Sự ổn định hướng chuyển động Dòng không khí xung quanh ô tô không những tạo ra các lực cản mà còn gây ra các lực và mô men khí động học khác ảnh hưởng đến sự ổn định hướng chuyển động c
TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG
Các vấn đề về khí động học
1.1.1 Các loại khí động học
Lực khí động bao gồm ba thành phần chính: một thành phần vuông góc với vectơ vận tốc, hướng lên trên được gọi là lực nâng, và một thành phần ngược chiều với vectơ vận tốc, được gọi là lực cản.
Lực khí động không chỉ bao gồm lực nâng mà còn có lực ép xuống, lực này ngược chiều với lực nâng Sự hiện diện của lực ép xuống làm tăng tải trọng trên bánh xe mà không cần tăng trọng lượng của ô tô, từ đó cải thiện độ bám đường của lốp.
Hình 1 1: Sơ đồ các lực khí động
1.1.1.1 Phân chia lực khí động
Sự phân chia lực cản khí động học giúp xác định mối quan hệ giữa nguyên nhân và tác động của lực cản, nhưng điều này gặp khó khăn do sự tương tác phức tạp giữa các miền dòng chảy xung quanh ô tô Lực cản có thể được phân tích từ hai góc độ khác nhau.
- Sự phân bố lực cản
- Ảnh hưởng của lực cản
Sự phân loại này là cơ sở của tất cả những sự khảo sát đối với lực cản
Lực cản khí động học của một chiếc xe có thân trơn không có chi tiết kèm theo thường phân bố ở bốn khu vực chính: mui xe, sườn, thân và phần đuôi xe.
Sự đóng góp của các thành phần đối với lực cản tổng cộng được thể hiện qua hình 1.3 với các góc nghiêng khác nhau Lực cản tại mui xe CB rất nhỏ, trong khi lực cản phía trước được đặc trưng bởi hệ số cản trước CF*, không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi hình dạng đuôi Tuy nhiên, khi góc nghiêng của chiều tác động tăng lên, sự phân chia lực cản xung quanh ô tô sẽ thay đổi, với tỉ lệ phần thân phía trước CB giảm và phần thân phía sau CS tăng.
Hình 1 3: Sự thay đổi hệ số khí động theo phương tác động
1.1.1.2 Nguồn gốc của lực cản
Lực cản thường xuất hiện ở các vị trí: phần đầu, kính chắn gió, cột A, đuôi, gầm, nóc, bánh xe,… a) Phần đầu
Phần đầu của ô tô có thể hình dung như một khối vuông, với dòng không khí xung quanh được minh họa trong hình 1.4 Để đơn giản hóa, chúng ta giả định rằng dòng không khí làm mát đi vào ô tô bị chặn lại.
Lực khí động tác dụng lên mặt trước của xe gây ra hiện tượng tách dòng, khi không khí có xu hướng chảy lên và qua hai bên sườn xe thay vì qua gầm Điều này dẫn đến sự lệch dòng chảy tại điểm giao giữa mặt trước, capô và chắn bùn, làm cho áp lực tại các cạnh của phần thân phía trước không đồng đều so với dòng chảy lý tưởng Hệ quả là áp lực dòng chảy ở phần đầu xe lớn hơn, tạo ra lực cản Hình dạng của phần đầu ô tô ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản, với các yếu tố như độ dốc của mui xe, capô và bán kính góc lượn cần được chú ý Tăng bán kính cạnh phía trước giúp giảm lực cản nhanh chóng, và khi đạt đến một mức nhất định, lực cản sẽ ổn định, ngăn chặn sự tách dòng và đưa dòng chảy gần với lý tưởng Việc bo tròn các cạnh trước do đó có tác dụng giảm thiểu lực cản từ phần thân phía trước.
Hình 1 5: Sự phân bố lực cản khí động tác dụng lên mặt trước của xe
Góc nghiêng của mui xe là một yếu tố hình học quan trọng, ảnh hưởng đến lực cản Tuy nhiên, tác động của độ nghiêng này đối với lực cản sẽ đạt đến mức bão hòa, nghĩa là sẽ không có sự giảm lực cản khi độ nghiêng được giảm xuống.
Hình 1 6: Mối quan hệ giữa hệ số khí động và hình dáng mui xe
Góc nghiêng của mặt trước là một tham số quan trọng ảnh hưởng đến lực cản, như được minh họa trong hình 1.6 Tuy nhiên, ảnh hưởng này thường nhỏ do việc sử dụng bán kính góc trước lớn Bên cạnh đó, kính chắn gió và cột A cũng góp phần vào việc giảm thiểu lực cản.
Sơ đồ của dòng chảy xung quanh kính chắn gió được hiển thị trong hình 2.8 Sự tách dòng xuất hiện ở ba vị trí khác nhau
Hình 1 7: Sơ đồ dòng chảy khí động
- Ở đáy (chân) kính chắn gió, khoảng lõm được tạo ra bởi khớp nối với capô
- Phần trên kính chắn gió, chỗ nối với nóc
Các nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản trên kính chắn gió đã được nêu rõ trong phần 1.8 Trong đó, độ đảo và bán kính cột A được phân tích chi tiết hơn Bán kính cột A không chỉ tác động đến lực cản mà còn ảnh hưởng đến mức độ tiếng ồn gió.
Khi tăng góc nghiêng của kính chắn gió, lực cản sẽ giảm, nhưng mức giảm này không đáng kể Đối với các góc nghiêng lớn hơn 60 độ, không có sự cải thiện rõ rệt về lực cản Hơn nữa, kính chắn gió với góc nghiêng lớn có thể gây ra vấn đề về khả năng quan sát và tăng nhiệt độ trong buồng lái.
Hình 1 8: Các nhân tố ảnh hưởng tới sự phân bố lực khí động
Góc nghiêng của kính chắn gió ảnh hưởng đến lực cản một cách gián tiếp Khi góc nghiêng lớn, áp lực ngược tại phần tiếp xúc với nóc giảm, dẫn đến việc không khí bị đẩy ra phía cột A ít hơn Điều này giúp giảm năng lượng tiêu tốn do dòng xoáy tạo ra.
Nóc xe chịu tác động của lực cản, và hệ số cản có thể được giảm bằng cách tăng độ cong theo chiều dọc Tuy nhiên, nếu độ cong quá lớn, hệ số cản CD có thể tăng lên Sự ảnh hưởng tích cực của việc tạo vòm phụ thuộc vào việc duy trì bán kính cong đủ lớn giữa kính chắn gió và nóc, cũng như giữa nóc và kính chắn gió sau Do đó, áp lực ngược tại các vị trí này sẽ không lớn, dẫn đến độ chênh lệch áp suất tương ứng nhỏ.
Hình 1 9: Sự phân bố áp lực khí động lên trần xe
Khi thiết kế độ cong của nóc xe, cần đảm bảo rằng diện tích mặt trước của xe không thay đổi; nếu không, lực cản sẽ tăng, mặc dù hệ số cản CD đã được giảm, như thể hiện trong đồ thị ở hình 1.9.
Mặt dưới của hầu hết các gầm xe có bề mặt nhám, và lực cản của xe có gầm nhẵn được thể hiện rõ trong hình 1.10 Một gầm xe nhẵn có thể giảm đáng kể lực cản, nhưng việc thay đổi thiết kế này sẽ trở nên phức tạp và khó thực hiện.
Hình 1 10: Sự thay đổi hệ số khí động dưới gầm xe e) Lực cản từ dòng không khí qua một chiếc xe
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Khí động học đã được các nhà nghiên cứu và thiết kế xe hơi toàn cầu nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua, dẫn đến những cải tiến đáng kể trong hình dáng khí động của nhiều loại xe hiện nay.
Năm 1960, các kỹ sư của Ferrari đã phát minh ra cánh điều khiển dòng khí động, giúp giảm đáng kể lực nâng và tạo ra lực nén lên xe Sáng chế này không chỉ ổn định chuyển động của xe ở tốc độ cao mà còn nâng cao khả năng tăng tốc, góp phần cải thiện hiệu suất của những chiếc siêu xe.
Vào năm 1970, nhà nghiên cứu Collin Chapman đã phát minh ra một phương pháp mới để tạo lực nén mà không làm tăng lực cản, đó là hiệu ứng mặt đường Ông thiết kế một đường dẫn không khí dưới đáy chiếc xe đua Lotus 72, với phần trước hẹp và mở rộng dần về phía sau Nhờ gầm xe gần sát mặt đường, sự kết hợp giữa đường dẫn không khí và thiết kế này đã tạo ra hiệu ứng khí động học vượt trội.
Khi chiếc xe di chuyển qua một đường hầm gần như kín, không khí sẽ được hút vào từ phía mũi xe và thoát ra phía sau, dẫn đến sự giảm dần áp suất không khí về phía đuôi xe Hiện tượng này tạo ra lực nén, ảnh hưởng đến hiệu suất và ổn định của xe trong quá trình di chuyển.
Vào năm 1978, Brabham, nhà chế tạo nổi tiếng của F1 McLaren, đã áp dụng phương pháp nghiên cứu của Collin Chapman cho chiếc xe Gordon Murray của mình bằng cách sử dụng quạt gió công suất lớn để tạo áp suất thấp ở gần đuôi xe, thay vì sử dụng đường dẫn khí mở rộng Tuy nhiên, tại Việt Nam, nghiên cứu về khí động học vẫn còn nhiều hạn chế và chưa được chú trọng Năm 2009, tác giả đã thực hiện công trình nghiên cứu mang tên “Đặc tính khí động học ô tô”.
Nguyễn Minh Hải đã nghiên cứu các đặc tính khí động của ô tô, tập trung vào mối quan hệ giữa hình dáng xe và lực, mô men khí động Tuy nhiên, việc mô phỏng và khảo sát khí động gặp khó khăn do tính phi tuyến của tương tác giữa dòng khí động và xe, không có phương trình toán học nào mô tả được CarSim, phần mềm được phát triển vào năm 1996, nổi bật với khả năng mô phỏng đáp ứng của nhiều loại xe khác nhau Việc ứng dụng CarSim trong nghiên cứu khí động hứa hẹn sẽ mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong tương lai gần.
Nội dung, phương pháp và ý nghĩa của đề tài nghiên cứu
Trước tính hình nghiên cứu trong và ngoài nước được trình bày tại mục 1.2 Luận văn tiến hành thực hiện nghiên cứu các vấn đề sau:
- Nghiên cứu khí động học trên xe con;
- Tìm hiểu phần mềm CarSim;
- Mô phỏng khí động học trong CarSim và khảo sát
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện các nội dung nghiên cứu trên, luận văn tiến hành nghiên cứu về khí động và sử dụng phần mềm Carsim mô phỏng xác định các lực khí động tác dụng lên xe
1.3.3 Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu Để tính toán thiết kế ra xe ô tô, các hãng sản xuất mất nhiều thời gian công sức để tính toán chế tạo thử nghiệm và đưa vào sản suất Gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự hỗ trợ của máy tính các nhà nghiên cứu đã xây dựng được phần mềm CarSim Với tính toán và mô phỏng gần xác thực, phần mềm CarSim giúp cho con người tiết kiệm được thời gian công của để sản xuất ra chiếc ô tô
Phần mềm CarSim không chỉ tính toán và mô phỏng nhiều hệ thống trên ô tô mà còn đặc biệt chú trọng đến khí động học Khí động học nghiên cứu dòng chảy của chất khí, ảnh hưởng lớn đến thiết kế khung xe, vật liệu chế tạo và công suất động cơ Việc mô phỏng và phân tích tác động của khí động học lên ô tô giúp tính toán chính xác các lực và mô men tác động lên xe, từ đó xác định ảnh hưởng của dòng khí đối với hiệu suất xe Do đó, nghiên cứu mô phỏng khảo sát khí động học xe con trong CarSim là rất cần thiết và có tính ứng dụng cao.
TÌM HIỂU PHẦN MỀM CARSIM
Giới thiệu Carsim
Tổng công ty mô phỏng cơ khí MSC (Mechanical Simulation Corporation) là đơn vị hàng đầu toàn cầu trong lĩnh vực phát triển và cung cấp phần mềm tiên tiến, chuyên dùng để mô phỏng hành vi và phản ứng của xe trong các tình huống tương tác động lực học.
MSC, thành lập năm 1996, chuyên cung cấp các gói mô phỏng cho xe hơi (CarSim), xe tải (TruckSim) và xe gắn máy (BikeSim) Công ty cũng đào tạo và hỗ trợ liên tục cho hơn 30 nhà sản xuất OEM, 60 đại lý cấp 1, và 150 trường đại học cùng các nhóm nghiên cứu chính phủ trên toàn cầu Các bộ điều khiển tiên tiến và hệ thống dẫn hướng của MSC đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ xe.
Phần mềm hỗ trợ cả hệ điều hành 32 bit và 64 bit, cho phép mô phỏng nhanh hơn thời gian thực Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp kiểm tra mô phỏng phần cứng theo vòng kín (Hardware In the Loop - HIL).
2.1.1 Các mô hình trong CarSim
CarSim cung cấp mô hình toán học để mô phỏng hệ thống trên xe, cho phép tùy chỉnh các thông số nhằm tối ưu hóa hiệu suất Phần mềm này cũng mô phỏng hành vi của xe trong quá trình thử nghiệm Đặc biệt, CarSim tương thích với nhiều phần mềm khác như Simulink, LabView, ATAS ASCET, C/C++, và Visual Basic, giúp tự động hóa và mở rộng ứng dụng của mô hình.
Chức năng của bảng cấu hình
VehicleSim® (VS) có khả năng xác định mối quan hệ phi tuyến giữa các biến độc lập và biến phụ thuộc Những mối quan hệ này có thể được biểu diễn dưới dạng hằng số, hệ số tuyến tính, hoặc bảng phi tuyến thông qua phương pháp nội suy cho một hoặc hai biến độc lập.
Nếu lựa chọn các phương pháp đơn giản để cấu hình (Sử dụng hệ số hay nội suy tuyến tính) sẽ rút ngắn được thời gian mô phỏng
Không hạn chế độ dài của bảng khi xác định các hệ số sử dụng bảng Điều khiển dẫn hướng
Tất cả các mô hình điều khiển dẫn hướng được xác định bằng cách sử dụng mô hình trong CarSim hay được lập trình từ các phần mềm khác
Một mô hình điều khiển lái cho phép người dùng điều khiển theo một quỹ đạo lập trình sẵn
Các mô hình điều khiển có thể kiểm soát được tốc độ bằng cách đặt trước và khả năng gia tốc giới hạn, đường hình học 3D…
Có thể can thiệp vào hệ thống bằng cách điều khiển vòng kín hoặc vòng hở
Hiệu ứng gió và khí động học
Có 6 lực và mô men khí động được cấu hình cho khối lượng được treo của xe Các lực và mô men này được cấu hình chức năng cho độ trượt của khí động, khoảng sáng gầm xe và các góc lượn
Tốc độ của gió xung quanh và gió chính diện được thiết lập với các bảng, hàm thời gian hay có thể được nhập từ các phần mềm khác
Hệ thống treo có các mô hình chuyển động phi tuyến và bất đối xứng, chịu tác động bởi lực dọc và lực theo phương thẳng đứng Góc đặt bánh xe được xác định bởi góc camber và góc toe, và tất cả các thông số này có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính hoặc phi tuyến thông qua bảng cấu hình.
Hệ treo cầu trước và cầu sau có thể được phân loại thành hệ treo độc lập hoặc phụ thuộc Hệ treo phụ thuộc coi khối cầu như một khối rắn tuyệt đối, với sự tương tác giữa các bánh xe được tạo ra thông qua dầm Trong khi đó, hệ treo độc lập sử dụng lò xo và giảm chấn phi tuyến, tính đến độ trễ do ma sát.
Trong quá trình mô phỏng, người dùng cần khai báo các thông số quan trọng như khối lượng treo, độ cứng của lò xo, hệ số giảm chấn, chiều rộng cơ sở của xe, bán kính lăn bánh và các góc đặt bánh xe Đồng thời, cần xác định đặc tính thay đổi của các góc đặt bánh xe khi có sự thay đổi về lực dọc, lực ngang và mô men lái Các thông số cụ thể được trình bày chi tiết trong hình 2.1.
Hình 2 1: Các thông số của mô hình hệ thống treo
Sự tương tác giữa hệ thống treo, hệ thống lái, lốp xe và mặt đất được mô phỏng bằng một mô hình đa vật thể chi tiết, trong đó xem xét ảnh hưởng của góc kingpin.
Trong mô hình hệ thống cho phép thay đổi tùy chọn lái thông thường hay trợ lực với một thời gian cố định
Hàm mô phỏng được sử dụng cho tốc độ thấp là điều kiện để xác định mô men lái
Trong quá trình mô phỏng hệ thống lái, cần khai báo các đặc tính quan trọng như tính quán tính của trục lái và hệ thống, hiện tượng trễ của mô men lái, cũng như đặc tính của góc kingpin và kiểu hệ thống lái cho cầu trước Người dùng có tùy chọn lựa chọn hệ thống lái 4 bánh (bốn bánh dẫn hướng) Các thông số cần thiết cho mô phỏng được trình bày chi tiết trong hình 2.2.
Hình 2 2: Các thông số của mô hình hệ thống lái
Mô hình hệ thống phanh cho phép người dùng lựa chọn giữa phanh thủy lực 4 bánh có ABS hoặc không, cũng như các chế độ hiệu ứng nhiệt và trợ lực phanh Áp suất đầu vào của các xy lanh chính tỷ lệ thuận với áp suất bơm, trong khi mô men phanh được mô phỏng như một hàm phi tuyến với áp suất bơm.
Hệ thống 39 cho phép người dùng lựa chọn giữa việc sử dụng ABS hoặc thuật toán tích hợp sẵn trong bộ điều khiển đơn giản Chất lượng điều khiển và hiệu quả của hệ thống phanh được đánh giá dựa trên ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt và động lực học trong truyền động của chất lỏng.
Mô hình phanh 4 bánh trong hình 2.3 cho phép người dùng tắt bộ ABS để sử dụng chế độ phanh thường Người sử dụng có thể khai báo mô men phanh tại từng bánh, đồng thời thiết lập các ngưỡng điều khiển cho ABS theo độ trượt Mô hình cũng cho phép lựa chọn vùng tốc độ thấp nhất để loại bỏ ABS khỏi hệ thống, nhằm thuận lợi cho quá trình khảo sát.
Hình 2 3: Các thông số của mô hình hệ thống phanh
CarSim cung cấp nhiều mô hình lốp, bao gồm mô hình cơ bản với bảng dữ liệu, các mô hình mở rộng sử dụng nhiều bảng và hiệu ứng góc camber, cùng với phiên bản 5.2 Pacejka của phương pháp ma trận và mô hình MF-tyre từ TNO.
Các mô hình được xây dựng trong bảng phi tuyến cho lực bên, lực dọc, mô men quay là hàm của độ trượt, tải trọng và góc camber
Lực dọc và lực bên được xác định nhờ thuyết trượt được công bố bởi Pacejka và Sharp
Một số ứng dụng điển hình của CarSim
2.2.1 Đánh giá các bộ phận cấu thành của xe bằng mô phỏng HIL kết hợp phần mềm hiển thị thời gian thực Labview
Mô phỏng HIL là công cụ quan trọng cho các nhà thiết kế và kỹ sư trong việc đánh giá và kiểm tra tính năng của các bộ phận trên xe ô tô trong quá trình phát triển hệ thống Thay vì thử nghiệm trên các hệ thống hoàn chỉnh, HIL sử dụng phần mềm mô phỏng CaSim, giúp giảm kích thước và độ phức tạp của quá trình kiểm tra Điều này không chỉ tăng cường tính linh hoạt mà còn nâng cao tốc độ và khả năng thực hiện các kịch bản thử nghiệm.
Trong nhiều trường hợp, việc phát triển hệ thống chế tạo bắt đầu bằng mô hình hóa mô phỏng, giúp nhà thiết kế phân tích hành vi tổng thể của hệ thống và tối ưu hóa các thuật toán Một ứng dụng điển hình là đánh giá hiệu quả hoạt động của ECU ABS qua nhiều kịch bản khác nhau, với các thông số quan trọng như điều khiển van điện từ, lực phanh và mô men phanh, cũng như động lực học của quá trình phanh.
Hình 2 10: Sơ đồ mô phỏng HIL
Cơ cấu chấp hành và động lực học của xe được điều khiển bởi bộ điều khiển PXI phát triển từ LabVIEW, trong khi các động thái đáp ứng của xe được mô phỏng qua phần mềm CarSim Dựa trên các động thái này, ECU tạo ra tín hiệu điều khiển như tăng áp, giữ áp hoặc giảm áp để điều chỉnh cơ cấu chấp hành, từ đó quyết định lực phanh và mô men phanh trong mô hình CarSim Các động thái đáp ứng của xe được CarSim thu thập và truyền tín hiệu lại cho bộ điều khiển, tất cả hoạt động này diễn ra theo một chu trình kín, thường được gọi là chu kỳ điều khiển.
Kết quả mô phỏng HIL với sự kết hợp giữa CarSim và LabVIEW thể hiện qua đồ thị vận tốc chuyển động của xe, vận tốc góc các bánh và áp suất các bánh theo thời gian, như được minh họa trong hình 2.11.
Hình 2 11: Kết quả mô phỏng hiển thị trên labview
2.2.2 Mô phỏng động lực học của xe
Trong mô phỏng động lực học của xe, CarSim áp dụng mô hình lốp phi tuyến và đặc tính đàn hồi của lò xo phi tuyến, kết hợp với các hiệu ứng động học phù hợp với hệ thống lái và hệ thống treo Kết quả thu được bao gồm giá trị chi tiết và hình ảnh 3D của các bộ phận trong quá trình khảo sát Ngoài ra, CarSim cho phép người dùng lựa chọn độc lập các biến trạng thái cho hệ thống treo.
- Hệ thống treo độc lập cho cả cầu trước và cầu sau
Hệ thống treo độc lập ở cầu trước và hệ thống treo phụ thuộc ở cầu sau giúp tối ưu hóa khả năng kiểm soát xe CarSim xác định thời điểm bắt đầu phanh và góc quay vô lăng để quản lý đầu vào, đồng thời cung cấp tùy chọn điều khiển vòng kín với biến điều khiển là tốc độ.
Hình 2 12: Các bước mô phỏng động lực học của xe
Mô hình khí động học
Khí động học trên xe được xác định bởi các véc tơ lực và mô men tác động lên trọng tâm của thân xe, với mỗi véc tơ bao gồm ba thành phần lực theo các phương X, Y, Z song song với hệ quy chiếu của xe Giá trị của mỗi thành phần lực được tính bằng tích của hai hệ số không thứ nguyên C1 và C2, nhân với tiết diện mặt tác động A và áp lực khí động Q.
F = C1*C2*A*Q Trong đó Q có giá trị
V là vận tốc của khí động, 𝜌 là mật độ của dòng khí động, thông thường mật độ của dòng khí động có giá trị 1,26 kg/m 3
Các hệ số C1 và C2 khác biệt so với ba phương của lực, được xác định bởi hàm khí động của góc trượt β và độ cao trọng tâm Z kết hợp với góc pitch θ Những hệ số này có thể được trình bày dưới dạng bảng phụ thuộc vào các biến β, Z và θ.
Có ba mô men khí động tác động lên trọng tâm của xe Giá trị này phụ thuộc vào điểm đặt của lực khí động
Giá trị của mô men khí động được xác định
Trong casim có 6 lực và mô men được miêu tả trong bảng 1 Trị số các lực và mô men này phụ thuộc vào các hệ số C1, C2
Bảng 1: Các lực và mô men khí động trong Carsim
Trong Carsim, ngoài các trị số mô tả lực và mô men tác động lên xe, người dùng còn có thể khai báo cường độ và chiều của gió Cần lưu ý rằng mật độ dòng khí động 𝜌 được sử dụng để mô tả cả dòng khí động và gió, nhưng trong thư viện của Carsim, hai giá trị này là khác nhau Do đó, việc khảo sát khí động và gió trên cùng một mô hình có thể dẫn đến lỗi trong quá trình chạy mô hình.
Màn hình chính của khảo sát khí động được trình bày trên hình 2.13
Hình 2 13: Màn hình chính khi khảo sát khí động
Khi khảo sát tác động của khí động học lên xe, cần khai báo tọa độ trọng tâm, diện tích mặt cắt chính diện khi tiếp nhận dòng khí động A và khối lượng riêng của dòng khí động Các hệ số khí động học khác nhau cho từng phân khúc xe, như thể hiện trong hình 2.14 với sự thay đổi của hằng số khí động CFx giữa dòng xe sedan và SUV.
Hình 2 14: Hệ số lực cản khí động đối với dòng xe Sedan và SUV
Các hệ số khí động học phụ thuộc vào góc trượt khí động β, là góc giữa phương tác dụng của dòng khí động và trục dọc (0x) của xe Do đó, trong quá trình khảo sát, người dùng cần khai báo chính xác các thông số yêu cầu để đảm bảo kết quả phản ánh đúng thực tế.
MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT KHÍ ĐỘNG HỌC SỬ DỤNG
Xác định các lực và mô men khí động
Trong quá trình xe di chuyển, lực khí động tác động lên xe và tạo ra mô men khí động tại trọng tâm Hình dáng vỏ xe và kết cấu gầm xe ảnh hưởng đến hệ số khí động và giá trị lực khí động tác dụng lên xe Ở tốc độ thấp, khí động học ít được chú ý, nhưng khi xe di chuyển với tốc độ cao, vấn đề ổn định trở nên quan trọng hơn, với các lực và mô men khí động là nguyên nhân chính gây mất ổn định.
Trạng thái chuyển động của xe trên đường thường thay đổi linh hoạt theo điều kiện ngoại cảnh, với hai quá trình cơ bản là phanh và tăng tốc ảnh hưởng đến độ ổn định dọc của xe Mục 3.1 của luận văn sẽ mô phỏng chuyển động của xe trong môi trường khí động học để xác định lực khí động tác động lên xe.
3.1.1 Lực và mô men khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh
Xe sedan, đặc biệt là Toyota Vios, đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam Việc khảo sát các lực và mô men khí động trên các dòng xe này có vai trò quan trọng đối với ngành công nghiệp ô tô trong nước Trước khi tiến hành khảo sát khí động, các thông số kỹ thuật của xe đã được cấu hình đầy đủ.
Carsim cho phép người dùng tùy chỉnh thông số xe thông qua việc khai báo các đặc tính như khối lượng treo, động cơ, hệ thống lái, hệ thống phanh, kích thước hình học và thông số lốp Luận văn này mô tả xe mô hình sử dụng hệ thống treo độc lập cho cả hai cầu và hệ thống phanh ABS, cho phép người dùng có thể tắt hoặc bật hệ thống này trong quá trình khảo sát.
53 quan trọng ảnh hưởng tới việc khảo sát khí động đó là khai trọng tâm của xe và các kích thước hình học
Hình 3 1 Cài đặt các thông số cho xe thí nghiệm
Các thông số hình học của xe được thể hiện trên hình 3.2, với hệ tọa độ khí động đặt tại tâm cầu trước Tọa độ trung tâm được xác định là (x, y, z) = (-1215, 0, 0) Trọng tâm của xe có ảnh hưởng trực tiếp đến mô men khí động, cũng như các lực nén và lực nâng trong quá trình mô phỏng.
Hình 3 2: Khai báo các kích thước hình học của xe
Khi mô phỏng khí động, cần khai báo các thông số quan trọng như tọa độ trọng tâm trên hệ trục tọa độ, diện tích cản chính diện A, khối lượng riêng của dòng không khí và chiều dài cơ sở của xe Những thông số này được thiết lập như thể hiện trong hình 3.3.
Trong khảo sát này, người lái xe tăng tốc trong 10 giây bằng cách đạp bàn đạp ga cho đến khi độ mở bướm ga đạt 65% Sau khoảng thời gian này, người lái ngắt động cơ khỏi hệ thống truyền lực và thực hiện phanh xe Đồ thị vận tốc dài của xe tương ứng với kịch bản vận hành này được thể hiện trong hình 3.4.
Hình 3 4: Vận tốc dài của xe trong quá trình khảo sát khí động
Trong quá trình khảo sát, người lái đạt vận tốc tối đa 130 km/h mà không thực hiện đánh lái, dẫn đến góc trượt khí động (góc β) lý tưởng bằng không Tuy nhiên, nếu có sự ảnh hưởng từ khí động hoặc quá trình thay đổi quỹ đạo của xe, góc β sẽ biến đổi Sự biến thiên của góc β được thể hiện qua hình 3.5.
Hình 3 5: Góc trượt khí động trong quá trình mô phỏng
Trong quá trình tăng tốc và phanh, góc β ổn định ở mức 0, cho thấy xe duy trì hướng tốt Tuy nhiên, khi xe dừng lại, góc β nhanh chóng thay đổi từ -170° đến 170°, điều này chứng tỏ rằng xe bị lắc dọc trong quá trình phanh Sự biến thiên này là kết quả của lực khí động tác động liên tục và đổi hướng.
Các lực khí động tác động lên trọng tâm của xe theo ba phương 0x, 0y và 0z Lực cản chính diện tác động lên phía trước xe theo phương 0x, trong khi các lực bên, lực nâng và lực nén tác động theo phương 0y và 0z Giá trị của các lực khí động này được thể hiện trong hình 3.6.
Hình 3 6: Lực khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh
Trong quá trình xe chuyển động thẳng, lực bên khí động tác dụng lên xe không đáng kể, trong khi lực cản chính diện là yếu tố quan trọng nhất, tỷ lệ với sự biến đổi vận tốc của xe và đạt giá trị tối đa -700N (tương đương với tải trọng 70kg) Khi xe di chuyển với vận tốc 130 km/h trong thời gian dài, lượng tiêu hao nhiên liệu do ảnh hưởng của khí động trở nên rất đáng kể Đồng thời, lực nâng tác động lên xe tại vận tốc tối đa đạt 200N, cho thấy xe có thể giảm tải trọng 20kg khi chạy ở vận tốc 130 km/h.
Các giá trị của lực cản khí động, lực bên và lực nâng tác động lên xe là yếu tố quyết định mô men khí động Mô men khí động được thể hiện rõ ràng trong hình 3.7.
Hình 3 7: Mô men khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh
Theo đồ thị mô men trong hình 3.7, trong quá trình xe chuyển động thẳng, mô men gây lật (M0x) và mô men xoay thân xe (M0z) có giá trị không đáng kể, cho thấy mô men khí động không ảnh hưởng đến an toàn chuyển động của xe Trong khảo sát này, giá trị mô men xoay quanh trục y đạt 340.
Sự biến thiên của lực trong quá trình vận hành xe, kết hợp với cấu trúc của hệ thống treo, sẽ xác định độ cao của các cầu trong khi xe di chuyển Nếu mô men này thay đổi liên tục, điều đó có nghĩa là xe đang dao động theo phương thẳng đứng.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, lực và mô men khí động ảnh hưởng lớn nhất đến tính kinh tế nhiên liệu khi xe vận hành ở tốc độ cao Để giảm lực cản chính diện do khí động, cần thay đổi hình dáng khí động và diện tích cản chính diện của xe Việc điều chỉnh hình dáng động học giúp cải thiện hệ số khí động, từ đó giảm thiểu các lực cản khí động tác động lên xe.
3.1.2 Lực và mô men khí động trên các dòng xe khác
Sự tác động của gió tới trạng thái chuyển động của ô tô
Khi xe di chuyển với bất kỳ vận tốc nào, không khí xung quanh cũng chuyển động theo, theo nguyên lý tương đối Quá trình này tạo ra lực và mô men tác động lên xe, ảnh hưởng đến hiệu suất và ổn định của phương tiện.
Khí động học ảnh hưởng đến xe do sự tác động của gió và chênh lệch áp suất khí quyển, dẫn đến lực và mô men tác động lên xe Nghiên cứu này khảo sát sự ổn định chuyển động của xe dưới tác động của lực gió ngang, xác định giá trị của lực và mô men khí động Trong quá trình thử nghiệm, người lái không can thiệp vào việc đánh lái hay phanh, duy trì vận tốc 80 km/h trên đường có lực gió ngang với hệ số bám thấp φ = 0,15, như được mô tả trong hình 3.15.
Mô hình đường thí nghiệm được thiết kế với các quạt tạo gió công suất lớn đặt hai bên đường để duy trì tốc độ gió ngang trong phạm vi 50m khi xe di chuyển Tốc độ gió có thể được điều chỉnh theo yêu cầu, với cài đặt cụ thể là 100 km/h tại hai vị trí bên đường cách nhau 10m Đặc tính của gió được thể hiện trong hình 3.16.
Lực khí động của gió bên tác động mạnh lên thân xe, với giá trị lực bên lên tới 2200N, khiến cho các lực nâng và lực cản chính diện trở nên không đáng kể Lực này gây ra mất ổn định theo phương ngang, đặc biệt trên những loại đường có hệ số bám thấp, nơi lực chống trượt ngang kém, buộc người lái phải điều chỉnh tay lái để duy trì quỹ đạo di chuyển thẳng.
Hình 3 17: Lực cản gió tác động lên xe
Khi xe di chuyển với tốc độ cao, lực quán tính giúp cải thiện độ ổn định theo phương dọc Các mô men cản do gió xuất hiện từ các lực cản thành phần, tạo nên hình dáng đồ thị tương tự như trình bày trong hình 3.18.
Hình 3 18: Mô men của gió tác động lên xe
Mô men tại trục 0x đạt 1300Nm, một giá trị lớn có khả năng gây lật xe Khi xe di chuyển vào vùng khí động, vận tốc của không khí xung quanh tăng lên đến 130 km/h.
Hình 3 19: Vận tốc dòng khí động
Hình 3 20: Góc xoay thân xe
Cảm biến yaw ghi lại sự lắc bên của thân xe, cho thấy rằng thân xe chỉ dao động không đáng kể Theo đồ thị hình 3.16, góc dao động lệch so với phương dọc của xe đạt mức tối đa là 2,5 độ.
Khảo sát sự ảnh hưởng của lực phân bố khí động tới tính năng vận hành của
Trong chương 1, luận văn phân tích sự phân bố lực khí động lên xe dựa vào hình dáng mui xe, cho thấy rằng diện tích cản chính diện và các góc lượn dẫn hướng dòng khí động khác nhau giữa các loại xe, dẫn đến lực khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc cũng khác nhau Mức độ tác động của lực cản khí động ảnh hưởng lớn đến hệ số khí động, từ đó tác động trực tiếp đến lượng tiêu hao nhiên liệu và độ ồn trong quá trình vận hành Luận văn khảo sát sự thay đổi của hệ số khí động, đặc biệt là đối với dòng xe sedan, cho thấy hệ số khí động chính diện Cfx có dạng hình parabol với giá trị tối đa Cfx = 0,28, và sự phụ thuộc của hệ số này vào góc trượt khí động được minh họa trong hình 3.17.
Hình 3 21: Hệ số khí động hình parabol
Theo đồ thị hình 3.21, góc khí động dao động từ -180° đến 180°, nhưng trong trường hợp xe chạy thẳng, chỉ cần xem xét điểm góc trượt khí động bằng 0 Khi xe tăng tốc mà không có sự điều khiển lái, giá trị góc trượt khí động sẽ giữ nguyên Đồ thị vận tốc chuyển động của xe được thể hiện trong hình 3.22.
Hình 3 22: Đồ thị vận tốc của xe khi Cfx = 0,28
Kịch bản vận hành yêu cầu điều khiển độ mở bướm ga ở mức 65% trong 0,5 giây và giữ nguyên trong 10 giây, sau đó ngắt động cơ khỏi hệ thống truyền lực để xe tiếp tục chạy theo quán tính Trong 10 giây đầu, xe đạt tốc độ 85km/h, nhưng sau 5 giây tiếp theo, vận tốc giảm xuống còn 80km/h do ảnh hưởng của các lực cản lăn và cản khí động.
Khảo sát với nhiều giá trị hệ số cản khác nhau cho thấy, khi thay đổi hệ số khí động từ 0,28 đến 0,8, khả năng tăng tốc của xe không có sự khác biệt lớn Sau 10 giây vận hành, vận tốc đạt được của xe dao động từ 85 km/h đến 84,5 km/h, như được minh họa trong hình 3.23.
Hình 3 23: Đồ thị vận tốc của xe khi Cfx = 0,8
Theo đồ thị hình 3.22 và 3.23, lực cản khí động có ảnh hưởng nhỏ đến khả năng vận hành của xe sedan, vì nó quá nhỏ so với lực kéo Tuy nhiên, khi ngắt nguồn truyền công suất, lực cản khí động trở nên quan trọng hơn, ảnh hưởng lớn đến vận tốc xe Sau 5 giây, vận tốc xe thay đổi rõ rệt: với Cfx = 0,28, vận tốc đạt 80 km/h (hình 3.22), trong khi với Cfx = 0,8, vận tốc chỉ còn 75 km/h.
Kết quả khảo sát cho thấy hệ số cản khí động của xe ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng vận hành, từ đó tác động đến hiệu suất sử dụng nhiên liệu và khả năng vận hành của xe.
Để đánh giá chính xác mức tiêu thụ nhiên liệu, cần thực hiện nhiều khảo sát chi tiết hơn Đây cũng là hướng đi tiềm năng cho nghiên cứu trong tương lai.
