).
TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 15 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG CỦA TỔ HỢP XE ĐẦU KÉO – SƠ MI RƠ MOÓC BẰNG MATLAB/SIMMECHANICS VERTICAL DYNAMIC ANALYSIS OF TRACTOR SEMI-TRAILER BY MATLAB/SIMMECHANICS Trần Hữu Nhân 1, Trần Quang Lâm2, Trần Đức 3, Nguyễn Văn Nguyên Bộ môn Kỹ thuật Ơtơ - Máy động lực, Khoa Kỹ thuật Giao thơng, Trường ĐH Bách khoa, Xí Nghiệp Cơ Khí Ơtơ An Lạc, thnhan@hcmut.edu.vn, lamtq1910@gmail.com, ductran_gl@gmail.comnguyenxuan.hcmut@gmail.com 1,2,3 Tóm tắt: Động lực học theo phương thẳng đứng tổ hợp xe đầu kéo sơ mi rơ mc phân tích Matlab - Simmechanics Tổ hợp xe đầu kéo Hyundai sơ mi rơ mc loại 30 mơ hình hóa mặt phẳng dọc xe (Oxz) Từ đó, mơ hình có mười bậc tự với tám phần tử khối lượng liên kết sử dụng để tính tốn thơng số động lực học theo phương thẳng đứng Hai tính động lực học an toàn chuyển động êm dịu chuyển động tổ hợp xe phân tích thực tính tốn điều kiện tổ hợp xe chuyển động qua biên dạng mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn IRC-99-1988 mấp mô ngẫu nhiên mặt đường với chủng loại đường khác Kết tính toán làm sở để thiết kế hệ thống treo nhằm nâng cao tính an tồn êm dịu chuyển động tổ hợp xe đầu kéo sơ mi rơ moóc Từ khóa: Động lực học theo phương thẳng đứng; tổ hợp xe đầu kéo sơmi rơmoóc; simmechanics Chỉ số phân loại: 2.1 Abstract: Vertical dynamics of a tractor & semi-trailer has been analyzed by MatlabSimmechanics The combined vehicle of Hyundai tractor and 30-ton semi-trailer has been modeled in the side plane of the vehicle (Oxz-plane) From this, the model has 10 degrees of freedom (DOFs) with linked rigid bodies has been used to calculate the vertical dynamic parameters Two dynamic features of safety and comfort of the vehicle have been analyzed respectively, corresponding to two different types of road profiles: the IRC-99-88 standard and the random one with different classifications The calculated results could be considered as the basis for the tractor semi-trailer’s suspension design to improve the safety and comfort Keywords: Vertical dynamics; tractor semi-trailer; sim-mechanics Classification number: 2.1 Giới thiệu Mô hình tính tốn động lực học theo phương thẳng đứng dạng toàn xe xây dựng cách kết hợp hai mơ hình dạng ½ [1] Bên cạnh chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng chuyển động lắc Pitch, mơ hình tồn xe cho phép khảo sát chuyển động lắc quanh trục dọc mặt phẳng ngang (Roll) xe Các nghiên cứu thực chủ yếu dựa việc tính tốn mơ hình tốn học Tuy vậy, thấy phức tạp mơ hình tốn học, u cầu kỹ lập trình tính tốn,… tất rào cản yếu tốn khảo sát động lực học theo phương thẳng đứng ô tô Mô hình tốn học cho tốn động lực học theo phương thẳng đứng tổ hợp xe đầu kéo – sơ mi rơ moóc lại phức tạp nhiều Vì vậy, báo Matlab - Simmechanics sử dụng để thực tính tốn Trong đó, phức tạp mơ hình tốn học thay mơ hình vật lý đơn giản Mơ hình tính tốn tổ hợp xe đầu kéo – sơ mi rơ mc 2.1 Mơ hình động lực học tổ hợp xe đầu kéo – sơ mi rơ moóc Xe đầu kéo Hyundai HD700 sơ mi rơ moóc loại ba trục có tải trọng 30 sử dụng để phân tích thơng số động lực học theo phương thẳng đứng tổ hợp xe Mơ hình động lực học theo phương thẳng đứng 16 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 tổ hợp xe mặt phẳng dọc thể hình Mơ hình có mười bậc tự do, tám phần tử khối lượng liên kết với phần tử đàn hồi giảm chấn Trong đó, phần tử khối lượng xe đầu kéo (m T ) sơ mi rơ moóc (m TLR ) có hai bậc tự chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng (z T , z TLR ) chuyển động lắc quanh trục ngang mặt phẳng dọc tổ hợp xe (θ T , θ TLR ) Còn lại sáu phần tử khối lượng (m i , i = 1÷6) thành phần khối lượng không treo xe đầu kéo – sơ mi rơ moóc, phần tử khối lượng có bậc tự chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng (z i , i = 1÷6) Các phần tử đàn hồi giảm chấn sử dụng để mơ hình hóa phần tử lốp xe (k ti , i = 1÷6), hệ thống treo (k i , c i , i = 1÷6), chốt kéo – liên kết đầu kéo - sơ mi rơ moóc (k fw , c fw ) Mấp mô mặt đường vị trí tiếp xúc bánh xe với mặt đường ngoại lực tác dụng (z Ri , i = 1÷6) zTLR kfw zT k1 θT c1 z1 c4 k5 k4 k2 c2 k3 z3 kt2 z4 z5 kt4 kt3 zR2 c5 k6 c6 c3 z2 kt1 zR1 θTLR cfw zR3 zR4 kt5 z6 kt6 zR5 zR6 Hình Mơ hình động lực học theo phương thẳng đứng mặt phẳng dọc tổ hợp xe đầu kéo – sơ mi rơ mc ba trục 2.2 Mơ hình Matlab - Simmechanics Mơ hình tốn học hệ phương trình có mười phương trình vi phân cấp hai tương ứng với mười bậc tự mơ hình hình Để việc tính tốn đơn giản dễ dàng hơn, Matlab - Simmechanics sử dụng Mơ hình bao gồm phần tử khối lượng, khớp liên kết mô tả ràng buộc chuyển động tương ứng, với thông số khối lượng, đàn hồi giảm chấn tích hợp phần tử Để mơ tả tính hiệu mấp mô mặt đường Matlab - Simulink kết hợp, kết tính tốn thu qua phần tử cảm biến Tất thể mô hình Thơng số tính tốn tổ hợp xe đầu kéo – sơ mi rơ mc 3.1 Thơng số tính tốn tổ hợp xe Các thơng số sử dụng tính tốn xác định theo xe thực tế sở xác định giá trị thông số theo [2-5] 3.2 Thông số mặt đường 3.2.1 Mấp mô mặt đường dạng bán bình phương hàm sin Mấp mơ mặt đường theo tiêu chuẩn IRC-99-1988 [6], mấp mô dạng bán bình phương hàm sin với đường cao tốc có chiều dài mấp mơ d = 3,7 (m) chiều cao mấp mô d = 0,01 (m); đường phố tiêu chuẩn với chiều dài mấp mô d = 0,3(m) chiều cao mấp mô d = 0,01(m) 3.2.2 Mặt đường ngẫu nhiên Mấp mô mặt đường ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8608 có phương pháp để đánh giá chất lượng loại đường dựa phổ công suất (Power Spectral Density - PSD) Theo tiêu chuẩn ISO 8608, mặt đường có mấp mơ ngẫu nhiên phân chia thành loại khác ký hiệu từ A đến E [8] 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 động với đường thành phố hình đạt yêu cầu theo chuẩn đứng IRC-99-1988 4.1.2 Gia tốc Biến thiên gia tốc tịnh tiến theo thời gian với đường cao tốc thành phố vị trí trọng tâm xe đầu kéo sơ mi rơ moóc thể hình hình Đầu kéo SMRM ) 2 Gia tốc (m/s Kết phân tích 4.1 Mấp mơ mặt đường dạng bán bình phương hàm sin Biến thiên chuyển vị theo thời gian với đường cao tốc đường nội ô thành phố theo tiêu chuẩn IRC-99-1988 xác định, với vận tốc chuyển động xe chọn, điển hình 40 (km/h) với đường cao tốc 10 (km/h) với đường nội ô thành phố 4.1.1 Chuyển vị tương đối Chuyển vị tương đối tịnh tiến theo phương thẳng đứng vị trí trọng tâm xe đầu kéo – sơ mi rơ moóc thể hình với đường cao tốc thành phố -2 -4 -6 0.08 -8 Đầu kéo 0.06 SMRM 0.04 Biến thiên chuyển vị (m) 10 Thời gian (s) Hình Biến thiên gia tốc tịnh tiến theo thời gian với đường cao tốc 0.02 -0.02 Đầu kéo -0.04 SMRM -0.06 4 10 Thời gian (s) Hình Biến thiên chuyển vị tương đối theo thời gian với đường cao tốc Gia tốc (m/s ) -0.08 -2 0.1 -4 Đầu kéo SMRM 0.05 -6 Biến thiên chuyển vị (m) 10 Thời gian (s) Hình Biến thiên gia tốc tịnh tiến theo thời gian với đường thành phố -0.05 -0.1 -0.15 10 Thời gian (s) Hình Biến thiên chuyển vị tương đối theo thời gian với đường nội thành phố Khoảng hành trình lớn cho phép hệ thống treo hoạt động chuyển động qua bậc 0,127(m) [6] Trong với phần đàn hồi dạng bầu lớn khoảng hành trình làm việc cho phép thông thường khoảng 0,25 (m), [2] Như vậy, với kết tính tốn thu cụ thể đạt giá trị chuyển vị tương đối lớn khoảng 0,2 (m) với xe đầu kéo chuyển Các phận đàn hồi, giảm chấn hệ thống treo có khả hấp thụ gia tốc Với yêu cầu giá trị trung bình bình phương đạt khoảng ½ gia tốc trọng trường g = 9,81 (m/s2), khơng xảy điều kiện chạm đến vị trí giới hạn hành trình hệ thống treo [6] Giá trị lớn gia tốc xe chuyển động đường thành phố so với đường cao tốc gần Xe đầu kéo đạt gia tốc cực đại cao khoảng hai lần sơmi rơmc Giá trị trung bình bình phương gia tốc xe đầu kéo là: 1,25 1,29 (m/s2) sơ mi rơ moóc là: 0,74 0,75 (m/s2) với đường cao tốc đường thành phố 18 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 2 Loại A Loại B Loại C Trung bình bình phương gia tốc, m/s 1.5 0.5 20 30 ) Gia tốc (m/s 0.5 -0.5 60 70 80 90 100 ) Loại A Loại B Loại C 0.6 0.4 a=0.315m/s (Thoải mái) 0.2 20 -1 50 Hình Trung bình bình phương gia tốc xe đầu kéo theo vận tốc với mặt đường loại A, B, C Trung bình bình phương gia tốc (m/s SMRM 40 Vận tốc, km/h 0.8 Đầu kéo (Thoải mái) 1.5 a=0.315m/s Giá trị lớn 12,7 % g Điều cho thấy, an tồn đảm bảo 4.2 Mấp mơ mặt đường dạng ngẫu nhiên Để phân tích độ êm dịu chuyển động xe, ta tính tốn trường hợp xe chuyển động với mặt đường có biên dạng mấp mô ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8608, [8] 4.2.1 Gia tốc theo thời gian Biến thiên gia tốc vị trí tọa độ trọng tâm xe đầu kéo – sơ mi rơ moóc theo thời gian khảo sát xe chuyển động với v = 60 (km/h) mặt đường ngẫu nhiên loại A, đường nhựa tốt thể hình 30 40 50 60 70 80 90 100 Vận tốc, km/h -1.5 10 Thời gian (s) Hình Biến thiên gia tốc theo thời gian với mặt đường loại A Giá trị trung bình bình phương gia tốc trường hợp thông số quan trọng sử dụng để so sánh chuẩn đánh giá độ êm dịu xe thiết kế với hệ thống treo có thơng số sử dụng để tính tốn Với mặt đường ngẫu nhiên loại A, đường nhựa tốt biến thiên gia tốc sơmi rơmc nhỏ so với đầu kéo, hình 4.2.2 Trung bình bình phương gia tốc theo vận tốc Để phân tích ảnh hưởng chất lượng mặt đường đến tính êm dịu chuyển động, ta thực tính tốn giá trị trung bình bình phương gia tốc, trường hợp xe chuyển động khoảng vận tốc làm việc thường xuyên từ 20 - 100 (km/h) với mặt đường ngẫu nhiên cấp A, B, C theo tiêu chuẩn ISO 8608 [8] Hình Trung bình bình phương gia tốc sơmi rơmc theo vận tốc với mặt đường loại A, B, C Kết cho thấy trung bình bình phương gia tốc vị trí trọng tâm xe đầu kéo - sơmi rơmc thể hình Trung bình bình phương gia tốc tăng nhanh (mức độ thoải mái giảm) so với tăng dần vận tốc Mức độ tăng tỉ lệ với độ gồ ghề mặt đường (tương ứng với cấp loại A, B, C) Trong khoảng vận tốc phổ biến từ 80÷100 km/h trung bình bình phương gia tốc trọng tâm xe đầu kéo sơmi rơmoóc có giá trị khoảng 0,4; 0,8; 1,6 m/s2 0,2; 0,4; 0,8 m/s2 tương ứng với cấp đường A, B, C Như vậy, với thơng số hệ thống treo hữu độ êm dịu sơ mi rơ moóc tốt xe đầu kéo Và với đường loại A giá trị trung bình bình phương gia tốc đồn xe đạt tiêu chuẩn êm dịu ISO 8648 Kết luận Mơ hình động lực học mặt phẳng dọc tổ hợp xe đầu kéo – sơ mi rơ mc TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 có mười bậc tự sử dụng triển khai tính tốn Matlab - Simmechanics Hai tính động lực học theo phương thẳng đứng tổ hợp xe đầu kéo – sơ mi rơ mc an tồn chuyển động theo tiêu chuẩn đường IRC-99-1988, êm dịu chuyển động theo tiêu chuẩn ISO 8608 phân tích cho thấy: - Chuyển vị tương đối phận đàn hồi hệ thống treo gia tốc xe đầu kéo sơmi rơmoóc nằm giới hạn làm việc thơng thường bầu khí nén kiểm tra an toàn theo chuẩn đường IRC 99-1988; - Xe đầu kéo sơmi rơmoóc đạt chuẩn êm dịu chuyển động đường nhựa loại tốt A B vận tốc chuyển động nhỏ 60 (km/h) giới hạn vận tốc cao từ 80 - 100 (km/h) độ êm dịu giảm xuống cịn thỏa mãn với đường loại A theo chuẩn ISO 8608 Bài báo bước đầu cho thấy khả ứng dụng Matlab - Simmechanics bái toán động lực học dao động ô tô, đặc biệt mô hình tính tốn phức tạp có nhiều bậc tự Kết sở để thực thiết kế cải tiến, hay điều chỉnh thông số phận hệ thống treo hữu theo điều kiện làm việc thực tế cụ thể Tuy nhiên, để có nâng cao tính ứng dụng thực tiễn, thơng số sử dụng tính tốn tổ hợp xe cần xác định xác phương pháp thực nghiệm 19 Lời cám ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM khuôn khổ Đề tài mã số T-KTGT-2017-63 Tài liệu tham khảo [1] Zhu Q and Ishitobi M (2006), Chaotic vibration of a nonlinear full-vehicle model, International Journal of Solids and Structures, 43: 747-759 [2] Firestone Industrial Products Company Airide Design Guide, 37-61 [3] H Keith Brewer et al (2006), The Preumatic Tire – NHTSA, 2/2006, p.194 [4] Hyundai Motor Company (2004), Medium & Heavy Duty Trucks Catalogue [5] Công ty cổ phần thương mại khí Tân Thanh (2016), D33-XA-01 Sơmi Rơmoóc Xương Catalogue [6] The Indian Road Congress, IRC-99-1988: “Tentative guidelines on the provision of speed breakers for control of vehicular speeds on minor roads” [7] ISO 8608 (1995), Mechanical vibration, road surface profiles Reporting of Measured Data [8] A Mitra, et.al, Simulation and Analysis of Full Car Model for various Road profile on a analytically validated MATLAB/SIMULINK model IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSRJMCE), ISSN(e) : 2278-1684, ISSN(p) : 2320– 334X, PP : 22-33, www.iosrjournals.org [9] Rill, Georg, Road Vehicle Dynamics : Fundamentals and Modeling Ngày nhận bài: 15/11/2018 Ngày chuyển phản biện: 19/11/2018 Ngày hoàn thành sửa bài: 12/12/2018 Ngày chấp nhận đăng: 20/12/2018 ... hình động lực học theo phương thẳng đứng mặt phẳng dọc tổ hợp xe đầu kéo – sơ mi rơ mc ba trục 2.2 Mơ hình Matlab - Simmechanics Mơ hình tốn học hệ phương trình có mười phương trình vi phân cấp... mi rơ mc tốt xe đầu kéo Và với đường loại A giá trị trung bình bình phương gia tốc đồn xe đạt tiêu chuẩn êm dịu ISO 8648 Kết luận Mơ hình động lực học mặt phẳng dọc tổ hợp xe đầu kéo – sơ mi rơ. .. hình Thơng số tính tốn tổ hợp xe đầu kéo – sơ mi rơ moóc 3.1 Thơng số tính tốn tổ hợp xe Các thơng số sử dụng tính tốn xác định theo xe thực tế sở xác định giá trị thông số theo [2-5] 3.2 Thông