Nghiên cứu động lực học xe là khảo sát quan hệ giữa các yếu tố đặc trưng của chuyển động (chuyển vị, vận tốc, gia tốc…) với các yếu tố khối lượng (giá trị, sự phân bố) và các yếu tố lực tác dụng lên xe. Việc nghiên cứu động lực học xe cho phép ta nắm được các quy luật hoạt động của xe, quy luật ứng xử của các kết cấu của xe dưới tác động chủ động của người lái (qua các cơ cấu điều khiển: chân ga, tay lái, chân phanh), tác động của môi trường (điều kiện địa hình, tốc động của gió…) và những yếu tố ảnh hưởng cơ bản đến quá trình chuyển động của xe, làm cơ sở cho hầu hết các quá trình nghiên cứu tính toán thiết kế, kiểm nghiệm.
Trong những giai đoạn phát triển đầu tiên của ngành công nghiệp ôtô, người ta tiến hành nghiên cứu chủ yếu trên các mô hình phẳng do điều kiện và khả năng tính toán. Hiện nay, trên thế giới việc nghiên cứu động lực học ô tô nói chung và động lực học mô hình phẳng ô tô nói riêng đã có những kết quả to lớn. Song đây là vấn đề thuộc sở hữu bản quyền của các hãng chế tạo ô tô nên chưa được công bố rộng rãi hoặc không đầy đủ.
x WC Vx Z Vz WZ Wy Vy y o O Z X Y
54
Nghiên cứu động lực học chuyển động của ô tô một cách tổng quát nhất phải tiến hành trên mô hình không gian. Nếu xem ô tô như một vật rắn chuyển động trong hệ toạ độ không gian ba chiều cố định OXYZ thì chuyển vị của trọng tâm ô tô được xem xét bởi sáu thành phần, gồm chuyển vị dọc theo 3 trục và quay quanh 3 trục. Tùy theo mục đích nghiên cứu mà có thể xem xét các chuyển vị này là đồng thời hay độc lập đối với nhau. Mô hình không gian đơn giản khảo sát động lực học ô tô có sơ đồ như hình 3.1. Trong thực tế nghiên cứu động lực học chuyển động của ô tô, đơn giản hơn cả là dùng mô hình phẳng .
3.1.1. Khái quát về mô phỏng động lực học ô tô
Hiện nay có nhiều định nghĩa về mô phỏng, trong lĩnh vực kỹ thuật có thể hiểu mô phỏng là sự nghiên cứu hệ thống thực thông qua mô hình trạng thái, đảm bảo tính tương tự giữa kết quả khảo sát trên mô hình và kết quả của hệ thống thực trong cùng một điều kiện khảo sát với một sai số có thể chấp nhận được.
Mô phỏng gắn liền lý thuyết với thực nghiệm và có ý nghĩa rất lớn trong quá trình nghiên cứu thiết kế. Nhằm để giảm bớt các thí nghiệm, thử nghiệm thực tế, giảm thời gian và chi phí nghiên cứu.
Ngày nay công nghệ mô phỏng cho phép nghiên cứu đồng thời các hệ thống nhằm khảo sát chất lượng động lực học, ngoài ra cũng thấy được sự ảnh hưởng lẫn nhau của các hệ thống, có thể tính toán với một số lượng lớn các cụm, hệ thống khác nhau để tìm ra kết cấu tối ưu. Trong đó có thể chỉ cần các tham số đầu vào là các chỉ tiêu về động lực học, qua một mô đun mô phỏng có thể thu được đến chi tiết chế tạo.
3.1.2. Giới thiệu về phần mềm Matlab và ứng dụng trong mô phỏng động lực học của xe lực học của xe
a. Sơ lược về phần mềm Matlab
Matlab là một chương trình viết cho máy tính cá nhân của hãng MathWorks nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học kỹ thuật với các phần tử cơ
bản là ma trận. Được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật như : điều khiển tự động, thống kê xác suất, xử lý số các tín hiệu, phân tích dữ liệu, dự báo quan sát…Các lệnh hay bộ lệnh của Matlab ngày càng được phát triển mở rộng nhờ các TOOLS BOX ( là các thư viện trợ giúp) hay thông qua các hàm ứng dụng được xây dựng từ người sử dụng.
b. Tìm hiểu về Simulink, SimDriveline trong Matlab * Giới thiệu về Simulink:
Simulink là một TOOLS BOX của Matlab dựng để mô hình hoá, mô phỏng và phân tích các hệ thống động. Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục và gián đoạn. Simulink cung cấp một giao diện đồ hoạ rất dễ sử dụng để xây dựng và khảo sát mô hình một cách trực quan hơn.
Simulink làm việc dựa trên cơ sở giải các phương trình toán học. Việc sử dụng Simulink cho phép kết hợp khảo sát các hệ thống khác nhau về phương diện vật lý nhưng biểu diễn được bằng các phương trình toán học trong cùng một mô hình, cho phép khảo sát hệ thống.
*Giới thiệu về SimDriveline:
SimDriveline là một TOOLS BOX của Matlab dùng để mô hình hoá và mô phỏng các quá trình làm việc của những hệ thống truyền lực dưới dạng các sơ đồ khối, dựa trên cơ sở lý thuyết dòng lực.
SimDriveline bao gồm thư viện các khối chức năng cùng với những đặc tính mô phỏng riêng biệt cho phép kết nối và làm việc trong môi trường của Simulink thông qua các cổng đặc trưng.
Với SimDriveline ta có thể xây dựng mô hình các hệ thống truyền lực thành phần trong một khối sau đó ghép các khối lại với nhau để tạo nên một hệ thống truyền lực phức tạp với số lượng các phần tử trong hệ thống là tuỳ ý. SimDriveline cung cấp thư viện các khối chức năng như: khối động cơ, ly hợp, khớp nối, bộ biến mô men, hộp số, vi sai, trục truyền,... cho phép xây dựng các mô hình hệ thống truyền lực rất trực quan. Qua đó cho phép phân tích quá
56
trình làm việc của hệ thống, khảo sát sự thay đổi của các thông số động lực học một cách thuận tiện, đặc biệt là với các hệ thống truyền lực xe.
3.2. Mô hình toán học khảo sát động lực học chuyển động thẳng của ô tô hai cầu cầu
3.2.1. Các giả thiết xây dựng mô hình a. Các giả thiết a. Các giả thiết
Các mô hình vật lý đơn giản chỉ kể đến các tương tác cơ học giữa xe với môi trường thường sử dụng trong khảo sát động lực học ô tô là:
- Mô hình không gian. - Mô hình phẳng.
Trong phạm vi của đồ án chỉ xây dựng mô hình toán học cho việc nghiên cứu mô hình phẳng của xe trong chuyển động thẳng, với các giả thiết sau:
- Bài toán được giải ở dạng mô hình phẳng, khảo sát chuyển động của thân xe như một chất điểm có khối lượng đặt tại trọng tâm xe.
- Biến dạng của đường và của lốp được kể đến khi xác định lực cản lăn, lực kéo. Trên sơ đồ không mô tả sự biến dạng này.
- Bánh xe luôn luôn bám đường, lốp xe là mô hình phẳng đàn hồi.
- Xe chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang không có mấp mô, không khảo sát chuyển động theo phương thẳng đứng.
- Bỏ qua ảnh hưởng của lực gió ngang, lực cản moóc kéo.
- Bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống treo trong quá trình khảo sát, coi như các bánh xe được ghép trực tiếp vào thân xe.
- Không khảo sát các chuyển động dao động của xe.
- Phản lực của đường tác dụng lên thân xe qua trục bánh xe, bánh xe luôn nằm trong mặt phẳng song song với mặt phẳng đối xứng dọc xe.
- Xe không kéo moóc và chuyển động trên đường bằng.
- Mô hình khi thiết lập ở dạng mô hình phẳng, coi kết cấu là đối xứng qua mặt phẳng dọc giữa xe.
b. Sơ đồ mô hình phẳng động lực học chuyển động thẳng của ô tô
Bằng việc đưa ra các giả thiết tương ứng, ta thành lập mô hình phẳng động lực học chuyển động thẳng của ô tô có sơ đồ ngoại lực và mô men ngoại lực tác dụng lên ô tô như hình 3.2 .
a b c Z v C Pw Pj Pi=G.sin a G.cosa L R1 R2 X Pf hw hg Mf1 w1 w2 Pk PmkPmk z Pmkx g hmk Mf2 O a G
Hình 3.2: Sơ đồ mô hình phẳng khảo sát chuyển động thẳng của ô tô
Trong đó : G - Trọng lượng ô tô. Pmk - Lực cản kéo moóc. Pw - Lực cản không khí. Pi - Lực cản lên dốc. Pf - Lực cản lăn.
Mf1, Mf2- Mô men cản lăn. Pj - Lực quán tính.
R1, R2 - Phản lực pháp tuyến của đường.
Pk - Lực kéo tiếp tuyến (phản lực tiếp tuyến của đường ).
Sơ đồ khảo sát đặt trong hệ trục toạ độ XOZ, trục OX song song với mặt đường, trục OZ vuông góc với mặt đường và đi qua trọng tâm của xe. Trong đó xem ô tô là một hình phẳng có khối lượng và chịu các lực tác dụng tại từng thời điểm. Từ đó xây dựng được phương trình động lực học chuyển động thẳng của ô
58
tô, thiết lập được mối quan hệ giữa các nội lực và ngoại lực tác dụng lên ô tô, xác định được giá trị của các lực chưa biết khi cho trước những số liệu cần thiết.
3.2.2. Thành lập phƣơng trình cân bằng lực kéo
Chiếu các lực lên trục OX ta được phương trình cân bằng lực kéo :
Pk = Pf Pi Pj + Pw + Pmkx (3.1) Như vậy ở đây, tính toán động lực học của ô tô trong trường hợp chuyển động thẳng thực chất là bài toán giải phương trình cân bằng lực kéo trong điều kiện đường cụ thể, với một xe cụ thể, để xác định được lực kéo của xe trong những điều kiện chuyển động đó. Phương pháp xác định lực kéo theo động cơ ở từng tay số hiện nay thường hay áp dụng là sử dụng đường đặc tính ngoài của động cơ làm cơ sở cho quá trình tính toán. Từ đó ta thu được đặc tính kéo và đặc tính động lực học của ô tô ở từng tay số, thông qua đó xác định các tính năng tăng tốc của xe.
Việc xác định các đặc tính tăng tốc (đồ thị thời gian tăng tốc và quãng đường tăng tốc) của xe không giải được bằng phương pháp giải tích vì không tìm được quan hệ giải tích chính xác giữa gia tốc j với vận tốc v cũng như giữa vận tốc v và thời gian tăng tốc t.
Tuy nhiên ta có thể giải bằng phương pháp đồ thị trên cơ sở đồ thị gia tốc ngược xây dựng từ đặc tính động lực học theo công thức biểu diễn mối quan hệ giữa nhân tố động lực học với các thông số đặc trưng cho lực cản chuyển động của ô tô.
Thông qua đặc tính kéo của xe ta xác định được những thông số cơ bản của động cơ và hệ thống truyền lực đảm bảo cho xe có thể chuyển động với vận tốc lớn nhất trên đường tốt và có thể chuyển động trên các loại đường có hệ số cản lớn. Với phương pháp tính này, có hai dạng tính toán sức kéo của xe đó là : tính toán kéo thiết kế và tính toán kéo kiểm nghiệm.
3.2.3. Khối động cơ
3.2.3.1. Mô hình toán học khối động cơ
Trong phạm vi của đồ án tốt nghiệp, khối động cơ được xây dựng dựa trên cơ sở khối Diesel Engine trong thư viện có sẵn của mô đun SimDriveline. Với đường đặc tính mô men và công suất của động cơ được xây dựng bằng cách sử dụng công thức thực nghiệm Lây đéc man cho động cơ diesel có bộ hạn chế tốc độ tối đa.
Theo [4], ta có công thức thực nghiệm của S.R.Lây đéc man:
2 3 . . e . e . e e e N N N n n n N N a b c n n n (3.2) 2 ax. . e . e N N e em n n M c n n N a b (3.3) Trong đó:
Ne, Me- Công suất hữu ích, và mô men hữu ích của động cơ.
ne- số vòng quay của trục khủy ứng với một điểm bất kỳ của đường đặc tính ngoài.
Nemax,nN- Công suất cực đại và số vòng quay ứng với công suất đó. Memax- Mô men xoắn cực đại của động cơ.
a, b, c- Hệ số thực nghiệm được xác định bằng phương pháp hai điểm như sau:
Lấy đạo hàm Me theo ne ta có: Me 0
ne
d d
Tương ứng với giá trị . 2 N eM n n b c
, thay giá trị này vào 3.3 ta có:
2 max . 4 e N b M M a c (3.4)
Khi ne = nN thì Ne = NN, theo công thức Lây đéc man ta có: 1
60
Động cơ không có hạn chế số vòng quay thì ở số vòng quay nN ta có: 0 Ne ne d d tương tự ta có: a2b3c0 (3.6) Từ (3.4), (3.5), (3.6) ta có công thức tính a, b, c như sau:
2 .(2 ) 1 . 100 1 d N N N M k k a k 2 2. . 100 1 d N N M k b k 2 2 . 100 1 d N N M k c k
Trong đó: Md = (kM -1).100 là mô men xoắn dự trữ của động cơ. kM = emax
eN
M
M - Hệ số thích ứng của động cơ theo mô men.
kN = eN eM
n
n - Hệ số thích ứng cửa động cơ theo số vòng quay.
3.2.3.2. Xây dựng mô hình khối động cơ
Khối động cơ mô phỏng động cơ lắp trên xe được điều khiển chủ yếu bằng thay đổi hành trình thanh răng bơm cao áp, qua đó thay đổi các thông số đầu ra là giá trị mô men và tốc độ vòng quay của động cơ. Khi xe làm việc thực tế động cơ thường chỉ làm việc theo các đường đặc tính cục bộ. Đặc tính cục bộ của động cơ thường được xác định bằng thực nghiệm bằng cách đo trên bệ thử, số liệu đo được lưu trữ dưới dạng đồ thị hoặc số hóa.
Hình 3.4: Sơ đồ khối mô men động cơ và bảng thông số đầu vào
Tuy nhiên trong phạm vi đồ án tốt nghiệp chưa thể xây dựng mô hình khối động cơ bao gồm cả các đường đặc tính cục bộ, mà chỉ xác định các giá trị mô men theo đường đặc tính ngoài của động cơ, như thuật toán vừa trình bày ở
62
trên. Mô hình động cơ có trung tâm là khối mô men động cơ và bảng thông số đầu vào như trong hình 3.4.
Thông số đầu vào gồm công suất lớn nhất (Maximum power), số vòng quay động cơ ứng với công suất lớn nhất (Speed at maximum power), số vòng quay lớn nhất của động cơ (Maximum speed).
Khối Look up 2D được nhập vào bảng tập hợp các giá trị số vòng quay tương ứng mô men xoắn và công suất của động cơ dựa trên cơ sở đường đặc tính ngoài của động cơ. Tín hiệu đầu vào điểu khiển của khối động cơ là tín hiệu phần trăm góc mở bướm ga và tốc độ thực tế của xe được đưa trở lại để so sánh và và tìm được giá trị mô men tương với chế độ hoạt động ở bước tiếp theo.
Khối Compare To Constain và cổng Switch có vai trò như bộ điều tốc của động cơ diesel. Khối Compare To Constain sẽ so sánh vận tốc góc lớn nhất của động cơ được nhập vào với tín hiệu vận tốc góc động cơ được lấy ra từ cảm biến Motion Sensor, nếu lớn hơn vận tốc góc lớn nhất của động cơ tín hiệu này sẽ được chuyển tới cổng Swich.
Cổng Swich sẽ dựa vào tín hiệu điều khiển là tốc độ góc trục khuỷu động cơ, cho phép tín hiệu từ cổng trên hoặc cổng dưới qua. Tín hiệu điều khiển sẽ so sánh với điều kiện đã thiết lập trong Swich và cho cổng tín hiệu với giá trị 0 đi qua thì sẽ ngắt dòng lực từ động cơ tới hệ thống truyền lực, vận tốc của xe sẽ giảm đột ngột và lại được đưa trở lại khối động cơ làm tín hiệu phản hồi.
Khối Toquer Actuator sẽ biến đổi tín hiệu vật lý thành mô men ra của
động cơ và kích hoạt hệ thống truyền lực.
Tín hiệu điều khiển đầu vào của khối động cơ là tín hiệu giá trị góc mở bướm ga, tín hiệu đầu ra là mô men trục khuỷu động cơ Mo men và tốc độ động