Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày một số kết quả nghiên cứu đánh giá độ trượt ngang các bánh xe cầu sau thông qua quỹ đạo chuyển động của trọng tâm ô tô, xác định bằng phương pháp tính toán mô phỏng.
SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VỊNG CỦA Ơ TƠ TẢI CHUYÊN DỤNG BA TRỤC RESEARCH IN KINEMATICS AND DYNAMICS OF TURN FOR SPECIAL THREE AXLES TRUCKS Nguyễn Trọng Hoan1,*, Trần Phúc Hịa2 TĨM TẮT Đối với tơ tải ba trục, bánh xe cụm cầu sau khơng điều khiển quay vịng, nên chúng bị trượt ngang làm ảnh hưởng đáng kể đến quỹ đạo chuyển động gia tăng tải trọng lên kết cấu hệ thống treo Vấn đề trở nên nghiêm trọng số loại ô tô tải chuyên dùng hoạt động sân bay, bến cảng, kho bãi,… Do thường xuyên phải chuyển động quay vịng với bán kính tối thiểu, nên bánh xe cụm cầu sau chịu độ trượt ngang lớn làm gia tăng độ mòn lốp gây hư hỏng cho kết cấu hệ thống treo Bài báo trình bày số kết nghiên cứu đánh giá độ trượt ngang bánh xe cầu sau thông qua quỹ đạo chuyển động trọng tâm ô tô, xác định phương pháp tính tốn mơ Từ khóa: Hiện tượng trượt ngang, lái,quỹ đạo, quay vòng, động học quay vịng ackermann, góc lăn lệch ABSTRACT For three axles trucks, because the wheels of the rear axles are not controlled during cornering, this truckswill be side slipped significantly affecting of the trajectory and increasing the load on the structure of the suspension system This problem is becoming more serious for some specialized trucks operating in airports, ports, warehouses… Due to frequent revolutions with a minimum radius, the wheels of the rear axles are subjected to very large lateral skidding which increases tire wear and damages the structure of the suspension The paper presents some research results evaluating the lateral slip of the rear wheels through the trajectory of the center of gravity of vehicle, determined by the simulation method ngang bánh xe cụm cầu sau quay vịng điều kiện khơng gian chật hẹp Tuy nhiên, kết thu từ tính tốn hình học lượng giác đơn giản chưa thể phản ảnh hết chất tượng trượt ngang bánh xe cầu sau hậu Để nghiên cứu cách đầy đủ tượng trượt ngang bánh xe cầu sau ô tô tải cầu, nghiên cứu sử dụng phương pháp mơ hình hóa mơ chuyển động tơ mơ hình phù hợp Một khó khăn lớn việc lựa chọn mơ hình tính tốn xác định thơng số đầu vào Do khơng có điều kiện thực nghiệm để xác định thông số đầu vào thiếu số liệu thực tế, tác giả lựa chọn mơ hình tính tốn đơn giản mơ hình vết (bicycle model) Các số liệu tính tốn lấy theo cơng trình cơng bố động lực học phương ngang tơ tải [2] MƠ HÌNH TÍNH TỐN Như trình bày đây, mơ hình tính tốn lựa chọn để nghiên cứu mơ hình vết Tuy nhiên, mơ hình thiết lập với nhiều biến thể khác tùy theo mục đích đối tượng nghiên cứu Đối với phương tiện có vận tốc chuyển động thấp (phù hợp với điều kiện vận hành đối tượng nghiên cứu), người ta thường sử dụng mơ hình tối giản mơ hình động học vết (Kinematic Bicycle Model) Keywords: Side slip, steering, trajectory, turning, Ackermann steering geometry, slip angle Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trung tâm Quản lý Ký túc xá, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: hoan.nguyentrong@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 01/12/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/12/2020 Ngày chấp nhận đăng: 26/02/2021 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong cơng trình cơng bố [1], tác giả nêu vấn đề tượng trượt ngang bánh xe cầu sau ô tơ tải cầu quay vịng hậu Trong đó, số kết tính tốn dựa lý thuyết quay vịng Ackermann trình bày nhằm đánh giá độ trượt Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Mơ hình động học vết Sơ đồ tính tốn động học mơ tả hình 1, vị trí trọng tâm xác định theo hệ tọa độ cố định X - Y Trên sơ đồ thể tâm quay vòng tức thời O, Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 59 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 khoảng cách từ trọng tâm tới tâm cầu trước lf, khoảng cách từ trọng tâm tới tâm cầu sau lr, góc quay bánh xe (góc lái) cầu trước cầu sau f r Véc tơ vận tốc ô tô trọng tâm V tạo với trục dọc xe góc với trục X góc β + ψ Hệ phương trình mơ tả chuyển động viết sau: (1) X V cos Y Vsin V cos tan f tan r lf lr (2) (3) Trong đó: l tan r lr tan f tan1 f (4) lf lr Đối với ô tơ có cầu trước dẫn hướng: δr = Hệ phương trình cho phép xác định trạng thái chuyển động trục dọc tơ Bài tốn giải với số liệu đầu vào vận tốc chuyển động V góc quay bánh xe dẫn hướng f Mơ hình động học vết quay vịng ô tô đơn giản phản ánh tương đối xác chuyển động quay vịng tơ vận tốc chuyển động nhỏ Mơ hình động lực học vết Khi tơ chuyển động quay vịng với vận tốc cao, phản lực ngang bánh xe tạo nên góc lăn lệch đủ lớn, nên để mô tả chuyển động cần sử dụng mô hình động lực học Trên hình mơ tả sơ đồ tính tốn động lực học quay vịng tơ tải với cầu sau không dẫn hướng Các bánh xe đặt trục dọc ô tô, nên lấy giá trị trung bình góc quay bánh xe cầu trước Trạng thái ô tô xác định thông qua hệ tọa độ x - y gắn thân xe góc quay thân xe Các thông số kết cấu thể hình Do lực ngang làm biến dạng bánh xe đàn hồi tạo nên góc lăn lệch, nên phương vận tốc bánh xe xác định góc f ri (i = 1,2) Góc lăn lệch bánh xe cầu trước tính theo cơng thức: (5) f f Nếu gọi góc lăn lệch động học bánh xe cầu sau (do thiết kế khơng tn thủ động học quay vịng Ackermann [1]) r1 (cầu giữa) r2 (cầu sau), góc lăn lệch bánh xe cầu sau tương ứng αr1 – θr1 αr2 – θr2 Hệ phương trình mơ tả chuyển động tơ viết sau: lf Fyf cos lf Fxf sin lr1Fyr1 lr2Fyr2 Iz (6) y Fyf cos Fxf sin Fyr1 Fyr2 Vx m (7) (8) Fyf sin Fxf cos Fxr1 Fxr2 Vy m Trong công thức trên, m khối lượng Iz mơ men qn tính so với trục z ô tô Với mục tiêu nghiên cứu chuyển động quay vịng tơ tải vận tốc thấp đường phẳng, nên lực cản khơng khí cản độ dốc bỏ qua Vì vậy, lực dọc hệ phương trình bao gồm lực kéo Pk cản lăn Pf: x Fxf fG1 (9) Fxr Fxr1 Fxr2 Pk fG2 (10) Trong đó: f - hệ số cản lăn; G1 - trọng lượng phân bố lên cầu trước; G2 - trọng lượng phân bố lên cụm cầu sau Việc xác định lực ngang hệ phương trình phức tạp nhiều so với lực dọc Do vận tốc khảo sát thấp lốp ô tô tải có độ cứng lớn, nên coi biến dạng lốp nhỏ chấp nhận giả thiết lực ngang tỷ lệ thuận với biến dạng lốp: Fyf 2C f f f (11) Fyr1 2Cr1 r1 r1 (12) Fyr2 2Cr2 r2 r2 (13) Trong công thức Cf Cri độ cứng góc tương ứng lốp trước sau Các góc xác định phương vận tốc bánh xe tính sau: Vy lf (14) tan f Vx tan r1 tan r2 Vy lr1 (15) Vx Vy lr2 (16) Vx Để xác định quỹ đạo chuyển động trọng tâm, ta sử dụng hệ tọa độ cố định X-Y: X Vx cos Vy sin (17) Y Vx sin Vy cos (18) KẾT QUẢ TÍNH TỐN KHẢO SÁT Hình Mơ hình động lực học vết Các tính tốn thực cho ô tô tải cầu trạng thái đầy tải Các số liệu tham khảo từ [2] cụ thể sau: m = 22400kg; lf = 3,59m; lr1 = 1,95m; lr2 = 3,26m; 60 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Cf = 292939N/rad; Cr1 = 233257N/rad; Cr2 = 233257N/rad Trong tính tốn, hệ số cản lăn chọn làf = 0,02, góc quay lớn bánh xe dẫn hướng δ = 40o Kết tính tốn mơ hình động học với vận tốc V = 10km/h góc quay bánh xe dẫn hướng 40, 30 200 thể hình kết nghiên cứu công bố [5] cho thấy kết luận tương tự Do mơ hình động lực học có kể đến biến dạng đàn hồi bánh xe tác dụng lực ngang, nên kết tính tốn cho quỹ đạo chuyển động với bán kính lớn Hình So sánh quỹ đạo trọng tâm tơ tính theo mơ hình động học (nét đứt) động lực học (nét liền), V = 10km/h, r1 = r2 = Hình Quỹ đạo trọng tâm tơ tính theo mơ hình động học, V = 10m/h Với vận tốc góc quay bánh xe dẫn hướng không đổi, quỹ đạo chuyển động trọng tâm tơ đường trịn với bán kính giảm dần theo góc lái Các kết tính tốn cho hai trường hợp: bỏ qua góc lăn lệch động học bánh xe cụm cầu sau (αr1 = αr2 = 0) có kể đến góc (bảng 1) thể đồ thị hình Để tính tốn theo mơ hình động lực học, số liệu góc lăn lệch bánh xe cầu sau lấy từ [1] thống kê bảng Trong đó, góc lái tính trung bình từ góc quay bánh trước, góc lăn lệch bánh xe cầu sau αr2 = -αr1 Bảng Quan hệ góc lái góc lăn lệch [1] Góc lái δ (độ) Góc lăn lệch αr1 (độ) 0,2 5,92 0,61 9,78 1,02 15,45 1,63 21 2,27 24,64 2,71 30,05 3,42 35,39 4,21 40,69 5,11 Hình So sánh quỹ đạo trọng tâm tơ tính theo mơ hình động lực học khơng kể đến góc lăn lệch (nét liền) khơng kể đến góc lăn lệch (nét đứt) Để đánh giá độ lệch quỹ đạo, nghiên cứu sử dụng hệ số , định nghĩa sau: Ymax Ymax S (19) Kết tính tốn theo mơ hình động học động lực học thể đồ thị hình Các kết chưa tính đến góc lăn lệch sai động học quay vịng (δr2 = δr1= 0) Trong cơng thức trên, Ymax, giá trị cực đại đạt khơng tính đến góc lăn lệch động họcαr2 = αr1 = 0, Y’max giá trị cực đại đạt khiαr2, αr1lấy theo bảng 1, S quãng đường tương ứng Có thể thấy rằng, việc tính tốn theo mơ hình động học cho quỹ đạo chuyển động với bán kính quay vịng nhỏ so với mơ hình động lực học Các kết tính tốn cho giá trị ri thể đồ thị hình Có thể thấy độ lệch quỹ đạo tăng mạnh theo góc quay bánh xe dẫn hướng Cụ thể, δ = 2o λ ≈ 0,017, góc lái đạt giá trị tối đa δ = 40,69o λ ≈ 0,03 Cụ thể, góc lái 400 sai lệch bán kính quay vịng tính theo hai phương pháp 0,414m (khoảng 2,6%) Các Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 61 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Trong điều kiện xe thường xuyên vận hành với góc quay lớn điều gia tăng góc lăn lệch động học bánh xe cụm cầu sau (hình 6), gây nên hậu trực tiếp lốp sau kết cấu hệ thống treo sau nhanh mịn Hình Độ lệch quỹ đạo trọng tâm tơ góc lăn lệch động học bánh sau KẾT LUẬN Các kết đưa sở khoa học giải thích tượng mịn lốp bất thường số loại xe chuyên dụng điều kiện sử dụng đặc thù Mặc dù mô hình nghiên cứu cịn đơn giản, chưa kể đến ảnh hưởng độ trượt đến lực tương tác bánh xe, với vận tốc khảo sát không lớn (phù hợp với điều kiện hoạt động xe chun dụng), kết tính tốn khảo sát coi đáng tin cậy P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trọng Hoan, Lê Anh Tuấn, 2019 Nghiên cứu tượng trượt ngang bánh xe cụm cầu sau ô tô chuyên dùng quay vịng Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 12, trang 58-63 [2] Seungyong Lee, Kimihiko Nakano, Masanori Ohori,2013 Identification of Yaw Moment of Inertia of a Truck during Travelling 7th IFAC Symposium on Advances in Automotive Control The International Federation of Automatic Control September 4-7, Tokyo, Japan [3] M.M Topaỗ, A Kaplan, B Kuleli, U Deryal, 2017 Design of a multi-axle steering mechanism for a special purpose vehicle: kinematic design and optimization Conference Paper, October 2017 [4] Dainis Berjoza, 2008 Research in kinematics of turn for vehicles and semitrailers Engineering for Rural Devlopment Jelgava [5] Jason Kong, Mark Pfeiffer, Georg Schildbach, Francesco Borrelli, 2015 Kinematic and Dynamic Vehicle Models for Autonomous Driving Control Design 2015 IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV) [6] Martin Mondek, Martin Hromcık, 2017 Linear analysis of lateral vehicle dynamics 21st International Conference on Process Control (PC)June 6–9, Štrbské Pleso, Slovakia Các kết nghiên cứu cho thấy, ô tô tải thiết kế chế tạo từ xe sở có cầu (6 x 4), hoạt động chủ yếu đường quốc lộ cao tốc, góc lái thường nhỏ, nên ảnh hưởng góc lăn lệch động học bánh sau gần không lộ rõ Nhưng ô tô chuyên dụng thiết kế xe sở trên, hoạt động sân bay, kho bãi, bến cảng,… có cung đường ngắn, góc lái cực đại thường xuyên sử dụng để vào cua ngặt quay đầu Hệ nghiêm trọng hơn, tải trọng phân bố nhiều lên cầu sau đặc thù xe chuyên dụng AUTHORS INFORMATION Nguyen Trong Hoan1, Tran Phuc Hoa2 School of Transportation Engineering, Hanoi University of Science and Technology Center for Dormitory Management, Hanoi University of Industry Những kết luận tài liệu tham khảo bổ ích cho nhà thiết kế sản xuất ô tô tải chuyên dụng sát xi xe tải cầu (hoặc nhiều hơn) 62 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... chuyển động nhỏ Mơ hình động lực học vết Khi ô tô chuyển động quay vòng với vận tốc cao, phản lực ngang bánh xe tạo nên góc lăn lệch đủ lớn, nên để mơ tả chuyển động cần sử dụng mơ hình động lực học. .. tính tốn động lực học quay vịng tơ tải với cầu sau không dẫn hướng Các bánh xe đặt trục dọc ô tô, nên lấy giá trị trung bình góc quay bánh xe cầu trước Trạng thái ô tô xác định thông qua hệ... hình động học động lực học thể đồ thị hình Các kết chưa tính đến góc lăn lệch sai động học quay vòng (δr2 = δr1= 0) Trong công thức trên, Ymax, giá trị cực đại đạt khơng tính đến góc lăn lệch động