Nghiên cứu ảnh hưởng của lực quán tính đến động lực học của ô tô phương thẳng đứng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ––––––––––––––––––––––––––––––––––– Thiều Sỹ Nam NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC QUÁN TÍNH ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực học LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật Ơ tơ xe chun dụng NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VÕ VĂN HƯỜNG Hà Nội – năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi Thiều Sỹ Nam, 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 20 tháng năm 2013 Tác giả Thiều Sỹ Nam MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị 11 Mở đầu 13 Chương Tổng quan 16 1.1 Các yếu tố gây dao động đến ô tô 17 1.2 Ảnh hưởng dao động tơ 18 1.2.1 Tiêu chí độ êm dịu 19 1.2.2 Tiêu chí tải trọng động 21 1.2.3 Tiêu chí khơng gian bố trí hệ treo 22 1.3 Phương pháp lập mơ hình dao động tô 23 1.3.1 Đặc điểm cấu trúc 23 1.3.2 Phương pháp lập mơ hình dao động 27 1.3.3 Các mơ hình dao động 27 Chương Lập mơ hình dao động xe 30 2.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình 30 2.2 Phân tích đặc điểm dao động khối lượng 31 2.3 Hệ phương trình vi phân 32 2.4 Ứng dụng chương trình MATLAB - Simulink mô tả hệ dao động xe 35 2.5 Các bước chi tiết thiết lập hệ phương trình 43 2.6 Phương pháp giải 52 Chương Khảo sát ảnh hưởng lực quán tính đến dao động 55 3.1 Ảnh hưởng phanh quay vô lăng 55 3.2 Quay vô lăng dạng sinus không 57 3.3 Lái xung phanh 58 3.4 Vô lăng xung không phanh 59 Kết luận 61 Tài liệu tham khảo 62 Phụ lục 64 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị A m2 Ý nghĩa Diện tích, thiết diện Hệ số khí động c Mật độ khơng khí ρ Kg/cm3 CL N/m Độ cứng hướng kính lốp CL1 N/m Độ cứng hướng kính lốp trước CL2 N/m Độ cứng hướng kính lốp sau N/m Độ cứng hướng kính lốp trước dãy phải N/m Độ cứng hướng kính lốp trước dãy trái N/m Độ cứng hướng kính lốp sau dãy phải 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 c N/m Độ cứng treo sau N/m Độ cứng treo sau N/m Độ cứng treo trước dãy trái N/m Độ cứng treo sau dãy phải C R C L C R C L L1 L1 L2 L2 R c c L c R c L K N/m Độ cứng treo sau dãy trái NS/m Hệ số cản hệ thống treo K NS/m Hệ số cản hệ thống treo trước K NS/m Hệ số cản hệ thống treo sau K NS/m Hệ số cản hệ thống treo trước dãy phải K NS/m Hệ số cản hệ thống treo trước dãy trái K NS/m Hệ số cản hệ thống treo sau dãy phải K NS/m Hệ số cản hệ thống treo sau dãy trái R L R L a m Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước b m Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau Bán kính tự lốp r JX kgm2 Mơmen qn tính trục x xe JY kgm2 Mơmen qn tính trục y xe JZ kgm2 Mơmen qn tính trục z xe JyA1 kgm2 Mơmen qn tính trục y cầu trước JyA2 kgm2 Mơmen qn tính trục y cầu sau R J Ay kgm2 Mơmen qn tính trục y lốp trước dãy phải L J Ay kgm2 Mơmen qn tính trục y lốp trước dãy trái R J Ay kgm2 Mơmen qn tính trục y lốp sau dãy phải L J Ay 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 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 mA 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 mAL kg Khối lượng không treo sau dãy trái Hệ số bám đường ϕb 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,0 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 Góc lắc thân xe Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe CHƯƠNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG LỰC QN TÍNH ĐẾN DAO ĐỘNG Trong thực tế, ngồi gió mấp mơ đường gây dao động cho ô tô, tác động lái xe ga, phanh, quay vô lăng phanh, tăng tốc đồng thời với quay vơ lặng Những phản ứng lái xe, tùy théo phản xa nhanh hay chậm cường độ tác dụng, gây lực quán tính phương dọc ngang Những đại lượng thay đổi phản lực thẳng đứng Fz đồng đồng bánh xe: làm tăng áp lực cho đường gây ổn định Sau số phương án chọn nhằm xác định mức độ ổn định lực quán tính đến dao động xe 3.1 Ảnh hưởng phanh quay vô lăng: Chúng ta đánh vơ lăng hình 3.1 phanh với mơ men hình 3.2 Hình 3.1 Quy luật đánh vơ lăng Hình 3.2 Mơ men phanh 55 Hình 3.3 Phản lực Fz Nhìn vào hình 3.3, pha đầu quay vơ lăng, chưa phanh, ản hưởng quay vô lăng, phản lực bánh xe phía trái Fz11,Fz21 tăng ngược lại bánh xe khác phía giảm tương ứng Mức tăng giảm lớn; phía trái tăng xấp xỉ 6200 N so với ban đầu 4500 N bên phải giảm xuống 3000 N Khi vô lăng pha 2, từ 1,5 giây, phản lực giảm xuống 2000N sang pha vô lăng, từ giây thứ bắt đấu phanh, lực phanh bánh xe trước bên trái tăng lên 4500 N, bên phải tăng khoongn nhiều, khoảng 3000 N Nhưng vô lăng đánh pha thứ phản lực bên trái lại tăng (do lực phanh phân bố lại tải trọng lên cầu) Các bánh xe bên phải, Fz12, Fz22 có xu chịu ảnh hưởng đồng thời quay vô lăng phanh Trong trường hợp ta thấy lực quan tính ảnh hường tức thời làm thay đôi lớn phản lực Fz bánh xe, nhiều nhiều lần so với kích động mặt đường Hình 3.4 giản đồ lực phanh, ta thấy ảnh hưởng chủ yếu phanh ảnh hưởng quay vơ lăng 56 Hình 3.4 Lực phanh 3.2 Quay vô lăng dạng sinus không phanh Hình 3.5 Phản lực Fz (Quay vơ lăng khơng phanh) Theo đồ thị hình 3.5, phản lực Fz thay đổi với pha góc vơ lăng Lực tiếp tuyến thay đổi giá trị khơng lớn 57 Hình 3.6 Lực tiếp tuyến Fx 3.3 Lái xung phanh Phản lực Fz sau quy vơ lăng xung thực chu kỳ thay đổi dang sinus Khi phanh, t=2 giây, phản lực bánh xe trái trước tăng nhanh bánh phải gần không tăng Điều ngược lại với xu mục (3.1) ; giải thích ảnh hưởng pha trễ pha vô lăng Lực Fx tiếp tuyến dạng mục (3.1) Hình 3.7 Quy luật vơ lăng quay xung 58 Hình 3.8 Phản lực Fz ( Vơ lăng xung+ Phanh) Hình 3.9 Lực tiếp tuyến Fx (Vô lăng xung+ Phanh) 3.4 Vô lăng xung không phanh Khi không phanh, quay vô lăng xung, phảnh lực Fz dao động với xu tắt dần chậm Điều không hợp với thực tế Có thể khí mơ hình hóa ta bỏ qua mô men ổn định bánh xe đàn hồi yếu tố khó xác định (mơ men đàn hồi bánh xe quanh trục z) Lực tiếp tuyến thay đổi khơng rõ ràng Hình 3.12 đồ thị gia tốc Măc dù không phanh, quay vô lăng xung, làm cho xe thay đổi quỹ dạo dẫn đến thay đổi gia tốc Các pha trùng với pha thay đổi phản lực Fz thể dập tắt chậm dao động thân xe quanh trục thẳng đứng 59 Hình 3.10 Phản lực Fz Hình 3.11 Lực tiếp tuyến Fx Hình 3.12 Gia tốc dọc 60 KẾT LUẬN Với phát triển công nghệ điện tử – tin học ngày nay, việc sử dụng phần mềm mô để giải toán dao động việc làm có ý nghĩa hiệu quả, cho phép nghiên cứu hệ dao động cách thuận lợi sâu Trong q trình mơ phải đặt giả thiết cho toán nhằm hạn chế phức tạp thời gian mơ theo mục đích việc nghiên cứu Bởi kết mô gần so với thực tế Việc lựa chọn giả thiết để vừa giảm bớt phức tạp toán mà đáp ứng mục đích nghiên cứu cần phải cân nhắc kỹ trước tiến hành xây dựng chương trình mơ Trong luận văn tác giả thực số nghiên cứu kết sau: - Đưa yếu tố gây dao động ô tô, đánh giá nguồn kích động; - Nghiên cứu ảnh hưởng dao động tiêu đánh giá dao động - Nghiên cứu lập mơ hình dao động xe tích hợp với mơ hình động lực học nhằm xác định yếu tố ảnh hưởng lực quán tính đến phản lực Fz Sử dụng phương pháp tách vật xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả dao động, ứng dụng Phần mềm MATLAB – Simulink để khảo sát phản lực làm sở đánh giá ảnh hưởng an toàn động lực học phá hủy đường Bên cạnh luận văn cịn có số hạn chế sau: - Khi lập mơ hình giả thiết xe đối xứng qua mặt phẳng dọc qua trọng tâm xe Tâm quay tức thời khối lượng coi cố định - Chưa nghiên cứu ảnh hưởng nguồn kích động gây dao động rung động động cơ, dao động phanh xe - Trong khảo sát dừng lại hàm kích động tường minh Thực tế xe hoạt động đường có biên dạng thay đổi ngẫu nhiên 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh [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] Kramer Florian (2008): Passive Sicherheit, nxb Vieweg ATZ/MTZ- Fachbuch, www.vieweg.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 Tiếng Việt [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 [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 62 [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 [17] Võ Văn Hường, Thái Mạnh Cầu (2007): Nghiên cứu chuyển động thực ô tơ mơ hình ¼, Tuyển tập cơng trình Hội nghị học toàn quốc lần thứ VII, Hà Nội, 12/2007 [18] Võ Văn Hường, Thái Mạnh Cầu (2007): Lập mơ hình phẳng nghiên cứu phanh tơ, Tuyển tập cơng trình Hội nghị học tồn quốc lần thứ VII, Hà Nội, 12/2007 [19] Tạ Tuấn Hưng (2009): Nghiên cứu, khảo sát động lực học phanh đoàn xe, LV Thạc sỹ Khoa học, ĐHBK Hà Nội [20] Vũ Thành Niêm (2012): Lập mơ hình khảo sát động lực học xe bán mooc, LV Thạc sỹ Kỹ thuật, ĐHBK Hà Nội [21] Nguyễn Tiến Thành (2010): Nghiên cứu ổn định phanh đoàn xe, LV Thạc sỹ khoa học, ĐHBK Hà Nội [22] Lương Đình Tiến Thắng (2012): Nghiên cứu ảnh hưởng ABS đến hiệu phanh mô hình động lực học tơ ½, Lv ThS, ĐHBK HN 2012 [23] Nguyễn Văn Chót (2012): Nghiên cứu ảnh hưởng độ chậm tác dụng đến hiệu phanh , Lv ThS, ĐHBK HN 2012 63 PHỤ LỤC Hàm m.file thể thông 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); Phi_x1_R_max=0.95; Phi_x2_R_max=0.95; Phi_x1_R_min=0.8; Phi_x2_R_min=0.8; Phi_x1_L_max=0.95; Phi_x2_L_max=0.95; Phi_x1_L_min=0.8; Phi_x2_L_min=0.8; Phi_y1_R_max=0.85; Phi_y2_R_max=0.85; Phi_y1_R_min=0.8; Phi_y2_R_min=0.8;% Phi_y1_L_max=0.85; Phi_y2_L_max=0.85; Phi_y1_L_min=0.8; 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; 64 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)