Tính toán vận tốc nguy hiểm khi ô tô bị trượt ngang

Nội dung text: Tính toán vận tốc nguy hiểm khi ô tô bị trượt ngang

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT TÍNH TOÁN VẬN TỐC NGUY HIỂM KHI Ô TÔ BỊ TRƯỢT NGANG DETERMINING THE DANGEROUS SPEED WHICH MAKES VEHICLE’S SIDE SLIP (1)Đỗ Sĩ Hải, (2)TS. Lâm Mai Long (1)Trường Đại học Công nghệ Đồng Nai, (2)Trường Đại Học SPKT TP.HCM TÓM TẮT Bài báo giới thiệu phương pháp xác định vận tốc làm bánh xe bị trượt ngang khi quay vòng. Bài toán được phát triển trên cơ sở mô hình Burckhardt, có tính đến tương tác giữa bánh xe với mặt đường thông qua các quan hệ ứng suất - biến dạng của lốp xe và nền đường nhựa trong mặt phẳng tiếp xúc. Bài toán sử dụng phần mềm Matlab/Simulink mô phỏng ô tô quay vòng bằng cầu trước và cầu sau chủ động để thấy rõ ảnh hưởng của phân bố lực kéo đến các trạng thái quay vòng của ô tô. Các thông số đầu vào của mô hình được tra từ sổ tay và thông số đăng kiểm. Từ khóa: Vận tốc bị trượt ngang, mô hình, quay vòng. ABSTRACT This paper introduces the method for determining the speed which makes vehicle side slip while turning. Calculation is constructed on the model of Burckhardt, taking into account interaction between vehicle wheel and road surface through the relationship of stress- deformation of the tire and the asphalt road surface. Calculation was performed by using Matlab/ Simulink software to simulate the turning of front- wheel drive vehicle and rear-wheel drive vehicle. Thus, the influence of traction distribution to the vehicle turning status is clearly seen.The input parameters of the model are referred from manuals and registration parameters. Keywords: side slip, speed, model, turning. I. GIỚI THIỆU Ngày nay, ô tô đã là một phương tiện phổ biến hơn cả bất kì phương tiện nào cho nên việc kiểm tra và đánh giá tính ổn định của ô tô là cực kỳ quang trọng và không thể bỏ qua. Ở các nước phát triển thì việc kiểm tra đánh giá tính ổn định của ô tô sẽ thông qua thực nghiệm, tuy nhiên ở Việt Nam do điều kiện cơ sở vật chất còn hạn chế cho nên vấn đề kiểm tra đánh giá tính ổn định của ô tô bằng phần mềm là rất hữu ích. 1
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Việc xác định các trạng thái quay vòng của ô tô trước đây chưa được quan tâm sâu do khó khăn trong việc xác định mối quan hệ của bánh xe và mặt đường nhưng khi áp dụng mô hình Burckhardt thì vấn đề này đã được giải quyết. Mô hình Burckhardt giúp ta xác định được hệ số bám ngang, hệ số bám dọc và hệ số bám tổng hợp làm cơ sở cho việc xác định vận tốc làm bánh xe bị trượt ngang cũng như trạng thái quay vòng của ô tô ở các tốc độ khác nhau. II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Mô hình Burckhardt Theo mô hình Burckhardt, quan hệ giữa hệ số bám dọc ( x ) và hệ số bám ngang ( y ) với độ trượt của bánh xe được xác định theo hệ số bám tổng hợp và độ trượt tổng hợp của hai phương dọc và ngang. Dựa trên quan điểm Kamm về tính chất bám – trượt khi xuất hiện góc lệch bên (Grecenko, 1993), quan hệ giữa hệ số bám tổng hợp ( R ) và độ trượt theo phương tổng hợp ( R ) có thể biểu diễn theo công thức: C2 .R RR C13.(1 e ) C . (2.1) 22 Với: Rx  y  (2.2) Trong đó  x ,  y ,  R lần lượt là độ trượt dọc, độ trượt ngang và độ trượt tổng hợp của xe: - Bánh xe chủ động: 2 2 2 2 2 RR  xR  yR (1  xR ) tg R  xR (2.3) - Bánh xe bị động: 2 2 2 2 2 RF  xF  yF (1  xF ) tg F  xF (2.4) Trong đó: C1, C2 và C3 là các hệ số thực nghiệm. - C1 là giá trị lớn nhất của đường cong bám. C1 phụ thuộc vào tính chất và điều kiện mặt đường, tải trọng pháp tuyến và kết cấu mấu bám của bánh xe. - C2 đặc trưng cho hình dáng của đường cong bám, chủ yếu là độ dốc của nhánh tuyến tính. C2 phụ thuộc đáng kể vào loại nền đường và độ trượt của bánh xe. - C3 xác định sự sai khác giữa giá trị lớn nhất của đường cong bám với giá trị hệ số bám khi trượt hoàn toàn ( R =1). Hệ số bám dọc và hệ số bám ngang khi đó được tính theo công thức: 2
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT   x y xR và yR (2.5)  R  R Các công thức (2.1) và (2.2) thỏa mãn trong toàn vùng (0;1) xy , do đó các hệ số C1, C2 và C3 có thể xác định dễ dàng trong trường hợp  y 0 . Có nghĩa chỉ cần tổ chức thí nghiệm kéo bám để xác định độ trượt của bánh xe theo phương dọc. Khi đó 0 nên  y 0 và y 0 , do đó Rx và Rx . Từ các phương trình thực nghiệm trên ta sử dụng MATLAB/SIMULINK để mô tả đặc tính bám trượt của bánh xe với hai thông số đầu vào là độ trượt dọc  x và góc lệch hướng . Hình 2.1: Sơ đồ khối Simulink mô tả đặc tính bánh xe theo Burckhardt. 2. Lực ngang tác dụng lên các bánh xe 2.1 Lực ngang tác dụng lên bánh xe cầu trước Hình 2.2: Lực tác dụng lên ô tô khi quay quay vòng. Ta lập phương trình mômen đối với điểm A (A nằm trên giao tuyến của mặt đường với mặt phẳng thẳng đứng qua trục bánh xe sau). Ta có: 3
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT mv2 bcos  Y (2.6) 1 RL Lực ngang tác dụng lên bánh xe cầu trước tỉ lệ thuận với tốc độ chuyển động của ô tô, khi quay vòng ở tốc độ cao thì lực ngang lớn và ngược lại. 2.2 Lực ngang tác dụng lên bánh xe cầu sau Ta lập phương trình mômen đối với điểm B (B nằm trên giao tuyến của mặt đường với mặt phẳng thẳng đứng qua trục bánh xe trước). Ta có: mv2 a Y (2.7) 2 RL Lực ngang tác dụng lên bánh xe cầu sau tỉ lệ thuận với tốc độ chuyển động của ô tô, khi quay vòng ở tốc độ cao thì lực ngang lớn và ngược lại. 2. Phản lực thẳng góc của mặt đường tác dụng lên các bánh xe: Trường hợp xe chuyển động quay vòng trên đường nằm ngang: G.( b f . r ) Fwg . h Z1 L G.( a f . r ) F . h Z wg 2 L 3. Góc lệch hướng khi ô tô quay vòng: 2 Y1 mv bcos  Góc lệch hướng của bánh xe trước: 1 (2.8) CYY11 C RL 1 - góc lệch hướng của bánh xe trước. CY1 - độ cứng lốp của bánh xe trước. 2 Y2 mv a Góc lệch hướng của hai bánh xe sau: 2 (2.9) CYY C2 RL 2 - góc lệch hướng của bánh xe sau. CY 2 - độ cứng lốp của bánh xe sau. Bán kính quay vòng thực tế được xác định từ góc lệch hướng: L R (2.10) tg() 12 tg 4
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT 4. Độ trượt dọc của bánh xe Ta có công thức: r  1 l x r  .F với: rrF  .  Fk. Ta thấy độ trượt dọc phụ thuộc vào lực kéo của bánh xe lF k x r chủ động. Mi  F e tl tl (2.11) k r  Mi  F e tl tl (2.12) x r 2 Trong đó: itl - tỉ số truyền lực tl - hiệu suất truyền lực rl - bán kính lăn (m). M e - mô men của động cơ phát ra ( Nm. ). F - hệ số thay đổi bán kính lăn (hệ số biến dạng vòng của lốp). F 0,001 0,01 (m /) kN Mô men xoắn của động cơ được tính theo công thức S.R.Lây Đécman (với a 0,5; b 1,5; c 1). 2 0,5 1,5nnee MNem 9551 ax 23 (2.13) nNNN n n Trong đó: Nmax - công suất cực đại của động cơ kW . ne - số vòng quay của trục khủy vp/ . 60iv n tl (2.14) e 2 r 5
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT 6. Ô tô quay vòng bằng cầu trước chủ động 6.1. Khảo sát bánh xe cầu trước (bánh chủ động) 2 2 ctct G(.) b f r KSv hg 2 YF1mR ax1 k (2.15) L ct Trong đó: Y1axm - giới hạn bám ngang của bánh xe trước, trường hợp cầu trước chủ động. ct R1 - hệ số bám tổng hợp của bánh xe trước, trường hợp cầu trước chủ động. Kết hợp mô hình Burckhardt và các công thức (2.6), (2.8), (2.9), (2.10), (2.11), (2.12), (2.13), (2.14), (2.15) bằng Matlab/Simulink ta được: Hình 2.3: Sơ đồ khối Simulink mô tả lực ngang và giới hạn bám ngang của bánh xe cầu trước. 6.2. Khảo sát bánh xe cầu sau (bánh bị động) G() a fr KSv2 h Y ctct g (2.16) 2my ax2 L ct Trong đó: Y2m ax - giới hạn bám ngang của bánh xe sau, trường hợp cầu trước chủ động. ct y2 - hệ số bám ngang của bánh xe sau, trường hợp cầu trước chủ động. Kết hợp mô hình Burckhardt và các công thức (2.7), (2.8), (2.9), (2.10), (2.16) bằng Matlab/Simulink ta được: Hình 2.4: Sơ đồ khối Simulink mô tả lực ngang và giới hạn bám ngang của bánh xe cầu sau. 6
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT 7. Ô tô quay vòng bằng cầu trước chủ động 7.1. Khảo sát bánh xe cầu trước (bánh bị động) G.( b f . r ). KSv2 h Y cscs g . (2.17) 1my ax1 L cs Trong đó: Y1axm - giới hạn bám ngang của bánh xe trước, trường hợp cầu sau chủ động. cs y1 - hệ số bám ngang của bánh xe trước, trường hợp cầu sau chủ động. Kết hợp mô hình Burckhardt và các công thức (2.7), (2.8), (2.9), (2.10), (2.17) bằng Matlab/Simulink ta được: Hình 2.5: Sơ đồ khối Simulink mô tả lực ngang và giới hạn bám ngang của bánh xe cầu trước. 7.2. Khảo sát bánh xe cầu sau (bánh chủ động) 2 2 cscs G() a fr KSv hg 2 YF2mR ax2 k (2.18) L cs Trong đó: Y2m ax - giới hạn bám ngang của bánh xe sau, trường hợp cầu sau chủ động. cs R2 - hệ số bám tổng hợp của bánh xe sau, trường hợp cầu sau chủ động. Kết hợp mô hình Burckhardt và các công thức (2.6), (2.8), (2.9), (2.10), (2.11), (2.12), (2.13), (2.14), (2.18) bằng Matlab/Simulink ta được: 7
8. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Hình 2.6: Sơ đồ khối Simulink mô tả lực ngang và giới hạn bám ngang của bánh xe cầu trước. III. KẾT QUẢ Mô phỏng Matlab/Simulink với các thông số của xe For Ranger 2005: r 0,34 m; Nmax 105 3 kW; nN 3500 v/p; F 0,01.10 N/m; i0 3,909;tl 0,93; m 1696 kg; a 1,309m; 24 b 1,691m; hg 0,657 m; f 0,015; CCYY12 50000 N/rad; L 3m; KN 0,35 m s / ; 2 Sm 2,51 ;CCC1 0,84; 2 023; 3 0,72. 0 Cho ô tô quay vòng ở tay số 3 (i3 1,428) và góc xoay bánh xe  10 ta được: Hình 3.1: Đồ thị thể hiện góc lệch hướng của bánh xe cầu trước và cầu sau phụ thuộc tốc độ quay vòng. 8
9. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT 1. Ô tô quay vòng bằng cầu trước chủ động Hình 3.2: Đồ thị thể hiện lực ngang và giới hạn bám ngang của bánh xe trước khi ô tô quay vòng bằng cầu trước chủ động. ct Khi YY11max là thời điểm bánh xe bắt đầu trượt ngang, tại vị trí này giúp ta xác định được vận tốc quay vòng làm bánh xe cầu trước bị trượt ngang. ct v1 11,3m/s. Hình 3.3: Đồ thị thể hiện lực ngang và giới hạn bám ngang của bánh xe sau khi ô tô quay vòng bằng cầu trước chủ động. 9
10. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT ct Khi YY2 2max là thời điểm bánh xe bắt đầu trượt ngang, tại vị trí này giúp ta xác định được vận tốc quay vòng làm bánh xe cầu sau bị trượt ngang. ct v2 12,5 m/s.  Nhận xét: Ô tô quay vòng cầu trước chủ động với góc xoay bánh xe  100 thì có các trạng thái sau: - Vận tốc v 12,5 m/s thì ô tô quay vòng thiếu. - Vân tốc v 12,5 m/s thì cả bánh xe cầu trước và cầu sau điều bị trượt ngang. 2. Ô tô quay vòng bằng cầu sau chủ động Hình 3.4: Đồ thị thể hiện lực ngang và giới hạn bám ngang của bánh xe trước khi ô tô quay vòng bằng cầu sau chủ động. cs Khi YY11max là thời điểm bánh xe bắt đầu trượt ngang, tại vị trí này giúp ta xác định được vận tốc quay vòng làm bánh xe cầu trước bị trượt ngang. cs v1 12,75 m/s. 10
11. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Hình 3.5: Đồ thị thể hiện lực ngang và giới hạn bám ngang của bánh xe sau khi ô tô quay vòng bằng cầu sau chủ động. cs Khi YY2 2max là thời điểm bánh xe bắt đầu trượt ngang, tại vị trí này giúp ta xác định được vận tốc quay vòng làm bánh xe cầu sau bị trượt ngang. cs v2 10,1 m/s.  Nhận xét: Ô tô quay vòng cầu sau chủ động với góc xoay bánh xe  100 thì có các trạng thái sau. - Vận tốc v 10,1 m/s thì ô tô quay vòng thiếu. - Vận tốc 10,1 v 12,75 m/s thì ô tô quay vòng thừa. - Vận tốc v 12,75 m/s thì cả bánh xe cầu trước và cầu sau điều bị trượt ngang. IV. KẾT LUẬN Ô tô quay vòng bằng cầu trước chủ động thì có xu hướng quay vòng thiếu. Ô tô quay vòng bằng cầu sau chủ động thì có xu hướng quay vòng thừa. Trạng thái quay vòng của ô tô không phải cố định mà có thể thay đổi thay đổi theo tốc độ quay vòng và phân phối công suất đến từng cầu . 11
12. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Lâm Mai Long, Cơ học chuyển động của ô tô, Đại học sư phạm kỹ thuật Tp HCM, 2001 . [2] GS TS Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, Lý thuyết ô tô - máy kéo, NXB khoa học và kỹ thuật HN, 2008. [3] Hàn Trung Dũng, Bùi Hải triều, Lê Anh Sơn, Ứng dụng mô hình Burckhardt để mô tả toán học đặc tính thực nghiệm của bánh xe máy kéo nông nghiệp, Tạp chí Khoa học và Phát triển 2013. [4] Đặng Quý, Giáo trình ô tô 1, Đại học sư phạm kỹ thuật Tp HCM, 2010. [5] PGS. TS Nguyễn Văn Phụng , Tính toán chuyển động ổn định của ô tô, 2009. Thông tin tác giả chính: Họ tên: Đỗ Sĩ Hải Đơn vị: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: 0983 273 074 Email: dohaiauto@gmail.com Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Xác nhận giảng viên hướng dẫn 12
13. 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.