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

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC
HỌC DỌC CỦA Ô TÔ
Tác giả luận văn: Hoàng Ngọc Huy
Người hướng dẫn: TS. Dương Ngọc Khánh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
BÁO CÁO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
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 “Nghiên cứu tổng quan về động lực
học dọc của ô tô” được nghiên cứu để hiểu về bản chất
chuyển động và cơ sở thiết kế các cụm cơ điện tử điều khiển
động lực học ô tô nhằm tăng tính an toàn chuyển động của ô
tô. Nội dung cơ bản của luận văn bao gồm:
1.Tổng quan về động lực học ô tô;
2.Mô hình động lực học phẳng một dãy;
3.Điều khiển động lực học.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
Sơ đồ điều khiển ô tô
Khi lái xe có ba tác động cơ bản: 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, vận tốc ngang ,

vận tốc góc quay thân xe
1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Động lực học bánh xe khi phanh chỉ ra các thành phần lực tác
dụng lên bánh xe khi phanh. Còn đặc tính lốp thì chỉ ra mối
quan hệ giữa các lực tương tác với hệ số bám
Động lực học bánh xe khi phanh
Đồ Thị Đặc tính lốp
Động lực học quá trình phanh
1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phanh:
+ 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
+ Cấu trúc của lốp: độ đàn hồi hướng kính, tiếp tuyến và
ngang;
+ Động lực học bánh xe: cường độ phanh, tốc độ tăng
mômen khi phanh.
Động lực học quá trình phanh
1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
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 để đưa ra các hướng:

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;

Tuy nhiên việc đó gặp nhiều khó khăn như sau:

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 tốc.
Động lực học quá trình phanh
1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Quỹ đạo chuyển động của ô tô được khái quát ở 3 trạng thái:
-
Quay vòng đủ:Trong trường hợp này bán kính quay vòng
thực tế của xe bằng với bán kính quay vòng yêu cầu. Xe
chạy ổn định
-
Quay vòng thiếu: 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: Trong trường hợp này bán kính quay vòng
của xe nhỏ hơn bán kính yêu cầu, ở trạng thái này xe bị mất
ổn định nguy hiểm.
Động lực học khi quay vòng
1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Động lực học ô tô là tích hợp của:


Động lực học dọc/Longitudinal Dynamics

Động lực học phương thẳng đứng/Vertical Dynamics

Động lực học ngang/Lateral Dynamics
2. LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Mô hình dao động xe xác định các thành phần chuyển động
theo phương thẳng đứng của xe. Mô hình này gồm các mô
đun: Dao động ngang, Dao động dọc, Hệ thống treo.
Mô hình dao động xe
2. LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ .
Thông số vào là lực gió dọc F
wx
và mô men gió M
wy
; các lực
liên kết tại các cầu F
Cj
, F
Kj
,; Thông số ra cơ bản là độ dao động
thân xe, góc xoay thân xe, vận tốc dao động thân xe, vận tốc
góc xoay ngang thân xe.
Mô đun dao động dọc
2. LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Thông số vào là lực gió ngang F
wy
và mô men gió M
wx
; các

lực liên kết tại các cầu F
Cj
, F
Kj
,; Thông số ra cơ bản là góc lắc
ngang thân xe, vận tốc góc lắc ngang thân xe.
Mô đun dao động ngang
MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Mô hình động lực học phương dọc
Có hai mô hình động lực học dọc cơ bản là:

Mô hình động lực học dọc bánh xe quay không trượt;

Mô hình động lực học dọc khi bánh xe quay có trượt.
2. LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Mô hình động lực học phẳng (tách cấu trúc)
1 2 1 2 W 1 2
1 1 1 1 1 1 1 1
2 2 2 2 2 2 2 2 1
1 2 1 2
1 1 1 1 1
2 2 2 2 2
2 2 1 1
( ) ( ) sin
( )
( )
( ) ( ) (
A A x x x A A
A A A B x z d
A A A B x z d

c c k k
A A c k Cl
A A c k Cl
y c k c k
m m m x F F F m m m g
J M M F F f r
J M M F F f r
mz F F F F
m F F F
m F F F
J F F b F F a M
α
ϕ
ϕ
ζ
ζ
ϕ
+ + = + − − + +
= − − +
= − − +
= + + +
= − − −
= − − −
= + − + −
&&
&&
&&
&&
&&
&&

&&
' '
1 2 1 2
) ( )( )
x x
M h r F F














+ − − +

Với giả thiết thân xe và bánh xe có
cùng vận tốc dài và thay hệ số cản
lăn f=e/r, ta lập được hệ phương
trình vi phân cấp 2 gồm 7 phương
trình:
2. LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Thành phần tải trọng thẳng đứng
Tải trọng thẳng đứng F

z1
, F
z2
có ảnh hưởng quyết định đến khả năng truyền
lực.

,
1 2
1 w
( cos sin ) ( )
WA G
A R R
Z G A x R
d d
M F
h J J
b h b h r
F F F F x F
l l l l l g l r l r l l
α α
 
 
   
= − − − + − + + −
     
 ÷
   
 
 
&&

1 2
2 w 2
( cos sin ) ( )
G
R R
z G z R
d d
F
J Ja h h r
F F F x F
l l g l r l r l l
α α
 
 
= + − + + + +
   
 
 
&&
Nhận xét:
Gió luôn tạo ra lực nâng và đều làm giảm tải trọng cho các cầu.
Với gia tốc dương (tăng tốc), tải trọng cầu trước giảm, cầu sau tăng; khi
phanh thì ngược lại.
Lực cản lăn làm giảm tải cho cầu trước và tăng tải cho cầu sau.
Khi lên dốc cầu sau được tăng tải còn cầu trước bị giảm tải.

2. LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Khả năng truyền lực xe một cầu chủ động
Momen yêu cầu M
1

, M
2
để cân bằng với các lực cản được viết dưới
dạng:

1 2 1 2
w
2
2
w
1 2
( )
sin
( sin )
2
A A
G G R x
d d
G x
M M x J J
x
F F F F
r g r
x v
F f C A
g
M M M
α
λ α ρ
+ +

= + + + +
= + + +
= +
&&&&
&&
2
2
2
2
1
1
1 2
1
1, w 1 1 2
( )
2
( ) ( )
G
A
q R wx
x d
G d
A A
z
z t z R R
d
F
J v
x F F C A
F g r

f
F r
J Jh
F
F F x F F
g l r l l
ρ
+ + + +
= =
+
− − + − +
&&
&&
2
2
2
2
2
1 2
2
2, w 2 1 2
( ) ( )
A
R
x d
G d
A A
z
z t z R R
d

J x
F
F r
f
F r
J Jh
F
F F x F F
g l r l l
− −
= =
+
− − + + +
&&
&&
Với cầu trước chủ động. Các hệ số truyền lực f
1
f
2
được viết như sau:

2. LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Nhận xét:

Hệ số truyền lực của bánh xe bị động rất bé so với bánh xe chủ động, nó
chỉ bao gồm phần lực cản lăn và tăng tốc quay cho bánh xe bị động.

Hệ số truyền lực của bánh xe chủ động chịu ảnh hưởng tải trọng tĩnh :
nếu tải trọng tĩnh tăng thì nó sẽ giảm.


Khi tăng tốc, hệ số truyền lực của cầu chủ động ở hệ truyền lực cầu trước
chủ động lớn hơn cầu sau chủ động vì tải trọng cầu trước bị giảm khi tăng
tốc, còn cầu sau tăng.

Hệ số truyền lực của cầu chủ động giảm đi khi trọng tâm nằm gần cầu chủ
động.

Hệ số truyền lực càng giảm khi lực nâng không khí tại cầu chủ động giảm.

2. LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Khả năng truyền lực của xe bốn
bánh chủ động 4WD
Nếu tồn tại một hệ truyền lực có
thể thay đổi được hệ số phân bố
mômen i để hệ số truyền lực ở các
bánh sau bằng các bánh trước và
bằng hệ số bám thì hệ số phân bố
đó là lý tưởng i
idea
.
Đồ thị Quan hệ hệ số truyền lực
(f
1
=f
V
;f
2
=f
H
) và gia tốc

2
4
w
sin
2
cos
G G wx
x
WD
idea
z G z
x v
F F c A
F
g
f
F F F
α ρ
α
+ +
= =
−
∑
∑
&&
2. LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Khả năng truyền lực khi phanh
Gia tốc chậm dần của ôtô được
tạo ra bởi các lực cản chuyển
động và mômen phanh ở các bánh

xe
Đồ thị lực phanh riêng phụ thuộc
gia tốc phanh
3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định ô tô

Các phản lực từ đường lên lốp F
z
: Các phản lực đó chịu tác động của
các yếu tố ngoại cảnh như mấp mô mặt đường, đường dốc đường
nghiêng, các lực do gió gây ra, các lực và mô men quán tinh khi lái xe
tăng tốc, phanh và quay vô lăng.

Hệ số bám thay đổi và khác nhau giữa các bánh xe: Cấu trúc lốp, bề
mặt đường, độ ẩm, nhiệt độ lốp đường.

Các mô men chủ động và mô men phanh được cấp không hợp lý,
vượt quá giới hạn bám.

Tác động của lái xe thái quá, tạo ra các mô men bánh xe lớn hơn sự
cần thiết và tác động đột ngột, nhất là các trạng thái nguy hiểm và
đường trơn mà lái xe không kiểm soát được.
Động lực học ô tô là một chỉnh thể nhất quán, không tách rời được.
Khi chuyển động trên đường, xe chịu các yếu tố ngoại cảnh như gió, đường
nghiêng/dốc; độ bám và chịu tác động của lái xe như mức độ ga (M
A
), phanh (M
B
)
và quay vô lăng. Các yếu tố ngoại cảnh và các phản ứng của lái xe là ngẫu nhiên,

khác nhau ở từng lái xe. Tương tác bánh xe với đường có tính chất phi tuyến:
3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Các mô đun điều khiển được
phân như sau:

Điều khiển động lực học
phương dọc

Điều khiển động lực học
phương thẳng đứng

Điều khiển động lực học
phương ngang

Điều khiển tích hợp
Điều khiển động lực học
Sơ đồ tương tác của ô tô
Điều khiển động lực học dọc
Mục tiêu của điều khiển động lực học dọc là điều khiển Lực kéo/ lực phanh; tối
ưu quá trình tăng tốc và phanh thông qua ABS và TCS. Hệ tích hợp ABS và TCS
là điều khiển ổn định hướng ESP
Trạng thái điều khiển khi quay
vòng thiếu và thừa
Động lực học phương dọc được điều
khiển về:

Phương thức: Điều khiển hệ số trượt

Công cụ để điều khiển:
- Hệ thống phanh ABS/TCS

- Vi sai điện tử/Phân bố mô men.
3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Điều khiển động lực học ngang
Khi quay vô lăng, lái xe không xác
định chính xác góc quay bánh xe
cần thiết. Vì vậy việc quay vô lăng
không đúng xe có thể chuyển
động không đúng quỹ đạo.
Đặc tính quay vòng thừa hoặc
thiếu là hai hàm điều khiển cần
quan tâm, đặc trưng bởi góc lệch
bên bánh xe hoặc vận tốc và gia
tốc góc quay thân xe quanh trục
thẳng đứng. Để kiểm soát việc
đảnh lái không đúng của lái xe, hệ
thống lái tích cực ra đời.
Các thông số đặc trưng đặc tính quay vòng
3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Điều khiển động lực học phương thẳng đứng

Hệ thống treo điều khiển

Điều khiển mức

Giảm chấn điện tử

Thanh ổn định tích cực
3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Hệ thống treo điều khiển mức (độ cao)
Hướng phát triển an toàn động lực học

“Điều khiển động lực học ô tô là các biện pháp tự động hoá từng phần, tích
hợp, mở rộng khả năng vốn bị hạn chế của lái xe”
Lịch sử phát triển cơ điện tử trong ô tô
3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Điều khiển động lực tích hợp
Sơ đồ quan hệ về điều khiển
3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Điều khiển hệ thống treo gồm:
1: Đàn hồi thụ động;
2: Khí thụ động;
3: Đàn hồi tích cực;
4: Giảm chấn thủy lực thay đổi lực cản;
5:Thanh ổn định thụ động;
6: Thanh ổn định tích cực.
7. Cản khí thụ động ;
8: Khí nén điều khiển.

Điều khiển công lắc ngang:

Điều khiển hệ thống phanh: Gồm hệ
thống phanh thủy lực HB; Hệ thống
phanh khí điều khiển điện tử EPB; Hệ
thống phanh Điện - thủy lực EHB; Hệ
thống phanh Điện-cơ EMB.

Hệ thống lái: Hệ thống lái thủy lực
HL; hệ thống lái có tỷ số truyền thay
đổi ULL; Điều khiển ổn định ESP;lái
bằng dây “Steer-by-Wire”.


Hệ thống hỗ trợ lái xe: ACC, ACC
++
,
cảnh báo đâm, tránh đâm.