ĐỒ án kết cấu TÍNH TOÁN ô tô đề tài tính toán tính ổn định khi ô tô xoay vòng

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VÀ
QUẢN LÝ HỮU NGHỊ
----------o0o---------

KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ơ TƠ

ĐỒ ÁN KẾT CẤU TÍNH TỐN Ơ TƠ
Đề tài:
“Tính tốn tính ổn định khi ơ tơ xoay vịng”
Giảng viên hướng dẫn: Th.S Trần Vũ Chính
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Tuấn Quyền
: Tống Tiến Sơn

Khoá

: 10 CNKTOTO

Lớp

: K10CNOTO01

Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2022

1


Lời Nói Đầu

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Vũ Trần Chính đã trang bị giúp em

những kỹ năng cơ bản và kiến thức cần thiết để hồn thành được đồ án .
“NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH CỦA Ơ TƠ KHI QUAY VỊNG” cụ
thể trên xe khách Universe Advanced 47 chỗ, một vấn đề rất thực tế của chúng ta
hiện nay là vấn đề an toàn ,ổn định của xe khách khi vào quay vòng. Qua việc
nghiên cứu chúng em sẽ tìm hiểu và đưa ra được những vấn đề còn mắc phải của
chiếc xe này
Tuy nhiên, trong quá trình làm đồ án do kiến thức chun ngành của em cịn hạn
chế nên khơng thể tránh khỏi một vài thiếu sót khi trình bày và đánh giá vấn đề.
Rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của các thầy để đề tài của em thêm hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

2


3


CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1/Qúa trình quay vịng của ơ tơ:

Hình 1-1 : Q trình quay vịng của ơ tơ

Qúa trình quay vịng của ơ tơ được chia làm 3 giai đoạn: GDI: là
giai đoạn chuẩn bị vào đường quay vòng với R

GDII: là giai

đoạn vào quay vòng với bán kính tức thời R = Const GDIII: là
giai đoạn ra khỏi đường quay vòng với R

4


1.2/ Sự quay vịng của ơ tơ khi khơng tính đến biến dạng lốp xe:

1.2.1/ Qúa trình quay vịng của ơ tơ:

Hình 1-2: Mơ hình quay vịng của ơ tơ
m: chiều rộng vết bánh xe
l : khoảng cách giữa 2 cầu xe
R: bán kính quay vịng tức thời
O: tâm quay vịng tức thời

:

góc quay của hệ thống lái

: góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài
5


: góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong
Xét mơ hình trên ta có:

tg

=

R=

Trong thực tế khi xe vào góc cua thì tài xế đánh lái rất từ từ với góc quay hệ thống lái rất
nhỏ ( nếu khơng sẽ cua ngặt và mất quĩ đạo chuyển động điều này rất nguy hiểm)

Nên

bé

tg

R=

[1-1]

Đây là cơng thức tính bán kính quay vịng tức thời của xe khi khơng tính đến sự biến
dạng của lốp xe.
Xác định mối quan hệ của

và

?

[1-2]

-

Nhìn vào biểu thức [1-4] ta thấy , về mặt lý thuyết khi vào cua thì góc quay của 2 bánh xe
dẫn hướng ln khác nhau, tức là
có thể bỏ qua và xem như

=

. Nhưng thực tế sự chênh lệch này rất nhỏ nên ta

. Vì vậy trong tính tốn về sau ta xem như

6

= .


1.2.2/ Các lực tác dụng vào ô tô khi quay vòng :
Khi xe vào quay vòng ta xét các lực tác dụng lên xe cụ thể là vào trọng tâm T của
xe. Trọng tâm này cách cầu trước một đoạn là a, cách cầu sau một đoạn là b.
Tại tâm T khi quay vịng thì xuất hiện lực li tâm

hình vẽ. Phân tích
đó lực

tác dụng lên xe, có phương chiều như

thành 2 thành phần theo phương

,

. Trong

là lực dọc trục xe có xu hướng làm xe đi tới ta khơng xét đến. Lực

có xu

hướng làm xe văng ra khỏi đường vì vậy ta xét lực

và

ta được

.

Hình 1-3: Phân tích lực tác dụng khi quay vịng

Ta có :
Trong đó : là gia tốc hướng tâm

7

là gia tốc pháp tuyến


là gia tốc tiếp tuyến
Phân tích Hình 1-3 ta được:
Với

là góc hợp bởi lực li tâm với phương ngang của xe

Gia tốc pháp tuyến
Gia tốc tiếp tuyến
Trong đó : ρ = OT chính là bán kính quán tính.

Xét

Xét
Mặt khác xét Hình 1-3 ta cịn có:

;
Từ đó ta tính được gia tốc hướng tâm:

[1-9]

8


Khi đó:

[1-10]
Ta có nhận xét về biểu thức [1-10] như sau:
Lực

là lực làm xe có xu hướng văng ra khỏi mặt đường nên khi vào quay vịng để xe

an tồn thì lực

phải nhỏ. Để

giảm thì:

+ giảm : tức là giảm tốc độ của xe khi vào quay vòng
+ = Const

= 0 tức là khi xe vào quay vịng thì góc quay của hệ thống lái phải từ từ,

chỉ thay đổi nhỏ lúc đó ta xem như

= Const. ( Người tài xế phải bẽ lái một cách từ từ

không được bẽ q gấp)
1.3/ Sự quay vịng của ơ tơ khi tính đến sự biến dạng của lốp xe:
1.3.1/ Bán kính quay vịng tức thời:
Khi khơng có sự biến dạng của lốp xe , xe vào cua với vận tốc
một góc

hợp với phương ngang

là vận tốc của cầu trước và cầu sau chuyển động với vận tốc

như hình.

Khi có sự biến dạng của lốp xe với.
: góc biến dạng bánh xe cầu trước
: góc biến dạng bánh xe cầu sau
Lúc này phương vận tốc
lệch đi một góc

bị lệch một góc

thành vận tốc

thành vận tốc

9

và phương vận tốc

bị


Hình 1-4: Mơ hình quay vịng khi có sự biến dạng lốp xe

Vấn đề đặt ra bây giờ là phải tìm xem

=?

[1-11]
Nhưng vì

; ; rất bé nên:
10


[1-12]
Khi đó xảy ra 3 trường hợp sau:
TH1: Nếu

=

tức là áp suất các bánh xe trước bằng áp suất các bánh xe sau.

: Quay vòng đúng
Tức là khi quay vòng khơng tính đến sự biến dạng hay có tính đến sự biến dạng lốp xe
cũng quay vòng với một bán kính quay vịng tức thời (tài xế khơng thay đổi góc quay

vành lái)
TH2: Nếu

>

tức là áp suất các bánh xe trước nhỏ hơn áp suất các bánh xe sau.

: Quay vịng thiếu
Tức là khi quay vịng có tính đến sự biến dạng của lốp xe tài xế phải quay vành lái cho
góc quay vành lái

tăng lên so với khi khơng tính đến sự biến dạng lốp xe, để xe có thể

quay vịng đúng với bán kính quay vịng tức thời R.
TH3: Nếu

<

tức là áp suất các bánh xe trước lớn hơn áp suất các bánh xe sau.

: Quay vòng thừa
Tức là khi quay vịng có tính đến sự biến dạng của lốp xe tài xế phải quay vành lái cho
góc quay vành lái

giảm đi so với khi khơng tính đến sự biến dạng lốp xe, để xe có thể

quay vịng đúng với bán kính quay vịng tức thời R.

1.3.2/ Xét ảnh hưởng biến dạng của lốp xe:

11


Phần trên ta nói về 3 TH:

;

;

. Trong 3 trường hợp này thì trường hợp

khơng có gì để nói và thực tế nó cũng rất ít khi xảy ra.
1.3.2.1/ Trường hợp quay vịng thiếu:

>

Hình 1-5: Ảnh hưởng của biến dạng lốp xe TH quay vòng thiếu
Trường hợp này khi xe chuyển động với vận tốc

dưới ảnh hưởng của

do áp suất

các bánh xe trước nhỏ hơn áp suất các bánh xe sau nên tức thời cầu trước của xe bị lệch
hướng chuyển động 1 góc

, cầu sau của xe bị lệch hướng chuyển động 1 góc

.

Dựng các đường vng góc như hình ta tìm được tâm OT ( tức thời xe quay quanh tâm
OT). Nên tạo ra lực li tâm

, phân tích lực li tâm
12

thành 2 thành phần

;

:


Thành phần

tác dụng theo phương dọc trục xe làm xe chuyển động về phía trước, thành

phần này khơng quan trọng. Thành phần

quĩ đạo chuyển động nhưng lúc này

có xu hướng làm xe làm xe bị lệch khỏi

và

cùng phương , ngược chiều, khác điểm đặt

vì vậy triệt tiêu lẫn nhau tạo ra tính ổn định của xe.
Kết luận: Chính vì lí do trên mà thực tế người ta thường bơm lốp trước mềm hơn lốp
sau. Và ở xe chúng ta đang xét cũng bơm sao cho áp suất các bánh xe trước nhỏ hơn áp

suất các bánh xe sau.
1.3.2.2/Trường hợp quay vịng thừa : <

Hình 1-6: Ảnh hưởng của biến dạng lốp xe TH quay vòng thừa

13


Trường hợp này

và

cùng phương , cùng chiều, khác điểm đặt vì vậy tạo ra sự mất

ổn định của xe.
Kết luận: Chính vì lí do trên mà thực tế người ta thường tránh bơm lốp trước cứng hơn
hơn lốp sau. Điều này gây sự mất ổn định của xe, thậm chí là mất điều khiển

14


CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN TÍNH TỐN

2.1/ Ảnh hưởng của kết cấu ơ tơ khi quay vịng
Khi xe vào quay vịng thì yếu tố động học của xe gồm 3 yếu tố sau: vận tốc của xe, quĩ đạo
chuyển động của xe và yếu tố thứ 3 là gia tốc hướng tâm.
Ta xét mơ hình phẳng của xe như hình bên dưới. Để xét quĩ đạo chuyển động của xe ta sẽ
xét đến yếu tố trọng tâm T( ;

) của xe so với hệ tọa độ mặt đường.

Hệ trục tọa độ xTy là hệ trục tọa độ gắn trên khung xe. Hệ tọa độ

là hệ tọa độ mặt

đường được đưa vào trọng tâm T.
Khi đó phương vectơ vận tốc

hợp với khung xe một góc

Khung xe hợp với mặt đường một góc

là góc chuyển hướng của ơ tơ.

gọi là góc quay khung xe.

Hình 2-1: Mơ hình xác định quĩ đạo tâm xe và vận tốc xe

15


2.1.1/Phương trình vận tốc :
Xét Hình 2-1: Chiếu

lên 2 phương

,

ta được
[2-1]

[2-2]

2.2.2/Tọa độ trong tâm của xe:

[2-3]

[2-4]
Từ đó ta có thể xác định được tọa độ trọng tâm tại một thời điểm nhất định.

2.2.3/Gia tốc hướng tâm của xe:
Gia tốc hướng tâm
định được

xuất hiện khi xe đi vào một quĩ đạo cong. Thơng thường ta có thể xác

như sau:

[2-5]

Trong đó v là vận tốc của xe,

là bán kính quay vịng tức thời, thực tế

và khó đo đạc trong thực tế.
Nên có một cách khác có thể xác định được

.
16

thay đổi liên tục

Từ cơng thức [2-1]; [2-2] ta có
[2-6]
[2-7]
Xét hình [2-2]:

Được các vectơ theo phương

như hình

Hình 2-2: Mơ hình xác định gia tốc hướng tâm của xe

Được các vectơ theo phương

như hình
17


Và theo sơ đồ ta dễ dàng xác định được gia tốc hướng tâm
[2-8]

2.2/Phương trình động lực học của xe khi quay vịng:

Hình 2-3: Mơ hình động lực học của xe khi quay vịng
Xét mơ hình phẳng của xe trên Hình 2-3. Các lực tác dụng lên xe bao gồm:
là lực kéo ở các bánh xe
là lực cản lăn ở các bánh xe
là phản lực bên ở các bánh xe
18

là mômen cản quay của bánh xe
=1, 2, 3, 4 tùy thuộc vào ta kí hiệu.
Tại trọng tâm T của xe cách cầu trước một đoạn a và cách cầu sau một đoạn b. Chiều dài cơ
sở của xe là l = a + b. Tại điểm C cách trọng tâm T một đoạn e có hai lực theo phương x là
(lực cản khơng khí), lực theo phương y là lực gió bên N.
Tại trọng tâm T có các lực tác dụng như sau:
+ Lực quán tính
+ Lực li tâm là

trong đó m là khối lượng tồn bộ xe bao gồm cả người

Khi xe quay vịng sẽ xuất hiện mơmen quán tính xung quanh trục Tz là
bánh xe dẫn hướng là

. Góc quay của

. Kích thước chiều rộng vết lốp của cầu trước là , của cầu sau là

. Xét Hình 2-3 ta có phương trình cân bằng lực và mômen như sau: Đối với trục dọc ô tô
( trục x):

[2-9]
Đối với trục ngang ơ tơ ( trục y):

[2-10]
Phương trình cân bằng mô men đối với trục Tz:

[2-11]

2.3/ Động lực học quay vòng:
19


Ở phần trên khi xét mơ hình phẳng của xe ta đã có được 3 phương trình động lực học

của xe [2-9]; [2-10]; [2-11] khi xe quay vòng.
Mục tiêu của phần này là ta sẽ làm mọi cách để đơn giản được hệ ba phương trình trên, làm
cho quá trình tính tốn về sau sẽ dễ dàng hơn và vì đây cịn là hệ cơ sở để ta có thể tính tốn
các thơng số về sau.
Thay vì xét mơ hình phẳng bây giờ ta chỉ xét mơ hình một vết bánh xe.
Khi đó ta đặt.

Hình 2-4: Mơ hình một vết bánh xe
Ở đây để đơn giản ta bỏ qua lực cản lăn và mô men quay ( mômen đàn hồi) vì thực tế giá trị
của chúng rất nhỏ có thể bỏ qua được. Từ đó ta có hệ phương trình đơn giản hơn.
20


[2-12]
[2-13]
[2-14]
Khi xe vào quay vịng để đảm bảo an tồn, người lái phải cua rất từ từ với góc cua rất nhỏ
tức là

nhỏ và khi càng vào cua thì

càng tăng lên nhưng sự tăng lên là nhỏ có thể xem

= const .

Góc

nhỏ thì góc

;

nhỏ.

;

Như vậy ta tiếp tục thu gọn hệ ba phương trình trên [2-12];[2-13];[2-14] được như sau.
[2-15]
[2-16]
[2-17]
Ở đây

,

là phản lực bên ở cầu trước và cầu sau. Được tính như sau.
[2-18]
[2-19]

Trong đó
,

;

là độ cứng góc lệch bên trung bình của các bánh xe của cầu trước, cầu sau

là góc lệch bên của các bánh xe của cầu trước, cầu sau.

21


Hình 2-5: Sự thay đổi vết tiếp xúc khi vận tốc
Ta cần xác định được giá trị
bên

,

,

để có thể tính được

,

và

. Để xác định được góc lệch

ta xét mơ hình phẳng động học như hình bên dưới.

- Ở bánh xe cầu trước:

[2-20]
- Ở bánh xe cầu sau:

22

[2-21]

Hình 2-6: Mơ hình xác định góc lệch bên
Từ đây ta có thể tính được:

[2-22]

[2-23]
Ở đây trong biểu thức [2-22] lại xuất hiện đại lượng

vòng tài xế sẽ quay vành lái một góc
đứng quay một góc

là góc quay bánh xe. Khi vào quay

khi đó trụ quay đứng sẽ quay một góc

làm cho bánh xe dẫn hướng quay một góc

Khi đó ta có:
23

.

. Trụ quay


[2-24]
Mơmen quay vành lái:
[2-25]

Trong đó

là tỉ số truyền từ trụ đứng đến trụ quay đứng.

Công thức xác định mối quan hệ giữa

và

là

[2-26]
Trong đó:

, ,

là các hệ số phụ thuộc vào kết cấu xe đã có sẵn.

thống lái nếu hệ thống lái có độ cứng cao thì

là độ cứng của hệ

lớn ngược lại nếu độ cứng thấp thì

nhỏ.

: khoảng dịch chuyển trước của đường tâm trụ đứng.
: khoảng dịch chuyển sau của đường tâm phản lực bên.

Từ [2-26]:
Lúc này :

[2-28]

Ta đặt :

24


[2-31]

Chú ý: Ở đây ta đặt

với ý nghĩa như sau. Các thông số

thông số kết cấu của xe nên không thay đổi. Còn
thống lái là một hệ thống đàn hồi vậy
đổi thì cũng làm giảm

dẫn đến

, , là

là độ cứng của hệ thống lái. Trên xe hệ

sẽ thay đổi. Nhưng nhìn vào [2-30] dù

có thay

giảm tức là giảm lực bên tác dụng lên các bánh xe cầu

trước.
Vậy tóm lại ta có các phương trình động lực học [2-15]; [2-16]; [2-17]; [2-23] ;[2-31] như
sau:

2.4/ Động lực học quay vòng đều:
Khi quay vịng đều ơ tơ sẽ chuyển động trên quĩ đạo cong có bán kính R khơng thay đổi (
R = Const). Nếu lực ly tâm tăng lên quá lớn khi quay vịng thì các bánh xe chuyển động ở
giới hạn trượt bên và có thể làm mất quĩ đạo chuyển động.
Trong thực nghiệm khi quay vịng để an tồn xe sẽ chuyển động với v = Const và thay đổi
bán kính R để được các gia tốc hướng tâm khác nhau.
Nếu quay vòng đều với v = const, R = const thì góc chuyển hướng
xe

cũng khơng đổi. Điều đó đồng nghĩa với việc:
25

và vận tốc góc khung