Tài liệu Phân tích động lực học của xe mini racing car bằng mô hình động lực học phẳng để xác định thông số điều khiển góc đánh lái

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------------- NGUYỄN HUỲNH QUANG THIỆN PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE MINI RACING CAR BẰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG ĐỂ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN GÓC ĐÁNH LÁI Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số : 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2021 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN HỮU NHÂN Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. HỒNG ĐỨC THÔNG Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. NGUYỄN VĂN TRẠNG Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày 16 tháng 08 năm 2021 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Chủ tịch: PGS. TS Lê Đình Tuân 2. Thư ký: TS. Trần Đăng Long 3. Phản biện 1: TS. Hồng Đức Thông 4. Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Trạng 5. Ủy viên: TS. Võ Tấn Châu Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá ĐC và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa. CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN HUỲNH QUANG THIỆN MSHV: 1770538 Ngày, tháng, năm sinh: 04-04-1991 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số: 60520116 I. TÊN ĐỀ TÀI: “Phân tích động lực học của xe Mini Racing Car bằng mô hình động lực học phẳng để xác định thông số điều khiển góc đánh lái”. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Phân tích quá trình điều khiển góc đánh lái lên xe Mini Racing Car. 2. Thiết lập mô hình toán học mô tả tính năng động học và động lực học chuyển động trong mặt phẳng ngang của xe theo mô hình động lực học hai dãy. 3. Xác định các thông số đầu vào của xe Mini Racing Car. 4. Phân tích các tính năng động học và động lực học, an toàn của xe trong quá trình chuyển động khi nhận tín hiệu điều khiển lái. 5. Xác định thông số điều khiển góc đánh lái đảm bảo an toàn chuyển động của xe. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/02/2021 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 16/08/2021 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS.Trần Hữu Nhân CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) Tp. HCM, ngày…… tháng …… năm 20…… CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG (Họ tên và chữ ký) LỜI CÁM ƠN Đề cương này được thực hiện vào tháng 02 năm 2021 trong bộ môn Kỹ Thuật Ô tô - Máy kéo tại trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Trong suốt thời gian thực hiện luận văn tác giả đã gặp nhiều khó khăn nếu không có sự hỗ trợ từ những thầy, cô trong khoa, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp thì đã không thể hoàn thành luận văn. Đầu tiên, tác giả tỏ lòng cảm ơn chân thành đến TS.Trần Hữu Nhân, người thầy đã tiếp nhận, giao đề tài, thầy đã hỗ trợ tác giả rất nhiều mỗi khi thực hiện đề tài có khó khăn cũng như động viên tác giả vượt qua khó khăn và hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng gửi lời cám ơn sâu sắc đến các giảng viên bộ môn Kỹ Thuật Ô tô - Máy kéo đã chỉ dẫn tác giả trong suốt quá trình đào tạo. Kế đến, tác giả cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã động viên, khuyến khích trong suốt quá trình học tập và làm luận văn của tác giả. Cuối cùng, tác giả cám ơn những đồng nghiệp, trưởng bộ môn ô tô, trưởng Khoa Cơ khí Động lực của trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng đã tạo điều kiện học tập, thực hiện luận văn, công việc của tác giả trong thời gian thực hiện luận văn. Một lần nữa, tác giả chân thành cảm ơn tất cả. Tp. HCM, ngày 16 tháng 08 năm 2021 Học viên thực hiện TÓM TẮT LUẬN VĂN Việc tính toán động học và động lực học rất quan trọng trong việc thiết kế, bố trí các thành phần quan trọng trên xe, các thông số trong quá trình tính toán giúp cho việc đánh giá, cải thiện tính năng an toàn của xe Mini Racing Car trong quá trình vận hành. Giảm thiểu và tiết kiệm chi phí thử nghiệm trong quá trình chế tạo xe Mini Racing Car để tham gia cuộc thi. Đề tài này là sự phát triển dựa trên cơ sở phân tích ổn định chuyển động của xe Mini Racing Car. Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu các thông số điều khiển góc lái từ đó tính toán tính năng động học và động lực học chuyển động theo phương ngang của xe Mini Racing Car. Phân tích vai trò và ý nghĩa của các thông số cơ sở ảnh hưởng đến tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe. Làm cơ sở tham khảo cho việc tính toán mô phỏng động học và động lực học chuyển động cho các chủng loại xe có kết cấu tương đương như xe Mini Racing Car. Dựa vào những đặc điểm đó, các thí sinh tham gia cuộc thi có thể cải tiến những chi tiết hoặc những bộ phận nhằm cải thiện hiệu suất hoặc giúp xe hoàn thiện vòng đua một cách tốt nhất. Giảm thiểu tối đa các rủi ro không mong muốn phát sinh ra gây thiệt hại về kết cấu cũng như chi phí chế tạo xe. ABSTRACT Calculation of kinematics and dynamics is very important in the design, arrangement of important components on the vehicle, the parameters in the calculation process help to evaluate, improve the safety of Mini Racing Car during operation. Minimize and save testing costs in the process of building a Mini Racing Car to participate in the competition. This topic is the development based on the analysis of motion stability of Mini Racing Car. This topic focuses on studying the steering angle control parameters, thereby calculating the kinematics and dynamics Mini Racing Car 's horizontal motion. Analyze the role and significance of basic parameters affecting the kinematics and dynamics Mini Racing Car 's horizontal motion. As a reference basis for calculating simulation of kinematics and dynamics of motion for vehicles with similar structure such as Mini Racing Car. Based on these characteristics, competitors can improve details or components to reform performance or help the car complete the lap in the best way. Minimizing unexpected risks that cause structural damage as well as vehicle manufacturing costs. LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ Họ và tên học viên: NGUYỄN HUỲNH QUANG THIỆN Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1991 Nơi sinh: TP.HCM Địa chỉ liên lạc: 37/2 KP 3, Lý Thường Kiệt, Tổ 29, Thị Trấn Hóc Môn, Tp.HCM. Số điện thoại: 0987 283825 Email: [email protected] Tôi xin cam đoan luận văn “Phân tích động lực học của xe Mini Racing Car bằng mô hình động lực học phẳng để xác định thông số góc đánh lái” là do tôi thực hiện, không sao chép của người khác. Nếu sai sự thật, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật. Học viên thực hiện NGUYỄN HUỲNH QUANG THIỆN MỤC LỤC Đề mục Trang TRANG BÌA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN LỜI CÁM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 1 1.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 1 1.2. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước .................................................. 2 1.2.1. Nghiên cứu trong nước .................................................................................. 2 1.2.2. Nghiên cứu ngoài nước.................................................................................. 3 1.2.3. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 4 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 4 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 4 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 4 1.3.3. Các giả thuyết ................................................................................................ 4 1.4. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 5 1.4.1. Mục tiêu chung .............................................................................................. 5 1.4.2. Mục tiêu cụ thể .............................................................................................. 5 1.5. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 5 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................... 5 1.6.1. Ý nghĩa khoa học ........................................................................................... 5 1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................... 6 1.7. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 6 1.8. Tiến độ thực hiện luận văn dự kiến ............................................................... 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE TRONG MẶT PHẲNG ĐƯỜNG. ............................................................................. 7 2.1 Mô hình động lực học lốp xe ......................................................................... 7 2.1.1 Mô hình động học lốp xe ............................................................................... 7 2.1.2 Mô hình động lực học lốp xe đồng dạng ....................................................... 9 2.2 Mô hình động lực học của xe ...................................................................... 11 2.3 Các thông số động học và động lực học của xe ........................................... 13 2.3.1 Phản lực pháp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe ................................ 13 2.3.2 Động học hệ thống lái .................................................................................. 14 2.3.3 Góc lệch bên các bánh xe ............................................................................ 15 2.3.4 Phản lực tiếp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe .................................. 18 2.4 Phương trình động lực học mô tả chuyển động của xe trong mặt phẳng đường ........................................................................................................... 18 2.5 Lý thuyết khảo sát động lực học chuyển động của xe ................................. 20 2.5.1 Góc lái là hàm bước ...................................................................................... 20 2.5.2 Xác định mô men quán tính khối lượng ...................................................... 20 2.5.3 Các điều kiện tính toán ................................................................................ 22 2.6. Lý thuyết về tính ổn định ngang của xe....................................................... 23 2.6.1 Khái niệm .................................................................................................... 23 2.6.2 Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang ..................................... 23 2.6.2.1 Điều kiện trượt ............................................................................................. 23 2.6.2.2 Điều kiện lật................................................................................................. 24 CHƯƠNG 3. THÔNG SỐ TÍNH TOÁN ................................................................. 26 3.1 Thông số kích thước ................................................................................... 26 3.2 Thông số khối lượng ................................................................................... 27 3.2.1 Khối lượng bản thân ................................................................................... 27 3.2.2 Thông số phân bố khối lượng ...................................................................... 27 3.2.3 Thông số toạ độ trọng tâm ........................................................................... 28 3.2.4 Thông số mô hình lốp xe ............................................................................. 28 3.3 Thông số góc lái .......................................................................................... 29 3.4 Sự biến thiên góc quay của Servo theo thời gian ........................................ 33 3.4.1 Thông số của động cơ Servo ....................................................................... 33 3.4.2 Vi xử lý điều khiển ...................................................................................... 38 3.4.3 Phần mềm xử lý điều khiển ......................................................................... 41 3.4.4 Thiết bị điều khiển ....................................................................................... 43 3.4.4.1 Bộ định tuyến............................................................................................... 44 3.4.4.2 Thiết bị thông minh ..................................................................................... 46 3.4.4.3 Phần mềm ứng dụng .................................................................................... 47 3.4.5 Khảo sát góc quay của Servo ....................................................................... 49 3.4.5.1 Khảo sát góc quay của Servo với bước nhảy 10o ........................................ 49 3.4.5.2 Khảo sát góc quay của Servo với bước nhảy 5o .......................................... 50 3.4.5.3 Khảo sát góc quay của Servo với bước nhảy 2o .......................................... 52 3.5 Sự biến thiên góc lái của xe theo thời gian .................................................. 53 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG................ 55 4.1 Sơ đồ tiến trình thực hiện tính toán mô phỏng ............................................ 55 4.2 Xác định các thông số động học và động lực học ....................................... 56 4.2.1 Bán kính quay vòng ..................................................................................... 56 4.2.2 Bán kính quay vòng tại trọng tâm G............................................................ 57 4.3 Khảo sát động học và động lực học theo phương ngang ............................ 58 4.3.1 Khảo sát góc lái là hàm bước theo thời gian .............................................. 58 4.3.2 Khảo sát góc lái của bánh xe theo thời gian ............................................... 59 4.3.3 Khảo sát sự biến thiên của lực ngang Fy(N) theo thời gian ....................... 60 4.3.4 Khảo sát gia tốc chuyển động ngang theo thời gian ................................... 61 4.4 Khảo sát tính ổn định chuyển động theo phương ngang ............................. 62 4.4.1 Khảo sát giá trị cực đại Fy theo điều kiện bám và điều kiện lật ngang của xe62 4.4.2 Khảo sát vận tốc giới hạn cực đại vxc so với góc lái δ ................................. 64 4.5 Khảo sát các thông số an toàn trên đường đua Mini Racing Car ................ 65 4.5.1 Sơ đồ tổng quan về đường đua Mini Racing Car ........................................ 65 4.5.2 Thông số các khúc cua khi xe quay vòng trên đường đua .......................... 68 4.5.3 Khảo sát vận tốc giới hạn cực đại so với góc lái tại các khúc cua .............. 70 4.5.4 Khảo sát vận tốc giới hạn cực đại so với bán kính quay vòng tại các khúc cua ........................................................................................................... 71 4.5.5 Khảo sát góc lái so với bán kính quay vòng tại các khúc cua .................... 72 4.5.6 Khảo sát quãng đường quay vòng so với thời gian tại các khúc cua .......... 73 4.5.7 Khảo sát tốc độ giới hạn cực đại so với thời gian tại các khúc cua ............ 74 4.5.8 Khảo sát vận tốc giới hạn cực đại so với quãng đường quay vòng tại các khúc cua .................................................................................................. 75 4.5.9 Thông số vận hành trên đường đua ............................................................ 76 4.6 Xác định thông số an toàn trong quá trình điều khiển ................................. 77 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN ĐỂ TÀI .......................................... 79 5.1 Kết luận ....................................................................................................... 79 5.2 Hướng phát triển đề tài ............................................................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 82 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 83 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Mô hình động học của lốp xe chuyển động với vận tốc tức thời v, góc trượt ngang α và góc đánh lái δ ................................................................................. 7 Hình 2.2: Mô hình lốp xe đồng dạng ....................................................................... 9 Hình 2.3: Mô hình động lực học hai dãy. .............................................................. 11 Hình 2.4: Động học hệ thống lái ............................................................................ 14 Hình 2.5: Xét xe như hình hộp chữ nhật đồng chất ............................................... 21 Hình 2.6: Chuyển đổi tọa độ trọng tâm hình hộp chữ nhật về tọa độ trọng tâm thực tế của xe ............................................................................................................... 22 Hình 2.7: Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động quay vòng trên đường ngang .. 23 Hình 2.8: Sơ đồ lực tác dụng khi ô tô chuyển động quay vòng trên đường ngang .. 24 Hình 3.1: Bố trí chung của xe Mini Racing Car ........................................................27 Hình 3.2: Sơ đồ tổng quát về cơ cấu lái của xe Mini Racing Car..........................29 Hình 3.3: Cơ cấu góc quay của Servo và cánh tay đòn của Servo ........................30 Hình 3.4: Cơ cấu góc quay của Đòn liên kết .........................................................31 Hình 3.5: Cơ cấu Cụm dẫn hướng .........................................................................32 Hình 3.6: Động cơ Servo RC LD-27MG ...............................................................33 Hình 3.7: Kích thước động cơ Servo RC LD-27MG .............................................34 Hình 3.8: Cấu tạo động cơ Servo ...........................................................................35 Hình 3.9: Các xung điều khiển vị trí động cơ .......................................................36 Hình 3.10: Điều khiển tốc độ động cơ ....................................................................37 Hình 3.11: Bo mạch module ESP ...........................................................................38 Hình 3.12: Các chân của module ESP32 ................................................................39 Hình 3.13: Các chân liên kết giữa module ESP32 và động cơ Servo .....................40 Hình 3.14: Sơ đồ mạch liên kết ESP32 và động cơ Servo ......................................40 Hình 3.15: Giao diện của Arduino 1.8.9 .................................................................41 Hình 3.16: Thêm thư viện vào IDE .........................................................................42 Hình 3.17: Chọn thư viện bo mạch ESP32 .............................................................42 Hình 3.18: Mô hình liên kết giữa các thiết bị với nhau...........................................44 Hình 3.19: Mô hình router wifi ...............................................................................45 Hình 3.20: Router Asus ROG Rapture Wireless GT-AC5300 ...............................46 Hình 3.21: Giao diện ban đầu của ứng dụng MiniCar ............................................47 Hình 3.22: Giao diện thiết lập IP của ứng dụng MiniCar .......................................48 Hình 3.23: Giao diện chính điều khiển của ứng dụng MiniCar ..............................48 Hình 3.24: Đồ thị mối quan hệ giữa góc quay của động cơ Servo và thời gian đáp ứng với bước nhảy 10o ..........................................................................50 Hình 3.25: Đồ thị mối quan hệ giữa góc quay của động cơ Servo và thời gian đáp ứng với bước nhảy 5o ............................................................................51 Hình 3.26: Đồ thị mối quan hệ giữa góc quay của động cơ Servo và thời gian đáp ứng với bước nhảy 2o ............................................................................53 Hình 3.27: Đồ thị mối quan hệ giữa góc lái của xe Mini Racing Car và thời gian đáp ứng theo các giá trị bước ................................................................54 Hình 4.1: Sơ đồ tính toán mô phỏng ........................................................................... 54 Hình 4.2: Đồ thị giữa góc lái trong δi, góc lái trong δo và bán kính quay vòng R1 ........................................................................................................................ 56 Hình 4.3: Đồ thị giữa bán kính quay vòng R1 và bán kính quay vòng R tại trọng tâm .........................................................................................................57 Hình 4.4: Đồ thị góc lái theo thời gian và góc lái là hằng số ...............................58 Hình 4.5: Đồ thị góc quay lái của bánh xe theo thời gian ....................................59 Hình 4.6: Lực ngang tổng cộng tác dụng tại trọng tâm xe ...................................60 Hình 4.7: Gia tốc chuyển động phương ngang theo thời gian .............................61 Hình 4.8: Đồ thị lực ngang Fy ở vận tốc vx ứng với từng góc lái δ .......................63 Hình 4.9: Đồ thị giới hạn cực đại vxc với góc lái δ theo điều kiện trượt ...............64 Hình 4.10: Tổng quát đường đua Mini Racing Car ................................................66 Hình 4.11: Mô phỏng đường đua Mini Racing Car ................................................67 Hình 4.12: Thông số chi tiết đường đua Mini Racing Car ......................................67 Hình 4.13: Thông số đường cong dưới – bên phải..................................................68 Hình 4.14: Thông số đường cong cua dưới – bên trái.............................................69 Hình 4.15: Thông số đường cong trên – bên phải ...................................................69 Hình 4.16: Đồ thị giới hạn vận tốc cực đại so với góc lái ở các vị trí đường cong 70 Hình 4.17: Đồ thị vận tốc giới hạn cực đại so với bán kinh quay vòng ở các vị trí đường cong ...........................................................................................71 Hình 4.18: Đồ thị góc lái so với bán kính quay vòng ở các vị trí đường cong .......72 Hình 4.19: Đồ thị quãng đường quay vòng so với thời gian ở các vị trí đường cong ..............................................................................................................73 Hình 4.20: Đồ thị vận tốc giới hạn cực đại so với thời gian ở các vị trí đường cong ..............................................................................................................74 Hình 4.21: Đồ thị vận tốc giới hạn cực đại so với quãng đường quay vòng ở các vị trí đường cong ..................................................................................75 Hình 4.22: Sơ đồ chi tiết vị trí bắt đầu và kết thúc ở các vị trí đường cong ...........76 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Thông số kích thước của xe. .................................................................. 26 Bảng 3.2: Thông số xe khi đầy tải ......................................................................... 26 Bảng 3.3: Thông số phân bố khối lượng của xe .................................................... 28 Bảng 3.4: Thông số khối lượng của xe .................................................................. 28 Bảng 3.5: Thông số động cơ Servo RC LD-27MG ............................................... 34 Bảng 3.6: Thời gian đo góc quay của động cơ Servo với bước nhảy 10o ............. 49 Bảng 3.7: Thời gian đo góc quay của động cơ Servo với bước nhảy 5o ............... 51 Bảng 3.8: Thời gian đo góc quay của động cơ Servo với bước nhảy 2o ............... 52 Bảng 4.1: Giá trị lực ngang.................................................................................... 62 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU a1 , a2 : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến bánh xe phía trước và phía sau ay : Gia tốc hướng tâm Bi , B f , Br : Hệ số tính đến ảnh hưởng độ cứng lốp xe thứ i, trước, sau C : Trọng tâm của xe Ci : Hệ số tính đến ảnh hưởng của hình dạng lốp xe thứ i C1 , C2 : Hệ số thực nghiệm Ca 1 , Ca 2 : Độ cứng góc lệch bên bánh xe trước trái, phải Ca 3 , Ca 4 : Độ cứng góc lệch bên bánh xe sau phải, trái Fywi : Phản lực ngang Fzi : Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe Fz1 , Fz 2 : Phản lực pháp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe trước trái, trước phải Fz 3 , Fz 4 : Phản lực pháp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe sau phải, sau trái Fxw1 : Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước trái Fxw 2 : Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước phải Fxw 3 : Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau phải Fxw 4 : Phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau trái F yw1 : Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước trái Fyw 2 : Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước phải Fyw 3 : Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau phải Fyw 4 : Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe sau trái Fyφ : Lực ngang theo điều kiện bám Fyroll : Lực ngang theo điều kiện lật g : Gia tốc trọng trường Izz : Mô men quán tính khối lượng quanh trục z l : Chiều dài cơ sở xe m : Khối lượng của xe Mz : Momen tác dụng lên xe. M z1 , M z 2 : Mô men tác dụng lên bánh xe trước trái, phải M z3 , M z4 : Mô men tác dụng lên bánh xe sau phải, trái R1 : là bán kính quay vòng v : Vận tốc chuyển động của xe vx , vy : Các thành phần vận tốc ô tô trong hệ toạ độ trọng tâm vxc : Vận tốc giới hạn cực đại w : Chiều rộng cơ sở wf , wr : Khoảng cách giữa hai tâm vệt bánh xe trước, sau a1 , a 2 : Góc lệch bên của bánh xe trước trái, trước phải a3 , a4 : Góc lệch bên của bánh xe sau phải, sau trái β : Góc lệch vectơ vận tốc v so với phương trục x β1 , β2 : Góc lệch giữa vectơ vận tốc v1, v2 với trục x1, x2 β3 , β4 : Góc lệch giữa vectơ vận tốc v3, v4 với trục x3, x4 d1 , d i : Góc quay của bánh dẫn hướng trong (trái) d2 , d0 : Góc quay của bánh dẫn hướng ngoài (phải) ψ : Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm y ,y! ,y!! : Góc quay, vận tốc, gia tốc thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm wz : Vận tốc góc khi xe quay vòng CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Cuộc thi Mini Racing Car là một cuộc thi về các dòng xe mô hình do chính các đội nhóm của những sinh viên quy tụ từ nhiều trường Cao Đẳng ,Đại Học trên khắp khu vực miền Nam. Đây là một sân chơi lớn với sự tham gia của hơn 12 trường như : trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, trường Đại học Nguyễn Tất Thành, trường Đại học Văn Lang, trường Cao đẳng Nghề Thành phố Hồ Chí Minh, trường Cao đẳng Công Nghệ Thủ Đức, trường Cao đẳng Công nghệ cao Đồng An, trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex, trường Cao đẳng Miền Nam, trường Cao đẳng Kinh tế Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, .... Cuộc thi cũng gây nên tiếng vang xa trên các trang báo cũng như những trang báo điện tử khác và các đài truyền thông như HTV, VTV ngày nay. Cuộc thi bắt nguồn từ trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng vào năm 2015 cũng là năm đầu tiên cho chính trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng là đơn vị chủ quản đăng cai tổ chức cuộc thi Mini Racing Car mùa đầu tiên. Cuộc thi nhằm tạo sân chơi bổ ích, mang tính học thuật cao, khích lệ tinh thần ham học hỏi, yêu thích nghiên cứu khoa học và đam mê sáng tạo của các sinh viên thuộc nhiều khoa khác nhau trong trường. Nhằm giúp cho sinh viên áp dụng các kiến thức lý thuyết vào thực tế sau cũng buổi học tập lý thuyết trên lớp cũng như các môn thực hành trong xưởng vào thực tế một cách sâu rộng và tường tận hơn. Vào các mùa kế tiếp, cuộc thi đẫ gây nên tiếng vang xa và truyền đạt tinh thần này cho các trường lân cận và tạo điều kiện cho các trường bạn tham gia cuộc thi vào những mùa kế tiếp đó. Hiện nay việc tính toán tính năng động học và động lực học của xe hoàn toàn bằng thực nghiệm rất tốn kém là một trong những nhược điểm khá lớn của cuộc thi. Do đó việc tính toán mô phỏng bằng phần mềm chuyên dùng sẽ mang lại nhiều lợi thế hơn cho các sinh viên về mặt chi phí và thời gian trước khi đi vào thực nghiệm và chế tạo. Trong các tính năng động học và động lực học thì tính năng ổn định chuyển động ngang của xe đặc biệt là xe Mini Racing Car đang được quan tâm và chú ý nhiều nhất trong cuộc thi Mini Racing Car trong các năm gần đây. Do xảy ra nhiều vấn đề hỏng hóc và thiệt hại không nhỏ trong quá trình điều khiển xe vào thời điểm luyện tập cũng như thi đấu. Có thế dẫn đến việc chế tạo hay sửa chữa không kịp tiến độ thời gian để tham gia thi đấu, dẫn đến một số đội nhóm bỏ cuộc do nhiều yếu tố khách quan và không mong muốn. Vì vậy việc mô phỏng này là một bước ngoặc giúp ích khá nhiều cho các đội đua tham gia cuộc thi Mini Racing Car. 1.2. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước. 1.2.1. Nghiên cứu trong nước - Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích ổn định chuyển động quay vòng xe khách giường nằm bằng mô hình động lực học phẳng” do Nguyễn Duy Bảo thực hiện, 2013 [2]. Đề tài trên được xây dựng trên mô hình động lực học chuyển động phẳng của xe khi quay vòng dạng 2 bánh. Xe chuyển động với vận tốc dọc theo chiều trục xe không đổi trong suốt quá trình quay vòng hoặc vượt xe khác. Sử dụng hàm bước để mô tả góc đánh lái của xe. Sử dụng mô hình lốp bánh xe tuyến tính để xác định lực ngang ảnh hưởng tới xe. Đề tài đã đánh giá được đặc tính quay vòng trong tất cả các trường hợp tải trọng của xe, xác định được vận tốc tới hạn cho phép đảm bảo điều kiện trượt ngang khi xe quay vòng, xác định các thông số động học và động lực học của xe tại vị trí từng bánh xe trước, sau riêng biệt theo thời gian. Tuy nhiên đề tài chưa đánh giá được ảnh hưởng của các ngoại lực tác dụng lên xe cũng như lực kéo của bánh xe chủ động có thể làm cho xe chuyển động theo chiều dọc với vận tốc thay đổi, việc đánh lái với góc lái thay đổi đột ngột theo hàm bước không phù hợp với thực tế, mô hình bánh xe phi tuyến chỉ phù hợp khi xe đánh lái với góc lái nhỏ. - Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích ổn định chuyển động ngang của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học một dãy phi tuyến” do Nguyễn Trường Lĩnh [3] thực hiện. Đề tài này đã so sánh được tính năng động học và động lực học khi xe chuyển động ngang dựa trên mô hình lốp phi tuyến với trường hợp dựa trên mô hình lốp xe tuyến tính. Tuy nhiên, khi đánh lái thì góc lái của bánh lái hai bên khác nhau mà đề tài này chỉ mô phỏng động học và động lực học trên một dãy bánh xe nên chưa đánh giá được ảnh hưởng của ngoại lực tác dụng lên xe khi quay vòng như xe thực tế được. - Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích động lực học quay vòng của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học phẳng bốn bánh” do Lê Quang Thống thực hiện, 2017 [5]. Tác giả tập trung vào việc nghiên cứu mô hình động lực học phẳng bốn bánh từ đó phân tích vai trò và ý nghĩa của các thông số cơ sở ảnh hưởng đến tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe. Tuy nhiên, đề tài này chưa đánh giá được ảnh hưởng của lốp xe thực tế ảnh hưởng lên xe khi quay vòng. 1.2.2. Nghiên cứu ngoài nước - Sách Vehicle Dynamics: Theory and Application do Reza N. Jazar viết được nhà xuất bản Springer xuất bản năm 2008 [1]. Trong chương 9, 10, 11 tác giả trình bày cơ sở động lực học mô hình động lực học phẳng một dãy. - Bài báo khoa học: “Study of the Vehicle Controllability and Stability Based on Multi – body System Dynamics” (The Open Mechanical Engineering Journal, 2014, 8, 865 – 871) của tác giả Lin Hu, Shengyong Fang, Jia Yang, [8]. Trong bài báo này tác giả đã sử dụng phần mềm ADAMS/CAR để tiến hành khảo sát mô phỏng đặc tính kiểm soát và ổn định của xe như khả năng quay vòng, khả năng trượt trên đường dốc có chướng ngại vật, khả năng hồi vị của hệ thống lái; kết quả rút ra được là để cải thiện đặc tính tối ưu đó là có 3 yếu tố: khối lượng ô tô, tải trọng đặt lên cầu trước và độ cứng xoắn của thanh ổn định chống lật sau.