Nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học ô tô con có thanh ổn định tích cực
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.13 MB, 66 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------
NGUYỄN TUẤN ANH
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ
CON CĨ THANH ỔN ĐỊNH TÍCH CỰC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------
NGUYỄN TUẤN ANH
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ
CON CĨ THANH ỔN ĐỊNH TÍCH CỰC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HỒNG THANH BÌNH
Hà Nội - 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Những nội dung trình bày
trong luận văn này do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Hồng Thăng
Bình và các thầy cơ trong bộ mơn Ơ tơ và xe chun dụng – Đại học Bách Khoa Hà
Nội. Nếu tơi có bất cứ hành vi gian lận nào, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước
nhà trường.
Hà Nội, ngày 28 tháng 2 năm 2019
Tác giả
Nguyễn Tuấn Anh
1
LỜI CẢM ƠN
Để có được cơng trình nghiên cứu như ngày hôm nay, tác giả đã nhận được rất
nhiều sự đóng góp, chỉ bảo và giúp đỡ từ các thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè.
Lời cảm ơn đầu tiên tác giả xin được gửi tới nhà trường cùng tập thể các thầy cơ
giáo trong bộ mơn Ơ tơ và xe chuyên dụng đã tạo điều kiện và truyền đạt những kiến
thức cơ sở để tác giả có thể hồn thành luận văn này.
Tiếp đến, tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo
Hồng Thăng Bình đã dành rất nhiều thời gian và sự tận tâm để hướng dẫn, chỉ bảo
cho tác giả hồn thành cơng trình nghiên cứu.
Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè cùng những người đồng
nghiệp đã ở bên động viên, giúp đỡ tác giả rất nhiều trong khoảng thời gian vừa qua.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
2
LỜI NĨI ĐẦU
Trong xu thế hội nhập tồn cầu 4.0, nhu cầu về đi lại và giao thương hàng hóa
đặc biệt được coi trọng. Cùng với sự phát triển về kinh tế và kỹ thuật, điều kiện về cơ
sở hạ tầng cũng luôn được quan tâm hàng đầu. Ngày nay, chất lượng đường xá và tốc
độ chuyển động của xe đã được cải thiện một cách đáng kể để đáp ứng được các yêu
cầu ngày một gia tăng của xã hội. Đồng nghĩa với việc đó cũng chính là các vấn đề
về an tồn và tai nạn giao thơng đang ngày một tăng lên rất nhiều. Để hạn chế được
những hiện trạng nói trên, ngồi việc nâng cao ý thức của mỗi người khi tham gia
giao thơng thì cũng cần phải bảo đảm được tình trạng kỹ thuật của phương tiện.
Một trong những tai nạn điển hình thường để lại hậu quả vơ cùng nghiêm trọng
chính là các vụ lật xe. Để nâng cao tính năng an tồn và ổn định khi chuyển động, có
rất nhiều các giải pháp được đưa ra, một trong số đó chính là việc trang bị thanh ổn
định trên xe. Đề tài với tiêu đề “Nghiên cứu xây dựng mơ hình động lực học ơ tơ
con có thanh ổn định tích cực” dưới sự hướng dẫn của TS. Hồng Thăng Bình và
tập thể các thầy cơ giáo trong bộ mơn Ơ tơ và xe chun dụng – Đại học Bách Khoa
Hà Nội sẽ tập trung phân tích và giải quyết vấn đề mất ổn định của xe khi quay vòng.
Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của bản thân vẫn còn hạn chế, đề tài khơng
thể tránh khỏi được sai sót, kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cơ, đồng
nghiệp và bạn bè để có thể chỉnh sửa và hồn thiện tốt hơn.
Cuối cùng, tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS. Hồng Thăng
Bình – giáo viên hướng dẫn đề tài cùng toàn thể các thầy cơ giáo trong bộ mơn Ơ tơ
và xe chun dụng – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình chỉ dạy, góp ý để tác
giả có thể hồn thành nghiên cứu và đề xuất được các giải pháp hữu ích cho tương
lai.
Hà Nội, ngày 28 tháng 2 năm 2019
Người thực hiện
Nguyễn Tuấn Anh
3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................2
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................3
DANH MỤC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN..........................................7
DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ .........................................................................9
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...............................................................11
1.1.
Các trạng thái chuyển động của ô tô .......................................................11
1.1.1.
Chuyển động tịnh tiến ........................................................................11
1.1.2.
Chuyển động quay ..............................................................................12
1.2.
Hiện tượng lật ngang của thân xe ............................................................12
1.2.1.
Trạng thái lật ngang của thân xe.......................................................12
1.2.2.
Hậu quả của hiện tượng lật ngang ....................................................14
1.2.3.
Nguyên nhân gây ra hiện tượng lật ngang .......................................15
1.2.4.
Các thông số ảnh hưởng đến hiện tượng lật ngang .........................17
1.2.5.
Giải pháp hạn chế hiện tượng lật ngang ...........................................18
1.3.
Sử dụng thanh ổn định trên xe .................................................................19
1.3.1.
Cấu tạo của thanh ổn định .................................................................19
1.3.2.
Nguyên lý làm việc của thanh ổn định ..............................................20
1.3.3.
Yêu cầu khi thiết kế thanh ổn định ...................................................22
1.4.
Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước .............................................22
1.4.1.
Các nghiên cứu ngoài nước ................................................................22
1.4.2.
Các nghiên cứu trong nước ................................................................23
4
1.5.
Đề tài nghiên cứu .......................................................................................23
1.5.1.
Mục tiêu của đề tài ..............................................................................23
1.5.2.
Phương pháp nghiên cứu ...................................................................24
1.5.3.
Nội dung nghiên cứu ...........................................................................24
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE KHI QUAY VỊNG ......26
2.1.
Xác định hệ quy chiếu chuyển động ........................................................26
2.2.
Mơ hình động lực học ơ tơ khi quay vịng ...............................................27
2.2.1.
Động lực học trong mặt phẳng không gian ......................................27
2.2.2.
Xác định các lực thành phần .............................................................29
2.2.3.
Động lực học trong mặt phẳng Oxy ..................................................30
2.2.4.
Xác định các phản lực tại lốp xe ........................................................32
2.2.5.
Hệ số ổn định của xe ...........................................................................35
2.2.6.
Ma trận trạng thái dao động..............................................................36
CHƯƠNG 3
KHẢO SÁT TRẠNG THÁI DAO ĐỘNG CỦA XE KHI QUAY VÒNG .........38
3.1.
Điều kiện khảo sát của xe ..........................................................................38
3.1.1.
Thông số kỹ thuật của xe....................................................................38
3.1.2.
Các phương án khảo sát .....................................................................39
3.2.
Khảo sát góc nghiêng ngang thân xe........................................................39
3.2.1.
Sự phụ thuộc của góc nghiêng ngang vào vận tốc chuyển động.....39
3.2.2.
Sự phụ thuộc của góc nghiêng ngang vào chiều cao trọng tâm ......41
3.2.3.
Sự phụ thuộc của góc nghiêng ngang vào quy luật đánh lái...........42
3.3.
Khảo sát các yếu tố khác ...........................................................................44
5
3.3.1.
Phản lực tại bánh xe ...........................................................................44
3.3.2.
Hệ số ổn định của xe ...........................................................................47
3.3.3.
Moment chống lật của thanh ổn định ...............................................49
3.4.
Khảo sát dao động của xe bằng phần mềm Carsim ...............................50
3.4.1.
Khảo sát góc nghiêng ngang thân xe .................................................51
3.4.2.
Khảo sát phản lực tại lốp xe ...............................................................52
3.4.3.
Khảo sát moment chống lật của thanh ổn định ...............................53
3.4.4.
Nhận xét ...............................................................................................54
CHƯƠNG 4
TRANG BỊ THANH ỔN ĐỊNH TÍCH CỰC TRÊN Ô TÔ .................................55
4.1.
Tổng quan về thanh ổn định tích cực ......................................................55
4.1.1.
Cơng dụng và u cầu của thanh ổn định tích cực ..........................55
4.1.2.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thanh ổn định tích cực ..........55
4.2.
Khảo sát dao động của ơ tơ có trang bị thanh ổn định tích cực ............57
4.2.1.
Quy luật điều khiển thanh ổn định tích cực .....................................57
4.2.2.
Khảo sát góc nghiêng ngang của ơ tơ trang bị thanh tích cực ........58
4.2.3.
Kết luận ................................................................................................60
KẾT LUẬN ..............................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................63
6
DANH MỤC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
STT
Ký hiệu
Đơn vị
Ý nghĩa
1
ay
m/s2
Gia gốc ngang
2
αij
rad
Góc trượt của bánh xe
3
b
m
Một nửa chiều rộng cơ sở
4
β
rad
Góc hướng của thân xe
5
βij
rad
Góc hướng của bánh xe
6
Cij
N/m
Độ cứng dọc của lò xo
7
CLij
N/m
Độ cứng dọc của lốp
8
Cαij
N/rad
Độ cứng góc của lốp
9
Ck
Hệ số kích hoạt của thanh ổn định
10
Ct
Hệ số gia tăng moment của thanh ổn định
11
ξij
m
12
FCij
N
Lực đàn hồi của lò xo
13
FCLij
N
Lực đàn hồi của lốp
14
FGij
N
Tải trọng đặt lên các bánh xe
15
FKij
N
Lực cản của giảm chấn
16
Flt
N
Lực ly tâm
17
Fxij
N
Lực tác dụng lên bánh xe theo phương dọc
18
Fyij
N
Lực tác dụng lên bánh xe theo phương ngang
19
Fzij
N
Lực tác dụng lên bánh xe theo phương thẳng đứng
20
t
fLij
m
Độ võng tĩnh của lốp
21
g
m/s2
Gia tốc trọng trường
22
h
m
Chiều cao trọng tâm
23
h1
m
Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm lật
Chuyển vị của khối lượng không được treo theo
phương thẳng đứng
7
24
hij
m
Kích thích mặt đường
25
ht
m
Chiều dài tay địn thanh ổn định
26
Ix
kgm2
27
Iz
kgm2
28
K ij
Ns/m
Hệ số dập tắt dao động của giảm chấn
29
l1
m
Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu trước
30
l2
m
Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu sau
31
m
kg
Khối lượng được treo
32
M
kg
Khối lượng toàn xe
33
mij
kg
Khối lượng không được treo
34
Ml
Nm
Moment gây lật
35
Mt
Nm
Moment của thanh ổn định bị động
36
Mtc
Nm
Moment của thanh ổn định tích cực
37
Mzij
Nm
Moment tại các bánh xe quanh trục z
38
φx
rad
Góc nghiêng ngang thân xe
39
φz
rad
Góc xoay thân xe
40
R
41
r
m
Bán kính quay vịng của xe
42
δij
rad
Góc quay bánh xe dẫn hướng
43
v
m/s
Vận tốc của xe
44
vx
m/s
Vận tốc dọc của xe
45
vy
m/s
Vận tốc ngang của xe
46
z
m
Moment quán tính của khối lượng được treo quy về
trục x
Moment quán tính của khối lượng được treo quy về
trục z
Hệ số lật
Chuyển vị của khối lượng được treo theo phương
thẳng đứng
8
DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các lực và moment tác dụng lên ơ tơ. .......................................................11
Hình 1.2. Hiện tượng lật dọc của ơ tơ. ......................................................................13
Hình 1.3. Hiện tượng lật ngang của ơ tơ. ..................................................................13
Hình 1.4. Vụ tai nạn xảy ra trên đèo Khánh Lê. .......................................................14
Hình 1.5. Tai nạn xe trên cao tốc Hà Nội. ................................................................15
Hình 1.6. Nguyên nhân gây ra hiện tượng lật ngang. ...............................................16
Hình 1.7. Xác định vị trí tâm lật................................................................................18
Hình 1.8. Thanh ổn định bố trí trên cầu phụ thuộc của xe. .......................................19
Hình 1.9. Cấu tạo của thanh ổn định. ........................................................................20
Hình 1.10. Một số kiểu dáng của thanh ổn định. ......................................................20
Hình 1.11. Sự chênh lệch tải trọng hai bên bánh xe. ................................................21
Hình 2.1. Sơ đồ động lực học 7 bậc tự do trong mặt phẳng không gian. .................27
Hình 2.2. Sơ đồ động lực học ngang của xe. ............................................................28
Hình 2.3. Sơ đồ động lực học của xe khi quay vịng. ...............................................31
Hình 2.4. Góc trượt và góc bơi tại bánh xe. ..............................................................33
Hình 2.5. Góc quay bánh xe dẫn hướng. ...................................................................34
Hình 3.1. Quy luật đánh lái I. ....................................................................................40
Hình 3.2. Góc nghiêng ngang phụ thuộc vận tốc. .....................................................40
Hình 3.3. Góc nghiêng ngang phụ thuộc chiều cao. .................................................41
Hình 3.4. Quy luật đánh lái II. ..................................................................................42
Hình 3.5. Góc nghiêng ngang ở vận tốc v1. ..............................................................43
Hình 3.6. Góc nghiêng ngang ở vận tốc v2. ..............................................................44
Hình 3.7. Tải trọng FZ tại các bánh xe khơng trang bị thanh ổn định. ......................45
Hình 3.8. Tải trọng FZ tại các bánh xe có trang bị thanh ổn định. ............................45
Hình 3.9. Tải trọng FZ tại các bánh xe khơng trang bị thanh ổn định. ......................46
Hình 3.10. Tải trọng FZ tại các bánh xe có trang bị thanh ổn định. ..........................46
Hình 3.11. Sự phụ thuộc của hệ số ổn định vào vận tốc chuyển động. ....................47
9
Hình 3.12. Hệ số ổn định trong điều kiện chuyển động phức tạp. ............................48
Hình 3.13. Moment của thanh ổn định ở vận tốc v1. ................................................49
Hình 3.14. Moment của thanh ổn định ở vận tốc v2. ................................................50
Hình 3.15. Mơ hình xe khảo sát bằng phần mềm Carsim. ........................................50
Hình 3.16. Góc nghiêng ngang thân xe ở vận tốc v1.................................................51
Hình 3.17. Góc nghiêng ngang thân xe ở vận tốc v2.................................................52
Hình 3.18. Phản lực FZ tại bánh xe ứng với v1..........................................................52
Hình 3.19. Phản lực FZ tại bánh xe ứng với v2..........................................................53
Hình 3.20. Moment của thanh ổn định ở vận tốc v1. ................................................53
Hình 3.21. Moment của thanh ổn định ở vận tốc v2. ................................................54
Hình 4.1. Thanh ổn định tích cực điều khiển thủy lực trên xe BMW. ......................56
Hình 4.2. Góc nghiêng ngang thân xe ở tốc độ thấp. ................................................58
Hình 4.3. Góc nghiêng ngang ở tốc độ cao. ..............................................................59
Hình 4.4. Góc nghiêng ngang thân xe ở tốc độ rất cao. ............................................60
10
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.
Các trạng thái chuyển động của ơ tơ
Ơ tơ di chuyển trên đường sẽ thực hiện đồng thời cả 6 chuyển động bao gồm:
-
Chuyển động tịnh tiến theo phương dọc (x).
-
Chuyển động tịnh tiến theo phương ngang (y).
-
Chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng (z).
-
Chuyển động lắc dọc thân xe (φy ).
-
Chuyển động lắc ngang thân xe (φx ).
-
Chuyển động quay quanh trục đứng (φz ).
Hình 1.1. Các lực và moment tác dụng lên ơ tơ.
Các chuyển động này có mối liên hệ ràng buộc và tác động qua lại lẫn nhau, chỉ
cần một thông số bị tác động sẽ gây ra sự ảnh hưởng tới các thơng số cịn lại, từ đó
gây nên sự mất ổn định của xe.
1.1.1. Chuyển động tịnh tiến
Có thể hiểu một cách đơn giản chuyển động tịnh tiến của ơ tơ chính là chuyển
động của khối lượng ô tô theo phương song song với hệ trục đã xác định (x, y, z).
11
Chuyển động theo phương x ln được thực hiện vì người lái có xu hướng tiến hoặc
lùi xe, lúc này thân xe sẽ di chuyển dọc theo hướng chuyển động thẳng. Khi người
lái quay vơ lăng (hoặc có sự tác động từ các ngoại lực bên ngoài theo phương ngang)
sẽ làm xuất hiện các lực ngang tại bánh xe, từ đó xe sẽ thực hiện đồng thời cả chuyển
động theo phương ngang. Trong trường hợp xe đi vào đường mấp mô, lúc này thân
xe sẽ bị dao động tạo nên chuyển vị theo phương thẳng đứng. Với điều kiện mặt
đường thực tế thường khơng bằng phẳng hay thậm chí có xu hướng nghiêng cộng
thêm các yếu tố tác động từ người lái hoặc bên ngồi sẽ khiến cho ơ tơ chuyển động
tịnh tiến theo cả 3 phương.
1.1.2. Chuyển động quay
Chuyển động quay của ô tô quanh một trục được tạo ra bởi sự chênh lệch moment
giữa các vị trí trên ô tô, thân xe thực hiện đồng thời 3 chuyển động quay xung quanh
3 trục (trục dọc: xx’, trục ngang: yy’ và trục thẳng đứng: zz’).
Khi xe đi trên đường mấp mô, phản lực theo phương thẳng đứng tại các bánh xe
thay đổi liên tục làm thân xe bị dao động xung quanh trục yy’ và sinh ra góc lắc dọc
φy . Trong trường hợp đánh lái cho xe đi vào đường vòng, dưới tác dụng của lực ly
tâm sẽ khiến thân xe bị nghiêng quanh trục xx’ và tạo ra góc lắc ngang thân xe φx
đồng thời xe cũng bị xoay quanh trục thẳng đứng đi qua tâm của nó tạo ra góc φz . Cả
3 góc nêu trên đều có ảnh hưởng rất lớn tới việc đảm bảo an toàn và ổn định của xe
khi di chuyển, đồng thời vị trí của các trục cũng thay đổi liên tục theo chuyển động
của xe, do vậy để xác định được chính xác các giá trị này là một điều không hề đơn
giản.
1.2.
Hiện tượng lật ngang của thân xe
1.2.1. Trạng thái lật ngang của thân xe
Khi xe chạy trên đường có rất nhiều các yếu tố tác động đến quỹ đạo chuyển động
và độ ổn định của xe như mấp mơ mặt đường, gió ngang, quay vịng gấp, ... Nếu các
ảnh hưởng này vượt quá giới hạn vật lý sẽ gây ra sự mất ổn định chuyển động và dẫn
12
tới tình trạng lật xe, tùy vào từng trường hợp cụ thể mà xe có thể bị lật theo phương
dọc hoặc theo phương ngang (lật bên).
Hình 1.2. Hiện tượng lật dọc của ô tô.
Hiện tượng lật dọc thường xuất hiện khi xe chạy trên đường có độ dốc quá lớn
hoặc người lái đột ngột đâm vào chướng ngại vật với tốc độ cao (Hình 1.2), lúc này
phần bụng và bốn bánh xe sẽ hướng lên trên. Tuy nhiên, trên thực tế vấn đề này
thường ít xảy ra.
Hình 1.3. Hiện tượng lật ngang của ô tô.
13
Một trong những hiện tượng thường xuất hiện phổ biến chính là hiện tượng lật
ngang của xe. Hiện nay xe bị lật ngang xảy ra chủ yếu khi xe chạy ở tốc độ cao mà
người lái đánh lái đột ngột hoặc khi xe chạy vào đường vòng với vận tốc lớn. Khi đó
lực qn tính ly tâm sẽ xuất hiện trong thời gian rất ngắn có chiều hướng ra bên ngồi
khiến xe có xu hướng bị lật ngang (Hình 1.3).
1.2.2. Hậu quả của hiện tượng lật ngang
Tai nạn lật ngang thân xe là một trong những vụ tai nạn xuất hiện với tần suất lớn
và để lại hậu quả vô cùng nghiêm trọng. Đa phần các tai nạn lật xe xảy ra đều có tỉ lệ
tử vong rất cao và mức thiệt hại về tài sản hết sức nặng nề, q trình trục vớt xe tai
nạn cũng rất khó khăn.
Ngay cả ở các nước phát triển trên thế giới với điều kiện cơ sở hạ tầng rất tốt cũng
không thể tránh khỏi các tai nạn này. Điển hình ở Mỹ mỗi năm có hơn 200.000 vụ tai
nạn lật xe, cịn tại Đức người ta đã ước tính 90% số vụ tai nạn lật xe đều dẫn đến tử
vong hoặc thương tích nghiêm trọng.
Hình 1.4. Vụ tai nạn xảy ra trên đèo Khánh Lê.
14
Tại Việt Nam số vụ tai nạn do lật xe gây ra cũng ngày một tăng, ví dụ như vụ tai
nạn ngày 12/5/2018 trên quốc lộ 27C qua đèo Khánh Lê (thuộc tỉnh Khánh Hòa) đã
làm 3 người thiệt mạng và 20 người khác bị thương phải đưa đi cấp cứu.
Hay vụ tai nạn sau đó vào tối ngày 26/10 tại km 34 + 800 trên cao tốc Hà Nội –
Hải Phịng, xe khách Hồng Long 45 chỗ đã bị lật ngang do tài xế bất ngờ đánh lái
gấp, toàn bộ hành khách phải đưa đi cấp cứu và việc trục vớt phương tiện tai nạn là
hết sức khó khăn.
Vì các lý do trên, ngày nay giới khoa học và các nhà sản xuất thường tập trung
nghiên cứu để tìm ra những giải pháp nhằm nâng cao tính năng ổn định của xe khi di
chuyển trên đường.
Hình 1.5. Tai nạn xe trên cao tốc Hà Nội.
1.2.3. Nguyên nhân gây ra hiện tượng lật ngang
Như đã đề cập ở trên, hiện tượng lật ngang thân xe thường xảy ra do các nguyên
nhân sau:
15
-
Xe có khối lượng và chiều cao trọng tâm lớn.
-
Xe chuyển động với tốc độ rất cao, đánh lái gấp.
-
Mặt đường có độ nghiêng ngang lớn, thân xe chịu tác động bởi lực gió bên,...
Hình 1.6. Ngun nhân gây ra hiện tượng lật ngang.
Trường hợp thường xảy ra và mang tính chủ quan đó chính là tài xế đột ngột đánh
lái, lúc này lực quán tính ly tâm sẽ xuất hiện trong một khoảng thời gian ngắn có
chiều hướng ra ngồi tâm quay vịng.
v2
Flt = may = m
r
(1.1)
Lực qn tính ly tâm có độ lớn tỉ lệ với bình phương của vận tốc và tỉ lệ nghịch
với bán kính quay vòng. Để hạn chế được hiện tượng lật ngang cần giảm được lực ly
tâm, hay nói cách khác chính là giảm tốc độ chuyển động và tăng bán kính quay vòng.
Tuy nhiên, hai giá trị này phụ thuộc chủ yếu vào cách điều khiển phương tiện của tài
xế và tình hình cụ thể khi chuyển động, do vậy rất khó có thể tác động được.
Lực ly tâm xuất hiện khiến thân xe bị nghiêng đi một góc φx dẫn đến trọng tâm
của phần khối lượng được treo thay đổi, từ đây cũng sẽ sinh ra một moment khiến
thân xe bị nghiêng đi kí hiệu là M1.
M1 = MF + MP
16
(1.2)
Trong đó:
MF : Moment của lực ly tâm.
MP : Moment của trọng lực.
Gọi M2 là moment chống lật của xe, moment này do hệ thống treo sinh ra. Nếu:
M2 < M1 ≤ M2max : Thân xe bị nghiêng góc φx .
M1 > M2max : Xe bị lật ngang.
1.2.4. Các thông số ảnh hưởng đến hiện tượng lật ngang
Bên cạnh nguyên nhân chính gây ra hiện tượng lật ngang như đã nêu ở phần trên,
các thơng số sau đây cũng góp phần không nhỏ vào việc mất ổn định chuyển động
của xe.
Hệ thống treo
Phần lớn xe con sử dụng hệ thống treo độc lập với bộ phận đàn hồi là lò xo (lị xo
trụ, lị xo cơn, ...). Khi gặp mấp mơ, một bên bánh xe có thể bị tác động cịn bên kia
vẫn ở trạng thái bình thường, do vậy có thể đảm bảo độ êm dịu khi chuyển động. Tuy
nhiên, nhược điểm lớn của loại hình này đó là độ cứng của hệ treo khá nhỏ, do vậy
khi đi vào đường vịng với vận tốc lớn thì giá trị moment chống lật sinh ra thường
khơng nhiều, khó có thể đảm bảo độ ổn định chuyển động của xe.
Tâm lật
Khoảng cách từ trọng tâm khối lượng được treo tới tâm lật ngang của xe là một
trong những thông số ảnh hưởng rất nhiều tới hiện tượng lật ngang. Đối với các dịng
xe con như sedan, hatchback thì giá trị này thường khơng lớn. Tuy nhiên, đối với các
dịng thể thao như SUV thì đây lại là một trong những mối lo ngại của các nhà sản
xuất. Khi khoảng cách từ trọng tâm tới tâm lật tăng lên cũng đồng nghĩa với việc giá
trị moment lật tăng lên rất nhiều, ảnh hưởng trực tiếp tới độ ổn định của xe khi chuyển
động.
17
Để xác định chính xác được vị trí của tâm lật là một điều khơng hề đơn giản và
vẫn cịn đang gây nhiều tranh cãi trong giới khoa học, hình vẽ dưới đây mô tả một
trong những phương pháp xác định vị trí tâm lật thường được sử dụng.
Hình 1.7. Xác định vị trí tâm lật.
-
Kẻ đường vng góc với đỉnh trục Kingpin của hệ thống treo, đường này cắt
đường tâm trục bánh xe tại IC.
-
Nối đường thẳng từ tâm IC đến vị trí tận cùng của bánh xe đối diện.
-
Hai đường thẳng vừa nối cắt nhau tại RC, đây chính là vị trí của tâm lật ngang.
1.2.5. Giải pháp hạn chế hiện tượng lật ngang
Để hạn chế được hiện tượng lật ngang của thân xe thì cần tăng giá trị của moment
chống lật M2 . Một số giải pháp được đưa ra như là trang bị thêm bộ phận đàn hồi phụ
(cao su tăng cứng, thanh ổn định ngang), sử dụng hệ thống treo tích cực, trang bị hệ
thống cân bằng điện tử ESP, ... Một trong những phương pháp thường gặp ngày nay
chính là trang bị thêm thanh ổn định cho xe để hạn chế góc nghiêng ngang khi chuyển
động.
Phương pháp trang bị thanh ổn định cho xe (cả cầu trước và cầu sau) có ưu điểm
đơn giản, kích thước của thanh thường nhỏ nên khơng làm ảnh hưởng lớn tới kết cấu
của xe. So với các hệ thống điện – điện tử hiện đại khác, việc trang bị thanh ổn định
thường ít tốn kém đồng thời độ tin cậy cũng như tuổi thọ của thanh rất cao, phù hợp
cho đa dạng các dòng xe ngày nay.
18
Hình 1.8. Thanh ổn định bố trí trên cầu phụ thuộc của xe.
Tuy nhiên, giải pháp này cũng gặp phải một số khó khăn như sau:
-
Nếu thanh ổn định có kích thước q nhỏ thì sẽ khơng thể tạo ra được moment
chống lật có giá trị lớn, do vậy khơng thể hạn chế được hiện tượng nghiêng ngang
của thân xe.
-
Nếu thanh ổn định có kích thước q lớn sẽ làm tăng khối lượng của thanh, mặc
dù thanh ổn định là một phần của hệ thống treo nhưng thực tế thanh lại được bố
trí bên dưới khu vực càng xe, do vậy sẽ làm tăng khối lượng của phần không được
treo dẫn đến việc mất êm dịu khi chuyển động.
1.3.
Sử dụng thanh ổn định trên xe
1.3.1. Cấu tạo của thanh ổn định
Cấu tạo cơ bản của một thanh ổn định (bị động) được trình bày như trên Hình 1.9.
Thanh ổn định trên ơ tơ thường có dạng chữ U đối xứng hoặc khơng đối xứng,
hình dáng của thanh phụ thuộc vào vị trí đặt chúng, vật liệu chế tạo thanh là thép có
tính năng đàn hồi cao. Hai đầu thanh được nối với càng xe thông qua khớp nối, phần
lưng của thanh được gắn lên thân vỏ thông qua ổ đỡ cao su. Nhìn chung, cấu tạo của
một thanh ổn định bị động thường khá đơn giản và cấu tạo của nó sẽ tùy thuộc vào
từng dịng xe khác nhau [8].
19
Hình 1.9. Cấu tạo của thanh ổn định.
1. Ổ đỡ 2. Phần chính (phần lưng) 3. Phần tay địn 4. Khớp nối
Đường kính của thanh sẽ phụ thuộc vào điều kiện làm việc, đối với những xe có
tải trọng lớn thì đường kính cũng sẽ lớn hơn. Đa phần các thanh ổn định đều có đường
kính khơng đổi dọc theo chiều dài, một số thanh đặc biệt hơn có thể có đường kính
thay đổi tại các vị trí tiết diện khác nhau.
Hình 1.10. Một số kiểu dáng của thanh ổn định.
1.3.2. Nguyên lý làm việc của thanh ổn định
Đối với các thanh ổn định bị động, nguyên lý làm việc của thanh trải qua 2 giai
đoạn sau:
20
-
Khi xe đi thẳng và mặt đường khơng có mấp mô lớn, lúc này sự chênh lệch tải
trọng giữa hai bên bánh xe không đáng kể, thanh ổn định chỉ xoay quanh ổ đỡ cao
su.
-
Khi xe đi vào đường vòng hoặc đường có mấp mơ rất lớn sẽ sinh ra sự chênh lệch
tải trọng giữa hai bên bánh xe, tải trọng này sẽ tác động vào phần tay đòn nằm về
hai phía của thanh. Dưới tác dụng của tải trọng, phần lưng của thanh sẽ bị xoắn
(theo hai chiều khác nhau) và làm triệt tiêu bớt moment gây nghiêng thân xe, giúp
xe san bớt tải trọng từ bên nhiều hơn sang bên ít hơn đảm bảo tính năng ổn định
chuyển động của xe.
Hình 1.11. Sự chênh lệch tải trọng hai bên bánh xe.
Giả sử thanh ổn định có độ cứng là C, khi thanh bị xoắn đi một góc φ thì sẽ sinh
ra moment đàn hồi được xác định bởi biểu thức:
T = Cφ
(1.3)
Moment đàn hồi này sẽ chống lại sự thay đổi tải trọng tại hai bên bánh xe khi
chạy trên đường vòng, một bên được tăng thêm một lượng tải trọng là F1 còn bên kia
được giảm bớt một lượng tải trọng là F2 = F1. Nhờ sự phân bố đều tải trọng giữa các
bánh xe mà khả năng bám dọc, bám ngang của xe cũng như độ ổn định chuyển động
sẽ được tăng lên.
21
1.3.3. Yêu cầu khi thiết kế thanh ổn định
Với công dụng giảm thiểu góc nghiêng ngang thân xe khi đi vào đường vòng,
thanh ổn định bị động cần phải đáp ứng được các yêu cầu như:
-
Tạo ra moment đủ lớn để hạn chế hiện tượng lật ngang cho phần khối lượng được
treo của xe đặc biệt là đối với những xe có chiều cao trọng tâm và tải trọng lớn.
-
Ít làm ảnh hưởng tới độ êm dịu của xe khi chuyển động.
Cũng giống như các chi tiết cơ khí khác, khi thiết kế thanh ổn định cần phải đảm
bảo các tiêu chí sau:
-
Kích thước hình học của thanh phù hợp với cách bố trí trên xe.
-
Thanh đảm bảo điều kiện bền uốn và bền xoắn trong quá trình sử dụng.
-
Chuyển vị của thanh nằm trong phạm vi thích hợp.
-
Q trình chế tạo dễ dàng, giá thành hợp lý.
-
Tuổi thọ cao, ít phải bảo dưỡng sửa chữa.
1.4.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.4.1. Các nghiên cứu ngoài nước
Những năm trở lại đây đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về độ ổn định của xe
khi quay vòng cũng như phương pháp tính tốn thiết kế thanh ổn định. Điển hình
trong số đó là cơng trình nghiên cứu về điều khiển thanh ổn định tích cực của nhóm
tác giả V. Muniandy đã công bố vào năm 2016, bài báo đã minh chứng những ưu
điểm vượt trội của thanh ổn định tích cực so với thanh bị động thông thường [13].
Trong cuốn “A study of the properties vehicle rollover propensity”, tác giả
Randall John Whitehead đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng quay vịng
của xe con và đưa ra kết luận rằng thanh ổn định giúp xe chạy ổn định hơn khi đi vào
đường vịng.
Bài báo của nhóm tác giả Adam – Markus xuất bản năm 2014 đã thể hiện phương
thức tính tốn thanh ổn định bằng phương pháp phần tử hữu hạn [1] hay nghiên cứu
22
của nhóm tác giả Pravin Bharane về việc thiết kế cũng như tối ưu hóa thanh ổn định
bằng việc sử dụng phần mềm Ansys [10].
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước
Trong những năm gần đây lĩnh vực nghiên cứu về động lực học ơ tơ trong nước
đã có sự phát triển mạnh cả về chất và lượng. Dưới đây là một số các cơng trình
nghiên cứu điển hình mà tác giả đã tìm hiểu.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài “Xây dựng mơ hình nghiên cứu trạng thái lật
bên của xe FAW 29 chỗ sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam” của tác giả Phạm Huy Đông
đã khảo sát mơ hình một vết kết hợp với 1/2 ngang khi quay vịng. Khảo sát được tiến
hành trong trường hợp có thanh ổn định và khơng có thanh ổn định, kết quả cho thấy
góc nghiêng ngang thân xe có xu hướng giảm dần khi trang bị thanh ổn định [11].
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Quý Minh có đề tài “Nghiên cứu
thiết kế thanh ổn định xe tải nâng cao tính ổn định khi quay vịng” cũng đã khảo sát
mơ hình dao động của xe khi trang bị thanh ổn định tại các vận tốc khác nhau đồng
thời tiến hành xây dựng phương pháp tính tốn thiết kế thanh [7].
Luận văn thạc sĩ khoa học của tác giả Đào Đức Thụ với đề tài “Xây dựng mô hình
điều khiển kết hợp với sự làm việc của thanh ổn định ngang và hệ thống phanh để
tăng cường khả năng chống lật bên của xe tải” cũng đã trình bày về tính năng ổn định
của xe tải khi đi trên đường vịng [3].
Nhiều cơng trình của các tác giả khác như Tạ Tuấn Hưng, Đỗ Ngọc Thịnh, Đào
Đắc Tài, ... đã tiến hành xây dựng mơ hình động lực học của xe khi quay vòng đồng
thời kết hợp với một số giải pháp để tăng tính năng ổn định của xe.
1.5.
Đề tài nghiên cứu
1.5.1. Mục tiêu của đề tài
Với những ưu điểm cũng như hạn chế của thanh ổn định đã phân tích ở trên, để
cải thiện chất lượng cũng như nâng cao tính năng ổn định khi quay vòng cần phải
23
