luận văn, nghiên cứu mô phỏng chuyển động của ôtô con khi phanh trên đường vòng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của
PGS. TS Hồ Hữu Hải. Luận văn được thực hiện tại Bộ môn ôtô và xe chuyên dụng,
Viện cơ khí động lực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả trình bày
trong luận văn hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào.
Hà Nội, ngày 21 tháng 04 năm 2014
Học viên cam đoan


i
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………… i
MỤC LỤC…………………………………………………………………………… ii
CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN…………………………………iii
1
1
MỤC LỤC 1
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3
CHƯƠNG 2 9
MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRONG MÔI TRƯỜNG
MATLAB - SIMULINK 9
CHƯƠNG 3 44
MÔ PHỎNG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP CHUYỂN ĐỘNG ĐIỂN HÌNH 44
KẾT LUẬN 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
PHỤ LỤC 1 71
TRƯỜNG HỢP 1: v = 10(m/s), lực bàn đạp 280 (N), βvl = 1200 71
TRƯỜNG HỢP 2: v = 10(m/s), lực bàn đạp 280 (N), βvl = 1800 76
PHỤ LỤC 2 81

TRƯỜNG HỢP 1: βvl=1200, lực bàn đạp 490(N), v = 15(m/s) 81
TRƯỜNG HỢP 2: βvl=1200, lực bàn đạp 490(N), v = 20(m/s) 86
PHỤ LỤC 3 91
TRƯỜNG HỢP 1: βvl = 600, v = 20(m/s), lực bàn đạp phanh là 490(N) 91
TRƯỜNG HỢP 2: βvl = 600, v = 20(m/s), lực bàn đạp phanh là 700(N) 96
ii
CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN
Ký hiệu Ý nghĩa (Tên gọi) Đơn vị
a Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm m
b Khoảng cách từ tâm cầu sau đến trọng tâm m
B Chiều rộng cơ sở của xe m
L Chiều dài cơ sở của xe m
m Khối lượng xe khi đầy tải Kg
m
0
’
Khối lượng phần được treo Kg
m
t
Khối lượng phần không được treo cầu trước Kg
m
s
Khối lượng phần không được treo cầu sau Kg
h
g
Chiều cao trọng tâm xe m
h
t
Chiều cao trong tâm phần không được treo cầu trước m
h

s
Chiều cao trong tâm phần không được treo cầu sau m
G Trọng lượng của xe Kg
g Gia tốc trọng trường m/s
2
a
y
Gia tốc bên m/s
2
iii
a
x
Gia tốc dọc m/s
2
a
h
Gia tốc hướng tâm m/s
2
J
z
Mô men quán tính ô tô quanh trục thẳng đứng Kg.m
M
k
Mô men kéo N.m
M
p
Mô men phanh N.m
Z
i
Tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe N

r
b
Bán kính làm việc bánh xe M
v Vận tốc dọc của xe m/s
p
t
Khoảng cách từ tâm nghiêng ngang cầu trước đến mặt
đường
M
p
s
Khoảng cách từ tâm nghiêng ngang cầu sau đến mặt đường M
i
h
Tỷ số truyền của hệ thống lái
C
t
ψ
Độ cứng chống nghiêng ngang cầu trước N/rad
i Chỉ số các bánh xe dẫn hướng
C
s
ψ
Độ cứng chống nghiêng ngang cầu sau N/rad
α Góc lệch bên bánh xe Rad
iii
ε Góc quay thân xe Rad
β
vl
Góc quay vành lái Rad

β
1
Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước bên trái Rad
β
2
Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước bên phải Rad
ψ Góc nghiêng thân xe Rad
φ
x
Hệ số bám dọc
φ
y
Hệ số bám ngang
2WS Hệ thống lái 2 bánh xe dẫn hướng
iii
LỜI NÓI ĐẦU
Nước ta với nền kinh tế tăng trưởng, hội nhập và phát triển, số lượng ôtô nhập
khẩu, lắp ráp trong nước ngày càng nhiều đặc biệt là xe con, xe du lịch và xe bus. Thị
trường ôtô Việt Nam là một thị trường đầy tiềm năng, sức mua lớn với nhu cầu cao, dự
báo doanh số bán cả năm 2014 tăng 9% lên 120.000 chiếc của toàn thị trường. Số
lượng ôtô tăng nhanh dẫn đến mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn. Chất lượng
đường bộ ngày càng được nâng cao, các ôtô được thiết kết với công suất lớn, tốc độ
cao đòi hỏi phải có tính ổn định chuyển động cao nhằm nâng cao tính an toàn chuyển
động. Khi ô tô chuyển động nó sẽ chịu rất nhiều tác động từ phía người lái như phanh,
quay vô lăng hay ga… Ngoài những tác động của người lái thì các yếu tố khách quan
từ ngoại cảnh như chất lượng mặt đường, gió…và các yếu tố bất ngờ khác sẽ ảnh
hưởng rất lớn đến an toàn khi xe lưu thông. Khi phanh các xe thường mất ổ định và có
thể bị trượt ngang gây tai nạn.
Việc nghiên cứu quỹ đạo chuyển động và tính ổn định hướng chuyển động của
ô tô khi phanh có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu nhằm nâng cao tính ổn định

chuyển động của ôtô. Với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu, học
tập, giảng dạy ở các trường Đại học, Cao đẳng và Trung tâm nghiên cứu chuyên
ngành…, đề tài: “ Nghiên cứu mô phỏng chuyển động của ôtô con khi phanh trên
đường vòng” được thực hiện. Để nghiên cứu chuyển động của ôtô ta có thể sử dụng
các phương pháp khác nhau như:
- Dựng thực nghiệm trên các bãi lớn (polygon)
- Dựng mô tả toán học
- Dựng mô hình đồng dạng trên sa bàn.
Việc mô tả bằng toán học có nhiều thuận lợi, có thể đánh giá độc lập các yếu tố, để tối
ưu hóa về mặt kết cấu. Các kết quả tính toán đều phải qua thực nghệm trên cơ sở đó
đánh giá tính đúng đắn của mô hình khảo sát.
1
Đề tài đã chọn phương pháp khảo sát mô hình toán học với sự trợ giúp của phần
mềm mô phỏng matlab simulink.
Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Hồ Hữu Hải và các thầy trong bộ môn, Viện
Đào tạo sau đại học và các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã được thực hiện tại bộ môn
Ôtô và xe máy chuyên dụng – Viện cơ khí động lực Trường ĐHBK Hà Nội. Tác giả
xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn cũng như sự góp ý quý báu để bản luận văn được
hoàn thành, rất mong tiếp tục nhận được sự góp ý, bổ xung để luận văn được hoàn
thiện hơn.
Hà Nội, ngày 21 tháng 04 năm 2014
Tác giả
Vũ Thế Truyền
2
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Yêu cầu thực tế
1.1.1. Tai nạn giao thông
Tai nạn giao thông (TNGT) đã có từ rất lâu trong lịch sử dưới nhiều hình thức
khác nhau. Tuy nhiên hiện tại vẫn chưa có một định nghĩa thật chính xác có thể lột tả
hết những đặc tính của nó. Về cơ bản tai nạn giao thông có những đặc tính như sau:

- Được thực hiện bằng những hành vi cụ thể
- Gây ra thiệt hại nhất định về tính mạng, sức khỏe con người, vật, tài sản.
- Chủ thể trực tiếp thực hiện hành vi cuối cùng trong vụ tai nạn giao thông cụ thể phải
là đối tượng đang tham gia vào hoạt động giao thông.
- Xét về lỗi, chỉ có thể là lỗi vô ý hoặc là không có lỗi, không thể là lỗi cố ý.
Năm 1896, tại Anh chiếc ôtô chạy thử đã sau khi xuất xưởng đã cán chết 2
người. Và 3 năm sau, ở Mỹ mới lại có một người chết do ôtô gây lên, từ đó những cái
chết do phương tiện giao thông gây lên ngày một nhiều. Và ngày nay, TNGT đã trở
nên phức tạp , đa dạng hơn rất nhiều, có thể là tai nạn ôtô, xe 2 bánh, tầu hỏa hay máy
bay. Nó đang là một hiểm họa không chỉ riêng một quốc gia nào mà là của cả thế giới,
tuy nhiên TNGT vẫn tập chung chủ yếu ở các nước đang phát triển và các nước kém
phát triển, đặc biệt là các quốc gia ở châu A như: Trung Quốc, ấn Độ, Việt Nam, Thái
Lan. Phổ biến nhất hiện nay ở phần lớn các quốc gia là tai nạn giao thông đường bộ,
loại tai nạn này thường xảy ra đối với ôtô và xe gắn máy 2 bánh. Ngoài ra còn có các
loại tai nạn giao thông khác như tai nạn giao thông đương sắt, tai nạn giao thông đường
thủy và tai nạn giao thông đường hàng không.
Theo báo cáo tình hình toàn cầu của WHO, tai nạn giao thông đang trở thành
một vấn đề lớn về sức khỏe và phát triển con người trên thế giới. Trung bình mỗi năm
trên toàn thế giới có tới 1,2 triệu người chết vì tai nạn giao thông và 50 triệu người bị
thương. Còn tính riêng nước ta, từ 16/11/2011 đến 16/11/2012, toàn quốc đã xảy ra
3
36.376 vụ tai nạn giao thông, làm chết 9.838 người và bị thương 38.060 người. Những
con số kinh hoàng đó tăng dần theo từng năm và vẫn chưa có dấu hiệu giảm . Việc
không tuân thủ luật lệ giao thông và lái xe quá tốc độ, vượt ẩu, quay vòng ngoặt
thường xuyên xảy ra trên khắp đất nước. Trong các vụ tai nạn giao thông gây tổn thất
về người và tài sản chủ yếu là do ôtô.
Ngày nay khi mà ôtô đã trở thành phương tiện chính dùng để đi lại và chuyên
chở hàng hoá ở nước ta thì vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển của ôtô là rất
quan trọng. Khi ôtô chuyển động nó sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố như người điều
khiển, tác động của ngoại cảnh, các yếu tố ngẫu nhiên xảy ra trên đường. Người lái xe

có thể thực hiện các thao tác để điều khiển xe như: tăng ga để tăng tốc xe, đạp phanh
để giảm tốc độ, và đánh vô lăng để quay vòng. Các yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe
cũng khác nhau. Xe có thể chạy trên các đường với các biên độ khác nhau. Khi xe chạy
trên đường khác nhau thì hệ số bám của lốp xe và đường cũng khác nhau. Và khi xe
chạy trên đường thì gió cũng là một yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe và còn nhiều yếu
tố khác ảnh hưởng tới xe khi xe chuyển động .
Một yếu tố ảnh hưởng khá nhiều đến xe và thường gây mất an toàn đó là các tác
động ngẫu nhiên bất ngờ xảy ra trên đường như sự xuất hiện bất ngờ của các chướng
ngại vật.
Tất cả các yếu tố trên sẽ ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái chuyển động của xe và
nó cũng ảnh hưởng tới mức độ an toàn của xe.Trong đó tính ổn định hướng của ôtô là
yếu tố ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo chuyển động của xe, nguyên nhân chính gây ra các
vụ tai nạn giao thông.
Sự tăng trưởng tốc độ và mật độ chuyển động của ô tô đòi hỏi phải đảm bảo tính
điều khiển ở mức độ cao nhằm hạn chế tối đa tai nạn giao thông xảy ra.
1.1.2. Nghiên cứu động lực học ôtô
Nghiên cứu động lực học ôtô là tìm ra qui luật chuyển động của ôtô từ
4
đó xác định giới hạn an toàn, tìm sự tương thích giữa lái xe và xe, mở rộng khả năng
điều khiển xe của lái xe.
Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghệ ôtô thì những ôtô ra đời của thế
hệ sau luôn có vận tốc lớn hơn và hướng tới giới hạn trượt vật lý (bánh xe có thể bị
trượt). Ôtô ngày càng hoàn thiện về kết cấu tức khả năng thích ứng động lực học tốt
hơn, ngày càng hướng tới an toàn động lực học, an toàn tích cực. Chỉ tiêu để đánh giá
ôtô là vận tốc, gia tốc, quỹ đạo chuyển động, thông qua thông số chung để đánh giá là
trạng thái quay vòng của xe.
Bên cạnh đó hệ thống phanh là cơ cấu an toàn của ôtô, dùng để giảm tốc độ,
dừng xe hoặc đỗ xe khi cần thiết theo yêu cầu của người lái. Nó là một trong những hệ
thống chính và có ý nghĩa quan trọng bảo đảm sự ổn định của ôtô khi chuyển động.
Một trong những vấn đề đặt ra là phải giải quyết vấn đề hoạt động của hệ thống

phanh khi phanh trên các loại đường có hệ số bám thấp như đường trơn, ướt, đường
cát, điều này dẫn đến bánh xe nhanh chóng bị bó cứng và mất ổn định. Khi phanh ôtô,
nếu bánh xe trước bị bó cứng trước thì sẽ làm cho xe không thể chuyển hướng theo sự
điều khiển của người lái; nếu bánh xe sau bị bó cứng trước, ôtô sẽ bị trượt ngang. Để
có thể nâng cao hiệu quả phanh chúng ta phải xác định rõ các quan hệ nội hàm liên
quan đến quá trình phanh. Điều đó chỉ có thể được xác định thông qua các mô hình
động lực học của quá trình phanh; trong đó mô hình lốp là hạt nhân của mô hình vì các
lực tương tác bánh xe sẽ quyết định đến các giá trị nội hàm và ảnh hưởng đến quãng
đường phanh, ổn định phanh và ổn định dẫn hướng.
Để giảm thiểu tai nạn giao thông do ôtô gây ra ngoài việc nâng cao trình độ, kỹ
thuật, ý thức của người điều khiển, cần phải giảm thiểu các tai nạn do yếu tố kỹ thuật
gây ra: kết cấu toàn bộ ôtô, tính điều khiển, các thiết bị an toàn bị động. Với tốc độ
phát triển của khoa học công nghệ như ngày nay ngoài việc đảm bảo các yêu cầu kỹ
thuật của các cụm tổng thành thì việc cải thiện tính điều khiển của ôtô đang được các
nhà khoa học rất quan tâm.
5
Khi nghiên cứu quá trình phanh của ôtô, từ trước đến nay khi tính toán các thông
số kết cấu, những nhân tố ảnh hưởng đến khả năng phanh của ôtô, chưa tính đến biến
dạng của lốp xe cho nên giữa bánh xe và mặt đường không có hiện tượng trượt, lúc này
các quan hệ giữa các thông số chỉ là các quan hệ đơn thuần về mặt hình học.
Như vậy, qua các phân tích trên để nghiên cứu quá trình chuyển động của ôtô khi
phanh trên đường vòng chỉ căn cứ vào các quan hệ hình học thì chưa đủ, cần thiết phải
kể đến ảnh hưởng của hệ thống phanh, hệ thống lái và các đặc tính biến dạng của bánh
xe cao su đàn hồi, thông số kết cấu của xe.
Từ yêu cầu thực tế trên dẫn đến yêu cầu phải xây dựng một mô hình động lực học
tổng quát có thể mô tả chuyển động của ô tô khi phanh trên đường vòng có tính đến
ảnh hưởng của góc quay vành lái, vận tốc ban đầu và lực bàn đạp phanh nhằm xác định
các trạng thái chuyển động của ôtô trong các điều kiện thực tế.
1.2.Các đề tài nghiên cứu về phanh và quỹ đạo chuyển động của ôtô con
“Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng” – Do

PGS.TS. Hồ Hữu Hải, trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn – Sinh viên thực
hiện Lê Ngọc Trung, năm 2008.
“Mô phỏng và nghiên cứu quá trình động lực học của hệ thống phanh thủy
lực”- Do PGS.TS. Hồ Hữu Hải, trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn – Sinh
viên thực hiện Nguyễn Văn Hùng, năm 2011.
“Ứng dụng phần mềm matlab-simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe
du lịch”-Do Ths Đồng Minh Tuấn , trường Đại học SPKT Hưng Yên hướng dẫn- Sinh
viên thực hiện Nguyễn Trọng Khương.
“Nghiên cứu mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô với hệ thống ABS+ASR”
Trườn đại học Bách Khoa Hà Nội, do sinh viên Nguyễn Vũ Tiến Linh thực hiện năm
2007
6
“ Nghiên cứu đặc tính quay vòng của xe du lịch”, trường đại học Bách Khoa Hà
Nội, do sinh viên Lê Đức Hiếu thự hiện năm 2007
“ Tổng hợp bộ điều khiển điện tử và mô phỏng hệ thống phanh có ABS trên ô tô
du lịch”, trường đại học Bách Khoa Hà Nội, do sinh viên Lại Năng Vũ thực hiện năm
2007
1.3. Mục tiêu, nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài
1.3.1. Mục tiêu
Từ cơ sở đặt vấn đề ở trên, đề tài tập trung vào khảo sát động lực học của ôtô
con khi phanh trên đường vòng với các giả thiết quan trọng nhằm mục đích:
- Lập mô hình toán học và mô hình mô phỏng trong Matlab - simulink của ôtô con.
- Khảo sát phản ứng của xe đối với các tác động của góc quay vành lái, phanh và lực
bàn đạp phanh.
1.3.2. Nội dung
Do phạm vi của đề tài rộng với thời gian cho phép, đề tài chỉ tập chung vào các
vấn đề sau:
- Tổng quan và các nhiệm vụ
- Lập mô hình động lực học
- Khảo sát phản ứng của xe khi lái xe thực hiện thao tác điều khiển:phanh và quay

vòng ở những cung đường cong không quá một phần tư đường tròn.
Với nội dung nghiên cứu trên đề tài được trình bày trong 3 chương và phần kết
luận đánh giá các kết quả
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học và mô hình mô phỏng
trong môi trường Matlap - simulink
7
Chương 3: Khảo sát phản ứng của xe khi lái xe thực hiện thao tác điều khiển phanh và
quay vòng ở những cung đường cong không quá một phần tư đường tròn.
Kết luận và đánh giá các kết quả
Kết quả của đề tài có thể làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về ổn định
hướng chuyển động của ôtô khi phanh trên đường vòng, làm tài liệu giảng dạy cho các
trường đại học và cao đẳng, trung tâm đào tạo nghề.
1.3.3. Phạm vi nghiên cứu
Do hạn chế về mặt thời gian, kinh phí và tính phức tạp của hệ trục tọa độ quy
chiếu nên đề tài mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu mô phỏng lý thuyết chuyển động
của ôtô con khi phanh trên đường vòng với quỹ đạo là những cung đường cong không
quá một phần tư đường tròn với vận tốc không lớn.
1.3.4. Phương pháp nghiên cứu
Việc nghiên cứu đề tài có thể tiến hành nhiều cách như:
- Khảo sát trên mô hình thực với bãi thí nghiệm lớn.
- Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn.
- Dùng mô tả toán học và mô phỏng bằng các công cụ trên máy tính.
Với phương pháp dùng thực nghiệm trên bãi lớn có ưu điểm cho kết quả tin cậy
nhất, song tốn kém và rất nguy hiểm khi thử nghiệm xe. Hiện nay, sự phát triển khoa
học của máy tính việc mô tả toán học và chuyển đổi sang mô hình mô phỏng bằng các
phần mềm chuyên dụng hiện đại đang được sử dụng rộng rãi và có nhiều ưu điểm hơn
cả. Mô phỏng trên máy cho phép rút ngắn được thời gian nghiên cứu, dễ dàng thay đổi
các thông số, kết quả đạt được có độ chính xác tương đối cao.
Trong thời gian cho phép, đề tài lựa chọn phương pháp thiết lập mô hình toán

học thích hợp từ đó xây xựng mô hình mô phỏng và mô phỏng lý thuyết trên máy tính
quỹ đạo chuyển động cũng như khảo sát chuyển động của xe khi người lái thực hiện
các thao tác phanh và phanh khi quay vòng của xe ô tô con.
8
CHƯƠNG 2
MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRONG MÔI TRƯỜNG
MATLAB - SIMULINK
2.1. Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học của ôtô
2.1.1. Mô hình phẳng
Mô hình phẳng của ôtô được thể hiện trên hình
P
f
1
S
1
F
1
M
S
1
P
f
2
S
2
F
2
M
S
2

P
f4
S
4
F
4
M
S4
P
f3
S
3
3
S3
M
F
L
b
a
X
Y
X
o
B
ß
2
ß
1
V
J

z
T
N
X
o
Y
o
Z
o
+
P
w
ε
ε
α
Hình 2-1. Mô hình tính toán cho ôtô
Các lực tác lên ô tô:
a. Lực dọc F
i
: là phản lực của đường tác dụng lên bánh xe chủ động , được đặt tại vị
trí tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường. Khi phanh, lực phanh tại các bánh xe đóng vai
trò lực dọc.
k
tcphe
k
k
x
r
iiiiM
r

M
F
η

0
==
(2-1)
9
Trong đó: M
e
: Mô men xoắn của động cơ [N.m]
i
h
: Tỷ số truyên của hộp số chính
i
p
: Tỷ số truyền của hộp số phụ
i
0
: Tỷ số truyền của truyền lực chính
η
t
: Hiệu suất của hệ thống truyền lực
b. Lực cản lăn P
f

Lực cản lăn sinh ra do tác dụng của mặt đường lên các bánh xe và đặt tại vị trí
đặt lực F
i
nhưng ngược chiều.

P
f
= f.G
Trong đó : G: Trọng lượng của ô tô
f : Hệ số cản lăn của bánh xe, được xác định theo công thức:








+=
1500
1
2
0
v
ff
(2-2)
Với : f
0
: Hệ số cản lăn của đường
v : Vận tốc chuyển động của xe [m/s]
c. Lực bên S
i

Là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe theo phương vuông góc với
mặt phẳng dọc của bánh xe, đặt tại tâm vết tiếp xúc.

Trong trường hợp góc lệch bên nhỏ, khi đó quan hệ giữa lực bên S
i
và góc lệch
bên của bánh xe α
t
là quan hệ tuyến tính:
S
i
= C
α
.α
t
(2-3)
Trong đó: C
α
: là độ cứng góc lệch bên bánh xe [N/rad]
i : Chỉ số các bánh xe dẫn hướng
Trong trường hợp góc lệch bên lớn, quan hệ giữa lực bên và góc lệch bên α
t
, tải
trọng phân bố Z
i
, độ trượt dọc s
d. Lực cản không khí
Là lực cản của gió được phân ra hai thành phần theo hai phương vuông góc:
10
- Lực theo phương dọc (lực cản không khí) P
w
: có giá trị tương đối được xác định
bằng biểu thức sau: P

w
= K.F.v
0
2
(2-4)
Trong đó: K : Hệ số cản không khí [Ns
2
/
m
4
]
F: Diện tích cản chính diện của ô tô [m
2
]
v
0
: Vận tốc tương đối giữa ô tô và không khí [m/s]
- Lực theo phương ngang (lực gió bên) N: giá trị không theo quy luật, để thuận tiện
trong luận văn chọn N = 0
d. Lực ly tâm P
j
Lực ly tâm xuất hiện khi ô tô chuyển độn theo quỹ đạo là đường cong, đặt tại
trọng tâm ô tô và xác định theo công thức:
R
v
m
R
v
g
G

ymP
j
22

===
(2-5)
Trong đó:

y
: Gia tốc hướng tâm [m/s
2
]
R : Bán kính quỹ đạo [m]
Các phương trình chuyển động của ô tô
Tịnh tiến theo phương dọc ôtô:
wf
PPSSFFFFm
x
−−−−+++=
2211432211

sinsincoscos
ββββ
(2-6)
( )
( )
xwf
wf
vvdtPPSSFFFF
m

PPSSFFFF
m
x
x
=+−−−−+++=⇒
−−−−+++=⇒
∫
02211432211
.
2211432211

sinsincoscos.
1
sinsincoscos.
1
ββββ
ββββ
0
.
xdtxx
∫
+=
(2-7)
Tịnh tiến theo phương ngang ôtô:
NFFSSSSm
y
−+++++=
2211432211

sinsincoscos.

ββββ
(2-8)
11
( )
( )
y
vvdtNFFSSSS
m
NFFSSSS
m
y
y
=+−+++++=⇒
−+++++=⇒
∫
02211432211
.
2211432211

sinsincoscos
1
sinsincoscos
1
ββββ
ββββ
∫
+=⇒
0
.
ydtyy

(2-9)
Quay thân xe quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm T :
2
)(
2
)coscos(
2
)sinsin()(
)coscos()sinsin(.
432211221143
22112211

B
FF
B
FF
B
SSbSS
aSSaFFJ
z
−−−−−++−
+++=
ββββ
ββββε
(2-10)
.
0432211221143
22112211
.
)

2
)(
2
)coscos(
2
)sinsin()(
)coscos()sinsin((
1
εββββ
ββββε
+−−−−−++−
+++=⇒
dt
B
FF
B
FF
B
SSbSS
aSSaFF
J
z
∫
+=
0
.
εεε
dt
(2-11)
Trong đó:

v
0
: là vận tốc ban đầu [m/s]
x
0
: là tọa độ ban đầu [m]
y
0
: là độ lệch bên ban đầu [m]
ε
0
: là góc quay thân xe ban đầu [rad]
2.1.2. Sự nghiêng thân xe và tải trọng thẳng đứng
Giả thiết thân xe đặt trên bệ treo đàn hồi, dưới tác dụng của lực ly tâm thân xe bị
nghiêng quanh trục nghiêng dọc một góc là ψ. Trọng tâm ôtô đặt tại chiều cao h
g
so với
mặt đường (coi chiều cao ôtô là chiều cao phần treo)
12
Hình 2-2. Sự nghiêng thân xe quanh trục nghiêng dọc
Theo” Tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô”của PTS Nguyễn Khắc
Trai ,nhà xuất bản Giao thông vận tải – 1997 và sử dụng mô hình (2-2) ta có:
Công thức tính góc nghiêng thân xe như sau:
''
0
'

,
0

hgmCC
hym
st
−+
=
ψψ
ψ
(2-12)
Trong đó:
C
t
ψ
, C
s
ψ
: là độ cứng chống nghiêng của cầu xe trước và sau [N/rad]
m
’
0
: khối lượng phần được treo [kg]
Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng và các phản lực bên tác dụng lên các bánh xe
được tính theo sơ đồ không gian.
13
Hình 2-3. Lực ly tâm và sự thay đổi phản lực thẳng đứng
Gia tốc theo phương dọc thân xe

x
sẽ gây ra sự phân bố lại tải trọng trên hai cầu
trước và sau là :

L
hm
xZ
.
.
'
0

=∆
(2-13)
Hình 2-4. Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng giữa hai cầu trước và sau
14
Mặt khác tải trọng tĩnh tác dụng lên các bánh trước và sau được tính như sau:
;
L
b
gmZ
T
t
=
(2-14)
;
L
a
gmZ
T
s
=
(2-15)
Khi đó tải trọng tác dụng lên cầu trước và cầu sau là:

Z
t
= Z
t
T
+ ∆Z; (2-16)
Z
s
= Z
s
T
- ∆Z (2-17)
Gia tốc hướng tâm

y
gây ra sự phân bố lại tải trọng thẳng đứng giữa các bánh xe
trên cùng một cầu, phương trình cân bằng lực :

'
0
''
. ymSS
st
=+
(2-18)
Trong đó: S
t
’
; S
s

’
: là các lực bên tác dụng lên cầu trước và cầu sau
m
0
’
: khối lượng phần được treo
Phương trình cân bằng mô men đối với cầu trước và cầu sau:
L
lym
SSS
t
t


'
0
'
2
'
1
'
=+=
(2-19)
L
lym
SSS
s
s

'
0
'
4
'
3
'
=+=
(2-20)
l
t
; l
s
: là khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và cầu sau. Để thuận tiện cho việc mô
phỏng trong Matlab ta coi : l
t
= a ; l
s
= b.
Hình 2-5. Sơ đồ cân bằng lực ngang
15


Hình 2-6a.Lực và mô men ở cầu sau Hình 2-6b.Lực và mô men ở cầu trước
Từ phương trình cân bằng mô men đối với tâm nghiêng ngang của cầu trước
(O
c1
) và cầu sau (O
c2
),ta tính được:

)

.(
1


0
yhmp
L
lym
C
t
Z
ttt
t
t
t
t
++=∆⇒
ψ
ψ
(2-21)
)

.(
1


0
yhmp

L
lym
C
t
Z
sss
s
s
s
s
++=∆⇒
ψ
ψ
(2-22)
Trong đó:
2
12
ZZ
Z
t
−
=∆
(2-23)
2
34
ZZ
Z
s
−
=∆

(2-24)
P
t
;P
s
: Chiều cao tâm nghiêng ngang O
c1
, O
c2
tới mặt đường [m]
t
s
;t
t
: Chiều rộng tiếp xúc của hai cầu sau và trước, để thuận tiện cho tính toán ta lấy
bằng chiều rộng cơ sở xe (B) [m]
m
t
;m
s
: khối lượng không được treo cầu trước và cầu sau [kg]
h
t
;h
s
: chiều cao từ trọng tâm phần khối lượng không được treo cầu trước và cầu sau tới
mặt đường [m].
16
Như vậy khi xe chuyển động với góc quay bánh xe dẫn hướng β
ti

>0 hoặc
chuyển động trên đường nghiêng ngang thì tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh
xe như sau:
t
T
ZZZZ ∆−∆+= )(
11
(2-25)
t
T
ZZZZ ∆+∆+= )(
22
(2-26)
s
T
ZZZZ ∆−∆−= )(
33
(2-27)
s
T
ZZZZ ∆+∆−= )(
44
(2-28)
Trong đó:
Z
1
: tải trọng phân bố lên bánh trước trái [N]
Z
2
: tải trọng phân bố lên bánh trước phải [N]

Z
3
: tải trọng phân bố lên bánh sau trái [N]
Z
4
: tải trọng phân bố lên bánh sau phải [N]
2.1.3. Hệ thống lái hai bánh xe dẫn hướng
2.1.3.1. Các trạng thái quay vòng của ôtô
Hệ thống lái hai bánh xe dẫn hướng (2WS) được sử dụng nhiều trên xe ôtô con
và xe du lịch, khi xe quay vòng thường xảy ra một trong các trạng thái quay vòng sau:
I
qv
=I
o
R
q
v
=
R
o
G
O
Hình 2-7. Trường hợp xe quay vòng đủ.
17
β
vl
= const
R
qv
= R

o
Đây là trạng thái quay vòng lý tưởng vì nó giúp xe đảm bảo ổn định ngang, tuy
nhiên rất hiếm khi xảy ra.
I
o
R
o
G
O
I
qv
R
q
v
Hình 2-8. Trường hợp xe quay vòng thiếu.
I
o
R
o
G
O
I
qv
R
q
v
Hình 2-9. Trường hợp xe quay vòng thừa.
2.1.3.2. Mối quan hệ giữa các bánh xe dẫn hướng
Khi nghiên cứu động học và động lực học quay vòng của ôtô với hệ thống lái
hai bánh xe dẫn hướng rút ra được biểu:

18
β
vl
tăng
R
qv
> R
o
β
vl
giảm
R
qv
< R
o
Cotgβ
t2
– cotgβ
t1
= B/L (2-29)
Trong đó:
β
t2
: góc quay trục bánh xe dẫn hướng bên trong [rad]
β
t1
: góc quay trục bánh xe dẫn hướng bên ngoài [rad]
Với tỷ số truyền của hệ thống lái là i (ta chọn i = 20), góc quay vành lái là β
v
,

góc quay bánh xe dẫn hướng là β
t
*
, ta có:
i
v
t
β
β
=
*
(2-30)
2.1.4. Hệ thống phanh thủy lực
Hệ thống phanh thủy lực được áp dụng rộng rãi trên các loại ô tô con, du lịch và
xe tải nhỏ. Với hệ thống phanh thủy lực khi đạp bàn đạp chân phanh sẽ tạo nên áp suất
chất lỏng trong xy lanh công tác đặt tại cơ cấu phanh, điều khiển sự làm việc của cơ
cấu phanh.
Hình 2.10. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực
1. Bàn đạp phanh; 2. Cần đẩy; 3. Piston chính ; 4. Xy lanh chính; 5. Van cao áp;
6. Đường ống; 7. Xy lanh con ; 8. Piston con ; 9. Guốc phanh ; 10 . Chốt ;
11. Tang trống ; 12. Lò xo
19
2.1.4.1. Mô hình mô phỏng xy lanh chính
Hình 2-11. Sơ đồ xy lanh chính 2 khoang
m
1
, m
2
: Khối lượng của piston 1 và piston 2
N

1
, N
2
: Lực từ bàn đạp phanh tác dụng lên piston 1 và piston 2
Phương trình chuyển động của Piston 1
Các lực tác dụng lên piston 1:
- Áp lực của dầu khoang I : F
dp
=P
mcp
.A
mc
(2-31)
Trong đó :
P
mcp
: Áp suất khoang I (N/m
2
) ; A
mc
: Diện tích bề mặt piston (m
2
)
- Lực lò xo : F
lxp
= F
lxpo
+ K
p
(x

mcp
- x
mcs
) (2-32)
Trong đó :
X
mcp
: Dịch chuyển của piston I hay chính là dịch chuyển của bàn đạp qui đổi (m) ;
X
mcs
: Dịch chuyển của piston II (m) ;
K
p
: Độ cứng lò xo khoang I (N/m)
- Lực đầu vào phanh, có thể là lực bàn đạp qui đổi hoặc lực đầu ra của bộ trợ lực
phanh : F
mc
(N).
- Phản lực tại chốt cản N
p

N
p
= 0 (Khi F
mc
≥ F
lxP
+ P
mcp
+ P

mcp
.A
mc
)
Vậy phương trình của pistong I như sau :
20
1
2