Khảo sát động lực học ô tô tăng tốc và quay vòng bằng mô hình một dãy phi tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

HÀ QUỐC LỊCH

KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ TĂNG TỐC VÀ
QUAY VÒNG BẰNG MÔ HÌNH MỘT DÃY PHI TUYẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật Cơ khí động lực

Hà Nội – Năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

HÀ QUỐC LỊCH

KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ TĂNG TỐC VÀ
QUAY VÒNG BẰNG MÔ HÌNH MỘT DÃY PHI TUYẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật Cơ khí động lực

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS.LƯU VĂN TUẤN

Hà Nội – Năm 2013

1

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... 6
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................... 9
Chương 1 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 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ........................... 20
2.1. Cơ sơ lý thuyết lập mô hình ...................................................................... 20
2.2 Phương trình chuyển động tổng quát ......................................................... 24
Chương 3 MÔ HÌNH MỘT DÃY ........................................................................ 37
3.1 Phương trình chuyển động của mô hình một dãy tuyến tính ..................... 38
3.2 Quay vòng tĩnh ........................................................................................... 43
3.3 Ổn định chuyển động thẳng ....................................................................... 46
3.4. Mô hình động lực học ô tô một dãy phi tuyến .......................................... 47
3.5. Phương trình chuyển động ........................................................................ 51
3.6. Mô hình một dãy phi tuyến động lực học ô tô .......................................... 56
Chương 4 KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH TĂNG TỐC ............. 62
4.1 Đối tượng và thông số đầu vào .................................................................. 62
4.2. Kết quả và đánh giá ................................................................................... 63
4.2.1 Thông số điều khiển người lái ............................................................ 63


2
4.2.2 Quỹ đạo, vận tốc và gia tốc ................................................................. 64

4.2.3 Kết quả động lực học .......................................................................... 74
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 81


3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
- A  m2 

: Diện tích, thiết diện

-c

: Hệ số khí động

-   kg / cm3  : Mật độ không khí
- CL  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp
- CL1  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp trước
- CL 2  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp sau
- C  N / m

: Độ cứng hệ thống treo

- C1  N / m 

: Độ cứng treo trước

- C2  N / m  : Độ cứng treo sau
- K  Ns / m  : Hệ số cản hệ thống treo

- K1  Ns / m  : Hệ số cản hệ thống treo trước
- K 2  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

- J  kgm2 

: Mômen quán tính trục y của xe

- J yA1  kgm2  : Mômen quán tính trục y của cầu trước
- J yA2  kgm2  : Mômen quán tính trục y của cầu sau
- h  m

: Chiều cao mấp mô của đường

- h1  m 

: Chiều cao mấp mô của đường phía trước

- h2  m 

: Chiều cao mấp mô của đường phía sau


4
- FZ  N 

: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe

- FZ 1  N 

: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước

- FZ 2  N 

: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau

- FZt  N 

: Tải trọng tĩnh của bánh xe

- FZ 1,t  N 

: Tải trọng tĩnh bánh xe phía trước

- FZ 2,t  N 

: Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau

- FZd  N 

: Tải trọng động bánh xe

- FZ 1,d  N 

: Tải trọng động bánh xe phía trước

- FZ 2,d  N 

: Tải trọng động bánh xe phía sau

- FC  N 

: Lực đàn hồi hệ thống treo

- FC1  N 

: Lực đàn hồi hệ thống treo trước

- FC 2  N 

: Lực đàn hồi hệ thống treo sau

- FK  N 

: Lực cản hệ thống treo

- FK1  N 

: Lực cản hệ thống treo trước

- FK 2  N 

: Lực cản hệ thống treo sau

- FCL  N 

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe

- FCL1  N 

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước

- FCL 2  N 

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau

- m N 

: Khối lượng được treo

- m1  N 

: Khối lượng được treo trước

- m2  N 

: Khối lượng được treo sau

- mA1  N 

: Khối lượng không được treo trước

- mA 2  N 

: Khối lượng không được treo sau


5
- b

: Hệ số bám đường

- ft  m 

: Độ võng tĩnh

- f t1  m 

: Độ võng tĩnh phía trước

- ft 2  m 

: Độ võng tĩnh phía sau

-   rad 

: Góc lắc thân xe

-   m

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu xe

- 1  m 

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước

- 2  m 

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau

-  m / s

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe

- 1  m / s 

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước

- 2  m / s 

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau

-   m / s2 

: Gia tốc phương thẳng đứng cầu xe

- 1  m / s 2 

: Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước

- 2  m / s 2 

: Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau

- z, z, z  m, m / s, m / s 2 

: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối

lượng được treo
- z1 , z1 , z1  m, m / s, m / s 2  : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối
lượng được treo trước
- z2 , z2 , z2  m, m / s, m / s 2  : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối
lượng được treo sau


6

DANH MỤC HÌNH VẼ
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: j = 1,2,3,4 ................................................. 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 3D .................................................................... 28

Hình 2.7. Mặt chiếu bằng .................................................................................... 28
Hình 2.8. Mặt chiếu đứng .................................................................................... 29
Hình 2.6. Cấu trúc lốp .......................................................................................... 35
Hình 2.7. Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe.................................................... 36
Hình 2.8. Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe theo SAE ................................... 36
Hình 2.9. Đặc tính lực Fx(s) tham số  ................................................................ 36
Hình 2.10. Đặc tính lực bên Fy(s) tham số  ...................................................... 36


7
Hình 3.1. Mô hình quay vòng một dãy ................................................................ 37
Hình 3.2. Mô hình một dãy tuyến tính ................................................................. 38
Hình 3.3 Sơ đồ xác định phản lực Fz trong mô hình tuyến tính .......................... 41
Hình 3.4. Mô hình một dãy tuyến tính động lực học ô tô .................................... 42
Hình 3.5. Đặc tính tự lái ....................................................................................... 44
Hình 3.6. Trạng thái quay vòng mô hình một dãy .............................................. 45
Hình 3.7. Mô hình phi tuyến một dãy ................................................................. 48
Hình 3.8. Mô hình phi tuyến một dãy ................................................................. 49
Hình 3.9. Mô hình một dãy phi tuyến ................................................................. 52
Hình 3.10. Cấu trúc lốp ....................................................................................... 54
Hình 3.10. Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe................................................. 55
Hình 3.11. Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe theo SAE ................................ 55
Hình 3.12. Đặc tính lực Fx(s) tham số  ............................................................. 55
Hình 3.13. Đặc tính lực bên Fy(s) tham số  ..................................................... 55
Hình 3.15. Mô đun động lực học ô tô trong mặt phẳng xoy ................................ 56
Hình 3.17. Sơ đồ đặc tính treo ............................................................................. 58
Hình 3.18. Đặc tính lốp ....................................................................................... 59
Hình 4.1. Đồ thị mô men tăng tốc ........................................................................ 63
Hình 4.2. Đồ thị góc đánh lái ............................................................................... 63
Hình 4.3. Đồ thị quỹ đạo di chuyển xe ................................................................ 64

Hình 4.4. Đồ thị vận tốc ngang ............................................................................ 65
Hình 4.5. Đồ thị vận tốc dọc xe ........................................................................... 65


8
Hình 4.6. Đồ thị vận tốc tiếp tuyến ...................................................................... 66
Hình 4.7. Đồ thị tốc độ góc quay bánh sau .......................................................... 66
Hình 4.8. Đồ thị tốc độ góc quay bánh trước ....................................................... 67
Hình 4.9. Đồ thị gia tốc ngang ............................................................................. 67
Hình 4.10. Đồ thị gia tốc dọc ............................................................................... 68
Hình 4.11. Đồ thị gia tốc tiếp tuyến ..................................................................... 68
Hình 4.12. Đồ thị gia tốc góc quay đứng thân xe ................................................ 70
Hình 4.13. Đồ thị vận tốc góc quay đứng thân xe ............................................... 70
Hình 4.14. Đồ thị vận tốc và gia tốc góc quay đứng thân xe ............................... 71
Hình 4.15. Đồ thị góc trượt cầu sau ..................................................................... 71
Hình 4.16. Đồ thị góc trượt cầu trước .................................................................. 72
Hình 4.17. Đồ thị hiệu góc trượt .......................................................................... 72
Hình 4.18. Đồ thị góc hướng................................................................................ 73
Hình 4.19. Đồ thị phản lực mặt đường bánh sau ................................................. 74
Hình 4.20. Đồ thị phản lực mặt đường bánh trước .............................................. 74
Hình 4.21. Đồ thị lực dọc bánh trước .................................................................. 75
Hình 4.22. Đồ thị lực dọc bánh sau...................................................................... 76
Hình 4.23. Đồ thị lực ngang bánh sau.................................................................. 77
Hình 4.24. Đồ thị lực ngang bánh trước .............................................................. 77


9

LỜI NÓI ĐẦU
Khi chuyển động, ô tô chịu ba thao tác của lái xe là ga (tăng tốc), phanh và

quay vô lăng. Ba thao tác đó có thể tích hợp. Mức độ tích hợp đó càng cao khi
thiết kế ô tô cơ điện tử hoặc các xe có trang bị ESP, ABS+TCS, GCC. Trong ba
quá trình đó thì tăng tốc là một quá trình phức tạp hơn, hiện ít được nghiên cứu
hơn là phanh.
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 an toàn chuyển động ngày càng
cao. Hệ thống truyền lực, còn gọi là hệ thông gia tốc cũng có vai trò là hệ thống
an toàn, quyết định đến việc hạn chế tai nạn giao thông. Thêm vào đó cũng cần
có những đánh giá đúng mức ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng
tăngtốc nhằm góp phần làm sáng tỏ bản chất khả năng bám của ô tô khi tăng?
Để góp phần giảm thiểu tai nạn giao thông, tác giả đã lựa chọn đề
tài:”Khảo sát động lưc học ô tô tăng tốc và quay vòng bằng mô hình một
dãy phi tuyến”. Tăng tốc là một quá trình ngược lại quá trình phanh. Như vậy
về bản chất truyền lực là giống quá trình phanh; do vậy mô hình cũng là mô hình
động lực học, chỉ khác các hàm đầu vào. Trong khuôn khổ của một luận văn thạc
sĩ, đề tài được giới hạn với các nội dung sau:
- Tổng quan về động lưc học ô tô;
- Phương pháp xây dựng mô hình động lực học ô tô;
- Xây dựng mô hình mô hình động lực học phanh ô tô một dãy phi tuyến;
- Thiết lập các phương trình toán học mô tả động lực học ô tô;
- Giải hệ phương trình được thành lập trên máy tính;
- Khảo sát một số quá trình động lực học.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn đến các thầy trong Bộ môn Ô tô và Xe
chuyên dụng – Viện Cơ khí động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đặc


10
biệt gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS.Lưu Văn Tuấn đã tận tình giúp đỡ,
hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và các phương pháp giải quyết vấn
đề cụ thể đặt ra.

Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu có hạn nên đề tài khó tránh khỏi sai sót.
Tác giả rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các thầy cô và các
bạn đồng nghiệp nhằm bổ sung và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu
tiếp theo.
Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2013
Tác giả

Hà Quốc Lịch


11

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
1.1. Tổng quan về động lực ô tô
Tăng tốc là một quá trình truyền lực giống quá trình phanh ôtô, chỉ khỏc mô
men cấp cho bánh xe là mô men dương, 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. Ngày nay hệ truyền lực ô tô còn là cơ cấu tích 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:

J Ayij Aij  M ij  ( Fxij  Fzij f )[r0ij  (hij  ij )]
M ij  M Aij  M Bij
Trong đó M Aij là mô men từ động cơ, M Bij là mô men phanh.
Khi phanh/tăng tốc 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 M Aij , 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
thuc phn lc ng lờn bỏnh xe phng thng ng v mụ men ch ng/mụ
men phanh).
Bn cht truyn lc gia bỏnh xe v ng l truyn khp - truyn
n hi n hi-truyn ma sỏt.
Khi phanh/tng tc, lỏi xe p phanh/ga, to ra mụ men cho bỏnh xe
M Aij .

M Bij /

Khi ú cú hai thụng s vn tc l vn tc di v vn tc quay; hai vn tc

ny khụng bng nhau, mt phn do lp bin dng, mt phn do trt tng i
gia lp ng.Trt xy ra khi quỏ trỡnh n hi kt thỳc.c trng cho s tn
hao vn tc l h s trt. Hỡnh (1.2;1.3) cỏc thụng s ng lc hc ca bỏnh xe
khi phanh v tng tc; hỡnh (1.4) l c tớnh lp. c tớnh lp l hm ph thuc
gia h s bỏm dc, h s bỏm ngang vi h s trt dc.

Hỡnh 1.4. Lc tng tỏc bỏnh xe ph thuc h s trt
Các yếu tố ảnh h-ởng n kh nng truyn lc bỏnh xe n hi:
+ Phản lực tác dụng từ đ-ờng: mấp mô đ-ờng, đ-ờng nghiêng, gió;
+ Lực quán tính ly tâm khi tăng tốc, khi phanh, chất tải lệch trọng tâm;
+ Độ bám giữa lốp và đ-ờng: mấp mô tế vi, môi chất giữa lốp và đ-ờng
(n-ớc, bụi, cát);
+ Cấu trúc của lốp: độ đàn hồi h-ớng kính, tiếp tuyến và ngang;

15
+ Động lực học bánh xe: c-ờng độ phanh, tốc độ tăng mômen khi phanh.
Điều này dẫn đến sự tr-ợt bánh xe.
Ng-ời ta th-ờng biểu diễn lực t-ơng tác bánh xe theo hệ số bám x , y và phản lực
FZ :

FX FZx

(1.1)

FY FZ y

(1.2)

Nh- vậy các lực t-ơng tác khi phanh phụ thuộc hai yếu tố:
+ FZ : thông số này phụ thuộc động lực học ph-ơng thẳng đứng, phụ thuộc
các yếu tố nh- mấp mô mặt đ-ờng, đ-ờng nghiêng, gió, lực quán tính ly tâm khi
tăng tốc, khi phanh, quay vô lăng.
+ x , y : là hệ số bám (còn đ-ợc gọi là hệ số truyền lực) phụ thuộc các yếu
tố nh- cấu trúc của lốp, bề mặt đ-ờng, vận tốc tr-ợt dọc, tr-ợt ngang.



Ngoài ra khi phanh với xe có 4 bánh, các cặp FZ , FX , Fy ,x ,y



i

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. H truyn lc hin i
cú ba vi sai, cú th l vi sai cú iu khin nờn mụ men cp cng khỏc nhau, vỡ
vy bỏnh xe cú th trt lt khi phanh.
Việc xác định các quan hệ động lực học của quá trình phanh để khảo sát
các yếu tố ảnh h-ởng đến kh nng truyn lc 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 truyn lc bỏnh xe thụng qua
ABS+TCS ;
Việc mô tả quá trình ng lc hc ụ tụ (phanh v tng tc) là khó khăn vì
các yếu tố của quá trình phanh là thay đổi:
+ Đ-ờng xá thay đổi dẫn đến hệ số bám thay đổi;


16
+ Cấu trúc xe và lốp thay đổi;
+ Phản xạ của ng-ời lái khác nhau; thời gian phản ứng khác nhau;
+ Môi tr-ờng khi phanh/tng;
Các hàm mục tiêu về kh nng truyn lc do vậy phụ thuộc nhiều yếu tố
mà khi thí nghiệm trên đ-ờng không thể xác định t-ờng minh đ-ợc.
Vì vậy nghiên cứu quá trình ú nhằm nâng cao hiệu quả ng lc bằng mô
hình có ý nghĩa to lớn. Những kết quả nghiên cứu bằng mô hình sẽ đ-ợc hiệu
chỉnh bởi các thí nghiệm đơn lẻ.
+ Kh nng truyn lc là một hàm đa biến chỉ có thể khảo sát sự phụ thuộc
bằng mô hình;
+ Kh nng truyn lc thực chất phụ thuộc vào phản lực FZ và hệ số bám

x , y . Cỏc h s x , y l mt hm a bin, trc ht phi c nghiờn cu di

dng quy lut v sau ú tu vo iu kin c th ca xe v ng m xỏc nh
cỏc tr s (tham s) mụ t chớnh xỏc cỏc quỏ trỡnh phanh c th.
1.2 Mc tiờu ti
Xut phỏt t ý tng trờn, lun vn hng ti:Kho sỏt ng lc hc ụ tụ tng
tc v quay vũng bng mụ hỡnh mt dóy phi tuyn. Nghiờn cu ng lc hc
ụtụ l tỡm ra qui lut chuyn ng ca ụtụ t ú xỏc nh gii hn an ton, tỡm s
tng thớch gia lỏi xe v xe, m rng kh nng iu khin xe ca lỏi xe. Qu
o chuyn ng ca ụ tụ c xỏc nh bi vn tc, gia tc, qu o chuyn
ng bi cỏc thụng s ( x, y, ) ; ng thi qu o chuyn ng ca nú c khỏi
quỏt 3 trng thỏi
- Quay vũng : trng thỏi ny ụtụ cú tớnh cht quay vũng lý tng,
trng hp ny bỏn kớnh quay vũng thc t ca xe bng vi bỏn kớnh quay vũng
yờu cu. Xe chy n nh.


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 (MA), phanh để tạo ra mô mem phanh (MB) và quay vô lăng
δ. Dưới điều kiện ngoại cảnh như gió, đường nghiêng, lực quán tính, có thể làm
thay đổi phản lực Fz 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  .
Trong thực tế thì MA, MB, δ không có quan hệ tuyến tính với hàm phản
ứng ( x, y, ) . 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 1.9. Các thông số ( x, y, ) 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.


18
Chính vì vậy việc thiết lập một mô hình động lực học ô tô là cần thiết nhằm xác
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: j = 1,2,3,4
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 MA, MB, 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 phanh ô tô là:
(i) Xác định các giới hạn mất ổn định và lái của xe với các điều kiện sử
dụng khác nhau nhằm định hướng an toàn cho lái xe;
(ii) Nghiên cứu tối ưu quá trình phanh/truyền trong bài toán thiết kế;
(iii) Thiết lập quan hệ điều khiển trong bài toán điều khiển ổn định ô tô.

19
1.3 Nội dung của luận văn
Cấu trúc của luận văn:”Khảo sát động lưc học ô tô tăng tốc và quay vòng
bằng mô hình một dãy phi tuyến ” có 3 phần chính như sau:
(i) Tổng quan về động lực học ô tô;
(ii) Lý thuyết lập mô hình động lực học;
(iii) Lập mô hình một dãy phi tuyến và khảo sát động lực học ô tô khi
phanh quay vòng.


20

Chương 2
LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
2.1. Cơ sơ lý thuyết lập mô hình
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
(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 men tương tác bánh xe Fxj , Fyj , M zj
mà thông số ra là các đại lượng x, y, ; mx, my, Jz .
(ii) Mô đun “mô hình lốp” xác định lực/mô men tương tác bánh xe
Fxj , Fyj , M zj . 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  . Các thông số động học bánh xe


21
“vận tốc dọc, vận tốc ngang xwj , ywj ” được xác định qua ma trận xoay giũa hai
hệ tọa độ cố định và cục bộ.

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 Fzj 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


22
treo. Trong mô đun bánh xe “lốp” có thông số vào Fzj , vì vậy ta cần thiết lập
mô hình 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  chỉ hướng lắc ngang quang trục x và  chỉ hướng
quay quanh trục z. Ba đại lượng x,y, đặc trưng cho chuyển động của ô tô.
Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến x,y,z và 3 chuyển động góc  (lắc
ngang),  (quay đứng), lắc dọc

 . Xét tổng quát 6 bậc tự do là rất phực 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 ”: Thông số vào là
lực gió ngang Fwx , Fwy và mô men gió M wx , M wy ; các lực/mô men tương tác


23
bánh xe Fyij , Fxij , M zij ; Thông số ra cơ bản là x, y, ; mx, my, ... / sơ đồ cấu
trúc như hình 2.3.

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 M ij , Fzij , Fxij , thông số ra là  ; mô hình lốp có thông
số vào là Fzij , xij , yij ,ij , thông số ra là các lực tương tác bánh xe Fxij , Fyij ,M zij
(hình 2.3, trái).
(iii) Mô đun dao động lắc ngang: thông số vào M wy , M wx , FCij , Fkij ; thông số
ra là J x  ,  ; mô đun lắc dọc: thông số vào M wy , M wx , FCij , Fkij ; thông số ra

J y , mz, z, z, , hình (2.4).

Hình 2.4. Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải)