lập mô hình động lực học ô tô một dãy tuyến tính

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

NGÔ VĂN HOA

LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
MỘT DÃY TUYẾN TÍNH

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
---------------------------------------

NGÔ VĂN HOA

LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
MỘT DÃY TUYẾN TÍNH

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 ........................................... 2
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ 9
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................... 11
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ .................................... 12
1.1 Yêu cầu thực tế .......................................................................................... 12
1.2 Mục tiêu nghiên cứu động lực học ô tô .................................................... 13
Chương 2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ ......................... 17
2.1 Các mô hình động lực học ô tô .................................................................. 17
2.2 Phương trình chuyển động tổng quát......................................................... 23
2.3 Phương pháp xác định lực tương tác bánh xe ........................................... 31
2.4 Phương pháp xây dựng mô hình ................................................................ 37
Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TUYẾN
TÍNH Ô TÔ ......................................................................................................... 38
3.1. Mô hình 1 dãy và các lực tác dụng lên thân xe ........................................ 39
3.2. Động lực học ô tô một dãy tuyến tính ..................................................... 46
3.3. Quay vòng ổn định.................................................................................... 48
3.4. Khảo sát động lực học ô tô bằng mô hình tuyến tính trong miền thời gian
.......................................................................................................................... 55
3.5 Các thông số và chương trình mô phỏng ................................................... 58
3.6 Phương án khảo sát ................................................................................... 61
(i) Phương án 1 ............................................................................................. 61
(ii) Phương án 2 ............................................................................................ 66
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 71

2
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
- CLR1  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp trước dãy phải
- CLL1  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp trước dãy trái
- CLR2  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp sau dãy phải
- CLL2  N / m  : Độ cứng hướng kính lốp sau dãy trái
- C  N / m

: Độ cứng hệ thống treo

- C1  N / m 

: Độ cứng treo trước

- C2  N / m  : Độ cứng treo sau
- C1R  N / m  : Độ cứng treo trước dãy phải
- C1L  N / m 

: Độ cứng treo trước dãy trái

- C2R  N / m  : Độ cứng treo sau dãy phải


3
- C2L  N / m 

: Độ cứng treo sau dãy trái

- 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
- K1R  Ns / m  : Hệ số cản hệ thống treo trước dãy phải
- K1L  Ns / m  : Hệ số cản hệ thống treo trước dãy trái
- K 2R  Ns / m  : Hệ số cản hệ thống treo sau dãy phải
- K 2L  Ns / m  : Hệ số cản hệ thống treo sau dãy trái
- 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 X  kgm2  : Mômen quán tính trục x của xe
- JY  kgm2  : Mômen quán tính trục y của xe
- J Z  kgm2  : Mômen quán tính trục z của xe
- J yA1  kgm2  : Mômen quán tính trục y của cầu trước
- J yA2  kgm2  : Mômen quán tính trục y của cầu sau
- J AyR 1  kgm2  : Mômen quán tính trục y của lốp trước dãy phải


4
- J AyL 1  kgm2  : Mômen quán tính trục y của lốp trước dãy trái
- J AyR 2  kgm2  : Mômen quán tính trục y của lốp sau dãy phải
- J AyL 2  kgm2  : Mômen quán tính trục y của lốp sau dãy trái
- 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

- 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

- FZR1  N 

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

- FZL1  N 

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

- FZR2  N 

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

- FZL2  N 

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

- 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


5
- 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

- FCR1  N 

: Lực đàn hồi hệ thống treo trước dãy phải

- FCL1  N 

: Lực đàn hồi hệ thống treo trước dãy trái

- FCR2  N 

: Lực đàn hồi hệ thống treo sau dãy phải

- FCL2  N 

: Lực đàn hồi hệ thống treo sau dãy trái

- FK  N 

: Lực cản hệ thống treo

- FK1  N 

: Lực cản hệ thống treo trước

- FK 2  N 

: Lực cản hệ thống treo sau

- FKR1  N 

: Lực cản hệ thống treo trước dãy phải

- FKL1  N 

: Lực cản hệ thống treo trước dãy trái

- FKR2  N 

: Lực cản hệ thống treo sau dãy phải

- FKL2  N 

: Lực cản hệ thống treo sau dãy trái

- FCL  N 

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe


6
- FCL1  N 

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước

- FCL 2  N 

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau

- FClR1  N 

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước dãy phải

- FClL1  N 

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước dãy trái

- FClR2  N 

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau dãy phải

- FClL 2  N 

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau dãy trái

- M  kg 

: Khối lượng toàn xe

- m  kg 

: Khối lượng được treo

- m1  kg 

: Khối lượng được treo trước

- m2  kg 

: Khối lượng được treo sau

- mA1  kg 

: Khối lượng không được treo trước

- mA2  kg 

: Khối lượng không được treo sau

- mAR1  kg 

: Khối lượng không được treo trước dãy phải

- mAL1  kg 

: Khối lượng không được treo trước dãy trái

- mAR2  kg 

: Khối lượng không được treo sau dãy phải

- mAL2  kg 

: Khối lượng không được treo sau dãy trái

- b

: Hệ số bám đường


7

- ft  m 

: Độ võng tĩnh

- f t1  m 

: Độ võng tĩnh phía trước

- ft 2  m 

: Độ võng tĩnh phía sau

- ft1R  m 

: Độ võng tĩnh phía trước dãy phải

- ft1L  m 

: Độ võng tĩnh phía trước dãy trái

- ft 2R  m 

: Độ võng tĩnh phía sau dãy phải

- ft 2L  m 

: Độ võng tĩnh phía sau dãy trái

-   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

- 1R  m 

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước dãy phải

- 1L  m 

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước dãy trái

-  2R  m 

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau dãy phải

-  2L  m 

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau dãy trái

-  m / s

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe

- 1  m / s 

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước


8
- 2  m / s 

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau

- 1R  m / s 

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy phải

- 1L  m / s 

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy trái

- 2R  m / s 

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy phải

- 2L  m / s 

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy trái

-   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

- 1R  m / s 2  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy phải
- 1L  m / s 2  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy trái
- 2R  m / s 2  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy phải
- 2L  m / s 2  : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy trái
- 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


9
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ điều khiển ô tô .......................................................................... 14

Hình 1.2 Quan hệ động lực học ô tô: j = 1,2,3,4 ................................................. 15
Hình 2.1. Cấu trúc mô hình động lực học ô tô .................................................... 18
Hình 2.2 Mô đun động lực học trong mặt phẳng xy ........................................... 20
Hình 2.3 Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải) ............................ 21
Hình 2.4a Mô đun động lực học ngang cầu xe và hệ thống treo ........................ 21
Hình 2.4b Động lực học bánh xe khi phanh ....................................................... 22
Hình 2.4c Động lực học bánh xe khi tăng tốc..................................................... 22
Hình 2.5 Mô hình chuyển động ô tô ................................................................... 23
Hình 2.6 Mô hình động lực học 3D .................................................................... 27
Hình 2.7 Mặt chiếu bằng .................................................................................... 28
Hình 2.8 Mặt chiếu đứng .................................................................................... 28
Hình 2.9 Cấu trúc lốp .......................................................................................... 35
Hình 2.10 Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe.................................................. 36
Hình 2.11 Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe theo SAE ................................. 36
Hình 2.12 Đặc tính lực Fx(s) tham số  .............................................................. 36
Hình 2.13 Đặc tính lực bên Fy(s) tham số  ...................................................... 36
Hình 3.1 Mô hình động lực học ô tô một dãy tuyến tính .................................... 38
Hình 3.2 Lực và mô men tác dụng lên ô tô cầu trước dẫn hướng ...................... 39
Hình 3.3 Mô hình một dãy không lắc ngang....................................................... 40
Hình 3.4 Mô hình động lực học một dãy tuyến tính ........................................... 55
Hình 3.5 Sơ đồ xác định tâm quay vòng ............................................................. 58
Hình 3.6.1 Hàm góc quay bánh xe ...................................................................... 61
Hình 3.6.2 Vận tốc ngang ................................................................................... 62
Hình 3.6.3 Gia tốc góc quay thân xe ................................................................... 63
Hình 3.6.4 Vận tốc góc quay thân xe ................................................................. 63


10
Hình 3.6.6 Góc bơi .............................................................................................. 65
Hình 3.6.7 Gia tốc ngang .................................................................................... 65

Hình 3.6.7 Hàm góc quay bánh xe ...................................................................... 66
Hình 3.6.8 Vận tốc ngang ................................................................................... 66
Hình 3.6.9 Gia tốc góc quay thân xe ................................................................... 67
Hình 3.6.10 Vận tốc góc quay thân xe ................................................................ 67
Hình 3.6.11 Góc quay thân xe............................................................................. 68
Hình 3.6.12 Góc bơi ............................................................................................ 68
Hình 3.6.13 Gia tốc ngang .................................................................................. 69


11
LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự phát triển chung của xã hội, ô tô ngày càng đóng vai trò quan
trọng trong nền kinh tế, đi kèm với đó là vấn đề an toàn khi di chuyển. Ngoài
những tác động của người lái thì các yếu khách quan từ ngoại cảnh như chất
lượng mặt đường khác nhau, gió…rồi các yếu tố bất ngờ tất cả sẽ ảnh hưởng rất
lớn đến an toàn khi xe lưu thông. Do vậy việc nghiên cứu về các thông số động
lực học của ô tô là rất cần thiết. Bởi từ các thông số động lực học đó các nhà sản
xuất sẽ tìm ra các giải pháp để làm cho chiếc xe trở lên an toàn hơn. Một chiếc
ô tô thông minh ngày nay là một hệ thống cơ điện tử vì vậy việc cần nghiên cứu
các thông số về động lực học giúp các nhà thiết kế có thể thiết kế các bộ điều
khiển tự động giúp cho việc điều khiển chiếc xe thuận tiện hơn với người sử
dụng.
Vì thế việc biết các thông số về động lực học của ô tô để các nhà quản lí
đưa ra các yêu cầu về thông số kĩ thuật của ô tô khi nhập về, các yêu cầu về kĩ
thuật, tốc độ của các ô tô khi lưu thông là rất cần thiết. Trước nhu cầu thực tế
trên, đề tài đã được chọn nghiên cứu là “Lập mô hình động lực học ô tô một
dãy tuyến tính” để mô phỏng các quá trình động lực học của ô tô trong thực tế
và lấy ra các thông số về động lực học ô tô.
Dưới sự hướng dẫn trực tiếp PGS-TS Lưu Văn Tuấn 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 / 09 /2013
Ngô Văn Hoa


12
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
1.1 Yêu cầu thực tế
Ngày nay khi mà ôtô đã trở thành phương tiện chính dùng để đi lại và
chuyên trở hàng hoá ở nước ta thì vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển
của ô tô là rất quan trọng . Khi ô tô 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: ga để
tăng tốc xe, nhấn 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 cung 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 thi gió cũng là một
yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe và còn nhiều yếu tố khác anh 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. Vì vậy
việc nghiên cứu quy luật chuyển động của ô tô nhằm xác định khả năng chuyển
động ổn định của ôtô rà rất cần thiết.
Động lực học ô tô là một hệ nhiều vật, liên kết bới các yếu tố phi tuyến.

Yếu tố phi tuyến xuất phát từ 2 góc độ:
(i)

Phi tuyến hình học, gây ra do các góc hình học thay đổi theo các hàm
lượng giác; thông thường có thể bỏ qua khi các góc lương giác là bé.


13
(ii)

Phi tuyến vật lý, sinh ra do các thuộc tính và kết cấu vật liệu như cao
su, giảm chấn thủ lực, tương tác ma sát giữa các bề mặt. Yêu tố này
trong ô tô không bỏ qua được. Ví dụ quan trọng: tương tác lốp đường
chỉ tuyến tính trong miền đàn hồi, sau đó trượt đàn hồi và trượt lết phi
tuyến.

Trong khuôn khổ luận văn này, một mô hình tuyến tính được xây dựng và
khảo sát. Mô hình động lực học tuyến tính chấp nhận độ cứng lốp các phương là
hằng số; bỏ qua các ảnh hưởng của tác động mặt đường phương thẳng đứng,
nghĩa là phản lực Fz là không đổi. Một mô hình tuyến tính có ý nghĩa giải thích
các khái niệm ban đầu của động lực học ô tô, không dùng để nghiên cứu các quá
trình cận vật lý.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu động lực học ô tô
Nghiên cứu động lực học ôtô là tìm ra qui 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 đinh bởi
vận tốc, gia tốc, quỹ đạo chuyển động bởi các thông số ( x, y, ) ; 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.
- 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.


14

Hình 1.1: Sơ đồ điều khiển ô tô
Nhìn vào hình 1.1 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

ịnh các giới hạn nguy hiểm là điều cần thiết, chúng ta có thể thiết lập quan hệ
như hình 1.2.
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. 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.
Các yếu tố ảnh hưởng:
1. Điều kiện đường:

- Độ bám, tính chất mặt đường, đặc trưng bới
- Độ nghiêng, độ dốc của đường


15
- 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)

Hình 1.2 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 ô tô là:


16
(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 xe;

(ii)

Nghiên cứu tối ưu quá trình động lực học trong bài toán thiết
kế;

(iii)

Thiết lập quan hệ điều khiển trong bài toán điều khiển ổn định ô
tô.

Trong khuôn khổ luận văn, tác giả được giao nhiệm vụ :”Lập mô hình động lực
học ô tô một dãy tuyến tính”. Luận văn có 3 phần chính như sau:
(i)

Tổng quan về động lực học ô tô;

(ii)

Lý thuyết mô hình động lực học;

(iii)

Lập mô hình một dãy tuyến tính và khảo sát động lực học ô tô.


17

Chương 2
LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

2.1 Các mô hình động lực học ô tô
Động lực học ô tô là tích hợp giữa động lực ngang, thẳng đứng và động lực học
phương dọc:
(i)

Động lực học phương dọc/Longitudinal Dynamics

(ii)

Động lực học phương thẳng đứng/Vertical Dynamics

(iii)

Động lực học phương 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 m ột 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.


18

Hình 2.1. Cấu trúc mô hình động lực học ô tô
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


19
tương tác bánh xe

Fxj , Fyj , M zj

mà thông số ra là các đại

lượng x, y, ; mx, my, J z .
(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 “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.
(iii)

Mô đun bánh xe “R” mô tả động lực học (quay) của bánh xe trong
mặt phanh 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: (1) mô đun dao động dọc, (2)
mô đun dao động ngang, (3) mô đun dao động ngang cầu xe, (4) mô
đun hệ thống 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 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),


20
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
xe

Fwx , Fwy

và mô men gió

Fyij , Fxij , M zij ;

M wx , M wy ;

Thông số ra cơ bản là

các lực/mô men tương tác bánh

x, y, ; mx, my, ... /

sơ đồ cấu trúc như

hình 2.2.

Hình 2.2 Mô đun động lực học trong mặt phẳng xy
(ii) Mô đun động lực học bánh xe và mô hình lôp: Mô đun động lực học
bánh xe có thông sô vào là
thông số vào là

M ij , Fzij , Fxij ,

Fzij , xij , yij , ij ,

thông số ra là  ; mô hình lốp có

thông số ra là các lực tương tác bánh

xe Fxij , Fyij ,M zij (hình 2.2, 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 váo M wy, M wx , FCij , Fkij ; thông số ra
J y , mz, z, z,  ,

hình (2.3).


21

Hình 2.3 Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải)

Hình 2.4a 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 chuyến vị và vận tốc chuyển vị cầu xe và chuyển vị, vận
tốc chuyển vị đầu trên hệ thống treo zij ; thông số ra của mô đun này là
Fzij, A ,  A ,  A ,  A (xem

hình 2.4a)


22

Hình 2.4b Động lực học bánh xe khi phanh

Hình 2.4c Động lực học bánh xe khi tăng tốc


23
2.2 Phương trình chuyển động tổng quát
Các thông số của mô hình được biểu diễn trong hình 2.5:
G (XYZ) là hệ toạ độ cố định;
B (Cxyz) là hệ toạ độ xe (vật).
Gd: là véc tơ vị trí từ gốc của G đến trọng tâm C của xe B(Cxyz).

Hình 2.5 Mô hình chuyển động ô tô
Phương trình chuyển động viết trong hệ vật B:
B

F  B RGGF
 B RG ( m G aB )
 m GB aB

(2.1)

 m B vB  m GBB  B vB
B

G

dB
L

dt
 GB LB

M

(2.2)

 L  B  L
B

B
G

B

 B I GBB  GBB  ( B I GBB )

Véc tơ vận tốc của trọng tâm xe C trong hệ B: