Để tính toán thiết kế ra xe ô tô, các hãng sản xuất mất nhiều thời gian công sức để tính toán chế tạo thử nghiệm và đưa vào sản suất. Gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự hỗ trợ của máy tính các nhà nghiên cứu đã xây dựng được phần mềm CarSim. Với tính toán và mô phỏng gần xác thực, phần mềm CarSim giúp cho con người tiết kiệm được thời gian công của để sản xuất ra chiếc ô tô.
Phần mềm CarSim tính toán và mô phỏng rất nhiều hệ thống trên ô tô nhưng có một phần không kém quan trọng đó là khí động học. Khí động học là nghiên cứu về dòng chảy của chất khí có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tính toán thiết kế khung xe, vật liệu chế tạo và công xuất của động cơ. Việc mô phỏng phân tích tác động của khí động học lên ô tô sẽ cho ta tính toán gần chính xác các lực và mô men tác động lên xe. Và từ đó chúng ta có thể biết các dòng khí có ảnh hưởng tốt hay xấu lên xe. Do vậy, việc ‘Nghiên cứu mô phỏng khảo sát khí động học xe con trong Carsim” là cần thiết và có tính ứng dụng cao.
35
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU PHẦN MỀM CARSIM 2.1. Giới thiệu Carsim
Tổng công ty mô phỏng cơ khí MSC (Mechanical Simulation Corporation) dẫn đầu thế giới trong việc phát triển và phân phối các phần mềm tiên tiến được sử dụng để mô phỏng hành vi, phản ứng của xe khi có sự tương tác động lực học theo 3 phương của xe, các bộ điều khiển tiên tiến, dẫn hướng và đường. MSC được thành lập năm 1996, công ty cung cấp các gói mô phỏng dành cho xe hơi (CarSim), xe tải (TruckSim), dành cho các xe gắn máy (BikeSim). Ngoài ra công ty đào tạo và hỗ trợ liên tục hơn 30 nhà sản xuất OEM, hơn 60 đại lý cấp 1, hơn 150 trường đại học và các nhóm nghiên cứu của chính phủ trên toàn thế giới.
Phần mềm có thể sử dụng trên các hệ điều hành 32 bít, 64 bít cho thời gian mô phỏng nhanh hơn so với thời gian thực. Trên hệ thống có tích hợp cho kiểm tra mô phỏng phần cứng theo vòng kín – Hardware In the Loop (HIL).
2.1.1. Các mô hình trong CarSim
CarSim cung cấp các mô hình toán học mô phỏng các hệ thống trên xe cho phép tùy chỉnh các thông số trong mô hình để đưa bài toán về tối ưu, đồng thời đưa ra các hành động ứng xử của xe trong quá trình mô phỏng. Ngoài ra, CarSim cho phép làm việc cùng một số phần mềm khác như Simulink, labView, ATAS ASCET, chương trình C/C++, Visual Basic,… để tự động hóa hay mở rộng ứng dụng của mô hình.
Chức năng của bảng cấu hình
Có khả năng xác định mối quan hệ phi tuyến giữa các biến độc lập với các biến phụ thuộc trong VS (VehicleSim®). Các mối quan hệ này có thể biểu diễn dưới dạng hằng số, hệ số tuyến tính, bảng phi tuyến với phương pháp nội suy đối với một hay hai biến độc lập.
Nếu lựa chọn các phương pháp đơn giản để cấu hình (Sử dụng hệ số hay nội suy tuyến tính) sẽ rút ngắn được thời gian mô phỏng.
36
Không hạn chế độ dài của bảng khi xác định các hệ số sử dụng bảng Điều khiển dẫn hướng
Tất cả các mô hình điều khiển dẫn hướng được xác định bằng cách sử dụng mô hình trong CarSim hay được lập trình từ các phần mềm khác.
Một mô hình điều khiển lái cho phép người dùng điều khiển theo một quỹ đạo lập trình sẵn.
Các mô hình điều khiển có thể kiểm soát được tốc độ bằng cách đặt trước và khả năng gia tốc giới hạn, đường hình học 3D…
Có thể can thiệp vào hệ thống bằng cách điều khiển vòng kín hoặc vòng hở.
Hiệu ứng gió và khí động học
Có 6 lực và mô men khí động được cấu hình cho khối lượng được treo của xe. Các lực và mô men này được cấu hình chức năng cho độ trượt của khí động, khoảng sáng gầm xe và các góc lượn.
Tốc độ của gió xung quanh và gió chính diện được thiết lập với các bảng, hàm thời gian hay có thể được nhập từ các phần mềm khác.
Hệ thống treo
Các mô hình của 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 phương thẳng đứng. góc đặt các bánh xe được xác định bởi góc camber và góc toe. Tất cả các thông số có thể biểu diễn tuyến tính hoặc phi tuyến thông qua bảng cấu hình.
Hệ treo cầu trước hay cầu sau có thể khai báo là hệ treo độc lập hoặc phụ thuộc. Đối với hệ treo phụ thuộc, khối cầu được coi khối rắn tuyệt đối, sự tương tác giữa các bánh được khởi tạo thông qua tương tác của dầm. Đối với hệ treo độc lập, lò xo và giảm chấn được khai báo phi tuyến có tính đến độ trễ do ma sát.
37
Trong quá trình mô phỏng, người dùng cần khai báo các thông số về khối lượng được 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 cấc thông số cụ thể được trình bày tại hình 2.1.
Hình 2. 1: Các thông số của mô hình hệ thống treo
Hệ thống lái
Sự tương tác giữa hệ thống treo, hệ thống lái, lốp xe và mặt đất được xử lý với một mô hình chi tiết đa vật thể (multibody) có xét tới sự ảnh hưởng của góc kingpin.
Trong mô hình hệ thống cho phép thay đổi tùy chọn lái thông thường hay trợ lực với một thời gian cố định.
38
Hàm mô phỏng được sử dụng cho tốc độ thấp là điều kiện để xác định mô men lái.
Trong quá trình mô phỏng hệ thống lái cần khai báo các đặc tính của trục lái như tính quán tính của trục và của hệ thống, hiện tượng trễ của mô men lái, cần khai báo đặc tính của góc kingpin và kiểu hệ thống lái cho cầu trước. Người dùng có thể lựa chọn hệ thống lái 4 bánh (bốn bánh dẫn hướng). Chi tiết các thông số cần thiết cho mô phỏng được trình bày trong hình 2.2 dưới đây.
Hình 2. 2: Các thông số của mô hình hệ thống lái
Hệ thống phanh
Trong mô hình hệ thống phanh cho phép người sử dụng lựa chọn mô hình phanh thường thủy lực 4 bánh, có sử dụng ABS hoặc không, được phép lựa chọn các chế độ hiệu ứng nhiệt khi phanh và trợ lực phanh.
Áp suất đầu vào của các xy lanh chính tuyến tính với áp suất bơm. Mô men phanh được mô phỏng như một hàm phi tuyến với áp suất bơm. Trong mô hình hệ
39
thống cho phép người dùng tùy chọn cho việc có sử dụng ABS hay dùng thuật toán tích hợp sẵn trong bộ điều khiển đơn giản. Chất lượng điều khiển hay hiệu quả của hệ thống phanh có xét tới sự ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt và động lực học trong truyền động của chất lỏng.
Trên hình 2.3 khai báo lựa chọn mô hình phanh 4 bánh, bộ ABS có thể tắt để sử dụng chế độ phanh thường. Trên mô hình cho phép người sử dụng khai báo mô men phanh tại các bánh. Để thuận lợi trong quá trình khảo sát, mô hình cho phép đặt các ngưỡng điều khiển cho ABS, các ngưỡng này được kiểm soát theo độ trượt. Đồng thời cho lựa chọn vùng tốc độ thấp nhất để cắt ABS ra khỏi hệ thống.
Hình 2. 3: Các thông số của mô hình hệ thống phanh
Mô hình lốp
Trong CarSim gồm nhiều mô hình lốp, luôn sẵn sàng để chạy với mô hình cơ bản sử dụng bảng dữ liệu như các mô hình mở rộng (sử dụng nhiều bảng và hiệu ứng góc camber), phiên bản 5.2 Pacejka của phương pháp ma trận và mô hình MF- tyre từ TNO.
40
Các mô hình được xây dựng trong bảng phi tuyến cho lực bên, lực dọc, mô men quay là hàm của độ trượt, tải trọng và góc camber.
Lực dọc và lực bên được xác định nhờ thuyết trượt được công bố bởi Pacejka và Sharp.
Biến hệ số ma sát được 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.
Hình 2. 4: Các thông số của mô hình lốp
Các bánh xe khác nhau có thể sử dụng được mô hình lốp khác nhau trên cùng một xe.
Vết tiếp xúc của lốp có thể khai báo với 1 đến 4 điểm để định nghĩa cho hình dạng và kích thước của vết tiếp xúc. Điều này đặc trưng cho chức năng như một hàm phi tuyến của độ nén lốp.
41
Các thông số cần thiết cung cấp cho mô hình là bán kính lăn của bánh xe, bán kính tự nhiên của lốp, bước lò xo đặc trưng cho độ đàn hồi của lốp, tải trọng lớn nhất cho phép trên lốp, bề rộng lốp và các góc đặt bánh xe.
Hệ thống động lực
CarSim trình bày chi tiết mô hình hệ thống truyền lực cho dẫn động bánh trước, 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 bướm 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.
Hình 2. 5: Các thông số của mô hình hệ thống động lực
Trên hình 2.5. mô tả hệ truyền truyền lực dẫn động 4 bánh. Dòng công suất của động cơ thông qua ly hợp tới hộp số và được phân chia tới cầu trước và cầu sau.
42
Để khảo sát mô hình hệ thống truyền lực, người dùng cần khai báo đặc tính của động cơ đốt trong, ly hợp, số cấp số trong hộp số…
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 được trước quỹ đạo chuyển động của xe sắp diễn ra.
Carsim hỗ trợ lên tới 99 đối tượng 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 tượng có thể là hằng số hoặc thiết lập theo một phương trình đại số, phương trình vi phân hay tín hiệu từ một phần mềm khác.
Hình 2. 6: Các thông số của mô hình hệ chiếu sáng
Khi sử dụng mô hình các cảm biến và hệ thống chiếu sáng cần khai báo tọa độ điểm đặt của các cảm biến theo 3 phương x,y,z và hướng chiếu là góc chếch so với các trục ox, oy, oz. Vùng hoạt động của cảm biến cần được định nghĩa hay khai báo trong một giới hạn nhất định.
43
2.1.2. Mô hình chủng loại xe sử dụng trong CarSim
Mô hình biên dạng các xe sử dụng trong CarSim tương thích với nhiều hình dáng của các xe trên thị trường hiện nay. Mô hình được xây dựng tuân theo tiêu chuẩn OBJ và OSG. Các mô hình xe xây dựng trong car sim được các hãng cung cấp bản vẽ thiết kế của xe. Các mô hình được trình bày trên hình 2.7, 2.8, 2.9.
44
Hình 2. 8: Mô hình xe sử dụng trong CarSim (hatchback, sedan, sportcar, SUV, GT, minivan)
45
Hình 2. 9: Mô hình xe sử dụng trong CarSim (tractor, wheeler, utility, axle boat trailer, pickup, fomula, stock car)
46
2.2. Một số ứng dụng điển hình của CarSim
2.2.1. Đánh giá các bộ phận cấu thành của xe bằng mô phỏng HIL kết hợp phần mềm hiển thị thời gian thực Labview phần mềm hiển thị thời gian thực Labview
Mô phỏng HIL được các nhà thiết kế và các kỹ sư sử dụng để đánh giá và kiểm tra tính năng của các bộ phận, thành phần trên xe trong quá trình phát triển các hệ thống trên xe ô tô. Thay vì kiểm tra các bộ phận này trên các hệ thống hoàn chỉnh, HIL cho phép kiểm tra bằng sử dụng phần mềm mô phỏng CaSim làm giảm đáng kể kích thước và độ phức tạp của quá trình kiểm tra, thay vào đó tăng tính linh hoạt và tốc độ thử nghiệm và kịch bản thử nghiệm lên rất nhiều.
Trong nhiều trường hợp, các hệ thống chế tạo được phát triển bởi việc mô hình hóa mô phỏng trước tiên. Việc mô hình hóa mô phỏng kết hợp với các bộ phận khác của xe giúp nhà thiết kế xác định được hành vi của hệ thống tổng thể để tối ưu các thuật toán.
Ứng dụng điển hình trong lĩnh vực này là đánh giá hiệu quả hoạt động của ECU ABS với nhiều kịch bản khác nhau. Các thông số của hệ thống bao gồm các kết quả điều khiển van điện từ, lực phanh và mô men phanh trên cơ cấu phanh và động lực học của quá trình phanh.
47
Cơ cấu chấp hành và động lực học của xe được chạy trong phần mềm được điều khiển bởi bộ điều khiển PXI – được phát triển bởi labview, các động thái đáp ứng của xe được mô phỏng bằng phần mềm carsim. Dựa trên các động thái của xe từ mô hình Carsim, ECU tạo ra các tín hiệu điều khiển (tăng áp, giữ áp hay giảm áp) để điều khiển cơ cấu chấp hành, việc này quyết định lực phanh, mô men phanh trong mô hình tại carsim. Động thái đáp ứng của xe được carsim thu lại và truyền tín hiệu cho bộ điều khiển. Hoạt động này diễn ra theo một chu trình kín, thường được gọi là chu kỳ điều khiển.
Kết quả của mô phỏng HIL khi sử dụng kết hợp carsim và labview là đồ thị của vận tốc chuyển động của xe, vận tốc góc các bánh, áp suất các bánh theo thời gian trên hình 2.11
48
2.2.2. Mô phỏng động lực học của xe
Trong bài toán mô phỏng động lực học của xe, Carsim sử dụng mô hình lốp phi tuyến, đặc tính đàn hồi của lò xo phi tuyến và các hiệu ứng động học tuân thủ đặc tính của hệ thống lái và hệ thống treo. Kết quả có đầy đủ giá trị và hình ảnh 3D của các chi tiết, cụm chi tiết trong quá trình khảo sát. CarSim cho phép lựa chọn độc lập các biến trạng thái cho hệ thống treo như:
- Hệ thống treo độc lập cho cả cầu trước và cầu sau
- Hệ thống treo độc lập cho cầu trước, hệ thống treo phụ thuộc cho cầu sau. Để kiểm soát đầu vào, CarSim xác định thời điểm bắt đầu phanh và góc quay vô lăng (điều khiển vòng hở). Ngoài ra, CarSim cũng có các tùy chọn để điều khiển theo vòng kín với biến điều khiển là kiểm soát tốc độ.
49
2.3. Mô hình khí động học
Khí động học trên xe được đặc trưng bởi các véc tơ lực và mô men tác dụng lên trọng tâm của thân xe. Mỗi vector được cấu thành bởi 3 thành phần lực theo phương X, Y, Z song song với hệ quy chiếu trên xe. Mỗi lực thành phần có giá trị bằng tích của hai hệ số không thứ nguyên C1, C2 với tiết diện mặt tác động A và áp lực khí động Q F = C1*C2*A*Q Trong đó Q có giá trị Q = 𝜌𝑉 2 2
V là vận tốc của khí động, 𝜌 là mật độ của dòng khí động, thông thường mật độ của dòng khí động có giá trị 1,26 kg/m3.
Các hệ số C1, C2 khác với 3 phương của lực. Nó là một hàm khí động của góc trượt β và hàm của độ cao trọng tâm Z với góc pitch θ. Các hệ số này có thể khai báo dưới dạng bảng phụ thuộc với các biến β, Z, θ.
Có ba mô men khí động tác động lên trọng tâm của xe. Giá trị này phụ thuộc vào điểm đặt của lực khí động.
Giá trị của mô men khí động được xác định M = C1*C2*A*L*Q
Trong casim có 6 lực và mô men được miêu tả trong bảng 1. Trị số các lực