quan đến độ ổn định dọc của xe. Trong mục 3.1 luận văn sẽ tiến hành mô phỏng chuyển động của xe trong môi trường khí động để từ đó xác định được lực khí động tác dụng lên xe.
3.1.1. Lực và mô men khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh phanh
Các dòng xe sedan được sử dụng rộng rãi tại nước đang phát như Việt Nam việc khảo sát các lực và mô men khí động trên các dòng xe được lắp ráp và lưu hành tại Việt Nam có ý nghĩa và vai trò quan trọng đối với nền công nghiệp ô tô nước nhà, luận văn lựa chọn dòng xe Toyota Vios để khảo sát cho luận văn của mình. Trước khi tiến hành khảo sát khí động, các thông số của xe được cấu hình như trong hình 3.1.
Carsim cho phép người sử dụng cấu hình thông số của xe bằng cách khai báo các đặc tính của khối lượng được treo, động cơ, hệ thống lái, hệ thống phanh, các kích thước hình học và thông số lốp. Ở đây luận văn khai báo cho xe mô hình sử dụng hệ thống treo độc lập ở cả hai cầu, hệ thống phanh sử dụng ABS – trong quá trình khảo sát người dùng có thể ngắt hay kích hoạt hệ thống này. Các thông số
53
quan trọng ảnh hưởng tới việc khảo sát khí động đó là khai trọng tâm của xe và các kích thước hình học.
Hình 3. 1. Cài đặt các thông số cho xe thí nghiệm
Các thông số hình học của xe được trình bày trên hình 3.2. Hệ tọa độ khí động được đặt tại tâm của cầu trước, các phương và chiều được ký hiệu như trên hình vẽ. Tọa độ trong tâm khi đó là (x, y, z) = (-1215, 0, 0). Tọa độ trọng tâm của xe sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mô men khí động, các lực nén và lực nâng của xe khi mô phỏng.
54
Các thông số khi mô phỏng khí động cần khai báo bao gồm tọa độ trọng tâm trên hệ trục tọa độ, diện tích cản chính diện A, khối lượng riêng của dòng không khí và chiều dài cơ sở của xe. Các thông số này được cài đặt trên hình 3.3
Hình 3. 3: Cài đặt thông số khí động cho xe
Trong trường hợp khảo sát này, người lái điều khiển xe tăng tốc trong thời gian 10s bằng cách đạp bàn đạp khi đến khi độ mở bướm ga đạt 65 %. Sau 10s, người lái ngắt động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực và thực hiện phanh xe. Đồ thị vận tốc dài của xe tương ứng với kịch bản vận hành vừa nêu được thể hiện trên hình 3.4.
55
Vận tốc mà người lái thực hiện được trong quá trình khảo sát đạt tới 130 km/h. Trong quá trình vận hành, người điều khiển xe không thực hiện đánh lái, do vậy góc trượt khí động (góc β – được tạo bởi phương của dòng khí độc với trục dọc của xe) có giá trị lý tưởng bằng không. Nếu sự ảnh hưởng của khí động hay quá trình làm xe thay đổi quỹ đạo, góc β sẽ thay đổi theo. Quá trình biến thiên của góc β có thể xét thông qua hình 3.5
Hình 3. 5: Góc trượt khí động trong quá trình mô phỏng
Từ đồ thị của β nhận thấy rằng, trong quá trình tăng tốc và phanh xe ổn định hướng tốt do đó góc β = 0. Tại thời điểm khi xe tiếp giáp với trạng thái dừng, góc β biến thiên nhanh từ -1700 ÷ 1700. Điều này chứng tỏ xe bị lắc dọc trong quá trình phanh tại thời điểm dừng, lực khí động đổi hướng tác động liên tục.
Các lực khí động tác động lên trọng tâm của xe theo 3 phương 0x, 0y, và 0z. Các lực tác dụng lên phía trước của xe là lực cản chính diện, lực cản này tác động theo phương 0x. Lực cản tác động theo phương Oy là các lực bên, lực nâng và lực nén tác động theo phương 0z. Giá trị của các lực khí động được trình bày trên hình 3.6
56
Hình 3. 6: Lực khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh Từ đồ thị hình 3.6 nhận thấy rằng, trong quá trình xe chuyển động thẳng, lực bên khí động tác dụng lên xe không đáng kể. Lực được coi là quan trọng nhất đó là lực cản chính diện, lực cản này tỷ lệ với quá trình biến đổi vận tốc của xe và đạt giá trị lớn nhất bằng -700N (tương đương với việc nâng một vật nặng 70kg). Như vậy có thể thấy rằng nếu xe chuyển động với vận tốc 130 km/h trong thời gian dài, lượng tiêu hao nhiên liệu do ảnh hưởng của khí động là rất đáng kể. Lực nâng tác động lên xe tại vận tốc đạt lớn nhất có giá trị là 200N, điều này có nghĩa là xe giảm được tải trọng 20kg tại vận tốc 130 km/h.
Các giá trị của lực cản khí động, lực bên và lực nâng tác động lên xe quyết định giá trị của mô men khí động. Giá trị của các mô men khí động được trình bày trên hình 3.7
57
Hình 3. 7: Mô men khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh Từ đồ thị mô men thể hiện trên hình 3.7, nhận thấy rằng trong quá trình xe chuyển động thẳng mô men gây lật ( M0x) và mô men xoay thân xe (M0z) có giá trị không đáng kể bởi vậy mô men khí động không ảnh hưởng tới an toàn chuyển động của xe. Trong trường hợp khảo sát này, giá trị mô men xoay quanh trục y đạt 340 Nm. Sự biến thiên lực này trong quá trình vận hành xe cùng với kết cấu của hệ thống treo sẽ quyết định độ cao của cac cầu trong quá trình chuyển động. Nếu mô men này biến thiên liên tục có nghĩa là xe đang dao động theo phương thẳng đứng.
Như vây, từ các kết quả của lực và mô men khí động tác động lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh, sự ảnh hưởng lớn nhất là tính kinh tế nhiên liệu khi vận hành ở tốc độ cao. Để giảm được lực cản chính diện do khí động cần thay đổi hình dáng khí động của xe và diện tích cản chính diện. Việc thay đổi hình dáng động học của xe giúp thay đổi được hệ số khí động, kéo theo đó giảm được các lực cản khí động tác động lên xe.
58
Lực và mô men khí động là các yếu tố chính ảnh hưởng tới khả năng vận hành của xe. Các dòng xe khác nhau có phong cách thiết kế khác nhau và phù hợp với một loại hình vận hành riêng. Trong lĩnh vực khí động, sự thay đổi tiết diện cản khí sẽ làm tăng hoặc cản bề mặt tác động của không khí, sự thay đổi góc chắn kính phía trước sẽ quyết định dòng chảy của không khí. Ngoài ra khoảng sáng gầm xe quyết định lưu lượng không khí chảy qua đó do vậy cũng quyết định lực nâng và lực nén tác động lên xe.
Trong trường hợp này, luận văn tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của khí động tác động lên hai dòng xe chính đó là dòng xe SUV ( dòng xe cơ động, gầm cao…) và dòng xe Van loại lớn.
Kích thước hình học của dòng xe SUV được trình bày trên hình 3.8, tọa độ điểm đặt khí động (x y z) = ( -1309 0 0), diện tích cản chính diện A = 2,8 m2, độ cao trọng tâm h = 670 mm.
Hình 3. 8: Các thông số hình học của dòng xe SUV
Kích thước hình học của dòng xe Van được trình bày trên hình 3.9, tọa độ điểm đặt khí động trên dòng xe này là (x y z) = (-1500 0 0), diện tích cản khí động A = 3,04 m2.
Luận văn tiến hành khảo sát lực và mô men khí động khi xe tăng tốc và phanh. Kịch bản vận hành xe giống mục 3.1.1.
59
Hình 3. 9: Kích thước hình học của xe Van cỡ lớn
Trong quá trình tăng tốc, độ dốc của lực cản khí động theo vận tốc chuyển động thể hiện tính năng khí động của một dòng xe nhất định, độ dốc càng lớn có nghĩa là sự biến thiên về lực khí động nhanh hơn sự biến thiên về vận tốc của xe.
60
3.1.3. Lực và mô men khí động tác dụng lên xe khi xe đánh lái hình sin
Từ các kết quả khảo sát trong mục 3.1.1. nhận thấy lực bên và các mô men lật, xoay thân xe xuất hiện không đáng kể khi xe chuyển động trên quỹ đạo thẳng. Nếu xe chuyển động trên các quỹ đạo phức tạp, lực và mô men khí động sẽ biến đổi phức tạp theo. Trong phần này, luận văn tiến hành khảo sát sự xuất hiện của các lực và mô men khí động khi xe đánh lái theo quy luật hình sin. Quy luật đánh lái của vô lăng vành lái được thể hiện trên hình 3.11
Hình 3. 11: Quy luật đánh lái của vô lăng vành lái
Người lái thực hiện tăng tốc xe tới vận tốc 130 km/h sau đó tiến hành đánh vô lăng vành lái sang trái 90 0 sau đó sang phải 90 0 trong vòng 5s. Do vậy quỹ đạo chuyển động của xe được thay đổi theo quy luật hình sin. Khi xe đổi hướng, trục dọc của xe (0x) thay đổi theo dẫn tới góc trượt khí động β cũng thay đổi. Quy luật thay đổi góc trượt khí động được trình bày trên hình 3.12.
Sự thay đổi của góc trượt khí động dẫn tới diện tích cản chính diện khí động thay đổi theo. Sự thay đổi này kèm theo sự thay đổi giá trị của lực và mô men khí động. Nếu trong quá trình chuyển động, mô men chống lật và mô men chống xoay
61
của xe không thắng được lực cản khí động thì xe mất ổn định, khi đó người lái cần giảm tốc độ để giảm lực và mô men khí động.
Hình 3. 12: Sự thay đổi của góc trượt khí động tác động lên xe
Sự thay đổi của góc trượt khí động được dẫn đến sự thay đổi của hệ số lực khí động. Khi thực hiện đánh lái, người lái đã làm tiết diện cản khí động theo phương 0y thay đổi, do vậy mà lực khí động tác động lên xe thay đổi theo. Giá trị các lực khí động được thể hiện trên hình 3.13
62
Từ đồ thị hình 3.13 nhận thấy rằng: khi xe thực hiện đánh lái và chuyển động với vận tốc không đổi thì lực cản, lực nâng và lực nén thay đổi không đáng kể so với trường hợp đánh lái. Tuy nhiên lực bên tác dụng lên trọng tâm xe bị thay đổi theo góc quay vành lái. Giá trị này đạt lớn nhất bằng 200N, lực này gây mất ổn định bên của xe trong quá trình chuyển động. người lái có thể cảm nhận được lực này khi đánh lái do lực bên khí động tác dụng lên trọng tâm của xe tạo lên moomen quay bánh xe dẫn hướng. Mô men khí động tác dụng lên xe được trình bày trên hình 3.14
Hình 3. 14: Mô men khí động tác dụng lên xe
Sự biến thiên lực bên tạo lên mô men biến thiên theo trục 0x và 0z. Giá trị mô men khí động theo trục 0y đạt giá trị lớn nhất bằng 285 Nm, mô men này gây hiện tượng dúi đầu xe khi thực hiện đánh lái.
Như vậy có thể thấy khi xe đánh lái hình sin, sự tác dụng của lực và mô me khí động gây ảnh hưởng nhất vẫn là lực cản chuyển động. Các lực nâng tác dụng lên xe kèm theo mô men xoay thân xe sẽ làm sẽ mất ổn định ngang.
3.2. Sự tác động của gió tới trạng thái chuyển động của ô tô
Khi xe chuyển động với vận tốc bất kỳ, theo tính tương đối các khối không khí xung quanh xe chuyển động theo. Quá trình quá độ kéo theo chuyển động của không khí gây lên xe lực và mô men tác động lên xe. Các lực và mô men này được
63
tác động bởi khối không khí nên được gọi là khí động. Sự thay đổi về thời tiết, hay sự chênh lệch về áp suất khí quyển tạo nên gió, lực của gió (không khí chuyển động) cũng tác động lên xe các lực và mô men nhất định. Trong mục này, luận văn tiến hành khảo sát sự ổn định chuyển động của xe khi có lực gió ngang và xác định giá trị lực và mô men khí động tác động lên xe. Người lái vận hành xe không đánh lái và phanh, vận tốc thử nghiệm duy trình tại tốc độ 80 km/h khi đi trên đường có lực gió ngang. Loại đường này có hệ số bám thấp φ = 0,15.
Đặc tính của đường thử được khai báo trên hình 3.15
Hình 3. 15: Mô hình đường thí nghiệm
Các quạt tạo gió công suất lớn được đặt 2 bên đường nhằm đảm bảo duy trì tốc độ của gió ngang trong phạm vi 50m khi xe chuyển động qua. Tốc độ của gió có thể điều chỉnh theo mong muốn, ở đây tốc độ gió được cài đặt là 100 km/h tại hai vị trí bên đường so le nhau và cách nhau một khoảng 10m.
64
Hình 3. 16: Đặc tính của gió bên
Lực khí động của gió tác động lên thân xe được trình bày trên hình 3.17, giá trị của lực bên là rất lớn (2200N) do đó các lực nâng và lực cản chính diện được coi như không đáng kể. Lực này gây mất ổn định theo phương ngang của xe. Đặc biệt đối với các loại đường có hệ số bám thấp, lực chống trượt ngang kém, người lái muốn duy trì quỹ đạo thẳng buộc phải đánh lái.
65
Khi xe chuyển động ở tốc độ cao, tạo nên lực quán tính chuyển động, do đó độ ổn định chuyển động theo phương dọc sẽ tốt hơn. Các mô men cản của gió được tạo ra do các lực cản thành phần, bởi vậy hình dáng đồ thị có dạng tương tự và được trình bày trên hình 3.18.
Hình 3. 18: Mô men của gió tác động lên xe
Mô men đối với trục 0x có giá trị bằng 1300Nm, giá trị này rất lớn có thể gây lật xe. Vận tốc của không khí bao quanh xe khi đi vào vùng khí động tăng lên 130 km/h.
66
Hình 3. 20: Góc xoay thân xe
Sự lắc bên (góc xoay) thân xe được ghi lại thông qua cảm biến yaw. Từ đồ thị hình 3.16 cho thấy thân xe dao động không đáng kể, góc dao động lệch so với phương dọc của xe lớn nhất là 2,50.
3.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của lực phân bố khí động tới tính năng vận hành của xe
Trong chương 1, luận văn đã trình bày sự phân bố lực khí động lên xe theo hình dáng của mui xe. Đối với mỗi loại xe khác nhau, diện tích cản chính diện hay các góc lượn dẫn hướng dòng khí động là khác nhau do vậy mà lực khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc là không giống nhau. Sự tác động của lực cản khí động lên xe lớn hay nhỏ phụ thuộc vào hệ số khí động, hệ số này ảnh hưởng trực tiếp tới lượng tiêu hao nhiên liệu và độ ồn của xe trong quá trình vận hành. Trong mục này luận văn tiến hành khảo sát khi hệ số khí động thay đổi về trị số và cách thức biến thiên để thấy được sự thay đổi vận tốc của xe khi chuyển động.
Đối với dòng xe sedan, hệ số khí động chính diện Cfx có dạng hình parabol, giá trị lớn nhất Cfx = 0,28. Sự phụ thuộc của hệ số này vào góc trượt khí động được trình bày trên hình 3.17
67
Hình 3. 21: Hệ số khí động hình parabol
Từ đồ thị hình 3.21 cho thấy, góc khí động thay đổi từ -1800 tới 1800, thông thường xe chạy thẳng nên chỉ xét ở điểm góc trượt khí động bằng 0. Tức trong trường hợp xe chỉ tăng tốc và không đánh lái, góc trượt khí động có giá trị không đổi. Đồ thị vận tốc chuyển động của xe được trình bày trên hình 3.22
68
Kịch bản vận hành trong trường hợp này là điều khiển độ mở bướm ga 65%