Khảo sát ảnh hưởng của điều hòa lực phanh tới hiệu quả phanh bằng mô hình động lực học ô tô 12

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. 1
CAM ĐOAN .............................................................................................................. 2
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. 7
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 10
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHANH Ô TÔ ....................................................... 11
1.1. Tổng quan về động lực phanh ô tô ................................................................ 11
1.2 Hiệu quả phanh ............................................................................................... 15
1.3 Mục tiêu của đề tài .......................................................................................... 17
1.4 Cấu trúc luận văn ............................................................................................ 20
Chương 2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHANH VÀ PHANH
HIỆU QUẢ ............................................................................................................... 21
2.1 Phương trình chuyển động tổng quát .............................................................. 24
2.2 Phương pháp xác định lực tương tác bánh xe ................................................. 32
Chương 3 MÔ HÌNH MỘT DÃY PHI TUYẾN ĐỘNG LỰC HỌC PHANH Ô
TÔ ............................................................................................................................. 39
3.1 Hệ phương trình động lực học ô tô một dãy phi tuyến ................................... 39
3.2 Thông số và hàm đầu vào ............................................................................... 43
3.3.1 Phanh tới hạn không đánh lái ................................................................. 44
3.3.2 Phanh già 120% không đánh lái .............................................................. 46
3.3.3 Phanh non 80% đánh lái 1 độ ................................................................ 50
3.3.4 Phanh non 80% đánh lái 2 độ ................................................................ 54
3.3.5 Xe quay vòng với góc δ= 10 và phanh 80% có điều hòa lực phanh....... 59
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 62

1


LỜI CAM ĐOAN

Tôi, Nguyễn Quang Hưng, cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng
tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luân văn là trung thực và chưa được công
bố trong bất cứ công trình nào khác.
Hà nội, Ngày 27 tháng 09 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Quang Hưng

2


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 ........................................................... 13
Hình 1.4. Lực tương tác bánh xe phụ thuộc vào hệ số trượt .................................... 13
Hình 1.5 Nguyên lý phanh thông thường ................................................................. 16
Hình 1.6. Nguyên lý phanh ABS ............................................................................. 17
Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển ........................................................................................ 17
Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển ô tô ............................................................................... 18
Hình 1.2 Quan hệ động lực học ô tô: j = 1,2,3,4 ...................................................... 19
Hình 2.1. Cấu trúc mô hình động lực học ô tô ......................................................... 22
Hình 2.2 Mô đun Động lực học trong mặt phẳng xy ............................................... 23
Hình 2.3 Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải) ................................. 24
Hình 2.4 Mô đun động lực học ngang cầu xe và hệ thống treo ............................... 24
Hình 2.5 Mô hình chuyển động ô tô ........................................................................ 25
Hình 2.6 Mô hình động lực học 3D ......................................................................... 28
Hình 2.7 Mặt chiếu bằng ......................................................................................... 29
Hình 2.8 Mặt chiếu đứng .......................................................................................... 29
Hình 2.9 Cấu trúc lốp ............................................................................................... 35

Hình 2.10 Định nghĩa hệ tạo độ và lực bánh xe ....................................................... 36
Hình 2.12 Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe theo SAE ...................................... 36
Hình 2.11 Đặc tính lực Fx(s) tham số  ................................................................... 36
Hình 2.13 Đặc tính lực bên Fy(s) tham số  ........................................................... 36
Hình 3.1 Mô đun động lực học ô tô trong mặt phẳng xoy ....................................... 37
Hình 3.2.Sơ đồ hệ thống treo ................................................................................... 39
Hình 3.3 Sơ đồ đặc tính treo .................................................................................... 39
Hình 3.4 Đặc tính lốp ............................................................................................... 40
Hình 3.5 Động lực học bánh xe trong mặt phẳng .................................................... 41
Hình 3.3.1.1 Hệ số trượt cầu sau .............................................................................. 44

3


Hình 3.3.1.6 Phản lực cầu trước .............................................................................. 44
Hình 3.3.1.2 Hệ số trượt cầu trước ........................................................................... 44
Hình 3.3.1.7 Phản lực cầu sau .................................................................................. 44
Hình 3.3.1.3 Biểu đồ mô men .................................................................................. 45
Hình 3.3.1.8 Lưc phanh cầu sau ............................................................................... 45
Hình 3.3.1.4 Vận tốc phanh ..................................................................................... 45
Hình 3.3.1.9 Lực phanh cầu trước .......................................................................... 45
Hình 3.3.1.5 Quãng đường phanh ............................................................................ 45
Hình 3.3.1.12 Gia tốc dọc ........................................................................................ 45
Hình 3.3.1.10 Phản lực cầu sau ................................................................................ 46
Hình 3.3.1.11 Phản lực cầu trước ............................................................................. 46
Hình 3.3.2.1 Đồ thị mô men bánh xe ...................................................................... 46
Hình 3.3.2.2 Phản lực cầu sau .................................................................................. 46
Hình 3.3.2.3 Hệ số trượt cầu trước .......................................................................... 47
Hình 3.3.2.4 Hệ số trượt cầu sau ............................................................................. 47
Hình 3.3.2.5 Quãng đường phanh ........................................................................... 47

Hình 3.3.2.6 Phản lực cầu sau ................................................................................. 47
Hình 3.3.2.7 Phản lực cầu trước .............................................................................. 47
Hình 3.3.2.9 Lực phanh cầu trước .......................................................................... 48
Hình 3.3.2.8 Lực phanh cầu sau .............................................................................. 47
Hình 3.3.2.10 Lực cản giảm chấn trước .................................................................. 48
Hình 3.3.2.11 Tải trọng động bánh xe sau ............................................................... 48
Hình 3.3.2.13 Lực đàn hồi treo sau ......................................................................... 48
Hình 3.3.2.12 Tải trọng động bánh xe sau .............................................................. 48
Hình 3.3.2.14 Lực đàn hồi treo trước ....................................................................... 48
Hình 3.3.2.15 Lực đàn hồi treo trước ....................................................................... 49
Hình 3.3.2.16 Lực đàn hồi treo sau .......................................................................... 49
Hình 3.3.2.17 Đồ thị gia tốc dọc .............................................................................. 49
Hình 3.3.3.1 Đồ thị góc lái ....................................................................................... 50

4


Hình 3.3.3.2 Đồ thị mô men ..................................................................................... 50
Hình 3.3.3.3 Đồ thị vận tốc dọc ............................................................................... 51
Hình 3.3.3.4 Đồ thị vận tốc ngang ........................................................................... 51
Hình 3.3.3.5 Đồ thị hệ số trượt sau .......................................................................... 51
Hình 3.3.3.6 Đồ thị hệ số trượt trước ....................................................................... 51
Hình 3.3.3.7 Đồ thị quỹ đạo ..................................................................................... 51
Hình 3.3.3.8 Đồ thị quãng đường phanh .................................................................. 51
Hình 3.3.3.9 Đồ thị vận tốc góc ............................................................................... 52
Hình 3.3.3.10 Đồ thị gia tốc góc .............................................................................. 52
Hình 3.3.3.11 Đồ thị vận tốc góc và gia tốc góc ...................................................... 52
Hình 3.3.3.12 Đồ thị hiệu góc lệch bên ................................................................... 52
Hình 3.3.3.13 Đồ thị góc hướng ............................................................................... 53
Hình 3.3.3.14 Đồ thị gia tốc ngang .......................................................................... 53

Hình 3.3.3.15 Đồ thị gia tốc dọc .............................................................................. 53
Hình 3.3.3.16 Đồ thị góc lệch bánh sau ................................................................... 53
Hình 3.3.3.17 Đồ thị góc lệch bánh trước ................................................................ 54
Hình 3.3.4.1 Mô men phanh ..................................................................................... 54
Hình 3.3.4.2. Vận tốc ngang .................................................................................... 54
Hình 3.3.4.3 Vận tốc dọc ......................................................................................... 55
Hình 3.3.4.4 Hệ số trượt sau .................................................................................... 55
Hình 3.3.4.5 Hệ số trượt trước ................................................................................. 55
Hình 3.3.4.6 Quỹ đạo ............................................................................................... 55
Hình 3.3.4.7 Gia tốc góc quay thân xe ..................................................................... 56
Hình 3.3.4.8 Vận tốc góc quay thân xe .................................................................... 56
Hình 3.3.4.9 Vận tốc góc và gia tốc quay thân xe ................................................... 56
Hình 3.3.4.10 Hiệu góc trượt ................................................................................... 56
Hình 3.3.5.1. Biểu đồ mô men ................................................................................. 57
Hình 3.3.5.2 Góc lái ................................................................................................ 57
Hình 3.3.5.3 Vận tốc ngang ..................................................................................... 57

5


Hình 3.3.5.4 Vận tốc dọc ........................................................................................ 57
Hình 3.3.5.5 Hệ số trượt cầu sau ............................................................................. 58
Hình 3.3.5.6 Hệ số trượt cầu trước ........................................................................... 58
Hình 3.3.5.7 (a) Góc lêch bánh xe sau ..................................................................... 58
Hình 3.3.5.7 (b) Góc lệch bánh xe trước .................................................................. 58
Hình 3.3.5.8 Vận tốc và gia tốc góc ........................................................................ 59
Hình 3.3.5.9 Gia tốc góc ......................................................................................... 59
Hình 3.3.5.10 Vận tốc góc ...................................................................................... 59
Hình 3.3.5.11 Hiệu góc lệch bên ............................................................................. 59
Hình 3.3.5.12 Góc hướng ........................................................................................ 59

6


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

- CL2  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

- K2  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

- FZ  N 

: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe

7


- FZ1  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

- FZ1,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

- FZ1,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

- mA2  N 

: Khối lượng không được treo sau

- b

: Hệ số bám đường

- ft  m 

: Độ võng tĩnh

8


- 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

9


MỞ 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 an toàn chuyển động ngày càng cao. Hệ
thống phanh 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 hiệu quả phanh nhằm góp phần làm sáng tỏ bản chất phanh ô tô. Qua
đó có thể nhận thức vận hành và sửa chữa hệ thống phanh. Hai yếu tố ảnh hưởng
đến hiệu quả phanh là ABS và Điều hòa lực phanh.
Để góp phần giảm thiểu tai nạn giao thông, tác giả đã lựa chọn đề tài:”Khảo
sát ảnh hưởng của Điều hoà lực phanh đến hiệu quả phanh bằng mô hình động
lực học ô tô 1/2”. Hiệu quả phanh là vấn đề khá rộng và phức tạp, trong phạm vi
của đề tài, được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn, các nội dung sau đây được
trình bày trong luận văn:
-

Tổng quan về phanh 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 phanh;

-

Giải hệ phương trình được thành lập trên máy tính;

-

Khảo sát quá trình ảnh hưởng của điều hòa lực phanh đến hiệu quả phanh ô tô.
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 biệt gửi lời
cảm chân thành tới PGS.TS.Võ Văn Hường 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 thiếu 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

Nguyễn Quang Hưng

10


Chng 1
TNG QUAN V PHANH ễ Tễ
1.1. Tng quan v ng lc phanh ụ tụ
Quá trình phanh ô tô là quá trình tính từ khi ng-ời lái phát hiện thấy ch-ớng
ngại vật và quyết định đạp phanh đến khi tốc xe giảm xuống một giá trị xác định
theo yêu cầu của ng-ời lái. Ngy nay phnh ụ tụ cũn l c cu iu khin n nh
EPS, ACC v ụ tụ t ng GCC. Nguyờn lý phanh truyn thng nh hỡnh 1.1.

Hỡnh 1.1. Nguyờn lý phanh
Khi phanh 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 đ-ờng. Ma sát trong cơ cấu
phanh đ-ợc đặc tr-ng 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 đ-ờng đặc tr-ng bằng hệ số
bám giữa bánh xe với mặt đ-ờng. 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 đ-ờng làm giảm tốc
độ chuyển động của ôtô. Hệ thống phanh có hiệu quả tốt thì phần động năng phải
đ-ợc tiêu tán trong cơ cấu phanh d-ới dạng nhiệt; tức là cơ cấu phanh không bị bó
cứng.
(i)

Quỏ trỡnh ma sỏt trong c cu c trng bi h s ma sỏt khụ hoc

t; ph thuc lc ộp (cng phanh) v nhit mỏ phanh;

11

(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
thuộc phản lực đường lên bánh xe phương thẳng đứng và mô men chủ động/mô
men phanh).
Bản chất truyền lực giữa bánh xe và đường là ’’ truyền khớp-truyền đàn hồi đàn
hồi-truyền ma sát ’’.
Khi phanh, lái xe đạp phanh, tạo ra mô men phanh cho bánh xe Mb. 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 xẩy
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 1.2 Động lực học bánh xe khi phanh

12


Hình 1.3 Động lực học bánh xe khi tăng tốc

Hình 1.4. Lực tương tác bánh xe phụ thuộc vào hệ số trượt
Hiệu quả phanh được xác định bởi hai yếu tố:
+ Quãng đường phanh s P . Các thông số tương đương đánh giá quá trình

phanh là gia tốc phanh x , thời gian phanh t p , lực phanh riêng

Fx
.
G

+ Ổn định phanh và tính dẫn hướng khi phanh: thông số đánh giá là góc
quay thân xe.
Trong thực tế, khi phanh thì trục dọc của ôtô có thể bị lệch đi một góc  so với
phương chuyển động ban đầu. Sở dĩ như vậy là do tổng các lực phanh sinh ra ở các
bánh xe bên phải khác với tổng lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên trái và tạo
thành mômen quay vòng quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm của ôtô.
Các yếu tố ảnh hưởng:
+ 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;

13


+ 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;
+ 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 và phản
lực FZ :
FX  FZ  x

(1.1)

FY  FZ  y

(1.2)

Như vậy các lực tương tác khi phanh phụ thuộc hai yếu tố:
+ FZ : 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 : 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  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.
Việc xác định các quan hệ động lực học của quá trình phanh để khảo sát các yếu
tố ảnh hưởng đến hiệu quả phanh 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 phanh
Việc mô tả quá trình phanh là khó khăn vì các yếu tố của quá trình phanh là thay
đổi:
+ 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;

14


Các hàm mục tiêu về hiệu quả phanh do vậy phụ thuộc nhiều yếu tố mà khi thí
nghiệm trên đường không thể xác định tường minh được.
1.2 Hiệu quả phanh

Vì vậy nghiên cứu quá trình phanh nhằm nâng cao hiệu quả phanh 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.
+ Hiệu quả phanh là một hàm đa biến chỉ có thể khảo sát sự phụ thuộc bằng
mô hình;
+ Hiệu quả phanh thực chất phụ thuộc vào phản lực FZ và hệ số bám  x ,  y .
Các hệ số  x ,  y 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. Hình 1.4 là sơ đồ phanh thông
thường, không có ABS. Khi lái xe đạp pedal, áp suất dầu xy lanh chính tăng lên;
tương ứng áp trong xy lanh bánh xe cũng tăng theo một tỷ lệ nào đó, tạo ra mô men
phanh. Đây là mô men ma sát của cơ cấu, sẽ chuyển hóa ra mô men phanh: mô men
bám, xem hình (1.1). Khi mô men của cơ cấu vượt ngưỡng mô men bám, bánh xe se
trượt, làm giảm hiệu quả phanh:

M bcc  M b
Fb

 Fz ,max x ,max  M b / r

Hệ thống phanh thường có sơ đồ nguyên lý như hình 1.5. Với hệ thống này,
bánh xe có thể bị bó cứng bởi hai lý do:
(i)

Nếu phản lực Fz không đổi mà mô men phanh của cơ cấu lớn quá
(phanh già); bánh xe bó cứng, bánh xe phanh mất tính dẫn hướng
hoặc mất ổn định,

(ii)

Nếu mô men cơ cấu không đổi (không phanh già) mà phản lực bánh
xe giảm (bánh xe sau) thì bánh xe phanh có thể bị bó cứng. Dù là
phản lực giảm hay mô men cơ cấu tăng, bánh xe có thể bị bó cứng.
Khi đó, nếu trang bị ABS bánh xe phanh sẽ khộng bị bó cứng bảo
đảm phanh hiệu quả cao. Trong thực tế, để hạn chế bánh xe bị bó

15


cứng, người ta trang bị điều hòa lực phanh ĐHLP nhằm giảm tải cho
ABS (khi không có ABS điều hòa lực phanh cũng hạn chế được quá
trình bó cứng). Phản lực Fz thay đổi và mô men phanh của cơ cấu là
hai nguyên nhân độc lập dẫn đến bó cứng bánh xe. Như vậy việc thiết
kế và khảo sát có thể thực hiện độc lập cho 2 thông số trên. Sơ đồ
phanh ABS được trình bày như hình 1.6.

Hình 1.5 Nguyên lý phanh thông thường
Nguyên lý như sau: Khi lái xe đạp phanh tạo ra một mô men phanh (có cấu)
vượt qua ngưỡng, ABS-ECU sẽ điều khiển van điện từ giảm áp, sao cho mô men
tạo ra do xy lanh bánh xe không vượt quá mô men bám. Xem hình (1.6).
Trong các xe có ABS thường có trang bị cảm biến gia tốc dọc để xác định vận
tốc dọc; cảm biến gia tốc ngang để xác định vận tốc ngang; tại các bánh xe có các
cảm biến đo vận tốc góc. Do vây có thể xác định các hệ số trượt của bánh xe, là
thông số điều khiển ABS. Cơ cấu chấp hành là van điện từ ba cửa. Van đó sẽ làm
tăng, giữ áp, giảm áp theo tín hiệu điều khiển của ABS-ECU. Hình (1.7) chỉ ra
quan hệ các vận tộc, ngưỡng điều khiên, tín hiệu điều khiển và áp suât cấp từ xy
lanh chính và áp suất được điều khiển cho xy lanh bánh xe.

16

Hình 1.6. Nguyên lý phanh ABS

Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển
1.3 Mục tiêu của đề tài
Xuất phát từ ý tưởng trên, luận văn hướng tới:”Khảo sát ảnh hưởng của Điều
hoà lực phanh đến hiệu quả phanh bằng mô hình động lực học ô tô 1/2” nghiªn
cøu ¶nh h-ëng của điều hòa lực phanh ®Õn hiÖu qu¶ phanh «t«.
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

17


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.

Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển ô tô
Nhìn vào hình 1.8 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

18


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. 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 1.2 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 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 phanh an toàn cho lái xe;

19


(ii)

Nghiên cứu tối ưu quá trình phanh trong bài toán thiết kế;

(iii)

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

1.4 Cấu trúc luận văn
Cấu trúc của Luận văn:”Khảo sát ảnh hưởng của Điều hoà lực phanh đến hiệu
quả phanh bằng mô hình động lực học ô tô 1/2 có 3 phần chính như sau:
(i)

Tổng quan về động lực học phanh ô tô;

(ii)

Lý thuyết mô hình động lực học phanh và phanh hiệu quả;

(iii)

Lập mô hình một dãy phi tuyết và khảo sát động lực học phanh ô tô khi

quay vòng

20


Chương 2
LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC
PHANH VÀ PHANH HIỆU QUẢ
Động lực học ô tô là tích hợp giữa động lực 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 nghiến 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 phẳn

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, 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
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 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: (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 Fzj , vì vậy ta cần

22


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), lắc dọc

 . 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 ”: Thông số vào là lực gió
ngang

Fwx , Fwy

bánh xe

và mô men gió

Fyij , Fxij , M zij ;

M wx , M wy ;

các lực/mô men tương tác

Thông số ra cơ bản là

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

M ij , Fzij , Fxij ,

23

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 2.2, 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).

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

Hình 2.4 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 2.4)

2.1 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;

24

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 )

(2.1)

 m GB aB
 m B vB  m GBB  B vB
B

G

d B
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:
B

vC  vx v y vz 

T

(2.3)

Trong đó vx là thành phần tịnh tiến, vy là vận tốc ngang của xe.
Véc tơ gia tốc tương ứng:
B

vC  vx vy vz 

T

(2.4)

Véc tơ vận tốc quay thân xe:
T

B  x  y z      

B
G

T

(2.5)

Vec tơ gia tốc tại trong tâm xe

25