Lập mô hình và khảo sát đặc tính động lực học phanh đoàn xe

Hiện nay, việc phát triển các nghành khoa học kỹ thuật là vô cùng cần thiết và quan trọng. Trong đó sản xuất ô tô hiện nay là một trong những lĩnh vực đã và đang được nhà nước hết sức quan tâm. Trên thế giới sản xuất ô tô tăng vượt bậc, ô tô trở thành phương tiện vận chuyển quan trọng về hành khách và hàng hoá cho các ngành kinh tế quốc dân.Ở nước ta số ô tô tải cũng đang gia tăng cùng với sự phát triển và tăng trưởng của nền kinh tế. Mật độ xe trên đường ngày càng tăng điều này dẫn đến vấn đề tai nạn giao thông mà chúng ta đang là vấn đề bức thiết đối với các nhà quản lý. Hướng nghiên cứu động lực học chuyển động của đoàn xe đang được quan tâm nhằm xây dựng và bổ xung các tiêu chuẩn kỹ thuật, tối ưu hóa cấu trúc, thiết lập các hệ thống điều khiển động lực học đoàn xe đặc biệt là ổn định đoàn xe trong các trạng thái đặc trưng như phanh hay tăng tốc. Đối với Ô tô nguyên nhân xẩy ra tai nạn do hệ thống phanh chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các tai nạn do kỹ thuật gây nên. Đối với đoàn xe thì tai nạn do hệ thống phanh gây ra còn chiếm tỷ lệ cao hơn vì đoàn xe có kích thước lớn và tải trọng lớn. Khi phanh các xe thường mất ổn định và có thể bị trượt ngang và gây tai nạn. Đề tài:” lập mô hình và đặc tính động lực học phanh đoàn xe” được thực hiện với mong muốn góp một số vấn đề nhỏ trong lĩnh vực nghiên cứu về ổn định đoàn xe khi phanh trên cơ sở nghiên cứu quá trình phanh giới hạn trượt nhằm giảm tai nạn giao thông từ đó đưa ra điều kiện an toàn khi phanh đoàn xe. Phạm vi nghiên cứu động lực học của đoàn xe là rất rộng vì vậy trong khuôn khổ luận văn, đề tài chỉ tập trung vào các nội dung chính: Xây dựng mô hình tính toán cho đoàn xe bán rơ mooc Thiết lập các phương trình toán học mô tả chuyển động đoàn xe kéo bán rơ mooc.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - CHU VĂN HUỲNH LẬP MƠ HÌNH VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC PHANH ĐỒN XE LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN QUANG HOÀNG Hà Nội – Năm 2012 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ……………………………………………………………… DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT …………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ……………………………………………….5 LỜI NĨI ĐẦU………………………………………………………………………….8 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ………………………….10 1.1 An tồn giao thơng với đồn xe.…………………………………………………10 1.1.1 Mất ổn định xoay thân đoàn xe…………………………………………14 1.1.2 Hiện tượng bẻ gãy thân xe .15 1.1.3 Hiện tượng lật ngang 16 1.2 Tình hình nghiên cứu động lực học đồn xe…………………………………… 16 1.3 Phương pháp nghiên cứu……………………………………………………… 18 1.4 Mục đích nhiệm vụ đề tài……………………………………………… 19 1.4.1 Mục đích .……………………………………………………….12 1.4.2 Nhiệm vụ đề tài ………………………………………………… 14 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHANH ĐỒN XE…………… …………… 21 2.1 Phương pháp lập hệ phương trình …………………………………………… 21 2.2 Cấu trúc xe bán mooc …………………………………………………………….22 2.3 Xây dựng mơ hình ……………………………………………………………… 23 2.3.1 Thiết lập phương trình động lực học xe bán mooc ……………… 23 2.3.2 Các phương trình liên kết ……………………………………………… .28 Kết luận chương ………………………………………………………………… 36 CHƯƠNG GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH BẰNG MATLAB SIMULINK VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN KHẢO SÁT …………………………………… 37 3.1 Xây dựng chương trình mơ Simulink ……………………………….37 3.2 Số liệu đầu vào ………………………………………………………………… 37 3.3 Tính tốn điều kiện đầu …………………………………………………… 41 3.3.1 Xây dựng hàm kích động ………………………………………………… 42 3.3.2 Xác định lực cản khơng khí ban đầu Fw0x ……………………………… 42 3.3.3 Tính phản lực tĩnh bánh xe FZi ,st ……………………………… 42 3.3.4 Xác định lực dọc ban đầu Fx0i ……………………………… .42 3.3.5 Xác định hệ số trượt ban đầu s0i ……………………………… 43 3.3.6 Xác định mô men ban đầu M0i ………………………… 43 3.4 Các phương án khảo sát………………………………………………………… 44 3.5 Sơ đồ chương trình mơ phỏng………………………………………………… 46 Kết luận chương ……………………… ………………………………………… 47 CHƯƠNG KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ …………………………….48 4.1 Phương án 1…… …………………………………………….……………….48 4.2 Phương án ……………………………………………………………………55 4.3 Phương án 3…………………………………………………………………… 61 4.3 Phương án 4…………………………………………………………………… 67 4.3 Phương án 5…………………………………………………………………… 78 KẾT LUẬN ………………………………………………………………………… 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………… 86 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác! Hà Nội, ngày 21 tháng năm 2012 Tác giả Chu Văn Huỳnh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa z1 , z&1 , & z& m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương thẳng đứng khối lượng treo đầu kéo z11 , z&11 m, m/s Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng cầu z23 , z&23 m, m/s Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng cầu tương đương zk1 , z&k1 m, m/s Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng chốt kéo (đầu kéo) z2 , z&2 , & z&2 m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương thẳng đứng khối lượng treo rơ mooc z24 , z&24 m, m/s Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng cầu z25 , z&25 m, m/s Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng cầu zk , z&k m, m/s Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng chốt kéo (rơ mooc) x1 , x&1 , & x&1 m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương dọc khối lượng treo đầu kéo x2 , x&2 , & x&2 m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương dọc khối lượng treo rơ mooc ϕ1 ,ϕ rad ξi , ξ&i , ξ&& i m, m/s, m/s2 ϕ Ai rad Góc lắc cầu i ϕ A 23 rad Góc lắc cầu tương đương ϕ A 45 rad Góc lắc cân cầu 4, Góc lắc đầu kéo, rơ mooc Chuyển vị, vận tốc, gia tốc khối lượng khơng treo cầu i (i = ÷ 5) h0i m Biên độ mặt đường cầu i h1 m Chiều cao từ trọng tâm đầu kéo đến tâm bánh xe h2 m Chiều cao từ trọng tâm rơ mooc đến tâm bánh xe hk1 m Chiều cao từ trọng tâm đầu kéo đến chốt kéo hk2 m Chiều cao từ trọng tâm rơ mooc đến chốt kéo l1 m Khoảng cách từ trọng tâm đầu kéo đến cầu l2 m Khoảng cách từ trọng tâm đầu kéo đến trung điểm cầu cân 2, l3 m Khoảng cách từ trọng tâm rơ mooc đến trung điểm cầu cân 2, l4 m Khoảng cách từ trọng tâm rơ mooc đến cân cầu 4, 2a m Khoảng cách cầu 2b m Khoảng cách cầu 2c m Chiều dài cân 4, m1 kg Khối lượng treo đầu kéo m2 kg Khối lượng treo rơ mooc m23 kg Khối lượng cầu tương đương m45 kg Khối lượng cân cầu 4, mAi kg Khối lượng không treo cầu i Jy1 kgm2 Mơ men qn tính trục y khối lượng treo đầu kéo Jy2 kgm2 Mô men quán tính trục y khối lượng treo rơ mooc JyA23 kgm2 Mơ men qn tính trục y cầu tương đương 3 JyA45 kgm2 Mô men quán tính trục y cân cầu 4, JyAi kgm2 Mơ men qn tính trục y cầu i C1 N/m Độ cứng nhíp cầu C23 N/m Độ cứng nhíp cầu cân 2, C4 N/m Độ cứng nhíp cầu C5 N/m Độ cứng nhíp cầu K1 N/(m/s) Hệ số cản hệ thống treo cầu K23 N/(m/s) Hệ số cản hệ thống treo cầu cân 2, K4 N/(m/s) Hệ số cản hệ thống treo cầu K5 N/(m/s) Hệ số cản hệ thống treo cầu CLi N/m Độ cứng hướng kinh lốp cầu i Ckx, Ckz N/m Độ cứng khớp nối theo phương x, z FCi N Lực đàn hồi hệ thống treo cầu i FKi N Lực cản hệ thống treo cầu i FCLi N Lực đàn hồi lốp i Fkx N Phản lực khớp theo phương x Fkz N Phản lực khớp theo phương z Fwx N Lực cản không khí A m2 Diện tích cản diện Hệ số khí động c ρ kg/m3 v m/s Mật độ khơng khí Vận tốc xe Fxi N Lực dọc lốp i Fxi′ N Lực dọc khung tác dụng lên cầu i FZi N Phản lực đường tác dụng lên bánh i Fzi,st N Tải trọng tĩnh bánh xe thứ i Mi Nm Mô men cấp cho bánh i Hệ số cản lăn bánh xe i fi r0i m Bán kính tự lốp i fti m Độ võng tĩnh lốp i si Hệ số trượt bánh i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1: Hệ Đường – Xe – Người 10 Hình 1.2: Nguyên lý phanh 11 Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển lái xe……………………………………… 12 Hình 1.4: Hiện tượng ổn định xoay thân xe 14 Hình 1.5: Hiện tượng ổn định bị bẻ gãy đồn xe 15 Hình 2.1: Các thơng số kích thước xe bán mooc 22 Hình 2.2: Các tọa độ suy rộng mơ hình xe bán mooc 23 Hình 2.3: Mơ hình động lực học đầu kéo 24 Hình 2.4: Mơ hình động lực học cầu 1, 2, đầu kéo 25 Hình 5: Mơ hình động lực học cầu tương đương 2, 25 Hình 2.6: Mơ hình động lực học bán mooc 26 Hình 2.7: Mơ hình động lực học cầu cầu bán mooc 26 Hình 2.8: Mơ hình động lực học cân cầu 27 Hình 2.9: Phản lực Fz đường tác dụng lên bán xe 30 Hình 2.10: Mơ hình lốp 31 Hình 2.11 Sơ đồ tính lực Fx , Fy lốp 32 Hình 2.12 Đồ thị lực tương tác bánh xe Fx theo hệ số trượt s…………… 33 Hình 2.13 Hàm Ammonn………………………………………………… 33 Hình 2.14 Mơ men phanh………………………………………………… 36 Hình 3.1-3.60: Khảo sát động lực học phanh đoàn xe 48-82 b Quãng đường phanh Phanh già Phanh non Hình 4.42 Quãng đường phanh c Gia tốc phanh Phanh già Phanh non Bán mooc Đầu kéo Hình 4.43 Gia tốc phanh 73 d Lực tiếp tuyến Fx Phanh già Bánh Phanh non Bánh Bánh Bánh Bánh Hình 4.44 Lực tiếp tuyến d phản lực thẳng đứng Fz Phanh già Bánh Phanh non Bánh Bánh Hình 4.45 Phản lực thẳng đứng 74 Bánh Bánh f Hệ số trượt Phanh già Bánh Phanh non Bánh Bánh Bánh Hình 4.46 Hệ số trượt g Chuyển vị tương đối đầu kéo bán rơmooc(x1 – x2) Phanh già Phanh non Hình 4.47 Chuyển vị tương đối đầu kéo bán romooc 75 Bánh h Lực khớp nối Fkx ; Fkz Phanh già Phanh non Hình 4.48 Lực khớp nối j Góc lắc Phanh già Phanh non Bán mooc ; Hình 4.49 Góc lắc 76 Đầu kéo i Chuyển vị thẳng đứng đầu kéo bán rơ mooc Bán mooc ; Đầu kéo Hình 4.450 Chuyển vị thẳng đứng Nhận xét đánh giá: * Bán rơmooc phanh sau đầu kéo: Đối với trường hợp này, có bánh cầu bị trượt, bánh khác có khả bám cao mức độ rung lắc đoàn xe lớn Biên độ góc lắc đầu kéo bán rơmooc lớn Đặc biệt, góc lắc đầu kéo bán rơmooc ngược nhau, làm tăng áp lực cho khớp nối giảm tác động bánh xuống mặt đường, đầu kéo bị bán rơmooc đẩy mạnh (đồ thị chuyển vị x1-x2) Và trường hợp này, quãng đường phanh đoàn xe dài * Bán rơmooc phanh trước đầu kéo: Vì bán rơmooc tác động phanh sớm đầu kéo nên lúc đầu khớp nối chịu lực kéo lớn nhanh chóng đổi chiều bị đẩy đầu kéo tác động phanh Bán rơmooc bị phanh trước giúp làm giảm rung lắc mạnh đầu kéo Nhưng đầu kéo bị tác động phanh đột ngột sau trình phanh bán rơmooc làm tăng áp lực lên khớp nối với hướng ngược chiều phản lực Fz bánh số giảm mạnh làm bánh số bị trượt nhanh 77 4.5 PHƯƠNG ÁN * Phương án 5: Khảo sát trình phanh với hệ số bám (φ max = 0,65, φ = 0,3 ), trình phanh đồng thời bánh xe, hàm kích động h = h0 sin(2π ft ) Đường mấp mô với h0 = 0,01(m), f = Hz Xe chuyển động với v0 = 15 (m/s) - Trường hợp a: Phanh già với mô men phanh MBi,max = Zti.φimax - Trườn hơp b: Phanh non với mô men phanh MBi = 0,75 MBi,max a Mô men phanh Phanh già Bánh Phanh non Bánh Bánh Bánh Hình 4.51 Mô men phanh b Quãng đường phanh Phanh già Phanh non 78 Bánh Hình 4.52 Quãng đường phanh c Gia tốc phanh Bán mooc Đầu kéo Hình 4.53 Gia tốc phanh d Lực tiếp tuyến bánh xe Phanh già Bánh Phanh non Bánh Bánh Hình 4.54 Lực tiếp tuyến 79 Bánh Bánh e Phản lực thẳng đứng bánh xe Phanh già Bánh Phanh non Bánh Bánh Bánh Bánh Hình 4.55 Phản lực thẳng đứng f Hệ số trượt Phanh già Bánh Phanh non Bánh Bánh Hình 4.56 Hệ số trượt 80 Bánh Bánh g Chuyển vị tương đối đầu kéo bán rơmooc(x1 – x2) Phanh già Phanh non Hình 4.57 Chuyển vị tương đối đầu kéo bán romooc h Lực khớp nối Fkx ; Fkz Phanh già Phanh non Hình 4.58 Lực khớp nối 81 i Góc lắc đầu kéo bán rơ mooc Phanh già Phanh non Bán mooc ; Đầu kéo Hình 4.59 Góc lắc j Chuyển vị thẳng đứng đầu kéo, bán rơ mooc Bán mooc ; Đầu kéo Hình 4.60 Chuyển vị thẳng đứng 82 Nhận xét đánh giá: Khi xe phanh non, bán rơmooc, mức độ dao động gia tốc so với đầu kéo, điều xuất phát từ dao động khớp nối (đàn hồi) So sánh đồ thị phản lực lên bánh xe ta nhận thấy: + Khi xe chưa phanh phản lực Fz từ mặt đường lên bánh xe ln có xu hướng dao động xung quanh giá trị phản lực tĩnh Khi tác động mặt đường lớn biên độ dao động phản lực lớn Tuy nhiên trường hợp có Fz1 biến đổi lớn giá trị phản lực bánh khác dao động quang giá trị ban đầu Khi phanh già, bánh xe trượt hoàn toàn bánh cầu bánh bị trượt sớm (trong giai đoạn phanh độ).Trong với trường hợp phanh non vãn bánh cầu chưa bị trượt Thơng thường bánh trước xe kéo dễ bị trượt phanh phanh chuyển vị bánh trước so với mặt đường lớn bánh sau Khi tăng dần mô men phanh bánh xe bắt đầu trượt Khi hệ số trượt đạt đến giá trị lúc bánh xe trượt hồn tồn Trong với trường hợp phanh non có bánh xe cầu cầu bị trượt hồn tồn Cịn cầu thời gian độ hệ số trượt có tăng lên giá trị sau giảm xuống dao động quanh giá trị ổn định Do trường hợp phanh non khong bị trượt hoàn toàn nên quãng đường phanh phanh non(48m) ngắn so với phanh già(50m); đồng thời giá trị gia tốc phanh trung bình trường hợp phanh non lớn so với phanh già 83 KẾT LUẬN Nghiên cứu động lực học đồn xe nhằm mục đích nâng cao tính an tồn chuyển động mảng đề tài lớn với nhiều vấn đề Trong vấn đề xác định trạng thái đoàn xe phanh để xác định điều kiện an toàn phanh vấn đề quan tâm nhiều Trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ đề cập đến nội dung xác định trạng thái đoàn xe phanh đường thẳng nhằm tạo bước khởi đầu cơng tác nghiên cứu động lực học đồn xe sau Đề tài đáp ứng nhiệm vụ đặt ra: - Bằng giả thiết phù hợp, đề tài thực khảo sát động lực học phanh đồn xe mơ hình xe kéo bán romooc vết từ đưa so sánh so với tiêu chuẩn kiểm định nạy cho loại xe bán rơ mooc có cầu Trong q trình nghiên cứu, tài liệu kết công bố liên quan hạn chế hàm mục tiêu mà đề tài đặt có quy luật gần giống thực tế - Thực mô động lực học phanh đồn xe cơng cụ Matlab – Simulink Đây công cụ mô mạnh cho phép thay đổi thông số giúp dễ dàng khảo sát với trường hợp khác Trong nội dung đề tài khảo sát thơng số động lực học đồn xe phanh gia tốc phanh, quãng đường phanh, phản lực từ mặt đường, lực kéo, hệ số trượt - Kết thu khảo sát đánh giá khả phanh xe theo tiêu chuẩn, đánh giá khả xe phanh vận tốc khác từ đưa giới hạn trượt bánh xe phanh - Đề tài xây dựng phương án khảo sát nhằm cụ thể hóa mục tiêu đặt Tất phương án tính đến phản ứng người lái, tức thời gian tác dụng nhanh hay chậm mức độ đạp bàn đạp phanh Và từ để đánh giá yếu tố phản ứng người lái đến ổn định đồn xe Trong khn khổ giới hạn, đề tài thực khảo sát động lực học phanh đồn xe với mơ hình vết có áp dụng mơ hình lốp Ammon gần với thực tế giả thiết phù hợp Tuy nhiên trường hợp đánh giá chưa đủ để đánh giá cách 84 tổng thể, đồng thời cần xem xét mô hình khơng gian phi tuyến đầy đủ cần phải có thực nghiệm kiểm chứng kết tính tốn Những kết đạt luận văn sử dụng làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu mơ mơ hình khơng gian đầy đủ Đồng thời làm sở cho việc kiểm định thơng số an tồn phanh cho loại xe tương ứng Các hướng phát triển sâu nghiên cứu khảo sát động lực học đồn xe với mơ hình khơng gian dạng chuyển động khác quay vịng, phanh, quay vịng phanh tính đến ảnh hưởng cản khơng khívà có áp dụng hệ thống tích cực cho nhiều loại đồn xe khác Đây hướng nghiên cứu tác giả thời gian 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Hường, Bài giảng lý thuyết ôtô (tài liệu viết tay) [2] Võ Văn Hường (2007), Bài giảng xe chuyên dùng, Hà Nội [3] Võ Văn Hường, Thái Mạnh Cầu (2007): Lập mơ hình phẳng nghiên cứu phanh ô tô, tuyển tập hội nghị học toàn quốc lần thứ VII, Hà Nội 12/2007 [4] Võ Văn Hường, (2004): Ngun cứu hồn thiện mơ hình khảo sát dao động ô tô tải nhiều cầu, Luận án tiến sĩ kỹ thuật Hà Nội 2004 [5] Nguyễn Khắc Trai (1997) Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô, Nhà xuất Giao thông Vận tải, Hà Nội [6] Nguyễn Hùng Mạnh (2008) Xây dựng chương trình mơ quỹ đạo chuyển động đồn xe kéo bán rơ mooc chuyển động đường vòng, Luận văn Thạc sỹ, ĐHBKHN [7] JY Wong, Theory of Ground Vehicles, 2nd Edition, John Wiley&Sons, 1993 [8] T Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics, SAE, 1992 [9] Georg Rill, Vehicle Dynamics, Lecture Notes, 2005 [10] Nguyễn Phùng Quang Matlab & Simulink Nhà xuất giáo dục, Hà Nội 2004 [11] D.Ammon Modellbilung und Systementwicklung in der Fahrzeugdynamik BG Teubner, Stutgart, 1997 [12] Mitschke Dynamik der Kraftfahrzeuge Springer relag, 2005 [13] J.W.L.H Mass (2007), Jackknife stability of a tractor semi-trailer combination, Masterproject, TU/e Mechanical Engineering Eindhoven 86 [14] H Pacekja (2002) Tire and vehicle dynamics MPG Books Ltd, Cornwall, UK, 2002 [15] Vũ Việt Thắng, Vương Như Long, Thiết kế kỹ thuật sơ mi rơ mooc “Tải chở Container 40 feet”, Trung tâm NCCN ĐHBK TP Hồ Chí Minh, TP HCM 2007 87 ... 25 Hình 5: Mơ hình động lực học cầu tương đương 2, 25 Hình 2.6: Mơ hình động lực học bán mooc 26 Hình 2.7: Mơ hình động lực học cầu cầu bán mooc 26 Hình 2.8: Mơ hình động lực học. .. mooc - Mơ máy tính, xem xét thay đổi thơng số động học, động lực học đồn xe - Khảo sát số trình đặc trưng Đề tài thực môn Bộ môn Ơ tơ xe chun dụng - Viện khí động lực – Trường Đại học Bách Khoa... 15 Hình 2.1: Các thơng số kích thước xe bán mooc 22 Hình 2.2: Các tọa độ suy rộng mơ hình xe bán mooc 23 Hình 2.3: Mơ hình động lực học đầu kéo 24 Hình 2.4: Mơ hình động lực học