Tổng quan nghiên cứu

Cuộc thi Mini Racing Car là một sân chơi học thuật lớn thu hút sự tham gia của hơn 12 trường đại học và cao đẳng khu vực miền Nam Việt Nam, bao gồm các trường như Đại học Bách Khoa TP.HCM, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, v.v. Cuộc thi không chỉ tạo điều kiện cho sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tế mà còn thúc đẩy tinh thần sáng tạo và nghiên cứu khoa học. Tuy nhiên, việc thử nghiệm thực tế để đánh giá tính năng động học và động lực học của xe Mini Racing Car gặp nhiều khó khăn do chi phí và thời gian cao.

Luận văn tập trung phân tích động lực học của xe Mini Racing Car bằng mô hình động lực học phẳng hai dãy bánh nhằm xác định các thông số điều khiển góc đánh lái đảm bảo an toàn chuyển động. Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2021, với đối tượng là xe Mini Racing Car do sinh viên trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng chế tạo. Mục tiêu chính là mô phỏng và phân tích tính năng động học, động lực học chuyển động ngang của xe, từ đó xác định các thông số điều khiển phù hợp để nâng cao tính ổn định và an toàn khi vận hành.

Việc nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu chi phí thử nghiệm thực tế, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc cải tiến thiết kế và điều khiển xe Mini Racing Car, góp phần nâng cao hiệu suất và độ an toàn trong các cuộc thi. Kết quả nghiên cứu cũng có thể áp dụng cho các loại xe có kết cấu tương tự, mở rộng phạm vi ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai mô hình lý thuyết chính: mô hình động lực học lốp xe và mô hình động lực học xe trong mặt phẳng ngang.

  1. Mô hình động lực học lốp xe: Lốp xe được mô tả là bộ phận phức tạp chịu trọng lượng và tạo lực ngang cần thiết để thay đổi hướng chuyển động. Mô hình tính toán lực ngang và phản lực pháp tuyến dựa trên góc trượt ngang và góc đánh lái, sử dụng mô hình lốp xe đồng dạng với các hàm phi tuyến mô tả lực ma sát và độ cứng góc lệch bên. Công thức ma thuật của Pacejka được áp dụng để mô phỏng chính xác lực ngang tại các bánh xe dưới các tải trọng khác nhau.

  2. Mô hình động lực học xe hai dãy bánh: Mô hình này mô tả chuyển động ngang của xe với hai dãy bánh xe trước và sau, bao gồm các thông số như góc lái trong và ngoài, góc lệch bên của từng bánh xe, phản lực ngang và tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe. Mô hình giả định xe chuyển động ổn định với vận tốc dọc không đổi, bỏ qua trượt dọc bánh xe, tập trung vào hai bậc tự do: gia tốc ngang và vận tốc góc quay thân xe.

Các khái niệm chính bao gồm: góc đánh lái (δ), góc lệch bên bánh xe (α), phản lực ngang (Fy), phản lực pháp tuyến (Fz), mô men quán tính (Izz), và các điều kiện ổn định ngang như điều kiện trượt và điều kiện lật xe.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp mô phỏng số học. Nguồn dữ liệu bao gồm các thông số kỹ thuật thực tế của xe Mini Racing Car do sinh viên trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng chế tạo, với kích thước tổng thể dài 0,71 m, rộng 0,5 m, cao 0,24 m, khối lượng 12 kg, chiều dài cơ sở 0,5 m và các thông số phân bố khối lượng cụ thể.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thiết lập mô hình toán học động lực học phẳng hai dãy bánh xe.
  • Xác định các thông số đầu vào như góc lái, lực tác dụng lên bánh xe, mô men quán tính.
  • Mô phỏng chuyển động ngang của xe dưới các điều kiện góc lái biến thiên theo hàm bước và thời gian.
  • Phân tích các thông số an toàn như vận tốc giới hạn cực đại, bán kính quay vòng, lực ngang tác dụng.
  • Sử dụng phần mềm mô phỏng để khảo sát các đặc tính động học và động lực học, đồng thời so sánh với các điều kiện lý thuyết về ổn định ngang.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một xe Mini Racing Car cụ thể, với dữ liệu thu thập từ thực tế và mô phỏng chi tiết. Phương pháp chọn mẫu là chọn xe mô hình tiêu biểu có cấu trúc tương tự các xe tham gia cuộc thi. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2021, bao gồm các giai đoạn thiết kế mô hình, thu thập dữ liệu, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mối quan hệ góc đánh lái và thời gian: Góc đánh lái của xe Mini Racing Car biến thiên theo hàm bước với các bước nhảy 2°, 5°, và 10°, thời gian đáp ứng của động cơ Servo tương ứng là khoảng 0,15 giây đến 0,5 giây. Đồ thị mô phỏng cho thấy góc lái thực tế của bánh xe có độ trễ so với góc quay của Servo, ảnh hưởng đến khả năng điều khiển chính xác.

  2. Vận tốc giới hạn cực đại theo góc lái: Vận tốc giới hạn cực đại vxc giảm khi góc lái δ tăng, với vận tốc tối đa khoảng 3,5 m/s khi góc lái nhỏ (dưới 5°) và giảm xuống còn khoảng 1,2 m/s khi góc lái đạt 30°. Điều này phản ánh điều kiện trượt ngang và lật xe, xác định rõ vùng an toàn vận hành.

  3. Bán kính quay vòng và góc lái: Bán kính quay vòng R1 tại trọng tâm xe tỷ lệ nghịch với góc lái, với bán kính nhỏ nhất khoảng 0,3 m khi góc lái đạt 30°. Đồ thị mô phỏng cho thấy sự biến thiên bán kính quay vòng phù hợp với lý thuyết Ackerman, đảm bảo tính chính xác của mô hình.

  4. Lực ngang tác dụng và gia tốc chuyển động ngang: Lực ngang Fy đạt cực đại khoảng 15 N tại vận tốc 2 m/s và góc lái 20°, gia tốc chuyển động ngang tương ứng đạt khoảng 1,5 m/s². Các giá trị này nằm trong giới hạn an toàn, không gây trượt hoặc lật xe.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình động lực học phẳng hai dãy bánh xe phù hợp để phân tích tính năng động học và động lực học của xe Mini Racing Car. Việc khảo sát góc lái theo hàm bước phản ánh thực tế điều khiển xe, đồng thời cho phép xác định thời gian đáp ứng và độ trễ của hệ thống lái.

So sánh với các nghiên cứu trong nước về xe khách giường nằm, mô hình này có độ chính xác cao hơn do tính đến ảnh hưởng của từng bánh xe và các lực tác dụng riêng biệt. Kết quả vận tốc giới hạn cực đại và bán kính quay vòng phù hợp với các điều kiện ổn định ngang đã được xác định trong lý thuyết, đồng thời giúp giảm thiểu rủi ro trượt và lật xe trong thực tế.

Việc mô phỏng lực ngang và gia tốc chuyển động ngang cung cấp cơ sở để đánh giá an toàn vận hành, từ đó đề xuất các thông số điều khiển góc lái phù hợp nhằm nâng cao tính ổn định và cơ động của xe. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ góc lái theo thời gian, vận tốc giới hạn theo góc lái, và lực ngang theo vận tốc, giúp trực quan hóa các đặc tính vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa góc đánh lái theo thời gian: Đề xuất điều chỉnh góc lái theo bước nhảy nhỏ (khoảng 2°) để giảm độ trễ và tăng độ chính xác trong điều khiển, giúp xe vận hành ổn định hơn, đặc biệt ở tốc độ cao. Thời gian thực hiện trong vòng 3 tháng, do nhóm kỹ thuật điều khiển thực hiện.

  2. Giới hạn vận tốc theo góc lái: Thiết lập hệ thống cảnh báo vận tốc giới hạn dựa trên góc lái để tránh trượt và lật xe, nhằm nâng cao an toàn trong thi đấu. Triển khai trong 6 tháng, phối hợp giữa đội thi và ban tổ chức cuộc thi.

  3. Cải tiến cơ cấu truyền động Servo: Nâng cấp động cơ Servo với tốc độ đáp ứng nhanh hơn và mô men lớn hơn để giảm thời gian phản hồi, tăng hiệu quả điều khiển. Thời gian thực hiện 4 tháng, do nhóm kỹ thuật cơ khí và điện tử đảm nhận.

  4. Phát triển phần mềm mô phỏng và điều khiển tích hợp: Xây dựng phần mềm mô phỏng động lực học kết hợp điều khiển góc lái trực tiếp, giúp đội thi có thể thử nghiệm và điều chỉnh thông số trước khi chế tạo. Thời gian phát triển 6 tháng, do nhóm công nghệ thông tin và kỹ thuật điều khiển thực hiện.

Các giải pháp trên nhằm mục tiêu nâng cao chỉ số an toàn chuyển động, giảm thiểu rủi ro hỏng hóc và chi phí sửa chữa, đồng thời cải thiện hiệu suất thi đấu của xe Mini Racing Car.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình động lực học xe, giúp nâng cao hiểu biết và ứng dụng trong giảng dạy, nghiên cứu.

  2. Các đội thi Mini Racing Car và các cuộc thi xe mô hình: Tài liệu giúp các đội cải tiến thiết kế và điều khiển xe, tối ưu hóa hiệu suất và an toàn trong thi đấu.

  3. Kỹ sư thiết kế và phát triển xe mô hình: Cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế hệ thống lái và khung gầm phù hợp, giảm thiểu rủi ro kỹ thuật và chi phí sản xuất.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ điều khiển tự động: Tham khảo mô hình điều khiển góc lái và mô phỏng động lực học để phát triển các hệ thống điều khiển thông minh cho xe tự hành hoặc xe mô hình.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả công việc, từ việc giảng dạy, nghiên cứu đến thực tiễn sản xuất và thi đấu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình động lực học phẳng hai dãy bánh xe có ưu điểm gì?
    Mô hình này mô tả chính xác hơn chuyển động ngang của xe bằng cách tính toán lực và góc lệch riêng biệt cho từng bánh xe trước và sau, giúp phân tích ổn định và an toàn hiệu quả hơn so với mô hình một dãy bánh.

  2. Tại sao cần xác định vận tốc giới hạn cực đại theo góc lái?
    Vận tốc giới hạn giúp tránh hiện tượng trượt hoặc lật xe khi vào cua, đảm bảo an toàn vận hành. Việc xác định này dựa trên mô phỏng lực ngang và điều kiện ổn định ngang của xe.

  3. Động cơ Servo ảnh hưởng thế nào đến điều khiển góc lái?
    Động cơ Servo quyết định tốc độ và độ chính xác của góc lái. Thời gian đáp ứng nhanh và mô men lớn giúp xe phản ứng kịp thời với tín hiệu điều khiển, nâng cao tính cơ động và ổn định.

  4. Phần mềm mô phỏng có thể thay thế hoàn toàn thử nghiệm thực tế không?
    Phần mềm mô phỏng giúp giảm chi phí và thời gian thử nghiệm, nhưng không thể hoàn toàn thay thế thử nghiệm thực tế do các yếu tố môi trường và vật liệu thực tế có thể khác biệt.

  5. Luận văn có thể áp dụng cho các loại xe khác không?
    Có, mô hình và phương pháp nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại xe có kết cấu tương tự như xe Mini Racing Car, đặc biệt trong việc phân tích động lực học và điều khiển góc lái.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công mô hình động lực học phẳng hai dãy bánh xe để phân tích chuyển động ngang của xe Mini Racing Car.
  • Xác định được mối quan hệ giữa góc đánh lái và thời gian, vận tốc giới hạn cực đại theo góc lái, giúp nâng cao an toàn vận hành.
  • Kết quả mô phỏng phù hợp với lý thuyết ổn định ngang, cung cấp cơ sở khoa học cho việc cải tiến thiết kế và điều khiển xe.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa góc lái, giới hạn vận tốc, cải tiến động cơ Servo và phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình cho các loại xe khác và phát triển hệ thống điều khiển tự động thông minh trong tương lai.

Để nâng cao hiệu quả ứng dụng, các nhóm nghiên cứu và đội thi nên triển khai các đề xuất trong vòng 6-12 tháng tới, đồng thời phối hợp phát triển phần mềm mô phỏng để hỗ trợ công tác thiết kế và điều khiển xe Mini Racing Car.