Chương 3 đã đưa ra các lý thuyết về ứng suất và bền tĩnh, xây dựng bài toán kiểm bền tĩnh trong trường hợp tải trọng tối đa, vị trí tập trung ứng suất tại vị trí đỡ hệ thống treo, và vị trí chịu lực khi đỡ cabin. Đưa ra các kết quả rằng khung đủ bền, và chuyển vị của khung xe là rất bé.
31
CHƯƠNG 4.BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 4.1 Giới thiệu phần mềm
Amesim là một giải pháp mô phỏng hệ thống, sử dụng đượng trong nhiều lĩnh vực, từ cơ điện tử cho tới, điện, mô phỏng động cơ, thủy khí, ô tô,… Simcenter Amesim bao gồm các thư viện toàn diện cho mô hình đa luồng cho dòng chảy, nhiệt động lực học, điện, cơ điện, xử lý tín hiệu, cũng như thư viện ứng dụng cho hệ thống làm mát, điều hòa không khí, động cơ đốt, hàng không vũ trụ và các hệ thống khác.
Một số ứng dụng trên ô tô và phương tiện đường bộ [12]:
Tích hợp xe và cân bằng đa thuộc tính:
Simcenter Amesim khắc phục vấn đề tích hợp công nghệ xanh vào quá trình phát triển hiện tại của người dùng trong khi vẫn tiếp tục cải thiện khả năng lái và hiệu suất của xe. Các giải pháp này thêm vào quá trình phát triển xe hiện tại và kết hợp các kỹ thuật cơ khí, nhiệt, điện và điều khiển trong một môi trường phần mềm.
Giải pháp truyền tải ô tô:
• Cấp quyền truy cập vào các mô hình và các thành phần truyền động, động cơ và truyền động
• Tập trung vào sự thoải mái; hiệu suất và tổn hao; tiếng ồn, rung và xóc (NVH); và các vấn đề truyền tải lai
• Giúp người dùng nghiên cứu hành vi của toàn bộ kiến trúc bộ truyền động từ tần số thấp đến cao (nghĩa là từ <20 Hz)
• Tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các khái niệm mới (như kiến trúc lai). Giúp giải quyết các vấn đề truyền tải bằng hệ thống truyền động (chẳng hạn như chất lượng dịch chuyển số cao và độ rung động của hệ thống lái) • Cho phép đánh giá các chiến lược điều khiển ảo trong các giai đoạn thiết kế
ban đầu
Mô phỏng động cơ đốt trong:
Đánh giá, thiết kế và tối ưu hóa toàn diện hệ thống động cơ từ quản lý không khí, quá trình đốt cháy đến bơm nhiên liệu và điều khiển động cơ.
Các giải pháp mô phỏng động cơ đốt trong Simcenter Amesim Internal Combustion Engine giúp người dùng đánh giá, thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống động cơ toàn diện – từ quản lý không khí, đốt cháy và xử lý khí thải sau khi đốt cho đến phun nhiên liệu và kiểm soát động cơ bằng cách cung cấp các mô hình động cơ và các thành phần chính xác.
Người dùng có thể nghiên cứu tích hợp với các hệ thống con phun nhiên liệu, quản lý nhiệt xe, hệ thống động lực và các thành phần khác cũng như thích ứng với các định nghĩa mô hình cho một loạt các trường hợp khác nhau. Giải pháp động cơ này cho phép người dùng phân tích tác động của các lựa chọn công nghệ tiên tiến và cung cấp cho người dùng một công cụ mạnh mẽ để xem xét các kiến trúc động cơ thay thế khác.
32 Xác định, thiết kế và đánh giá toàn xe và các hệ thống con khung gầm với mô phỏng động lực xe.
Bộ giải pháp mô phỏng động lực hệ thống xe Simcenter Amesim Vehicle System Dynamics cung cấp môi trường định hướng theo ứng dụng và các khả năng chuyên dụng để xác định, thiết kế và kiểm tra toàn bộ xe cũng như các thành phần hệ thống con khung gầm xe (phanh, treo, hệ thống lái và hệ thống chống trượt). Các giải pháp cho phép tích hợp dễ dàng và liền mạch trong một hệ thống đơn.
Giải pháp Động lực Hệ thống Xe giới thiệu một nền tảng tích hợp mở độc đáo để mô hình hoá và mô phỏng xe con và xe tải nhẹ với bộ truyền động của họ trong một quá trình hội nhập liên tục và đơn giản – từ mô hình hoá theo vòng lặp và phần mềm theo vòng lặp cho đến phần cứng theo vòng lặp. Các giải pháp mô phỏng động lực xe bao gồm ứng dụng động lực xe thông dụng, các thư viện mô hình hóa vật lý (như thuỷ lực, khí nén, điện và cơ khí), các mẫu khả dụng, các thuyết minh giải pháp và các giao diện với các bộ mô phỏng như LMS Virtual.Lab Motion, MSC ® Adams ™ và Simulink®.
Mô phỏng quản lý nhiệt xe ô tô:
Mô hình hoá, định cỡ và phân tích các thành phần, hệ thống con của xe và tương tác của hệ thống con để quản lý hệ thống nhiệt xe ô tô
Các giải pháp mô phỏng Simcenter Amesim Thermal Management cung cấp các công cụ chuyên dụng để xây dựng và phân tích các mô hình quản lý nhiệt hoàn chỉnh trong một môi trường đơn lẻ. Các giải pháp cho phép người dùng mô hình hoá, định cỡ và phân tích các thành phần, các hệ thống con, sự tương tác của hệ thống con và chạy các mô phỏng đa miền ổn định và tạm thời.
Các giải pháp hệ thống nhiệt cung cấp cho các kỹ sư cơ hội để làm việc trên các mô hình chi tiết của hệ thống con quản lý nhiệt xe ô tô như làm mát, bôi trơn, động cơ phát sinh nhiệt, điều hòa không khí và các hệ thống trong cabin.
Mô phỏng hệ thống điện:
Xác định các chiến lược cho hệ thống cơ điện của xe trong quá trình thiết kế. Bộ giải pháp mô phỏng hệ thống điện Simcenter Amesim Electrical Systems giúp người dùng xác định các chiến lược đơn giản của các hệ thống điện hoặc cơ điện trong suốt quá trình thiết kế. Kỹ thuật hệ thống cơ điện tử là mối quan tâm phát triển chủ yếu do sự gia tăng sử dụng các hệ thống điện và điện tử trong ô tô và xe cơ giới.
Giải pháp mô phỏng hệ thống điện giúp người dùng mô phỏng các hệ thống điện và các thành phần bao gồm ắc quy, bộ truyền động tuyến tính và động cơ điện từ đặc tính kỹ thuật đến thiết kế và đánh giá kịch bản điều khiển. Hơn nữa, bộ giải pháp hỗ trợ các mức phân tích khác nhau của các hệ thống điện và cơ điện như ước lượng điện năng tiêu thụ, đánh giá chính xác phản ứng tức thời và các hiệu ứng nhiệt.
Bộ giải pháp hệ thống điện cho phép người dùng:
• Làm việc trên các mô hình chi tiết cho các thành phần cơ điện, ví dụ như van điện từ.
33 • Thiết kế và đánh giá các quy định điều khiển động cơ điện và tác động của
nó trong mạng điện.
4.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống
Hình 4.1 Mô hình xe tải cơ sở
Các cụm thành phần sẽ được lắp với nhau và lắp lên mô hình cơ sở, tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh, bao gồm: cụm trục trước, cụm trục sau, cụm cảm biến, cụm hệ thống lái và cụm điều khiển vận tốc.
4.2.1Cụm trục trước
Hình 4.2 Cụm trục trước
Cụm trục trước được liên kết với hệ thống lái thông qua cổng “Steeing” bằng đường dẫn biểu thị bằng màu xanh. Hai cổng “Eng.” được đóng lại do không liên
34 kết hệ thống truyền động. Hệ thống phanh “Brake” gồm 2 phanh nhận tín hiệu vận tốc truyền từ cụm điều khiển vận tốc thông qua đường dẫn biểu thị màu đỏ.
Toàn bộ cụm trục trước được nói với mô hình cơ sở tới vị trí trục một. Mô hình cụm trục sau tương tự nhưng cổng “Eng.” được liên kết với hệ thống truyền động. Toàn bộ cụm trục sau được nói với mô hình cơ sở tới vị trí trục cuối cùng. Các vị trí trung gian được bỏ qua.
4.2.2Cụm điều khiển vận tốc
Hình 4.3 Sơ đồ cụm điều khiển vận tốc
Vận tốc đầu là thông số đầu vào được kiểm soát và gán theo một quy luật nhất định. Khi xe đi trên các đoạn đường, do điều kiện mô phỏng dẫn tới vận tốc thực có thể thay đổi, sau khi tín hiệu vận tốc từ cảm biến được gửi về, sẽ được đánh giá là dư hay thiếu so với bạn đầu. Tín hiệu vận tốc dư/thiếu sau đó chia làm hai, được truyền tới hệ thống truyền động sau đó được truyền tới trục sau của xe (đường màu xanh), một đường được truyền tới hệ thống phanh, thông qua các bộ xử lý tín hiệu (đường màu đỏ). Cuối cùng thực hiện các thao tác như phanh hay tăng tốc để giữ được các giá trị vận tốc như ban đầu đã gán.
4.2.3Cụm cảm biến
Hình 4.4 Sơ đồ cụm cảm biến
Một số cảm biến được sử dụng như: cảm biến vị trí, cảm biến vận tốc, cảm biến gia tốc,… Cảm biến được gán lên mô hình cơ sở (sử dụng đường nối xanh) và được trả về giá trị vận tốc (đường màu đỏ) tới cụm điều khiển vận tốc để thực hiện các công việc đã nói trên.
35
4.2.4Cụm hệ thống lái
Hình 4.5 Cụm hệ thống lái
Cụm hệ thống lái được nhập thông số đầu vào là các góc vô lăng và thời gian đánh lái nhằm giúp người thiết kế có thể điểu khiển được mô hình hoạt động theo đúng như ý muốn. Cụm được nối với trục trước của xe.
4.2.5Sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh
Hình 4.6 Sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh
Sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh gồm đầy đủ các hệ thống cơ bản để đảm bảo xe có thể hoạt động, mô tả đúng ứng xử của xe khi di chuyển trên đường thực.
4.3 Thiết lập mô hình mặt đường
Sau khi xây dựng sơ đồ hệ thống, để đánh giá tải trọng động tác dụng lên khung xe, mô hình mặt đường mấp mô được sử dụng theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 [13]. Mấp mô bề mặt của 7 loại đường theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 trên một khoảng chiều dài 250m được thể hiện như hình:
36
Hình 4.7 Mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO 8680:1995
Xe tải cỡ nhỏ chủ yếu phục vụ mục đích vận chuyển lượng hàng nhỏ, di chuyển ngắn và thường là trên các khung đường phố. Vậy nên, luận văn sử dụng các loại đường AB (đường rất tốt), BC (đường tốt), CD (đường trung bình) để khảo sát, thực hiện thí nghiệm mô phỏng. Mấp mô mặt đường của từng đoạn được xác định như các hình bên dưới.
Hình 4.8 Mô hình mấp mô mặt đường AB
37
Hình 4.10 Mấp mô mặt đường CD
Từ các số liệu biên dạng nhấp nhô trên, nhập File Excel giá trị của các mặt đường vào phần mềm theo quy tắc, mô hình mặt đường trên phần mềm có biên dạng được người thiết kế xây dựng.
Một số giả thiết được đưa ra để đơn giản hơn quá trình tính toán:
- Coi hai bánh di chuyển trên những biên dạng đường là như nhau.
- Bỏ qua lực dọc khung, chỉ kể đến kích động thẳng đứng do mấp mô mặt đường.
- Bỏ qua lực tác dụng của gió đến thân xe và lực dọc do tải trọng gió tác dụng tới khung.
Hình 4.11 biên dạng tổng quát của mặt đường trên AMESIM
4.4 Một số thông số cần thiết
Các thông số cho bài toán động lực bao gồm các kích thước cơ bản của xe như: khối lượng xe, trọng tâm xe, khoảng cách trục, khoảng cách 2 bánh xe, các thông số về lốp,… là các thông số có thể đo trực tiếp trên mô hình đã xây dựng.
Bên cạnh đó, một vài dữ liệu về độ cứng và hệ số cản của hệ thống treo cũng như của lốp đã không có sẵn và được tính sơ bộ theo “tính toán thiết kế ô tô” [14] và tính toán theo các thông số tham khảo có sẵn trên phầm mềm.
38
*Thông số hệ thống treo
Tần số dao động và độ cứng của hệ thống treo quan hệ với nhau theo công thức: 𝐶 = 𝑀. (𝜋 30𝑛) 2 PT 4.1 Trong đó: • C - Độ cứng của hệ thống treo (N/m). • M- Khối lượng được treo (kg)
• n - Tần số dao động.
Đối với ô tô tải, n nằm trong khoảng 90 – 120 lần/phút nhằm hạn chết hành trình của hệ thống treo. Chọn: n = 100 lần/phút.
Ở đây, khối lượng toàn tải của xe là 1530 kg phân bố lên 2 cầu trước và sau đối với xe tải, tỉ lệ phân bố khối lượng khoảng 40% - 60%
• Khối lượng phân bố lên cầu trước: Gtrước = 1530 x 40% = 612 kg • Khối lượng phân bố lên cầu sau: Gsau = 1530 x 60% = 918 kg Khối lượng phần được treo tác dụng lên hệ thống treo:
• Cầu trước: 497 kg • Cầu sau: 808 kg
Khối lượng tác dụng lên một bên nhíp cầu trước và một bên nhíp cầu sau là: • Cầu trước: G1 = 547/2 = 248,5 kg • Cầu sau: G2 = 808/2 = 404 kg Độ cứng của bộ phận đàn hồi: • Cầu trước: C1= 248,5. (𝜋 30× 100)2 =27251 N/m • Cầu sau: C2= 404. (𝜋 30× 100)2= 44304 N/m
Trong lý thuyết ô tô, để đánh giá sự dập tắt dao động, người ta sử dụng hệ số tắt chấn tương đối. Hệ số đặc trưng cho sự dập tắt dao động của hệ thống treo và được mô tả bằng công thức:
2 tr K CM = PT 4.2 Trong đó: • - Hệ số dập tắt chấn động ( = 0,15 – 0,3). Lấy = 0,2 • C – độ cứng của hệ thống treo
• M – Khối lượng được treo trên mỗi bánh • Ktr – hệ số cản của hệ thống treo
Từ đó, tính được hệ số cản của hệ thống treo bằng công thức:
treo 2
K = CM PT 4.3
39 • Treo sau: 𝐾𝑡𝑟𝑒𝑜 = 2.0,2. √44304.44 = 1693 (N.s/m)
*Thông số lốp
Vì tài liệu tra cứu và thiết kế còn giới hạn, một số chỉ số được lựa chọn theo tỉ lệ của thông số được cung cấp sẵn trên thư viện của phần mềm:
Với loại lốp có bán kính 0,63 m thì độ cứng C và hệ số cản Klốp là: {𝐶 = 400000 𝐾 = 100000
=> Loại lốp đang khảo sát có R = 0,27 thì { 𝐶 = 171429 𝑁/𝑚 𝐾 = 42857 (𝑁. 𝑠/𝑚)
Các thông số được nhập vào phần mềm AMESIM:
Bảng 4.1 Bảng số liệu
STT Thông số Giá trị Đơn vị
1 Trọng lực 9,8 m/s/s
2 Tọa độ x trọng tâm của toàn xe 1,26 m
3 Tọa độ z trọng tâm của toàn xe 0,8 m
4 Vận tốc đầu 40 km/h
5 Khối lượng toàn xe 1530 kg
6 Khối lượng không được treo phía sau 80 kg 7 Khối lượng không được treo phía trước 90 kg
8 Khoảng cách trục 2100 mm
9 Vết bánh trước 1310 mm
10 Vết bánh sau 1330 mm
11 Độ cứng của bộ phận đàn hồi hệ thống
treo trước 27251 N/m
12 Hệ số cản của hệ thống treo trước 1041 N.s/m 13 Độ cứng của bộ phận đàn hồi hệ thống
treo sau 44304 N/m
14 Hệ số cản của hệ thống treo sau 1693 N.s/m
15 Bánh kính bánh xe 0,27 m
16 Độ cứng của lốp 171429 N/m
17 Hệ số cản của lốp 42857 N.s/m
18 Tọa độ x trọng tâm cabin 0 m
19 Tọa độ z trọng tâm cabin 1.05 m
20 Khối lượng cabin (có người) 230 kg
4.5 Kết quả
4.5.1Kết quả tải trọng động
Kết quả thu được sau khi kiểm tra xe di chuyển thẳng vận tốc không đổi 40 km/h nên tổng thời gian xe di chuyển là 22,5s. Đồng thời, vì coi xe là đối xứng 2
40 bên nên tải trọng động thu được ở 2 bên hệ thống treo cũng bằng nhau. Kết quả tải trọng động thu thập được sau quá trình di chuyển cụ thể trên mỗi loại đường như sau:
Hình 4.12 Tải trọng động tại treo trước (AB)
41
Hình 4.14 Tải trọng động tại treo trước (BC)
42
Hình 4.16 Tải trọng động tại treo trước (CD)
Hình 4.17 Tải trọng động tại treo sau (CD)
4.5.2Đánh giá kết quả
Từ các giá trị tải trọng động thu được qua các loại đường trên, ta có thể đưa ra một số số liệu để đánh giá như bảng bên dưới:
43
Bảng 4.2 Giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tải trọng động trên các loại đường
Loại đường
Treo trước Treo sau
Max Min Max Min
AB 3146,655 2741,234 4892,415 4210,671
BC 3423,364 2515,237 5420,407 3897,773