(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, khảo sát độ cứng ngang của lốp khi quay vòng đối với ô tô 4 bánh dẫn hướng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM VIỆT HƯNG NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT ĐỘ CỨNG NGANG CỦA LỐP KHI QUAY VỊNG ĐỐI VỚI Ơ TƠ BÁNH DẪN HƯỚNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520103 S KC006333 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM VIỆT HƯNG NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT ĐỘ CỨNG NGANG CỦA LỐP KHI QUAY VÒNG ĐỐI VỚI Ô TÔ BÁNH DẪN HƯỚNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC GVHD: TS NGUYỄN KHẮC HUÂN Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2019 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 13 1.1 Tính điều khiển an tồn giao thông 13 1.1.1 Tính điều khiển tơ 13 1.1.2 An toàn giao thông quỹ đạo chuyển động 14 1.2.1 Hệ thống lái tích cực 16 1.2.2 Hệ thống cân điện tử 20 1.2.3 Hệ thống lái bánh dẫn hướng 24 1.3 Hệ thống lái bánh dẫn hướng (4WS ) 24 1.3.1 Cấu tạo hệ thống lái 4WS 25 1.3.2 Các trạng thái chuyển động xe có hệ thống lái 4WS 31 1.4 Các nghiên cứu nước liên quan đến hệ thống lái 4WS 32 1.5 Mục tiêu, đối tượng phương pháp nghiên cứu đề tài 34 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu đề tài: 34 1.5.2 Đối tượng nghiên cứu: 34 1.5.3 Phương pháp nghiên cứu 34 1.6 Kết luận chương 35 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ơ TÔ BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG 36 2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình 36 2.1.1 Phương trình Lagrange loại II 36 2.1.2 Nguyên lý Dalambe 37 2.2 Các mơ hình nghiên cứu quỹ đạo chuyển động tơ 38 2.2.1 Mơ hình chuyển động tổng quát ô tô 38 2.2.2 Mơ hình vết 40 2.2.3 Mơ hình hai vết 41 2.2.4 Mơ hình động lực học bánh xe 43 2.2.5 Mơ hình hệ thống lái 43 2.3 Mô hình động lực học bánh xe chủ động 44 2.4 Mơ hình đổi hướng chuyển động vết ô tô 4WS 49 2.4.1 Giả thiết xây dựng mơ hình 49 2.4.2 Xây dựng mơ hình tốn 51 2.5 Mơ hình đổi hướng chuyển động hai vết ô tô 4WS 54 2.5.1 Các giả thiết xây dựng mô hình 54 2.5.2 Quan hệ động học bánh xe dẫn hướng 54 2.5.3 Xây dựng mơ hình tốn học 56 2.6 Kết luận chương 59 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG 61 3.1 Mục tiêu, đối tượng điều kiện khảo sát 61 3.1.1 Mục tiêu khảo sát 61 3.1.2 Đối tượng khảo sát 61 3.1.3 Điều kiện khảo sát 62 3.2 Xây dựng mơ hình mơ phần mềm Matlab-Simulink 62 3.2.1 Giới thiệu phần mềm 62 3.2.2 Xây dựng mô hình mơ phần mềm Matlab/Simulink 64 3.2.3 Mô quỹ đạo chuyển động ô tô 66 3.3 Khảo sát ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô với hệ thống lái 4WS 71 3.3.1 Trường hợp quay vòng với bán kính khơng đổi 71 3.3.2 Khi tơ quay vịng gấp 76 3.3.3 Trường hợp chuyển 80 3.4 Kết luận chương 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO NGOÀI NƯỚC 88 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu tơi Những nội dung trình bày luận văn tơi thực với hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Khắc Huân Nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với tên đề tài đăng ký phê duyệt Hiệu trưởng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Các số liệu, kết luận văn trung thực Tp HCM, ngày tháng 08 năm 2019 Người cam đoan KS Phạm Việt Hưng LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành TS Nguyễn Khắc Huân (Trường Sĩ quan Công binh – Bộ tư lệnh Công Binh) thầy Khoa tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cho tơi suốt q trình học tập, đóng góp nhiều ý kiến khoa học trình nghiên cứu, xây dựng hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn tập thể thầy giáo, cô giáo môn Cơ khí Động lực Trường Đại học SPKT TP.HCM giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho hồn thành nhiệm vụ đề tài Cuối cùng, Tơi xin trân trọng cảm ơn người thân gia đình, bạn bè động viên hỗ trợ trình thực luận văn Mặc dù cố gắng khó khăn tài liệu, thiết bị thực hành, thời gian nghiên cứu khả hạn chế thân luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo, giáo bạn bè đồng nghiệp để luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn ! Tp HCM, ngày tháng 08 năm 2019 Tác giả luận văn KS Phạm Việt Hưng DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu OX0Y0 Z0 H CXYZ H G G f G r G F xf L yf L xr L yr L lt l zr (f) P ax l ay l F F F F F F F x G y x = v0 G V y V v R V B la K l2 K c l d K B Ký hiệu M J bf ( r ) b M Jv M yf ( r ) ô M V mv K g L G C Cαi Đ CN H Sx D m H T rb T B G C F H F Đ F đ C C C f(r) Cy đ Đ s 3.3.2 Khi tơ quay vịng gấp 3.3.2.1 Độ cứng ngang lốp trước nhỏ so với thông số tiêu chuẩn, bánh sau khơng điều khiển Khi quay vịng gấp, góc quay bánh xe dẫn hướng trước (hình 3.9) Trường hợp với độ cứng ngang lốp trước nhỏ độ cứng ngang thông số tiêu chuẩn ( = = 0,3 ), quỹ đạo chuyển động ô tơ (hình 3.19) Trường hợp độ cứng ngang nhỏ, góc cua hẹp (góc tạo hướng chuyển động với trục OXo khoảng 270 ) so với trường hợp độ cứng ngang lốp tiêu chuẩn (khoảng 400 ), bán kính quay vịng lớn (quay vịng thiếu) Dẫn tới an toàn chuyển động sai lệch đường Độ sai lệch quỹ đạo lớn theo phương OYo khoảng 15 m Hình 19 Quỹ đạo chuyển động tơ quay vịng gấp 3.3.2.2 Độ cứng ngang lốp trước nhỏ so với thông số tiêu chuẩn, bánh sau điều khiển Khi ô tô chuyển động, với độ cứng ngang lốp trước nhỏ độ cứng tiêu chuẩn, để đảm bảo ổn định quỹ đạo chuyển động theo mong muốn, ta điều chỉnh hệ số k Trong trường hợp điều chỉnh k = 0,83 Khi bánh xe dẫn hướng phía sau điều khiển quay chiều với bánh xe dẫn hướng phía trước Góc quay bánh xe dẫn hướng số khoảng 4, 60 , góc quay bánh xe dẫn hướng số khoảng 4, 40 (hình 3.23) Hình 23 Góc quay bánh xe dẫn hướng phía sau quay vịng gấp Quỹ đạo chuyển động quay vịng gấp tơ giảm độ cứng lốp sau (hình 3.24): Đường số ứng với quỹ đạo chuyển động ô tô quay vịng gấp với thơng số lốp tiêu chuẩn; Đường số ứng với quỹ đạo chuyển động ô tơ quay vịng gấp với độ cứng ngang lốp sau giảm ( = = 0,3 ), bánh sau không điều khiển; Đường số ứng với quỹ đạo chuyển động tơ quay vịng gấp với độ cứng ngang lốp sau giảm ( = = 0,3 ), bánh sau điều khiển 79 Hình 24 Quỹ đạo chuyển động quay vòng gấp ô tô Khi điều khiển bánh xe quay chiều với bánh xe trước, với hệ số k = 0,83, quỹ đạo chuyển động xe gần sát với quỹ đạo ô tô trường hợp thông số lốp tiêu chuẩn Độ lệch quỹ đạo lớn khoảng 0,4m Như vậy, dù có sai lệch tương đối lớn độ cứng lốp trước lốp sau, việc điều khiển bánh xe sau dẫn hướng giúp ô tơ chuyển động quay vịng gấp với độ ổn định quỹ đạo cao 3.3.3 Trường hợp chuyển 3.3.3.1 Trường hợp độ cứng ngang lốp trước nhỏ so với thông số tiêu chuẩn, bánh sau không điều khiển Khi xe chuyển đường với góc quay bánh xe dẫn hướng (hình 3.7) Khi độ cứng ngang lốp trước nhỏ thông số tiêu chuẩn ( = = 0,3 ), quỹ đạo chuyển động xe thể (hình 3.25) 80 Hình 25 Quỹ đạo chuyển động ô tô chuyển độ cứng lốp trước nhỏ thơng số tiêu chuẩn Trên (hình 3.25): Đường số ứng với quỹ đạo chuyển động xe chuyển với thông số lốp tiêu chuẩn; Đường số ứng với quỹ đạo chuyển động xe chuyển với độ cứng lốp trước giảm Khi độ cứng lốp trước nhỏ, xe không quỹ đạo, bán kính quay vịng lớn, hành lang chuyển nhỏ (khoảng 1,7m) Do xe chuyển động ý muốn người lái Độ lệch quỹ đạo chuyển khoảng 1m Để đảm bảo quỹ đạo chuyển động đường phải điều khiển bánh xe phía sau 3.3.1.2 Trường hợp độ cứng ngang lốp trước nhỏ so với thông số tiêu chuẩn, bánh sau điều khiển Để ổn định chuyển động theo quỹ đạo, độ cứng ngang lốp trước giảm, ta phải điều chỉnh hệ số k < Khi bán kính quay vịng nhỏ, bánh xe dẫn hướng phía sau điều khiển quay ngược chiều với chiều quay bánh xe dẫn hướng phía trước 81 Điều chỉnh k= - 0,32, bánh xe dẫn hướng phía sau quay góc ngược chiều với bánh dẫn hướng phía trước khoảng 0,90 (hình 3.26) Hình 26 Góc quay bánh xe dẫn hướng phía sau chuyển đường Khi quỹ đạo chuyển động xe (hình 3.27), đường số ứng với quỹ đạo chuyển xe với thông số lốp tiêu chuẩn; Đường số ứng với quỹ đạo chuyển xe với độ cứng ngang lốp trước giảm, bánh sau không điều khiển; Đường số ứng với quỹ đạo chuyển xe với độ cứng ngang lốp sau giảm, bánh sau điều khiển Hình 27 Quỹ đạo chuyển động xe chuyển có điều khiển bánh xe dẫn hướng sau 82 Khi bánh sau điều khiển quay ngược chiều với bánh xe trước, hành lang chuyển xe tăng (khoảng 2,5 m), sai lệch lớn khoảng 0,2m so với chuyển với thông số độ cứng ngang lốp tiêu chuẩn Như với việc điều chỉnh bánh xe phía sau quay dẫn hướng (k= - 0,32), quỹ đạo chuyển động xe chuyển với độ cứng ngang lốp trước giảm gần chuyển với thông số độ cứng ngang lốp tiêu chuẩn 3.3.1.3 Trường hợp độ cứng ngang lốp sau nhỏ so với thông số tiêu chuẩn, bánh sau không điều khiển 0,5 ; Khi xe chuyển với góc quay bánh xe dẫn hướng phía trước (hình 3.7) Xét trường hợp chuyển với độ cứng ngang lốp sau nhỏ thông số tiêu chuẩn: = 0,5 = Hình 28 Quỹ đạo chuyển động xe chuyển Quỹ đạo chuyển động ô tơ chuyển (hình 3.27): Đường số ứng với trường hợp xe chuyển với thông số độ cứng ngang lốp tiêu chuẩn; Đường số ứng với trường hợp xe chuyển với độ cứng ngang lốp sau giảm so với thông số tiêu chuẩn Khi xe chuyển động với hành lang chuyển lớn (khoảng 3,3m) không so với thông số tiêu chuẩn (lệch khoảng 0,6m) Do để đảm bảo hướng chuyển động phải điều chỉnh góc quay bánh xe sau 83 3.3.1.4 Trường hợp độ cứng ngang lốp sau nhỏ so với thông số tiêu chuẩn, bánh sau điều khiển Khi độ cứng ngang lốp sau nhỏ, để ổn định hướng chuyển động, ta điều chỉnh bánh xe dẫn hướng phía sau cách điều chỉnh hệ số k > (tăng bán kính quay vịng) Khi bánh xe phía sau quay chiều quay bánh xe dẫn hướng phía trước Trong trường hợp ta điều chỉnh k = 0,2 Khi bánh xe phía sau quay góc khoảng 0,34 độ (hình 3.29) Khi quỹ đạo chuyển động tơ chuyển (hình 3.30) Hình 29 Góc quay bánh xe dẫn hướng sau Hình 30 Quỹ đạo chuyển động ô tô chuyển 84 Trên (hình 3.30): Đường số ứng với quỹ đạo chuyển động xe với thống số lốp tiêu chuẩn; Đường số ứng với quỹ đạo chuyển động xe với thông số độ cứng ngang lốp sau giảm, bánh sau không điều khiển; Đường số ứng với quỹ đạo chuyển động xe với thông số độ cứng ngang lốp sau giảm, bánh sau điều khiển Khi bánh sau điều khiển quay chiều với bánh xe phía trước, hành lang chuyển giảm (2,8m), sai lệch lớn so với trường hợp thông số lốp tiêu chuẩn khoảng 0,1m Như với việc điều chỉnh góc quay bánh xe phía sau dẫn hướng, quỹ đạo chuyển động ô tô chuyển với độ cứng ngang lốp sau giảm đảm bảo gần so với trường hợp thông số lốp tiêu chuẩn 3.4 Kết luận chương Trong chương tác giả xây dựng mơ hình mơ quỹ đạo chuyển động tơ sở mơ hình tốn hai vết xây dựng chương Khảo sát ảnh hưởng thay đổi độ cứng ngang lốp xe đến ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô Đồng thời tác giả phân tích ảnh hưởng góc quay bánh xe dẫn hướng phía sau đến ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô trường hợp khảo sát, đưa cách điều chỉnh thay đổi hệ số k phù hợp để điều chỉnh góc quay bánh xe dẫn hướng phía sau Kết mơ khảo sát cho thấy tính quy luật phù hợp mơ hình nghiên cứu 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn tìm hiểu giải pháp nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô, sâu vào nghiên cứu xe sử dụng hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng Đã xây dựng mơ hình tốn học, động lực học đổi hướng chuyển động ô tô bốn bánh dẫn hướng (một vết hai vết) có kể đến động lực học theo phương dọc (đổi hướng chuyển động có gia tốc theo phương dọc) sử dụng mơ hình lốp tuyến tính Trên sở mơ hình toán xây dựng, tác giả sử dụng phần mềm Matlab/Simulink mô quỹ đạo chuyển động với thông số xe cụ thể Các trường hợp đổi hướng chuyển động mơ là: quay vịng với bán kính khơng đổi; chuyển đường; quay vịng gấp; chịu tác động gió ngang đột ngột Các kết mơ cho thấy tính quy luật phù hợp với mơ hình nghiên cứu Trên sở mơ hình xây dựng, tác giả khảo sát thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng phía sau để nâng cao ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô trường hợp thay đổi độ cứng ngang lốp trước nhỏ hơn, lốp sau nhỏ Kết khảo sát điều chỉnh hệ số k cho kết tương đối xác thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng phía sau quỹ đạo chuyển động ô tô trường hợp khảo sát Kết khảo sát cho thấy tính quy luật sở cho việc thiết kế điều khiển tự động góc quay bánh xe dẫn hướng phía sau tơ bốn bánh dẫn hướng Mơ hình mà luận văn xây dựng khảo sát quy luật điều chỉnh góc lái trục sau làm sở cho việc thiết kế điều khiển hệ thống lái bánh tích cực (4WAS – Four Wheels Active Steering) để ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO TRONG NƯỚC [1] Cao Trọng Hiền, Đào Mạnh Hùng (2010), “Lý thuyết ô tô“, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội [2] Đào Mạnh Hùng (2006), “Xác định lực động bánh xe mặt đường ô tô tải điều kiện sử dụng Việt nam”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật [3] Vũ Đức Lập, Nguyễn Sĩ Đỉnh (2010), “Khảo sát động lực học dẫn động phanh thuỷ lực ô tô UAZ-31512 lắp chống hãm cứng bánh xe”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn, Số 136 [4] Vũ Đức Lập (2011), “Động lực học phanh ô tô” NXB QĐND, Hà Nội, 2011 [5] Phạm Quang Hưng (2007) Mô phỏng hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng cho xe Luận văn thạc sỹ khoa học ngành khí động lực, Trường ĐHBK Hà Nội [6] Trần Văn Như (2015) Bài giảng điều khiển chuyển động ô tô - máy kéo Trường đại học GTVT Hà Nội [7] Nguyễn Khắc Trai (1997) Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô Nhà xuất Giao Thông Vận Tải [8] Lê Ngọc Trung (2008) Mô quỹ đạo chuyễn động ô tô bánh xe dẫn hướng Luận văn thạc sỹ khoa học ngành khí động lực, Trường ĐHBK Hà Nội [9] Đỗ Sanh, Đỗ Đăng Khoa (2015), “Điều khiển hệ động lực học”, NXB Bách Khoa Hà Nội [10] Lại Năng Vũ (2012), “Nghiên cứu hệ thống điều khiển trình phanh tơ”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật [11] Nơng Văn Vìn (2003) Động lực học chuyển động ô tô máy kéo Nhà xuất Đại học Nơng Nghiệp Hà Nội 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO NGỒI NƯỚC [12] K.lohith, Dr.S.R.Shankpal,M.H Monish Gowda (2013) “ Development of four wheel steering system for a car ” M.S Ramaiah school of advanced Studies, Bangalore-58 [13] Xiaodong Wu, Member, Iacsit, Minxu, and Lie wang “ Differential speed steering control for four- wheel independent driving electric vehicle” International Juornal of Materials, Mechanics and Manufacturing, Vol.1, No.4, November 2013 [14] Hongming Lv – Shaona Liu (2013) “Closed – loop handing stability of 4WS Vehicle with Yaw rate Control ” Yancheng Institude of technology School of Automotive Engineering, China [15] Woongsang Jeong, Jinhee Jang, Changsoo Han (2011) “ Modeling and dynamic Analysis for Four wheel steering Vehicle” Hanyang university, Seoul, Korea [16] Danwei Wang, FengQi “Trajectory planning for a four wheel steering Vehicle ” Proceedings of the 2001 IEEE, International Conference on Robotics and Automation, Seoul, Korea [17] V.Arvild “ Optimizing the turning radius of a vehicle using symmetric four wheel steering system” International journal of scientific and enggineering Research, Volume 4, Inssue 12, 2013 [18] Saket, Bhishikar, Vatsal Gudhka, Neel Dalal “ Desing and simulation of wheel steering system” International Journal of Engineering and Innovative technology, Volume 3, Issue 12, June 2014 88 ... [8] nghiên cứu “Mô quỹ đạo chuyển động ô tô bốn bánh dẫn hướng? ?? Đề tài khảo sát chuyển động ô tô bốn bánh xe dẫn hướng ô tô hai bánh xe dẫn hướng Xét tới ảnh hưởng vận tốc tới ổn định chuyển động... THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM VIỆT HƯNG NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT ĐỘ CỨNG NGANG CỦA LỐP KHI QUAY VÒNG ĐỐI VỚI Ô TÔ BÁNH DẪN HƯỚNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC GVHD: TS NGUYỄN KHẮC... chuyển động ô tô So sánh trường hợp làm việc ô tô bốn bánh dẫn hướng với hai bánh dẫn hướng Tìm vận tốc nguy hiểm ô tô Khi nghiên cứu đề tài tác giả khảo sát mô trường hợp chuyển động với trường