(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu động lực học và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Tên đề tài

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ Ô TÔ

SVTH:

TRẦN THANH SANG

MSSV: 17145350
SVTH:

PHẠM NGUYỄN MINH KHANG

MSSV: 17145307
GVHD: THS. DƯƠNG TUẤN TÙNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021


LỜI CẢM ƠN
Đồ án “Nghiên cứu động lực học và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô”
phản ánh công việc mà chúng em đã thực hiện trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt
nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM. Trước tiên, chúng em muốn gửi
lời cảm ơn đặc biệt đến Giảng viên hướng dẫn ThS. Dương Tuấn Tùng vì đã cung cấp

cho chúng em một đề tài tốt nghiệp vô cùng thú vị và đầy thử thách. Thầy cũng kiên nhẫn
giải thích cho chúng em các khái niệm liên quan đến động lực và phương pháp kiểm soát
cân bằng điện tử, hướng dẫn cho chúng em cách để mơ hình hóa chúng một cách đơn giản
và dễ hiểu nhất. Sự hướng dẫn của Thầy trong suốt quá trình của đồ án là rất quan trọng để
chúng em có được kết quả cuối cùng này.
Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật TP HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em theo học khóa Đại học chun
ngành Cơng nghệ Kỹ thuật ơ tơ và tồn thể q thầy cơ Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật TP HCM đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời
gian học tập tại Trường. Xin cảm ơn quý thầy cơ trong Khoa Cơ Khí Động Lực đã trang bị
những kiến thức hữu ích giúp chúng em có thể làm việc sau này, cũng như đã tạo điều kiện
tốt nhất để chúng em nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp lần này.
Trong quá trình thực hiện đề tài của mình, do điều kiện hạn chế về kiến thức và thời
gian thực hiện có hạn nên khơng tránh được những sai sót, rất mong nhận được sự góp ý
từ quý thầy cô và các bạn để đề tài của chúng em có thể ngày càng hồn thiện hơn.
Một lần nữa chúng em xin cảm ơn tất cả các q thầy cơ, kính chúc q thầy cơ sức
khỏe và luôn thành công trên con đường đào tạo nhân tài của mình.

Nhóm sinh viên thực hiện

vii


TĨM TẮT
Ngành cơng nghiệp ơ tơ ra đời và khơng ngừng phát triển về mọi mặt không chỉ về
kết cấu, kiểu dáng mà cịn về khả năng an tồn tiện nghi của nó. Theo dõi và điều khiển
khả năng ổn định thăng bằng của một chiếc xe là một trong số đó. Năm 1995, cột mốc quan
trọng đánh dấu một hệ thống giám sát ổn định điện tử khơng cịn là lý thuyết với bằng
chứng là 2 chiếc BMW của các kỹ sư người Đức. Sau đó, nhiều hãng xe khác cũng bắt đầu
cho ra các phiên bản an toàn ổn định của riêng họ và không ngừng phát triển chúng đến

ngày nay.
Thật khó để có thể mơ tả hết mọi thứ của hệ thống cân bằng điện tử cũng như khả
năng tuyệt vời mà chúng đem lại. Chúng em đã cố gắng gói gọn chúng trong đề tài “Nghiên
cứu động lực học và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô”. Cụ thể, đề tài sẽ giới
thiệu sơ lược về hệ thống cân bằng điện tử được trang bị trên ơ tơ chở khách, sau đó tập
trung vào hai mảng chính đó là nghiên cứu về động lực học và phương pháp điều khiển hệ
thống, xoáy sâu vào hai hệ thống chính trên ơ tơ: hệ thống phanh và hệ thống lái. Các kết
quả mô phỏng bằng Matlab/Simulink sẽ mang lại cái nhìn trực quan nhất, tuy nhiên đây
chỉ là những mơ phỏng mang tính thực nghiệm, ước lượng có thể chỉ gần giống với thực
tế. Mong đề tài tham khảo này sẽ đóng góp ít nhiều sự hiểu biết của bạn đọc về một hệ
thống an tồn ơ tơ.
Cụ thể nội dung đề tài sẽ được thể hiện qua 6 chương:
-

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

-

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP)

-

Chương 3. LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

-

Chương 4. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP)

-

Chương 5. MƠ HÌNH HĨA ESP VỚI PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK

-

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Chúng em xin ghi nhận mọi ý kiến/đóng góp của q thầy cơ và các bạn đọc. Xin

chân thành cảm ơn!

viii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... vii
TÓM TẮT ........................................................................................................................ viii
MỤC LỤC ..........................................................................................................................ix
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .........................................................xi
DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................................xv
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .................................................1
1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .............................................................................................. 1
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU........................................................................................2
1.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ....................................................................................2
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............................................................................2
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP) .................3
2.1. GIỚI THIỆU ...............................................................................................................3
2.1.1. Khái niệm .............................................................................................................3
2.1.2. Lịch sử phát triển hệ thống ...................................................................................4
2.1.3. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống ESP ...................................................5
2.2. MATLAB/SIMULINK VÀ ỨNG DỤNG ..................................................................5

Chương 3. LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ .................................................7
3.1. CÁC LỰC VÀ MÔ-MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ KHI CHUYỂN ĐỘNG ............7
3.2. ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ KHI PHANH .....................................................................9
3.3. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG LÁI ...........................................11
3.3.1. Động học hệ thống lái .........................................................................................11
3.3.2. Động lực học hệ thống lái...................................................................................15
3.3.3. Quay vòng trung tính, quay vịng thiếu, quay vịng thừa và sự ảnh hưởng của
chúng đến sự ổn định ô tô khi quay vòng ......................................................................18
Chương 4. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP) ......................23
4.1. BA HỆ THỐNG CHỦ LỰC HỖ TRỢ HOẠT ĐỘNG ESP .....................................23
4.1.1. ABS, TCS và EBD ............................................................................................. 23
4.1.2. Sự can thiệp của ESP vào ba hệ thống ABS, TCS và EBD ............................... 24
4.2. CÁC CHỨC NĂNG KHÁC CỦA ESP ....................................................................26
4.3. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ ...............................................27
4.3.1. Hệ thống phanh vi sai .........................................................................................28
4.3.1.1. Mơ hình xe .................................................................................................28
4.3.1.2. Cấu trúc điều khiển ....................................................................................32

ix


4.3.1.3. Vận tốc lệch mong muốn ...........................................................................33
4.3.1.4. Góc trượt ngang mong muốn .....................................................................33
4.3.1.5. Giá trị giới hạn trên của vận tốc lệch và góc trượt mong muốn ................35
4.3.1.6. Thiết kế bộ điều khiển phía trên ................................................................ 36
4.3.1.7. Thiết kế bộ điều khiển phía dưới ............................................................... 39
4.3.2. Hệ thống lái điện tử ............................................................................................ 40
4.3.2.1. Giới thiệu ...................................................................................................40
4.3.2.2. Phân tích và tách các động lực gây nhiễu loạn điều khiển lái ...................41
4.3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển ...............................................................................43

4.3.3. Phân bổ mô-men xoắn dẫn động đến tất cả bánh xe độc lập.............................. 45
4.3.3.1. Hệ thống dẫn động bốn bánh truyền thống ................................................45
4.3.3.2. Chuyển mô-men xoắn giữa bánh trái và bánh phải bằng bộ vi sai ............47
4.3.3.3. Kiểm sốt chủ động việc truyền mơ-men xoắn tới tất cả các bánh xe ......48
4.3.4. Cần phải kiểm sốt cả vận tốc lệch hướng và góc trượt .....................................51
Chương 5. MƠ HÌNH HĨA ESP VỚI PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK ...........53
5.1. THIẾT LẬP SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN ..........................................................................53
5.2. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ..................................................................................61
5.2.1. Trường hợp 1: Xe chuyển động trên đường trơn trượt, với mu = 0,4 vận tốc 50
km/h, góc đánh lái là π rad (180 độ) từ giây số 20 ........................................................61
5.2.2. Trường hợp 2: Xe chuyển động trên đường tốt, với mu = 0,9 vận tốc 50 km/h,
góc đánh lái là π rad (180 độ) từ giây số 20 ..................................................................66
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ...........................................................................72
6.1. KẾT LUẬN ...............................................................................................................72
6.2. ĐỀ NGHỊ...................................................................................................................72
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................73
PHỤ LỤC........................................................................................................................... 76

x


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt hoặc

Giải thích

thuật ngữ

Chương 3. LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
𝐹𝑏𝑚𝑎𝑥

Lực phanh cực đại (tại điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường)

𝐹𝑏𝑓

Lực phanh của các bánh xe phía trước

𝐹𝑏𝑟

Lực phanh của các bánh xe phía sau

𝐹𝜑

Lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

𝑗𝑏

Gia tốc phanh

𝑆𝑏

Quãng đường phanh

𝑡𝑏

Thời gian phanh

𝑍𝑎

Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe

𝜇

Hệ số bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

(ℓ𝑓 , ℓ𝑟 , ℎ𝑔)

Tọa độ trọng tâm của ô tô

Chương 4. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP)
ASR

Anti Slip Regulator – cũng là tên gọi khác của hệ thống chống
trượt trên xe ô tô (TCS)

DSC

Dynamic Stability Control – tên gọi khác của hệ thống cân bằng
điện tử (ESP)

ESC

Electronic Stability Control – cũng là tên gọi khác của hệ thống
cân bằng điện tử (ESP)

TRC

Traction Control system (Hệ thống kiểm soát lực kéo) – tên gọi
khác của hệ thống chống trượt trên xe ô tô (TCS)

𝐹𝑦

Lực ngang lốp

𝐹𝑥

Lực dọc lốp

𝐹𝑦𝑓ℓ

Lực ngang lốp trước bên trái

𝐹𝑦𝑓𝑟

Lực ngang lốp trước bên phải

𝐹𝑦𝑟ℓ

Lực ngang lốp sau bên trái

𝐹𝑦𝑟𝑟

Lực ngang lốp sau bên phải

𝐹𝑥𝑓ℓ

Lực dọc lốp trước bên trái

xi

𝐹𝑥𝑓𝑟

Lực dọc lốp trước bên phải

𝐹𝑥𝑟ℓ

Lực dọc lốp sau bên trái

𝐹𝑥𝑟𝑟

Lực dọc lốp sau bên phải

𝑥̇

Vận tốc dọc tại trọng tâm xe

𝑦̇

Vận tốc ngang tại trọng tâm xe

𝛿

Góc lái

𝛿𝑠𝑠

Giá trị trạng thái ổn định của góc lái khi quay vịng

𝑚

Tổng khối lượng của xe

𝐼𝑧

Mơ-men qn tính lệch của xe

ℓ𝑤

Khoảng cách giữa bánh xe bên trái và bên phải

ℓ𝑓

Khoảng cách dọc từ trọng tâm xe đến lốp trước

ℓ𝑟

Khoảng cách dọc từ trọng tâm xe đến lốp sau

𝐿

Chiều dài cơ sở xe (ℓ𝑓 + ℓ𝑟 )

𝜓̇

Vận tốc lệch hướng của xe

𝛼𝑓

Góc trượt ở lốp trước

𝛼𝑟

Góc trượt ở lốp sau

𝜎𝑥

Tỷ lệ trượt

𝜎𝑓ℓ

Tỷ lệ trượt ở bánh trước bên trái

𝜎𝑓𝑟

Tỷ lệ trượt ở bánh trước bên phải

𝜎𝑟ℓ

Tỷ lệ trượt ở bánh sau bên trái

𝜎𝑟𝑟

Tỷ lệ trượt ở bánh sau bên phải

𝜔𝑤

Tốc tốc độ góc của một bánh xe

𝜔𝑓ℓ

Tốc độ góc của bánh trước bên trái

𝜔𝑓𝑟

Tốc độ góc của bánh trước bên phải

𝜔𝑟ℓ

Tốc độ góc của bánh sau bên trái

𝜔𝑟𝑟

Tốc độ góc của bánh sau bên phải

𝑟𝑒𝑓𝑓

Bán kính lăn của lốp

𝐶𝛼

Độ cứng khi vào cua của lốp

𝐶𝜎

Độ cứng dọc của lốp

𝐹𝑧

Lực thẳng đứng lên lốp

xii


𝜇

Hệ số bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

𝐽𝑤

Mô-men qn tính quay của mỗi bánh xe

𝑇𝑏𝑓ℓ

Mơ-men phanh trên bánh trước bên trái

𝑇𝑏𝑓𝑟

Mô-men phanh trên bánh trước bên phải

𝑇𝑏𝑟ℓ

Mô-men phanh trên bánh sau bên trái

𝑇𝑏𝑟𝑟

Mô-men phanh trên bánh sau bên phải

𝑃𝑏𝑓ℓ

Áp suất phanh trên bánh trước bên trái

𝑃𝑏𝑓𝑟

Áp suất phanh trên bánh trước bên phải

𝑃𝑏𝑟ℓ

Áp suất phanh trên bánh sau bên trái

𝑃𝑏𝑟𝑟

Áp suất phanh trên bánh sau bên phải

𝑃0
𝜓̇𝑑𝑒𝑠
𝜓̇target
𝜓̇upper_bound
𝛽
𝛽des
𝛽target
𝛽upper_bound
𝛿driver

Áp suất phanh tại một bánh xe khi không phanh vi sai
Vận tốc lệch mong muốn của người lái
Vận tốc lệch mong muốn cho hệ thống kiểm soát lệch
Giới hạn trên cho vận tốc lệch mong muốn
Góc trượt của xe
Góc trượt mong muốn của xe

Góc trượt mong muốn cho hệ thống kiểm sốt lệch
Giới hạn trên cho góc trượt mong muốn
Đầu vào góc lái của người lái xe trong hệ thống lái điện tử

𝛿sbw

Đầu vào góc lái của hệ thống kiểm sốt giảm nhiễu

𝑎𝑦𝑃

Gia tốc ngang tại điểm tách P

𝑎𝑥

Gia tốc dọc

𝑎𝑦−𝑐𝑔

Gia tốc ngang tại trọng tâm của phương tiện

ℓ𝑃

Khoảng cách dọc từ trọng tâm xe đến điểm P

𝑇𝑑𝑓ℓ

Mô-men xoắn truyền đến bánh trước bên trái

𝑇𝑑𝑓𝑟

Mô-men xoắn truyền đến bánh trước bên phải

𝑇𝑑𝑟ℓ

Mô-men xoắn truyền đến bánh sau bên trái

𝑇𝑑𝑟𝑟

Mô-men xoắn truyền đến bánh sau bên phải

𝑇𝑑
𝑇clutch

Mô-men xoắn truyền trên bất kỳ trục nào
Mô-men xoắn ly hợp trong một bộ vi sai chủ động

xiii


𝑀𝜓𝑏

Mô-men lệch do phanh vi sai

Δ𝐹𝑥𝑓

Sai lệch lực dọc lốp cầu trước cần thiết để tạo ra mô-men xoắn
mong muốn

𝜂

Hằng số được sử dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển bề mặt
trượt

𝜉

Hằng số được sử dụng để xác định bề mặt trượt cho bộ điều khiển
dựa trên phanh vi sai

𝜌

Tỷ lệ phanh trước-sau

𝜆

Biến được sử dụng trong mơ hình lốp Dugoff

𝑓(𝜆)

Hàm được sử dụng trong mơ hình lốp Dugoff

𝐴𝑤

Diện tích hãm của bánh xe

𝜇𝑏

Hệ số ma sát phanh

𝑅𝑏

Bán kính phanh

𝑞

Hằng số được xác định bởi tỷ số truyền trong vi sai chủ động

xiv


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP)
Hình 2.1. Hệ thống cân bằng điện tử - ESP .........................................................................3
Hình 2.2. Biểu tượng Matlab ...............................................................................................6
Hình 2.3. Biểu tượng Simulink ............................................................................................6
Chương 3. LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ
Hình 3.1. Lực tác động vào bánh xe ....................................................................................8
Hình 3.2. Mơ-men tác động lên ơ tơ ....................................................................................8
Hình 3.3. Ảnh hưởng của lực bám đến vòng tròn ma sát Kamm ........................................9
Hình 3.4. Sơ đồ động học quay vịng của ô tô khi bỏ qua biến dạng ngang .................... 12
Hình 3.5. Sơ đồ động học quay vịng của ơ tơ có hai bánh dẫn hướng phía trước ........... 13
Hình 3.6. Sơ đồ động lực học quay vịng của ơ tơ có hai bánh xe dẫn hướng phía trước
........................................................................................................................................... 16
Hình 3.7. Quỹ đạo chuyển động của xe trong 3 trường hợp quay vịng: Intended Path –
Trung tính, Understeer – Thiếu, Oversteer – Thừa........................................................... 18
Hình 3.8. Sơ đồ chuyển động ơ tơ có tính chất đủ lái ....................................................... 19
Hình 3.9. Sơ đồ chuyển động ơ tơ có tính chất thiếu lái ................................................... 20
Hình 3.10. Sơ đồ chuyển động ơ tơ có tính chất thừa lái .................................................. 21
Chương 4. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP)
Hình 4.1. Đồ thị thể hiện tỷ lệ trượt giữa bánh xe với mặt đường khi có sự can thiệp của

ABS ................................................................................................................................... 23
Hình 4.2. Tốc độ xe và tốc độ bánh xe tương ứng khi phanh với ABS ............................ 24
Hình 4.3. ESP ngăn cản hiện tượng Thiếu lái (A) và Thừa lái (B) bằng ABS ................. 25
Hình 4.4. Mức độ tự do cho kiểu xe đối với hệ thống dựa trên phanh vi sai ................... 28
Hình 4.5. Sơ đồ động lực học thân xe ............................................................................... 29
Hình 4.6. Động học bánh xe ............................................................................................. 30
Hình 4.7. Cấu trúc của hệ thống phanh vi sai ................................................................... 32
Hình 4.8. Hệ thống lái điện tử (steer-by-wire) ................................................................. 40
Hình 4.9. Cấu trúc của hệ thống điều khiển ổn định lái điện tử ....................................... 41
Hình 4.10. Nhiệm vụ đi theo đường dẫn của người lái .................................................... 41

xv


Hình 4.11. Hệ 4 bánh dẫn động (4WD) ............................................................................ 46
Hình 4.12. Ví dụ một trường hợp bộ vi sai truyền mô-men xoắn ly hợp kép sử dụng cho
cầu trước, cầu sau và hộp truyền động.............................................................................. 48
Hình 4.13. Các loại hệ thống kiểm soát ổn định lệch và đặc điểm của chúng trong quá
trình tăng tốc của xe .......................................................................................................... 49
Chương 5. MƠ HÌNH HĨA ESP VỚI PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK
Hình 5.1. Thiết lập sơ đồ khối hệ thống cân bằng điện tử dựa trên phanh vi sai ............. 53
Hình 5.2. Sơ đồ mơ phỏng trong Matlab/Simulink .......................................................... 53
Hình 5.3. Giao diện mơ phỏng xe chạy trên đường thử ................................................... 54
Hình 5.4. Bên trong khối điều khiển ESP ......................................................................... 55
Hình 5.5. Khối tạo góc lái của bánh xe ............................................................................. 55
Hình 5.6. Bên trong Khối tạo góc lái của bánh xe ............................................................ 55
Hình 5.7. Khối tính vận tốc lệch hướng mong muốn ....................................................... 56
Hình 5.8. Bên trong Khối tính vận tốc lệch hướng mong muốn ...................................... 56
Hình 5.9. Khối tính góc trượt ở lốp trước ......................................................................... 56
Hình 5.10. Bên trong Khối tính góc trượt ở lốp trước ...................................................... 57

Hình 5.11. Khối tính góc trượt ở lốp sau .......................................................................... 57
Hình 5.12. Bên trong Khối tính góc trượt ở lốp sau ......................................................... 57
Hình 5.13. Khối tạo tín hiệu phanh ................................................................................... 58
Hình 5.14. Khối tạo áp suất phanh .................................................................................... 58
Hình 5.15. Bên trong Khối tạo áp suất phanh ................................................................... 59
Hình 5.16. Khối phanh ABS ............................................................................................. 60
Hình 5.17. Bên trong Khối phanh ABS ............................................................................ 60
Hình 5.18. Góc trượt ở bánh trước (đường màu đỏ) và bánh sau (đường màu xanh lá) của
xe khơng có ESP (mu = 0,4) ............................................................................................. 62
Hình 5.19. Góc trượt ở bánh trước (đường màu đỏ) và bánh sau (đường màu xanh lá) của
xe có ESP (mu = 0,4) ........................................................................................................ 62
Hình 5.20. Vận tốc lệch (đường màu đỏ) và vận tốc lệch mong muốn (đường màu xanh
dương) của xe khi khơng có ESP (mu = 0,4) .................................................................... 63
Hình 5.21. Vận tốc lệch (đường màu đỏ) và vận tốc lệch mong muốn (đường màu xanh
dương) của xe khi có ESP (mu = 0,4) ............................................................................... 63
Hình 5.22. Quỹ đạo của xe khi khơng có ESP (mu = 0,4)................................................ 64

xvi


Hình 5.23. Quỹ đạo của xe khi có ESP (mu = 0,4)........................................................... 64
Hình 5.24. Quỹ đạo (phóng to) của xe khi khơng có ESP (mu = 0,4) .............................. 65
Hình 5.25. Quỹ đạo (phóng to) của xe khi có ESP (mu = 0,4) ......................................... 65
Hình 5.26. Góc trượt ở bánh trước (đường màu đỏ) và bánh sau (đường màu xanh lá) của
xe khơng có ESP (mu = 0,9) ............................................................................................. 67
Hình 5.27. Góc trượt ở bánh trước (đường màu đỏ) và bánh sau (đường màu xanh lá) của
xe có ESP (mu = 0,9) ........................................................................................................ 67
Hình 5.28. Vận tốc lệch (đường màu đỏ) và vận tốc lệch mong muốn (đường màu xanh
dương) của xe khi khơng có ESP (mu = 0,9) .................................................................... 68
Hình 5.29. Vận tốc lệch (đường màu đỏ) và vận tốc lệch mong muốn (đường màu xanh

dương) của xe khi có ESP (mu = 0,9) ............................................................................... 68
Hình 5.30. Quỹ đạo của xe khi khơng có ESP (mu = 0,9)................................................ 69
Hình 5.31. Quỹ đạo của xe khi có ESP (mu = 0,9)........................................................... 69
Hình 5.32. Quỹ đạo (phóng to) của xe khi khơng có ESP (mu = 0,9) .............................. 70
Hình 5.33. Quỹ đạo (phóng to) của xe khi khơng có ESP (mu = 0,9) .............................. 70

xvii


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngành Công nghệ Kỹ thuật ô tô ngày càng phát triển thu hút nhiều kỹ sư, những

người hiểu biết, học sinh sinh viên khơng chỉ bao gồm tốn học, khoa học mà cịn cả các
khía cạnh tính tốn của động lực học phương tiện. Mong muốn đóng góp nền tảng lý thuyết
về động lực học của xe và cung cấp cơ hội áp dụng các khái niệm lý thuyết đã học để giải
quyết các vấn đề kỹ thuật ô tô trong thế giới thực.
Ngoài đánh giá hiệu suất của xe, nâng cao tính năng động của xe, phải phát triển hiểu
biết về khả năng an tồn ơ tơ để giảm thiểu các tai nạn có thể xảy ra. Các nghiên cứu đánh
giá đã chỉ ra rằng việc trang bị hệ thống cân bằng điện tử ESP trên ô tơ có thể làm giảm
đáng kể các vụ va chạm, tử vong và thương tích nghiêm trọng. Một nghiên cứu của Thụy
Điển vào năm 2003 cho thấy rằng những chiếc xe được trang bị ESP ít có nguy cơ xảy ra
va chạm hơn 22% so với những chiếc khơng có. Số vụ tai nạn trong điều kiện ẩm ướt và
tuyết rơi ít hơn 32% và 38% tương ứng [1]. Tại Nhật Bản, một nghiên cứu đã chỉ ra rằng
sự ổn định điện tử làm giảm sự liên quan đến va chạm từ 30-35% [2]. Tại Đức, một nghiên
cứu chỉ ra mức giảm tương tự trong khi một nghiên cứu khác cho thấy sự cố “mất kiểm
soát” giảm từ 21% xuống 12% [3]. Đó là những lợi ích rất lớn mà ESP mang lại.
Việc nghiên cứu tính năng động lực và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử giúp

chúng ta nắm bắt các kiến thức để đánh giá sự an toàn, khả năng đáp ứng nhu cầu người
lái, khả năng thích nghi của phương tiện trong mọi điều kiện ngoại cảnh. Ngồi ra nó cịn
góp phần vào nguồn tài liệu tham khảo phục vụ nghiên cứu trong quá trình học tập.
Vì những lý do trên nhóm em xin chọn đề tài “Nghiên cứu động lực học và điều
khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô” làm đề tài tốt nghiệp.

1


1.2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

-

Hiểu rõ được khái niệm, cấu tạo và hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử ESP.

-

Phân tích động lực học hệ thống cân bằng điện tử dựa trên phân tích động lực học
hệ thống phanh và hệ thống lái.

-

Nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống ESP dựa trên các sơ đồ và các phương
trình tốn học.

1.3.
-

Xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống ESP bằng công cụ MathWorks.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cân bằng điện tử trang bị phổ biến trên
các xe ô tô chở khách

-

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hai hệ thống chính trên ô tô là hệ thống phanh và
hệ thống lái, cụ thể:
 Hệ thống phanh vi sai
 Hệ thống lái điện tử
 Phân bổ mô-men xoắn độc lập đến từng bánh xe riêng lẻ

1.4.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

-

Phương pháp nghiên cứu tài liệu

-

Phương pháp dịch thuật tài liệu

-

Phương pháp mơ hình hóa và mơ phỏng

2

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP)
2.1.

GIỚI THIỆU

2.1.1. Khái niệm
Như ta đã biết, hầu hết các vụ tai nạn ô tô xảy ra đa số nguyên nhân là do phanh gấp hoặc
chuyển hướng đột ngột. Khi đó, ơ tơ cơ bản khơng thể “tn” theo sự điều khiển của người
lái, gây ra các hiện tượng “văng đầu” hoặc “văng đi” hoặc có thể lật xe. Trường hợp nhẹ
hơn, các bánh xe có thể bị trượt làm lệch hướng chuyển động thẳng của ơ tơ.
Sau đó một số hệ thống hỗ trợ ra đời nhằm cải thiện các hiện tượng trên và làm cho
ô tô ổn định hơn, hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và hệ thống phân phối lực phanh
điện tử (EBD) là 2 ví dụ điển hình.
Tuy nhiên, 2 hệ thống trên chỉ phần nào đáp ứng yêu cầu về sự ổn định. Cụ thể, nó
chỉ giúp ơ tơ giảm thiểu hiện tượng trượt dọc bánh xe khi đang di chuyển trên đường thẳng.
Vậy, nếu xe đang chuyển hướng hay quay vòng mà xe mất ổn định thì sao? Hệ thống cân
bằng điện tử (ESP) ra đời đảm nhiệm vai trị này.

Hình 2.1. Hệ thống cân bằng điện tử - ESP [4]
(Xe màu đen có trang bị hệ thống ESP cịn Xe màu vàng khơng có trang bị hệ thống ESP)

3


(ESP – viết tắt của từ Electronic Stability Program) là hệ thống cân bằng điện tử và
cịn có tên gọi khác là “Electronic Stability Control – ESC”. Hệ thống ESP được thiết lập
và trang bị trên xe ô tô với mục đích giúp xe di chuyển ổn định, cân bằng ngay cả khi đi
thẳng hoặc đang chuyển hướng hoặc đang quay vịng, từ đó đảm bảo tính an tồn khi xe

tham gia giao thơng.
ESP ln ln được kích hoạt trên xe. Nếu chiếc xe di chuyển theo một hướng khác,
ESP sẽ phát hiện một tình huống nguy hiểm và phản ứng ngay lập tức – kể cả khơng có sự
can thiệp của người lái xe. Nó sử dụng hệ thống phanh của xe để trả lại cho xe quỹ đạo của
nó.
ESP khơng chỉ can thiệp ở hệ thống phanh, mà cịn có thể can thiệp vào động cơ của
xe giúp tăng/giảm tốc các bánh xe. Do đó quỹ đạo của xe được đảm bảo, trong giới hạn
của các định luật vật lý.
2.1.2. Lịch sử phát triển hệ thống [4]
Hệ thống cân bằng điện từ xuất hiện lần đầu tiên trên 2 chiếc xe của BMW năm 1995,
đó là 750iL và 850Ci với động cơ trang bị trên xe là 5.4L V12. Hệ thống cân bằng điện tử
này lấy tên là DSC (Dynamic Stability Control) và được sản xuất bởi Bosch - một hãng nổi
tiếng trong lĩnh vực thiết bị cơ khí và điều khiển điện tử của Đức. Hệ thống được trang bị
cảm biến tại các bánh xe với tần số 50 lần mỗi giây.
Một năm sau khi hệ thống cân bằng điện tử ra đời, Mercedes-Benz cũng bắt đầu ứng
dụng cơng nghệ này lên mẫu xe của mình và lấy tên là ESP. Mẫu xe đầu tiên của MercedesBenz lắp đặt hệ thống cân bằng điện tử là S600. Cũng giống như BMW, Mercedes chọn
đối tác cung cấp hệ thống là Bosch và tự mình đưa ra những quy định về những ngưỡng
giá trị tối đa trước khi hệ thống ESP hoạt động. Nhưng một điểm nổi bật hơn trong hệ
thống ESP của Mercedes là khả năng nhanh chóng lấy lại vị trí ổn định của xe sau khi ESP
hoạt động.
Năm 1997, Cadillac công bố hệ thống cân bằng điện tử của mình với cái tên STS
(StabiliTrak stability). Giống như hệ thống của BMW và Mercedes, Cadillac sử dụng 3 vị
trí cảm biến, đó là cảm biến góc lái, cảm biến hướng của xe và cảm biến tốc độ bánh xe.
Năm 1998, Lexus đưa ra cái tên VSC (Vehicle Stability Control) cho hệ thống cân bằng
điện tử của mình. Ngoài việc trang bị các cảm biến như Cadillac hay Mercedes, Lexus lắp
4


thêm cảm biến đo áp suất phanh nhằm phối hợp với hệ thống phân bổ lực phanh EBD, giúp
xe đạt trạng thái ổn định nhất.

2.1.3. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống ESP
Thông thường, một chiếc xe được trang bị hệ thống ESP thì nó cũng sẽ bao gồm các
hệ thống: chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống chống trượt (TCS), hệ thống phân phối
lực phanh điện tử (EBD). Các hệ thống này phối hợp linh hoạt với nhau nhằm đảm bảo sự
ổn định tốt nhất cho chiếc xe khi đi chuyển. Ba hệ thống này sẽ được trình bày rõ hơn trong
các phần phụ phía dưới.
Trong suốt quá trình điều khiển xe, mọi hoạt động đều được cảm biến ghi lại và truyền
về liên tục cho hệ thống điều khiển trung tâm, để so sánh với những chương trình đã tính
tốn từ trước. Nếu đột nhiên có hiện tượng bất thường xảy ra như xe đi lệch quỹ đạo ở tốc
độ cao hay vào cua bị phanh gấp thì ngay lập tức hệ thống ESP sẽ hoạt động theo những
chương trình đã được cài đặt. Lúc này cơ cấu điều khiển thủy lực trong hệ thống sẽ thơng
qua chương trình điện tử can thiệp vào hệ thống chống bó cứng phanh ABS, nhằm điều
chỉnh góc xoay và tốc độ của từng bánh xe sao cho cân bằng với góc trượt qn tính của
xe. Ngồi ra cơ cấu này sẽ tự động giảm công suất tức thời động cơ điều khiển giảm tốc độ
vòng quay tại các bánh đến khi bánh xe đủ độ bám đường cần thiết, đưa xe về vùng làm
việc an toàn. Nhờ vậy mà xe không thể bị lệch hướng đột ngột hay lật xe.
2.2.

MATLAB/SIMULINK VÀ ỨNG DỤNG
MATLAB là phần mềm cung cấp môi trường tính tốn số và lập trình, do cơng ty

MathWorks thiết kế. MATLAB cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay
biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những
chương trình máy tính viết trên nhiều ngơn ngữ lập trình khác.
Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mơ phỏng tính tốn, thực nghiệm nhiều mơ
hình trong thực tế và kỹ thuật.
Một trong những ứng dụng phổ biến của MATLAB là vẽ đồ thị, một tính năng được trau
chuốt trong MATLAB; với rất nhiều kiểu đồ thị khác nhau như biểu đồ dạng đường, biểu
đồ chấm điểm, các lớp màu (patch) hai chiều, đường đồng mức và các đường cong, mặt

5


cong ba chiều. Ngồi ra MatLab cịn cung cấp giao diện để người dùng trực tiếp biên tập
hình vẽ, điền vào các ghi chú theo ý muốn.

Hình 2.2. Biểu tượng Matlab [5]

Simulink là một mơi trường lập trình đồ họa dựa trên MATLAB để mơ hình hóa, mơ
phỏng và phân tích các hệ thống động lực học đa miền. Giao diện chính là một cơng cụ sơ
đồ khối đồ họa và một bộ thư viện khối có thể tùy chỉnh. Cung cấp tích hợp chặt chẽ với
phần cịn lại của mơi trường MATLAB và có thể điều khiển MATLAB hoặc được tập lệnh
từ nó. Simulink được sử dụng rộng rãi trong điều khiển tự động và xử lý tín hiệu kỹ thuật
số để mô phỏng đa miền và thiết kế dựa trên mơ hình.

Hình 2.3. Biểu tượng Simulink [6]

TỔNG KẾT CHƯƠNG 2:
Chương 2 giới thiệu tổng quan về hệ thống cân bằng điện tử ESP. Ra đời từ năm 1995
và không ngừng phát triển cho đến nay với nhiều công nghệ vơ cùng hiện đại. Mục đích
cốt lõi là phải làm sao cho chiếc xe có thể di chuyển ở mọi điều kiện mà vẫn giữ được sự
cân bằng, ổn định. Cũng trong chương này môi trường Matlab/Simulink được giới thiệu,
đây cũng là công cụ mà chúng em sử dụng để thực hiện các mô phỏng liên quan đến hệ
thống cân bằng điện tử.

6


Chương 3. LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Động lực học ô tô giải quyết 2 vấn đề:

Về lực trên ô tô mà lực này là do sự điều khiển của người lái, do hoạt động của ô tô.
Dưới tác dụng của lực đó, ơ tơ sẽ ứng xử như thế nào? chuyển động ra sao? và cuối cùng
là quỹ đạo của nó sẽ như thế nào? Động lực học ơ tơ cũng nghiên cứu tính chất động lực
học hay nghiên cứu sức mạnh của xe (tốc độ cực đại, khả năng leo dốc, gia tốc cực đại, …)
Về khả năng cân bằng, ổn định khi chuyển động. Đây là một vấn đề vơ cùng quan
trọng, bởi vì nó ảnh hưởng đến sự an tồn của khơng chỉ phương tiện giao thơng mà cịn
người tham gia giao thơng. Cho nên, ổn định chuyển động phải được nghiên cứu một cách
cẩn thận để đảm bảo người lái có thể điều khiển ơ tơ tn theo ý muốn của mình, đảm bảo
an tồn giao thơng, khơng gây ra các tai nạn do tình trạng chuyển động ơ tơ sinh ra.
Trong chương này, chủ yếu đề cập đến động lực học của 2 hệ thống mà nó ảnh hưởng rất
lớn đến khả năng cân bằng và ổn định khi chuyển động của ô tô. Đó là hệ thống phanh và
hệ thống lái.
3.1.

CÁC LỰC VÀ MÔ-MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ KHI CHUYỂN ĐỘNG

Khi ơ tơ chuyển động, ngồi trọng lực cịn có những thành phần khác (xem Hình 3.1) tác
dụng vào bánh xe như:
-

Lực kéo (1) (Tractive Force)

-

Áp lực phanh (2) (Brake Pressure) – Lực chống lại lực kéo

-

Lực ngang (3) (Lateral Force) – Lực tạo ra khả năng quay vòng cho ô tô

-

Lực bám mặt đường (4) (Adhesion Force) – Lực bám là kết quả chính của trọng lực,
lực ma sát và một số lực khác.

7


Hình 3.1. Lực tác động vào bánh xe

Bên cạnh các lực tác dụng vào bánh xe, ơ tơ cịn chịu tác động của (Hình 3.2):
-

Mơ-men lệch (trục đứng) (Yaw moment) – Mô-men giúp ô tô chuyển hướng

-

Mô-men bánh xe (các trục ngang bánh xe) (Wheels Moment) – Mô-men giúp cho
ô tơ chuyển động

Và một số lực khác như lực khí động học.

Hình 3.2. Mơ-men tác động lên ơ tơ

Các lực tác dụng lên bánh xe được liệt kê ở trên liên hệ với nhau qua một vòng tròn
được gọi là vòng tròn lực hay vòng tròn Kamm. Bằng cách sử dụng vịng trịn này chúng
ta có thể đánh giá được khả năng bám của lốp xe với mặt đường.
Vòng tròn Kamm có tâm đặt tại điểm tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường (Hình 3.3).
Bán kính của vịng trịn Kamm được định nghĩa bởi lực bám lốp xe, hay nói cách khác bán
kính vịng trịn này sẽ nhỏ đi khi lực bám giữa bánh xe và mặt đường nhỏ và ngược lại bán

kính vịng trịn này sẽ lớn khi lực bám giữa bánh xe và mặt đường lớn.

8


Hình 3.3. Ảnh hưởng của lực bám đến vịng trịn ma sát Kamm

Lực F được tổng hợp từ áp lực phanh FB và lực quay vòng FL (khi phanh), tương tự
ta cũng tổng hợp được lực F’ từ lực kéo FT và lực quay vòng FL (khi tăng tốc). Nếu lực
tổng hợp này làm cho điểm F nằm ngồi vịng trịn ma sát, khi đó ơ tơ sẽ khơng điều khiển
được (mất khả năng lái).
Khi độ lớn của lực tổng hợp giữa áp lực phanh và lực quay vòng vẫn cịn nằm trong
vịng trịn Kamm. Ơ tơ sẽ khơng gặp vấn đề khi thực hiện quay vòng.
Bây giờ, khi tăng áp lực phanh lên, lực quay vòng sẽ giảm dần.
Khi tổng hợp lực giữa áp lực phanh và lực quay vòng bằng với áp lực phanh (F = FB),
bánh xe sẽ bị khóa (bị trượt lết). Ơ tơ sẽ khơng thể thực hiện quay vịng nữa do khơng cịn
lực quay vòng. Trường hợp tương tự xảy ra giữa lực kéo và lực quay vịng. Nếu lực quay
vịng bằng khơng và lực kéo đầu vào được sử dụng hoàn toàn (F’ = FT), lúc đó bánh xe sẽ
quay trơn (bị trượt quay).
3.2.

ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ KHI PHANH

Khi ơ tơ phanh, chỉ tiêu để đánh giá tính động lực của phanh ơ tơ đó là lực phanh, hay nói
chính xác là mơ-men phanh. Ơ tơ có thể kiểm sốt được lực phanh trong suốt thời gian
phanh trên mọi điều kiện mặt đường, khi đó ta nói ơ tơ ổn định khi phanh.
Mô-men phanh luôn tỷ lệ thuận với lực phanh. Do đó, Khi mơ-men phanh tăng thì
lực phanh cũng tăng. Tuy nhiên, lực phanh không được tăng tùy ý mà phải bị giới hạn bởi
điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường, nghĩa là:
𝐹𝑏𝑚𝑎𝑥 = 𝐹𝜇 = 𝑍𝑎 𝜇

(3.1)

9


Với:
𝐹𝑏𝑚𝑎𝑥 là lực phanh cực đại (tại điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường).
𝐹𝜇 là lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường.
𝑍𝑎 phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe.
𝜇 là hệ số bám dọc giữa bánh xe với mặt đường.
Công thức (3.1) cho thấy, khi lực phanh tăng dần đến một lúc nào đó lực phanh cực
đại 𝐹𝑏𝑚𝑎𝑥 bằng với lực bám dọc 𝐹𝜇 . Khi đó, các bánh xe bắt đầu trượt lết. Khi các bánh xe
trượt lết hồn tồn thì lập tức hệ số bám dọc 𝜇 sẽ giảm xuống giá trị 𝜇𝑚𝑖𝑛 làm cho lực
phanh cũng giảm xuống giá trị nhỏ nhất. Lúc này, người lái sẽ khơng cịn điều khiển được
ơ tô theo ý muốn, nếu các bánh xe trước bị trượt lết sẽ làm mất tính dẫn hướng cịn nếu các
bánh xe sau trượt lết sẽ làm mất tính ổn định (dễ dàng bị trượt ngang khi có lực ngang nhỏ
tác dụng).
 Điều kiện đảm bảo phanh tối ưu
Bánh xe trượt lết dẫn đến hiệu quả phanh thấp nhất, tăng độ mòn của lốp, tăng độ trượt dọc
và ảnh hưởng xấu đến tính ổn định ngang của xe. Như vậy, phải làm sao cho quá trình
phanh diễn ra đạt hiệu quả cao nhất (phanh tối ưu)?
Thời gian phanh 𝑡𝑏 , quãng đường phanh 𝑆𝑏 và gia tốc phanh 𝑗𝑏 là ba chỉ tiêu đánh giá
phanh có tối ưu hay khơng. Phanh tối ưu khi thời gian phanh, quãng đường phanh phải
ngắn nhất và gia tốc phanh phải đạt cực đại: 𝑡𝑏 = 𝑡𝑏𝑚𝑖𝑛 , 𝑆𝑏 = 𝑆𝑏𝑚𝑖𝑛 , 𝑗𝑏 = 𝑗𝑏𝑚𝑎𝑥 . Để làm
được điều đó thì lực phanh giữa các bánh xe phía trước 𝐹𝑏𝑓 và phía sau 𝐹𝑏𝑟 phải thõa mãn
điều kiện sau được chứng minh trong cuốn Lý thuyết ơ tơ, 2010, Đặng Q:
𝐹𝑏𝑓
𝐹𝑏𝑟

=

ℓ𝑟 +𝜇ℎ𝑔
ℓ𝑓 −𝜇ℎ𝑔

(3.2)

Trong đó: (𝑎, 𝑏, ℎ𝑔) là tọa độ trọng tâm của ô tơ.
Do trong q trình phanh, tọa độ trọng tâm (ℓ𝑓 , ℓ𝑟 , ℎ𝑔) và hệ số bám dọc 𝜇 luôn thay
đổi cho nên tỷ số

𝐹𝑏𝑓
𝐹𝑏𝑟

luôn thay đổi. Muốn vậy phải thay đổi được mô-men phanh sinh ra

ở các cơ cấu phanh đặt ở các bánh xe cầu trước và cầu sau. Tuy nhiên, hệ thống phanh
thơng thường khó có thể làm được điều này, do khi phanh lực quán tính sẽ làm thay đổi tải
10


trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và sau. Cụ thể, tải trọng tác dụng lên các bánh xe
cầu trước sẽ lớn hơn tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu sau, nghĩa là các bánh xe cầu
sau sẽ mất dần khả năng bám đường. Khi đó, bánh xe cầu sau sẽ bị hãm cứng và trượt lết
hồn tồn, xe có thể bị quay ngang và có khả năng lật đổ nếu có lực ngang nhỏ tác dụng.
Vì thế, để tránh xảy ra hiện tượng này, hiện nay trên nhiều xe đã bố trí bộ điều hịa
lực phanh hoặc bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh. Các cơ cấu này sẽ tự động điều
chỉnh lực phanh ở các bánh xe bằng cách thay đổi quan hệ áp suất dẫn động phanh đến các
cơ cấu phanh ở cầu trước và cầu sau.
3.3.

ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG LÁI

3.3.1. Động học hệ thống lái
Khi quay vòng ô tô, chúng ta sử dụng các biện pháp sau:
-

Sử dụng các bánh xe phía trước để dẫn hướng

-

Sử dụng các bánh xe phía sau để dẫn hướng

-

Sử dụng tất cả các bánh xe dẫn hướng

-

Truyền những mơ-men quay có giá trị khác nhau đến các bánh xe dẫn hướng chủ
động bên phải và trái, đồng thời sử dụng thêm phanh để hãm các bánh xe phía trong
so với tâm quay vịng

Chúng ta xét một ơ tơ hai cầu với cầu trước là cầu dẫn hướng:
Đầu tiên, chúng ta xét động học quay vòng của xe khi bỏ qua biến dạng ngang của
các bánh xe do độ đàn hồi của lốp. Nếu khơng tính đến độ biến dạng ngang của lốp, thì khi
quay vịng véc tơ vận tốc chuyển động của các bánh xe sẽ trùng với mặt phẳng quay (mặt
phẳng đối xứng) của bánh xe.
Trên Hình 3.1 mơ tả động học quay vịng của ơ tơ có hai bánh dẫn hướng ở cầu trước
khi bỏ qua biến dạng ngang của lốp. Ở trên sơ đồ: A, B là vị trí của hai trụ đứng. E là điểm

giữa của AB. 𝛿𝑓𝑟 ; 𝛿𝑓𝑟 là góc quay vịng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so
với tâm quay vịng O. Bởi vậy góc 𝛿 sẽ là đại diện cho góc quay vịng của các bánh xe dẫn
hướng ở cầu trước. Mặt khác AC và BD song song với trục dọc của ô tô.

11


ℓ𝑤

𝛿𝑓𝑙

𝛿𝑓𝑟

𝛿𝑓𝑙
𝛿 𝛿𝑓𝑟

Hình 3.4. Sơ đồ động học quay vịng của ô tô khi bỏ qua biến dạng ngang

Để các bánh xe khơng bị trượt lết thì đường vng góc với vectơ vận tốc ở mỗi bánh
xe, phải gặp nhau tại một điểm, đó là tâm quay vịng tức thời của xe.
Từ sơ đồ Hình 3.4 chúng ta chứng minh được rằng, để các bánh xe dẫn hướng khơng
bị trượt thì liên hệ về góc quay vịng của hai bánh xe dẫn phải thỏa mãn điều kiện:

cot 𝛿𝑓𝑟 − cot 𝛿𝑓𝑙 =

ℓ𝑤
𝐿

(3.3)

Trong đó:
𝛿𝑓𝑙 là góc lái của bánh xe bên trong.
𝛿𝑓𝑟 là góc lái của bánh xe bên ngồi.
ℓ𝑤 là khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng tại vị trí đặt các cam quay của các
bánh xe dẫn hướng.
𝐿 là chiều dài cơ sở của xe.
12


Thực tế thì khơng có cơ cấu lái nào có thể đáp ứng hồn tồn chính xác cơng thức
(3.3), một trong những cơ cấu đáp ứng gần đúng, được sử dụng phổ biến là hình thang lái.
Hình thang lái là một cơ cấu gồm nhiều đòn và nối với nhau bởi các khớp.

ℓ𝑤

𝛿𝑓𝑙

𝛿𝑓𝑟

𝑅

ℓ𝑟
𝛿𝑓𝑙
𝛿
𝑓𝑟
𝛿

𝑅𝑣

Hình 3.5. Sơ đồ động học quay vịng của ơ tơ có hai bánh dẫn hướng phía trước

Trong đó:
𝑅𝑣 là bán kính quay vịng của xe.
𝛿 là góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng.
𝑇 là trọng tâm của xe.
𝑣 là vận tốc chuyển động của tâm cầu sau.
𝑅 là bán kính quay vịng của trọng tâm T.

 là vận tốc góc của xe khi quay vịng quanh điểm O.
 là gia tốc góc của xe khi quay vịng quanh điểm O.
 là góc tạo bởi OT và OF (F là tâm cầu sau).
𝑗ℎ là gia tốc hướng tâm của trọng tâm T.
13