MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Mục đích nghiên cứu là mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô góp phần đánh giá tính ổn định và an toàn chuyển động của ô tô.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình động lực học của ô tô dựa vào các phương trình toán học
Phương pháp mô phỏng số sử dụng phần mềm Matlab – Simulink và CarSim là giải pháp hiệu quả để xác định các thông số động lực học ô tô Việc thiết kế và mô phỏng bằng các công cụ này giúp tối ưu hóa quy trình phân tích và nghiên cứu các đặc tính vận hành của xe.
Nghiên cứu động lực học ô tô thông qua mô hình hóa và ứng dụng phần mềm Matlab – Simulink cùng với CarSim cho phép mô phỏng số trên máy tính, mang lại lợi ích tiết kiệm thời gian, đảm bảo kết quả tin cậy và giảm chi phí nghiên cứu so với phương pháp thí nghiệm truyền thống.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu này, khi thành công, sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc khảo sát và kiểm tra các thông số động lực học của ô tô Đồng thời, nó cũng giúp đánh giá tính ổn định và an toàn trong chuyển động của ô tô du lịch.
Đề tài này cung cấp cơ sở vững chắc cho việc tính toán và thiết kế, nhằm cải thiện tính hợp lý của các kết cấu bộ phận và chi tiết liên quan đến các trạng thái chuyển động Qua đó, góp phần nâng cao tính ổn định và đảm bảo an toàn hơn cho người tham gia giao thông trên đường.
Nghiên cứu và xây dựng mô hình mô phỏng động lực học ô tô là một hướng đi đúng đắn, có tính khả thi cao và giúp tiết kiệm thời gian cũng như chi phí.
CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo nội dung của luận văn gồm 4 chương:
Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2 Mô hình hóa động lực học ô tô
Chương 3 Mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm Matlab - Simulink và CarSim
Chương 4 Kết quả và bàn luận
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ TRÊN THẾ GIỚI
Vào khoảng năm 1885 – 1886, chiếc ô tô đầu tiên ra đời, đánh dấu sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp ô tô trong 132 năm qua Sản phẩm ô tô ngày càng tích hợp nhiều công nghệ cao, sản lượng sản xuất tăng lên và tốc độ lưu thông trên đường ngày càng lớn, dẫn đến những áp lực mới cho xã hội như tai nạn giao thông và sự hư hại của cơ sở hạ tầng Do đó, việc nghiên cứu động lực học chuyển động ô tô để cải thiện cấu trúc, nâng cao tính an toàn và ổn định khi vận hành, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và các công trình giao thông, trở thành một nhu cầu cấp thiết của nhiều quốc gia.
Quá trình chuyển động của ô tô chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm tác động của người lái, sự tương tác giữa bánh xe và mặt đường, cũng như lực từ không khí Các lực tác động từ môi trường bên ngoài vào ô tô trong quá trình di chuyển rất phức tạp, yêu cầu một mô hình tính toán phù hợp để khảo sát động lực học ô tô Nghiên cứu về các cơ cấu và hệ thống trên ô tô, cùng với động lực học ô tô, ngày càng được chú trọng Các mô hình đơn giản như mô hình phẳng thường không cung cấp kết quả chính xác cao trong nghiên cứu động lực Để đạt được mô hình gần thực tế, cần đảm bảo không hạn chế chuyển động và không gian của ô tô, đồng thời xác lập được động học và động lực học phi tuyến của hệ thống treo và bánh xe.
Tính ổn định và an toàn khi ô tô chuyển động là tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng xe Do đó, vấn đề này thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học và chuyên gia sản xuất ô tô trên toàn cầu Họ hợp tác với các chuyên gia từ nhiều lĩnh vực như công nghệ ô tô, bảo hộ lao động và y tế, nhằm nghiên cứu ổn định trong chuyển động và xác định các vùng thông số ổn định, bao gồm vận tốc ngang, gia tốc ngang và góc quay vòng của thân xe.
Trong giai đoạn đầu của ngành công nghiệp ô tô, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các mô hình phẳng do hạn chế về điều kiện và khả năng tính toán Hiện nay, nghiên cứu động lực học ô tô, đặc biệt là động lực học mô hình phẳng, đã đạt được nhiều thành tựu lớn Tuy nhiên, do vấn đề bản quyền, thông tin này thường không được công bố rộng rãi hoặc không đầy đủ Một số nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực động lực học ô tô đã được thực hiện.
Takama Suzuki và Masaki Takahashi từ Đại học Keio, Nhật Bản, đã nghiên cứu về "Kiểm Soát Hệ Thống Treo Bán Chủ Động Xem Xét Động Lực Học Xe Lateral Do Ảnh Hưởng Của Mặt Đường." Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình ô tô kết hợp với bộ điều khiển nhằm giảm thiểu rung lắc và chuyển động ngang do mặt đường gây ra Mô hình này xem xét sự thay đổi từ hệ thống treo và lực bên của lốp Phương pháp đã được kiểm chứng qua các mô phỏng số, cho thấy hệ thống điều khiển đề xuất không chỉ hiệu quả trong việc giảm rung theo phương thẳng đứng mà còn cải thiện chuyển động ngang của ô tô so với các phương pháp không tính đến đặc tính treo.
Nghiên cứu của Jorge Gómez Fernández tại Đại Học Công Nghệ Chalmers, Thụy Điển vào năm 2012 đã xây dựng một mô hình lái xe với mười bậc tự do, phục vụ cho các ứng dụng mô phỏng lái xe thời gian thực Mô hình này tính toán chuyển động của ô tô chở khách trong điều kiện bình thường và dựa trên các giả thiết để phản ánh hành vi thực tế của ô tô, giúp dự đoán các tình huống như điều khiển tránh va chạm Dữ liệu được thu thập thông qua các thí nghiệm trên mẫu và trang thiết bị trong các điều kiện đã định, và kết quả được kiểm chứng bằng mô hình mới so với mô hình phân bản cũ.
Rajesh Rajamani nghiên cứu phát triển các mô hình động lực học nhằm xây dựng hệ thống kiểm soát ô tô toàn diện, bao gồm các ứng dụng như kiểm soát hành trình, điều khiển hành trình thích ứng, hệ thống ABS, giữ hướng đường tự động, kiểm soát ổn định góc nghiêng và kiểm soát động cơ Mỗi mô hình được thiết kế ở dạng đơn giản để phục vụ cho việc phát triển hệ thống điều khiển, đồng thời vẫn đảm bảo các tính năng động lực học thiết yếu.
Shu-en Zhao, Yu-ling Li và Xian Qu đã nghiên cứu về kiểm soát ổn định ô tô, chỉ ra rằng một số thông số trạng thái không thể đo trực tiếp, gây khó khăn trong việc kiểm soát ổn định xe Nghiên cứu đề xuất thuật toán ước lượng tối ưu trạng thái của đa cảm biến tuyến tính kết hợp dựa trên bộ lọc STF (Strong Tracking Filter) và mô hình động lực học ô tô bốn bậc tự do Các ước tính kết hợp thông tin đa cảm biến và lý thuyết bộ lọc, xử lý ước lượng trạng thái động lực qua mô phỏng và phân tích đánh giá Kết quả cho thấy bộ lọc có hiệu suất cao, có khả năng xác định giá trị ước lượng trạng thái khác biệt so với các trạng thái thực của hệ thống do sai số mô hình.
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ TẠI VIỆT NAM
Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ và đạt nhiều kết quả tích cực trong những năm gần đây Chính phủ đã phê duyệt "Quyết định số 177/2004/QĐ-TTg" nhằm quy hoạch phát triển ngành đến năm 2010 và tầm nhìn đến năm 2020, với mục tiêu xây dựng ngành ô tô trở thành một lĩnh vực quan trọng, đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và tham gia tích cực vào thị trường khu vực và quốc tế.
Trong thời gian qua, chúng ta đã thành công trong việc nội địa hóa sản phẩm ô tô như dập khung và vỏ xe, đồng thời lắp ráp trong nước, từ đó giảm thiểu số lượng ô tô nhập khẩu nguyên chiếc Đây là bước tiến đầu tiên của ngành công nghiệp ô tô non trẻ tại Việt Nam, khuyến khích các nhà nghiên cứu và sản xuất đầu tư vào lĩnh vực này Để đạt được mục tiêu phát triển bền vững, cần nghiên cứu sâu hơn về các cụm chi tiết và hệ thống ô tô, nhằm đưa ra các giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa hiệu suất và tính năng của sản phẩm.
Nghiên cứu động lực học ô tô là một phần quan trọng trong lý thuyết ô tô, giúp đánh giá chất lượng khai thác ô tô trong các điều kiện khác nhau Tính ổn định và an toàn chuyển động của ô tô ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt khi chất lượng ô tô và điều kiện đường sá đã cải thiện, cho phép vận tốc trung bình đạt 60 km/h Tuy nhiên, an toàn giao thông vẫn là vấn đề đáng lo ngại Để giảm thiểu tai nạn giao thông do ô tô, bên cạnh việc nâng cao kỹ thuật và ý thức của người lái, cần chú trọng vào việc cải thiện kết cấu ô tô, tính điều khiển và các thiết bị an toàn Sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay yêu cầu nhiều thông số kỹ thuật và trạng thái hơn, từ đó nâng cao độ chính xác và hoàn thiện sản phẩm.
Trong ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, việc thiết kế và kiểm nghiệm các sản phẩm chủ yếu tập trung vào tính bền, tính tối ưu và sự tuân thủ các tiêu chuẩn như TCVN Tuy nhiên, do đặc thù ngành chủ yếu là sử dụng và sửa chữa, nên công tác kiểm nghiệm vẫn chưa được chú trọng đầy đủ Gần đây, ngành ô tô đã có những bước tiến đáng kể với việc nhập khẩu dây chuyền và công nghệ lắp ráp, nhưng nghiên cứu về động lực học ô tô vẫn còn hạn chế Công việc thiết kế và kiểm nghiệm phụ thuộc nhiều vào các băng thử và trạm đăng kiểm, gây tốn kém thời gian và chi phí Để nâng cao hiệu quả và tốc độ trong công tác kiểm nghiệm, việc ứng dụng phần mềm chuyên nghiệp và sự hỗ trợ của máy tính là rất cần thiết.
Nhiều nghiên cứu liên quan đến mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô chủ yếu được công bố dưới dạng luận án tốt nghiệp đại học, thạc sĩ và tiến sĩ.
- Lê Đức Hiếu đã nghiên cứu đặc tính quay vòng của ô tô du lịch tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2007
Nội dung bài viết tập trung vào việc xây dựng mô hình động lực học cho ô tô du lịch nhằm nghiên cứu đặc tính quay vòng dưới ảnh hưởng của góc lệch và sự biến dạng của lốp Bài viết trình bày phương trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô và sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để mô phỏng quỹ đạo này Qua việc áp dụng bộ thông số của xe cụ thể, nghiên cứu đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động và tính quay vòng của ô tô Kết quả tính toán cho thấy sự phù hợp với các quy luật lý thuyết đã nghiên cứu, đồng thời chỉ ra ảnh hưởng của các thông số cấu trúc, chế độ tải trọng và điều kiện chuyển động đến quỹ đạo chuyển động của ô tô.
- Lê Ngọc Trung đã nghiên cứu mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2008
Mô hình mô phỏng chuyển động ô tô 4 bánh dẫn hướng được xây dựng nhằm khảo sát các thông số động lực học của ô tô dưới tác động của lực gió ngang trong quá trình quay vòng và chuyển làn Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, nghiên cứu này cung cấp các khuyến cáo về cách điều khiển ô tô nhằm hạn chế sự mất ổn định và đảm bảo an toàn trong điều kiện thời tiết xấu Mô hình không chỉ hỗ trợ nghiên cứu động lực học ô tô mà còn có thể ứng dụng trong thiết kế các hệ thống hỗ trợ điều khiển như hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng, hệ thống lái tích cực và hệ thống phanh tích cực.
Vũ Thế Truyền đã thực hiện nghiên cứu mô phỏng chuyển động của ô tô con khi phanh trên đường vòng, trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ kỹ thuật tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Bài viết trình bày mô hình toán học về động lực học ô tô, được mô phỏng qua phần mềm Matlab-Simulink, nhằm tìm hiểu mối quan hệ giữa vận tốc, lực tác dụng lên bàn đạp phanh và góc quay của vô lăng đối với quỹ đạo và ổn định của ô tô, từ đó nâng cao tính an toàn khi phanh Nghiên cứu chủ yếu tập trung vào mô phỏng lý thuyết chuyển động của ô tô con khi phanh trên đường vòng, với quỹ đạo là các cung đường cong không quá một phần tư đường tròn và vận tốc không lớn.
- Tạ Tuấn Hưng đã nghiên cứu động lực học quay vòng xe bán moóc, đăng trên tạp chí Tạp chí Giao thông Vận tải, số tháng 9/2014 [3]
Tác giả sử dụng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật để xây dựng mô hình động lực học xe bán moóc với lốp phi tuyến, được tính toán bằng phần mềm và mô phỏng Matlab-Simulink Mô hình này khảo sát quy luật đánh lái, đánh giá ảnh hưởng của góc lái và tốc độ góc lái đến chuyển động của xe khi quay vòng Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tại chỉ xem xét một trường hợp đánh lái, cần có các nghiên cứu sâu hơn cho các quy luật đánh lái phức tạp như Sin và chuyển làn kép.
- Võ Văn Hường nghiên cứu đề xuất mô hình động lực học ô tô, viện cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội
Nội dung nghiên cứu trình bày các mô hình tích hợp, bao gồm liên kết giữa các mô hình động lực học dọc, ngang và thẳng đứng, với ứng dụng mô hình bánh xe Kết quả nghiên cứu này được thực hiện bởi Ammon cùng các tác giả và cộng sự.
[10] trong vòng 6 năm tại bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng, Đại học Bách khoa Hà Nội Các mô hình trên có thể sử dụng vào các mục đích:
Sử dụng mô hình động lực học tổng quát để nghiên cứu các quá trình sử dụng và tai nạn giao thông nhằm giảm thiểu sự cố trong quá trình vận hành xe.
Các mô hình này hỗ trợ học sinh cao học và nghiên cứu sinh trong việc nghiên cứu các đề tài liên quan đến quá trình phanh ô tô, khả năng quay vòng, cũng như ảnh hưởng của gió và hệ số bám Điều này nhằm nâng cao khả năng ổn định động lực và dẫn hướng của phương tiện.
Nghiên cứu về tai nạn giao thông tại Việt Nam giúp lý giải nguyên nhân gia tăng các vụ tai nạn, đồng thời hỗ trợ học viên cao học và nghiên cứu sinh trong việc giải quyết các vấn đề cụ thể liên quan đến động lực học, động lực học điều khiển, an toàn giao thông và an toàn động lực học.
+ Các mô hình trên là cơ sở cho thiết kế điều khiển sau này
- Nguyễn Thanh Quang nghiên cứu động học, động lực học và độ bền hệ thống lái trên xe MeKong tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2001
Bài viết trình bày quá trình xây dựng và nghiên cứu mô hình cơ học phù hợp với thực tế thông qua phương pháp mô phỏng động học của hệ nhiều vật Sử dụng phần mềm Alaska 2.3, mô hình hệ thống lái của ô tô Mekong Star được giải quyết, xem xét ảnh hưởng của lực tác động từ người lái lên vành tay lái cùng với các mô men cản quay vòng từ mặt đường Các thí nghiệm kiểm tra kết quả được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị Dewentron.
MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Mô hình hóa các đối tượng nghiên cứu là một phương pháp khoa học đa dạng và bao quát Các mô hình, được hình thành từ quá trình mô hình hóa, đóng vai trò quan trọng trong việc nhận thức và nghiên cứu các hiện tượng thực tế Tuy nhiên, mục đích nghiên cứu khác nhau sẽ tạo ra những mô hình khác nhau, phù hợp với từng lĩnh vực và yêu cầu cụ thể.
Trong mô hình toán học, bản chất vật lý của quá trình thực được thay thế bằng các quan hệ toán học và hệ phương trình đơn giản hóa quá trình tính toán Các mô hình này được xây dựng từ thực tiễn, đòi hỏi người nghiên cứu phải quan sát để phát triển mô hình phù hợp nhất Mặc dù một số mô hình có thể mô tả tốt bài toán nhưng không thể giải quyết do tính phức tạp, việc thêm giả thiết có thể không phản ánh đúng thực tế Để giải quyết và ứng dụng các mô hình toán học, máy tính là công cụ hiệu quả Đối với ô tô, bước đầu tiên là mô hình hóa ô tô, thiết lập mô hình vật lý Các mô hình đơn giản như mô hình không gian, mô hình phẳng một vết và hai vết thường được sử dụng Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình không gian đòi hỏi nhiều thời gian và chi phí, vì vậy mô hình phẳng với các giả thiết tương ứng thường được ưu tiên để nghiên cứu động lực học ô tô.
Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một mô hình ô tô đơn giản để phân tích các đặc điểm chính về động lực học của xe Việc chọn hướng nghiên cứu phụ thuộc vào mục đích cuối cùng, do đó không nhất thiết phải mô hình hóa toàn bộ hệ thống vật lý mà chỉ cần một phần cụ thể Mô hình này nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về hành vi ngang của ô tô, giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn khi vận hành.
2.1.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình mô phỏng động lực học ô tô
Tính chất động lực học của ô tô liên quan đến việc thay đổi quỹ đạo chuyển động khi quay vô lăng Để nghiên cứu một cách tổng quát, người ta thường lập sơ đồ tính toán động lực học cho ô tô hai cầu, với các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước.
Để xây dựng mô hình với số bậc tự do tối thiểu và tập trung vào động lực học chuyển động, cần đưa ra một số giả thiết nhằm đơn giản hóa quá trình nghiên cứu tính toán Những giả thiết này không làm mất đi tính tổng quát của bài toán và vẫn đảm bảo khả năng mô tả nhiều đặc tính động lực học của ô tô Các giả thiết chính được đề xuất để xây dựng mô hình bao gồm:
1) Ô tô chuyển động phẳng với quỹ đạo chuyển động theo một đường cong, ô tô được coi như là một khối cứng, chuyển động của thân xe như một chất điểm, có khối lượng quy về trọng tâm của ô tô Trọng lượng của trục và bánh xe không đáng kể so với trọng lượng khung, coi như không ảnh hưởng đến trọng lượng của ô tô nên có thể bỏ qua trọng lượng này
2) Lốp tiếp xúc điểm với mặt đường, biến dạng của lốp theo phương dọc và phương ngang là tuyến tính
3) Ô tô chuyển động song phẳng, bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đường, phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe bằng tải trọng của ô tô phân bố lên các bánh xe (không xuất hiện thay đổi tải trọng trên bánh xe) Cấu trúc vật lý của ô tô đối xứng qua mặt phẳng dọc qua trọng tâm ô tô
4) Bỏ qua dao động thẳng đứng, bỏ qua chuyển động vặn và chuyển động lật thân xe dưới ảnh hưởng của lực ly tâm và hệ thống treo
5) Quy ước góc quay trung bình của các bánh xe dẫn hướng là 𝛿 Coi hệ thống lái của ô tô là cứng, bỏ qua các góc đặt bánh xe dẫn hướng Ô tô chuyển động với vận tốc ổn định không thay đổi theo thời gian
6) Các lực tác dụng trong mặt phẳng song song với mặt đường không dốc Bỏ qua ảnh hưởng các lực ngẫu nhiên tác dụng theo phương ngang
2.1.2.1 Hệ tọa độ cố định
Trước khi xây dựng mô hình động lực học ô tô, cần thiết lập hệ trục tọa độ để xác định vị trí của ô tô Hệ tọa độ được gắn cố định trên mặt đường, ký hiệu là OXYZ, với mặt phẳng chứa trục OX và OY là mặt phẳng ngang, còn OZ là trục thẳng đứng hướng lên.
Hệ tọa độ thân xe được xác định bằng cách gắn hệ tọa độ oxyz với trọng tâm C của ô tô Mặt phẳng chứa trục ox và oy song song với mặt đường, trong đó trục ox hướng về phía trước (trục dọc), trục oy hướng bên (trục ngang), và trục oz vuông góc với mặt đường (trục thẳng đứng).
Hình 2 2 Hệ trục tọa độ thân xe Các dịch chuyển của ô tô theo các trục tọa độ gồm có:
+ Dịch chuyển dọc theo trục x, trục y, trục z;
+ Quay quanh trục ox: Đặc trưng bởi góc quay φ; vận tốc góc 𝜔
+ Quay quanh trục oy: Đặc trưng bởi góc quay θ; vận tốc góc 𝜔
+ Quay quanh trục oz: Đặc trưng bởi góc quay 𝜓; vận tốc góc 𝜔
Chuyển động của ô tô được mô tả trong hệ trục tọa độ không gian ba chiều Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, các chuyển vị có thể được xem xét là độc lập hoặc đồng thời.
Hình 2 3 Hệ trục tọa độ không gian ba chiều 2.1.3 Các lực tác dụng lên ô tô
2.1.3.1 Lực tác dụng trong mặt phẳng dọc
Khi ô tô di chuyển trên đường, nhiều lực tác động lên nó, bao gồm lực kéo, lực cản lăn, phản lực từ mặt đường, lực quán tính và lực cản không khí Các lực này được phân tích trong mặt phẳng dọc để hiểu rõ hơn về sự vận hành của xe.
Lực kéo xuất hiện tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường, khi mô men xoắn từ động cơ được truyền qua các cơ cấu trung gian Sự tiếp xúc này tạo ra lực kéo tiếp tuyến theo chiều chuyển động của ô tô, đóng vai trò là lực dọc tại các bánh xe chủ động Đối với bánh xe chủ động dẫn hướng, lực kéo nằm trên đường tâm của bánh xe, tại vị trí tiếp xúc với mặt đường.
Lực kéo của ô tô phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe chủ động với mặt đường Để đảm bảo ô tô chuyển động mà không bị trượt, lực kéo tiếp tuyến tối đa tại bánh xe chủ động cần phải nhỏ hơn lực bám của bánh xe với mặt đường.
Phản lực thẳng góc từ mặt đường lên bánh xe, tại vị trí tiếp xúc, có phương trùng với trục bánh xe Trong quá trình ô tô di chuyển, các phản lực này luôn thay đổi theo ngoại lực và mô men tác dụng Trị số của phản lực thẳng góc ảnh hưởng đến nhiều chỉ tiêu kỹ thuật của ô tô như chất lượng kéo và bám, hiệu quả phanh, tính ổn định và tuổi thọ của các chi tiết.
MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ
Nghiên cứu động lực học chuyển động ô tô đòi hỏi xây dựng mô hình mô tả chuyển động chính xác Các mô hình đơn giản không đáp ứng đủ yêu cầu nghiên cứu, vì vậy tác giả đã phát triển một số mô hình như mô hình bánh xe, mô hình một vết bánh xe (hai bậc tự do), và mô hình hai vết bánh xe (ba bậc tự do) Những mô hình này sẽ là cơ sở để thiết lập các phương trình vi phân mô tả chuyển động của ô tô.
Dựa trên các giả thuyết đã nêu, khi chuyển động của ô tô không thay đổi trọng tâm trong hệ tọa độ, vận tốc tuyệt đối tại trọng tâm C được xác định bởi công thức (2.1), chỉ mô tả hai thành phần vận tốc theo hai hướng khác nhau.
𝑉 là thành phần vận tốc theo chiều dọc
𝑉 là thành phần vận tốc theo chiều ngang i, j là các véc tơ đơn vị theo trục x, y
Gia tốc tại trọng tâm của ô tô tại cùng một thời điểm có thể xác định được từ phương trình (2.1) [26]
= 𝑎 𝑖 + 𝑎 𝑗 Ở đây, 𝜔 là vận tốc góc của thân xe quay quanh trục z
Gia tốc tại trọng tâm của xe ô tô tách ra hai thành phần: gia tốc theo chiều dọc và gia tốc theo chiều ngang
Khi ô tô di chuyển, phương của vận tốc V sẽ tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động và tạo ra một góc lệch β, được gọi là góc lệch hướng chuyển động của ô tô.
Hình 2 4 Góc lệch hướng chuyển động của ô tô
Góc lệch hướng chuyển động β là góc giữa trục x và véc tơ vận tốc V, trong khi đó, góc quay tương ứng giữa hai hệ trục tọa độ được ký hiệu là 𝜓, phản ánh góc quay của trục dọc ô tô.
Thông thường 𝛽 được tính theo tỷ lệ giữa vận tốc ngang (𝑉 ) và vận tốc dọc (𝑉 ) của ô tô
Để xây dựng mô hình động lực học đầy đủ cho lốp xe, cần xác định các hành vi của lốp dưới tác dụng của các lực như lực ngang 𝐹, lực dọc 𝐹 và phản lực thẳng đứng 𝐹 Lực ngang 𝐹 phụ thuộc vào góc lệch bên bánh xe (𝛼) và góc nghiêng bánh xe (𝛾) Chỉ có sự thay đổi ở các biến số góc lệch bên và góc nghiêng bánh xe, do đó, việc xây dựng các mô hình lốp xe có thể kết hợp các phương trình chuyển động để phản ánh chính xác các yếu tố này.
2.2.1 Mô hình tính toán lốp xe
Chuyển động của ô tô trên đường phụ thuộc vào mối quan hệ giữa bánh xe và bề mặt đường Khi bánh xe lăn trên đường cứng không bị biến dạng, chỉ có các phần tử của lốp bị biến dạng Để xác định các lực tác dụng lên bánh xe, ta sử dụng hệ tọa độ ba chiều tại vị trí trọng tâm bánh xe Các trục của hệ tọa độ này tương ứng với trọng tâm của ô tô, và trong quá trình chuyển động, bánh xe chịu các lực dọc, ngang và thẳng đứng, cùng với các mô men xoay quanh các trục x, y, z Những lực và mô men này thay đổi theo tốc độ quay và khả năng biến dạng của bánh xe, và trong khoảng thời gian ngắn, bánh xe có thể được coi là lăn đều quanh tâm trục.
Hình 2 5 Mô hình tính toán lốp xe
2.2.1.1 Góc lệch hướng chuyển động bánh xe
Giả sử bánh xe thứ i trong hệ tọa độ thân xe là xác định tại vị trí
𝑟 : là véc tơ vị trí của bánh xe thứ i v : véc tơ vận tốc của ô tô tại trọng tâm C
𝜔 : Vận tốc góc quay thân xe trong hệ tọa độ thân xe
Khai triển (2.6) véc tơ vận tốc cho bánh xe thứ i biểu diễn trong hệ tọa độ thân xe tại trọng tâm C
Xét tại bánh xe cầu trước và cầu sau ta có:
𝑥 = −𝑎 Ở đây, góc lệch hướng chuyển động bánh xe thứ 𝑖 là 𝛽, đó là góc giữa trục tọa độ thân xe (x) và phương véc tơ vận tốc 𝑣 được tính như sau:
Tọa độ 𝑧 của bánh xe thường được coi là không đổi, nhưng trong thực tế, nó có thể thay đổi rất nhỏ Để thể hiện ảnh hưởng của tọa độ 𝑧, chúng ta sử dụng hệ số 𝐶, được gọi là hệ số ảnh hưởng của chuyển động lắc ngang đến góc lệch bên của bánh xe Hệ số 𝐶 này giúp biểu thị sự thay đổi của 𝛽 theo tốc độ góc quay quanh trục x (𝜔).
Góc lệch hướng chuyển động tại bánh xe trước và bánh xe sau, ký hiệu 𝛽 và 𝛽 là:
𝑣 (2.15) 2.2.1.2 Góc lệch bên của các bánh xe
Sự lệch hướng của các bánh xe ảnh hưởng đến đặc tính chuyển động khi thay đổi góc lái, vì khi bánh xe lăn lệch, véc tơ vận tốc của chúng không còn song song với mặt phẳng quay Điều này dẫn đến véc tơ vận tốc của cầu sau tạo với trục dọc của xe một góc nhất định.
𝛼 và véc tơ vận tốc của cầu trước có góc lệch tương ứng là 𝛼
Giả sử các góc lệch hướng chuyển động 𝛽 , 𝛽 và 𝛽 nhỏ khi đó góc lệch bên bánh xe trước và bánh xe sau xấp xỉ bằng:
𝛽 , 𝛽 : góc lệch hướng chuyển động của bánh xe trước và bánh xe sau;
𝛿 : góc quay vòng thực tế của bánh xe
Góc quay vòng thực tế của bánh xe bao gồm hai thành phần chính: góc lái 𝛿 do cơ cấu lái tạo ra và góc nghiêng 𝜑 của xe khi quay vòng do hệ thống treo Điều này dẫn đến việc góc lái tại các bánh xe bị lệch thêm một góc 𝛿 Cụ thể, đối với cầu trước, góc lái được tính là 𝛿 = 𝛿 + 𝛿, trong khi đối với cầu sau, góc lái chỉ phụ thuộc vào 𝛿.
𝛿: góc quay của bánh xe dẫn hướng do hệ thống lái tạo ra;
𝛿 : góc quay bánh xe do ảnh hưởng của hệ thống treo trước khi xe bị nghiêng, [24];
𝛿 : góc quay bánh xe do ảnh hưởng của hệ thống treo sau khi xe bị nghiêng, [24];
Thay các giá trị trên vào (2.16), (2.17) ta có:
𝐶 : hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng đến góc quay bánh xe;
𝐶 : hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng đến góc quay bánh xe trước;
𝐶 : hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng đến góc quay bánh xe sau;
Giả sử góc 𝛽 , 𝛽 và 𝛽 nhỏ Góc lệch bên của bánh xe trước 𝛼 và bánh xe sau
2.2.1.3 Lực tác dụng lên bánh xe
Lực dọc và lực ngang tác dụng lên bánh xe được xác định như sau:
- Lực theo phương dọc của bánh xe:
- Lực theo phương ngang của bánh xe:
𝐹 - Lực dọc tại bánh xe thứ i;
𝐹 - Lực ngang tại bánh xe thứ i;
𝑖 – Chỉ số của bánh xe;
𝛿- Góc quay của bánh xe thứ i
Ô tô sử dụng lốp đàn hồi, dẫn đến chuyển động không hoàn hảo do góc lệch bên của các bánh xe Bánh xe được đặt nghiêng, tạo ra lực đẩy nghiêng ảnh hưởng đến khả năng điều khiển của xe.
Như vậy, lực ngang tác dụng lên bánh xe này có thể tính như sau:
𝐶 : Độ cứng khi quay vòng của bánh xe thứ i
𝛼: góc lệch bên của bánh xe thứ i
𝐶 : Hệ số ảnh hưởng lực đẩy nghiêng bánh xe thứ i
𝜑: góc quay thân xe quanh trục x
Lực ngang tại bánh xe cầu trước:
Lực ngang tại bánh xe cầu sau:
2.2.2 Mô hình một vết bánh xe
Thân xe ô tô đóng vai trò như một dầm cứng kết nối bánh xe cầu trước và cầu sau Bánh xe phía trước có chức năng dẫn hướng và quay một góc δ với vận tốc không đổi Khối lượng của ô tô được quy về tọa độ trọng tâm C, trong khi các bánh xe cầu trước và cầu sau chuyển động về tâm điểm giữa các cầu Trọng tâm C của ô tô được đặt cách tâm trục cầu trước một khoảng nhất định.
𝑎 ; cách tâm trục cầu sau là 𝑎
Dựa trên các giả thiết đã nêu, bài viết không xem xét ảnh hưởng của lực ly tâm và hệ thống treo đến sự nghiêng của thân xe, cũng như bỏ qua các chuyển động theo phương thẳng đứng Mô hình ô tô được xây dựng dựa trên chuyển động song phẳng, trong đó mặt phẳng xy luôn song song với mặt phẳng XY Khi thiết lập phương trình chuyển động, tác giả đã tính đến ảnh hưởng của góc lệch bên của các bánh xe.
Sơ đồ mô hình động lực học một vệt bánh xe trong chuyển động phẳng có thể thay thế cho cả ô tô được trình bày (hình 2.6)
Hình 2 6 Mô hình một vết của ô tô
Trong trường hợp tổng quát về sự biến dạng của lốp xe, các điểm đặt lực tại điểm tiếp xúc của bánh xe trước và bánh xe sau với mặt đường bị lệch so với tâm trục bánh xe một khoảng n1 và n2 Vì n ≪ a, nên khi xây dựng các phương trình chuyển động của ô tô, chúng ta có thể bỏ qua sự biến dạng này Do đó, mô hình một vết của ô tô có thể được thiết lập mà không cần tính đến biến dạng của lốp.
Hình 2 7 Mô hình một vết của ô tô
Khi ô tô chuyển động đều (v=const) các lực tác dụng lên bánh xe bao gồm: lực dọc 𝐹, lực ngang 𝐹, lực ly tâm 𝐹
2.2.2.2 Xây dựng hệ phương trình vi phân
Khi ô tô di chuyển với vận tốc không đổi (v=const), để phân tích hành vi và đánh giá tính ổn định cũng như an toàn trong quá trình chuyển động, chúng ta sẽ không xem xét các phương trình chuyển động theo phương dọc của ô tô.
*/ Phương trình cân bằng lực theo phương y:
𝛿 : góc quay của bánh xe dẫn hướng; m : khối lượng của ô tô;
𝑎 : gia tốc ngang của ô tô;
𝐹 , 𝐹 : lực dọc và lực ngang tại bánh xe trước;
𝐹 , 𝐹 : lực dọc và lực ngang tại bánh xe sau
*/ Phương trình cân bằng mô men quay đối với trọng tâm C của ô tô:
𝐼 : Mô men quán tính của ô tô quanh trục z;
𝜔̇ : Gia tốc góc quay thân xe quanh trục z;
Lực ngang 𝐹 đã được xác định tương đương sau:
𝐶 và 𝐶 : Độ cứng khi quay vòng của bánh xe trước và bánh xe sau;
𝐶 và 𝐶 : Hệ số ảnh hưởng lực đẩy nghiêng bánh xe trước và bánh xe sau;
𝛼 và 𝛼 : góc lệch bên của bánh xe trước và bánh xe sau;
𝜑: góc quay thân xe quanh trục x
Các phương trình cân bằng lực và mô men (2.31) và (2.32) mô tả chuyển động của ô tô, nhưng mô hình một vết chưa phản ánh đầy đủ đặc tính chuyển động Cụ thể, mô hình này không xem xét sự phân bố lực giữa các bánh xe bên trái và bên phải trong quá trình di chuyển.
2.2.3 Mô hình hai vết bánh xe
MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB-
PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK VÀ CARSIM ỨNG DỤNG TRONG BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
3.1.1 Các công cụ giải hệ phương trình vi phân động lực học ô tô
Khảo sát động lực học ô tô là quá trình giải hệ phương trình vi phân để mô tả chuyển động của ô tô, từ đó xác định các thông số như chuyển dịch, vận tốc và gia tốc Bên cạnh đó, nghiên cứu còn tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định và an toàn trong chuyển động, bao gồm vận tốc di chuyển, gia tốc ngang, tốc độ quay vòng của thân xe, điều kiện đường và các thông số kết cấu của ô tô.
Việc chọn công cụ giải quyết vấn đề phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của bài toán Để giải hệ phương trình vi phân động lực học ô tô, cần xem xét các đặc điểm và yêu cầu được nêu trong chương.
Luận văn này áp dụng phần mềm CarSim và Matlab-Simulink, chủ yếu sử dụng các khối cơ bản của Simulink để giải quyết bài toán thông qua phương pháp mô phỏng khối Phương pháp này là một cách tiếp cận mô hình hóa số cho các hệ phương trình vi phân.
3.1.2 Giới thiệu về phần mềm Matlab-Simulink ứng dụng trong bài toán động lực học ô tô
Matlab, phần mềm của Math Work Inc, được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình C, là công cụ mạnh mẽ cho việc tính toán các bài toán kỹ thuật thông qua phương pháp ma trận.
Những ưu điểm của Matlab là:
MATLAB là một công cụ mạnh mẽ với khả năng tính toán vượt trội, bao gồm các tính năng như tính toán ma trận chuyển vị, ma trận nghịch đảo và định thức Ngoài ra, nó còn tích hợp các công cụ toán giải tích, xử lý tín hiệu, phân tích dữ liệu và đồ họa, giúp người dùng thực hiện các tác vụ phức tạp một cách hiệu quả.
- Cho phép lập trình trên ngôn ngữ bậc cao dựa trên nền tảng là các phép tính toán với véc tơ, mảng và ma trận
- Có khả năng hiển thị và xử lý đồ họa mạnh (kể cả không gian ba chiều)
- Có thư viện lớn các Toolbox ứng dụng với lời giải đầy đủ các lĩnh vực chuyên môn khác nhau
Mô đun Simulink cung cấp một phương pháp tiên tiến để mô phỏng các hệ động lực học, bao gồm cả tuyến tính và phi tuyến, thông qua việc sử dụng các khối.
Cấu trúc mở của hệ thống cho phép người dùng dễ dàng xây dựng các mô đun tính toán kỹ thuật theo chuẩn công nghiệp Người sử dụng có thể tạo file và hàm, sau đó đặt chúng vào Toobox để thực hiện giải quyết các bài toán trong lĩnh vực chuyên môn của mình.
- Có khả năng tương tác đa môi trường dễ dàng liên kết động với các phần mềm chuyên nghiệp khác
Cú pháp các lệnh đơn giản cho phép người dùng nhanh chóng áp dụng kiến thức vào các bài toán nghiên cứu mà không cần tốn nhiều thời gian học tập Để giải quyết mô hình toán đã xây dựng, phương pháp mô phỏng được sử dụng Quá trình mô phỏng thực hiện thông qua việc phát triển các khối sơ đồ mô phỏng, bao gồm các khối đã được định nghĩa trước như khối tổng, khối tích phân, khối nhân hệ số và các khối hiển thị, trong đó chứa các dữ liệu định nghĩa và các phương trình vi phân hoặc tích phân của hệ thống.
Hiện nay, phần mềm Matlab đang trở thành một trong những công cụ phổ biến tại Việt Nam, được nhiều tác giả nghiên cứu sử dụng Vì vậy, chúng tôi lựa chọn Matlab làm công cụ chính cho nghiên cứu của mình.
Simulink là một phần mềm mở rộng của Matlab, cung cấp công cụ mạnh mẽ cho đồ họa, mô hình hóa, mô phỏng và phân tích động học của các hệ thống tuyến tính và phi tuyến Với khả năng sử dụng nhiều hàm của Matlab, Simulink cho phép trao đổi linh hoạt giữa hai môi trường, nâng cao tính hiệu quả trong việc phát triển và phân tích hệ thống.
- Thứ nhất: Ngôn ngữ Simulink là lập trình ở dạng sơ đồ cấu trúc của hệ thống
Để mô phỏng động học của một hệ thống được mô tả bằng phương trình vi phân, phương trình trạng thái, hàm truyền hoặc sơ đồ cấu trúc, chúng ta cần xây dựng chương trình trong Simulink dưới dạng sơ đồ với các khối cơ bản nối kết theo cấu trúc hệ thống Phương pháp lập trình này giúp người dùng dễ dàng hình dung và hiểu rõ hơn về trục quan của hệ thống.
Khi mô phỏng trong môi trường Simulink, phương trình vi phân mô tả động học được giải bằng các phương pháp như Ơ le, Runge-Kutta và Lin Sim Môi trường tự động chọn lựa bước tính phù hợp trong khoảng giá trị tối thiểu và tối đa do người sử dụng xác định Simulink được xây dựng từ các khối chuẩn trong các thư viện, giúp người dùng không cần lập trình giải các phương trình vi phân và sai phân phức tạp.
Hình 3 1 Giao diện màn hình Matlab
Hình 3.1 thể hiện màn hình làm việc của Matlab, đây là màn hình chính điều khiển toàn bộ tất cả các quá trình diễn ra ở Matlab
Hình 3 2 Giao diện màn hình xây dựng sơ đồ khối
Hình 3.2 biểu diễn một màn hình mới chuẩn bị cho quá trình lập trình với các phần tử có sẵn trong Matlab-Simulink
Simulink là một phần mở rộng của Matlab, cung cấp công cụ mạnh mẽ cho đồ họa, mô hình hóa, mô phỏng và phân tích động học của các hệ thống tuyến tính và phi tuyến Với những tính năng nổi bật, Simulink hỗ trợ người dùng trong việc phát triển và kiểm tra các mô hình một cách hiệu quả.
Thứ nhất: Ngôn ngữ simulink là lập trình ở dạng sơ đồ cấu trúc của hệ thống
Mô phỏng động học một hệ thống toán học thông qua các phương trình vi phân, phương trình trạng thái và hàm truyền đạt là một quy trình quan trọng Để thực hiện điều này, chúng ta cần xây dựng chương trình trong Simulink dưới dạng sơ đồ, kết hợp các khối cơ bản theo cấu trúc của hệ thống cần khảo sát Phương pháp lập trình này mang lại sự trực quan, giúp người sử dụng dễ dàng hiểu và nắm bắt các khía cạnh của hệ thống.
Khi mô phỏng trong môi trường Simulink, hệ thống giải các phương trình vi phân mô tả động học thông qua các phương pháp như Ơle và Runge-Kutta Simulink tự động chọn bước tính phù hợp trong khoảng giá trị tối thiểu và tối đa mà người dùng đã chỉ định.
Môi trường Simulink được xây xựng từ các khối chuẩn trong các thư viện Trong Matlab, thư viện Simulink gồm nhiều nhóm, mỗi nhóm chứa nhiều khối cơ bản
Hình 3 3 Hệ thống thư viện trong Simulink
THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK VÀ CARSIM
3.2.1 Sơ đồ thuật toán mô phỏng động lực học ô tô
Quá trình mô phỏng động lực học ô tô được thực hiện bằng phần mềm Matlab kết hợp với CarSim trên máy tính, theo một sơ đồ thuật toán cụ thể.
Hình 3 6 Sơ đồ thuật toán mô phỏng động lực học ô tô
Hình 3 7 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng đường
3.2.2 Xây dựng mô hình ô tô mô phỏng động lực học bằng phần mềm CarSim
Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học chuyển động của ô tô cần xác định nhiều thông số quan trọng Phương pháp thực nghiệm để thu thập các thông số này thường tốn thời gian, công sức và chi phí cao Do đó, luận văn lựa chọn phương pháp gián tiếp bằng cách thiết lập mô hình mô phỏng kết cấu thực của ô tô trên phần mềm CarSim Mô hình này sẽ cung cấp các đặc tính động lực học cần thiết cho quá trình mô phỏng và cung cấp thông số cho mô hình toán học.
Mô hình xe được chọn để mô phỏng trên phần mềm CarSim2016.1 là C-Class, Hatchback 2012 Các thông số kỹ thuật được thiết lập cho ô tô cũng chính là các thông số được sử dụng cho mô hình toán học.
Hình 3 8 Mô hình ô tô mô phỏng thiết lập bằng phần mềm CarSim 2016.1
Hình 3 9 Thiết lập thông số kỹ thuật của mô hình ô tô
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật xe C-Class Hatchback 2012
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Khối lượng của ô tô m 1412 kg
2 Khối lượng được treo ms 1270 kg
3 Mô men quán tính của ô tô quanh trục x Ix 536,6 kg.m 2
4 Mô men quán tính của ô tô quanh trục z I z 1536,7 kg.m 2
5 Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu trước a1 1015 mm
6 Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu sau a 2 1895 mm
Hình 3 10 Hoạt hình mô phỏng ô tô trên CarSim 3.2.3 Kết nối CarSim với Simulink
Quá trình kết nối mô hình ô tô trong CarSim 2016.1 với Simulink diễn ra trên giao diện của CarSim 2016.1, và kết quả thu được là khối “CarSim S-function Vehicle Code: i_i” trong Simulink (hình 3.11).
Hình 3 11 Kết quả kết nối CarSim-Simulink
3.2.4 Sơ đồ mô hình mô phỏng động lực học ô tô bằng Matlab-Simulink
Dựa trên hệ phương trình đã thiết lập ở chương hai (2.92), bài viết này sử dụng các công cụ có sẵn trong Matlab – Simulink để xây dựng mô hình mô phỏng động lực học của ô tô Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô được trình bày trong Simulink như hình 3.12.
Hình 3 12 Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô trong Simulink
Sơ đồ trong Simulink bao gồm các khối chức năng cơ bản như khối trạng thái, khối tích phân và khối tổng, được kết nối bằng các đường tín hiệu để mô phỏng các phương trình tương ứng Để mô tả các thông số động lực học một cách thuận tiện, ta ký hiệu tốc độ góc quay của thân xe quanh trục z là 𝜔, với công thức 𝜔 = 𝐴𝑉𝑧.
Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (𝜔 ): 𝜔 = 𝐴𝑉𝑥
Góc quay thân xe quanh trục x (𝜑): 𝜑 = 𝑝ℎ𝑖
Mô hình sử dụng vận tốc ô tô (v) và góc (𝛿) làm thông số đầu vào, trong khi thông số đầu ra bao gồm vận tốc ngang (𝑣), gia tốc ngang (𝑎), tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (𝐴𝑉), góc quay thân xe quanh trục x (𝜑) và tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (𝐴𝑉) Kết quả được hiển thị thông qua các khối Scope hoặc khối Workspace, với các khối này được kết nối bằng đường tín hiệu để mô phỏng các phương trình.
3.2.5 Sơ đồ tổng thể mô phỏng động lực học ô tô bằng Matlab-Simulink và CarSim
Khối "CarSim S-function Vehicle Code: i_i" kết nối với mô hình toán, cung cấp tín hiệu đầu vào qua góc lái và xuất ra dữ liệu động lực học của ô tô trên CarSim, tạo ra giá trị chuẩn cho việc so sánh và đánh giá các thông số của mô hình toán.
Hình 3 13 Sơ đồ tổng thể mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm Matlab-
3.3 MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB– SIMULINK VÀ CARSIM
Các thông số kỹ thuật cho mô hình toán được lựa chọn dựa trên mô hình ô tô đã thiết lập trong CarSim (bảng 3.1) Các thông số bổ sung cho mô hình được tham khảo từ (bảng 3.2).
Bảng 3.2 Thông số chọn cho mô hình toán
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Hệ số cứng khi quay vòng của bánh xe trước 𝐶 57296 N/rad
2 Hệ số cứng khi quay vòng của bánh xe sau 𝐶 52712 N/rad
3 Hệ số ảnh hưởng của chuyển động lắc ngang đến góc lệch bên của bánh xe trước 𝐶 0,01
4 Hệ số ảnh hưởng của chuyển động lắc ngang đến góc lệch bên của bánh xe sau 𝐶 0,01
5 Hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng đến góc quay bánh xe trước 𝐶 0,01
6 Hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng đến góc quay bánh xe sau 𝐶 0
7 Hệ số ảnh hưởng lực đẩy nghiêng bánh xe 𝐶 2
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị trước
8 Hệ số ảnh hưởng lực đẩy nghiêng bánh xe sau 𝐶 1
9 Độ cứng tương đương đối với chuyển động lắc ngang 𝑘 20000 N/rad
10 Hệ số giảm chấn tương đương đối với chuyển động lắc ngang 𝑐 5000 Ns/rad
11 Khoảng cách từ tâm lắc đến trọng tâm khối lượng được treo ℎ 0,54 m
Nguồn [24] 3.3.2 Mô hình không gian trạng thái động lực học của ô tô
Sau khi thiết lập các thông số cho mô hình, kết hợp với sự hỗ trợ tính toán từ phần mềm Matlab, chúng ta đã thu được phương trình trạng thái động lực học của ô tô.
𝐷 40.5779 0 0 3.3.3 Nhập thông số đầu vào cho mô hình mô phỏng
Trên giao diện màn hình sơ đồ mô phỏng của Simulink, bạn cần nhấp đúp vào từng khối chương trình con để thiết lập các thông số đầu vào cần thiết cho quá trình tính toán.
Hình 3 14 Nhập thông số đầu vào cho mô hình mô phỏng
3.3.4 Mô phỏng động lực ô tô bằng phần mềm Matlab-Simulink và CarSim 3.3.4.1 Điều kiện mô phỏng
Quá trình mô phỏng chuyển động của ô tô CarSim diễn ra trong 20 giây, với vận tốc 65 km/h và góc lái δ thay đổi theo thời gian như được trình bày trong bảng 3.3.
Bảng 3.3 Giá trị góc quay bánh xe dẫn hướng do tác động của góc quay vành lái δ( 0 ) theo thời gian của ô tô mô phỏng trên CarSim
Giá trị góc quay bánh xe dẫn hướng do tác động của góc quay vành lái δ( 0 )
Giá trị góc quay bánh xe dẫn hướng do tác động của góc quay vành lái δ( 0 )
- Thông số đầu vào (từ ô tô CarSim):
+ Đặc tính gia tốc ngang: Ay (m/s 2 )
+ Đặc tính vận tốc ngang: Vy (m/s)
+ Đặc tính tốc độ góc quay thân xe quanh trục z: AVz (rad/s)
+ Đặc tính tốc độ góc quay thân xe quanh trục x: AVx (rad/s)
+ Đặc tính góc quay thân xe quanh trục x: phi (rad)
3.3.4.2 Mô phỏng động lực học ô tô trên phần mềm Simulink
Hình 3 15 Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô trong Simulink
*/ Đặc tính vận tốc ngang (Vy):
Hình 3 16 Vận tốc ngang (Vy, (m/s))
*/ Đặc tính gia tốc ngang (Ay)
Hình 3 17 Gia tốc ngang (Ay, (m/s 2 ))
*/ Đặc tính tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz):
Hình 3 18 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz, (rad/s))
*/ Đặc tính góc quay thân xe quanh trục x (φ)
Hình 3 19 Góc quay thân xe quanh trục x (Phi, (rad))
*/ Đặc tính tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx)
Hình 3 20 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx, (rad/s))
So sánh kết quả mô phỏng giữa mô hình lý thuyết và ô tô trên CarSim cho thấy các đường đặc tính có hình dáng và quy luật biến thiên tương đồng Tuy nhiên, độ chính xác của mô hình vẫn chưa đạt yêu cầu cao Để cải thiện độ chính xác, cần xác định bộ thông số tối ưu cho mô hình.
XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK VÀ CARSIM
3.4.1 Sử dụng công cụ Parameter Estimation trong Simulink xác định các thông số của mô hình Để có kết quả mô phỏng mô hình động lực học thiết lập sát với kết quả thực nghiệm trên phần mềm CarSim ta sử dụng công cụ Parameter Estimation trong simulink
Hình 3 21 Mô hình động lực học ô tô xây dựng trong môi trường Simulink
Hình 3 22 Quá trình nhận dạng thông số bằng công cụ Parameter Estimation
Hình 3 23 Cửa sổ màn hình kết thúc quá trình nhận dạng thông số
3.4.2 Kết quả nhận dạng thông số
Kết quả thông số sau khi nhận dạng (bảng 3.4):
Bảng 3.4: Kết quả nhận dạng thông số
TT Thông số Giá trị thông số chọn ban đầu
Giá trị thông số nhận dạng Đơn vị
THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI THEO PHƯƠNG PHÁP GÁN ĐIỂM CỰC
3.5.1 Xét các tính chất của mô hình trong không gian trạng thái
Từ mô hình không gian trạng thái (3.2):
Bằng cách thay thế giá trị các thông số nhận dạng vào mô hình hệ thống và sử dụng phần mềm Matlab để hỗ trợ tính toán, chúng ta có thể xác định mô hình không gian trạng thái của hệ thống với các ma trận tương ứng.
Để đánh giá tính ổn định của hệ thống, chúng ta sử dụng phần mềm Matlab để thực hiện các nghiệm của đa thức đặc tính.
Nghiệm của đa thức đặc tính có các phần thực mang giá trị âm [18], do đó hệ có tính ổn định
Một hệ thống được xem là điều khiển được nếu từ bất kỳ trạng thái ban đầu 𝑥 nào, luôn có một tín hiệu điều khiển 𝑢(𝑡) có thể đưa hệ về trạng thái mong muốn 𝑥 trong khoảng thời gian hữu hạn Để xác định tính điều khiển được của hệ thống, cần kiểm tra điều kiện quy định trong (3.2).
Kiểm tra tính điều khiển được của hệ thống (3.2) cùng sự hỗ trợ từ phần mềm Matlab (phụ lục 1c)
Do rank (Co) = n = 4 là hạng của ma trận A vậy hệ (3.2) điều khiển được 3.5.1.3 Tính quan sát được
Xây dựng ma trận quan sát: 𝑂𝑏 = [𝐶, 𝐴𝐶, 𝐴 𝐶, … 𝐴 𝐶] Điều kiện cần và đủ để một hệ thống mô tả toán học dưới dạng phương trình trạng thái (3.2) quan sát được là:
Kiểm tra tính quan sát được của hệ thống (3.2) cùng sự hỗ trợ từ Matlab, xem Phụ lục 1d.:
Do rank (Ob) = 𝑛 = 4 là hạng của ma trận A vậy hệ (3.2) quan sát được 3.5.2 Thiết kế bộ quan sát trạng thái
3.5.2.1 Xác định ma trận quan sát trạng thái
Theo lý thuyết, để tạo ra một biến trạng thái mới, ta có thể thực hiện việc lấy đạo hàm của biến trạng thái Tuy nhiên, việc này thường làm giảm tỷ số tín hiệu – nhiễu, bởi vì nhiễu thường dao động nhanh hơn tín hiệu Hệ quả là tỷ số tín hiệu – nhiễu có thể giảm đi đáng kể, thậm chí vài lần, sau mỗi lần thực hiện đạo hàm.
Trong nhiều trường hợp, không phải tất cả các biến trạng thái đều có thể đo được, vì vậy việc ước lượng các biến trạng thái không đo được là cần thiết Quá trình này được gọi là quan sát, và thiết bị hoặc chương trình máy tính thực hiện việc ước lượng này được gọi là bộ quan sát trạng thái.
Trong nghiên cứu động lực học ô tô, các biến trạng thái như gia tốc ngang và tốc độ góc quay quanh các trục x và z có thể được đo lường Tuy nhiên, một số biến trạng thái như vận tốc ngang và góc lắc quanh trục x lại không thể đo trực tiếp, do đó cần phải ước tính Độ tuyến tính của mô hình xây dựng cho phép áp dụng bộ quan sát trạng thái như một phương pháp ước tính hiệu quả.
Xét đối tượng hợp thức chặt với mô hình trạng thái (3.2):
𝑦 = 𝐶𝑥 + 𝐷𝑢 Ý tưởng chính của phương pháp thiết kế bộ quan sát trạng thái để ước lượng được các biến trạng thái này là sử dụng khâu có mô hình:
𝑥̇ = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑢 + 𝐿(𝑦 − 𝐶𝑥 − 𝐷𝑢) (3.3) làm bộ quan sát, đưa vào mô hình hệ thống (hình 3.24)
Hình 3 24 Bộ quan sát trạng thái
𝑥 là giá trị trạng thái ước lượng
Bộ quan sát được sử dụng để tạo ra sự phối hợp giữa hai hệ thống tuyến tính thời gian bất biến, cho phép xử lý các tín hiệu vào u(t) và tín hiệu ra y(t) Qua đó, bộ quan sát cung cấp giá trị ước lượng 𝑥(𝑡) của trạng thái thực 𝑥(𝑡) Cấu trúc này đảm bảo rằng giá trị ước lượng 𝑥 sẽ dần hội tụ đến giá trị thực 𝑥, đạt được sự xấp xỉ 𝑥 ≈ 𝑥 sau một khoảng thời gian T đủ ngắn.
Gọi e - là véc tơ sai lệch quan sát, khi đó sai lệch quan sát được xác định là :
Nhiệm vụ thiết kế là xác định L trong (3.3) để có được yêu cầu (3.4) Trước tiên ta lập sai lệch từ hai mô hình (3.2), (3.3):
Để đảm bảo rằng sai lệch 𝑒(𝑡) tiến về 0, ma trận (𝐴 − 𝐿𝐶) cần phải bền Khi các giá trị riêng của (𝐴 − 𝐿𝐶) nằm xa trục ảo về phía -∞, thời gian T cần thiết để quan sát tín hiệu vào ra sẽ giảm, giúp sai lệch 𝑒(𝑡) tiến nhanh hơn về 0 Do đó, việc xác định ma trận L là rất quan trọng để đạt được tốc độ giảm sai lệch 𝑒(𝑡) mong muốn, bằng cách chọn các giá trị riêng của (𝐴 − 𝐿𝐶) phù hợp với tốc độ đã chọn.
Để đảm bảo bộ quan sát hoạt động hiệu quả hơn hệ thống, cần xác định véc tơ sai lệch quan sát với yêu cầu động học là nhanh hơn Các điểm cực của bộ quan sát phải được chọn sao cho ít nhất cách xa 5 lần so với cực của hệ thống Đặc biệt, để tăng tốc độ đầu ra của bộ quan sát, điểm cực được lựa chọn nên gấp 10 lần điểm cực của hệ thống, nhằm đảm bảo quá trình động học diễn ra nhanh chóng hơn.
Chọn điểm cực và xác định L được thực hiện bởi sự hỗ trợ của phần mềm Matlab (phụ lục 1e)
Ma trận hệ số của bộ quan sát trạng thái xác định được là:
−11.3383 58.5043 3.5.2.2 Thiết kế bộ quan sát trạng thái trên phần mềm Matlab-Simulink
Sau khi xác định được ma trận quan sát trạng thái, ta xây dựng bộ quan sát trạng thái đưa vào mô hình hệ thống (hình 3.25)
Hình 3 25 Mô hình hệ thống sử dụng bộ quan sát trạng thái
Hình 3 26 Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô trong Simulink sử dụng bộ quan sát trạng thái
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ỨNG VỚI BỘ THÔNG SỐ MỚI
3.6.1 Mô phỏng với bộ tham số mới
Sau khi xác định bộ thông số tối ưu bằng công cụ Parameter Estimation, các thông số này được áp dụng vào mô hình toán học trong chương trình m.file trên Matlab Tiếp theo, chúng ta sử dụng bộ thông số mới để thực hiện mô phỏng trong mô hình toán học.
Quá trình mô phỏng chuyển động của ô tô sử dụng phần mềm CarSim được thực hiện trên quỹ đạo đường cong trong 20 giây, với vận tốc 65 km/h Góc lái (δ) của ô tô thay đổi theo thời gian như được thể hiện trong bảng 3.3.
- Thông số đầu vào (từ ô tô CarSim):
+ Đặc tính vận tốc ngang: Vy (m/s)
+ Đặc tính gia tốc ngang: Ay (m/s 2 )
+ Đặc tính góc quay thân xe quanh trục x: phi (rad)
+ Đặc tính tốc độ góc quay thân xe quanh trục z: AVz (rad/s)
+ Đặc tính tốc độ góc quay thân xe quanh trục x: AVx (rad/s)
Kết quả mô phỏng là các đường đặc tính của các thông số động lực học, xem Hình (3.27), (3.28), (3.29) (3.30) và (3.31)
Hình 3 27 Vận tốc ngang (Vy, (m/s))
Hình 3 28 Gia tốc ngang (Ay, (m/s 2 ))
Hình 3 29 Góc quay thân xe quanh trục x (Phi, (rad))
Hình 3 30 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz, (rad/s))
Hình 3 31 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx, (rad/s))
3.6.2 Đánh giá kết quả mô phỏng
Các kết quả mô phỏng cho thấy đường đặc tính của mô hình toán và mô hình CarSim có hình dáng và quy luật biến thiên tương tự nhau với độ chính xác cao Điều này không chỉ khẳng định tính hiệu quả của công cụ Parameter Estimation trong việc nhận dạng và tối ưu hóa các thông số, mà còn chứng minh tính đúng đắn của mô hình được xây dựng.
Chương 3 đã giới thiệu và ứng dụng hai phần mềm mô phỏng Matlab và CarSim, đồng thời lựa chọn thông số cho mô hình và thực hiện mô phỏng để đánh giá kết quả Bên cạnh đó, chương còn ứng dụng công cụ Parameter Estimation trong Simulink để nhận dạng thông số động lực học và thiết kế bộ quan sát trạng thái theo phương pháp gán điểm cực.
