động lực học chuyển động thẳng và quay vòng xe bọc thép bánh lốp nhiều cầu

Mở đầu
Nghiên cứu động lực học chuyển động của xe đợc coi là cơ sở cho
hầu hết các quá trình nghiên cứu tính toán thiết kế, kiểm nghiệm xe.
Một số lớn các công trình nghiên cứu đã khảo sát động lực học
chuyển động của xe ở các quá trình riêng biệt. Tuy nhiên đáp ứng của toàn
xe ở các chế độ quá độ cha đợc đề cập nhiều, cha cho phép khảo sát đợc
nhiều yếu tố ảnh hởng đến quá trình chuyển động của xe.
Ngày nay, sự phát triển các hệ thống điều khiển của xe, việc áp dụng
các hệ cơ - điện tử, đòi hỏi về độ êm dịu và an toàn chuyển động, xây dựng
các hệ mô phỏng lái đặt ra yêu cầu khảo sát động lực học xe phải mang
tính tổng quát hơn. Mô hình khảo sát phải liên kết đợc bài toán chuyển
động thẳng và quay vòng, phải khảo sát đợc các quá trình quá độ, phải xét
đến yếu tố vận tốc thay đổi và quá trình tính toán khảo sát phải tiệm cận đ-
ợc theo thời gian thực.
Bằng việc đa ra các giả thiết tơng ứng, đề tài nghiên cứu đã thiết lập
mô hình động lực học một vết bánh xe để khảo sát cả chuyển động thẳng và
quay vòng (giới hạn trong trờng hợp chuyển động phẳng) của xe có bánh
lốp nhiều cầu. Đối tợng khảo sát cụ thể là xe BTR- 60PB hiện có trong biên
chế của quân đội ta, đó là loại xe bọc thép bánh lốp bốn cầu chủ động có hệ
thống truyền lực cơ khí đơn giản.
Nội dung cơ bản của luận văn gồm ba chơng nh sau:


!"#$%&'()*+',#- .
/&#
0123$%$#4
#()+',# ..
1
Chơng 1
Tổng quan về động lực học
chuyển động thẳng và quay vòng của ôtô.

1.1. Tổng quan về các mô hình động lực học ôtô bánh lốp
Nghiên cứu động lực học xe là khảo sát quan hệ giữa các yếu tố đặc
trng của chuyển động (chuyển vị, vận tốc, gia tốc ) với các yếu tố khối l -
ợng (giá trị, sự phân bố) và các yếu tố lực tác dụng lên xe.
Việc nghiên cứu động lực học xe cho phép ta nắm đợc các qui luật
hoạt động của xe, qui luật ứng xử của các kết cấu của xe dới tác động chủ
động của ngời lái (qua các cơ cấu điều khiển: chân ga, tay lái, chân phanh),
tác động của môi trờng (điều kiện địa hình, tác động của gió ) và những
yếu tố ảnh hởng cơ bản đến quá trình chuyển động của xe làm cơ sở cho
hầu hết các quá trình nghiên cứu tính toán thiết kế, kiểm nghiệm.
Trong những giai đoạn phát triển đầu tiên của ngành công nghiệp
ôtô, ngời ta tiến hành nghiên cứu chủ yếu trên các mô hình phẳng do điều
kiện và khả năng tính toán. Hiện nay, trên thế giới việc nghiên cứu động lực
học ôtô nói chung và động lực học mô hình phẳng ôtô nói riêng đã có
những kết quả to lớn. Song đây là vấn đề thuộc sở hữu bản quyền của các
hãng chế tạo ôtô nên cha đợc công bố rộng rãi hoặc không đầy đủ.
ở Việt Nam, việc nghiên cứu khảo sát động lực học ôtô đợc chú ý
quan tâm từ lâu, có nhiều tài liệu, giáo trình đợc dịch, biên soạn phục vụ
cho công tác giảng dạy và nghiên cứu lý thuyết tính toán xe.
Qua đó ta thấy trong nghiên cứu lý thuyết động lực học chuyển động
của ôtô có thể tách thành ba hớng chính gồm :
<1>. Lý thuyết chuyển động thẳng .
<2>. Lý thuyết chuyển động quay vòng và ổn định chuyển động
2
<3>. Lý thuyết dao động và độ êm dịu chuyển động của ôtô.
Nghiên cứu động lực học chuyển động của ôtô một cách tổng quát
nhất phải tiến hành trên mô hình không gian. Nếu xem ôtô nh một vật rắn
chuyển động trong hệ toạ độ không gian ba chiều cố định OXYZ thì
chuyển vị của trọng tâm ôtô đợc xem xét bởi sáu thành phần, gồm chuyển
vị dọc theo 3 trục và quay quanh 3 trục. Tuỳ theo mục đích nghiên cứu mà

có thể xem xét các chuyển vị này là đồng thời hay độc lập đối với nhau. Mô
hình không gian đơn giản khảo sát động lực học ôtô có sơ đồ nh hình 1.1 .
Thực tế trong nghiên cứu động lực học chuyển động của ôtô, đơn
giản hơn cả là dùng mô hình phẳng. Bằng việc đa ra các giả thiết tơng ứng,
các hớng nghiên cứu trên phần lớn đã thành lập các mô hình động lực học
phẳng để tính toán, khảo sát. Trong đó, những nội dung cơ bản khi xây
3
5%6%7 78&9'
dựng các mô hình phẳng khảo sát động lực học chuyển động thẳng và quay
vòng của ôtô có thể đợc trình bày tóm tắt nh trong phần 1.1.1 và 1.1.2 .
1.1.1. Mô hình phẳng động lực học chuyển động thẳng của ôtô:
:;$%#
Theo [4], bằng việc đa ra các giả thiết tơng ứng, đã thành lập mô hình
phẳng động lực học chuyển động thẳng của ôtô có sơ đồ ngoại lực và mô
men ngoại lực tác dụng lên ôtô nh hình 1.2 .
Trong đó : G - Trọng lợng ôtô;
P
mk
- Lực cản kéo moóc;
P
w
- Lực cản không khí ;
P
i
- Lực cản lên dốc ;
P
f
- Lực cản lăn ;
M
f1

, M
f2
- Mômen cản lăn ;
P
j
- Lực quán tính ;
R
1
, R
2
- Phản lực pháp tuyến của đờng ;
P
k
- Lực kéo tiếp tuyến (phản lực tiếp tuyến của đờng );
4
5%:;$%#78&9'
Sơ đồ khảo sát đặt trong hệ trục toạ độ XOZ, trục OX song song với
mặt đờng, trục OZ vuông góc với mặt đờng và đi qua trọng tâm của xe.
Trong đó xem ôtô là một hình phẳng có khối lợng và chịu các lực tác
dụng tại từng thời điểm. Từ đó xây dựng đợc phơng trình động lực học
chuyển động thẳng của ôtô, thiết lập đợc mối quan hệ giữa các nội lực và
ngoại lực tác dụng lên ôtô, xác định đợc giá trị của các lực cha biết khi cho
trớc những số liệu cần thiết.
+"##/%2+<7=&
Chiếu các lực lên trục OX ta đợc phơng trình cân bằng lực kéo :
P
k
= P
f

P
i


P
j
+ P
w
+ P
mkx
(1.1)
Nh vậy ở đây, tính toán động lực học của ôtô trong trờng hợp chuyển
động thẳng thực chất là bài toán giải phơng trình cân bằng lực kéo trong
điều kiện đờng cụ thể, với một xe cụ thể, để xác định đợc lực kéo của xe
trong những điều kiện chuyển động đó. Phơng pháp xác định lực kéo theo
động cơ ở từng tay số hiện nay thờng hay áp dụng là sử dụng đờng đặc tính
ngoài của động cơ làm cơ sở cho quá trình tính toán. Từ đó ta thu đợc đặc
tính kéo và đặc tính động lực học của ôtô ở từng tay số, thông qua đó xác
định các tính năng tăng tốc của xe.
Việc xác định các đặc tính tăng tốc (đồ thị thời gian tăng tốc và
quãng đờng tăng tốc) của xe không giải đợc bằng phơng pháp giải tích vì
không tìm đợc quan hệ giải tích chính xác giữa gia tốc j với vận tốc v cũng
nh giữa vận tốc v và thời gian tăng tốc t.
Tuy nhiên ta có thể giải bằng phơng pháp đồ thị trên cơ sở đồ thị gia
tốc ngợc xây dựng từ đặc tính động lực học theo công thức biểu diễn mối
quan hệ giữa nhân tố động lực học với các thông số đặc trng cho lực cản
chuyển động của ôtô.
Phơng pháp tính toán nh trên cho phép ta thu đợc một số kết quả và
tồn tại những hạn chế nh sau :

5
c. '7!8>&'!
- Xác định đợc vận tốc lớn nhất của xe V
imax
có thể đạt đợc ở từng tay số.
- Xác định đợc vận tốc lớn nhất của xe V
max
với điều kiện đờng cho trớc.
- Xác định đợc lực cản lớn nhất xe có thể khắc phục khi chuyển động với
vận tốc cho trớc.Đánh giá đợc khả năng kéo moóc và vợt dốc của xe.
- Xác định đợc đặc tính tăng tốc của xe.
Thông qua đặc tính kéo của xe ta xác định đợc những thông số cơ
bản của động cơ và hệ thống truyền lực đảm bảo cho xe có thể chuyển động
với vận tốc lớn nhất trên đờng tốt và có thể chuyển động trên các loại đờng
có hệ số cản lớn. Với phơng pháp tính này, có hai dạng tính toán sức kéo
của xe đó là : tính toán kéo thiết kế và tính toán kéo kiểm nghiệm.
35?!##'#>&'
- Các phơng trình tính toán dựa trên cơ sở các thông số đầu vào là đặc tính
ngoài của động cơ, trong thực tế xe ít khi làm việc ở chế độ toàn tải.
- Khi tính toán, quá trình thay đổi các thông số động lực học trong các cơ
cấu ma sát cha đợc mô tả đến.
- Không mô tả đợc các chế độ chuyển động với điều kiện vị trí bớm ga thay
đổi một cách liên tục dới tác động điều khiển của ngời lái.
- Không đa đợc các yếu tố điều khiển vào mô hình.
- Không mô tả đợc sự ảnh hởng của các thông số đầu ra đến các thông số
đầu vào (không có khâu phản hồi).
Ta cần phải xây dựng một phơng pháp tính mới, khắc phục đợc các
hạn chế trong mô hình, mô tả một cách chính xác hơn quá trình chuyển
động của xe. Vì thế cần phải đa vào mô hình một số các yếu tố sau :
- Sử dụng đợc các đặc tính cục bộ của động cơ làm thông số đầu vào

cho các quá trình tính toán. Tức là phải mô tả đợc chế độ làm việc của động
cơ ở mọi vị trí của bớm ga.
- Mô tả đợc các chế độ làm việc của li hợp.
6
- Đa đợc các yếu tố điều khiển vào mô hình tính toán.
1.1.2. Mô hình phẳng động lực học chuyển động quay vòng của ôtô:
:;$%#
Khảo sát chuyển động quay vòng của ôtô một cách đơn giản hay đợc
sử dụng là mô hình phẳng một vết bánh xe. Trong [4] đã trình bày mô hình
khảo sát chuyển động quay vòng của xe nhiều cầu đơn giản nhất là xe ba
cầu và có thể áp dụng với xe có số lợng cầu bất kỳ. Sơ đồ của mô hình này
đợc trình bày trên hình 1.3 và phải chấp nhận các giả thiết sau đây :
*Các giả thiết xây dựng mô hình phẳng chuyển động quay vòng của ôtô nhiều cầu:
- Chỉ khảo sát trờng hợp ôtô quay vòng đều (bán kính quay vòng R=const,
vận tốc góc quay vòng = const).
7
- Ôtô đợc khảo sát trong hệ trục toạ độ XO'Y, trong đó O' là tâm trục cân
bằng của các bánh xe cầu giữa và cầu sau, trục O'X là trục dọc xe và trục
O'Y vuông góc với trục O'X.
- Chỉ xét khi ôtô quay vòng trên đờng bằng, lực cản lên dốc P
i
= 0.
- Mỗi cặp bánh xe của một cầu đợc thay thế bằng một bánh xe với góc quay
vòng và góc lệch bên tơng đơng đợc tính nh sau :

( )

+=
2
1

i
(1.2)

( )
'''
2
1
bbi

+=
(1.3)
Trong đó :
i
,
i
- góc quay vòng và góc lệch bên tơng đơng ở cầu thứ i;
, ,
'
b
,
''
b
- góc quay vòng và góc lệch bên của bánh xe phía
ngoài và phía trong. Cầu trớc là cầu dẫn hớng nên
i
=
1
= ; các cầu giữa
và cầu sau không dẫn hớng nên
2

=
3
= 0 ;
8
5%0:;$%#78&9'
Trên bánh xe và trên ôtô có các lực và mômen tác dụng nh sau :
- Mômen cản quay vòng của bánh xe theo [4] có giá trị :

4

.2
0
'
'
ii
cici
lG
MM

==
(1.4)
Trong đó :
'
là hệ số ma sát giữa bánh xe với đờng;
l
0i
là chiều dài vết tiếp xúc của bánh xe với đờng;
G
i
là tải trọng phân bố lên cầu thứ i.

- Các phản lực tiếp tuyến P
i
và các phản lực ngang Y
i
.
- Các ngoại lực tác dụng lên ôtô là lực cản kéo moóc, lực cản không khí, lực
li tâm. Hợp lực của các lực cản này đặt tại điểm có toạ độ l
0
và phân tích
thành hai thành phần P
x
và P
y
.
+@/%'
Từ sơ đồ trên hình 1.3 tiến hành xây dựng hệ phơng trình quay vòng
của ôtô. Ta có thể xây dựng đợc 3 phơng trình tĩnh học về cân bằng mômen
và cân bằng lực :


Trong hệ 3 phơng trình trên có n phản lực P
i
và n phản lực Y
i
cha
biết. Nghĩa là có 2n ẩn số trong khi đó chỉ có 3 phơng trình và bài toán cha
thể giải đợc. Ta phải xây dựng thêm các phơng trình khác.
- Xây dựng phơng trình đàn hồi ngang của lốp :

i

=k
bi
. Y
i
9



= =
= =
= = =
=
=+
+=+
n
i
n
i
xiiii
n
i
n
i
yiiii
n
i
n
i
n
i

ciyiiiiii
PYP
PYP
MlPlYlP
1 1
1 1
1 1 1
0
sin.cos.
cos.sin.
cos sin.



(1.5)
(1.6)
(1.7)
Trong đó k
bi
là hệ số đàn hồi ngang của lốp thứ i, k
bi
có thể đợc tính theo
công thức của A.Đôlmatôpski.
- Xây dựng các phơng trình về mối quan hệ hình học :
l
i
- x
q
= R. tg(
i

-
i
) (1.8)
Hệ phơng trình (1.8) có n phơng trình.
Tất cả các phơng trình đợc thành lập ở trên vẫn cha đủ để giải bài
toán quay vòng. Cần phải thành lập thêm các phơng trình về mối quan hệ
động học. Từ sơ đồ hình 1.3 có thể xây dựng đợc các phơng trình về mối
quan hệ động học nh sau :
( )
i
i
iii
i
lii
i
ki
i
Pr
rv
v






cos

cos
.

cos
'
0
'
===
Trong đó :
i
- vận tốc góc trung bình của các bánh xe phía trong và
phía ngoài của cầu thứ i;
r
li
, r
0i
- bán kính lăn và bán kính tự do của bánh xe cầu thứ i;

i
'
.P
i
- thành phần kể đến sự biến dạng tiếp tuyến của bánh xe cầu thứ i;
Theo [4], tính gần đúng sẽ có :
R. =v = (r
0i
.cos
i
+ r
0i
. k
bi
.Y

i
.sin
i
-
i
'
. P
i
.cos
i
).
i
(1.9)
(v - vận tốc chuyển động tịnh tiến của ôtô).
'7!8>&'!
Tiến hành giải hệ phơng trình quay vòng từ (1.5) đến (1.9) ta sẽ xác
định đợc các thông số sau :
- Xác định đợc các phản lực P
i
. Khi biết các phản lực P
i
có thể tính đợc
công suất cần thiết khi ôtô quay vòng và điều kiện bám của nó.
- Xác định đợc các phản lực Y
i
. Các phản lực này đợc sử dụng để xác định
điều kiện quay vòng không trợt bên của các bánh xe.
- Xác định đợc bán kính quay vòng R và khoảng cách x
q
, là hai thông số

động học quay vòng cho phép đánh giá khả năng quay vòng ngoặt của ôtô.
10
Nếu quá trình quay vòng của ôtô xẩy ra rất chậm (vận tốc của xe khi
quay vòng rất nhỏ, xấp xỉ bằng không) thì lực ly tâm có thể bỏ qua. Khi ôtô
quay vòng với vận tốc lớn, lực ly tâm không thể bỏ qua đợc mà nó phải đợc
tính đến trong lực tổng hợp P
y
. Nhng lực ly tâm lại phụ thuộc vào bán kính
quay vòng mà bán kính quay vòng lại là thông số phải tìm. Vì vậy để giải
bài toán quay vòng động của ôtô thì hệ phơng trình trên còn thiếu một ph-
ơng trình. Khi giải bài toán quay vòng động phải thừa nhận thêm một số
giả thiết sau :
- Lực ly tâm là thông số cha biết;
- Phản lực ngang của bánh xe cầu trớc hoặc cầu sau là thông số đã biết và
bằng lực bám ngang : Y
max
=
'
. G
i

Nh vậy khảo sát trờng hợp quay vòng động của ôtô tiến hành khi các
bánh xe cầu trớc hoặc cầu sau ở giới hạn trợt bên. Giải bài toán quay vòng
động của ôtô sẽ xác định đợc lực ly tâm, các phản lực của đờng, bán kính
quay vòng và từ đó xác định đợc vận tốc chuyển động của ôtô ở giới hạn tr-
ợt bên.
35?!##'#>&'
Phơng pháp và mô hình tính toán quay vòng trên ngoài những hạn
chế nh đã nêu trong phần chuyển động thẳng còn có một số hạn chế sau :
-Chỉ nghiên cứu đợc chế độ quay vòng đều, chế độ cân bằng khi các bánh

xe ở giới hạn trợt bên.
-Không mô tả đợc sự biến thiên của vận tốc, vận tốc góc quay vòng theo
bán kính quay vòng.
-Không xác định đợc gia tốc và vận tốc của xe trong một thời điểm bất kỳ.
-Không xác định đợc quỹ đạo chuyển động của xe.
1.2. Khái quát về mô phỏng động lực học ôtô
11
1.2.1. Một số mô hình mô phỏng ứng dụng nghiên cứu động lực học ôtô
Hiện nay có nhiều định nghĩa về mô phỏng, trong lĩnh vực kỹ thuật
có thể hiểu mô phỏng là sự nghiên cứu hệ thống thực thông qua mô hình
trạng thái, đảm bảo tính tơng tự giữa kết quả khảo sát trên mô hình và kết
quả của hệ thống thực trong cùng một điều kiện khảo sát với một sai số có
thể chấp nhận đợc.
Mô phỏng gắn liền lý thuyết với thực nghiệm và có ý nghĩa rất lớn
trong quá trình nghiên cứu thiết kế. Nó giúp để giảm bớt các thí nghiệm,
thử nghiệm thực tế, giảm thời gian và chi phí nghiên cứu.
Ngày nay công nghệ mô phỏng cho phép nghiên cứu đồng thời các
hệ thống nhằm khảo sát chất lợng động lực học, ngoài ra còn thấy đợc sự
ảnh hởng lẫn nhau của các hệ thống, có thể tính toán với một số lợng lớn
các cụm, hệ thống khác nhau để tìm ra kết cấu tối u. Trong đó có thể chỉ
cần các tham số đầu vào là các chỉ tiêu về động lực học, qua một mô đun
mô phỏng có thể thu đợc đến chi tiết chế tạo. Trên hình 1.4 là sơ đồ mô hình
mô phỏng tổng hợp.
Tuỳ theo mức
độ mô phỏng có thể
có các mô hình mô
phỏng sau :
- Mô phỏng Man
intheLoop
(MIL):

Bản chất của quá
trình mô phỏng này
là mô phỏng môi tr-
ờng khảo sát còn con ngời trong mô hình là thực. Thiết bị sử dụng quá trình
12
5%A:;$%$#4B#
mô phỏng này có thể là ca bin tập lái, thiết bị tập lái máy bay cho phi
công với mục đích huấn luyện hoặc khảo sát an toàn.
- Mô phỏng HardwareintheLoop (HIL):
Quá trình mô phỏng này thờng dùng để khảo sát, nghiên cứu cải tiến
các cụm trên xe.Ví dụ điển hình cho loại mô phỏng này là để khảo sát thiết
kế hệ thống treo tích cực trên xe. Để thiết kế hệ thống treo tích cực
cho loại xe cha có hệ thống treo này, ngời ta lắp một bộ treo thử nghiệm lên
xe thực và mô phỏng. Nh vậy toàn bộ phần xe là thực, phần động lực học
của xe đợc mô phỏng.
- Mô phỏng SoftwareintheLoop :
Trong mô phỏng HIL, nếu toàn bộ xe và cụm treo mới cũng đợc mô
phỏng ta sẽ có mô hình SoftwareintheLoop. Điều này đòi hỏi khối l-
ợng thực nghiệm khá lớn. Đáp ứng của hệ thống là theo thời gian thực.
Trong ba loại hình mô phỏng trên, trung tâm là khâu động lực học
của xe. Kết quả của mô phỏng là các đáp ứng động lực học, đáp ứng tần số
theo miền thời gian dùng để nghiên cứu phát triển các hệ thống. ở những n-
ớc công nghiệp phát triển, ngời ta sử dụng nhiều phần mềm khác nhau để
mô phỏng, sau đó tích hợp lại trong mô hình chung. Ví dụ sử dụng Matlab-
Simulink mô phỏng động lực học của xe, sử dụng mô hình cơ hệ nhiều vật
đối với thân xe để khảo sát mô hình xe chung.
1.2.2. Giới thiệu về phần mềm Matlab và ứng dụng trong mô phỏng
động lực học xe
:B#.$$6+
Matlab là một chơng trình viết cho máy tính cá nhân của hãng

MathWorks nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học kỹ thuật với các phần
tử cơ bản là ma trận. Thuật ngữ Matlab là do hai từ Matrix và Laboratory
ghép lại. Chơng trình này hiện đang sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kỹ
13
thuật nh : điều khiển tự động, thống kê xác suất, xử lý số các tín hiệu, phân
tích dữ liệu, dự báo quan sát Matlab đ ợc điều khiển bởi các tập lệnh, cho
phép lập trình với cú pháp thông dịch lệnh thông qua các file kịch bản còn
gọi là Script file. Các lệnh hay bộ lệnh của Malab ngày càng đợc phát triển
mở rộng nhờ các TOOLS BOX ( là các th viện trợ giúp) hay thông qua các
hàm ứng dụng đợc xây dựng từ ngời sử dụng. Phiên bản Matlab 7.2 đã có
tới hơn 35 TOOLS BOX để trợ giúp cho việc khảo sát những lĩnh vực có
liên quan. Simulink là phần mở rộng của Matlab, sử dụng để mô phỏng các
hệ thống động một cách nhanh chóng và thuận tiện.
+%$ : $ 7-: $C/ ) )/&6+
* Giới thiệu về Simulink:
Simulink là một TOOLS BOX của Matlab dùng để mô hình hoá, mô
phỏng và phân tích các hệ thống động. Simulink cho phép mô tả hệ thống
tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục và gián
đoạn. Simulink cung cấp một giao diện đồ hoạ rất dễ sử dụng để xây dựng
và khảo sát mô hình một cách trực quan hơn. Đây là sự khác biệt với các
phần mềm khác mà ngời sử dụng phải đa vào các phơng trình vi phân và sai
phân bằng ngôn ngữ lập trình. Simulink làm việc dựa trên cơ sở giải các ph-
ơng trình toán học. Vì vậy với một hệ thống có nhiều cụm có các tính chất
vật lý khác nhau (cơ khí, thuỷ lực, điện, khí ) nếu có thể mô tả bằng các
phơng trình toán học đều đợc giải kết hợp trong cùng một mô hình.
ôtô hiện đại thờng kết hợp các hệ cơ khí, thuỷ lực, điện tử với nhau
chứ không còn đơn thuần cơ khí nh trớc kia nên việc khảo sát gặp nhiều
khó khăn. Việc sử dụng Simulink cho phép kết hợp khảo sát các hệ thống
khác nhau về phơng diện vật lý nhng biểu diễn đợc bằng các phơng trình
toán học trong cùng một mô hình, cho phép khảo sát hệ thống trong miền

thời gian, kết hợp với các thông số thực nghiệm ta có thể xây dựng đợc các
14
lớp trạng thái nhằm mục đích khảo sát đáp ứng của hệ thống theo thời gian.
Điều này nhằm mục đích chuyển mô hình mô phỏng Hardwareinthe
Loop sang SoftwareintheLoop nh trên đã trình bày. Với phân tích nh
trên ta có thể chọn công cụ để mô phỏng là Simulink kết hợp với các công cụ
khác trong Matlab để mô phỏng động lực học xe.
DE F G: $C/ ) )
SimDriveline là một TOOLS BOX của Matlab (từ các phiên bản 7.0
trở đi) dùng để mô hình hoá và mô phỏng các quá trình làm việc của những
hệ thống truyền lực dới dạng các sơ đồ khối, dựa trên cơ sở lý thuyết dòng
lực. SimDriveline bao gồm th viện các khối chức năng cùng với những đặc
tính mô phỏng riêng biệt cho phép kết nối và làm việc trong môi trờng của
Simulink thông qua các đặc biệt.
Với SimDriveline ta có thể xây dựng mô hình các hệ thống truyền lực
thành phần trong một khối sau đó ghép các khối lại với nhau để tạo nên một
hệ thống truyền lực phức tạp với số lợng các phần tử trong hệ thống là tuỳ
ý. Để thực hiện việc này SimDriveline cung cấp cho ngời dùng th viện các
khối chức năng nh các khối động cơ, ly hợp, khớp nối, bộ biến mô men,
hộp số, vi sai, trục truyền, cho phép xây dựng các mô hình hệ thống
truyền lực rất trực quan. Qua đó cho phép phân tích quá trình làm việc của
hệ thống, khảo sát sự thay đổi của các thông số động lực học một cách
thuận tiện, đặc biệt là với các hệ thống truyền lực xe.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
1.3.1. Đặc điểm phơng pháp tính toán động lực học chuyển động ôtô
Tìm hiểu sơ bộ trong nớc, ta thấy các phơng pháp tính toán động lực
học chuyển động của ôtô có một số đặc điểm chính nh sau :
15
DH$I> JK : Mục đích nghiên cứu thờng là tính toán thiết
kế, kiểm nghiệm và cải tiến xe theo các yêu cầu về tính năng kỹ thuật,

chiến thuật và tính tiện nghi.
D@#'# JK: Nghiên cứu bằng cách tách rời các quá trình chuyển
động của xe, nghiên cứu chuyển động của xe ở những trạng thái dừng đặc trng. Th-
ờng tách riêng nghiên cứu động lực học chuyển động thẳng với nghiên cứu
động lực học quay vòng và dao động của xe
DL 7 G>&': Thờng lựa chọn theo các giá trị giới hạn về khả năng
động lực học và giới hạn bền. Ví dụ, tính toán động lực học chuyển động
thẳng của xe với giả thiết động cơ làm việc theo đặc tính ngoài; tính toán
động lực học quay vòng của xe tập trung ở chế độ quay vòng chậm, góc
vành tay lái lớn; tính toán dao động của xe quan tâm chủ yếu tới đáp ứng
của xe trong vùng cộng hởng,
*Qua đó có thể rút ra một số nhận xét :
- Trong một số lớn các công trình nghiên cứu đã nhận đợc lời giải bằng giải
tích cũng nh các công thức đơn giản để khảo sát động lực học các quá trình
riêng biệt, đáp ứng của toàn xe ở các chế độ quá độ trung gian cha đợc đề
cập nhiều.
- Cha có một mô hình khảo sát động lực học tổng quát cho phép khảo sát
tác động qua lại giữa các khâu, cơ cấu, giữa hệ thống với môi trờng cũng
nh những yếu tố ảnh hởng đến quá trình hoạt động của xe.
1.3.2. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, do sự phát triển của các hệ thống điều khiển của xe, việc
áp dụng các hệ cơ - điện tử, những đòi hỏi về độ êm dịu và an toàn chuyển
động cho xe, xây dựng các hệ thống mô phỏng lái nên yêu cầu đặt ra khi
xây dựng mô hình khảo sát động lực học xe phải ngày càng tổng quát hơn.
Mô hình khảo sát động lực học xe đơn giản chỉ gồm các chuyển động
16
thẳng, ngang hoặc thẳng đứng không còn phù hợp nữa. Do tính chất phi
tuyến của nhiều phần tử (lốp, hệ thống treo ) nên mô hình tuyến tính
không còn chính xác. Đồng thời, tính chính xác cũng nh yêu cầu về thời
gian xử lý của quá trình đo đạc điều khiển đòi hỏi phải xây dựng và phát

triển những mô hình tính toán cũng nh phơng pháp tính toán động lực học
xe ôtô phải đáp ứng đợc các yêu cầu chính sau :
- Mô hình động lực học xe phải mang tính tổng quát.
- Khảo sát đợc các quá trình, chế độ quá độ (đặc tính kéo, phanh )
- Liên kết giữa các bài toán chuyển động thẳng, quay vòng, phanh
- Xét đến yếu tố vận tốc thay đổi.
Việc đánh giá các thông số động lực học của xe trong quá trình
chuyển động thẳng và quay vòng theo phơng pháp tính toán truyền thống
cha thực sự mô tả đợc các quá trình hoạt động thực tế của xe. Để khắc phục
các hạn chế nêu trên, cần thiết phải xây dựng một mô hình thống nhất khảo
sát cả chuyển động thẳng và quay vòng tơng ứng với một phơng pháp tính
toán mới nh đã nêu trong phần chuyển động thẳng (đa đặc tính cục bộ của
động cơ làm thông số đầu vào, mô tả đợc các chế độ làm việc của ly hợp, đa
đợc các yếu tố điều khiển vào mô hình), vì thực chất chuyển động thẳng chỉ
là một trờng hợp đặc biệt của chuyển động quay vòng. Phơng pháp tính
toán cần xây dựng phải mô tả đợc các ứng xử của xe với các đáp ứng đầu
vào thay đổi liên tục.
Do điều kiện và khả năng có hạn, trong phạm vi luận văn này chỉ
tiến hành khảo sát động lực học chuyển động thẳng và quay vòng của xe có
bánh lốp nhiều cầu trên một mô hình thống nhất chung coi ôtô nh một vật
rắn chuyển động song phẳng trên mặt phẳng đờng và khảo sát chuyển động
của trọng tâm của xe. Thiết lập mô hình toán học gồm hệ các phơng trình vi
phân và áp dụng phơng pháp tính toán mô phỏng bằng phần mềm Matlab -
Simulink. để mô phỏng trên máy tính. Quá trình lập mô hình mô phỏng
17
động lực học áp dụng khảo sát cho xe bọc thép bánh lốp nhiều cầu BTR-
60PB hiện đang đợc biên chế nhiều trong quân đội ta.
Chơng 2
thiết lập mô hình toán học
của xe có bánh lốp, nhiều cầu

trong chuyển động phẳng
2.1. Xây dựng mô hình toán học khảo sát động lực học chuyển
động thẳng và quay vòng của xe có bánh lốp, nhiều cầu
2.1.1. Thiết lập sơ đồ mô hình chuyển động phẳng của xe
Mô hình hoá các đối tợng nghiên cứu là một phơng pháp nghiên cứu
khoa học có ý nghĩa rất rộng. Các mô hình với t cách là sản phẩm của quá
18
trình mô hình hóa có chức năng chung là công cụ để nhận thức và nghiên
cứu các đối tợng trong thực tế. Tuy nhiên, tuỳ theo từng mục đích nghiên
cứu khác nhau sẽ dẫn đến các mô hình khác nhau.
Trong mô hình toán học bản chất vật lý của quá trình thực không đợc
thay thế bằng quá trình vật lý tơng đơng mà đợc thay thế bằng các quan hệ
toán học biểu diễn bởi các hệ phơng trình toán học với các giả thiết phù hợp
làm đơn giản hoá quá trình tính toán. Các mô hình toán học đợc xuất phát
từ thực tiễn và ngời nghiên cứu có nhiệm vụ quan sát thực tiễn để xây dựng
đợc mô hình phù hợp nhất. Các mô hình toán, trong nhiều trờng hợp lại chỉ
có thể mô tả tốt bài toán đặt ra nhng không giải đợc vì quá phức tạp. Nếu đa
thêm nhiều giả thiết để đơn giản hoá thì lại không phản ánh đúng thực tế
khách quan.
Máy tính là phơng tiện đặc biệt hiệu quả để giải các mô hình toán
học, đa các mô hình toán học vào ứng dụng thực tế. Để xây dựng mô hình
toán học chuyển động của ôtô trớc hết ta phải mô hình hoá ôtô. Thực chất
đó là quá trình thiết lập mô hình vật lý của ôtô. Các mô hình vật lý đơn
giản chỉ kể đến các tơng tác cơ học giữa xe với môi trờng thờng sử dụng
trong khảo sát động lực học ôtô là :
- Mô hình không gian.
- Mô hình phẳng một vết bánh xe.
- Mô hình phẳng hai vết bánh xe.
Việc xây dựng mô hình không gian khảo sát động lực học ôtô đòi hỏi
rất nhiều thời gian và công sức nghiên cứu vì nếu xem ôtô nh một vật rắn

chuyển động thì nó có sáu bậc tự do gồm ba chuyển động dọc theo các trục
x, y, z và ba chuyển động quay quanh các trục đó, nh chỉ ra trong hình 1.1.
Trong phạm vi của luận văn chỉ xây dựng mô hình toán học cho việc
nghiên cứu mô hình phẳng một vết bánh xe trong chuyển động phẳng có ba
bậc tự do.
19
D' 8 !(23$%
- Bài toán đợc giải ở dạng mô hình phẳng, khảo sát chuyển động của
thân xe nh một chất điểm có khối lợng đặt tại trọng tâm xe.
- Bánh xe bên trái và bên phải của một cầu đợc chập lại làm một. Mỗi
cặp bánh xe của một cầu đợc thay thế bằng một bánh xe tơng đơng với góc
quay vòng và góc lệch bên tơng đơng đợc tính nh sau :

( )

+=
2
1
i


( )
'''
2
1
bbi

+=

Trong đó :

i
,
i
- góc quay vòng và góc lệch bên tơng đơng ở cầu thứ i;
,
'
b
- góc quay vòng và góc lệch bên của bánh xe phía ngoài.
,
''
b
- góc quay vòng và góc lệch bên của bánh xe phía trong.
- Biến dạng của đờng và của lốp đợc kể đến khi xác định lực cản lăn,
lực kéo. Trên sơ đồ không mô tả sự biến dạng này.
- Bánh xe luôn luôn bám đờng, mô hình lốp xe là mô hình phẳng đàn
hồi phi tuyến.
- Xe chuyển động trên mặt phẳng không có mấp mô, không khảo sát
chuyển động theo phơng thẳng đứng. ảnh hởng của dốc đợc tính thông qua
các yếu tố lực.
- Bỏ qua ảnh hởng của lực gió ngang, lực cản moóc kéo.
- Bỏ qua ảnh hởng của hệ thống treo trong quá trình khảo sát, coi nh
các bánh xe đợc ghép trực tiếp vào thân xe.
- Không khảo sát các chuyển động dao động của xe.
- Phản lực của đờng tác dụng lên thân xe qua trục bánh xe, bánh xe
luôn nằm trong mặt phẳng song song với mặt phẳng đối xứng dọc xe.
20
Để thuận tiện cho việc mô tả chuyển động của xe ta sử dụng một hệ
trục toạ độ thân xe oxyz gắn liền và chuyển động cùng với thân xe. Nh vậy
thì mô men quán tính của xe là không đổi đối với hệ toạ độ thân xe oxyz,

còn đối với hệ toạ độ cố định trong không gian OXYZ thì mô men quán
tính của xe luôn luôn thay đổi khi xe chuyển động. Sơ đồ các hệ trục khảo
sát chuyển động phẳng của xe trình bày trên hình 2.1 .
Trong đó:
- OXYZ là hệ toạ độ cố định trong không gian.
- oxyz là hệ toạ độ di động gắn liền với thân xe, gốc o trùng
với trọng tâm của xe, ox là trục dọc thân xe, oy là trục ngang thân xe và
vuông góc với mặt phẳng đối xứng dọc xe.
Các hệ trục trên đều lập thành các tam diện thuận, ban đầu hai hệ trục có
gốc trùng nhau, trục oz cùng phơng nhng ngợc chiều với trục OZ.
- V là vận tốc của trọng tâm của xe.
- V
x
và V
y
là các vận tốc thành phần của V tơng ứng dọc theo
các trục ox và oy.
21
5%:;G/I78&9'#()

- là góc quay của thân xe quanh trục oz.
Với mô hình phẳng cần ba toạ độ suy rộng X, Y, để xác định toạ độ
của xe. Mỗi giá trị của bộ ba toạ độ suy rộng (X, Y, ) thì vị trí của thân xe
xác định duy nhất trong hệ toạ độ cố định.
Tơng ứng với các toạ độ (X, Y, ) trong hệ toạ độ cố định ta có các
toạ độ suy rộng (x,y,) trong hệ toạ độ di động.
Trong đó :
x : là chuyển vị theo phơng dọc thân xe.
y : là chuyển vị theo phơng ngang thân xe.
: là góc quay của thân xe quanh trục oz.

2.1.2. Hệ các phơng trình vi phân khảo sát động lực học của xe trong
chuyển động phẳng
Theo [8], tại các thời điểm t và t+t ta có phơng, chiều và độ lớn của
véctơ vận tốc của trọng tâm xe và các trục ox và oy của hệ toạ độ thân xe
thay đổi nh trên hình 2.2 .
22
5%@2>#()/&G&?2()
Sự thay đổi của thành phần véctơ vận tốc song song với trục ox sau
khoảng thời gian t sẽ là :
( )
( )


+
=++
sin.sin.cos.cos.
sin.cos.V
x
yyxxx
yyxx
VVVVV
VVVV
Trong đó là góc quay của hệ toạ độ thân xe quanh trục oz sau
khoảng thời gian t. Vì góc là nhỏ nên V
x
.cos V
x
và bỏ qua vô
cùng bé bậc hai V
y

.sin thì biểu thức trên đợc viết lại nh sau :


.
yx
VV
Chia biểu thức trên cho t ta có thành phần dọc theo trục ox của gia
tốc tuyệt đối của trọng tâm xe là :







yxVV
dt
d
V
dt
dV
a
yxy
x
===
Thành phần
dtdV
x
/
(hay

x
V

) thể hiện sự thay đổi độ lớn của
x
V
theo
phơng trục ox, còn thành phần
dtdV
y
/.

(hay
zy
V .
) thể hiện sự quay của
V
y
trong mặt phẳng XOY.
Tơng tự nh trên ta có thành phần vuông góc với trục ox của gia tốc
tuyệt đối của trọng tâm xe là :







xyVV
dt

d
V
dt
dV
a
xyx
y
+=+=+=
Sơ đồ mô hình động lực học một vết bánh xe của xe bánh lốp nhiều
cầu trong chuyển động phẳng đợc trình bày nh trên hình 2.3 .
23
Trong đó : n - số cầu xe;
m - khối lợng của xe;
l
i
- khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu thứ i (i=1ữn);
i

- góc quay vòng tơng đơng của bánh xe dẫn hớng thứ i;

i
góc lệch bên của bánh xe tơng đơng thứ i.
- góc quay của thân xe quanh trục oz trong hệ toạ độ thân xe oxyz;

z
- vận tốc góc quay vòng của xe;
J
zz
- mô men quán tính của xe đối với trục oz trong hệ toạ độ oxyz;
M

ci
- mô men cản quay vòng của bánh xe;
F
xi
- các thành phần lực tiếp tuyến của đờng tác dụng lên bánh xe;
F
yi
- các thành phần phản lực ngang của đờng tác dụng lên bánh xe;
24
5%0:;$%$!+'()
()+',# ./&#
F
xc
- các thành phần lực cản tác dụng lên thân xe theo phơng trục ox quy về
trọng tâm xe (lực cản lên dốc, lực cản không khí );
F
yc
- các thành phần lực cản tác dụng lên thân xe theo phơng trục oy quy về
trọng tâm xe (lực cản lên dốc, lực cản không khí );
F
qt

- thành phần lực quán tính tác dụng lên thân xe dọc theo trục ox,
( )




yxmamF
qt

==
F
qt

- thành phần lực quán tính tác dụng lên thân xe dọc theo trục oy,
( )




xymamF
qt
+==
Hệ các phơng trình vi phân trong chuyển động phẳng của xe nh sau :
2.2.Mô hình toán học khảo sát động lực học các cụm, hệ thống
2.2.1. Sơ đồ hệ thống truyền lực xe bánh lốp nhiều cầu chủ động
25
( )
( )









+=
++=+

+=



n
ci
n
ixii
n
iyiizz
yc
n
ixi
n
iyi
xc
n
iyi
n
ixi
MFlFlJ
FFFxym
FFFyxm
111
11
11
sin cos
sin.cos
sin.cos

(2.1c)
(2.1b)
(2.1a)
(2.1)