Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động đến an toàn chuyển động của loại xe khách khi chuyển động trên đường

Nội dung text: Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động đến an toàn chuyển động của loại xe khách khi chuyển động trên đường

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẾN AN TOÀN CHUYỂN ĐỘNG CỦA LOẠI XE KHÁCH KHI CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƯỜNG. RESEARCH EFFECTS OF ACTION TO SECURE LOAD MOVEMENT OF THE MOVEMENT TYPE VEHICLE ON THE STREET. (1)Lê Thiện Kim Ngân, (2)PGS.TS Nguyễn Văn Phụng (1)Trung tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học và Công nghệ, (2)Trường Đại Học SPKT TP.HCM Tóm tắt: Bài báo này trình bày một nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động đến an toàn chuyển động của loại xe khách khi chuyển động trên đường. Trong bài báo này, tác giả văn tính toán xuất phát từ việc xây dựng mô hình toán học, thiết lập các phương trình vi phân mô tả chuyển động của ô tô đã được mô hình hóa, bài toán dao động ô tô sẽ được giải bằng một chương trình máy tính cho kết quả nhanh chóng và chính xác. Luận văn này sử dụng phần mềm Matlab để giải bài toán dao động ô tô. Mục đích của luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động đến an toàn chuyển động của xe, dựa vào kết quả tính toán ta có thể xác định được điều kiện để xe chạy an toàn trên đường, xác định được vận tốc tới hạn và độ cao mấp mô nguy hiễm mà tại đó xe có thể bị mất lái, mất phanh hoặc mất lực kéo. Từ khóa: This paper presents a study of the influence of dynamic loads to safe movement of passenger cars on the road when moving. In this paper, the authors document calculations derived from the construction of mathematical models, set the differential equations describing the motion of the cars have been modeled, automotive oscillation problems would be using a computer program for rapid results and accurate. This paper uses Matlab software to solve the problem ranged cars. The aim of the thesis was to study the effects of dynamic loads to safe movement of the car, based on the results of calculations can determine the conditions for safe movement of vehicles on the road, determine the velocity to term and dangerous bumpy altitude at which the vehicle can lose steering, braking or loss of traction loss. 1. Giới thiệu. Hiện nay số vụ tai nạn giao thông trên thế giới ngày càng gia tăng theo thống kê tổ chức y tế WTO. Trong đó Việt Nam có số vụ tai nạn giao thông đáng báo động, đặc biệt là ở Thành Phố Hồ Chí Minh, số xe nhập khẩu vào thành phố hồ chí minh ngày một gia tăng, dân số ngày một tăng dần trong khi đó cơ sở hạ tầng giao thông không mở rộng được đặc biệt là các giao lộ và xa lộ nên số vụ tai nạn giao thông cả nước ngày một tăng cao. Xác định tải trọng động tác dụng lên thân xe trong các điều kiện hoạt động khác nhau đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình đánh giá tính chất an toàn khi xe chuyển động trên đường. Trong quá trình chuyển động của xe trên mặt đường có nhiều biên dạng mặt đường mấp mô khác nhau, là nguyên nhân gây ra tải trọng động trực tiếp tác dụng lên thân xe. Có nhiều nghiên cứu liên 1
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT quan về tải trọng động tác dụng lên thân xe, tính toán góc xoay và chuyển vị của thân xe, tính toán tải trọng tĩnh và động tác dụng lên thân xe, xác định biên dạng mặt đường và tải trọng động tác dụng lên các bánh xe. Mục tiêu của công trình nghiên cứu này nhằm xây dựng phương pháp tính toán tải trọng động tác dụng lên thân xe khi chuyển động trên bề mặt mấp mô của mặt đường với vận tốc và chế độ tải khác nhau. Mô hình động lực học mô phỏng toàn xe trong không gian 3 chiều được nghiên cứu sử dụng trong quá trình tính toán mô phỏng. Các thông số tính toán lấy từ xe cơ sở Huyndai County. Sử dụng phương pháp Newton-Euler để xác định các thông số động lực học cho các trường hợp tải trọng tác dụng khác nhau. Từ đó tải trọng động được xác định. 2.Phương pháp nghiên cứu. Người nghiên cứu đã thực hiện phương pháp nghiên cứu: + Phương pháp phân tích lý luận, tham khảo tài liệu. + Tính toán kiểm nghiệm lại thực tế. 3. Tính toán tải trọng động. 3.1. Áp dụng phương trình Lagrange II để tính toán tải trọng động. Hệ dao động ô tô là một hệ nhiều bậc tự do, ta xét dao động cơ học của hệ cơ học hôlônôm, hệ n bậc tự do là hệ mà vị trí của nó trong không gian được xác định bởi n tọa độ suy rộng: q1, q2, q3, , qn. Dưới tác dụng của lực, chuyển động của hệ được xác định bởi sự biến đổi của các tọa độ suy rộng này theo thời gian. Việc lựa chọn các phương pháp để thành lập các phương trình vi phân dao động của hệ nhiều bậc tự do phụ thuộc vào mô hình cơ học của các máy móc và các công trình. Đối với các cơ hệ gồm các chất điểm, các vật rắn, các phần tử lò xo bỏ qua trọng lượng người ta thường dùng phương pháp Lagrange II để thiết lập các phương trình dao động. Dạng tổng quát của hệ phương trình Lagrange II: d K K D V ( )fr ( r = 1, 2, , 7) dt q r q r q r q r Hệ phương trình vi phân: 2
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT d K K D V ( ) 0 dt x x x x mxcxxbff()()1 1 a 1 cxxb 2 2 a 1 cxxbbr()()3 2 2 xra a 2 cxxbb r 3 1 1 xra a 2 kff()() x x1 b 1 a 1 k x x 2 b 2 a 1 k()( x x b b a k x x b b a ) r3 2 2 xra 2 r 3 1 1xra 2 d K K D V ( ) 0 dt Icxxbax fb1 ( 1 1 1 ) c f b 2 ( xxba 2 2 1 ) crb2 ( xxbb 3 2 2 xra a 2 ) bcxxbb 1 r ( 3 1 1 xra a 2 ) kffb1 ( x x 1 b 1 a 1 ) k b 2 ( x x 2 b 2 a 1 ) kb( x x b b a) k b ( x x b b a ) 0 r 2 3 2 2 xra2 r 1 3 1 1 xra 2 d K K D V ( ) 0 dt Iy caxxb f1()() 1 1 a 1 caxxb f 1 2 2 a 1 caxxbr2()() 3 2 b 2 xra a 2 acxxbb 2 r 3 1 1 xra a 2 kaxxbff1()() 1 1 a 1 kaxxb 1 2 2 a 1 k a( x x b b a) k a ( x x b b a ) 0 r 2 3 2 2 xra2 r 2 3 1 1 xra 2 d K K D V ( ) 0 dt xra xra xra xra Ixra xra cbxxbb r2()() 3 2 2 xra a 1 cbxxbb r 1 3 1 1 xra a 2 kbxxbr2( 3 2 b 2 xra a 2 ) bkxxbb 1 r ( 3 1 1 xra a 2 ) 0 d K K D V ( ) 0 dt x x11 x x mxcxxb( a ) kxxb ( ba ) 0 f1 f 1 1 1 f 1 1 1 d K K D V ( ) 0 dt x2 x 2 x 2 x 2 mxcxxb( a ) kxxb ( a ) 0 f2 f 2 2 1 f 2 2 1 d K K D V ( ) 0 dt x3 x 3 x 3 x 3 mxcxxb3 3r()() 3 2 b 2 xra a 2 cxxbb r 3 1 1 xra a 2 kxxbb( a ) kxxbb ( a ) 0 r3 2 2 xra 2 r 3 1 1 xra 2 3
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT 3.2 Phương pháp xác định tải trọng động Trong mỗi trường hợp tải trọng tác dụng, giải hệ là hệ phương trình vi phân bậc 2, có 7 phương trình, ta xác định các thông số động học lần lượt bao gồm: chuyển vị, vận tốc và gia tốc của các thành phần vật rắn liên kết trong mô hình. Đối với thân xe, là phần khối lượng được treo, ta áp dụng phương trình Newton-Euler cho vật rắn có trọng tâm chính là trọng tâm thân xe, chuyển động tịnh tiến và chuyển động xoay quanh trọng tâm, lực quán tính quy về vị trí trọng tâm thân xe. Lực quán tính tổng cộng: Fz mx Động học: Cả hai bánh xe trước (hoặc sau) bị kích động đồng thời do tiếp xúc với bậc cao, hay các giá trị lực kích động do biên dạng mặt đường có độ lớn bậc yy12, gây ra, đây chính là trường hợp chịu tải trọng uốn của xe. Giải hệ phương trình (3.12) với yy12 , biên dạng bậc hình bán bình phương hàm sin (2.5), giá trị d1 1(m) và d2 0.25(m) ; và yy340(m) Đối với trường hợp chịu tải trọng xoắn của xe, ta giải hệ phương trình tương tự thông số và hàm biên dạng như ở trường hợp chịu uốn, nhưng với yy14; và yy230(m) Khảo sát tần số lực kích động từ 0 5(Hz) , trong phạm vi xung quanh vùng tần số tự nhiên, fn 1(Hz) , tương đương vận tốc 0 10(km) . Giá trị biên độ cực đại gia tốc chuyển động của thân xe, x theo tần số lực kích động được thể hiện ở Hình 3.1 GIA TOC DDX THEO TAN SO LUC KICH DONG 2 bending 2 torsion 2 1.5 1 Gia tốc x, x, tốc Gia m/s 0.5 Accel. magnitude of x, m/s x, of magnitude Accel. 0 0 1 2 3 4 5 f, Hz 4
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Hình 3.1 Biên độ gia tốc x theo tần số lực kích động, fn 1,45(Hz) Giá trị lớn nhất của gia tốc x là 1,52 m/s2. Giá trị cực đại thu được, Hình 3.1, tương ứng giá trị tần số ffn 1,45(Hz), do điều kiện cộng hưởng và đạt giá trị lớn hơn trong trường hợp chịu tải trọng xoắn. GIA TOC DDPHI THEO TAN SO LUC KICH DONG 1.4 bending 2 2 1.2 torsion 1 0.8 Gia tốc phi, tốc Gia m/s 0.6 0.4 0.2 Accel. magnitude of phi, m/s phi, of magnitude Accel. 0 0 1 2 3 4 5 f, Hz Hình 3.2 Gia tốc theo tần số lực kích động, fn 0,92(Hz) GIA TOC DDTHETA THEO TAN SO LUC KICH DONG 1 2 bending 2 torsion 0.8 , m/s , 0.6 theta 0.4 Gia tốc tốc Gia 0.2 Accel. magnitude of theta, m/s theta, of magnitude Accel. 0 0 1 2 3 4 5 f, Hz Hình 3.3Biên độ gia tốc theo tần số lực kích động, fn 1,06(Hz) Biên độ gia tốc góc chuyển động xoay quanh trục Ox, Oy của thân xe lần lượt là và được thể hiện ở Hình 3.2, 3.3. 5
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Biên độ gia tốc góc chỉ có giá trị trong trường hợp chịu xoắn và đạt giá trị cực đại 2 1,24(rad/ s ) tại vùng cộng hưởng với fn 0,92(Hz) ; Và bằng 0 trong trường hợp chịu uốn, do điều kiện biên tác dụng trong mô hình tính toán, điều này cho thấy tính đối xứng dọc trục Ox trong các thông số kỹ thuật của xe về kích thước và khối lượng, Hình 3.6. Biên độ gia tốc góc có giá trị lớn hơn đối với trường hợp chịu uốn, và đạt giá trị cực 2 đại 0,8(rad/ s ) tại vùng tần số cộng hưởng với fn 1,06(Hz) , Hình 3.3 GIA TOC DDX THEO THOI GIAN 2 bending 1.5 torsion 2 1 2 0.5 0 -0.5 Gia tốc x, x, tốc Gia m/s Accel. of x, m/s x, of Accel. -1 -1.5 -2 0 1 2 3 4 t, s Hình 3.4 Gia tốc x theo thời gian Biến thiên gia tốc x(t) theo thời gian đối với cả hai trường hợp chịu uốn và chịu xoắn tại vùng tần số cộng hưởng tương ứng fn 1,45( Hz ), thể hiện ở Hình 3.4. Sự biến thiên trùng lắp về nhịp thời gian giữa các bước thay đổi của gia tốc trong cả 2 trường hợp chịu tải trọng của xe. Giá trị lớn hơn thu được trong trường hợp chịu tải trọng uốn của xe 2 x 1,52(m/ s ) . Giá trị tuyệt đối cực đại xảy ra sau thời gian t0.5 d1 / v 1,34(s) , trong đó v2 d1 fn 2.9(m/ s) 10,44(km/ h) là thời điểm khi bánh xe đang ở bậc mấp mô. Biến thiên gia tốc (t) theo thời gian chỉ xuất hiện trong trường hợp chịu tải trọng xoắn của xe và được xét tại vùng cộng hưởng, fn 1,06(Hz) , Hình 3.5. Giá trị tuyệt đối cực đại, 1,13(rad / s2 ) cũng xảy ra ngay sau khi bánh xe đang ở bật, tính toán tương tự như trên cho ta t=1,123s. 6
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT GIA TOC DDPHI THEO THOI GIAN 1.5 bending 1 torsion 2 2 ,m/s 0.5 phi 0 Gia tốc tốc Gia -0.5 Accel. of phi, rad/s phi, of Accel. -1 -1.5 0 1 2 3 4 t, s Hình 3.5 Gia tốc theo thời gian Biến thiên gia tốc (t) theo thời gian tại vùng cộng hưởng tần số, fn 1.06(Hz) , Hình 3.5. Có giá trị cực đại ngay tại thời điểm bánh xe rời bậc, t=0,66(s). Trong trường hợp chịu xoắn gia tốc biến thiên theo xung nhịp khoảng 5(s), và biên độ cực đại mỗi xung giảm dần theo thời gian. GIA TOC DDTHETA THEO THOI GIAN 1 bending torsion 2 0.5 2 , m/s , theta 0 Gia tốc tốc Gia Accel. of x, rad/s x, of Accel. -0.5 -1 0 1 2 3 4 5 t, s Hình 3.6 Gia tốc theo thời gian 7
8. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Động lực học: Biến thiên của lực quán tính tổng cộng tác dụng tại vị trí trọng tâm của thân xe theo thời gian được tính theo (2.3), có dạng tương tự như ở Hình 3.3, khi xảy ra điều kiện cộng hưởng, với các thông số biên dạng mấp mô đường như ở mục 3.2. Biến thiên của mômen quán tính tổng cộng theo (2.4) có dạng tương tự như ở Hình 3.5và 3.6. Từ mô hình lực phân bố tác dụng lên thân xe ở trạng thái tĩnh, cùng với các số liệu lực và moomen quán tính tổng cộng tại vị trí trọng tâm biến thiên theo thời gian, ta hoàn toàn có thể xác định được mô hình phân bố tải trọng động theo thời gian. DO THI TAI TRONG DONG THEO THOI GIAN 15 bending torsion 10 5 0 F Dy, KN Dy, F -5 -10 -15 0 0.5 1 1.5 2 t, s Hình 3.7 Xung và biên độ tải trọng động Biên độ tuyệt đối tải trọng động lớn nhất tác dụng lên thân xe là FNDynamic max 11020( ) Độ rộng xung tải trọng động là tsF 0,358( ) So với tải trọng tĩnh do khối lượng bản thân xe gây ra FNStatic 65432,7 thì tỉ số tải trọng động so với tải trọng tĩnh gọi là hệ số tải trọng động: F 11020 K Dynamic .100% .100% 16.84% d F 65432,7 Static 8
9. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Vận tốc tới hạn và độ cao nguy hiểm nên tránh: Dựa vào các dữ liệu tính toán ta có thể xác định được ảnh hưởng của hệ số tải trọng động đến an toàn chuyển động của xe như sau: mz k( z w ) c ( z w ) 0 Khi đi qua những đoạn đường mấp mô nếu như vận tốc quá cao có thể làm cho bánh xe nẩy khỏi mặt đường dẫn đến trường hợp mất lái hoặc mất lực kéo sẽ rất nguy hiểm, vì vậy cần phải tính toán vận tốc giới hạn và độ cao mấp mô nguy hiểm khi đi qua những đoạn đường mấp mô này.  Vận tốc tới hạn Hệ số cộng hưởng của 2 dao động: r w Trong đó: r : Hệ số cộng hưởng ∂: Tần số kích động của mặt đường w: Tần số dao động riêng của xe √ Trong đó: V: Vận tốc của xe η: Hệ số tắt dần tương đối g: Gia tốc trọng trường c 2.km Khi xảy ra công hưởng thì (tần số kích động của mặt đường bằng tần số dao động tự nhiên của xe) ứng với độ mấp mô mặt đường, lúc đó r = 1 Vậy vận tốc tới hạn của xe khi xe chuyển động trên mặt đường có biên dạng mấp mô khảo sát là: (m/s) √ √ 9
10. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT  Độ cao mấp mô nguy hiểm: Điều kiện để bánh xe không nẩy khỏi mặt đường là: PNtd N m. z Tải trọng động được xác định: d P mg Tải trọng tỉnh được xác định: t 1 (2r )2 zq2 (1rr2 ) 2 (2 ) 2 1 (2r )2 mg mq 2 (1rr2 ) 2 (2 ) 2 1 (2r )2 gq2 (1rr2 ) 2 (2 ) 2 142 gq2 4 2 Độ cao mấp mô khi xảy ra cộng hưởng: g q 2 2 14 4 2 Độ cao mấp mô nguy hiểm có thể làm bánh xe nẩy khỏi mặt đường dẫn đến tình trạng mất lái, mất lực phanh hoặc mất lực kéo. Chính vì vậy để xe chuyển động an toàn thì bánh xe không được nẩy khỏi mặt đường.  Vận tốc tới hạn d2 = 0,25 (m), d1 = 7 (m). d g 7 9,8 V1 5,02( m / s ) 18( km / h ) 21 422 2.3,14 1 4.0,298 d 0,25 2 422 4.0,298 Độ cao mấp mô nguy hiểm sau khi tính: Khi xe chuyển động với V = 5(m/s) và d1 = 18 (m), ta có: 10
11. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT g 9,8 q0,165( m ) 16,5( cm ) 222 2 1 4 (2.3,14.5) 1 4.0,298 2 2 2 4 18 4.0,298 4. Kết luận: Từ kết quả tính toán trên ta có thể thấy được rằng khi xe đi qua những đoạn đường có độ cao mấp mô có độ cao từ 16,5 (cm) trở lên thì ta phải giảm tốc độ xuống dưới 5 (m/s) để đảm bảo cho bánh xe không bị nẩy khỏi mặt đường. Nếu như bánh xe trước nẩy khỏi mặt đường sẽ dẫn đến tình trạng xe mất tính điều khiển, nếu bánh xe sau nẩy khỏi mặt đường sẽ dẫn đến tình trạng xe mất lực kéo hoặc lực phanh sẽ rất nguy hiểm. Tài liệu tham khảo [1] GS.TS Nguyễn Văn Phụng – Giáo trình lý thuyết ô tô.Nhà xuất bản ĐHCN TPHCM 2013 [2] TS Lâm Mai Long - Giáo trình cơ học chuyển động của ôtô. ĐH SPKT 2001. [3] GS.TS Nguyễn Hữu Cẩn, Phạm Minh Thái - Lý thuyết ôtô – Máy kéo. Nhà xuất bản ĐH và THCN. Hà Nội, 1978. [4] GS.TS Nguyễn Hữu Cẩn - Thiết kế và tính tóan ôtô máy kéo tập III,1998. [5] Nguyễn Khắc Trai - Cơ sở thiết kế ôtô. Nhà xuất bản GTVT,2006. Thông tin tác giả chính: Họ tên: Lê Thiện Kim Ngân Đơn vị: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: 0919917760 Email: lengan86vnn@gmail.com 11
12. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.