Khảo sát động lực học ô tô

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội - Nguyễn minh tú KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG Mễ HèNH 1/4 Chuyên ngành ễ Tễ VÀ XE CHUYấN DỤNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYấN NGÀNH ễ Tễ VÀ XE CHUYấN DỤNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS-TS Vế VĂN HƯỜNG Hà Nội năm 2012 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………… DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……………………………………………… 10 CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ …………………………………………………13 1.1 Yêu cầu thực tế 13 1.2 Nghiên cứu động lực học ôtô 13 CHƯƠNG CÁC MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TRÊN ƠTƠ …………… 17 2.1 Mơ hình 1/4 17 2.2 Mơ hình 1/2 ……………………………………………………………… 18 2.3 Mơ hình khơng gian xe 19 CHƯƠNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ CON ……………………20 3.1 Phương pháp lập hệ phương trình 20 3.2 Cấu trúc ô tô……………………………………………………… 21 Đặc điểm cấu trúc lốp: 25 3.3 Xây dựng mơ hình 24 3.3.1 Thiết lập phương trình động lực học xe 255 3.3.2 Mơ hình hệ thống treo 30 3.3.3 Mơ hình 1/4 366 3.3.4 Động lực học bánh xe 40 3.4 Phương pháp giải 50 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ BẰNG SIMULINK 51 4.1 Trình tự thực q trình mơ 51 4.2 Sơ đồ thuật tốn chương trình mơ Simulink 52 4.3 Xây dựng chương trình mô 53 4.3.1 Khối tính tốn thơng số động học xe 55 4.3.2 Khối Ammon 56 4.3.3 Khối mô tả động lực học bánh xe 57 4.3.4 Khối dao động xe 58 CHƯƠNG PHÂN TÍCH KẾT QUẢ CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN KHẢO SÁT VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ …………………………………… 60 5.1 Khảo sát trạng thái xe vừa quay vòng vừa phanh vận tốc khác 60 5.1.1 Đồ thị mơ tả góc quay bánh xe mômen phanh M 61 5.1.2 Các kết thu 62 5.2 Khảo sát vừa phanh vừa đánh lái với cá góc đánh lái khác 67 5.2.1 Đồ thị mơmen phanh góc đánh lái 67 5.2.2 Các kết thu 69 5.3 Khảo sát ảnh hưởng cường độ phanh xe quay vòng 73 5.3.1 Đồ thị góc đánh lái momen phanh 73 5.3.2 Các kết thu 75 KẾT LUẬN……………………………………………………………………… 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………82 PHỤ LỤC…………………………………………………………………… 83 LỜI NÓI ĐẦU Ngày mà ô tô trở thành phương tiện lại ngày phổ biến ,tốc độ ô tô ngày tăng cao.thì u cầu độ an tồn thuận tiện điều khiển ô tô ngày yêu cầu phải cao Khi ô tô 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 chất lượng mặt đường khác nhau, gió …rồi yếu tố bất ngờ tất ảnh hưởng lớn đến an toàn xe lưu thông Do viêc nghiên cứu thông số động lực học ô tô cần thiết Bởi từ thông số động lực học nhà sản xuất tìm giải pháp để làm cho xe trở lên an tồn Một tơ thơng minh ngày hệ thống điện tử việc cần nghiên cứu thông số động lực học giúp nhà thiết kế thiết kế điều khiển tự động giúp cho việc điều khiển xe thuận tiên với người sử dụng Khi mà số lượng ô tô lưu thông đường tăng kéo theo vấn đề tai nạn giao thơng tơ gây Vì việc biết thơng số động lực học tơ để nhà quản lí đưa yêu cầu thông số kĩ thuật ô tô nhập về, yêu cầu kĩ thuật, tốc độ ô tô lưu thông cần thiết Trước nhu cầu thực tế trên, em lựa chọn đề tài nghiên cứu động lực học tơ xây đựng mơ hình động lực học tổng quát ô tô để mô q trình động lực học tơ thực tế lấy thông số động lực học ô tô Trong thời gian làm luận văn, tác giả có nhiều cố gắng tích cực chủ động học hỏi, vận dụng kiến thức học tìm hiểu kiến thức Dưới hướng dẫn trực tiếp PGS-TS Võ Văn Hường thầy Bộ môn ô tô xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đề tài hoàn thành mục tiêu nhiệm vụ đề Mặc dù cố gắng kiến thức thời gian có hạn nên luận văn khó tránh khỏi vài sai sót, em mong nhận bảo thêm thầy Hà Nội, ngày 06 / /2012 Nguyễn Minh Tú DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - A ( m2 ) : Diện tích, thiết diện -c : Hệ số khí động - ρ ( kg / cm3 ) : Mật độ khơng khí - CL ( N / m ) : Độ cứng hướng kính lốp - CL1 ( N / m ) : Độ cứng hướng kính lốp trước - C L ( 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 - C LR2 ( N / m ) : Độ cứng hướng kính lốp sau dãy phải - C LL2 ( 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 ) : Mômen quán tính trục x xe - JY ( kgm2 ) : Mơmen qn 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 R - J Ay ( kgm ) : Mơmen qn tính trục y lốp trước dãy phải L - J Ay ( kgm ) : Mơmen qn tính trục y lốp trước dãy trái R - J Ay ( kgm ) : Mơmen qn tính trục y lốp sau dãy phải L - J Ay ( kgm ) : 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 - FK ( 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 - FClR ( 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 - m A ( kg ) : Khối lượng không treo sau - mAR1 ( kg ) : Khối lượng không treo trước dãy phải - mAL1 ( kg ) : Khối lượng không treo trước dãy trái - m AR2 ( kg ) : Khối lượng không treo sau dãy phải - m AL ( kg ) : Khối lượng không treo sau dãy trái - ϕb : Hệ số bám đường - ft ( m ) : Độ võng tĩnh - f t1 ( m ) : Độ võng tĩnh phía trước - ft ( m ) : Độ võng tĩnh phía sau - f t1R ( m ) : Độ võng tĩnh phía trước dãy phải - f t1L ( m ) : Độ võng tĩnh phía trước dãy trái - f t 2R ( m ) : Độ võng tĩnh phía sau dãy phải - f t 2L ( m ) : Độ võng tĩnh phía sau dãy trái - ϕ ( rad ) : Góc lắc thân xe - ξ (m) : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu xe - ξ1 ( m ) : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước - ξ2 ( m ) : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau - ξ1R ( m ) : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước dãy phải - ξ1L ( m ) : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước dãy trái - ξ 2R ( m ) : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau dãy phải - ξ 2L ( m ) : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau dãy trái - ξ& ( m / s ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe - ξ&1 ( m / s ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước - ξ&2 ( m / s ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau - ξ&1R ( m / s ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy phải - ξ&1L ( m / s ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy trái - ξ&2R ( m / s ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy phải - ξ&2L ( m / s ) : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy trái - ξ&&( m / s ) : Gia tốc phương thẳng đứng cầu xe - ξ&&1 ( m / s ) : Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước - ξ&&2 ( m / s ) : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau - ξ&&1R ( m / s ) : Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy phải - ξ&&1L ( m / s ) : Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy trái - ξ&&2R ( m / s ) : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy phải - ξ&&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 5.2.2.4 Quỹ đạo xe Hình 5.19.Đồ thị mơ tả quỹ đạo xe Đồ thị bên trái mơ tả quỹ đạo xe góc quay bánh xe độ Đồ thị thị bên phải mơ tả quỹ đạo xe góc quay bánh xe 10 độ Từ đồ thị ta nhận thấy xe chạy với tốc độ cao ta đánh lái xe với góc lớn bán kính quay vịng xe khơng hẹp nhiều Và quay vịng với góc lớn tốc độ cao dễ dẫn đến tượng bánh xe bị trượt làm cho xe dễ bị lật Vì vào cua ta cần phải giảm tốc độ để vào cua tơt an tồn 72 5.3 Khảo sát ảnh hưởng cường độ phanh xe quay vòng Khảo sát thông số động lực học xe điều kiện : + Đường khô với hệ số bám đường lốp xe : ϕ x max = 0.95, ϕ y max = 0.85 , ϕ x = ϕ y = 0.8 +Xe chạỵ với vận tốc đầu V0= 20 m/s +Góc đánh lái theo quy luật không đổi trường hợp khảo sát +Thông số khảo sát cường độ phanh : Phanh non Phanh già 5.3.1 Đồ thị góc đánh lái momen phanh 5.3.1.1.Đồ thị góc đánh lái Hình 5.20 Đồ thị mơ tả góc quay bánh xe 73 5.3.1.2 Đồ thị momen phanh Ta khảo sát trường hợp Trường hợp phanh non : Hình 5.21 Đồ thị mơ tả mơmen phanh bánh củ động bị động Trường hợp phanh già: Hình 5.22 Đồ thị mơ tả mơmen phanh bánh chủ đọng bị động 74 5.3.2 Các kết thu 5.3.2.1 Đồ thị hệ số trượt bánh xe Hình 5.23 Đồ thị mơ tả hệ số trượt bánh theo thời gian Trong trường hợp phanh non Hình 5.24 Mơ tả hệ số trượt cảu bánh xe trường hợp phanh già 75 Từ đồ thị 5.23 5.24 ta thấy quay vịng mà ta nhấn phanh mạnh (phanh già) bánh xe dễ bị trượt ta nhấn phanh vừa phải Do quay vòng ta cần nhấn phanh vừa phải để không làm xe bị trượt lái gây nguy hiểm 5.3.2.2.Đồ thị mô tả áp lực tác dụng lên bánh xe Hình 5.25 Đồ thị mô tả áp lực tác dụng lên bánh xe trường hợp quay xe phanh non Hình 5.26 Đồ thị mô tả áp lực tác dụng lên bánh xe trường hợp quay xe phanh già 76 5.3.2.3 Đồ thị góc quay thân xe theo thời gian Hình 5.27.Đồ thị mơ tả góc quay thân xe theo thời gian trường hợp phanh non Hình 5.28.Đồ thị mơ tả góc quay thân xe theo thời gian trường hợp phanh già 77 5.3.2.4 Đồ thị vận tốc quay thân xe theo thời gian Hình 5.29 Đồ thị mô t ả vận tốc quay thân xe trường hợp phanh non quay vịng Hình 5.30 Đồ thị mô t ả vận tốc quay thân xe trường hợp phanh già quay vòng Từ đồ thị góc quay thân xe vận tốc góc quay thân xe hai trương hợp quay vòng đạp phanh non trường hợp quay vòng đạp phanh già cho thấy ta quay vòng đồng thời đạp phanh.Nếu ta đạp phanh mức vừa đủ xe quay vịng với bán kính tốt Nếu ta đạp cứng phanh xe bị trượt theo qn tính góc quay thân xe bị giảm xe ổn định 78 5.3.2.5 Đồ thị gia tốc tâm xe Hình 5.31 Đồ thị mơ tả gia tốc tâm xe theo thời gian trường hợp phanh non Hình 5.32 Đồ thị mơ tả gia tốc tâm xe theo thời gian trường hợp phanh già Qua đồ thị ta nhận thấy trường hợp phanh già gia tốc tâm xe biến đổi nhiều cho thấy trường hợp quay vòng ta phanh già làm xe ổn định ta phanh non 79 5.3.2.6 Quỹ đạo xe HÌnh 5.33 Đồ thị mô tả quỹ đạo chuyển động xe quay vòng trường hợp phanh non phanh già Từ đồ thị ta nhận thấy xe quay vòng trường hợp phanh non có bán kính quay vịng tốt bán kính quay vịng xe trường hợp xe quay vòng phanh già 80 KẾT LUẬN Luận văn trình bày mơ hình tổng qt tơ dạng tích hợp mơ cơng cụ Simulink Matlab.Các kết tính tốn chương phù hợp với tài liệu chuyên ngành Luận văn khảo sát trường hợp sau : + Trạng thái xe vừa quay vòng vừa phanh vận tốc khác + Trạng thái xe vừa phanh vừa đánh lái với cá góc đánh lái khác + Khảo sát ảnh hưởng cường độ phanh xe quay vòng Qua kết ta thấy khả ổn định ô tô phụ thuộc vào: + Cấu trúc ô tô +Phản ứng lái xe +các yếu tố ngoại cảnh ảnh hưởng : tính chất bề mặt đường, gió ,… 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Hường, Bài giảng lý thuyết ôtô (tài liệu viết tay) [2] JY Wong, Theory of Ground Vehicles, 2nd Edition, John Wiley & Sons, 1993 [3] T Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics, SAE, 1992 [4] Georg Rill, Vehicle Dynamics, Lecture Notes, 2005 [5] Nguyễn Hồng Hải, Nguyễn Việt Anh Lập trình Matlab ứng dụng Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2006 [6] Nguyễn Phùng Quang Matlab & Simulink Nhà xuất giáo dục, Hà Nội 2004 [7] D.Ammon Modellbilung und Systementwicklung in der Fahrzeugdynamik BG Tenbner, Leiring, 1997 [8] Mitschke Dynamik der Kraftfahrzeuge Springer relag, 2005 82 PHỤ LỤC Hàm m.file thể thong số đầu vào function F=TS global M m ma1_R ma1_L ma2_R ma2_L c1_R c1_L c2_R c2_L Cl1_R Cl1_L Cl2_R Cl2_L k1_R k1_L k2_R k2_L Jx Jy Jz r Ja1_R Ja1_L Ja2_R Ja2_L g b1 b2 l1 l2 h0 f Smax Anpha_max Phi_x1_R_max Phi_x1_R_min Phi_x1_L_max Phi_x1_L_min Phi_y1_R_max Phi_y1_R_min Phi_y1_L_max Phi_y1_L_min Phi_x2_R_max Phi_x2_R_min Phi_x2_L_max Phi_x2_L_min Phi_y2_R_max Phi_y2_R_min Phi_y2_L_max Phi_y2_L_min Mp1 Mp2 bddd tanso lw Delta Delta1 Delta2 x0 uv1 uv2 F0 M02 ewp m0 tm Mp20 tdel tdel0 cxi0 M=1892; m=1562; ma1_R=69; ma1_L=69; ma2_R=96;ma2_L=96; Jx=1019; Jy=1980; Jz=3270; g=9.8; h0=0.62; f=0.02; Smax=0.15; Anpha_max=0.07; c1_R=27160; c1_L=27160; c2_R=29420; c2_L=29420; Cl1_R=229000; Cl1_L=229000; Cl2_R=255000; Cl2_L=255000; k1_R=4000; k1_L=4000; k2_R=2500; k2_L=2500; r=0.3; Ja1_R=ma1_R*(0.6*r)^2; Ja1_L=ma1_L*(0.6*r)^2; Ja2_R=ma2_R*(0.6*r)^2; Ja2_L=ma2_L*(0.6*r)^2; b1=0.76; b2=0.76; l1=1.34; l2=1.42; %0=10 ;cxi0=35.5 ; bddd=0.001; tanso=10*pi;lw=0.2; %x0=15 ;cxi0=53.4 ; Mp1=700; Mp2=700; x0=20 ;cxi0=71.5; Delta=7*(3.1416/180); 83 Phi_x1_R_max=0.95; Phi_x2_R_max=0.95; Phi_x1_R_min=0.8; Phi_x2_L_max=0.95; Phi_x1_L_min=0.8; Phi_y2_R_max=0.85; Phi_y1_R_min=0.8; Phi_y2_L_max=0.85; Phi_y1_L_min=0.8; Phi_x2_R_min=0.8; Phi_x1_L_max=0.95; Phi_x2_L_min=0.8; Phi_y1_R_max=0.85; Phi_y2_R_min=0.8;% Phi_y1_L_max=0.85; Phi_y2_L_min=0.8; uv1=Phi_x1_R_min/Phi_x1_R_max; uv2=Phi_x2_R_min/Phi_x2_R_max; F0=0.5*1.24*0.35*1.8*x0/4; M02=2*(F0+(m/4+ma2_R)*g*f)*(r-((m/4+ma2_R)*g)/Cl2_R); ewp=2.3; m0=2.2; tm=2.2 ;Mp20=26 ; tdel=2.4;tdel0=1.9; %x0/0.2818;   2.Hàm m.file mô tả hàm Ammon function F=am(u) global Smax Phi_x1_R_max Phi_x1_R_min u=u/(Smax*Phi_x1_R_max); if abs(u)