Luận văn, nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô tô

1
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6
LỜI NÓI ĐẦU 9
Chương 1 11
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 11
1.1. Tổng quan về động lực ô tô 11
1.2. Mục tiêu đề tài 16
1.3. Nội dung của luận văn 19
Chương 2 19
MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG Ô TÔ 19
2.1. Tổng quan về động lực học ô tô 19
2.2 Phương trình chuyển động tổng quát ô tô 24
2.3 Mô hình động lực học phương dọc 28
2.4 Phương trình động lực học phương dọc không trượt 32
2.4.1 Phương trình tổng quát 32
2.4.2 Các lực cản chuyển động 34
2.5 Giới hạn chuyển động 42
2.5.1. Tải trọng thẳng đứng 42
2.5.2. Khả năng truyền lực xe một cầu chủ động 43
2.5.3. Khả năng truyền lực bốn bánh chủ động 4WD 46
2
2.6 Khả năng truyền lực khi phanh 48
2.7 Động lực học ô tô một dãy có trượt 63
Chương 3 66
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 66
3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động ô tô 66
3.2 Điều khiển động lực học 67
3.2.1 Điều khiển động lực học dọc 69

3.2.2 Điều khiển động lực học ngang 70
3.2.3 Điều khiển động lực học phương thẳng đứng 73
3.2.4 Điều khiển động lực tích hợp 75
3.3 Hệ thống điều khiển ABS/TCS 78
3.4 Vi sai điện tử và điều khiển động lực học ô tô 83
KẾT LUẬN 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO 89
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
- ABS : Hệ thống chống hãm cứng bánh xe
- ADC : Điều khiển giảm chấn
- ESP : Ổn định điện tử
- CDC : Giảm chẩn thay đổi theo tải
- ABC : Điều khiển hệ gầm tích cực
- Activer Stabilisator: Thanh ổn định tích cực
- Torque-on-demand Allradverteilung: Vi sai điện tử cho 4WD
-
( )
2
A m
: Diện tích, thiết diện
-
( )
3
/kg cm
ρ
: Mật độ không khí
-
( )
/

L
C N m
: Độ cứng hướng kính lốp
-
( )
1
/
L
C N m
: Độ cứng hướng kính lốp trước
-
( )
2
/
L
C N m
: Độ cứng hướng kính lốp sau
-
( )
/C N m
: Độ cứng hệ thống treo
-
( )
1
/C N m
: Độ cứng treo trước
-
( )
2
/C N m

: Độ cứng treo sau
-
( )
/K Ns m
: Hệ số cản hệ thống treo
-
( )
1
/K Ns m
: Hệ số cản hệ thống treo trước
-
( )
2
/K Ns m
: Hệ số cản hệ thống treo sau
-
( )
a m
: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước
-
( )
b m
: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau
-
r
: Bán kính tự do lốp
-
( )
2
J kgm

: Mômen quán tính trục y của xe
4
-
( )
2
1yA
J kgm
: Mômen quán tính trục y của cầu trước
-
( )
2
2yA
J kgm
: Mômen quán tính trục y của cầu sau
-
( )
h m
: Chiều cao mấp mô của đường
-
( )
1
h m
: Chiều cao mấp mô của đường phía trước
-
( )
2
h m
: Chiều cao mấp mô của đường phía sau
-
( )

Z
F N
: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe
-
( )
1Z
F N
: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước
-
( )
2Z
F N
: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau
-
( )
Zt
F N
: Tải trọng tĩnh của bánh xe
-
( )
1,Z t
F N
: Tải trọng tĩnh bánh xe phía trước
-
( )
2,Z t
F N
: Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau
-
( )

Zd
F N
: Tải trọng động bánh xe
-
( )
C
F N
: Lực đàn hồi hệ thống treo
-
( )
1C
F N
: Lực đàn hồi hệ thống treo trước
-
( )
2C
F N
: Lực đàn hồi hệ thống treo sau
-
( )
K
F N
: Lực cản hệ thống treo
-
( )
1K
F N
: Lực cản hệ thống treo trước
-
( )

2K
F N
: Lực cản hệ thống treo sau
-
( )
CL
F N
: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe
-
( )
1CL
F N
: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước
-
( )
2CL
F N
: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau
-
( )
m N
: Khối lượng được treo
-
( )
1
m N
: Khối lượng được treo trước
5
-
( )

2
m N
: Khối lượng được treo sau
-
( )
1A
m N
: Khối lượng không được treo trước
-
( )
2A
m N
: Khối lượng không được treo sau
-
b
ϕ
: Hệ số bám đường
-
( )
t
f m
: Độ võng tĩnh
-
( )
1t
f m
: Độ võng tĩnh phía trước
-
( )
2t

f m
: Độ võng tĩnh phía sau
-
( )
rad
ϕ
: Góc lắc thân xe
-
( )
m
ξ
: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu xe
-
( )
1
m
ξ
: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước
-
( )
2
m
ξ
: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau
-
( )
/m s
ξ
&
: Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe

-
( )
1
/m s
ξ
&
: Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước
-
( )
2
/m s
ξ
&
: Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau
-
( )
2
/m s
ξ
&&
: Gia tốc phương thẳng đứng cầu xe
-
( )
2
1
/m s
ξ
&&
: Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước
-

( )
2
2
/m s
ξ
&&
: Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau
-
( )
2
, , , / , /z z z m m s m s
& &&
: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối
lượng được treo
-
( )
2
1 1 1
, , , / , /z z z m m s m s
& &&
: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng
khối lượng được treo trước
-
( )
2
2 2 2
, , , / , /z z z m m s m s
& &&
: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng
khối lượng được treo sau

6
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Nguyên lý phanh 11
Hình 1.2. Động lực học bánh xe khi phanh 12
Hình 1.3. Động lực học bánh xe khi tăng tốc 12
Hình 1.4. Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt 14
Hình 1.5. Sơ đồ điều khiển ô tô 17
Hình 1.6. Quan hệ động lực học ô tô 18
Hình 2.1. Cấu trúc mô hình động lực học ô tô 21
Hình 2.2. Hệ tọa độ và các thông số động lực học ô tô cơ bản 22
Hình 2.3. Mô đun động lực học trong mặt phẳng xy 23
Hình 2.4. Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải) 23
Hình 2.5. Mô đun động lực học ngang cầu xe và hệ thống treo 24
Hình 2.6 Mô hình động lực học phẳng ô tô 30
Hình 2.7 Mô hình động lực học phẳng (tách cấu) 32
Hình 2.8 Ảnh hưởng của vận tốc xe đến hệ số cản lăn 35
Hình 2.9 Ảnh hưởng của áp suất lốp đến hệ số cản lăn 36
Hình 2.10 Ảnh hưởng của phản lực đường đến hệ số cản lăn 36
Hình 2. 11. Ảnh hưởng biến dạng đường đến hệ số cản lăn 36
Hình 2.12 Ảnh hưởng của nêm nước đến lực cản lăn 37
Hình 2.13. Sơ đồ xác định lực cản lăn khi góc lệch bên do lực ngang gây ra 37
Hình 2.14 Hệ số khí động [-] và diện tích cản[ ] 39
Hình 2.15 Hệ số khí động 39
7
Hình 2.16 Tương quan hệ số khói động và diện tích cản của ô tô 40
Hình 2.17 Tương quan diện tích cản và hệ số khí động của ô tô 40
Hình 2.18 Sơ đồ hệ truyền lực 41
Hình 2.19 Hệ số phụ thuộc tỷ số truyền chung ig xe con 41
Hình 2.20 Hệ số phụ thuộc tỷ số truyền chung ig xe tải 42
Hình 2.21 Quan hệ hệ số truyền lực (f1=fV;f2=fH) và gia tốc 46

Hình 2.22 Lực phanh riêng phụ thuộc gia tốc phanh 49
Hình 2.23 Hệ số khuếch cơ cấu phanh và cấp mô men phanh khác nhau 50
Hình 2.24 Đồ thị phanh 51
Hình 2.25. Đồ thị lực tiếp tuyến 53
Hình 2.26 Đồ thi lực tiếp tuyến khi tăng tốc 56
Hình 2.27 Đặc tính tăng tốc 57
Hình 2.28 Hệ truyền lực AUDI QUATTRO 59
Hình 2.29 Hệ truyền lực Mercedes-Benz 59
Hình 2.30 Đồ thị phân bố mô men phanh 60
Hình 2.31 Phân bố mô men phanh có điều hòa lực phanh 61
Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển động lực ô tô 68
Hình 3.2 Trạng thái điều khiển khi quay vòng thiếu và thừa 69
Hình 3.3 Các thông số đặc trưng đặc tính quay vòng 70
Hình 3.4 Nguyên lý lái tích cực 71
Hình 3.5 Hệ thống lái tích cực 71
Hình 3.6 Sơ đồ lái 4 bánh 4WS 72
Hình 3.7Hệ thống lái 4 bánh 72
8
Hình 3.8 Hệ thống lái 4 bánh 73
Hình 3.9 Hệ thống lái “Steer-by-Wire” 73
Hình 3.10 Hệ thống treo điều khiển mức (độ cao) 74
Hình 3.11 Lịch sử phát triển cơ điện tử trong ô tô 74
Hình 3.12 Điều khiển tích hợp dọc ngang 76
Hình 3.13 Hệ điều khiển tích hợp GCC 76
Hình 3.14 Quan hệ về điều khiển 77
Hình 3.15. Hệ thống điều khiển lực kéo TCS 80
Hình 3.16. Hệ thống điều khiển lực kéo TCS 81
Hình 3.17 Hệ tích hợp điều khiển ABS/TCS khi phanh 82
Hình 3.18. Cầu vi sai hạn chế trượt 83
Hình 3.19 Vi sai giữa của Hãng Volvo 85

Hình 3.20 Ly hợp đĩa nam châm điện 85
Hình 3.21 Sơ đồ điều khiển vi sai giữa 86
Hình 3.22 Sơ đồ điều khiển vi sai giữa 86
Hình 3.23 Sơ đồ cụm vi sai-truyền lực cạnh 87
Hình 3.24 Sơ đồ phân mô men 87
9
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khi mà ô tô đã trở thành phương tiện đi lại ngày càng phổ biến,
tốc độ ô tô ngày càng tăng cao thì yêu cầu về độ an toàn cũng như sự thuận tiện
khi điều khiển ô tô ngày càng yêu cầu phải cao hơn. 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 khách quan từ ngoại cảnh…rồi
các yếu tố bất ngờ tất cả sẽ ảnh hưởng rất lớn đến an toàn khi xe lưu thông. Lái
xe có 3 phản ứng khi điều khiển là (i) quay vô lăng, (ii) ga hoặc (iii) phanh. Phản
ứng của xe có thể đặc trưng bởi vận tốc dọc, vận tốc ngang và góc quay thân xe
quqng trục z. Ban đầu người ta giả thiết bánh xe quay không trượt thì phản ưng
của xe là tuyến tính. Trong thực tế xe phản ứng không tuyến tính vì bánh xe
quay có trượt.
Trong khuôn khổ của đề tài, tác giả đã thiết lập mô hình động lực học một
dãy. Với mô hình động lực một dãy, ta cần xét hai trường hợp khi chuyển động
thẳng gồm tăng tốc và phanh:
(i) Xe chuyển động không trượt: với nội dung này, ta có thể xét điều kiện cân
bằng lực kéo và công suất, cơ sở thiết kế hệ truyền lực;
(ii) Xe chuyển động có trượt: Mô hình động lực học có trượt gầm với thực tế,
là cơ sở đánh giá các quá trình chuyển động sát thực tế hơn và là cơ sở lý luận
cho thiết kế các hệ cơ điện tử.
Khi mà số lượng ô tô lưu thông trên đường tăng cũng kéo theo các vấn đề
về tai nạn giao thông do ô tô có thể gây ra. Trước nhu cầu thực tế trên, đề tài đã
được chọn là ‘Nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô tô” để hiểu
về bản chất chuyển động và cơ sở thiết kế các cụm cơ điện tử ô tô. Trong thời

gian làm luận văn, tác giả đã có nhiều cố gắng tích cực và chủ động học hỏi, vận
dụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu các kiến thức mới. Dưới sự hướng
10
dẫn trực tiếp của TS. Dương Ngọc Khánh và các thầy trong Bộ môn ô tô và xe
chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đề tài
đã được hoàn thành các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra.
Mặc dù hết sức cố gắng nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên luận
văn này khó tránh khỏi một vài sai sót, em mong nhận được sự chỉ bảo thêm của
các thầy.
Hà Nội, ngày 26 11/2013
Học viên

Hoàng Ngọc Huy
11
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
1.1. Tổng quan về động lực ô tô
Tăng tốc và phanh là 2 quá trình truyền lực giống nhau trong chuyển động
thẳng, chỉ khác mô men cấp cho bánh xe là mô men dương. Phanh là quá trình
tính từ khi người lái phát hiện thấy có nhu cầu tăng vận tốc đến một giá trị xác
định theo yêu cầu của người lái. Tăng tốc là các quá trình tăng ga, xảy ra thường
xuyên khi ô tô di chuyển. Ngày nay hệ truyền lực ô tô còn là cơ cấutích hợp điều
khiển ổn định EPS, ACC và ô tô tự động GCC. Động cơ đốt trong tạo ra mô men
tại bánh đà, truyền qua hộp số, các đăng, cầu xe và đến bánh xe; tạo ra một mô
men dưới dạng ma sát truyền xuống đường tạo ra phản lực làm xe chuyển động.
Mô men đó có bản chất là mô men được truyền theo nguyên lý “truyền khớp-đàn
hồi-ma sát”. Nó khác mô men phanh chỉ do hướng truyền ngược lại; nguyên lý
truyền cũng giống nguyên lý phanh như hình 1.1.
Hình 1.1. Nguyên lý phanh
12

Hình 1.2. Động lực học bánh xe khi phanh
Hình 1.3. Động lực học bánh xe khi tăng tốc
13
Hình 1.3 là sơ đồ động lực học bánh xe khi tăng tốc; còn hình 1.2 là bánh
xe phanh. Bản chất là giống nhau, chỉ khác chiều của mô men cấp. Phương trình
mô tả chuyển động của bánh xe trong các ô tô cơ điện tử là như nhau:
ij ij ij ij ij 0ij ij ij
ij Aij ij
( )[ ( )]
Ay A x z
B
J M F F f r h
M M M
ϕ ξ
= − + − −
= −
&&
Trong đó
Aij
M
là mô men từ động cơ,
Bij
M
là mô men phanh.
Khi phanh/tăngtốc xảy ra hai quá trình: ma sát giữa má phanh và trống
phanh(đĩa phanh) xảy ra trong cơ cấu phanh; ma sát giữa bánh xe với mặt
đường. Ma sát trong cơ cấu phanh được đặc trưng bởi hệ số ma sát giữa vật liệu
làm guốc phanh, má phanh với trống phanh hay đĩa phanh. Ma sát giữa bánh xe
với mặt đường đặc trưng bằng hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường. Ma sát
giữa guốc phanh, má phanh và trống phanh làm giảm tốc độ quay của bánh xe.

Ma sát giữa bánh xe và mặt đường làm giảm tốc độ chuyển động của ôtô. Hệ
thống phanh có hiệu quả tốt thì phần động năng phải được tiêu tán trong cơ cấu
phanh dưới dạng nhiệt; tức là cơ cấu phanh không bị bó cứng. Khi tăng tốc, mô
men tuyền từ động cơ qua bán trục tạo ra mô men chủ động
Aij
M
, khác với mô
men phanh về cơ chế truyền. Tuy nhiên, quan hệ truyền dưới đường là như nhau:
“Truyền khớp-đàn hồi-ma sát”. Trong hệ truyền lực cũng tồn tại nhiều khâu ma
sát mà xét đến vượt ra khỏi nội dung của luận án này. Chúng ta chỉ xét mô men
truyền, chủ động hoặc phanh truyền xuống đường như một khâu ma sát.
(i) Quá trình ma sát trong cơ cấu đặc trưng bởi hệ số ma sát khô hoặc ướt;
phụ thuộc lực ép (cường độ phanh) và nhiệt độ má phanh;
(ii) Quá trình ma sát giữa lốp và đường phức tạp hơn nhiều, phụ thuộc cấu
trúc lốp và áp suất lốp với độ mấp mô tế vi của đường, đặc trưng bởi hệ số bám
cực đại và hệ số bám cực tiểu, phụ thuộc động lực học bánh xe đàn hồi (phụ
14
thuộc phản lực đường lên bánh xe phương thẳng đứng và mô men chủ động/mô
men phanh).
Khi phanh/tăng tốc, lái xe đạp phanh/ga, tạo ra mô men cho bánh xe
Bij
M
/
Aij
M
. Khi đó có hai thông số vận tốc là vận tốc dài và vận tộc quay; hai vận tốc
này không bằng nhau, một phần do lốp biến dạng, một phần do trượt tương đối
giữa lốp đường. Trượt xảy ra khi quá trình đàn hồi kết thúc. Đặc trưng cho sự
tổn hao vận tốc là hệ số trượt. Hình (1.2;1.3) các thông số động lực học của
bánh xe khi phanh và tăng tốc; hình (1.4) là đặc tính lốp. Đặc tính lốp là hàm phụ

thuộc giữa hệ số bám dọc, hệ số bám ngang với hệ số trượt dọc.
Hình 1.4. Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng truyền lực bánh xe đàn hồi:
+ Phản lực tác dụng từ đường: mấp mô đường, đường nghiêng, gió;
+ Lực quán tính ly tâm khi tăng tốc, khi phanh, chất tải lệch trọng tâm;
+ Độ bám giữa lốp và đường: mấp mô tế vi, môi chất giữa lốp và đường
(nước, bụi, cát);
+ Cấu trúc của lốp: độ đàn hồi hướng kính, tiếp tuyến và ngang;
15
+ Động lực học bánh xe: cường độ phanh, tốc độ tăng mômen khi phanh.
Điều này dẫn đến sự trượt bánh xe. Người ta thường biểu diễn lực tương tác
bánh xe theo hệ số bám
,
x y
ϕ ϕ
và phản lực
Z
F
:

X Z x
F F
ϕ
=
(1.1)

Y Z y
F F
ϕ
=

(1.2)
Như vậy các lực tương tác khi phanh phụ thuộc hai yếu tố:
+
Z
F
: thông số này phụ thuộc động lực học phương thẳng đứng, phụ thuộc
các yếu tố như mấp mô mặt đường, đường nghiêng, gió, lực quán tính ly tâm khi
tăng tốc, khi phanh, quay vô lăng.
+
,
x y
ϕ ϕ
: là hệ số bám (còn được gọi là hệ số truyền lực) phụ thuộc các yếu
tố như cấu trúc của lốp, bề mặt đường, vận tốc trượt dọc, trượt ngang.
Ngoài ra khi phanh với xe có 4 bánh, các cặp
( )
Z
, , , ,
X y x y
i
F F F
ϕ ϕ
rất khác
nhau. Điều này gây mất ổn định và mất khả năng điều khiển do lực phanh hai
phía khác nhau và bánh xe không có khả năng truyền lực. Hệ truyền lực hiện đại
có ba vi sai, cú thể là vi sai có điều khiển nên mô men cấp cũng khác nhau, vì
vậy bánh xe có thể trượt lết khi phanh.
Việc xác định các quan hệ động lực học của quá trình phanh để khảo sát các
yếu tố ảnh hưởng đến khả năng truyền lực là một việc làm cần thiết theo hai góc

độ:
+ Có kỹ thuật phanh hợp lý cho lái xe;
+ Có biện pháp kết cấu nâng cao hiệu quả truyền lực bánh xe thông qua
ABS+TCS ;
Việc mô tả quá trình động lực học ô tô (phanh và tăng tốc) là khó khăn vì
các yếu tố của quá trình phanh là thay đổi:
16
+ Đường xá thay đổi dẫn đến hệ số bám thay đổi;
+ Cấu trúc xe và lốp thay đổi;
+ Phản xạ của người lái khác nhau; thời gian phản ứng khác nhau;
+ Môi trường khi phanh/tăng.
Các hàm mục tiêu về khả năng truyền lực do vậy phụ thuộc nhiều yếu tố mà
khi thí nghiệm trên đường không thể xác định tường minh được. Vì vậy nghiên
cứu quá trình đó nhằm nâng cao hiệu quả động lực bằng mô hình có ý nghĩa to
lớn. Những kết quả nghiên cứu bằng mô hình sẽ được hiệu chỉnh bởi các thí
nghiệm đơn lẻ.
+ Khả năng truyền lực là một hàm đa biến chỉ có thể khảo sát sự phụ
thuộc bằng mô hình;
+ Khả năng truyền lực thực chất phụ thuộc vào phản lực
Z
F
và hệ số bám
,
x y
ϕ ϕ
. Các hệ số
,
x y
ϕ ϕ
là một hàm đa biến, trước hết phải được nghiên cứu dưới

dạng quy luật và sau đó tuỳ vào điều kiện cụ thể của xe và đường mà xác định
các trị số (tham số) để mô tả chính xác các quá trình phanh cụ thể.
1.2. Mục tiêu đề tài
Xuất phát từ ý tưởng trên, luận văn hướng tới: “Nghiên cứu tổng quan về
động lực học dọc của ô tô ”. Nghiên cứu động lực học ôtô là tìm ra quy luật
chuyển động của ôtô từ 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. Quỹ đạo chuyển động của ô
tô được xác định bởi vận tốc, gia tốc, quỹ đạo chuyển động bởi các thông số
( , , )x y
ψ
&
& &
; đồng thời quỹ đạo chuyển động của nó được khái quát 3 trạng thái:
- Quay vòng đủ:ở trạng thái này ôtô có tính chất quay vòng lý tưởng, ở
trường hợp này bán kính quay vòng thực tế của xe bằng với bán kính quay vòng
yêu cầu. Xe chạy ổn định.
17
- Quay vòng thiếu: là trạng thái mà lái xe quay vô lăng nhiều hơn để vào
cua. Trường hợp giới hạn xe có thể chuyển động theo phương tiếp tuyến. Trong
trường hợp này xe có thể rơi vào trạng thái nguy hiểm - mất lái.
- Quay vòng thừa: ôtô có tính năng quay vòng thừa tức là bán kính quay
vòng của xe nhỏ hơn bán kính yêu cầu, ở trạng thái này xe bị mất ổn định nguy
hiểm.
Hình 1.5. Sơ đồ điều khiển ô tô
Nhìn vào hình 1.5 chúng ta thấy lái xe có ba tác động: Ga để thay đổi
mômen của động cơ (M
A
), phanh để tạo ra mô men phanh (M
B
) và quay vô lăng

δ. Dưới điều kiện ngoại cảnh như gió, đường nghiêng, lực quán tính, có thể làm
thay đổi phản lực F
z
lên các bánh xe và từ đó làm thay đổi các lực phương dọc và
phương ngang tại các bánh xe, khi đó ô tô sẽ chuyển động với vận tốc dọc
x
&
, vận
tốc ngang
y
&
, vận tốc góc quay thân xe
ψ
&
.
Trong thực tế thì M
A,
M
B
, δ không có quan hệ tuyến tính với hàm phản ứng
( , , )x y
ψ
&
& &
. Vì vậy việc nghiên cứu thiết lập một mô hình động lực học ô tô để xác
định các giới hạn nguy hiểm là điều cần thiết, chúng ta có thể thiết lập quan hệ
như hình 1.5. Các thông số
( , , )x y
ψ
&

& &
là đặc trưng cho phản ứng của xe, được xác
định quỹ đạo chuyển động của ô tô cũng như trạng thái quay vòng của ô tô.
Chính vì vậy, việc thiết lập một mô hình động lực học ô tô là cần thiết nhằm xác
18
định các yếu tố cấu trúc của ô tô, phản ứng của lái xe và các yếu tố ngoại cảnh là
mục tiêu của nội dung nghiên cứu.
Hình 1.6. Quan hệ động lực học ô tô
Các yếu tố ảnh hưởng:
1. Điều kiện đường:
- Độ bám, tính chất mặt đường;
- Độ nghiêng, độ dốc của đường;
- Các lực quán tính dọc, ngang.
2. Phản ứng lái xe:
- Tốc độ ga, phanh, quay vô lăng và giá trị cực đại của M
A
, M
B
, δ.
3. Cấu trúc của ô tô:
- Phân bố khối lượng (tọa độ trọng tâm);
- Kết cấu lốp (liên quan đến độ cứng dọc, độ cứng ngang, hướng kính).
Mục tiêu nghiên cứu động lực học phương dọc ô tô là:
(i) Xác định các giới hạn chuyển động của ô tô (a) với mô hình
không trượt xác định điều kiện cân bằng công suất/lực kéo; giới hạn
chuyển động; (b) với mô hình một dãy phẳng có trượt ta nghiên cứu
chuyển động ô tô gần với thực tế hơn, thiết lập các quan hệ điều khiển
ABS/TCS, vi sai điện tử.
19
(ii) Tổng quan các hệ điều khiển ô tô.

1.3. Nội dung của luận văn
Cấu trúc của luận văn: “Nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô
tô ” có 3 phần chính như sau:
(i) Tổng quan về động lực học ô tô;
(ii) Mô hình động lực học phẳng một dãy;
(iii)Điều khiển động lực học.
Chương 2
MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG Ô TÔ
2.1. Tổng quan về động lực học ô tô
Động lực học ô tô là tích hợp giữa động lực học phương ngang, thẳng đứng
và động lực học phương dọc:
(i) Động lực học dọc/Longitudinal Dynamics
20
(ii) Động lực học phương thẳng đứng/Vertical Dynamics
(iii) Động lực học ngang/Lateral Dynamics
Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động góc. Thân xe liên
kết với 4 bánh xe; động lực học bánh xe như một mô hình con. Như vậy động
lực học ô tô là một mô hình tích hợp: là động lực học của một hệ cơ học nhiều
vật, liên kết đàn hồi và liên kết ma sát, liên kết khớp. Động lực học của ô tô được
mô tả trong hệ cố định G(OXYZ). Nhưng để mô tả các hệ con ta phải xác lập các
hệ cục bộ B(oxyz). Giữa chúng liên hệ với nhau qua các ma trận xoay.Về
phương pháp nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học, thuận tiện nhất là
tách cấu trúc theo nguyên lý hệ nhiều vật MBS. Trong sơ đồ hình 2.1 là cấu trúc
hệ động lực học ô tô.
(i) Mô đun chính “XY” là mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng nền
XOY, mô tả chuyển động tịnh tiến phương x, phương ngang y và chuyển động
quay thân xe; thông số đầu vào là các lực/mô mentương tác bánh xe
yj
, ,
xj zj

F F M

mà thông số ra là các đại lượng
, , ; , ,
z
x y mx my J
ψ ψ
& &&
& & && &&
.
(ii) Mô đun “mô hình lốp” xác định lực/mô men tương tác bánh xe
yj
, ,
xj zj
F F M
. Thông số đầu vào cho mô hình lốp là hệ số trượt dọc và hệ số lệch
bên bánh xe. Để xác định các hệ số trượt dọc ta cần mô đun động lực học “bánh
xe” với thông số ra là vận tốc góc
ϕ
&
. Các thông số động học bánh xe “vận tốc
dọc, vận tốc ngang
w w
,
j j
x y
& &
” được xác định qua ma trận xoay giữa hai hệ tọa độ cố
định và cục bộ.
21

Hình 2.1. Cấu trúc mô hình động lực học ô tô
(iii) Mô đun bánh xe “R” mô tả động lực học (quay) của bánh xe trong mặt
phẳng thẳng đứng.
(iv) Mô đun “Động lực học ô tô phương thẳng đứng z” nhằm xác định các
phản lực
zj
F
bao gồm các mô đun con: (i) mô đun dao động dọc, (ii) mô đun dao
động ngang, (iii) mô đun dao động ngang cầu xe, (iv) mô đun hệ thống treo.
Trong mô đun bánh xe “lốp” có thông số vào
zj
F
, vì vậy ta cần thiết lập mô hình
22
động lực học phương thẳng đứng z. Trong mô đun này có mô đun động lực học
thẳng đứng thân xe dọc và ngang, cầu xe, mô đun “Hệ thống treo”.
Hình 2.2. Hệ tọa độ và các thông số động lực học ô tô cơ bản
Hình 2.2 định nghĩa hệ toạ độ xe B (Cxyz) với trọng tâm C. Trục x đi qua C
là trục hướng chuyển động của ô tô; trục y đi qua C sang trái của lái xe là hướng
chuyển động ngang; trục z chuyển động đi lên vuông góc với mặt xy theo quy
tắc bàn tay phải. Ở đây ta giả thiết đường phẳng, đường mấp mô sẽ được xét ở
phần sau. Góc ϕ chỉ hướng lắc ngang quang trục x và ψ chỉ hướng quay quanh
trục z. Ba đại lượng x,y,ψ đặc trưng cho chuyển động của ô tô. Thân xe có ba
chuyển động tịnh tiến x,y,z và 3 chuyển động góc ϕ (lắc ngang), ψ (quay đứng),
lắc dọc
φ
. Xét tổng quát 6 bậc tự do là rất phức tạp; chưa tính đến 6 bậc tự do
của 4 bánh xe. Vì vậy ta xét động lực học trong mặt phẳng nền (XY) để thiết lập
phương trình chuyển động; các động lực khác được xét như các mô hình con.
(i) Mô đun động lực học trong mặt phẳng nền “

xy
ψ
”: Thông số vào là lực
gió ngang
w w
,
x y
F F
và mô men gió
wx
M
,
wy
M
; các lực/mô men tương tác bánh xe
ij ij
, ,
yij x z
F F M
; Thông số ra cơ bản là
, , ; , , x y mx my
ψ ψ
& &&
& & && &&
sơ đồ cấu trúc như hình
2.3.
23
Hình 2.3. Mô đun động lực học trong mặt phẳng xy
(ii) Mô đun động lực học bánh xe và mô hình lốp: Mô đun động lực học
bánh xe có thông số vào là

ij ij ij
, ,
z x
M F F
, thông số ra là
ϕ
&
; mô hình lốp có thông số
vào là
ij ij ij ij
, , ,
z
F x y
ϕ
&
& &
, thông số ra là các lực tương tác bánh xe
ij ij
, ,
x yij z
F F M
(hình
2.3, trái).
(iii) Mô đun dao động lắc ngang: thông số vào
w , w ij ij
, ,
y x C k
M M F F
; thông số ra
là

,
x
J
β β
&&
; mô đun lắc dọc: thông số vào
w , w ij ij
, ,
y x C k
M M F F
; thông số ra
, , , ,
y
J mz z z
ϕ ϕϕ
&& &&
&& &&
, hình (2.4).
Hình 2.4. Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải)
24
Hình 2.5. Mô đun động lực học ngang cầu xe và hệ thống treo
(iv)Mô hình dao động ngang cầu xe và hệ thống treo: thông số vào hệ thống
treo là chuyển vị và vận tốc chuyển vị cầu xe và chuyển vị, vận tốc chuyển vị
đầu trên hệ thống treo
ij
z
; thông số ra của mô đun này là
ij,
, , ,
z A A A A

F
ξ ξ ϕ ϕ
&
&
(xem
hình 2.5).
2.2 Phương trình chuyển động tổng quát ô tô
Chuyển động của ô tô được mô tả trong hệ tọa độ cố đinh G (XYZ) và hệ
tọa độ xe B (Cxyz) là hệ toạ độ xe (vật).G
d
là véc tơ vị trí từ gốc của G đến
trọng tâm C của xe B(Cxyz), hình 2.2. Trong mặt phẳng nền XY xe có ba
chuyển dộng là chuyển động tịnh tiến phương x, phương ngang y và quay quanh
trục x. Chuyển động của ô tô được xác định bới các lực tương tác bánh xe, vì vậy
động học ô tô còn chịu ảnh hưởng của động lực học phương thẳng đứng. Dựa
vào Phương trình Newton-Euler cho hệ vật rắn, ta có phương trình tổng quát
chuyển động ô tô:
Phương trình chuyển động viết trong hệ vật B:
25
B B
G F
B G
G B
B
G B
B B B
B G B B
( m )
m
m m

=
=
=
= + ×
F R G
R a
a
vω v
&
(2.1)

G
B B
B
G B
B B B
G B
B B B B B
G B G B G B
d
dt
( )
=
=
= + ×
= + ×
M L
L
Lω L
Iω ω I ω

&
&
&

(2.2)
Véc tơ vận tốc của trọng tâm xe C trong hệ B:
T
B
C x y z
v v v
 
=
 
v

(2.3)
Trong đó v
x
là thành phần tịnh tiến, v
y
là vận tốc ngang của xe.
Véc tơ gia tốc tương ứng:
T
B
C x y z
v v v
 
=
 
v

& & & &
(2.4)
Véc tơ vận tốc quay thân xe:
T
T
B
G B x y z
ω ω ω ϕ φ ψ
 
 
= =
 
 
ω
&
& &

(2.5)
Véc tơ gia tốc tại trong tâm xe
T
T
B
G B x y z
ω ω ω ϕ φ ψ
 
 
= =
 
 
ω

&&
& & & & && &&

(2.6)
Ma trận quán tính chính:
1
2
3
0 0
0 0
0 0
I
I
I
I
 
 
=
 
 
 
B
(2.7)