Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ô tô máy kéo phân tích động lực học theo phương ngang xe máy 3 bánh bằng mô hình động lực học phẳng

Luận văn thạc sĩ phân tích động lực học theo phương ngang xe máy 3 bánh bằng mô hình động lực học phẳng, ứng dụng kỹ thuật ô tô máy kéo.

• Tác giả: Võ Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: Trần Hữu Nhân
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô – Máy kéo
• Đề tài: Phân tích động lực học theo phương ngang xe máy 3 bánh bằng mô hình động lực học phẳng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu

Luận văn 'Phân tích động lực học ngang xe máy 3 bánh bằng mô hình phẳng' tập trung vào việc đánh giá tính năng động lực học của xe máy 3 bánh, đặc biệt là độ ổn định ngang khi quay vòng. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình động lực học phẳng để phân tích và đánh giá các thông số liên quan đến an toàn chuyển động. Nghiên cứu này sử dụng phần mềm Matlab R2012b để mô phỏng và tính toán các thông số động lực học, từ đó đề xuất các phương án thiết kế tối ưu nhằm nâng cao độ an toàn của xe.

1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là xe máy 3 bánh với hai cấu hình: 2 bánh trước và 2 bánh sau. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc phân tích động lực học khi xe quay vòng, đặc biệt là các thông số liên quan đến độ ổn định ngang. Nghiên cứu sử dụng mô hình thực tế từ xe Honda Wave 110 để thu thập dữ liệu và thực hiện mô phỏng.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tính an toàn của xe máy 3 bánh, đặc biệt là trong bối cảnh Việt Nam, nơi loại xe này được sử dụng phổ biến bởi người khuyết tật. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để đề xuất các tiêu chuẩn an toàn và thiết kế tối ưu cho xe máy 3 bánh, giúp giảm thiểu rủi ro tai nạn.

II. Cơ sở lý thuyết và mô hình động lực học

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về động lực học và cách xây dựng mô hình phẳng để phân tích chuyển động của xe máy 3 bánh. Nghiên cứu sử dụng hệ trục tọa độ gắn liền với thân xe và các phương trình Newton-Euler để xác định lực và mômen tác dụng lên xe. Mô hình được quy đổi từ xe 3 bánh sang dạng xe 2 bánh để đơn giản hóa tính toán.

2.1. Hệ trục tọa độ và số bậc tự do

Hệ trục tọa độ gắn liền với thân xe được sử dụng để mô tả chuyển động của xe. Các góc quay roll, pitch, và yaw cùng với vận tốc góc tương ứng được xác định để phân tích chuyển động. Hệ lực và mômen tác dụng lên xe được biểu diễn trong hệ tọa độ này, giúp xác định các thông số động lực học cần thiết.

2.2. Mô hình động lực học phẳng

Mô hình động lực học phẳng được xây dựng dựa trên việc quy đổi xe 3 bánh thành mô hình 2 bánh. Các lực và mômen tác dụng lên bánh xe được tính toán và quy đổi về hệ tọa độ gắn liền với trọng tâm xe. Mô hình này giúp đơn giản hóa việc tính toán và phân tích các thông số động lực học khi xe quay vòng.

III. Phương pháp nghiên cứu và thông số tính toán

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Các thông số kỹ thuật của xe máy 3 bánh được thu thập và sử dụng để xây dựng mô hình tính toán. Các thông số như khối lượng, tọa độ trọng tâm, mômen quán tính, và hệ số trượt ngang được xác định để thực hiện mô phỏng.

3.1. Thông số kỹ thuật và bố trí chung

Các thông số kỹ thuật của xe máy 3 bánh, bao gồm kích thước, khối lượng, và vị trí trọng tâm, được xác định dựa trên mô hình thực tế. Các thông số này được sử dụng để tính toán và mô phỏng chuyển động của xe trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Tính toán mômen quán tính và hệ số trượt ngang

Mômen quán tính khối lượng và hệ số trượt ngang của bánh xe được tính toán để xác định các lực tác dụng lên xe khi quay vòng. Các thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá độ ổn định ngang của xe.

IV. Kết quả mô phỏng và phân tích

Kết quả mô phỏng cho thấy các điều kiện tới hạn của độ ổn định ngang khi xe quay vòng. Các thông số như lực ngang, bán kính quay vòng, và vận tốc góc được phân tích để đánh giá tính năng động lực học của xe. Kết quả này là cơ sở để đề xuất các phương án thiết kế tối ưu nhằm nâng cao độ an toàn của xe máy 3 bánh.

4.1. Giới hạn ổn định ngang khi quay vòng

Kết quả mô phỏng cho thấy các giá trị tới hạn của lực ngang và vận tốc góc khi xe quay vòng. Các thông số này được sử dụng để đánh giá độ ổn định ngang của xe trong các điều kiện khác nhau.

4.2. Động học và động lực học quay vòng

Các thông số động học và động lực học khi xe quay vòng được phân tích để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định ngang. Kết quả này giúp đề xuất các phương án thiết kế tối ưu nhằm nâng cao tính năng an toàn của xe.

V. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình động lực học phẳng để phân tích độ ổn định ngang của xe máy 3 bánh. Kết quả mô phỏng cho thấy các điều kiện tới hạn của độ ổn định ngang khi xe quay vòng. Nghiên cứu đề xuất các phương án thiết kế tối ưu nhằm nâng cao tính năng an toàn của xe. Hướng phát triển tiếp theo là ứng dụng mô hình này vào các loại xe khác và cải tiến các thông số kỹ thuật để nâng cao độ chính xác của mô phỏng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài Theo thống kê của Tổng cục thống kê về Tổng điều tra Dân số và Nhà ở năm 2009 cho thấy trong số 78,5 triệu người từ 5 tuổi trở lên có 6,1 triệu người, tương ứng với 7,8% dân số có khó khăn trong việc thực hiện ít nhất một trong bốn chức năng nhìn, nghe, vận động và tập trung hoặc ghi nhớ. Để bảo đảm cho người khuyết tật (NKT) hòa nhập với cuộc sống, Nhà nước đã ban hành Luật Người khuyết tật, theo đó NKT sẽ được tham gia đầy đủ các hoạt động xã hội và có sự hỗ trợ của Nhà nước. Hiện nay NKT đã và đang tham gia các hoạt động giao thông bằng các phương tiện khác nhau, trong đó xe máy 3 bánh cải tiến cho NKT đang là phương tiện giao thông đang chiếm ưu thế về số lượng so với các phương tiện khác do tính cơ động và giá cả phù hợp so với mức thu nhập bình quân hiện nay của người Việt Nam. Trên điều kiện thực tế tại Việt Nam, xe máy 3 bánh được cải tiến lại từ các xe máy có sẵn nên tính an toàn khi sử dụng phương tiện là một vấn đề cần quan tâm.

Một trong những thông số để đánh giá tính năng an toàn của xe máy 3 bánh là ổn định ngang. Tuy nhiên, thông số này lại không được quan tâm chú trọng trong khi quy trình kiểm định của Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn về độ ổn định ngang. Với tình hình đó, việc tiến hành nghiên cứu, phân tích, đánh giá độ ổn định ngang của xe máy 3 bánh để từ đó đưa ra những quy chuẩn an toàn nhằm phòng tránh cũng như giảm thiểu thiệt hại trong trường hợp tai nạn xảy ra là hết sức cấp thiết. Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình phân tích, tính toán đòi hỏi các thông số gốc để nghiên cứu.

Vì vậy, cần phải có một mô hình thực tế để tiến hành mô phỏng. Đó là lý do chọn đề tài “Phân tích động lực học theo phương ngang xe máy 3 bánh bằng mô hình động lực học phẳng”. Đề tài xác định và đánh giá các thông số liên quan tới độ ổn định ngang khi quay vòng của xe máy 3 bánh bằng phần mềm Matlab R2012b. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng thể: - Đánh giá được tính năng động lực học an toàn chuyển động khi quay vòng của 2 phương án thiết kế xe máy 3 bánh.

- Xác định sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế của 2 phương án đến tính năng an toàn chuyển động. 1 Mục tiêu cụ thể: - Xây dựng mô hình động lực học phẳng cho xe máy 3 bánh, đánh giá tính năng ổn định ngang khi xe chuyển động quay vòng. - Xác định các thông số tính toán mô phỏng cần thiết cho 2 phương án thiết kế xe máy 3 bánh: 2 bánh trước, 2 bánh sau. - Tính toán mô phỏng, phân tích kết quả, đánh giá tính năng ổn định, an toàn chuyển động với xe máy 3 bánh khi chuyển động quay vòng.

- Đề xuất phương án thiết kế đảm bảo tối ưu tính năng an toàn chuyển động của xe máy 3 bánh. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu của đề tài này là phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm - Nghiên cứu lý thuyết mô hình động lực học chuyển động của xe. - Phương pháp mô phỏng (sử dụng các thông số thực nghiệm để mô phỏng). Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1.Đối tượng nghiên cứu Hình 1.1 Sơ đồ trí chung xe máy 3 bánh có 2 bánh trước 2 Hình 1.2 Sơ đồ trí chung xe máy 3 bánh có 2 bánh sau Như đã nói ở trên, việc xây dựng các mô hình tính toán độ ổn định ngang của xe cần các thông số gốc từ một xe máy 3 bánh mẫu.

Do đó, để thuận tiện cho việc đo đạc, lấy thông số, ta chọn xe gắn máy 3 bánh có sẵn. Phạm vi nghiên cứu Đánh giá độ an toàn ổn định của xe máy ba bánh thông qua phân tích động lực học quay vòng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Xây dựng một mô hình chung cho các phương án thiết kế khác nhau. - Nâng cao tính năng an toàn, ổn định của xe máy ba bánh khi quay vòng.

3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Hệ trục tọa độ xe và số bậc tự do Hình 2.1 thể hiện hệ tọa độ gắn liền với thân xe (Cxyz) tại tọa độ trọng tâm C. Trục x gắn với chiều chuyển động của xe. Trục y có phương song song với mặt phẳng đường và vuông góc với trục x, chiều hướng về bên trái theo góc nhìn của người lái.

Trục z cùng 2 trục x,y tạo thành hệ tọa độ gắn liền với thân xe theo quy tắc bàn tay phải.1 Hệ trục tọa độ gắn với thân xe Chuyển động quay và vận tốc góc của xe được thể hiện bằng ba góc: roll φ, pitch θ, yaw ψ và vận tốc góc tương ứng: p  q   r  4 Hệ lực (F, M) là kết quả của ngoại lực tác dụng lên xe từ mặt đường và môi trường xung quanh. Hệ lực này có thể diễn tả trong hệ tọa độ gắn liền với xe như sau: 𝐵 𝐹 = 𝐹𝑥 𝑖̂ + 𝐹𝑥 𝑗̂ + 𝐹𝑥 𝑘̂ 𝐵 𝑀 = 𝑀𝑥 𝑖̂ + 𝑀𝑥 𝑗̂ + 𝑀𝑥 𝑘̂ (2.2) Trong đó 𝑖̂, 𝑗̂, 𝑘̂ là các vectơ đơn vị trong hệ trục tọa độ B(Cxyz) gắn liền với trọng tâm C của xe. Mô hình động lực học lắc ngang của xe có thể được diễn tả bằng 4 giá trị động học: chuyển động tịnh tiến theo phương x, chuyển động theo phương ngang y, góc quay quanh trục dọc φ, và góc quay quanh trục đứng ψ.2 Mô hình xe máy 3 bánh quy về mô hình dạng xe 2 bánh Để tính toán hệ lực tác dụng lên xe, ta xác định hệ lực tác dụng tại bánh xe. Lực ngang có điểm đặt tại bánh xe phụ thuộc vào góc trượt ngang.

Sau đó, ta quy đổi và đặt hệ lực tác dụng lên bánh xe vào mô hình động lực học theo phương ngang. Sử dụng mô hình động lực học phẳng theo phương ngang dạng xe 2 bánh (hình 2.2) để sử dụng tính toán, khảo sát tính năng động lực học chuyển động của 2 phương án thiết kế xe máy 3 bánh khi quay vòng.2: Mô hình xe máy 3 bánh quy về mô hình dạng xe 2 bánh 5 2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán động lực học theo phương ngang 2.1 Xác định lực và mômen tác dụng lên xe theo phương ngang (phương trình Newton – Euler) Hình 2.3: Chuyển động của xe trong mặt phẳng Hình 2.3 Xét xe đang chuyển động với vận tốc v trong hệ trục tọa độ tổng thể G (OXYZ) có tọa độ địa phương B(Cxyz) trùng với trọng tâm C của xe, với ψ là góc giữa trục x và X, khoảng cách từ tọa độ tổng thể đến trọng tâm C của xe là Gd. - Vector vận tốc của xe:  vx    B vc   v y  (2.3) 0    Trong đó vx và vy là 2 thành phần của vận tốc v. 6 - Lực tác dụng lên xe trong hệ tọa độ B (Cxyz) B F = B RG G F = B RG (m G a B )  m GB a B (2.4)  m B v B  m GB ω  B v B Trong đó BRG là ma trận chuyển đổi, để chuyển đổi các thành phần vectơ lực F trong hệ tọa độ B(Cxyz) sang hệ tọa độ G(OXYZ).

- Mômen tác dụng lên xe trong hệ tọa độ B (Cxyz) Gd B M= BL (2.5) dt  B L  B L+ B ω  B L G B G B  BI B ω  B ω  ( BI B ω ) G B G B G B Trong đó: - Lực tác dụng  Fx  B   Fc =  Fy  (2.10)  z  Giả sử mômen quán tính của khung xe là ma trận chéo  I1 0 0  B I  0 I 2 0  (2.11) 0 0 I 3  Thế các phương trình từ (2.10) vào phương trình (2.5) ta xác định được lực và mômen tác dụng lên xe trong hệ tọa độ B(Cxyz). - Lực tác dụng lên xe.12)  vx  0  vx   mvx  m z v y         m v y   m 0   v y    mv y  m z vx  (2.13)   0     z  0   0    Fx  mvx  mz vy (2.14) Fy  mvy  mz vx (2.15) - Mômen tác dụng lên xe.2 Hệ lực và mômen tác dụng lên xe 2.1 Hệ lực và momen tác dụng lên bánh xe Hình 2.4: Hệ lực và mômen tác dụng lên bánh xe 1 (xe máy 3 bánh có 2 bánh trước) Hình 2.5: Hệ lực và mômen tác dụng lên bánh xe 1 (xe máy 3 bánh có 2 bánh sau) 9 Xét bánh xe bên trái phía trước (xe có 2 bánh trước) và bánh xe phía trước (xe có 2 bánh sau, hình 2.5, chọn tọa độ B(Cxyz) đặt tại trọng tâm C của xe, và tọa độ Bw (xw, yw, zw) có tâm đặt tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường. Lực và mômen tác dụng lên bánh xe: Bw Fw  Fxw iˆ1  Fyw ˆj1 (2.19) Với: Fxw  Fxw1  Fr1cos (2.20) Fyw  Fyw1  Fr1 sin  (2.22) Trong đó: Fr1 là lực cản lăn trên bánh xe số 1. Gọi B1RBw ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ B1 sang Bw cos1  sin  1 B1 RBw   cos 1 (2.23) sin 1 Bw Fw  B RBw Bw Fw (2.24)  Fx1  cos1  sin  1  Fxx      cos 1  Fyw  (2.25)  Fy1  sin 1  Fxw cos1  Fyw sin 1    (2.26) F  w y cos 1  Fx y sin  1  B1 M w  B1 RBw Bw M w (2.28) Lực và mômen tác dụng lên bánh xe trong hệ tọa độ B(Cxyz) gắn liền với trọng tâm C của xe: B F   Fx1iˆ   Fy1 ˆj (2.29) i i 10 B M   M zi kˆ   B ri  B Fwi (2.30) i i Trong đó: Bri - vectơ vị trí của bánh xe thứ i.

B ri  xiiˆ  yi ˆj  zi kˆ (2.31) Các thành phần của lực trong mặt phẳng xOy tác dụng lên bánh xe: B Fx   Fx cosi   Fyw sin i w (2.32) i i B Fy   Fyw cosi   Fxw sin i (2.