Nghiên cứu ảnh hưởng của mô hình lốp đến quỹ đạo chuyển động của ô tô

CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023

246

KHOA H

ỌC

NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔ HÌNH LỐP ĐẾN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ

RESEARCH ON THE EFFECT OF TIRE MODEL ON THE TRAVEL OF CAR Hồ Vĩnh Hiệp1, Dương Ngọc Linh2, Chu Tuấn Anh2, Trần Văn Sơn3, Đỗ Thành Luân4, Lê Đức Hiếu5,* TÓM TẮT An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ô tô là yêu cầu hàng đầ

trong việc đánh giá chất lượng thiết kế và sử dụng phương tiện này. Để

nâng cao

tính an toàn chuyển động cần thiết đề cập đến quỹ đạo chuyển động của ôtô.

Bài

toán quỹ đạo chuyển động của ô tô cần thiết phải đư

ợc đặt trong hệ tọa độ không

gian ba chiều. Để giải quyết bài toán qu

ỹ đạo chuyển động, cần phải giải quyết tốt

các hàm ngoại lực cùng với các hàm kích động. Do đó số lượng các phương tr

ình vi

phân cơ học là rất nhiều và khó tính ra được kết quả. Việc sử dụng mô hình lốp nh

vậy có thể giải quyết hợp lí các bài toán v

ề quỹ đạo chuyển động của ô tô. Mục đích

thiết lập được mô hình lốp và xây dựng đường đặc tính của bánh xe với mặt đư

ờng,

nhằm giải quyết bài toán qu

ỹ đạo chuyển động của ô tô bằng một bộ số liệu cụ

thể. Nghiên cứu thực hiện khảo sát qua mô hình trên máy tính. Nghiên cứu đ

thiết lập được mô đun tính toán mô hình lốp trên phần mềm

Matlab Simulink theo

cơ sở lí luận của Pacejka với lực ngang, lực dọc và mô mem quay. T

ừ đó mô phỏng

quỹ đạo chuyển động ô tô khi thay đổi áp suất lốp. Từ khóa: Mô đun tính toán mô hình lốp, quỹ đạo chuyển động trong Matlab/Simulink.ABSTRACT

Safety of movement in transportation by car is the top requirement in

evaluating the quality of design and use of this vehicle. In order to improve the

safety of movement, it is necessary to mention the motion trajectory of the car.

The problem of the car's motion trajectory must be placed in a three-

dimensional

coordinate system. To solve the problem of motion trajectory, it is necessary to

solve well the external force functions together with the excitation functions.

Therefore, the number of mechanical d

ifferential equations is very large and it is

difficult to calculate the results. The use of such a tire model can reasonably solve

the problems of the car's motion trajectory. The purpose is to establish a tire

model and build a characteristic curve of th

e wheel with the road surface, in order

to solve the problem of the car's motion trajectory with a specific set of data. on

the computer. The paper has established the tire model calculation module on

Matlab Simulink software according to the theoretical b

asis of Pacejka with

horizontal force, longitudinal force and rotational moment. Keywords: Tire model calculation module, motion trajectories in Matlab/Simulink.

1Lớp Kỹ thuật Ô tô 06 - K14, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nộ

2Lớp Kỹ thuật Ô tô 01 - K14, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nộ

3Lớp Kỹ thuật Ô tô 04 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nộ

4Lớp Kỹ thuật Ô tô 05 - K 16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nộ

5Trường Cơ khí - Ô tô , Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: leduchieu77@gmail.com 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Lốp xe là một trong những bộ phận quan trọng, nó không chỉ góp phần tạo ra chuyển động mà còn là bộ phận ảnh hưởng đến an toàn chuyển động của ô tô. Khi ô tô chuyển động trên đường, tại vị trí lốp xe tiếp xúc với mặt đường có các thành phần lực tương tác giữa chúng. Các thành phần lực này tác dụng lên lốp, gây ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động của ô tô, có thể gây mất an toàn khi ô tô chuyển động ở các tốc độ cao. Đây là một vấn đề đã và đang nhận được sự quan tâm của các tác giả trong nước cũng như trên thế giới. Liên kết giữa lốp - mặt đường là yếu tố quan trọng quyết định đến động lực học của ô tô theo 3 phương: Phương thẳng đứng, phương dọc và phương ngang. Trong đó, theo phương thẳng đứng, lốp xe có tác dụng nâng đỡ toàn bộ khối lượng của ô tô đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất dao động của ô tô. Theo phương dọc và phương ngang, liên kết lốp - mặt đường có ảnh hưởng quyết định đến tính chất kéo, tính chất phanh và tính ổn định hướng chuyển động của ô tô. Mô hình lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường, đặc biệt là mô hình lực dọc và lực ngang có ý nghĩa quan trọng trong việc mô phỏng động lực học ô tô theo phương dọc/ngang, thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống nâng cao ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, các bộ điều khiển động học theo phương dọc của ô tô như ABS (Antilock Braking System - Hệ thống chống bó cứng phanh),… 2. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG Mô hình toán học được xây dựng để nghiên cứu là mô hình không gian 1 khối lượng nghiên cứu tính dẫn hướng với các yếu tố phi tuyến (mô hình toán học khảo sát tính dẫn hướng của ô tô). - Trong mặt phẳng xOy: Chuyển động của ô tô trong mặt phẳng đường được miêu tả bởi 3 phương trình động lực học. Đối với ô tô khách phương trình vi phân xác định chuyển động theo phương dọc Ox được thiết lập khi chiếu các ngoại lực tác dụng lên ô tô khách theo phương dọc xe [13]. Phương trình được viết như sau:

SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 247

= X

+ X

cosθ

+ X

cosθ

– Y

sinθ

- Y

sinθ

- F

(1)Phương trình vi phân xác định chuyển động theo phương ngang Oy được thiết lập khi chiếu các ngoại lực tác dụng lên ô tô khách theo phương ngang xe như sau: majy = -Y1Tcosθ1T - Y1Pcosθ1P - Y2T - Y2P - X1Tsinθ1T - X1Psinθ1P (2)Đối với thành phần góc quay thân xe quanh trục z được thiết lập với các thành phần ngoại lực và mô men ngoại lực làm ô tô khách quay quanh trục Oz như sau: (3) Như vậy, mô hình động lực học chuyển động của ô tô khách trong mặt phẳng Oxy được xác định qua hệ phương trình được tổng hợp từ các phương trình chuyển động riêng biệt (1) đến (3). Hình 1. Mô hình động lực học ô tô khách trong mặt phẳng đường - Động lực học bánh xe: Hình 2. Mô hình động lực học bánh xe Vận tốc góc quay bánh xe là thông số đầu vào khi xác định các hệ số trượt siT, siP.Với xe 2 cầu, i = 1:2, mỗi cầu có 2 bánh xe trái và phải, có 4 phương trình chuyển động xác định vận tốc góc quay bánh xe được viết tổng quát theo hình 2 và công thức (4)-(7). JL1Tφ1T =MK1T - MP1T - (X1P + f.ZL1P )rd (4)

JL1Pφ1P =MK1P - MP1P - (X1P + f.ZL1P)rd (5)

JL2Tφ2T = MK2T - MP2T - (X2P + f.ZL2P )rd (6)

JL2Pφ2P = MK2P - MP2P - (X2P + f.ZL2P )rd (7)

- Mô hình lốp Lực dọc Xij tác dụng lên bánh xe:

(

)



sin(C

arctan(BX

(

–

arctan

(

))))

(8) Lực ngang Yij tác dụng lên bánh xe:

(δ

) =

sin(C

arctan(B

- E

(

arctan

(

))))

(9) Mô men quanh trục z, Mzij tác dụng lên bánh xe:

zij

(δ) =

zij

sin

arctan(

zij

(

zij





arctan(

zij

)))

(10) Bảng 1. Thông số thực nghiệm đối với mô hình lốp Hệ số

Tham số a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 Yij -22,1 1011 / / 0,208

0,000

-0,354

0,707

Xij -21,3 1144 49,6 226 0,069

-0,006

0,056

0,486

Mzij -2,72 -2,28 -1,86 -2,73 0,110

-0,07 0,643

4,04 Hệ số

Áp suất a3 a4 120 kPa 1270 2 160 kPa 1400 2 200 kPa 1160 2 240 kPa 1700 2 - Xác định lực cản khí động Bỏ qua ảnh hưởng của các thành phần mô men và lực nâng của không khí đối với ô tô khách. Các thành phần lực cản khí động theo phương dọc có thể được viết như sau [11]: F = CA



 (11) - Điều kiện momen chủ động Quá trình phanh chưa được nghiên cứu trong luận án này. Khi mô phỏng các mô men chủ động MK2j được xác định từ các điều kiện cản để cho ô tô khách chuyển động đều khi đi thẳng. Mô men trên các bánh xe chủ động được xác định từ các điều kiện lực cản khi xe chuyển động đều ở vận tốc v0 như sau: M = M − M −M −

(Mgf + 

ρCxAvπ) (12)

K1T

= M

K1P

- Chương trình mô phỏng trên matlab simulink:

CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023

248

KHOA H

ỌC

Mô đun tính toán bánh xe: Hình 3. Mô hình mô phỏng lốp xe Thông số đầu vào là thông số thực nghiệm, đầu vào 1 và 2 là hệ số trượt và góc lăn lệch được lấy từ mô hình xe. Mô hình mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô: Hình 4. Mô hình mô phỏng quỹ đạo chuyển động của xe Mô hình mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bao gồm các phương trình (1) đến (12). Đầu vào là quy luật đánh lái. 3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ - Khảo sát đặc tính của lốp Khảo sát đặc tính của lốp tính toán lực ngang Fx của mô hình khi thay đổi trọng lượng lên các bánh xe lần lượt 1,25kN;1,5kN; 2kN; 3kN. Kết quả được đồ thị như sau: Hình 5. Kết quả tính toán lực doc của mô hình lốp trong nghiên cứu Hình 6. Kết quả tính toán lực ngang của lốp trong mô hình có sắn trong carsim [13] Từ kết quả cho thấy về cơ bản hình dạng đồ thị của bài nghiên cứu so với mô hình lốp có sắn là giống nhau. Ban đầu do xe chưa di chuyển thì hệ số trượt bằng 0. Khi xe bắt đầu di chuyển hệ số trượt tăng làm lực ngang tăng theo. Mối quan hệ giữa 2 đại lượng này là đồng biến. Sau đó khi xe chuyển động với vận tốc ổn định là 30km/h thì lực dọc gần như không thay đổi. Khi tăng tải trọng thì trọng lượng tăng kéo theo sự gia tăng lực dọc lên bánh xe. Ở kết quả bài mô phỏng lực ngang xuất hiện chóp sau đó mới giảm dần vì ở trong bài bỏ qua sự tác động của yếu tố góc lệch bánh xe. Tại các giá trị độ trượt khác nhau thì khả năng tiếp nhận lực dọc là khác nhau tuy nhiên sự thay đổi này không đồng đều. Giá trị lực dọc chỉ đạt ngưỡng hay đạt một giá trị lớn nhất trong một vùng lân cận nào đó của độ trượt. Ý nghĩa của mối quan hệ này giúp tìm ra các chế độ làm việc tối ưu của các hệ thống khi xét đến mối quan hệ giữa bánh xe với mặt đường. - Khảo sát lực ngang mối quan hệ giữa góc lăn lệch và lực ngang Fy tại tải trọng 1,25kN Kết quả khảo sát như hình 7. Từ hình 7 cho thấy, khi lực ngang tăng, góc lăn lệch tăng, mối quan hệ này được coi là tuyến tính khi góc lăn lệch trong khoảng 0~3. Khi áp suất lốp giảm, độ cứng ngang của lốp giảm. (Góc hợp bởi đường đồ thị và trục hoành tăng lên).

SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 249

Kết quả đồ thị của quan hệ góc lệch bên α với lực bên của mô hình nghiên cứu với mô hình Pacejka là tương thích. Cả hai đồ thị đều xét mối quan hệ khi độ trượt tại các giá trị mà bánh xe ở trạng thái bị động (so < 0 theo tài liệu của Pacejka. Các giá trị của lực bên là đối xứng qua tâm O của giá trị góc lệch khi mà các giá trị alfa này đối xứng nhau. Tại giá trị góc lệch bằng 0 thì lực bên bằng 0 và tăng dần khi góc lệch bên tăng. Giá trị lực bên thay đổi nhiều nhất khi góc lệch alfa thay đổi trong khoảng [0 ÷ +10]. Sau đó giá trị lực bên đạt ngưỡng mặc dù góc lệch bên có tiếp tục tăng. Hình 7. Kết quả tính lực ngang trong nghiên cứu Hình 8. Kết quả khảo sát của Pacejka [9] - Khảo sát ảnh hưởng của áp suất lốp đến góc lăn lệch cầu trước và cầu sau Điều kiện đầu vào là cho áp suất của 2 lốp lần lượt thay đổi là 120kPa,160kPa, 200kPa và 240 kPa. Kết quả khảo sát: Hình 9. Hiệu góc lăn lệch cầu trước và cầu sau Khảo sát khi ô tô quay vòng với vận tốc v = 30km/h, góc quay vành tay lái α =180, tương ứng góc quay của bánh xe dẫn hướng θTB1= 9,730. Từ hình 9 tại thời điểm 1s xe bắt đầu đánh ái, hiệu góc lăn lệch tăng lên (lớn hơn 0), trong khoảng từ 2s đến 10s giữ nguyên góc quay vành tay lái α =180, hiệu góc lăn lệch đạt đỉnh rồi giảm dần. Xe có xu hướng ổn định hiệu góc lăn lệch, ổn định hướng chuyển động hơn. Khi giảm áp suất lần lượt là 200kPa, 160kPa, 120kPa, hiệu góc lăn lệch tăng, mức thay đổi AB giữa đường áp suất 120kPa và áp suất 240kPa tại 10s là 0,095 độ.Tại áp suất 240kPa (tương tự ở các dải áp suất 200, 160, 120kPa), vận tốc càng cao hiệu góc lăn lệch càng lớn (ở 20km/h hiệu góc lăn lệch lớn nhất 0,258 độ; ở 30km/h hiệu góc lăn lệch lớn nhất 0,32 độ; ở 40km/h hiệu góc lăn lệch lớn nhất 0,38 độ). Tuy nhiên hiệu góc lăn lệch tại các điểm vận tốc này đều thấp hơn khi áp suất cả hai lốp đều giảm cho thấy khi cả 2 lốp đều giảm có tính ổn định hướng chuyển động thấp hơn trường hợp áp suất 1 bên giảm. - Khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô Để khảo sát quỹ đạo chuyển động ô tô. Trong nghiên cứu này đã cho thay đổi áp suất lốp cầu trước lần lượt là 120kPa, 160kPa, 200kPa và 240kPa. Từ đó cho ra kết quả như sau: Hình 10. Quỹ đạo chuyển động của ô tô khi thay đổi áp suất lốp Khảo sát khi ô tô quay vòng với vận tốc v = 30km/h, góc quay vành tay lái α =180, tương ứng góc quay của bánh xe dẫn hướng θTB1 = 9,73. Khi giảm áp suất lần lượt là 200kPa, 160kPa, 120kPa, quỹ đạo thay đổi, sự thay đổi lớn nhất về quỹ đạo tại điểm D (14s) là 0,47m. Đoạn AB là đoạn chuyển tiếp khi bắt đầu quay vành tay lái từ 0 đến 180 độ. Đoạn BC bán kính quay vòng khảo sát lớn hơn bán kính quay vòng mong muốn, xe quay vòng thiếu. Trong khoảng 0s đến 1s đầu tiên xe chạy thẳng với vận tốc tăng dẫn từ 0km/h. Quỹ dạo của xe gần như chạy thẳng và quỹ đạo của các trường hợp khảo sát là như nhau. Trong khoảng từ 1s đến 2s vành tay lái từ 0 đến 180 độ lúc nay xe bắt đầu quay vòng. đối với xe có áp suất lốp 4 bánh là 240kPa

CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023

250

KHOA H

ỌC

có góc lệnh nhỏ nhất và tăng dần khi áp suất lốp giàm ở lốp cầu trước. Từ quỹ đạo chuyển động cho thấy khi giảm áp suất lốp ở cầu trước lành cho góc lăn lệch cuar cầu trước và sau tăng lên. Dẫn đến quỹ đạo chuyển động thay đổi. Áp suất lốp càng giảm quỹ đạo quay vòng càng lớn. 4. KẾT LUẬN Nghiên cữu đã tiến hành khảo sát mô hình lốp: • Khi lực ngang tăng, góc lăn lệch tăng, mối quan hệ này được coi là tuyến tính khi góc lăn lệch trong khoảng 0-3. • Khi áp suất lốp giảm độ cứng ngang của lốp giảm. Khảo sát mô hình không gian 1 khối lượng • Ở vận tốc càng cao hiệu góc lăn lệch, gia tốc ngang càng lớn, bán kính quỹ đạo tăng (khi vận tốc tăng từ 30km/h, hiệu góc lăn lệch tăng 46,3%; gia tốc ngang tăng 25,6%, bán kính quỹ đạo tăng 7,7%) xe có xu hướng mất ổn định hướng nhiều hơn, tính dẫn hướng giảm. • Khi áp suất 1 lốp (hoặc 2 lốp) của cầu trước giảm từ 240kPa xuống 120 kPa, quỹ đạo thay đổi từ 0,52m đến 1,01m; tính dẫn hướng giảm. • Áp suất ở cả 2 bánh xe trước giảm mất ổn định hướng nhiều hơn trường hợp áp suất ở 1 bánh xe giảm (bánh bên phải giảm). Mức thay đổi quỹ đạo lớn nhất là 6%. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Thanh An, 2012. Nghiên cứu tối ưu các thông số hệ thống treo ô tô khách sử dụng tại Việt Nam. Luận án Tiễn sĩ Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự [2]. Công ty cổ phần cơ khí xây dựng giao thông, 2016. Thuyết minh thiết kế kỹ thuật ô tô khách 29 chỗ ngồi. Trung tâm thử nghiệm xe cơ giới, Cục Đăng kiểm Việt Nam. [3]. Cục Đăng kiểm Việt Nam, 2020. Báo cáo số lượng xe đang lưu hành đến tháng 11/2020. [4]. Nguyễn Văn Doanh, 2012. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến tính quay vòng của ô tô khách sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam. Nghiên cứu Thạc sĩ kỹ thuật Cơ khí động lực, Trường Đại học Giao thông Vận tải. [5]. Nguyễn Tiến Dũng, 2018. Nghiên cứu khả năng ổn định ngang đoàn xe. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội. [6]. Võ Quốc Đại, 2019. Động lực học quay vòng và tính điều khiển của ô tô. NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội. [7]. Đặng Việt Hà, 2010. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến độ êm dịu chuyển động của ô tô khách được đóng mới ở Việt Nam. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật. [8]. Matthew Van Gennip, 2018. Vehicle Dynamic Modelling and Parameter Identification for an Autonomous vehicle. Waterloo, ON, Canada. [9]. Hans B. Pacejka, 2002. Tyre and Vehicle Dynamic. Delft Universtiy of Technology, The Netherlands. [10]. R. Rajamani. Vehicle Dynamics and Control. Mechanical Engineering Series. [11]. Iso Standard 4138:2012, Passenger cars - Steady-state circular driving behaviour. Open - loop test methods, Fourth edition. [12]. Matthew Polley, Andrew G. Alleyne, 2004. Dimentionless analysis of tire characteristics for vehicle dynamics studies. Proceeding of the 2004 American Control Conference, Boston, Massachisetts. [13]. Carsim simulation, tyre modeling.