Luận án Xây dựng mô hình động lực học nghiên cứu tính dẫn hướng của ô tô khách

Nội dung text: Luận án Xây dựng mô hình động lực học nghiên cứu tính dẫn hướng của ô tô khách

1. 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Đặng Việt Hà và PGS.TS. Cao Trọng Hiền. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2 Nghiên cứu sinh TS. Đặng Việt Hà PGS.TS. Cao Trọng Hiền Đinh Quang Vũ
2. 2 LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Trƣờng Ðại học Giao thông vận tải, Khoa cơ khí, Bộ môn Ô tô đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh thực hiện luận án tại Trƣờng Ðại học Giao thông vận tải. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn tập thể thầy hƣớng dẫn là TS. Đặng Việt Hà và PGS.TS. Cao Trọng Hiền đã tận tình hƣớng dẫn trong việc định hƣớng nghiên cứu và phƣơng pháp giải quyết các vấn đề cụ thể đặt để thực hiện và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin cảm ơn các Thầy, Cô trong bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí - Trƣờng Ðại học Giao thông vận tải, luôn giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất để hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin cảm ơn các Thầy, Cô trong bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, phòng thí nghiệm Động lực học và truyền động các phƣơng tiện cơ giới - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã ủng hộ và giúp đỡ để hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin cảm ơn Cục Đăng kiểm Việt Nam, Trung tâm thử nghiệm xe cơ giới cùng bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn đến các chuyên gia ngành Động lực đã đóng góp các ý kiến quý báu để luận án đƣợc hoàn thiện. Cuối cùng nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những ngƣời đã luôn động viên, khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Đinh Quang Vũ
3. 3 MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7 DANH MỤC BẢNG BIỂU 11 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 12 MỞ ĐẦU 17 Mục tiêu nghiên cứu 17 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 17 Phƣơng pháp nghiên cứu 18 Những kết quả mới và ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án 18 Nội dung luận án 19 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 20 1.1. Tính dẫn hƣớng của ô tô 20 1.1.1. Khái niệm về sự lăn lệch của bánh xe đàn hồi 21 1.1.2. Tính quay vòng của ô tô 24 1.1.3. Các yếu tố đánh giá tính dẫn hƣớng 27 1.2. Mô hình động lực học nghiên cứu tính dẫn hƣớng của ô tô 28 1.2.1. Mô hình phẳng một khối lƣợng 29 1.2.2. Mô hình không gian một khối lƣợng 30 1.2.3. Mô hình không gian 3 khối lƣợng nghiên cứu tính dẫn hƣớng 32 1.3. Các nghiên cứu tính dẫn hƣớng của ô tô ở trong và ngoài nƣớc 33 1.3.1. Nghiên cứu trong nƣớc 33 1.3.2. Nghiên cứu ngoài nƣớc 35 1.4. Mục tiêu, đối tƣợng, phạm vi, phƣơng pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học, thực tiễn 37 1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu 37 1.4.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 37
4. 4 1.4.3. Phƣơng pháp nghiên cứu 37 1.4.4. Những kết quả mới và ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án 38 1.4.5. Nội dung luận án 38 1.5. Kết luận chƣơng 1 39 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC NGHIÊN CỨU TÍNH DẪN HƢỚNG CỦA Ô TÔ KHÁCH 40 2.1. Phân tích cấu trúc và các giả thiết lập mô hình 40 2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu 40 2.1.2. Phân tích cấu trúc của đối tƣợng 43 2.1.3. Các giả thiết khi xây dựng mô hình 43 2.2. Xây dựng mô hình động lực học 44 2.3. Hệ quy chiếu 46 2.4. Thiết lập hệ phƣơng trình toán học 47 2.4.1. Trong mặt phẳng đƣờng xOy 47 2.5. Cấu trúc mô hình động lực học ô tô khách 65 2.6. Điều kiện đầu vào của phƣơng trình vi phân 66 2.7. Kết luận chƣơng 2 67 CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT TÍNH DẪN HƢỚNG CỦA Ô TÔ KHÁCH SẢN XUẤT LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM 68 3.1. Lựa chọn các thông số để khảo sát 68 3.1.1. Tiêu chí đánh giá tính dẫn hƣớng 68 3.1.2. Các phƣơng án khảo sát 69 3.2. Điều kiện khảo sát 70 3.2.1. Quy luật đánh lái 70 3.2.2. Thuật toán giải hệ phƣơng trình vi phân bằng phần mềm mô phỏng số 71 3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của một số thông số đến tính dẫn hƣớng của ô tô 74
5. 5 3.3.1. Khảo sát đặc tính lốp 74 3.3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của áp suất lốp đến gia tốc ngang. 80 3.3.4. Khảo sát ảnh hƣởng của áp suất lốp đến vận tốc góc quay thân xe. 84 3.3.5. Khảo sát ảnh hƣởng của áp suất lốp đến quỹ đạo chuyển động 88 3.4. Kết luận chƣơng 3 94 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 95 Thí nghiệm xác định các thông số đầu vào 95 Thí nghiệm ô tô trên đƣờng và bãi thử về tính dẫn hƣớng 95 4.1. Thí nghiệm xác định các thông số đầu vào 95 4.1.1. Đo khối lƣợng ô tô 95 4.1.2. Đo tọa độ trọng tâm của ô tô 98 4.1.3. Thí nghiệm đo tỷ số truyền của hệ thống lái 101 4.1.4. Xác định một số thông số kích thƣớc làm thông số đầu vào cho bài toán lý thuyết 102 4.1.5. Đo độ cứng ngang của lốp 104 4.2. Thí nghiệm ô tô trên đƣờng và bãi thử về tính dẫn hƣớng. 114 4.2.1. Điều kiện thí nghiệm 114 4.2.2. Thiết bị thí nghiệm 115 4.2.3. Quá trình thí nghiệm 120 4.2.4. Đánh giá kết quả đo và kết luận 122 4.3. Kết luận chƣơng 4 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 130 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 131 PHỤ LỤC 1. CÁC THAM SỐ ĐẦU VÀO CỦA MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC 136 PHỤ LỤC 2: TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN ĐỒ GÁ 139
6. 6 ĐO ĐỘ CỨNG NGANG CỦA LỐP 139 PHỤ LỤC 3. GIẢI HỆ PHƢƠNG TRÌNH BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 142 PHỤ LỤC 4. QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM QUAY VÕNG VỚI GÓC QUAY VÀNH TAY LÁI VÀ VẬN TỐC DỌC KHÔNG ĐỔI 145 PHỤ LỤC 5. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM 148
7. 7 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Thông số Ký hiệu Đơn vị 2 1. Áp suất không khí trong lốp trƣớc/ sau Pw1/ Pw2 N/m 2 2. Áp suất không khí trong lốp Pw N/m Bán kính quay vòng của ô tô tính đến trọng tâm của xe trong 3. R m trƣờng hợp lốp không biến dạng Bán kính quay vòng của ô tô tính đến trọng tâm của xe trong 4. R m trƣờng hợp lốp biến dạng b 5. B án kính động lực học của bánh xe rd m 6. Mấp mô mặt đƣờng thứ ij, (i=1,2; j=T,P) hij m 7. Chiều cao từ trọng tâm xe tới mặt đƣờng h1 m 8. Chiều cao tâm quay tức thời của cầu i, (i=1,2) hri m 9. Chiều cao tâm khí động tác động vào xe hw m 10. Chiều dài cơ sở xe L m 11. Đƣờng kính tự do của lốp D m 12. Chiều rộng toàn bộ của ô tô B m Khoảng cách từ trọng tâm khối lƣợng đƣợc treo đến cầu 13. a , b m trƣớc, sau n n 14. Khoảng cách từ trọng tâm xe đến trục nghiêng hka m 15. Vết bánh xe trƣớc/ sau B1/ B2 m 16. Chuyển vị ngang của cầu thứ i theo phƣơng ngang, (i=1,2) ycj m 17. KhoảngK cách 2 hệ thống treo cầu i, (i=1,2) 2wi m 18. Chuyển vị tâm cầu thứ i, (i=1,2) ξci m Chuyển vị theo trục x tâm vết tiếp xúc bánh xe thứ ij, (i=1,2; 19. e m j=T,P) xij Chuyển vị điểm liên kết dƣới, trên của hệ treo bánh xe thứ ij 20. ξ , ξ m (i=1,2; j=T,P) Dij Tij Độ võng động (hành trình trả) của hệ thống treo thứ ij (i=1,2; t 21. f m j=T,P) dij
8. 8 Độ võng tĩnh (hành trình nén) của hệ thống treo thứ ij (i=1,2; n 22. f m j=T,P) dij Chuyển vị thẳng đứng trọng tâm bánh xe thứ ij (i=1,2; 23. ξ m j=T,P) ij 24. Chuyển vị thẳng đứng của khối lƣợng đƣợc treo z m 25. Độ cứng thanh ổn định trƣớc và sau CT1, CT2 Nm/rad 26. Độ cứng ngang của lốp Ky N/rad 27. Độ cứng hƣớng kính của lốp thứ ij, (i=1, j=T,P) CLij N/m 28. Độ cứng hệ thống treo Cij 2 29. Gia tốc tại trọng tâm xe theo phƣơng x, y, z jx, jy, jz m/s 30. Góc lăn lệch trung bình của các bánh xe cầu trƣớc, sau 1, 2 rad 31. Góc lăn lệch do lực ngang tác dụng y rad 32. Góc lăn lệch do góc vát bánh xe gây ra  rad 33. Góc lắc ngang cầu trƣớc, sau βc1, βc2 rad 34. Góc quay trung bình của các bánh xe dẫn hƣớng  rad 35. Góc quay bánh xe dẫn hƣớng cầu trƣớc bên phải, trái P,  rad 36. Góc quay vành tay lái rad 37. Góc lắc dọc của khối lƣợng đƣợc treo, không đƣợc treo n, h rad  38. Góc lắc ngang thân xe (khối lƣợng đƣợc treo) k  rad 39. Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo thứ ij, (i=1,2; j=T,P) Kij N/(m/s) 40. Hệ số cản giảm chấn hƣớng kính lốp thứ ij, (i=1,2; j=T,P) KLij N/(m/s) s 41. Hệ số trƣợt dọc của bánh xe ij 42. Khối lƣợng toàn bộ của ô tô ma kg 43. Khối lƣợng đƣợc treo của ô tô mn kg 44. Khối lƣợng không đƣợc treo cầu trƣớc, sau mh1, mh2 kg
9. 9 45. Khối lƣợng toàn bộ phân bố lên bánh xe cầu trƣớc, sau m1, m2 kg 46. Lực dọc, ngang tác dụng lên xe ô tô Px, Py N 47. Lực quán tính ly tâm tác dụng theo phƣơng trục x, y của xe Pjx, Pjy N 48. Lực cản khí động Fwx N 49. Lực đàn hồi lốp bánh xe thứ ij, (i=1, j=T,P) ZCLij N 50. Lực đàn hồi hệ thống treo thứ ij, (i=1, j=T,P) ZCij N 51. Lực cản giảm chấn lốp bánh xe thứ ij, (i=1, j=T,P) ZKLij N 52. Lực cản giảm chấn hệ thống treo thứ ij, (i=1, j=T,P) ZKij N 53. Phản lực theo trục z bánh xe thứ ij, (i=1, j=T,P) ZLij N Lực liên kết ngang khối lƣợng không treo và đƣợc treo tại 54. Y N tâm quay Ri (i=1,2) tác động từ cầu ri Lực liên kết ngang khối lƣợng không treo và đƣợc treo tại 55. Y’ N tâm quay Ri (i=1,2) tác động từ khối lƣợng đƣợc treo ri 56. Lực ngang bánh xe thứ ij, (i=1, j=T,P) Yij N X 57. Lực dọc bánh xe thứ ij (i=1, j=T,P) ij N X' 58. Phản lực dọc bánh xe thứ ij (i=1, j=T,P) ij N Mx, My, 59. Mô men quanh trục x, y, z của ô tô Nm Mz Mô men quán tính của khối lƣợng đƣợc treo đối với trục x, 60. J , J , J kgm2 y, z x y z 2 61. Mô men quán tính của bánh xe theo trục x (i=1,2; j=T,P) JLij kgm 2 62. Mô men quán tính của cầu trƣớc, cầu sau Jc1, Jc2 kgm 63. Mô men phanh đặt lên các bánh xe thứ ij, (i=1,2; j=T,P) MPij Nm 64. Mô men chủ động đặt lên các bánh xe thứ ij, (i=1,2; j=T,P) MKij Nm 65. Mô men lắc ngang do thanh ổn định cầu thứ i (i=1,2) MTi Nm 66. Mô men quay bánh xe thứ ij quanh trục y (i=1,2; j=T,P) Mij Nm 67. Phản lực bên tác dụng tại tâm bánh xe Yk N
10. 10 68. P hản lực từ mặt đƣờng lên lốp trái, phải ở cầu trƣớc; Z1T, Z1P N 69. Phản lực từ mặt đƣờng lên lốp trái, phải ở cầu sau; Z2T, Z2P N 70. Tải trọng tĩnh lên các bánh xe thứ ij, (i=1,2, j=T,P) ZTij N 71. Tỷ số truyền của hệ thống lái i Vận tốc góc quay theo phƣơng thẳng đứng của bánh xe dẫn 72.  rad/s hƣớng k 73. Vận tốc chuyển động dọc của xe vx m/s 74. Vận tốc chuyển động ngang của xe vy m/s Vận tốc chuyển động của bánh xe ij theo trục x, y (i=1, 75. v , v m/s j=T,P) axij ayij 76. Vận tốc góc quay thân xe ωa rad/s
11. 11 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Bảng phụ thuộc độ cứng ngang với đặc tính của lốp 27 Bảng 2. 1. Bảng các hệ số mô hình pacejka 1 [29][39] 63 Bảng 2. 2. Bảng các hệ số mô hình pacejka 2 64 Bảng 3. 1. Các chế độ khảo sát mô hình lốp 69 Bảng 3. 2. Các chế độ khảo sát mô hình không gian 3 khối lƣợng nghiên cứu tính dẫn hƣớng 69 Bảng 3. 3. Bánh kính quỹ đạo khi áp suất trƣớc giảm 91 Bảng 3. 4. Bánh kính quỹ đạo khi áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm 93 Bảng 3. 5. Sự thay đổi về quỹ đạo khi thay đổi áp suất 2 bánh xe và 1 bánh xe 93 Bảng 4. 1. Kết quả đo khối lƣợng phân bố lên cầu trƣớc và sau 96 Bảng 4. 2. Kết quả trung bình sau ba lần đo 97 Bảng 4. 3. Kết quả đo tọa độ trọng tâm theo phƣơng dọc xe 98 Bảng 4. 4. Kết quả đo tọa độ trọng tâm theo chiều cao 100 Bảng 4. 5. Kết quả đo tỷ số truyền i 102 Bảng 4. 6. Giá trị kích thƣớc cho tính toán 103 Bảng 4. 7. Bảng Thông số kỹ thuật bộ cảm biến RoaDyn S650 sp 106 Bảng 4. 8. Trình tự các lƣợt đo độ cứng ngang lốp 110 Bảng 4. 9. Giá trị của áp suất hơi lốp 120 Bảng 4.10. Giá trị sai lệch bình phƣơng trung bình gia tốc ngang 124
12. 12 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Sự thay đổi vết tiếp xúc và các mối quan hệ động học, động lực học của bánh xe khi vk = 0 và vk 0 [22] 21 Hình 1. 2. Góc lăn lệch do góc vát bánh xe tạo ra [24] [50] [29] 22 Hình 1. 3. Sự phụ thuộc góc lăn lệch của bánh xe vào lực ngang [1] 23 Hình 1. 4. Sơ đồ quay vòng của ô tô hai trục khi lốp biến dạng bên 24 Hình 1. 5. Sơ đồ ô tô với tính quay vòng trung hòa 25 Hình 1. 6. Sơ đồ ô tô với tính quay vòng thiếu 26 Hình 1. 7. Sơ đồ ô tô với tính quay vòng thừa 26 Hình 1. 8. Sơ đồ động lực học nghiên cứu [46] 28 Hình 1. 9. Mô hình phẳng một khối lƣợng của ô tô khi quay vòng 29 Hình 1. 10. Mô hình không gian một khối lƣợng của ô tô 31 Hình 1. 11. Sơ đồ mô hình không gian 3 khối lƣợng nghiên cứu tính dẫn hƣớng 32 Hình 2. 1. Ô tô khách Hyundai COUNTY HM K29SL 41 Hình 2. 2. Sơ đồ hệ thống lái ô tô khách Hyundai COUNTY HM K29SL 42 Hình 2. 3. Một số thông số trên sơ đồ hệ thống lái 42 Hình 2. 4. Mô hình không gian 3 khối lƣợng nghiên cứu tính dẫn hƣớng của ô tô khách 45 Hình 2. 5. Hệ trục tọa độ khảo sát 46 Hình 2.6. Mô hình động lực học ô tô khách trong mặt phẳng đƣờng 48 Hình 2.7. Sơ đồ các lực tác động lên khối lƣợng đƣợc treo ô tô khách trong mặt phẳng xOz. 49 Hình 2.8. Sơ đồ các lực tác động lên khối lƣợng đƣợc treo ô tô khách trong mặt phẳng yOz 50 Hình 2.9. Động lực học cầu xe thứ i 51 Hình 2.10. Động lực học bánh xe đàn hồi 54 Hình 2.11. Mô hình không gian 3 khối lƣợng nghiên cứu tính dẫn hƣớng trong mặt phẳng dọc xe và ngang xe 56
13. 13 Hình 2.12. Sơ đồ động học ô tô khách khi quay vòng 57 Hình 2.13. Biểu diễn lốp theo mô hình Pacejka 60 Hình 2. 14. Động học bánh xe cầu trƣớc của ô tô ([6][34]) 61 Hình 2.15. Cấu trúc mô hình động lực học ô tô khách 65 Hình 3. 1. Góc quay của vành tay lái lý thuyết và thực nghiệm 71 Hình 3. 2. Sơ đồ thuật toán giải hệ phƣơng trình động lực học mô hình lốp Pacejka 72 Hình 3. 3. Sơ đồ thuật toán giải hệ phƣơng trình động lực học mô hình không gian 3 khối lƣợng nghiên cứu tính dẫn hƣớng 73 Hình 3. 4. Mối quan hệ góc lăn lệch và lực ngang Fy tại tải trọng 2000 N 74 Hình 3. 5. Mối quan hệ góc lăn lệch và lực ngang Fy tại tải trọng 4000 N 74 Hình 3. 6. Mối quan hệ góc lăn lệch và lực ngang Fy tại tải trọng 6000 N 75 Hình 3. 7. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất lốp trƣớc giảm) tới hiệu góc lăn lệch (δ1 – δ2) ở vận tốc 20 km/h 75 Hình 3. 8. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất lốp trƣớc giảm) tới hiệu góc lăn lệch ở vận tốc 30 km/h 76 Hình 3. 9. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất lốp trƣớc giảm) tới hiệu góc lăn lệch ở vận tốc 40 km/h 77 Hình 3. 10. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) tới hiệu góc lăn lệch ở vận tốc 20 km/h 78 Hình 3. 11. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) tới hiệu góc lăn lệch ở vận tốc 30 km/h 78 Hình 3. 12. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) tới hiệu góc lăn lệch ở vận tốc 40 km/h 79 Hình 3.13. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất lốp trƣớc giảm) tới gia tốc ngang ở vận tốc 20 km/h 80 Hình 3. 14. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất lốp trƣớc giảm) tới gia tốc ngang ở vận tốc 30 km/h 81
14. 14 Hình 3. 15. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất lốp trƣớc giảm) tới gia tốc ngang ở vận tốc 40km/h 81 Hình 3. 16. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) tới gia tốc ngang ở vận tốc 20 km/h 82 Hình 3. 17. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) tới gia tốc ngang ở vận tốc 30 km/h 83 Hình 3. 18. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) tới gia tốc ngang ở vận tốc 40 km/h 83 Hình 3. 19. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất lốp trƣớc giảm) tới vận tốc quay thân xe ở vận tốc 20 km/h 84 Hình 3. 20. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất lốp trƣớc giảm) tới vận tốc quay thân xe ở vận tốc 30 km/h 85 Hình 3. 21. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất lốp trƣớc giảm) tới vận tốc quay thân xe ở vận tốc 40 km/h 85 Hình 3. 22. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) tới vận tốc quay thân xe ở vận tốc 20 km/h 86 Hình 3. 23. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) vận tốc quay thân xe ở vận tốc 30 km/h 87 Hình 3. 24. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) vận tốc quay thân xe ở vận tốc 40 km/h 87 Hình 3. 25. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất trƣớc giảm) tới quỹ đạo ở vận tốc 20 km/h, thời gian khảo sát 27s 88 Hình 3. 26. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất trƣớc giảm) tới quỹ đạo ở vận tốc 30 km/h, thời gian khảo sát 20 s 89 Hình 3. 27. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất trƣớc giảm) tới quỹ đạo ở vận tốc 40 km/h, thời gian khảo sát 16 s 90 Hình 3. 28. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) tới quỹ đạo ở vận tốc 20 km/h, thời gian khảo sát 27s 91
15. 15 Hình 3. 29. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) tới quỹ đạo ở vận tốc 30 km/h, thời gian khảo sát 20s 92 Hình 3. 30. Đồ thị ảnh hƣởng áp suất lốp (áp suất 1 bên lốp cầu trƣớc giảm) tới quỹ đạo ở vận tốc 40 km/h, thời gian khảo sát 16s 92 Hình 4. 1. Cân điện tử MSI – 5300 [55] 96 Hình 4. 2. Sơ đồ tính toán các tọa độ trọng tâm phƣơng dọc xe 98 Hình 4. 3. Sơ đồ tính toán các tọa độ trọng tâm theo chiều cao 99 Hình 4. 4. Cân khối lƣợng xe khi trên cầu dốc 100 Hình 4. 5. Thiết bị đo góc quay bánh xe dẫn hƣớng (bàn đo góc) 101 Hình 4. 6. Một số thông số kích thƣớc cơ bản 103 Hình 4. 7. Vị trí các cảm biến trên hình chiếu bằng 104 Hình 4. 8. Sơ đồ nguyên lý đo độ cứng ngang của lốp 105 Hình 4. 9. Sơ đồ đấu nối thiết bị đo độ cứng ngang của lốp 105 Hình 4. 10. Bộ cảm biến RoaDyn S650 sp [56] 106 Hình 4. 11. Bộ thu thập dữ liệu KiRoad Performance [57] 107 Hình 4. 12. Thiết bị đo góc nghiêng Moore and Wright [58] 108 Hình 4. 13. Tổng quan mô hình thực nghiệm xác định độ cứng ngang của lốp 109 Hình 4. 14. Đồ gá xác định độ cứng ngang đƣợc thiết kế cho băng thử 109 Hình 4. 15. Mô tả hai thanh chữ L và chữ Z của đồ gá 110 Hình 4. 16. Hình ảnh thí nghiệm đo độ cứng ngang của lốp 110 Hình 4. 17. Đồ thị khảo sát ảnh hƣởng của tải trọng đến độ cứng ngang của lốp 112 Hình 4. 18. Đồ thị so sánh độ cứng ngang của lốp mô hình, thực nghiệm tại áp suất 660 kPa 113 Hình 4. 19. Đồ thị so sánh độ cứng ngang của lốp mô hình, thực nghiệm tại áp suất 420 kPa 113 Hình 4. 20. Mặt đƣờng thí nghiệm khu vực Mỹ Đình 114 Hình 4. 21. Sơ đồ đấu nối thiết bị thí nghiệm 115
16. 16 Hình 4.22. Bộ thu thập dữ liệu Q.brixx DAQ 116 Hình 4.23. Hình dáng cảm biến V1 117 Hình 4.24. Thiết bị đo vận tốc, quỹ đạo chuyển động DS-VGPS 118 Hình 4.25. Thiết bị đo góc quay, lực và mô men tác dụng lên vành tay lái MSW 118 Hình 4.26. Bộ cảm biến đo gia tốc và các góc quay thân xe BST IMU-M 119 Hình 4.27. Xe và các thành viên tham gia thí nghiệm 120 Hình 4. 28. Thí nghiệm quay vòng với góc quay vành tay lái và vận tốc dọc không đổi 121 Hình 4. 29. Gia tốc ngang của ô tô lý thuyết và thí nghiệm khi quay vòng ở vận tốc 30 km/h áp suất tiêu chuẩn 122 Hình 4. 30. Gia tốc ngang của ô tô lý thuyết và thí nghiệm khi quay vòng ở vận tốc 30 km/h áp suất giảm 123 Hình 4. 31. Quỹ đạo chuyển động của ô tô lý thuyết và thí nghiệm khi quay vòng ở vận tốc 30 km/h áp suất tiêu chuẩn 125 Hình 4. 32. Quỹ đạo chuyển động của ô tô lý thuyết và thí nghiệm khi quay vòng ở vận tốc 30 km/h áp suất giảm 126
17. 17 MỞ ĐẦU Ngày nay, ô tô là phƣơng tiện vận tải đƣợc sử dụng rộng rãi trong hoạt động kinh tế và xã hội và nó đang dần trở nên phổ biến ở trên thế giới. Việc nghiên cứu để nâng cao tính an toàn khi sử dụng của loại phƣơng tiện này luôn là vấn đề đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm giải quyết. Sự phát triển của ngành ô tô có nhiều bƣớc nhảy vọt về kỹ thuật và công nghệ, đem lại hiệu quả kinh tế ngày càng cao và an toàn hơn cho ngƣời sử dụng. Trong đó, động lực học của ô tô khi chuyển động là một trong những tính chất rất quan trọng. Việc tính toán chính xác các chỉ tiêu đánh giá tính động lực học của ô tô là một vấn đề rất khó thực hiện. Vì các chỉ tiêu này phụ thuộc vào nhiều yếu tố[25], trong đó có yếu tố ngẫu nhiên. Cùng với sự phát triển nhanh của ngành công nghệ thông tin và các thiết bị, phần mềm nghiên cứu ngày càng chính xác hơn, nên nhiều bài toán đƣợc giải quyết một cách nhanh chóng với độ chính xác cao giúp cho quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo đƣợc thuận lợi và chính xác hơn rất nhiều tạo điều kiện thuận lợi cho ngành công nghiệp ô tô ngày càng phát triển và đảm bảo đƣợc các yêu cầu của ngƣời sử dụng. Từ khi ra đời cho đến nay, ngành công nghiệp ô tô đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật. Với sự tăng trƣởng tốc độ và mật độ chuyển động của ô tô, đòi hỏi ô tô phải đảm bảo tính dẫn hƣớng ở mức độ cao. Vì vậy để hạn chế tối đa tai nạn giao thông xảy ra, việc nghiên cứu sâu hơn về tính dẫn hƣớng của xe ô tô sản xuất lắp ráp trong nƣớc là rất cần thiết trong giai đoạn hiện nay. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hƣởng sự lăn lệch bánh xe đàn hồi đến tính dẫn hƣớng của ô tô khách sản xuất lắp ráp ở Việt Nam. Đề xuất biện pháp nâng cao tính dẫn hƣớng của ô tô. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là một loại ô tô khách sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam.
18. 18 Phạm vi nghiên cứu của luận án là sự lăn lệch bánh xe đàn hồi đến tính dẫn hƣớng của ô tô. Phương pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và đánh giá kiểm chứng lý thuyết thông qua thực nghiệm. Về lý thuyết: - Xây dựng mô hình toán học và giải để khảo sát. - Sử dụng phần mềm để tính toán, mô phỏng. Về thực nghiệm đo các thông số động lực học quay vòng nhƣ: gia tốc ngang, vận tốc góc quay thân xe, quỹ đạo quay vòng để so sánh, đánh giá mô hình lý thuyết. Qua đó kiểm chứng mô hình động lực học đã xây dựng. Thực nghiệm với các thiết bị có độ tin cậy cao và phƣơng pháp đo tiên tiến, dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế hiện hành. Những kết quả mới và ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án Những kết quả mới của luận án: - Đã xây dựng mô hình không gian động lực học quay vòng ô tô để khảo sát ảnh hƣởng của áp suất lốp đến sự lăn lệch của bánh xe, đến gia tốc ngang thân xe, vận tốc quay thân xe, quỹ đạo quay vòng của ô tô. - Thí nghiệm xác định các thông số động lực học quay vòng nhƣ: gia tốc ngang; vận tốc quay thân xe; quỹ đạo quay vòng để so sánh, đánh giá mô hình lý thuyết. - Thí nghiệm đo đƣợc đặc tính lăn lệch của lốp trên cơ sở tận dụng thiết bị hiện có. Đồ gá thí nghiệm có thể sử dụng để thí nghiệm cho các loại lốp khác nhau. - Nghiên cứu mô hình Pacejka đối với 8 bộ thông số có tính đến áp suất lốp. Ý nghĩa khoa học:
19. 19 Kết quả nghiên cứu của luận án giúp hoàn thiện hơn cơ sở lý thuyết và thực nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu động lực học chuyển động nói chung và quay vòng nói riêng của ô tô. Đã nghiên cứu ảnh hƣởng của áp suất lốp đến tính dẫn hƣớng của ô tô khách sản xuất lắp ráp tại Việt Nam. Xác định bằng thực nghiệm đặc tính lăn lệch của lốp trên thiết bị chuyên dụng. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng trong hoạt động thực tiễn thử nghiệm xe cơ giới. Là cơ sở đề xuất các giải pháp đảm bảo an toàn giao thông đƣờng bộ. Là tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu và xây dựng các văn bản pháp quy chuyên ngành. Nội dung luận án Xuất phát từ mục đích, đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu, ngoài phần mở đầu, bố cục của luận án bao gồm các chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chƣơng 2: Xây dựng mô hình động lực học nghiên cứu tính dẫn hƣớng của ô tô khách Chƣơng 3: Khảo sát tính dẫn hƣớng của ô tô khách Chƣơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm
20. 20 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tính dẫn hƣớng của ô tô Tính dẫn hƣớng [26][27] là một trong những tính chất quan trọng của ô tô, dƣới tác dụng điều khiển, ô tô có chức năng thay đổi, ổn định hƣớng chuyển động, do đó giữ vai trò quyết định đến an toàn chuyển động của ô tô. Nó xác định khả năng chuyển động an toàn của ô tô ở tốc độ cao và đặc biệt ở trên đƣờng với mật độ giao thông lớn. Khi ô tô chuyển động trên những đoạn đƣờng thẳng thì sự thay đổi bán kính cong của quỹ đạo chuyển động là không đáng kể, ngƣời lái hầu nhƣ chỉ giữ vô lăng ở vị trí trung gian. Khi quay vòng, quá trình chuyển động thƣờng bao gồm: vào đƣờng cong, quay vòng với bán kính không đổi (giai đoạn này có thể không có) và ra khỏi đƣờng vòng. Khi vào và ra khỏi đƣờng vòng, quỹ đạo tâm khối lƣợng của ô tô thay đổi tƣơng ứng với mức độ quay vô lăng lái; còn khi quay vòng với bán kính không đổi ngƣời lái giữ nguyên vô lăng ở vị trí tƣơng ứng với bán kính quay vòng. Đối với ô tô, việc thay đổi hƣớng chuyển động đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi vị trí mặt phẳng lăn của bánh xe dẫn hƣớng phía trƣớc hoặc đồng thời tất cả các bánh xe phía trƣớc và phía sau. Để đảm bảo tính dẫn hƣớng khi quay vòng với bán kính và tốc độ khác nhau thì hệ thống lái phải đảm bảo những yêu cầu cơ bản sau [8]: - Giữ đúng động học quay vòng của các bánh xe dẫn hƣớng (quay vòng không có trƣợt ngang). - Đảm bảo chuyển động thẳng ổn định. - Giữ đƣợc hƣớng chuyển động dƣới tác dụng của góc lăn lệch bánh xe đàn hồi. Các ô tô tham gia giao thông đều sử dụng bánh xe đàn hồi, ƣu điểm bánh xe đàn hồi này là tạo độ bám tốt với đƣờng, nhẹ, ít phá hủy kết cấu mặt đƣờng [41]. Tuy nhiên, một trong những nhƣợc điểm của bánh xe đàn hồi là sinh ra góc lăn lệch [40] [42] (góc lệch, side slip angle) trong quá trình chuyển động, nó gây ra sự
21. 21 sai lệch quỹ đạo trong quá trình chuyển động của xe, điều này ảnh hƣởng lớn đến tính an toàn chuyển động của xe. 1.1.1. Khái niệm về sự lăn lệch của bánh xe đàn hồi Sự chuyển động của ô tô trên đƣờng phụ thuộc rất nhiều vào mối quan hệ của bánh xe với mặt đƣờng [30][25]. Ngày nay ô tô chỉ sử dụng các loại bánh đàn hồi. Giả sử bánh xe đƣợc đặt vuông góc với mặt đƣờng và đứng yên (vk = 0), chịu tác dụng lực thẳng đứng Gk theo phƣơng thẳng đứng (Hình 1.1a) và lực ngang Py tác dụng vào bánh xe tại tâm quay. Tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đƣờng xuất hiện các phản lực của đƣờng tác dụng lên bánh xe: phản lực thẳng đứng Zk và phản lực bên Yk. Do bánh xe đàn hồi nên mặt phẳng đối xứng của bánh xe dịch chuyển một đoạn ak (so với khi không có lực bên Yk). Phần tiếp xúc của bánh xe và đƣờng (vết tiếp xúc) có hình “vỏ đỗ”. a) b) Hình 1. 1. Sự thay đổi vết tiếp xúc và các mối quan hệ động học, động lực học của bánh xe khi vk = 0 và vk 0 [22] Các thí nghiệm chỉ ra rằng biểu đồ phân bố các lực bên phần tử tại vết tiếp xúc có dạng nhƣ trên hình vẽ. Tổng hợp các phản lực bên là Yk đặt tại điểm giữa của vết tiếp xúc. Trƣờng hợp này không tạo nên mô men đàn hồi của bánh xe.
22. 22 Nếu bánh xe lăn (vk 0), biến dạng của phần bánh xe đàn hồi nằm trong vết tiếp xúc sẽ khác nhau. Biểu đồ lực bên có dạng nhƣ trên hình 1.1b. Tổng hợp các phần tử lực bên sẽ dịch chuyển về phía sau so với tâm vết tiếp xúc một đoạn ns (độ dịch sau của lực bên tổng hợp Yk), đồng thời tạo nên sự lệch bên của đƣờng tâm vết tiếp xúc của bánh xe và mặt đƣờng so với phƣơng vận tốc bánh xe Xk một góc y. Góc y đƣợc gọi là góc lăn lệch của bánh xe khi chịu lực bên. Sự lăn lệch bánh xe ô tô không những do lực bên, mà còn xảy ra khi mà bánh xe bị nghiêng so với phƣơng thẳng đứng (bánh xe không đặt thẳng vuông góc với mặt đƣờng) (hình 1.2). Bánh xe có độ nghiêng  (góc vát, camber), lúc này bánh xe sinh ra góc lăn lệch (về phía bánh xe nghiêng)  và góc lăn lệch tỷ lệ với góc  nghiêng bên của bánh xe:   K  trong đó: K - là hệ số cản lăn lệch do góc vát của bánh xe. Hình 1. 2. Góc lăn lệch do góc vát bánh xe tạo ra [24] [50] [29] Góc lăn lệch của bánh xe khi chuyển động đƣợc xác định: PPyy   (1.1) KKKyy Trong đó: γ - Góc vát (camber) bánh xe;
23. 23 δγ - Góc lăn lệch do góc vát bánh xe gây ra; Nếu giả thiết góc vát bánh xe bằng 0, khi đó đồ thị biểu diễn mối quan hệ góc lăn lệch của bánh xe vào lực ngang (hình 1.3) Hình 1. 3. Sự phụ thuộc góc lăn lệch của bánh xe vào lực ngang [8] Trị số của góc lăn lệch δy phụ thuộc đáng kể vào lực ngang Py. Đồ thị thực nghiệm biểu thị sự phụ thuộc giữa Py và δy [Py = f(δy)] đƣợc trình bày trên hình 1.3. Khi lực ngang không lớn, sự phụ thuộc Py = f(δy) hầu nhƣ có dạng tuyến tính (đoạn o o OA), điểm A tƣơng ứng với δyφ= 4 - 6 . Trƣờng hợp này [8] [22] [13] [24]: Py = Ky.δy (1.2) Trong đó KY đƣợc gọi là hệ số cản lăn lệch (độ cứng ngang), bằng lực ngang 0 tạo ra sự lăn lệch với góc δy = 1 (δy = 1 rad) và đƣợc tính bằng N/độ (N/rad). Đối với ô tô du lịch Ky = (250 ÷ 270) N/độ; ô tô vận tải Ky = (1150 ÷ 1650) N/độ [8]. Đoạn AB trên đồ thị Py = f(δY) tƣơng ứng với các giá trị Py mà khi đó sự trƣợt ngang diễn ra ở một phần của vết tiếp xúc (trƣợt cục bộ). Tại điểm B lực Py đạt giá trị cực đại Py = ZK.φy và sự trƣợt ngang bắt đầu xảy ra hoàn toàn. Tƣơng ứng với thời điểm này là góc lệch δyφmax. Góc δyφmax phụ thuộc vào kết cấu lốp, tải trọng thẳng đứng, hệ số bám ngang φy và hàng loạt các nhân tố khác. Thƣờng trên đƣờng 0 0 cứng và khô δyφmax = 12 – 20 [8].
24. 24 Đoạn BC là đoạn ứng với lốp bị trƣợt ngang hoàn toàn; trong đoạn này góc δy tăng nhanh mặc dù Pymax giảm (do hệ số bám φY giảm khi sự trƣợt tăng). Hình 1. 4. Sơ đồ quay vòng của ô tô hai trục khi lốp biến dạng bên Sơ đồ quay vòng của ô tô hai trục khi lốp bị biến dạng bên trình bày hình 1.4. Khi ô tô quay vòng dƣới tác dụng của lực ngang (do lực quán tính li tâm), lốp của các bánh xe cầu trƣớc và cầu sau sẽ lăn lệch các góc δ1 và δ2 tƣơng ứng. Các bánh xe dẫn hƣớng trƣớc, ngoài góc lệch δ1 nó còn đƣợc quay đi một góc trung bình θ [θ = 0,5(θ1T + θ1P)], do đó hƣớng vectơ tốc độ của trục trƣớc tạo với trục dọc xe một góc (θ - δ1), còn hƣớng vectơ tốc độ của cầu sau trùng hƣớng của góc lăn lệch δ2. 1.1.2. Tính quay vòng của ô tô Tính thay đổi các thông số lệch hƣớng do biến dạng bên của lốp so với lốp cứng dƣới tác dụng của lực ngang đƣợc gọi là tính quay vòng của ô tô [26][44]. Tùy theo giá trị và quan hệ giữa δ1 và δ2 mà ô tô có thể có các tính quay vòng khác nhau. Trong trƣờng hợp lốp không biến dạng thì góc lăn lệch của các bánh xe bằng không, trƣờng hợp lốp biến dạng thì góc lăn lệch của các bánh xe khác không [28].
25. 25 Bánh xe khi tiếp xúc mặt đƣờng bị biến dạng, tùy theo quan hệ giữa δ1 và δ2 mà ô tô có thể có các tính quay vòng trung hòa, quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa. a) b) Hình 1. 5. Sơ đồ ô tô với tính quay vòng trung hòa a. Chuyển động thẳng khi có lực ngang tác dụng; b. Chuyển động quay vòng; O, Ob – Tâm quay vòng ô tô với lốp cứng và lốp biến dạng; v1, v2 – Véc tơ tốc độ của các bánh xe trước và sau. - Tính quay vòng trung hòa xảy ra khi δ1 = δ2 (hình 1.5 a,b) [14]. Trong trƣờng hợp này các thông số quay vòng Rb, ωa không phụ thuộc vào lực ngang tác dụng lên ô tô và Rb = R, tuy nhiên tâm quay vòng tức thời Ob dịch chuyển cách tâm trục sau một đoạn c. Mặc dù Rb = R nhƣng quỹ đạo chuyển động của trọng tâm ô tô trong hai trƣờng hợp không trùng nhau. Khi có lực ngang tác dụng để giữ cho ô tô chuyển động thẳng, ngƣời lái cần quay các bánh xe dẫn hƣớng về phía ngƣợc chiều tác dụng của lực ngang một góc δ = δ1 = δ2.