Lập mô hình động lực học ô tô một dãy tuyến tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGÔ VĂN HOA LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ MỘT DÃY TUYẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật Cơ khí động lực Hà Nội – Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGƠ VĂN HOA LẬP MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ MỘT DÃY TUYẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật Cơ khí động lực NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS LƯU VĂN TUẤN Hà Nội – Năm 2013 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU 11 Chương TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 12 1.1 Yêu cầu thực tế 12 1.2 Mục tiêu nghiên cứu động lực học ô tô 13 Chương LÝ THUYẾT MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 17 2.1 Các mơ hình động lực học tơ 17 2.2 Phương trình chuyển động tổng quát 23 2.3 Phương pháp xác định lực tương tác bánh xe 31 2.4 Phương pháp xây dựng mơ hình 37 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT LẬP MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TUYẾN TÍNH Ơ TƠ 38 3.1 Mơ hình dãy lực tác dụng lên thân xe 39 3.2 Động lực học ô tô dãy tuyến tính 46 3.3 Quay vòng ổn định 48 3.4 Khảo sát động lực học tơ mơ hình tuyến tính miền thời gian 55 3.5 Các thơng số chương trình mơ 58 3.6 Phương án khảo sát 61 (i) Phương án 61 (ii) Phương án 66 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - A  m2  : Diện tích, thiết diện -c : Hệ số khí động -   kg / cm3  : Mật độ khơng khí - CL  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp - CL1  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp trước - CL  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp sau - CLR1  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp trước dãy phải - CLL1  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp trước dãy trái - CLR2  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp sau dãy phải - CLL2  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp sau dãy trái - C  N / m : Độ cứng hệ thống treo - C1  N / m  : Độ cứng treo trước - C2  N / m  : Độ cứng treo sau - 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 - K1  Ns / m  : Hệ số cản hệ thống treo trước - K  Ns / m  : 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 - K 2R  Ns / m  : Hệ số cản hệ thống treo sau dãy phải - K 2L  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 -r : Bán kính tự lốp - J X  kgm2  : Mơmen qn tính trục x xe - JY  kgm2  : Mômen quán tính trục y xe - J Z  kgm2  : Mơmen qn tính trục z xe - J yA1  kgm2  : Mơmen qn tính trục y cầu trước - J yA2  kgm2  : Mơmen qn tính trục y cầu sau - J AyR  kgm2  : Mơmen qn tính trục y lốp trước dãy phải - J AyL  kgm2  : Mơmen qn tính trục y lốp trước dãy trái - J AyR  kgm2  : Mơmen qn tính trục y lốp sau dãy phải - J AyL  kgm2  : Mơmen qn tính trục y lốp sau dãy trái - h  m : Chiều cao mấp mô đường - h1  m  : Chiều cao mấp mơ đường phía trước - h2  m  : Chiều cao mấp mơ đường phía sau - FZ  N  : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe - FZ  N  : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước - FZ  N  : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau - FZR1  N  :Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước dãy phải - FZL1  N  : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước dãy trái - FZR2  N  : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau dãy phải - FZL2  N  : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau dãy trái - FZt  N  : Tải trọng tĩnh bánh xe - FZ 1,t  N  : Tải trọng tĩnh bánh xe phía trước - FZ 2,t  N  : Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau - FZd  N  : Tải trọng động bánh xe - FZ 1,d  N  : Tải trọng động bánh xe phía trước - FZ 2,d  N  : Tải trọng động bánh xe phía sau - FC  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo - FC1  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo trước - FC  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo sau - FCR1  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo trước dãy phải - FCL1  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo trước dãy trái - FCR2  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo sau dãy phải - FCL2  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo sau dãy trái - FK  N  : Lực cản hệ thống treo - FK1  N  : Lực cản hệ thống treo trước - FK  N  : Lực cản hệ thống treo sau - FKR1  N  : Lực cản hệ thống treo trước dãy phải - FKL1  N  : Lực cản hệ thống treo trước dãy trái - FKR2  N  : Lực cản hệ thống treo sau dãy phải - FKL2  N  : Lực cản hệ thống treo sau dãy trái - FCL  N  : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe - FCL1  N  : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước - FCL  N  : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau - FClR1  N  : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước dãy phải - FClL1  N  : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước dãy trái - FClR2  N  : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau dãy phải - FClL  N  : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau dãy trái - M  kg  : Khối lượng toàn xe - m  kg  : Khối lượng treo - m1  kg  : Khối lượng treo trước - m2  kg  : Khối lượng treo sau - mA1  kg  : Khối lượng không treo trước - mA2  kg  : Khối lượng không treo sau - mAR1  kg  : Khối lượng không treo trước dãy phải - mAL1  kg  : Khối lượng không treo trước dãy trái - mAR2  kg  : Khối lượng không treo sau dãy phải - mAL2  kg  : Khối lượng không treo sau dãy trái - b : Hệ số bám đường - ft  m  : Độ võng tĩnh - f t1  m  : Độ võng tĩnh phía trước - ft  m  : Độ võng tĩnh phía sau - ft1R  m  : Độ võng tĩnh phía trước dãy phải - ft1L  m  : Độ võng tĩnh phía trước dãy trái - ft 2R  m  : Độ võng tĩnh phía sau dãy phải - ft 2L  m  : Độ võng tĩnh phía sau dãy trái -   rad  : Góc lắc thân xe -   m : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu xe - 1  m  : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước - 2  m  : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau - 1R  m  : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước dãy phải - 1L  m  : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước dãy trái -  2R  m  : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau dãy phải -  2L  m  : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau dãy trái -  m / s : Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe - 1  m / s  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước - 2  m / s  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau - 1R  m / s  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy phải - 1L  m / s  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy trái - 2R  m / s  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy phải - 2L  m / s  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy trái -   m / s2  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu xe - 1  m / s  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước - 2  m / s  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau - 1R  m / s  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy phải - 1L  m / s  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy trái - 2R  m / s  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy phải - 2L  m / s  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy trái - z, z, z  m, m / s, m / s  : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng treo - z1 , z1 , z1  m, m / s, m / s  : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng treo trước - z2 , z2 , z2  m, m / s, m / s  : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng treo sau 58 Hình 3.5 Sơ đồ xác định tâm quay vịng 3.5 Các thơng số chương trình mơ Các thơng số khảo sát: TT Thơng số Ký hiệu Đơn vị Giá trị m kg 1506,5 Khối lượng treo Khối lượng không treo trước mA11,mA12 kg 60 Khối lượng không treo sau mA21,mA22 kg 90 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước l1 m 1,1853 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau l2 m 1,5044 Độ cứng hệ thống treo trước C11, C12 N /m 34900 59 Độ cứng hệ thống treo sau C21, C21 N /m 32600 Độ cứng hướng kính lốp trước CL11, CL12 N /m 350000 Độ cứng hướng kính lốp sau CL21, CL22 N /m 350000 10 Hệ số cản giảm chấn trước K11, K12 Ns / m 4360 11 Hệ số cản giảm chấn sau K21, K22 Ns / m 3870 12 Mật độ không khí  kg / m3 1,24 13 Hệ số khí động c 14 Diện tích cản diện A 15 Hệ số cản lăn f 16 Bán kính tự lốp r Mơ hình Simulink 0,35 m2 0,92 0,02 m 0.31075 60 Chương trình m.file function F=ts global m Jz a1 a2 xdo delo Ca1 Ca2 tanso Cpsi Cbeta Cdel Dpsi Dbeta Ddel m=1000; Jz=1650; a1=1; a2=1.5; 61 xdo=[20 30]; delo=6*pi/180; %delo=[2*pi/180 6*pi/180 11.2*pi/180]; Ca1=60000; Ca2=60000; tanso=pi; Cpsi=1500; Cbeta=-120000; Cdel=60000; Dpsi=-9750; Dbeta=30000; Ddel=60000; 3.6 Phương án khảo sát (i) Phương án Trường hợp vận tốc v=20m/s, lái xung 0,5s với góc lái [20 60 110] Đồ thị góc lái hình 3.6.1 Góc lái 20 Góc lái 60 Góc lái 110 Hình 3.6.1 Hàm góc quay bánh xe 62 Hình 3.6.2 Vận tốc ngang Với hàm xung hình 3.6.1, ta có đặc tính vận tốc hình 3.6.2, biên độ từ 0,5 đến 1,5 m/s Giá trị cực đại tỷ lệ với giá trị góc xung Đồ thị hình 3.6.3 gia tốc góc, tác động xung, xe dao động góc chu kỳ Vận tốc góc có dạng xung phía hình 3.6.4 Theo điều kiện quay vịng, quay vịng trái mà   0&  xe có trạng thái quay vịng thiếu; ngược lại nếu  0&  xuất trạng thái quay vịng thừa Khi quay vòng phải,   0&  trạng thái quay vịng thừa xuất hiện; ngược lại   0&  xe quay vịng thiếu Nhìn vào đồ thị hình 3.6.3 3.6.4 ta thấy xe bị lái xung xuất quay vòng thiếu chuyển sang quay vòng thừa Tùy thuộc mức độ xung mà xe quay vịng thiếu mạnh, lái; quay vòng thừa mạnh, ổn định Trong trường hợp khảo sát trên, nhận biết xu chưa kết luận khả măng lái hay ổn định Điều xét mơ hình phi tuyến xác định lực tương tác bánh xe Trong hình 3.6.5, góc quay thân xe ổn định, xe có khả chuyển động vùng an toàn 63 Hình 3.6.3 Gia tốc góc quay thân xe Hình 3.6.4 Vận tốc góc quay thân xe 64 Hình 3.6.5 Góc quay thân xe Hình 3.6.6 đồ thị góc hướng (góc bơi), đổi pha lần với biên độ khơng đối xứng; điều phù hợp với nhận xét trên: xe chuyển từ quay vòng thiếu sang quay vòng thừa Đồ thị gia tốc ngang hình 3.6.7 xuất chu kỳ gần đối xứng, gia tốc xung lớn ổn định nhanh sau 65 Hình 3.6.6 Góc bơi Hình 3.6.7 Gia tốc ngang 66 (ii) Phương án Trường hợp vận tốc v=[20 30] m/s, lái xung 0,5s với góc lái 60 Trong trường hợp ta khảo sát ảnh hưởng vận tốc đánh lái xung Vận tốc 20 (m/s) Vận tốc 30 (m/s) Hình 3.6.7 Hàm góc quay bánh xe Hình 3.6.8 Vận tốc ngang Nhìn vào đồ thị hình 3.6.8, vận tốc ngang chịu ảnh ảnh hưởng lớn bới vận tốc xe: tỷ lệ vận tốc ngang 0,8/2,6 m/s v (20/30 m/s) Về vận tốc gia tốc 67 góc hình 3.6.9 3.6.10 lại thấy khác biệt Đồ thị góc quay thân xe hình 3.6.11 có quy luật quay vịng ổn định Hình 3.6.9 Gia tốc góc quay thân xe Hình 3.6.10 Vận tốc góc quay thân xe 68 Hình 3.6.11 Góc quay thân xe Hình 3.6.12 Góc bơi Đồ thị hình 3.6.12 đặc tính góc hướng (bơi), vận tốc lớn (30 m/s) có góc bơi lớn gấp so với vận tốc 20 m/s Những gia trị nằm vùng 69 tuyến tính, phản ánh xu hướng quay vịng thiếu mạnh Như nói, xu hướng, lực tương tác bánh xe không đề cập vấn đề trượt bánh xe Đồ thị gia tốc ngang hình 3.6.13 có giá xung lớn ổn định nhanh vùng tuyến tính Hình 3.6.13 Gia tốc ngang 70 KẾT LUẬN Ngày mà ô tô trở thành phương tiện lại ngày phổ biến, tốc độ tơ ngày tăng cao u cầu an tồn chuyển động ngày cao Khi tơ chuyển động chịu nhiều tác động từ phía người lái phanh, quay vơ lăng, hay ga… Ngồi tác động người lái yếu khách quan từ ngoại cảnh…rồi yếu tố bất ngờ tất ảnh hưởng lớn đến an tồn xe lưu thơng Trong khn khổ đề tài, tác giả giải vấn đề sau: (i) Nghiên cứu tổng quan động lực học ô tơ, đưa mơ hình khơng gian, dãy phi tuyến tuyến tính động lực học tơ Đóng góp luận văn Dựa vào phương pháp phân tích cấu trúc Hệ nhiều vật MBS, phân tích cấu trúc động lực học tơ để đưa sơ đồ logic mơ hình động lực học (hình 2.1), sở cho thành lâp mơ hình động lực học tơ (ii) Khảo sát động lực học tơ mơ hình động lực học dãy tuyến tính: kết đưa phù hợp với cơng bố trước đó; với biến đầu vào xung ngắn, xe xu ổn định Tuy nhiên, mơ hình tuyến tính, lực tương tác bánh xe xét vùng không trượt nén kết định hướng mà thơi Cần xét yếu tố khn khổ mơ hình phi tuyến 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rolf Isermann (2006): Fahrdynamik-Regelung, nxb Vieweg ATZ/MTZFachbuch, http://www.vieweg.de [2] Raesh Rajamani (2006): Vehicle Dynamics and Control, nxb Springer USA [3] Bernd H./Metin E.(2008): Fahrwerkhandbuch, nxh Vieweg-Teubner, http://www.viewegteubner.de [4] Wallentowitz/Reif (2006) Handbuch Kraftfahrzeugelektronik, nxb Vieweg ATZ/MTZ- Fachbuch, http://www.vieweg.de [5] Wallentowitz/Mítschke(2004):Dynamik der Kraftfahrzeuge, nxb Springer, http://www.springer.de [6] Ryszard Andrzejewski (2005): Nonlinear Dynamics of a Wheeled Vehicle, nxb Springer USA, http://www.springeronline.de [7] Winner Hermann/ Hakuli Stefan (2009): Handbuch Fahrerassistenzsysteme, nxb Vieweg ATZ/MTZ- Fachbuch, www.vieweg.de [8] Dieter Schramm (2010): Modellbildung und Simulation der Dynamik von Kraftfahrzeuge, Springer, 2010, http://dnb.d-nb.de [9] Raesh Rajamani (2006): Vehicle Dynamics and Control, nxb Springer USA [10] Mannfred B (1993): Fahrwerktechnik: Radschlupf-Regelsysteme, nxb Vogel [12] Ammon, D (1997): Modellbildung und Systementwicklung in der Fahrzeugtechink, BG Teubner [13] Nguyễn Q Tồn (2008): Nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống treo đến khả ổn định ô tô, Luận văn Thạc sỹ, ĐHBK Hà Nội 72 [14] Đỗ Quốc Hoàn (2008): Nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống treo đến khả truyền lực xe mơ hình thực nghiệm, Luận văn Thạc sỹ, ĐHBK Hà Nội [15] Nguyễn Trọng Du (2008): Nghiên cứu dao động hệ thống treo tơ có điều khiển, Luận văn Thạc sỹ, ĐHBK Hà Nội [16] Nguyễn Khăc Trai (1997): Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô, nxb Giao thông, Hà Nội ... Lập mơ hình dãy tuyến tính khảo sát động lực học ô tô 17 Chương LÝ THUYẾT MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ 2.1 Các mơ hình động lực học tơ Động lực học tơ tích hợp động lực ngang, thẳng đứng động lực. .. Hình 3.1 Mơ hình động lực học ô tô dãy tuyến tính 38 Hình 3.2 Lực mơ men tác dụng lên ô tô cầu trước dẫn hướng 39 Hình 3.3 Mơ hình dãy khơng lắc ngang 40 Hình 3.4 Mơ hình động lực. .. (iv) Mô đun ? ?Động lực học ô tô phương thẳng đứng z” nhằm xác định phản lực Fzj bao gồm mô đun con: (1) mô đun dao động dọc, (2) mô đun dao động ngang, (3) mô đun dao động ngang cầu xe, (4) mô đun