Hình 2.10: Sơ đồ hóa mô hình động lực học bao gồm dao động lắc ngang của ôtô trên trục khi có chất lỏng trong xitec...36Hình 3.1: Logo khởi động matlab...44Hình 3.2: Màn hình khi khởi độ
TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ CHỞ CHẤT LỎNG
Tổng quan về ô tô chở chất lỏng
Ô tô chở chất lỏng hay còn gọi là xe bồn hay xe xitec là loại xe có kích thước lớn, động cơ mạnh mẽ Đặc biệt, điểm nhận dạng đặc trưng của loại xe này là bồn chuyên dụng ở thân xe Ở phần bồn này thường được thiết kế để chở các loại chất lỏng hoặc nguyên liệu đặc trưng Hiện nay, dòng xe này khá phổ biến trong đời sống hiện nay Ô tô chở chất lỏng chỉ chở được một vài loại hàng hóa như các loại chất lỏng, khí hóa lỏng vì tính năng chuyên dụng của mình.
Bên cạnh đó, xe xitec được phân thành nhiều loại khác nhau Mỗi loại đều có công dụng, tính năng, mẫu mã khác biệt Nhà sản xuất nắm bắt được nhu cầu của doanh nghiệp, nên xe xitec cũng được phát triển ngày càng đa dạng hơn Xe thường chở các nhiên liệu như xăng, dầu, hóa chất hoặc chất lỏng dễ cháy Do đó, trong quá trình sản xuất phải thật nghiêm ngặt, sử dụng công nghệ hiện đại, khép kín Nhằm đảm bảo an toàn cho người sử dụng, chất lượng tối ưu của hàng hóa. Ô tô chở chất lỏng là loại phương tiện dùng để vận chuyển các loại hàng hóa sau đây không có bao bì:
Sản phẩm dầu mỏ (xăng, dầu, )
Hóa chất (axit, các sản phẩm dung dịch tổng hợp, )
Thực phẩm (sữa, bia, rượu, nước ngọt, )
Khí nén và khí hóa lỏng (butan, metan, )
Hỗn hợp ướt (bê tông tươi, nhựa trải đường, )
Chất bột (xi măng, bột mì, vôi bột, )
Các chất lỏng khác (nước, chất bột chữa cháy, )
Một số chất trên đa số thuộc loại hàng nguy hiểm (dễ cháy, nổ) và độc hại, dễ mất phẩm chất của hàng hóa, buộc phải có các phương pháp bảo quản đặc biệt trong quá trình vận chuyển.
* Phân loại ô tô chở chất lỏng
- Theo khung cơ sở có lắp xitec: ô tô xitec, rơmooc xitec, sơmi rơ moóc xitec,
- Theo mục đích sử dụng: dùng để vận chuyển (ôtô xitec), dùng để vận chuyển và cấp phát (ô tô xitec cấp phát)
- Theo áp suất trong xitec: xitec có áp suất dư, xitec không có áp suất dư
- Theo hình dạng xitec: xitec tròn, xitec hình hộp, xitec hình elip,…
- Theo vật liệu chế tạo xitec: xitec kim loại (thép, hợp kim nhôm, …), xitec phi kim loại (nhựa, chất dẻo,…)
- Theo tính chất nhiệt: xitec có nhiệt độ bình thường, xitec giữ nhiệt,xitec hâm nóng,…
- Theo phương pháp dỡ hàng: hàng tự dỡ, dùng áp suất đẩy hoặc hút hàng,…
* Một số yêu cầu cơ bản của ô tô chở chất lỏng
Trong thiết kế ô tô xitec cần chú ý các nhân tố sau:
Tính chất lý hóa của hàng hóa vận chuyển, mức độ độc hại, nguy hiểm và trọng lượng riêng của chúng (ảnh hưởng tới tải trọng của xe) Điều kiện vận chuyển (đường xá, bảo quản hàng,…) Đối vớ ô tô xitec cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:
Xitec phải đảm bảo đủ bền và đáng tin cậy: xitec có tiết diện tròn bền hơn loại elip. Loại elip có độ bền cao hơn hình thang Ô tô xitec chở hàng dễ cháy, nổ phải có các trang bị an toàn như: bình chữa cháy (2 bình đặt ngoài cabin lái), có xích sắt tiếp đất, ống xả phải đặt phía trước, hơi chúc xuống Nếu không gian quá chật hẹp không bố trí được thì cho phép quay xuôi theo khung xe nhưng phải các xa thùng nhiên li
Hạ thấp trọng tâm xe để nâng cao ổn định, hàng hóa trong xitec phải có vách ngăn chắn sóng,…
Một số loại ô tô xitec phải có thiết bị vệ sinh như chất tẩy rửa hàng hóa sau khi hoàn thành công tác vận tải Ô tô xitec có tính chống ăn mòn hóa học cao: vật liêu sơn, vật liệu phủ bề mặt đặt biệt,…
Có các trang bị đặt biệt đảm bảo hàng hóa không bị thay đổi tính chất trong quá trình vận chuyển
Một số nước có xu hướng chế tạo xitec bằng hợp kim nhôm để giảm tự trọng của xe.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định lật ngang cua ô tô chở chất lỏng
Chiều cao trọng tâm ảnh hưởng đến tính ổn định khi xe đứng yên trên dốc, quay vòng, tăng tốc hay phanh ô tô Khi xe di chuyển với vận tốc lớn mà phải xử lý các tình huống bất ngờ như vào cua, bẻ ngang, đột ngột rẽ gấp, để tránh chướng ngại vật, vật cản khi di chuyển trên đường có thể làm cho xe bị lật ngang Khi vào cua xe chịu ảnh hưởng bởi 3 lực: lực quán tính (lực ly tâm), trọng lực và phản lực từ mặt đường tác dụng lên lốp xe.
Mặt khác, đối với xe chở chất lỏng (loại có téc nước) Nếu xe xitec được chưa đầy nước thì tọa độ trọng tâm của xe được đẩy lên cao hơn so với khi xe xitec không chở Nếu trường hợp mà téc nước không được chở đầy thì không những việc trọng tâm của xe bị đẩy lên cao, mà khối nước chứa trong xitec bị dao động liên tục trong khi di chuyển trên đường, làm cho tọa độ trọng tâm của xe liên tục thay đổi trong quá trình di chuyển gây mất ổn định lật ngang của xe Vì vậy, chiều cao trọng tâm của xe xitec càng cao thì làm cho mo men gây lật xe càng lớn và gây mất ổn định cho xe khi di chuyển mà phải chuyển hướng đột ngột để xử lý các tình huống có thể xả ra trên đường
Hình 1.1: Hệ thống treo nhíp sau của xe xitec
Hệ thống treo của xe có nhiệm vụ nâng đỡ toàn bộ khối lượng thân xe cũng như khối lượng hàng hóa có trên xe( cụ thể là trọng lượng của khối nước có trên xe) Hệ thống treo phải bảo đảm có độ cứng cao để giúp xe di chuyển ổn định, an toàn trên đường, cũng như hệ thống treo phải đảm bảo khả năng dập tắt dao động nhanh và êm dịu để đảm bảo độ ổn định của xe
Khi xe đi vào đoạn đường xấu(có nhiều ổ gà, ổ voi) làm cho hệ thống treo có độ biến dạng lớn làm tăng góc nghiêng thân xe Để hạn chế điều này, trên các hệ thống treo thường được trang bị thêm các thanh cân bằng, thanh chống lật, giúp các bánh xe bám đường đồng đều hơn, làm giảm nguy cơ lật xe khi vào cua gấp.
Khi ô tô chuyển động trên đường không bằng phẳng hoặc khi quay vòng, dưới tác dụng của lực quán tính(lực ly tâm), phản lực thẳng đứng của mặt đường lên hai bánh xe trên cùng một cầu thay đổi, dẫn tới tăng độ nghiêng của xe gây lật gây mất ổn định lật ngang của xe Các bộ phận đàn hồi khi bị biến dạng ở hai bên khác nhau sẽ tác dụng lên xe một momen chống lật Momen chống lật tăng lên đảm bảo thân xe nghiêng nhỏ hơn và san đều tải trọng thẳng đứng ở bánh xe Thanh cân bằng đảm nhận chức năng này,làm việc nhờ khả năng có mô men chống xoắn lớn, khi nào có sự chênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên các bánh xe, nó giúp cân bằng lực giữa hai bánh xe giúp xe chuyển động ổn định hơn Trong trường hợp bánh xe cân bằng, thanh ổn định ngang sẽ không làm việc như chức năng của lò xo do thanh không bị xoắn. a) b) Hình 1.2: Thanh cân bằng trên trục trước (a) và trục sau (b)
Thanh cân bằng hỗ trợ hệ thống treo hoạt động ổn định và an toàn hơn, giảm thiểu tối đa các tình trạng lật xe hoặc văng bánh khi vào cua Mặt khác, thanh cân bằng ảnh hưởng đến độ êm dịu, nếu thanh cân bằng có độ cứng nhở làm tăng góc nghiêng than xe.
1.2.2 Các yếu tố hình học của đường ô tô
Các yếu tố hình học của mặt đường như độ nhám, độ dốc, bán kính vòng cua và độ nghiêng ngang mặt đường là các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định lật ngang của ô tô Khi xe vào cua hoặc quay vòng lúc này lực quán tính, khi bán kính quay vòng (bán kính vòng cua) giảm, làm lực quán tính tăng lên gây mất ổn định lật ngang của ô tô, đặc biệt là loại ô tô chở chất lỏng có chiều cao trọng tâm lớn, khối chất lỏng có thể di chuyển trong xitec gây thay đổi tọa độ trọng tâm của xe Vì vậy, khi xe đi vào đường cong, vào cua hay đổi hướng đột ngột cần chú ý giảm tốc độ để đảm bảo an toàn.
Các yếu tố bất lợi của thời tiết cũng làm ảnh hưởng đến sự vận hành ổn định của ô tô trên đường, thời tiết mưa làm đường trơn làm giảm độ bám của lốp và mặt đường, độ mấp mô mặt đường, trời tối, sương mù làm giảm tầm nhìn, khả năng phản xạ của người lái Các yếu tố trên cũng góp phần làm giảm độ ổn định khi xe vận hành trên đường, những yếu tố này cũng được kể tới trong nghiên cứu độ ổn định lật ngang của ô tô.
Các thống số đánh giá ổn định lật ngang của ô tô
Khi cho ô tô quay vòng, độ bám đường của lốp xe đảm bảo xe đi theo quỹ đạo mong muốn của người lái Nếu đường trơn do trời mưa hay đường có độ nhám thấp thì xe dễ bị trượt ngang Nếu trường hợp đường có độ nhám cao và xe có chiều cao trọng tâm lớn sẽ làm cho lực quán tính của xe được tăng lên, tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc với khối lượng của xe và tỷ lệ nghịch với bán kính quay vòng Khi ô tô trong trạng thái quay vòng mà lực quán tính được sinh ra quá lớn gây mất ổn định lật ngang của xe Xe có chiều cao trọng tâm và tải trọng càng lớn thì khả năng bị lật ngang khi quay vòng càng cao.
1.3.1 Hệ số ổn định tĩnh (SSF – Static Stability Factor)
Tính ổn định ngang tĩnh là một tính chất tương đối quan trọng và được sử dụng nhiều để đánh giá ổn định ngang của ô tô bởi tính toán đơn giản Trong trường hợp khảo sát tính ổn định tĩnh của ô tô, ta coi hệ thống treo và lốp cứng tuyệt đối
Xét ổn định ngang tĩnh của ô tô (Hình 1.3), lực ngang PY tác dụng vào trọng tâm gây trượt và lật đổ
Hình 1.3: Sơ đồ ổn định ngang của ô tô Để đánh giá tính ổn định chống lật của ô tô người ta sử dụng
Hệ số ổn định tĩnh (SSF – Static Stability Factor) và phân loại ô tô theo tính ổn định tĩnh:
Trong đó: B – Chiều rộng vết bánh xe; hg – Chiều cao trọng tâm của xe Chỉ số SSF chưa xét đến các yếu tố động và sự biến dạng của hệ thống treo
NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) dựa vào SSF để phân loại an toàn ổn định lật của ô tô theo 5 cấp như sau:
Mối quan hệ giữa xác suất lật xe trên một tai nạn phụ thuộc vào SSF thể hiện trên hình 1.4
Hình 1.4: Quan hệ giữa SSF và xác suất xảy ra tai nạn lật xe
Trên Hình 1.4, ta thấy xác suất xảy ra lật xe đối với ô tô có chỉ số
SSF cấp 1 lớn hơn 40% tương ứng với chỉ số SSF = 1 - 1.04, từ 30% đến 40% (SSF = 1.04 - 1.12), từ 20% đến 30% (SSF = 1.12 - 1.24), từ 10% đến 30% (SSF = 1.24 - 1.45) và nhỏ hơn 10% đối với ô tô có SSF = 1.45
1.3.2 Ngưỡng lật ngang tĩnh(SRT)
Hình 1.5: Sơ đồ bàn thử lật ngang
Các nghiên cứu ổn định lật ngang tĩnh thường dùng bàn thử nghiêng ngang( Tilt Table Test) để xác định các tiêu chí ổn định ngang tĩnh Bàn thử nghiêng ngang bao gồm một mặt sàn có gắn cảm biến đo góc nghiêng, thanh chống trượt ngang giúp xe không bị trượt trong quá trình thí nghiệm diễn ra Một cảm biến được gắn trên xe để đó góc lật ngang, một cảm biến gắn phía dưới lốp xe để xác định điều kiện tách bánh.
Kết quả của thí nghiệm là góc lật ngang tĩnh β (được xác định thông qua trạng thái tách bánh nhờ cảm biến đặt dưới sàn) Để cảm biến tiếp xúc với bánh xe trong quá trình thí nghiệm thì xe phải được chặn ngang để xe không bị trượt Từ đó tính được hệ số TTR (Tilt Table Ratio) theo công thức: mgsin
(1.2)Trong đó: m – là khối lượng toàn bộ xe thí nghiệm, g – là gia tốc trọng trường.
Hình 1.6: Một số thiết bị bàn thử lật nghiêng trên thế giới
Góc nghiêng ngang là một trong những thông số quan trọng đánh giá sự mất ổn định ngang của ô tô Góc nghiêng ngang càng lớn thì khả năng ổn định lắc càng cao Ngày nay, phương pháp thử nghiêng ngang được ứng dụng nhiều trong các trung tâm kiểm định an toàn, cũng như là các hãng xe.
Ngưỡng lật ngang tĩnh SRT(Static Roll Threshold) là giá trị lớn nhất của gia tốc ngang khi xe quay vòng mà còn ổn định được xác định bởi công thức sau:
B – là khoảng cách hai vết tiếp xúc hg – là chiều cao trọng tâm β – góc nghiêng ngang của khối lượng được treo ở thời điểm tách bánh
Các nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm thực tế cho thấy hệ số SRT có quan hệ chặt chẽ với độ ổn định lật ngang của ô tô Xe có hệ số SRT cao ổn định hơn những xe có hệ số SRT thấp Hệ số SRT phụ thuộc vào kích thước của xe, hệ thống treo, các thuộc tính của lốp.
1.3.3 Năng lượng dự trữ chống lật
Hình 1.7 : Mô hình lật ngang của một vật
Khi đánh giá độ ổn định lật của xe cần 3 thông số động lực học như hình 1.7, với quy ước toàn bộ khối lượng của vật được quy về trọng tâm vật cách mặt đất một khoảng h khi vật bị quay quanh một điểm được gọi là tâm lật R Trong trường hợp vật đang chịu gia tốc quán tính ngang ay và bị lắc một góc β Ngoài ra, vật có liên kết đàn hồi với phần phía dưới, quy đổi liên kết đàn hồi này thành hệ số độ cứng C β Thế năng của vật khi lật ngang được tính như sau:
(1.4) Động năng khi vật lật ngang một góc β được biểu diễn như sau:
Hàm RPER (Rollover Prevention Energy Reserve) là một hàm dựa trên sự cân bằng thế năng Ucrit và động năng Tk được biểu diễn như sau: crit k
Ucrit – Thế năng tại vật khi xảy ra hiện tượng lật ngang
Tk – Động năng của vật tại thời điểm lật ngang
Hệ số chống lật RPM (Rollover Prevention Metric) bị phụ thuộc vào hệ số SSF, khối lượng xe m và mô men quán tính Jx được biểu diễn thông qua công thức sau:
1.3.4 Hệ số phân bố tải trọng (Load Transfer Ratio)
Trong thực tế vận hành xe hiện tượng lật ngang xe diễn ra rất nhanh khi xe vào cua hay quay vòng, dấu hiệu rõ ràng nhất cho thấy sự mất ổn định lật ngang là hiện tượng tách bánh xe ra khỏi mặt đường. Để đánh giá sự tách bánh trên một cầu của xe thứ i người ta sử dụng công thức LTRi và được biểu diễn như sau:
Fzi1 – Lực tác dụng lên bánh xe bên trái
Fzi2 – Lực tác dụng lên bánh xe bên phải
Khi tải trọng phân bố đều trên cầu xe thứ i thì LTRi bằng 0 Khi có sự tách bánh trên cầu thứ ti thì LTRi = 1 (dấu + tương ứng với bánh xe i1 và dấu – tương ứng với bánh xe i2)
Trong nghiên cứu xe đơn cầu có sử dụng hệ số LTR để xác định trạng thái mất ổn định lật ngang (khi gộp nhiều cầu thành 1 cầu tương ứng với mụ hỡnh lắc ngang ẵ), hệ số LTR được tớnh như sau:
Fz1 – lực các thành phần tải trọng thẳng đứng bên trái
Fz2 – lực các thành phần tải trọng thẳng đứng bên phải
Lực ngang riêng là lực ngang trên một đơn vị trong lượng của ô tô y y y
(1.10) Lực ngang riêng giới hạn
Khi đánh giá ổn định lật ngang khi xe quay vòng ta có thể sử dụng lực ngang nghiêng giới hạn gh (lực ngang nghiêng giới hạn khi xe bắt đầu lật)
Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước
Ổn định lật ngang của ô tô là một vấn đề được các nhà nghiên cứu trong nước và ngoài nước quan tâm Các hướng nghiên cứu chính: tính ổn định lật ngang của ô tô khi quay vòng; tính ổn định lật ngang của ô tô khi tránh vật cản, khi chuyển làn; ảnh hưởng của mực chất lỏng đối với chuyển động của xe;
* Công trình “Nghiên cứu khảo sát ngưỡng mất ổn định lật ngang của xe khách” của các tác giả Tạ tuấn Hưng, Dương Ngọc Khánh [6]
Trong công trình nghiên cứu này, nhóm các tác giả khảo sát độ ổn định lật ngang của ô tô khách có kể đến sự đàn hồi của hệ thống treo Ở đây, các tác giả sử dụng một số các giả thuyết, xác định các ngoại lực và mô men liên kết để xây dựng mô hình động lực học của ô tô khách Sử dụng các phương trình vi phân để mô tả chuyển động của ô tô Kết quả khảo sát, cho thấy với mức vận tốc thấp thì xe chuyển động ổn định nhưng với mức vận tốc cao thì xe bị lật ngang, với dấu hiệu là tăng nhanh chóng góc lắc ngang và giảm nhanh gia tốc ngang và đạt đến 1 của hệ số phân bố tải trọng LTR, các thông số này được biểu diễn thông qua biểu đồ bên dưới
Hình 1.8: Đồ thị dấu hiệu lật ngang theo góc lắc ngang
Kết quả của nghiên cứu cho thấy mất ổn định lật ngang của xe khách với các mức vận tốc từ 55km/h đến 65 km/h Từ đó, xác định được ngưỡng mất ổn định lật ngang đối với gia tốc ngang là 4.428m/ s 2 và xác định được vận tốc giới hạn là 61 km/h cùng với vùng mất ổn định lật ngang tương ứng
Hình 1.9: Đồ thị khảo sát độ ổn định lật ngang
* Công trình nghiên cứu của Tran Van Nhu, Nguyen Xuan
Ngoc, Dang Tien Phuc, Vu Van Tan “Rollover stability analysis of liquid tank truck taking into account the road profiles” Journal of Applied Engineering Science Vol 20, No.
Trong nghiên cứu này, nhóm các tác giả sử dụng mô hình mặt cắt ngang của bể hình tròn Mô hình tổng thể được chia thành hai phần bao gồm bồn chứa chất lỏng và xe Để phân tích sự va đập của chất lỏng trong bể, nghiên cứu đã áp dụng phương pháp bán tĩnh, chuyển động của con lắc trammel để nghiên cứu Công trình đã xây dựng mô hình và khảo sát độ ổn định lật ngang của ô tô bằng phương pháp quay vòng ổn định trên các mặt cắt đường khác nhau cho trước Các mặt đường được sử dụng trong nghiên cứu để mô tả những bất thường của mặt đường và chúng được thiết lập bởi các hàm toán học khác nhau. a) b) c) d)
Hình 1.10: Tỷ số truyền tải (LTR) khi xe quay vòng ổn định
Hình 1.10 thể hiện tỷ số truyền tải LTR của xe bồn ở trạng thái quay vòng ổn định khi tác dụng bánh xe bên trái lên mặt cắt đường cấp B (a), đường cấp C (b), hàm sin (c) và hàm sin có độ lệch pha π giữa hai bánh trái và phải (d). a) b)
Hình 1.11: Tỷ số truyền (LTR) và góc nghiêng hệ thống treo của xe bồn chở chất lỏng khi chuyển làn Đối với khả năng chuyển làn khi không bị ảnh hưởng bởi mặt đường với tỷ số truyền LTR ở bên trái (1.11a), góc nghiêng hệ thống treo bên phải (1.11b) trong trường hợp tốc độ chuyển làn là 20m/s, cho thấy giá trị LTR cao nhất và gấy mất ổn định ở mức chất lỏng từ 50% đến 75% so với đường kính bồn chứa, góc nghiêng hệ thống treo đạt giá trị lớn nhất khi mức chất lỏng là 75% đến 100%.
* Công trình nghiên cứu của Zheng X, Zhang H, Ren Y, Wei
Z, Song X “Rollover stability analysis of tank vehicles based on the solution of liquid sloshing in partially filled tanks” Advances in Mechanical Engineering, 2017 [8]
Các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của mực chất lỏng đối với chuyển động của xe Chuyển động của chất lỏng trong xi téc rất phức tạp, nó phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của xi téc, khối lượng và độ nhớt của chất lỏng chứa trong xi téc.
Khi một xe chở chất lỏng chứa một phần trong xi téc thì trong trường hợp quay vòng chất lỏng sẽ phản ứng với gia tốc ngang bằng cách di chuyển trong xi téc làm cho trọng tâm của khối chất lỏng bị thay đổi, điều ngày sẽ tác động rất lớn đến trạng thái di chuyển của ô tô, khi mà trọng tâm của thân xe và trọng tâm của khối chất lỏng cùng lệch về một phía thì lúc này sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng Để khảo sát độ ổn định của chất lỏng, công trình này sử dụng ba phương pháp khác nhau để mô tả hiệu ứng tạt chất lỏng trong các bể được đổ đầy một phần có mặt cắt elip, đó là ước tính hiện tượng tạt chất lỏng, ước tính cải thiện hiện tượng tạt chất lỏng và mô hình hóa mô hình cơ học tương đương cho hiện tượng chất lỏng Sau đó, việc mô hình hóa động lực học của xe chở chất lỏng được dựa trên đó. Để kiểm tra độ ổn định lật ngang của các xe khảo sát các tác giả đã cho xe quay vòng ổn định với tốc độ là 20m/s, góc lái là 0.1 rad, mức đổ đầy chất lỏng thay đổi từ 0,2d đến 0,9d (d là đường kính xitec) Một phần của kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 1.12.
Hình 1.12: Biểu đồ của các xe khảo sát khi xe ở trạng thái 80% tải quay vòng ổn định
Hình 1.12 thể hiện các biểu đồ khi các xe khảo sát quay vòng ổ định, (a) góc trượt, tốc độ lệch hướng (b), tốc độ lật, góc lắc (d), tốc độ dao động của con lắc (e) và biên độ dao động của con lắc
Kết quả thu được sau khi khảo sát cho thấy mực chất lỏng trong xitec có ảnh hưởng rất lớn đến độ ổn định lật ngang của xe chở chất lỏng Khi mực chất lỏng trong xitec khá nhỏ dưới 0.2d thì khả năng làm mất ổn định là không đáng kể, nhưng khi mực chất lỏng tăng lên điều này làm cho ngưỡng ổn định lật của xe khảo sát giảm đáng kể và độ ổn định kém chất ở mức tải là 0.6d.
Đối tượng, mục tiêu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng được chọn nghiên cứu là xe chữa cháy RENAULT-Saurus
1.5.2 Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá về tác động của mực chất lỏng đến độ ổn định ngang khi ô tô chở chất lỏng ở trạng thái quay vòng Từ đó cải thiện về mặt kỹ thuật cung như kết cấu xe, nghiên cứu, thiết kế các hệ thống ổn định ngang cho ô tô chở chất lỏng ổn định hơn trong điều kiện vận hành như hiện nay.
Luận văn chủ yếu tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của mực chất lỏng đến độ ổn định ngang khi ô tô quay vòng Mô hình lực chọn khảo sát là mô hình mặt phẳng ngang trên một trục, có kể đến sự ảnh hưởng của hệ thống treo.
Lý thuyết, mô phỏng và tính toán trên máy tính
Trong chương này, ta đã có một cái nhìn tổng quan về ô tô chở chất lỏng, các công dụng của ô tô chở chất lỏng, cũng như sự ảnh hưởng của mực chất lỏng đến độ ổn định lật ngang của xe Hiện nay, các nhà nghiên cứu cũng như các hãng xe, ngày càng quan tâm cũng như nghiên cứu làm tăng độ ổn định lật ngang của ô tô chở chất lỏng, để phù hợp hơn trong điều kiện vận hành hiện tại.Mặt khác, các yếu tố gây ảnh hưởng đến độ ổn định lật ngang trọng tâm, hệ thống treo, thanh cân bằng), các yếu tố hình học của đường và các yếu tố khách quan cua thời tiết.
Ngoài ra, trong chương này còn đề cập đến các thông số đánh giá độ ổn định ngang của ô tô như: hệ số ổn định tĩnh(SSF), ngưỡng lật ngang tĩnh(SRT), năng lượng dự trữ chống lật, hệ số phân bố tải trọng(LTR).
Trên cơ sở đó, luận văn thực hiện nghiên cứu ổn định ngang của ô tô chở chất lỏng có kể đến độ biến dạng của hệ thống treo và lốp.nghiên cứu trong trường hợp ô tô quay vòng với bán kính thay đổi,đổi hướng chuyển động với một tần số nhất định.
Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình
Mô hình ổn định lật ngang dạng tổng quát của ô tô là một hệ cơ học rất phức tạp gồm nhiều bậc tự do và nhiều liên kết như liên kết giữa lốp xe với mặt đường theo 3 phương, Để đơn giản hóa khi xây dựng mô hình động lực học người ta thường đưa vào các giả thuyết vật lý và rút gọn mô hình trên cơ sở quy dẫn các thành phần của mô hình Để xây dựng mô hình toán cho mô hình động lực học có thể sử dụng nhiều phương pháp như phương trình Lagrange loại 2, nguyên lý Dalambe, phương pháp họa đồ (bond graph), phương pháp hệ thống con Trong chương này, sử dụng nguyên lý Dalambe để xây dựng mô hình toán cho hệ động lực học.
Nguyên lý Dalambe: Dựa vào nguyên lý Dalambe chuyển bài toán động lực học về bài toán tĩnh bằng cách đưa các mô men quán tính khối lượng, khối lượng quán tính vào cơ hệ, khí đó phương trình chuyển động sẽ được thiết lập trên cơ sở lấy tổng các mô men, lực tác dụng lên cơ hệ.
Mỗi phần tử cứng tuyệt đối của cơ hệ có đại lượng đặc trưng là mô men quán tính Ji và khối lượng mj đặt tại tâm của phần tử Phương trình tổng quát theo nguyên lý Dalambe có dạng:
Ji - Mô men quán tính khối tương ứng mỗi vật
i – Dịch chuyển góc tương ứng mỗi phần tử mi - Khối lượng quán tính xi - Dịch chuyển của phần tử i theo phương xi
Fij - Ngoại lực tác dụng lên phân tử theo phương xi
2.2 Xây dựng mô hình khảo sát ổn định lật ngang động của ô tô chở chất lỏng trên một trục
2.2.1 Các giả thiết xây dựng mô hình
Khi ô tô chuyển động trên đường, dao động của thân xe tương đối phức tạp gồm dao động theo phương thẳng đứng và dao động lắc dọc, lắc ngang quanh trục lắc theo phương dọc, ngang Trục lắc dọc, ngang được xác định phụ thuộc vào động học của hệ thống treo và luôn luôn thay đổi theo trạng thái dao động của thân xe Để đơn giản hóa, mô hình nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở một số giả thiết vật lý sau:
- Coi thân xe dao động lắc ngang độc lập trên các trục, mô hình dao động lắc ngang được xây dựng trên một trục trong mặt phẳng ngang đi qua tâm bánh xe.
- Coi khối lượng được treo và khối lượng không được treo đối xứng qua mặt phẳng dọc.
- Toàn bộ khối lượng được treo (không kể đến chất lỏng trong xi téc) được quy dẫn về trọng tâm và được coi là cứng tuyệt đối, được hiển thị bằng khối lượng ms và có mô men quán tính đối với trục dọc x đi qua trọng tâm là Is Có 2 bậc tự do là dịch chuyển theo phương thẳng đứng là Zs và góc lắc ngang s quanh tâm lắc.
- Khối lượng tải chất lỏng mn được quy dẫn về trọng tâm của khối chất lỏng trong xi téc và phân bố về các trục của ô tô Mặt thoáng của chất lỏng luôn luôn phẳng, không có song.
- Phần khối lượng không được treo tương ứng của cầu trước và cầu sau được quy dẫn về mặt phẳng thẳng đứng chứa trọng tâm của cầu sau và vuông góc với trục dọc của ô tô là mu có mô men quán tính đối với trục x là Iu Có 2 bậc tự do là dịch chuyển theo phương thẳng đứng là Zu và góc lắc ngang u quanh tâm lắc.
- Coi đặc tính đàn hồi của hệ thống treo và lốp là tuyến tính; với độ cứng tổng cộng của hệ thống treo bên trái và bên phải bằng nhau là
Ks, độ cứng hướng kính của lốp là Kt, độ cứng chống xoắn tổng cộng của thanh ổn định ngang của cầu trước và cầu sau là Cb
- Không xét đến mấp mô mặt đường bên phải và bên trái Coi mặt đường bằng và không nghiêng ngang.
- Khối lượng của bánh xe được coi là khối lượng không được treo và được tập trung tại trục xe Như vậy khi xét phần tử đàn hồi lốp có thể coi như phần tử không có khối lượng.
- Bỏ qua sự mất cân bằng và mô men hiệu ứng con quay của các khối lượng chuyển động quay của xe.
- Khoảng cách từ tâm lắc của thân xe khi không tải, trục xe đến trọng tâm của chúng là không đổi.
- Bỏ qua dao động theo phương ngang của thân xe và trục xe.
2.2.2 Xây dựng mô hình ổn định lật ngang động của ô tô trên một trục khi chua có chất lỏng
2.2.2.1 Xây dựng mô hình cơ học
Về tổng thể, mô hình nghiên cứu là mô hình không gian Tại mỗi lát cắt vuông góc với trục lắc (mặt cắt đi qua tâm trục và mặt cắt đi qua trọng tâm khối lượng được treo) ta có một mô hình phẳng Trên cơ sở các giả thiết trên, ta xây dựng được mô hình dao động lắc ngang của ô tô trên trục được thể hiện trên (Hình 2.1) Ở đây, đã xét tới sự biến dạng của hệ thống treo và bộ phận đàn hồi:
Hình 2.1: Mô hình động lực học dao động lắc ngang của ô tô trên một trục khi chưa có chất lỏng trong xitec
Trên hình 2.1: ms - Khối lượng phần được treo phân bố trên trục (không tải)
Is - Mô men quán tính khối của phần được treo (không tải) đối với tâm lắc mu - Khối lượng phần không được treo phân bố trên trục
Iu - Mô men quán tính khối của phần không được treo đối với tâm lắc
Cs - Độ cứng của hệ thống treo bên trái, bên phải
Ks - Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo bên trái, bên phải
Ct - Độ cứng của bánh xe bên trái, bên phải
Kt - Hệ số cản giảm chấn của bánh xe bên trái, bên phải
Cb - Độ cứng của thanh chống nghiêng thân xe ds - Một nửa khoảng cách điểm đặt lực tập trung của hệ thống treo bên trái, phải du - Một nửa tâm vết bánh xe hrs - Khoảng cách từ trọng tâm phần được treo (không tải) đến tâm lắc của chúng hru - Khoảng cách từ trọng tâm phần không được treo đến tâm lắc của chúng ql - Độ cao mấp mô mặt đường bên bánh xe bên trái qr - Độ cao mấp mô mặt đường bên bánh xe bên phải
Khi ô tô vào cua, tại trọng tâm của khối lượng được treo và không được treo xuất hiện thành phần lực ly tâm tập trung làm cho thân xe và trục xe nghiêng đi một góc tương ứng s và u
Lực ly tâm tác dụng lên khối lượng được treo được xác định theo công thức:
Gs - Trọng lượng của khối lượng được treo (không tải) r - Bán kính quay vòng v - Vận tốc quay vòng g - Gia tốc trọng trường à - Lực ngang riờng
2.2.2.2 Xây dựng mô hình toán học
Mô hình dao động lắc ngang ở hình 2.2 có 4 bậc tự do
- Dịch chuyển thẳng đứng Zs của trọng tâm khối lượng được treo
- Chuyển động lắc ngang s quanh tâm lắc của khối lượng được treo
- Dịch chuyển thẳng đứng Zu của trọng tâm khối lượng không được treo
- Chuyển động lắc ngang u quanh tâm lắc của khối lượng không Để thiết lập phương trình vi phân dao động của ô tô, ta sử dụng nguyên lý D’Alembert Dựa trên nguyên lý D’Alembert, với gốc tọa độ suy rộng tại vị trí cân bằng tĩnh của mô hình, chiều dương ngược hướng với gia tốc trọng trường và cùng chiều quay kim đồng hồ Tách hệ thành phần khối lượng được treo và phần khối lượng không được treo, sau đó ta xét cân bằng của các khối lượng sau khi bổ xung các thành phần lực quán tính và lực liên kết Từ đó ta nhận được các phương trình vi phân dao động tương ứng với 4 bậc tự do của mô hình.
Hình 2.2: Sơ đồ hóa mô hình động lực học dao động lắc ngang của ô tô trên trục khi chưa có chất lỏng trong xitec
* Phương trình vi phân dao động của khối lượng không được treo Phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng
Thay FSR, FSR vào (2.4) ta được
(2.5) Phương trình cân bằng mô men lt
ψgμhcosghsin0 gμhcosghsin0h cos rs gh sin rs 0 s s s s s s s u u u s s s s s u s u s s s s s u u u s s s s s u s u b s u s s s s
2 2 2 gμhcosghsin0h cos rs gh sin rs s s s s b s u s s s u s s s s
* Phương trình vi phân dao động của khối lượng không được treo Phương trình cân bằng lực:
Thay F , F SL SR , F , F UL UR vào (2.7) ta được:
ψgμhcosghsin0 ψgμhcosghsin0 ψgμhcosghsin0 ψgμhcosghsin0 ψgμhcosghsin0 ψgμhcosghsin0
(2.8) Phương trình cân bằng mô men: lt
SL SR UL UR ru ru
s u m u μhcosghsin0gh cos ru u m u gh sin ru u 0
2 μhcosghsin0gh cos gh sin u u s s b s u s s s u t u u u l r t u u u l r u u u u
Từ (2.5) (2.6) và (2.8) (2.9) ta có mô hình trạng thái ổn định như sau:
u u q q l r m u μhcosghsin0gh cos ru u m u gh sin ru u
Khi xe đổi hướng chuyển động và dưới kích thích từ mặt đường, phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe bên trái và bên phải thay đổi, tương ứng được xác định theo công thức (2.11) và (2.12).
Xác định các thông số ổn định lật ngang của ô tô trên một trục
Trong luận văn này ta lựa chọn thông số đánh giá ổn định lật ngang của ô tô trên một trục là hệ số phân bố tải trọng trên một cầu xe LTR và lực ngang riêng giới hạn gh
- Hệ số phân bố tải trọng LTR : tl tr tl tr
Trong đó: Ftl, Ftr lần lượt là thành phần tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe bên trái, bên phải
Khi chuyển động thẳng, coi ô tô đối xứng dọc, trọng lượng phân bố đều lên 2 bánh xe trên một trục thì LTR = 0
Khi có sự tách bánh 1 bên thì LTR bằng 1 (dấu + tương ứng với tách bánh xe bên phải và dấu – tương ứng với tách bánh xe bên trái)
D – Lực ngang riêng giới hạn gh
Coi thành phần lực ly tâm hướng theo phương ngang của xe và là ngoại lực theo phương ngang duy nhất Lực ngang riêng phụ thuộc vào vận tốc và bán kính quay vòng của ô tô như sau:
(2.47) Trong đó: r – Bán kính quay vòng; v - Vận tốc quay vòng; g - Gia tốc trọng trường.
Lực ngang riêng giới hạn gh là giá trị của lực ngang riêng khi xe bắt đầu lật (Lực tác dụng lên mặt đường 1 bên bánh xe bằng 0, LTR = 1).
Kết luận chương
Trong chương này, đã giới thiệu được các cơ sở lý thuyết phục vụ cho xây dựng mô hình dao động lắc ngang của ô tô trên một trục, từ đó xây dựng được hệ phương trình mô tả dao động lắc ngang của xe trong trường hợp không có chất lỏng và khi có một phần chất lỏng trong xitec Qua đó, xác định các thông số đánh giá độ ổn định lật ngang của ô tô trên một trục.
Từ đây, khi đã xây dựng được hệ phương trình mô tả dao động lắc ngang của ô tô, ta tiến hành mô phỏng để đánh giá độ ổn định dao động lắc ngang của ô tô bằng phần mềm Matlab/Simulink từ đó khảo sát được độ ổn định lật ngang của ô tô.
KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm matlab/ simulink
3.1.1 Khái quát chung về MATLAB
* Quá trình phát triển MATLAB
MATLAB lần đầu tiên được soạn thảo bởi C B Moler từ năm 1977. Đến năm 1985 với sự ra đời của hãng MathWorks (do John Little và C.B Moler sáng lập) MATLAB đã trở thành một thương hiệu lớn và nó không ngừng được hoàn thiện với sự tham gia của nhiều chuyên gia nổi tiếng trong các lĩnh vực khác nhau.Các phiên bản mới của MATLAB liên tục được thay thế bởi các phiên bản mới hơn (cho đến thời điểm này là MATLAB version R2023b).
* Cơ sở hình thành MATLAB
Hệ thống MATLAB được xây dựng trên cơ sở các thuật toán về ma trận, chứa đựng các phương tiện tính toán thuận tiện trong kỹ thuật điện, điện tử, cơ học như: toán tử phức, ma trận, vectơ, đa thức, xử lý tín hiệu, lọc v.v MATLAB có thế làm việc ở hai chế độ: tương tác và lập trình Trong chế độ lương tác MATLAB thực hiện từng lệnh được gừ trong cửa sổ lệnh sau dấu nhắc lệnh ( ằ ) Trong chế độ lập trỡnh một tập lệnh được soạn thảo và ghi thành một tệp đuôi m(m-file). Để chạy chương trình chỉ cần gọi tên m-file trong cửa sổ lệnh.
Các chức năng của MATLAB trong những giải pháp ứng dụng cụ thể được gọi là bộ công cụ Bộ công cụ là tuyển tập sáng tạo của chương trình MATLAB, mở rộng môi trường MATLAB cho lớp lời giải liên quan của những vấn đề chuyên sâu như: tính toán tối ưu, hệ thống điều khiển, mạng nơron, logic mờ, phân tích tài chính, mô phỏng dạng sóng v.v Sự thay đổi dễ dàng và khả năng tương thích với các bài toán kỹ thuật đã thiết lập trong, JC1ATLAB hàng chục hộp công cụ (toolbox), cho phép mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ thống này Một số hộp công cụ quan trọng như Simulink, đặc biệt thuận tiện đối với các bài toán mô phỏng các hệ thống và cơ cấu động học;
Symbolic Math được xây dựng trên cơ sở hạt nhân của hệ thống Maple, ứng dụng giải các bài toán cao cấp v.v.
Các phương tiện làm việc (hộp công cụ - toolbox) cơ bản:
– Xử lý tín hiệu - Signal Processing
– Phương trình vi phân - PDE (Partial Differential Equations)
– Điều khiển Robust - Robust Control
– Xử lý hình vẽ - Image Processing
– Hệ thống điện - Power system
– Mô phỏng Simulink(khối mô phỏng)
Matlab là viết tắt từ "MATrix LABoratory", được Cleve Moler phát minh vào cuối thập niên 1970, và sau đó là chủ nhiệm khoa máy tính tại Đại học New Mexico.
MATLAB, nguyên sơ được viết bởi ngôn ngữ Fortran, cho đến
1980 nó vẫn chỉ là một bộ phận được dùng nội bộ của Đại học Stanford.
Năm 1983, Jack Little, một người đã học ở MIT và Stanford, đã viết lại MATLAB bằng ngôn ngữ C và nó được xây dựng thêm các thư viện phục vụ cho thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống hộp công cụ (tool box), mô phỏng Jack xây dựng MATLAB trở thành mô hình ngôn ngữ lập trình trên cơ sở ma trận (matrix-based programming language).
Steve Bangert là người đã viết trình thông dịch cho MATLAB.Cụng việc này kộo dài gần 1ẵ năm Sau này, Jack Little kết hợp vớiMoler và Steve Bangert quyết định đưa MATLAB thành dự án thương mại - công ty The MathWorks ra đời thời gian này - năm1984.
Phiên bản đầu tiên MATLAB 1.0 ra đời năm 1984 viết bằng C cho MS-DOS PC được phát hành đầu tiên tại IEEE Conference on Design and Control (Hội nghị IEEE về thiết kế và điều khiển) tại Las Vegas, Nevada Ban đầu Matlab được phát triển để hỗ trợ sinh viên sử dụng hai thư viện LINPACK và EISPACK dùng cho đại số tuyến tính (viết bằng Fortran) mà không cần biết lập trình Fortran.
Năm 1986, MATLAB 2 ra đời trong đó hỗ trợ UNIX.
Năm 1990 Simulink 1.0 được phát hành gói chung với MATLAB
Năm 1992 MATLAB 4 thêm vào hỗ trợ 2D và 3D đồ họa màu và các ma trận truy tìm Năm này cũng cho phát hành phiên bản MATLAB Student Edition (MATLAB ấn bản cho học sinh).
Năm 1993 MATLAB cho MS Windows ra đời.
Năm 1995 MATLAB cho Linux ra đời Trình dịch MATLAB có khả năng chuyển dịch từ ngôn ngữ MATLAB sang ngôn ngữ C cũng được phát hành trong dịp này.
Năm 1996 MATLAB 5 bao gồm thêm các kiểu dữ liệu, hình ảnh hóa, bộ truy sửa lỗi (debugger), và bộ tạo dựng GUI.
Năm 2000 MATLAB 6 cho đổi mới môi trường làm việc MATLAB, thay thế LINPACK và EISPACK bằng LAPACK và BLAS.[2]
Năm 2002 MATLAB 6.5 phát hành đã cải thiện tốc độ tính toán, sử dụng phương pháp dịch JIT (Just in Time) và tái hỗ trợ MAC.
Năm 2004 MATLAB 7 phát hành, có khả năng chính xác đơn và kiểu nguyên, hỗ trợ hàm lồng nhau, công cụ vẽ điểm, và có môi trường phân tích số liệu tương tác. Đến tháng 12, 2008, phiên bản 7.7 được phát hành với SP3 cải thiện Simulink cùng với hơn 75 sản phẩm khác.
Năm 2009 cho ra đời 2 phiên bản 7.8 (R2009a) và 7.9 (R2009b).
Năm 2010 phiên bản 7.10 (R2010a) cũng đã được phát hành.Matlab được dùng rộng rãi trong giáo dục, phổ biến nhất là giải các bài toán số trị (cả đại số tuyến tính lẫn giải tích) trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật.
Cho đến nay phiên bản mới nhất là R3023b với những cải tiến kỹ thuật và thư viện khổng lồ giúp người dùng có thể làm những công việc phức tạp hơn như: xử lý ảnh, learning AI, mô phỏng các phương trình toán học, vẽ biểu đồ hàm số,
Hình 3.1: Logo khởi động matlab Để khởi động MATLAB bạn chỉ cần nháy đúp vào biểu tượng của nó, cửa sô lệnh command Windows của MATLAB sẽ xuất hiện.
Dấu nhỏy ằ biểu thị chương trỡnh đó sẵn sàng Bạn cú thể nhập dữ liệu và tính toán trên MATLAB Ngoài cửa sổ chính Command Windows, MATLAB còn có cừa sô soạn thảo Editor, bạn có thể soạn thảo các chương trình, sửa đổi các hàm, biên v.v trên cửa sổ này và lưu chương trình của mình dưới dạng các Scripts Cửa sổ Command History là cửa sổ các lệnh quá khứ cho phép lưu giữ và hiển thị tất cả các lệnh đã sử dụng, bạn có thể lặp lại các lệnh bằng cách nháy đúp chuột trái vào lệnh đó Cửa sổ Workspace là của sổ thể hiện các tên biến cho phép người dùng có thể quản lí và tương tác với các biến, để chỉnh sửa trực tiếp các biến vô hướng ta nhấp chuột phải vào biến và chọn chỉnh sửa giá trị Cửa sổ Current folder giúp người dùng có thể sử dụng những hàm con hay những file có sẵn mà không cần phải tạo đường dẫn Cửa sổ Editor là cửa sổ dùng để hiển thị chứa biến, hàm và sử dụng viết các chương trình trực tiếp.
Hình 3.2: Màn hình khi khởi động MATLAB 3.1.2 Giới thiệu về Simulink
Simulink được coi là phần mềm mở rộng của Matlab Simulink được dùng để mô phỏng các hệ động học các hệ tuyến tính, phi tuyến, các mô hình trong thời gian liên tục hoặc gián đoạn Đặc điểm nổi bật của Simulink lập trình ở dạng cấu trúc, sử dụng các đối tượng đồ họa (Graphic Programing) Loại lập trình hướng đối tượng này có đặc điểm là tính trực quan, dễ viết và hình dung nhất là đối với những người lập trình không chuyên nghiệp Simulink cung cấp giao diện đồ họa để xây dựng mô hình ở dạng sơ đồ khối Bằng thao tác ‘‘ nhấn và kéo chuột’’ người sử dụng có thể kéo các khối chuẩn trong thư viện của Simulink ra vùng làm việc của mình để xây dựng mô hình mô phỏng.
Người sử dụng có thể thay đổi hoặc tạo ra khối riêng của mình và bổ sung vào thư viện như là một khối ứng dụng mới Simulink có các thư viện sau: thư viện các khối nguồn tín hiệu (Sources), thư viện khối xuất và hiển thị dữ liệu (Sink), thư viện các phần tử tuyến tính (Linear), thư viện các phần tử phi tuyến (Nonlinear), thư viện các khối gián đoạn (Discrete), thư viện các khối nối (Connections), thư viện các khối phụ (Extras).
Mô hình Simulink được xây dựng theo kiểu phân cấp, điều đó cho phép người sử dụng có thể xây dựng mô hình theo hướng từ dưới lên trên hoặc từ trên xuống dưới Dùng chức năng Mask của Simulink người ta có thể xây dựng các hệ con (phân hệ) bằng các tạo ra hộp thoại và biểu tượng cho khối Ứng dụng quan trọng của Mask là tạo ra hộp thoại để tiếp nhận thông số của các khối trong hệ con, ngoài ra Mask làm cho mô hình đơn giản, rõ ràng và bảo vệ nội dung của khối khỏi sự xâm nhập của người lạ Khi thực hiện mô phỏng bằng Simulink người sử dụng có thể quan sát hệ thống ở mức tổng quan, vừa có thể xem xét chi tiết các hoạt động của từng khối bằng cách nháy đúp chuột vào khối đó Các khối Scope và khối hiển thị khác lấy trong thư viện Sink cho phép người dùng sử dụng kết quả trong khi đang chạy mô phỏng Hơn nữa người sử dụng có thể trực tiếp thay đổi các thông số trong khi chạy mô phỏng để biết được ảnh hưởng của các thông số đó với kết quả của mô phỏng.
Đối tượng, mục tiêu và các trường hợp khảo sát
Hình 3.5: Xe chữa cháy được chọn khảo sát (Renault Saurus)
Bảng 3-1 Thông số kỹ thuật của xe khảo sát
TT Tên gọi Ký hiệu Đơn vị Giá trị
1 Khối lượng phần được treo phân bố trên trục (không tải) ms kg 2305
2 Mô men quán tính khối của phần được treo đối với tâm lắc Is kg.m 2 17419
3 Khối lượng phần không được treo phân bố trên trục mu kg 1073
4 Mô men quán tính khối của phần không được treo đối với tâm lắc Iu kg.m 2 312,15
5 Khoảng cách từ trọng tâm phần được treo (khi không tải) đến tâm lắc của chúng hrs m 0,6203
6 Khoảng cách từ trọng tâm phần không được treo đến tâm lắc của chúng hru m 0,525
7 Khoảng cách từ tâm của mặt cắt xitec đến tâm lắc của khối lượng được treo (khi không tải) ht m 0,9
8 Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo bên trái, bên phải Ks Ns/m 13486
9 Một nửa khoảng cách điểm đặt lực tập trung của hệ thống treo bên trái, phải ds m 0.62
10 Một nửa tâm vết bánh xe du m 1.025
11 Độ cứng của bánh xe bên trái, bên phải Ct N/m 107100
12 Hệ số cản giảm chấn của bánh xe bên trái, bên phải Kt Ns/m 30000
13 Độ cứng của thanh chống nghiêng thân xe Cb N/m 51840
16 Hệ số cản của chất lỏng Kn 0,5 Đặc điểm của xe chữa cháy khảo sát: Xe chữa cháy Renault – Saurus là xe chữa cháy do Phần Lan sản xuất Xe được trang bị téc nước với thể tích 4m3 và téc chất tạo bọt với thể tích 0,4 m3 Với thể tích téc nước trên xe là khá lớn nên trọng tâm của xe khi chứa chất lỏng bị đẩy lên khá cao Trong trường hợp téc nước chứa một phần chất lỏng thì khi di chuyển trên đường với tốc độ cao xuất hiện hiện tượng rung lắc xe do sự dao động của chất lỏng trong xi téc Trong những trường hợp như vậy nếu chỉ là quá trình di chuyển xe thông thường (không phải đi chữa cháy) để đảm bảo cho quá trình di chuyển thì người điều khiển phương tiện thường tiến hành xả hết nước trong téc để đảm bảo an toàn trong quá trình di chuyển, còn trong trường hợp đi chữa cháy thì lúc này người điều khiển phương tiện bắt buộc phải di chuyển với tốc độ vừa phải để đảm bảo an toàn nhưng như thế sẽ làm chậm thời gian di chuyển tới đám cháy Trong thực tế tại Việt Nam vấn đề lật xe chữa cháy RENAULT – Saurus chưa xảy ra nhưng trải qua quá trình lái xe thực tế tác giả nhận thấy việc nghiên cứu ảnh hưởng của mực chất lỏng trong xi téc đến tính ổn định lật ngang của xe RENAULT – Saurus là hết sức cần thiết.
3.2.2 Mục tiêu khảo sát và các trường hợp khảo sát
Khảo sát ảnh hưởng của mực chất lỏng đến ổn định lật ngang của ô tô chữa cháy RENAULT – Saurus, từ đó có thể đưa ra các biện pháp cải thiện về mặt kết cấu, nghiên cứu các hệ thống điều khiển ổn định ngang ô tô chữa cháy để đưa ra điều kiện giới hạn trong khai thác.
Trong phạm vi luận văn chỉ tiến hành khảo sát ổn định lật ngang của ô tô chữa cháy theo chiều cao mực chất lỏng trong xitec: h = 0; h = 0.25d; h = 0.5d; h = 0.75d; h = d;
Mô phỏng động lực học ổn định lật ngang của ô tô chữa cháy
Điều kiện mô phỏng: Thực hiện mô phỏng với thông số đầu vào là theo lực ngang riêng Sự phụ thuộc lực ngang riêng vào vận tốc chuyển động và bán kính quay vòng của ô tô thể hiện trong phương trình 3.4. v 2 μhcosghsin0
(3.4) Trong đó: à - Lực ngang riờng r – bán kính quay vòng g – Gia tốc trọng trường
Từ công thức (3.4) ta nhận thấy lực ngang riêng phụ thuộc vào vận tốc quay vòng và bán kính quay vòng Do vậy, thay vì khảo sát theo v hoặc r thì ta tiến hành khảo sát theo lực ngang riêng là tổng quát nhất Nhưng trong phạm vi của luận văn ta coi vận tốc quay vòng là không đổi và ta chỉ khảo sát ổn định lật ngang của xe chữa cháy khi thay đổi bán kính quay vòng
Trong mục này, mô hình toán học ổn định lật ngang của ô tô chữa cháy (trong xi téc chứa nước) trên một trục khi quay vòng và chịu kích thích từ lực ngang được mô phỏng trên phần mềmMatlab/Simulink với bộ giải phương trình vi phân ode45 (phương pháp Runge-Kutta cấp 4,5 với bước tính biến thiên) Mô phỏng được
Bảng 3-2 Thống kê các trường hợp khảo sát
Lực ngang riêng à Chiều cao mực chất lỏng (h) Các thông số mô phỏng
3.3.1 Kết quả mô phỏng với lực ngang riêng không đổi (bán kính và vận tốc quay vòng không đổi)
Mô phỏng với trạng thái xe quay vòng ổn định trên đường bằng với bánh kính (r= 15m) và vận tốc quay vòng không đổi (v = 30 km/h 8.333 m/s)
- Lực ngang riêng trong trường hợp này:
- Kết quả mô phỏng góc lật hệ thống treo.
Hình 3.6: Góc lật hệ thống treo trong các trường hợp chiều cao mực chất lỏng trong xitec khác nhau
Kết quả mô phỏng cho thấy biểu đồ hình 3.4 ta thấy được khi cho xe quay vòng trên đường bằng với bán kính và tốc độ quay vòng không đổi thì góc nghiêng thân xe sẽ dao động và có chiều hướng ổn định với một giá trị nhất định Góc nghiêng thân xe tỷ lệ thuận với mực chất lỏng, nhưng dựa trên biểu đồ ta có thể thấy thêm được là khi mực chất lỏng đạt 0.75d thì gây mất ổn định và có biên độ dao động lớn nhất
- Kết quả mô phỏng góc dao động của khối chất lỏng chứa trong xitec:
Hình 3.7: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi góc dao động của tâm khối chất lỏng
Biểu đồ Hình 3.5 cho thấy khi mực chất lỏng h = d và h = 0 thì ở trường hợp này trong tâm khối chất lỏng không dao động Ở trường hợp mực chất lỏng chiếm một phần của xitec thì mực chất lỏng h 0.75d là biên độ dao động của khối chất lỏng là thấp nhất và h 0.25d có biên độ dao động và gây mất ổn định là lớn nhất.
- Kết quả mô phỏng phần tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe bên trái và bánh xe bên phải: a) Biểu đồ tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe bên trái b) Biểu đồ tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe bên phải
Hình 3.8: Biểu đồ tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bang xe bên trái
Kết quả mô phỏng trên hình 3.7 cho thấy khi xe quay vòng ổn định phần tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe bên phải lớn hơn bánh xe bên trái gấp 2 lần, mực chất lỏng chứa trong xitec tỷ lệ lỏng càng lớn tải trọng tác dụng lên bánh xe càng lớn Tuy nhiên, khi xét về biên độ dao động của lực tải trọng tác dụng lên bánh xe thì bánh xe bên trái lại lớn hơn bánh xe bên phải, điều này xảy ra là do bánh xe bên trái nằm xa tâm lắc hơn bánh xe bên phải nên độ ổn định cũng kém hơn
- Kết quả mô phỏng thông số đánh giá độ ổn định lật ngang LTR:
Hình 3.9: Biểu đồ thay đổi của thông số đánh giá độ ổn định lật trong trường hợp chiều cao của các mực chất lỏng khác nhau trong xitec
Qua biểu đồ trên, ta có thể thấy được khi xe quay vòng ổn định với tốc độ không đổi thì hệ số đánh giá độ ổn định lật ổn định trong khoảng 0.26 đến 0.39 Khi khi mực chất lỏng càng cao thì hệ số đánh giá độ ổn định lật LTR càng cao cho thấy được là khi chở tải càng lớn thì độ ổn định càng thấp Mặt khác, trong trường hợp mực chất lỏng chỉ lấp đầy một phần xitec thì mực chất lỏng 0.75d là có biên độ gây mất ổn định là lớn nhất và ở mực chất lỏng là 0.5d thì độ ổn định lật ngang của xe khi quay vòng là kém nhất.
3.4 Khảo sát ảnh hưởng của mực chất lỏng đến giới hạn lật
Trong trường hợp này ta tiến hành cho lực nghiêng tăng dần đến khi gây lật xe đối với từng mức tải trọng khác nhau để tìm ra giá trị lực ngang riêng gây lật xe.
Hình 3.10: Biểu đồ sự thay đổi lực ngang riêng giới hạn lật theo chiều cao tải trọng trong xitec (à tăng dần)
Từ biểu đồ trên hình 3.9 cho thấy khi tăng dần lực ngang riêng biểu đồ xuất hiện hai đường với độ ổn định khác nhau tương đương với hai loại chất tải là tải rắn và tải lỏng Đường chất tải rắn nằm trên thể hiện sự ổn định hơn khi tăng lực ngang riêng đến ngưỡng giới hạn lật ngang so với chất tải rắn Đối với chất tải rắn, độ ổn định lật ngang của xe giảm dần tỷ lệ với khối lượng chất tải tăng dần trong xitec Đối với chất tải lỏng, ta có thể thấy được trên biểu đồ độ ổn định lật ngang của chất tải lỏng kém hơn nhiều so với tải rắn, đường biểu đồ còn cho thấy khi mực chất lỏng đạt từ 50% đến 60% là trạng thái mất ổn định nhất của xe
Trong chương này, ta đã xây dựng được mô hình mô phỏng ổn định ngang của ô tô chữa cháy trên phần mềm Matlab/Simulink, mô phỏng được động lực học lật ngang của xe khảo sát, khảo sát được sự ảnh hưởng của mực chất lỏng đến giới hạn lật ngang của xe Qua kết quả khảo sát, đưa ra những nhận xét về sự ảnh hưởng của mực chất lỏng đến độ ổn định ngang ô tô khi chuyển động ở một số trạng
