Nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống ổn định hướng chuyển động của ô tô bằng phần mềm matlab simulink

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THẾ HOÀNG NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THẾ HỒNG NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK Ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Hữu Việt HÀ NỘI - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà nội, 29 tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Thế Hoàng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 15 1.1 Tính điều khiển vấn đề ổn định hướng chuyển động ôtô 15 1.2 Một số nghiên cứu nước 17 CHƯƠNG 2: QUAN HỆ VẬT LÝ CỦA BÁNH XE ĐÀN HỒI VỚI MẶT ĐƯỜNG 18 2.1 Bán kính bánh xe tĩnh – bán kính bánh xe động 18 2.2 Góc lệch bên mơ men đàn hồi bánh xe chịu lực bên 19 2.3 Sự trượt bánh xe 21 2.3.1 Sự trượt dọc bánh xe chủ động 21 2.3.2 Sự trượt dọc bánh xe bị phanh 22 2.3.3 Sự trượt bên bánh xe 23 2.4 Lực bám hệ số bám bánh xe chủ động với mặt đường 23 2.5 Cơ sở lý luận ổn định bánh xe phanh 25 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 27 3.1 Quan hệ động học ôtô mơ hình phẳng 27 3.2 Bán kính quay vịng lý tưởng 30 3.3 Ảnh hưởng độ đàn hồi lốp đến tính quay vịng ơtơ 33 3.4 Nguyên lý ổn định hướng chuyển động ơtơ quay vịng 35 3.4.1 Hệ thống ổn định hướng chuyển động tự động phát trạng thái quay vòng nguy hiểm 35 3.4.2 Hệ thống ổn định hướng chuyển động điều khiển phanh, mô men truyền từ động đến bánh xe chủ động 36 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN LỰC VÀ MƠ MEN TÁC DỤNG TRONG VẾT BÁNH XE ÔTÔ 37 4.1 Mơ hình động lực học ôtô không gian 37 4.2 Phương trình quay vịng tồn xe 39 4.3 Mơ hình hệ thống lái 41 4.4 Quan hệ động lực học bánh xe trạng thái làm việc 41 4.5 Phương trình cân mơ men quay bánh xe 44 4.8 Mô trình làm việc hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động 52 4.9 Thông số xe khảo sát 52 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK TRONG MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ 55 5.1 Giới thiệu Matlab – Simulink 55 5.2 Phương pháp giải toán 57 5.3 Chương trình mô 58 5.4 Các trường hợp khảo sát 61 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 64 6.1 Kết chương trình mơ 64 6.1.1 Kết mô xe không sử dụng VSC (vo = 60 km/h) 64 6.1.2 Kết mô xe không sử dụng VSC (vo = 80 km/h) 68 6.1.3 Kết mơ xe có sử dụng VSC (vo = 60 km/h) 72 6.1.4 Kết mơ xe có sử dụng VSC (vo = 80 km/h) 76 6.1.5 Quỹ đạo chuyển động xe (vo=60 km/h vo=80 km/h) 80 6.1.6 Nhận xét kết 81 6.2 Hướng phát triển đề tài 83 KẾT LUẬN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu ABS VSC ECU-VSC Giải thích Trang (Anti lock Brake System) Hệ thống chống bó cứng 9, 13 bánh xe phanh (Vehicle Stability Control) Hệ thống ổn định hướng chuyển động Bộ điều khiển điện tử hệ thống ổn định hướng 31; 32 chuyển động DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Nội dung Trang 4.1 Bảng thông số kết cấu xe 49; 50 5.1 Bảng tính tốn điều kiện kiện ban đầu (t=0s) 56; 57 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Giải thích Sơ đồ quan hệ “Lái xe – Ơtơ – Mơi trường – Quỹ đạo chuyển động” Trang 15 2.1 Cấu tạo bánh xe 18 2.2 Bán kính tĩnh (a), bán kính động (b) 18 Sự thay đổi vết tiếp xúc mối quan hệ động học, động 2.3 lực học bánh xe vk  (a) vk  (b) 20 2.4 Dấu chiều  k , Sk , M sk 21 2.5 Bánh xe chủ động  * rk  xk 22 2.6 Bánh xe bị phanh  * rk  xk 22 2.7 Ngoại lực tác dụng lên bánh xe chủ động 23 2.8 Trạng thái trượt bánh xe chủ động 24 Ảnh hưởng độ trượt đến hệ số bám dọc  x hệ số bám 2.9 3.1 3.2 3.3 ngang  y Quan hệ động học ơtơ mơ hình phẳng tổng quát Sơ đồ động học quay vòng lý tưởng ơtơ có cầu trước dẫn hướng mơ hình vết bánh xe Sơ đồ động học quay vòng lý tưởng ơtơ có cầu trước dẫn hướng mơ hình vết bánh xe 25 27 31 31 3.4 Các trạng thái quay vòng xe 34 3.5 Hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động ôtô 36 4.1 Mô hình động lực học ơtơ 37 4.2 Sơ đồ phân tích lực mơ hình phẳng 40 4.3 Quan hệ động học mơ hình hai vết 42 4.4 Quan hệ động học vi sai 44 4.5 Sự phân bố tải trọng thẳng đứng 46 4.6 Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng bánh xe 49 4.7 4.8 Sơ đồ tính tốn lực mơ men tác dụng vết với bánh xe chủ động Sơ đồ tính tốn lực mơ men tác dụng vết với bánh xe bị phanh 50 51 5.1 Sơ đồ logic tổng qt mơ hình tính tốn 56 5.2 Sơ đồ logic chương trình mơ 58 5.3 Chương trình mơ hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô 59 5.4 Sơ đồ điều khiển mô men chủ động bánh xe 60 5.5 Sơ đồ điều khiển mô men phanh hai bánh sau 60 5.6 Hàm điều khiển bánh xe dẫn hướng 62 5.7 Hàm điều khiển mô men bánh xe chủ động 63 Đồ thị độ trượt bánh xe soi (t ) (xe không sử dụng VSC 64 6.1 vo = 60 km/h) Gia tốc tiếp tuyến trọng tâm xe v (t ) (m/s2) (xe không sử 6.2 65 dụng VSC vo = 60 km/h) Gia tốc hướng tâm trọng tâm xe y (t ) (m/s2) (xe không sử 6.3 65 dụng VSC vo = 60 km/h) Vận tốc trọng tâm xe v (t ) (m/s) (xe không sử dụng VSC 6.4 65 vo = 60 km/h) 6.5 Góc lệch bên thân xe  (t ) (rad) (xe không sử dụng VSC vo = 66 60 km/h) 6.6  (t ) (rad/s) (xe không sử dụng VSC vo = 60 km/h) 66 72 6.1.3 Kết mơ xe có sử dụng VSC (vo = 60 km/h) so1 t(s) so2 t(s) so3 t(s) so4 t(s) Hình 6.19: Đồ thị độ trượt bánh xe soi (t ) ( xe có sử dụng VSC vo = 60 km/h) 73 Hình 6.20: Gia tốc tiếp tuyến trọng tâm xe v (t ) (m/s2) soi (t ) ( xe có sử dụng VSC vo = 60 km/h) Hình 6.21: Gia tốc hướng tâm trọng tâm xe y (t ) (m/s2) soi (t ) ( xe có sử dụng VSC vo = 60 km/h) Hình 6.22: Vận tốc trọng tâm xe v (t ) (m/s) soi (t ) ( xe có sử dụng VSC vo = 60 km/h) 74 Hình 6.23: Góc lệch bên thân xe  (t ) (rad) soi (t ) ( xe có sử dụng VSC vo = 60 km/h) Hình 6.24:  (t ) (rad/s) soi (t ) ( xe có sử dụng VSC vo = 60 km/h) Hình 6.25: Vận tốc quay thân xe  (t ) (rad/s) soi (t ) ( xe có sử dụng VSC vo = 60 km/h) 75 Hình 6.26: Góc quay thân xe  (t ) (rad) soi (t ) ( xe có sử dụng VSC vo = 60 km/h) Hình 6.27: Sai lệch bán kính quay R(t )  R(t )  Ri (t ) (m) soi (t ) ( xe có sử dụng VSC vo = 60 km/h) 76 6.1.4 Kết mơ xe có sử dụng VSC (vo = 80 km/h) so1 t(s) so2 t(s) so3 t(s) so4 t(s) Hình 6.28: Đồ thị độ trượt bánh xe soi (t ) (xe có sử dụng VSC vo = 80 km/h) 77 Hình 6.29: Gia tốc tiếp tuyến trọng tâm xe v (t ) (m/s2) (xe có sử dụng VSC vo = 80 km/h) Hình 6.30: Gia tốc hướng tâm trọng tâm xe y (t ) (m/s2) (xe có sử dụng VSC vo = 80 km/h) Hình 6.31: Vận tốc trọng tâm xe v (t ) (m/s) (xe có sử dụng VSC vo = 80 km/h) 78 Hình 6.32: Góc lệch bên thân xe  (t ) (rad) (xe có sử dụng VSC vo = 80 km/h) Hình 6.33:  (t ) (rad/s) (xe có sử dụng VSC vo = 80 km/h) Hình 6.34: Vận tốc quay thân xe  (t ) (rad/s) (xe có sử dụng VSC vo = 80 km/h) 79 Hình 6.35: Góc quay thân xe  (t ) (rad) (xe có sử dụng VSC vo = 80 km/h) Hình 6.36: Sai lệch bán kính quay R(t )  R(t )  Ri (t ) (m) (xe có sử dụng VSC vo = 80 km/h) 80 6.1.5 Quỹ đạo chuyển động xe (vo=60 km/h vo=80 km/h) Hình 6.37: Quỹ đạo chuyển động xe (vo=60 km/h) Hình 6.38: Quỹ đạo chuyển động xe (vo=80 km/h) 81 6.1.6 Nhận xét kết Độ trượt bánh xe (hình 6.1; 6.10; 6.19; 6.28) Ban đầu, so1  so2 so1 ; so2  cặp bánh trước chủ động Độ đàn hồi lốp gây nên độ trễ dao động Trường hợp khơng có VSC, độ trượt bánh phía sau biến động tự Trường hợp có VSC, xe rơi vào trạng thái quay vịng thiếu Do đó, VSC phanh bánh sau phía bên để tạo mơ men phụ làm xoay thân Độ trượt bánh (so3) trì mức giá trị tối ưu Gia tốc tiếp tuyến v (t ) (hình 6.2; 6.11; 6.20; 6.29) Ở trường hợp, ban đầu gia tốc tiếp tuyến v (t ) giảm Điều chứng tỏ mô men chủ động truyền cho bánh trước khơng thắng lực cản Vì vậy, muốn tăng tốc, người lái đạp thêm ga, tăng mô men chủ động (hình 5.7) Khi quay vịng, gia tốc tiếp tuyến xe có VSC biến động mạnh trường hợp khơng có VSC Hiện tượng VSC tự động phanh bánh sau Gia tốc hướng tâm y (t ) (hình 6.3; 6.12; 6.21; 6.30) Gia tốc hướng tâm xe có VSC cao gia tốc hướng tâm xe khơng có VSC Nhưng tất tình huống, gia tốc nhỏ gia tốc giới hạn (0,85.g ) Trường hợp khơng có VSC, gia tốc hướng tâm tăng, đạt giá trị lớn giây thứ Sau đó, dao động dần ổn định Trường hợp có VSC, gia tốc hướng tâm tăng, đạt lớn giây thứ 5, dao động với biên độ nhỏ có xu hướng ổn định Vận tốc trọng tâm xe v (t ) (hình 6.4; 6.13; 6.22; 6.31) 82 Trường hợp khơng có VSC, mơ men truyền cho bánh xe chủ động ổn định từ giây thứ (hình 5.7) vận tốc trọng tâm xe tăng Nói cách khác, tài xế giữ nguyên chân ga vào cua, xe tăng tốc Trường hợp có VSC, vận tốc trọng tâm thay đổi mạnh thấp vận tốc trường hợp xe VSC Bởi q trình phanh làm động xe Góc lệch bên thân xe  (t ) (hình 6.5; 6.14; 6.23; 6.32),  (t ) (hình 6.6; 6.15; 6.24; 6.33) Góc lệch bên thân xe  (t ) đại diện cho góc lệch bên tất bánh xe Từ đồ thị ta thấy, xe chạy nhanh, góc lệch thân xe lớn Trường hợp khơng có VSC, đồ thị  (t )  (t ) đồng dạng với đồ thị gia tốc hướng tâm y (t ) Kết hợp đồ thị v (t ) (hình 6.4; 6.13; 6.22; 6.31) đồ thị  (t ) (hình 6.7; 6.16; 6.25; 6.34) ta rút nhận xét: gia tốc hướng tâm chịu ảnh hưởng lớn từ góc lệch bên bánh xe Sai lệch bán kính quay R(t )  Rlt (t )  Ri (t ) (hình 6.9; 6.18; 6.27; 6.36) Các đồ thị cho thấy: xe chạy tốc độ cao sai lệch bán kính lớn Nói cách khác, xe chạy tốc độ cao, hệ thống ổn định hướng chuyển động xe trở nên quan trọng Trường hợp khơng có VSC, sau R đạt giá trị nhỏ nhất, bắt đầu tăng dần Xe có xu hướng lệch khỏi quỹ đạo mong muốn người lái Điều hoàn toàn phù hợp với tượng thực tế Xe chạy tốc độ cao bị văng khỏi đường Trường hợp có VSC, R giảm dần, trì mức ổn định Kết mô cho thấy: hệ thống VSC chương trình mơ đạt mục tiêu làm giảm ảnh hưởng góc lệch bên bánh xe tới q trình 83 quay vịng Nhận xét khẳng định rõ thêm đồ thị mơ tả quỹ đạo chuyển động xe (hình 6.37 6.38) 6.2 Hướng phát triển đề tài Mô hình mơ dừng lại mơ hình vết bánh xe có kể đến chiều cao trọng tâm xe Kết mô phù hợp với tượng diễn thực tế Tuy nhiên, để kết sát với thực tế cần bổ sung vào mơ hình yếu tố ảnh hưởng: lực cản gió; độ dốc mặt đường; độ bám bánh xe khác nhau; chiều cao trọng tâm xe thay đổi tác động hệ thống treo, đặc tính động thay đổi theo tốc độ quay… Mơ hình sau hồn thiện ứng dụng nghiên cứu lý thuyết về: - Quỹ đạo chuyển động, trạng thái động học, động lực học - Xác định trạng thái chuyển động nguy hiểm xe - Với mơ hình này, người nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng độc lập yếu tố tới trạng thái chuyển động xe 84 KẾT LUẬN Với mục tiêu nghiên cứu, mô phỏng, khảo sát hệ thống ổn định hướng chuyển động ôtô, luận văn đạt số ý nghĩa khoa học thực tiễn định Đề tài tìm hiểu sở lý luận điều khiển hệ thống ổn định hướng chuyển động xe Những hiểu biết đề tài giúp tác giả làm quen với nguyên lý điều khiển thực tế xe xây dựng tiền đề cho hướng nghiên cứu Đề tài nghiên cứu, phân tích cụ thể mối quan hệ động học, động lực học lốp xe với mặt đường, bánh xe với với khung xe Từ khái qt hóa thành phương trình tốn học Việc ứng dụng phần mềm Matlab Simulink với phương giải Runge Kutta thuận lợi Điều cho phép mô hình xây dựng khảo sát q trình chuyển động xe có điều chỉnh Việc lựa chọn số liệu tính tốn cho ơtơ dựa cơng bố Viên nghiên cứu an tồn giao thông Mỹ - 1993 Bộ số liệu thiết lập sở thực nghiệm trình tính tốn, đề tài khơng gặp nhiều khó khăn đưa kết tương thích với nhiệm vụ đặt Việc khảo sát với phương án có khơng có hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động vận tốc cao cho kết tương thích với thực tế Qua khẳng định mơ hình tốn mơ tả quỹ đạo chuyển động tồn xe mơ hình bánh xe chấp nhận Chương trình mơ hệ thống ổn định hướng chuyển động xe luận văn làm sở cho nghiên cứu khác Kết mô cho thấy ảnh hưởng rõ dệt từ góc lệch bên bánh xe đến quỹ đạo quay vịng xe Đồng thời, cho thấy vai trò quan trọng hệ thống ổn định hướng chuyển động xe chạy tốc độ cao Sai lệch bán kính quay vịng lý tưởng bán kính quỹ đạo chuyển động 85 trường hợp có VSC nhỏ trường hợp khơng có VSC Nói cách khác, hệ thống ổn định hướng chuyển động xe làm giảm ảnh hưởng tiêu cực tính đàn hồi lốp gây Đề tài tài liệu tham khảo nghiên cứu trình chuyển động ơtơ Để hồn thiện nội dung cần tiếp tục xem xét tới ảnh hưởng yếu tố khác Đề tài mở rộng theo hướng bố trí hệ thống VSC bánh xe, kết hợp VSC với hệ thống treo để hình thành hệ thống chống lật xe… Trong trình học tập làm đề tài, với nỗ lực thân hỗ trợ tạo điều kiện Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, thầy Bộ môn Máy Thiết bị mỏ, Khoa Cơ – Điện, Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất, đề tài hoàn thành thời gian nhiệm vụ ban đầu Đặc biệt, tác giả gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Hữu Việt trực tiếp bảo hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng (2005), Lý thuyết ôtô máy kéo, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội Nguyễn Văn Hòa (2006), Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2008), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Khắc Trai (1997), Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động ôtô, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội Reza N Jazar (2008), Vehicle Dynamics: Theory and applications, Nxb Springer, New York – USA H Dugoff, P Fancher, L Segen, An Analysis of Tire Traction Properties and Theeir Influence on vehicle Dynamic Performance – SAE paper 700377 ... tốc dài ? ?tô 27 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 3.1 Quan hệ động học ? ?tô mô hình phẳng Ơtơ phân chia thành ? ?tô hai; ba; nhiều cầu; ? ?tô bán mooc; ? ?tô kéo mooc Chiếm số lượng lớn ? ?tô hai cầu... HOÀNG NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK Ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG... tác giả lựa chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu, xây dựng mơ hình hệ thống ổn định hướng chuyển động ? ?tô phần mềm MATLAB SIMULINK? ?? Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Chuyển động ơtơ đường nhiều trạng