Màn hình làm việc của phần mềm Carsim nhƣ hình 2.1, bằng cách lựa chọn trực tiếp vào các chế độ mô phỏng của phần mềm có thể dễ dàng thao tác và làm quen nhanh chóng.
29
Hình 2.1: Màn hình làm việc của phần mềm Carsim 2.2. Các mô hình trong Carsim
2.2.1. Cài đặt các thông số cho xe mô phỏng
Các thông số thiết lập cho mô hình xe trong Carsim có thể đƣợc thiết lập trong hình 3.2. Trong dữ liệu của phần mềm đã có sẵn thông số của các dòng xe cơ bản, có thể sử dụng các thông số đó bằng cách chọn hoặc cũng có thể thiết lập lại từ đầu các thông số theo những thông số xác định trong thực nghiệm.
30
Hình 2.2: Bảng thông số xe mô phỏng
2.2.1.1. Hệ thống treo
Các mô hình hệ thống treo có đầy đủ các chuyển động phi tuyến và bất đối xứng. Mỗi hệ treo chịu tác động bởi lực dọc và lực theo phƣơng thẳng đứng. Góc đặt các bánh xe đƣợc xác định bởi góc Camber và độ chụm Toe. Tất cả các thông số có thể biểu diễn tuyến tính hoặc phi tuyến thông qua bảng cấu hình.
Hệ treo cầu trƣớc hay cầu sau có thể khai báo là hệ treo độc lập hoặc phụ thuộc. Đối với hệ treo phụ thuộc, khối cầu đƣợc coi là khối rắn tuyệt đối, sự tƣơng tác giữa các bánh đƣợc khởi tạo thông qua sự tƣơng tác giữa các dầm. Đối với hệ treo độc lập, lò xo và giảm chấn đƣợc khai báo phi tuyến có tính đến độ trễ do ma sát.
Trong quá trình mô phỏng ngƣời dùng cần khai báo các thông số về khối lƣợng đƣợc treo, độ cứng của lò xo và hệ số giảm chấn, chiều rộng cơ sở của xe, bán kính lăn bánh, các góc đặt bánh xe đồng thời khai báo đặc tính thay đổi của các góc đặt bánh xe khi có sự thay đổi về lực dọc, lực ngang, mô men lái … chi tiết các thông số nhƣ hình 2.3.
31
Hình 2.3: Các thông số của mô hình hệ thống treo
2.2.1.2. Hệ thống phanh
Trong mô hình hệ thống phanh cho phép ngƣời sử dụng lựa chọn mô hình phanh thƣờng thủy lực 4 bánh, có sử dụng ABS hoặc không, đƣợc phép lựa chọn các chế độ hiệu ứng nhiệt khi phanh và trợ lực phanh. Hệ thống cho phép ngƣời dùng tùy chọn cho việc có sử dụng ABS hay dùng thuật toán tích hợp sẵn trong bộ điều khiển đơn giản. Chất lƣợng điều khiển hay hiệu quả của hệ thống phanh có xét tới sự ảnh hƣởng của hiệu ứng nhiệt và động lực học trong truyền động của chất lỏng.
Trên hình 2.4 khai báo lựa chon mô hình phanh 4 bánh, bộ ABS có thể tắt để sử dụng chế độ phanh thƣờng. Trên mô hình cho phép ngƣời sử dụng khai báo mô men phanh tại các bánh. Để thuận lợi trong quá trình khảo sát, mô hình cho phép đặt các ngƣỡng điều kiện cho ABS, các ngƣỡng này đƣợc kiểm soát theo độ trƣợt. Đồng thời cho lựa chọn vùng tốc độ thấp nhất để cắt ABS ra khỏi hệ thống.
32
Hình 2.4: Các thông số của mô hình hệ thống phanh
2.2.1.3. Hệ thống lái
Sự tƣơng tác giữa hệ thống treo, hệ thống lái, lốp xe và mặt đất đƣợc xử lý với một mô hình chi tiết đa vật thể có xét tới sự ảnh hƣởng của góc Kingpin.
Trong mô hình hệ thống cho phép thay đổi tùy chọn lái thông thƣờng hay trợ lực với một thời gian cố định.
Hàm mô phỏng đƣợc sử dụng cho tốc độ thấp là điều kiện để xác định mô men lái.
Trong quá trình mô phỏng hệ thống lái cần đƣợc khai báo các đặc tính của trục lái nhƣ tính quán tính của trục và hệ thống, hiện tƣợng trễ của mô men lái, cần khai báo các đặc tính của góc Kingpin và kiểu hệ thống lái cho cầu trƣớc. Ngƣời dùng có thể lựa chọn hệ thống lái 4 bánh dẫn hƣớng. Chi tiết các thông số cần cho mô phỏng đƣợc trình bày trong hình 2.5.
33
Hình 2.5: Các thông số của mô hình hệ thống lái
2.2.1.4. Mô hình lốp
Trong Carsim gồm nhiều mô hình lốp, luôn sẵn sàng để chạy với mô hình cơ bản sử dụng các dữ liệu nhƣ các mô hình mở rộng.
Các mô hình đƣợc xây dựng trong bảng phi tuyến cho lực bên, lực dọc, mô men quay là hàm của độ trƣợt, tải trọng và góc Camber.
Lực dọc và lực bên đƣợc xác định nhờ thuyết trƣợt đƣợc công bố bởi Pacejka và Sharp.
Biến hệ số ma sát đƣợc cấu hình thủ công đây là điều kiện chính để duy trì cả hai tính chất tuyến tính và giới hạn đặc tính chuyển động của lốp.
34
Hình 2.6: Các thông số của mô hình lốp
Các bánh xe khác nhau có thể sử dụng mô hình lốp khác nhau trên cùng một xe. Vết tiếp xúc của lốp có thể khai báo với 1 tới 4 điểm để định nghĩa cho hình dạng và kích thƣớc của vết tiếp xúc. Điều này đặc trƣng cho chức năng nhƣ một hàm phi tuyến của độ nén lốp.
Các thông số cần thiết cung cấp cho mô hình là bán kính lăn của bánh xe, bán kính tự nhiên của lốp, độ cƣ́ng lò xo đặc trƣng cho độ đàn hồi của lốp, tải trọng lớn nhất cho phép lên lốp, bề rộng lốp và các góc đặt bánh xe nhƣ hình 2.6.
2.2.1.5. Hệ thống động lực
Carsim trình bày rất chi tiết cho mô hình hệ thống truyền lực cho dẫn động bánh trƣớc, dẫn động bánh sau và 4 bánh dẫn động. Ngoài ra còn sử dụng một mô hình nhỏ điều khiển tốc độ khi mô men trên các bánh dẫn động thay đổi.
Mô men xoắn của động cơ xác định dựa vào độ mở bƣớm ga và tốc độ quay của trục khủy. Mô men từ động cơ truyền tới hộp số thông qua ly hợp cơ khí hoặc biến mô thủy lực.
35
Hình 2.7: Các thông số của mô hình hệ thống động lực
Trên hình 2.7. Mô tả hệ thống truyền lực dẫn động 4 bánh. Dòng công suất của động cơ thông qua ly hợp tới hộp số và đƣợc phân chia tới cầu trƣớc và cầu sau. Để khảo sát mô hình hệ thống truyền lực, ngƣời dùng cần khai báo đặc tính của động cơ đốt trong, ly hợp, hộp số …
2.2.1.6. Cảm biến và hệ thống chiếu sáng
Trên các mô hình sử dụng cảm biến ảo cho phép phát hiện nhiều xe đang chuyển động bao gồm các thông số về khả năng gia tốc, tốc độ và xác định trƣớc quỹ đạo chuyển động của xe sắp diễn ra.
Carsim hỗ trợ lên tới 99 đối tƣợng chuyển động trên mô hình 3D, 20 phạm vi và cảm biến phát hiện chuyển động, 11 biến tín hiệu cung cấp cho bộ điều khiển bên ngoài.
Chuyển động của đối tƣợng có thể là hằng số hoặc thiết lập theo một phƣơng trình đại số, phƣơng trình vi phân hay tín hiệu từ một phần mềm khác.
36
Hình 2.8: Các thông số của mô hình hệ thống chiếu sáng
Khi sử dụng mô hình các cảm biến và hệ thống chiếu ánh sáng cần khai báo tọa độ điểm đặt của các cảm biến theo 3 phƣơng x, y, z và hƣớng chiếu là góc chếch so với các trục Ox, Oy, Oz. Vùng hoạt động của các cảm biến cần đƣợc định nghĩa hay khai báo trong một giới hạn nhất định.
2.2.2. Bảng cài đặt các thông số mô phỏng
Với bảng thiết lập các thông số mô phỏng có thể thiết lập đƣợc hầu hết các điều kiện cần để có thể đƣa ra đƣợc một mô phỏng gần giống với điều kiện thực tế nhất. Ở đây, thiết lập các thông số nhƣ điều khiển xe và các thông số đƣờng chạy của xe.
37
Hình 2.9: Bảng thiết lập các thông số cho mô hình mô phỏng
2.2.2.1. Điều khiển vận tốc của xe
Có thể điều khiển vận tốc của xe theo 5 cách khác nhau nhƣ trong hình 2.10. - Điều khiển bằng cách lựa chọn vận tốc ban đầu và độ mở bƣớm ga
- Điều khiển bằng độ mở bƣớm ga - Điều khiển với vận tốc cố định
- Điều khiển vận tốc ứng với thời gian chạy
38
Hình 2.10: Lựa chọn các kiểu điều khiển vận tốc cho xe
39
40
CHƢƠNG 3
MÔ PHỎNG VÀ NGHIÊN CỨU SỰ QUAY VÒNG CỦA Ô TÔ CON TRONG CARSIM
3.1. Sử dụng phần mềm carsim để mô phỏng tại các trạng thái quay vòng của xe
Để thiết lập mô phỏng các trạng thái của xe, cần thiếp lập cho xe chạy trên một đoạn đƣờng với các thông số về vận tốc của xe, hệ số bám của đƣờng…vv. Để có thể thấy đƣợc những ảnh hƣởng của vận tốc khi quay vòng xe ở các điều kiện quay vòng khác nhau, sẽ xem xét quá trình chạy mô phỏng và các đồ thị
Đƣờng chạy của xe mô phỏng đƣợc thiết lập có độ dài 2300 m và đƣợc thiết lập các thông số để mô phỏng đƣờng chạy ngoài thực tế, đƣờng chạy gồm nhiều góc cua với bán kính quay vòng khác nhau và cao độ khác nhau nhƣ hình 3.1
Hình 3.1: Thông số đƣờng chạy của xe trong mô phỏng
Lựa chọn các thông số hệ số bám cho đƣờng có thể lập bảng vận tốc giới hạn trƣợt xe ứng với bán kính quay vòng dựa theo công thức (2.20).
vφ = gRφy
41
Có thể tính đƣợc vận tốc giới hạn khi ô tô bị trƣợt bên ứng với từng bán kính quay vòng giả thiết chạy trên đƣờng bằng:
Bảng 3.1: Tính toán giá trị vận tốc giới hạn khi ô tô bị trƣợt bên tƣơng ứng với hệ số bám φ = 0.75 TT R(m) v(km/h) 1 61.25 76.422 2 73.7 83.83 3 30.56 53.981 4 55.28 72.603 5 59.9 75.576 6 80.93 87.846 7 49.95 69.014 8 55.19 72.543 9 34.41 57.281 10 93.67 94.508 11 64.08 78.168
Đồng thời có thể xác định vận tốc nguy hiểm của xe khi quay vòng trên Carsim bằng cách xây dựng một đƣờng chạy thử hình tròn với bán kính cho trƣớc. Bằng cách thay đổi hệ số bám của mặt đƣờng và cho xe chạy với vận tốc tăng dần đều có thể xác định đƣợc vận tốc nguy hiểm khi xe quay vòng ứng với từng bán kính quay vòng khác nhau.
Hình 3.3: Quá trình mô phỏng xác định vận tốc nguy hiểm của xe với bán kính quay vòng cho trƣớc
42
Thiết lập mô phỏng cho từng bán kính quay vòng khác nhau và so sánh với bảng tính toán giá trị vận tốc giới hạn khi ô tô bị trƣợt bên và so sánh với bảng 3.1 có thể thấy rằng ở vận tốc thấp sự ảnh hƣởng của khí động là không đáng kể, nhƣng khi vận tốc tăng dần có thể thấy sự khác biệt rõ ràng hơn.
Bảng 3.2: Vận tốc nguy hiểm khi ô tô trƣợt ngang > 0.2 m so với quỹ đạo chuyển động Sedan SUV TT R(m) v(km/h) TT R(m) v(km/h) 1 61.25 74 1 61.25 73.5 2 73.7 80.5 2 73.7 79.9 3 30.56 53.6 3 30.56 53.57 4 55.28 70.8 4 55.28 70.25 5 59.9 73.3 5 59.9 72.84 6 80.93 84.1 6 80.93 83.22 7 49.95 67.3 7 49.95 67.12 8 55.19 70.7 8 55.19 70.2 9 34.41 56.6 9 34.41 56.5 10 93.67 89.8 10 93.67 88.65 11 64.08 75.55 11 64.08 75.1
Dễ thấy rằng với điều kiện quay vòng đều và vận tốc tăng dần thì giới hạn vận tốc khi xe bắt đầu đi ra khỏi quỹ đạo mong muốn khá là gần với thông số tính đƣợc.
Nhƣ vậy dựa theo bảng 3.2 có thể thấy rằng khi vƣợt qua vận tốc giới hạn thì xe có hiện tƣợng trƣợt ngang nếu xe có trọng tâm cao có thể gây ra hiện tƣợng lật xe.
Vậy lựa chọn thông s ố vận tốc để mô phỏng nằm trong khoảng lân cận vận tốc giới hạn tại góc cua đặc trƣng để xác định những yếu tố ảnh hƣởng tới xe khi quay vòng.
43
Dựa vào hình 3.2 dễ thấy góc cua đặc trƣng nhất của đƣờng thử có bán kính nhỏ nhất là 30.56 m, ứng với bảng 3.2 ta có vận tốc nguy hiểm là 53.6 km/h. Vì vậy lựa chọn vận tốc mô phỏng nằm trong khoảng lân cận giá trị 53 km/h để nghiên cứu.
3.2. Mô phỏng dòng xe Sedan
Hiện nay các dòng xe sedan đƣợc sử dụng rộng rãi ở nƣớc ta và chiếm một tỉ lệ lớn trong các phƣơng tiện ô tô con cá nhân. Chính vì vậy, lựa chọn dòng xe sedan là một trong những dòng xe chính cần đƣợc nghiên cứu về ảnh hƣởng của vận tốc khi quay vòng xe.
Cài đặt các thông số nhƣ chiều dài chiều rộng cơ sở và chiều cao cho xe nhƣ hình 4.4. Các thông số khác lựa chọn trong cơ sở dữ liệu của Carsim.
Hình 3.4: Lựa chọn các thông số cơ bản cho xe sedan mô phỏng
Ngoài các thông số cơ bản còn có thể cài đặt các thông số hình học về khối lƣợng đƣợc treo cho xe nhƣ hình 3.5
44
Hình 3.5: Bảng thông số khối lƣợng đƣợc treo của xe sedan
(Bóng xe trong hình là mặc định của phần mềm để xác định các thông số chính, hình ảnh xe đƣợc thiết lập ở một chức năng khác của phần mềm)
3.2.1. Mô phỏng dòng xe sedan tại khúc cua thứ 3
Đầu tiên thiết lập vận tốc chạy cho xe là hằng số bằng 52 km/h.
Hình 3.6: Chạy mô phỏng dòng xe Sedan trong Carsim
Theo hình 3.7 dễ thấy đƣợc vận tốc của xe ở trong mô phỏng (đƣờng màu xanh) có sai lệch với vận tốc điều khiển. Ở những nơi sai lệch đó là do đƣờng lên
45
dốc và xuống dốc hoặc xe bị trƣợt khi đó vận tốc dài của xe sẽ thay đổi so với thông số điều khiển.
Hình 3.7: Dải vận tốc điều khiển và vận tốc xe chạy trong mô phỏng
Dựa theo hình 3.8 có thể thấy đƣợc địa điểm xe chạy vƣợt ra khỏi quỹ đạo. Ta thấy đƣợc rằng với vận tốc 52 km/h thì khi xe quay vòng tại khúc cua đặc trƣng số 3 xe vẫn có hiện tƣợng lệch khỏi quỹ đạo.
Hình 3.8: Quỹ đạo chuyển động của xe so với quỹ đạo điều khiển
Ở hình 3.9 ta có đƣợc khoảng cách dịch chuyển theo phƣơng ngang, từ đó ta thấy rằng ở khoảng cách từ 500m – 600m từ khi xuất phát là địa điểm có độ dịch ngang lớn nhất, với độ dịch sang phải theo chiều xe chạy lên tới hơn cho phép,
46
khoảng cách đó là rất nguy hiểm nếu có xe đi ngƣợc chiều. Khoảng cách 1500m – 1900m là địa điểm mà xe có độ dịch ngang cần phải lƣu ý.
Hình 3.9: Khoảng cách dịch chuyển theo phƣơng ngang của xe khỏi quỹ đạo
- Các lực theo các phƣơng tác động lên bánh xe đƣợc biểu diễn ở hình 3.10 hình 3.11 và hình 3.12 ta thấy đƣợc khi tổng hợp 2 lực tác động lên các bánh xe lớn hơn lực bám của bánh xe thì xe bắt đầu xảy ra hiện tƣợng trƣợt.
47
Hình 3.10: Độ lớn lực ngang tác động lên các bánh xe
Hình 3.11: Độ lớn lực dọc tác động lên các bánh xe
48
- Lực tác động của không khí tĩnh lên xe theo phƣơng dọc và phƣơng thẳng đứng của xe tuyến tính với vận tốc của xe, còn lực tác động lên phƣơng ngang thì ảnh hƣởng bởi cả vận tốc và góc quay vòng của ô tô.
Hình 3.13: Lực tác động của không khí lên xe theo các phƣơng
- Mô men tác động lên xe ở cầu trƣớc lớn hơn ở cầu sau, điều đó khiến cho xe có xu hƣớng quay vòng thiếu.
49
Hình 3.15: mô men khí động tác động lên xe
3.3. Mô phỏng dòng xe SUV
Các thiết kế khác nhau về thông số hình học có ảnh hƣởng rất lớn đối với đặc tính quay vòng của xe, lựa chọn mô phỏng dòng xe SUV, đây là một dòng xe đa dụng đƣợc sử dụng khá nhiều ở Việt Nam. Tác giả tiến hành mô phỏng ảnh hƣởng của vận tốc đối với quay vòng xe nhằm so sánh sự khác biệt giữa 2 dòng xe rất phổ