Lập mô hình động lực học ô tô xác định giới hạn lật và trượt của xe khách đường dài

1

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .....................................................................................2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................4
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................12
Chương 1 TỔNG QUAN .................................................................................14
1.2 Tổng quan về động lực ô tô ...................................................................15
1.3 Mục tiêu đề tài ........................................................................................21
Nội dung của luận văn ..................................................................................24
Chương 2 LÝ THUYẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ ..............25
2.1 Phân tích cấu trúc động lực học ô tô......................................................25
2.2 Phương trình chuyển động tổng quát .....................................................28
2.3 Phương pháp xác định lực tương tác bánh xe ........................................32
Chương 3 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÕNG ...............................38
3.1 Các phương trình mặt phẳng đứng ........................................................38
3.3 Phương trình mặt phẳng cạnh ................................................................42
3.4 Các quan hệ hình học .............................................................................43
3.5 Các thông số khảo sát và phương án khảo sát .......................................44
Chương 4 KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN ......................................46
4.1 Khi xe quay vòng không phanh...............................................................46
4.2 Khi xe quay vòng và phanh ....................................................................57
4.3 Khi xe quay vòng và phanh .....................................................................65
KẾT LUẬN ......................................................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................76


2

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Nguyên lý phanh ..............................................................................16

Hình 1.2. Động lực học bánh xe khi phanh .....................................................17
Hình 1.3. Động lực học bánh xe khi tăng tốc ..................................................17
Hình 1.4. Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt ..................................19
Hình 1.5.Sơ đồ điều khiển ô tô ........................................................................22
Hình 1.6. Quan hệ động lực học ô tô: j = 1,2,3,4 .............................................23
Hình 2.1. Cấu trúc mô hình động lực học ô tô .................................................26
Hình 2.2 Mô đun động lực học mặt phẳng nền&mô đun bánh xe ...................27
Hình 2.3. Mô đun xác định phản lực Fz...........................................................27
Hình 2.4. Mô đun dao động lắc dọc và ngang khối lượng được treo ..............28
Hình 2.5. Mô đun hệ thống treo và động lực học ngang cầu ..........................28
Hình 2.5 Mô hình chuyển động ô tô ................................................................29
Hình 2.7 Định nghĩa hệ tạo độ và lực bánh xe .................................................37
Hình 2.8 Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe theo SAE ................................37
Hình 2.9 Đặc tính lực Fx(s) tham số  .............................................................37
Hình 2.10 Đặc tính lực bên Fy(s) tham số  ...................................................37
Hình 3.1 Mô hình động lực học trong mặt phẳng chiếu đứng .........................38
Hình 3.2 Mô hình động lực học trong mặt phẳng chiếu bằng .........................41
Hình 3.2 Mô hình động lực học trong mặt phẳng chiếu cạnh..........................42
Hình 4.1.1 Đồ thị góc đánh lái tại bánh xe dẫn hướng ....................................46
Hình 4.1.3 Đồ thị vận tốc dọc xe khi quay vòng .............................................47
Hình 4.1.4 Đồ thị vận tốc ngang xe khi quay vòng .........................................47
Hình 4.1.5 Đồ thị gia tốc ngang xe khi quay vòng ..........................................48
Hình 4.1.6 Đồ thị gia tốc dọc xe khi quay vòng ..............................................48
Hình 4.1.7 Đồ thị hiệu góc trượt bên phải .......................................................49
Hình 4.1.8 Đồ thị hiệu góc trượt bên trái .........................................................50
Hình 4.1.9 Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe.....................................................50
Hình 4.1.10 Đồ thị vận tốc và gia tốc góc xoay thân xe ..................................51
Hình 4.1.11 Đồ thị góc hướng vận tốc thân xe ................................................52
Hình 4.1.12 Đồ thị lực ngang và lực quán tính trước trái ................................53
Hình 4.1.13 Đồ thị lực ngang và lực quán tính trước phải ..............................54

Hình 4.1.14 Đồ thị lực ngang và lực quán tính sau trái ...................................54
Hình 4.1.15 Đồ thị lực ngang và lực quán tính sau phải .................................55
Hình 4.1.16 Đồ thị lực ngang và lực quán tính cầu sau ...................................56
Hình 4.1.17 Đồ thị lực ngang và lực quán tính cầu trước ................................56
Hình 4.2.1 Đồ thị góc đánh lái tại bánh xe dẫn hướng ....................................58
Hình 4.2.2 Đồ thị mô men tại bánh xe dẫn hướng ...........................................58


3
Hình 4.2.3 Đồ thị trọng tâm của xe khi quay vòng ..........................................59
Hình 4.2.4 Đồ thị vận tốc dọc xe khi quay vòng .............................................60
Hình 4.2.5 Đồ thị vận tốc ngang xe khi quay vòng .........................................60
Hình 4.2.6 Đồ thị gia tốc ngang xe khi quay vòng ..........................................61
Hình 4.2.7 Đồ thị hiệu góc trượt bên phải .......................................................62
Hình 4.2.8 Đồ thị hiệu góc trượt bên trái .........................................................62
Hình 4.2.9 Đồ thị vận tốc và gia tốc góc xoay thân xe ....................................63
Hình 4.2.10 Đồ thị góc hướng vận tốc thân xe ................................................64
Hình 4.3.1 Đồ thị góc đánh lái tại bánh xe dẫn hướng ....................................65
Hình 4.3.2 Đồ thị góc đánh lái tại bánh xe dẫn hướng ....................................66
Hình 4.3.3 Đồ thị trọng tâm của xe khi quay vòng ..........................................67
Hình 4.3.4 Đồ thị vận tốc ngang xe khi quay vòng .........................................68
Hình 4.3.5 Đồ thị gia tốc ngang xe khi quay vòng ..........................................68
Hình 4.3.6 Đồ thị vận tốc và gia tốc góc xoay thân xe ....................................69
Hình 4.3.7 Đồ thị hiệu góc trượt bên phải .......................................................70
Hình 4.3.8 Đồ thị hiệu góc trượt bên trái .........................................................70
Hình 4.3.9 Đồ thị góc hướng vận tốc thân xe ..................................................71
Hình 4.3.10 Đồ thị lực ngang và lực quán tính trước trái ................................72
Hình 4.3.11 Đồ thị lực ngang và lực quán tính trước phải ..............................72
Hình 4.3.12 Đồ thị lực ngang và lực quán tính sau trái ...................................73
Hình 4.3.13 Đồ thị lực ngang và lực quán tính sau phải .................................73

4

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


5
- 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


6
- J AyR 1  kgm2  : Mômen quán tính trục y của lốp trước dãy phải
- 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


7
- 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

- 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


8
- FKL2  N 

: Lực cản hệ thống treo sau dãy trái

- 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

- 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


9
- mAL2  kg 

: Khối lượng không được treo sau dãy trái

- 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

- 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


10
-  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

- 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 
lượng được treo

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


11
- 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

12
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khi mà ô tô đã trở thành phương tiện đi lại ngày càng phổ biến
,tốc độ ô tô ngày càng tăng cao thì yêu cầu về độ an toàn cũng như sự thuận
tiện khi điều khiển ô tô ngày càng yêu cầu phải cao hơn. Khi ô tô chuyển động
nó sẽ chịu rất nhiều tác động từ phía người lái như phanh, quay vô lăng , hay
ga. Ngoài những tác động của người lái thì các yếu khách quan từ ngoại cảnh
như chất lượng mặt đường khác nhau, gió và các yếu tố bất ngờ tất cả sẽ ảnh
hưởng rất lớn đến an toàn khi xe lưu thông. Có hai quá trình cần xem xét là sự
trượt và lật của ô tô, trong đó trượt ngang và lật ngang là 2 quá trình đặc
trưng. Trượt/ lật ngang là quá trình giới hạn vật lý của động lực học ô tô. Do
vậy viêc nghiên cứu về động lực học của ô tô là rất cần thiết, để từ đó có thể
xác định các giới hạn trượt và lật. Trượt và lật là 2 quá trình độc lập kế tiếp
nhau nhưng đều do cùng nguyên nhân. Vì vậy phải thành lập 2 mô hình: (i)
mô hình trượt; thực chất là mô hình động lực quay vòng, (ii) mô hình động
lực học lật.
Yếu tố gây trượt và lật là (i) gió ngang, đường nghiêng; (ii) lực quán tính
ly tâm do quay vô lăng, phanh và tăng tốc. Yếu tố ảnh hưởng đến trượt và lật
là hệ sô bám và tốc độ quay vô lăng, tốc độ đạp phanh/ga.
Trong khuôn khổ của luận văn Thạc sỹ, vấn đề “Lập mô hình động lực
học ô tô xác định giới hạn lật và trượt của xe khách đường dài” được khảo sát
nhằm xét ảnh hưởng của nó đến độ an toàn chuyển động là cần thiết.
Trong thời gian làm luận văn, tác giả đã có nhiều cố gắng tích cực và chủ
động học hỏi, vận dụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu các kiến thức
mới. Dưới sự hướng dẫn trực tiếp Ts. Lê Hồng Quân, PGS-TS Võ Văn Hường
và các thầy trong Bộ môn ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực,


13

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 / 9 /2013

Vũ Anh Tuấn


14

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Sự trượt và lật của ô tô
Khi ô tô chuyển động trên đường, nó chịu sự điêuì khiển của lái xe với 3 thao
tác là quay vô lăng, đạp chân ga để tăng tốc hoặc đạp chân phanh để phanh xe
hoặc tíc hợp tác thao tác phanh và quay vô lăng, tăng tốc và quay vòng. Với
các tác động đó của lái xe, sẽ xuất hiện các gia tốc ngang và gia tốc dọc cũng
như gia tốc góc trục đứng, làm thay đổi phản lực từ đường lên bánh xe
phương thẳng đứng. Chuyển động của ô tô phụ thuộc các lực và mô men
tương tác bánh xe

Fxj , Fyj, M zj .Các

lực tương tác này có bản chất truyền lực theo

nguyên lý “khớp-đàn hồi-ma sát”. Ô tô có thể trượt ngang hoặc trượt dọc.
Trong khuôn khổ luận án này, tác tác giả nghiên cứu vấn đề trượt và lật
ngang. Ở phương ngang có hai quá trình là (i) trượt và (ii) lật. Hai quá trình

này là độc lập nhưng cùng chịu một ngoại lực là lực quán tính ly tâm, gió
ngang và đường nghiên. Quá trình trượt xẩy ra trước khi ngoại lực ngang lớn
hơn lực bám ngang. Có 3 trạng thái có thể xảy ra:
(i)

Cầu trước trượt: tùy vào mức độ trượt, xe bắt dầu quay vòng

thiếu ít cho đến khi trượt nhiêu, xe không có khả năng vào cua, chuyển động
theo phương quán tính (tiếp tuyển).
(ii)

Cầu sau trượt: khi cầu sau trượt, xe bắt đầu quay vòng thừa,

xe mất ổn định, bán kính quay vòng có thể bằng 0.
(iii)

Khi hai cầu cùng trượt, tuỳ theo mức độ và tương quan giữa 2

cầu, xe có thể quay vòng thừa hoặc thiếu. Có 2 giai đoạn trượt là trượt đàn hồi
và trượt lết. Trượt đàn hồi là trượt tương đối bởi các phân tử cao su của lốp;


15
trượt lết là di chuyển tương đối trên bề mặt lốp đường. Quá trình trượt lết phụ
thuộc hệ số bám ngang.
Quá trình lật là quá trính sau trượt. Quá trình lật sẽ xẩy ra khi không có
khả năng trượt. Điều xấy ra khi có “sự bám ngang” tăng đột ngột. Có nghĩa là,
đã trượt thì không lật.
Qua phân tích, chúng ta có thể tóm tắt bản chất của sự trượt và lật như sau:
(i)

Ngoại lực (ngang) gây trượt/lật: lực quán tính ly tâm và mô men
quán tính của xe trục “z”
thành phần

FGy  FG sin 

my, J z

, gió ngang, đường nghiêng tạo ra

. Gián tiếp chúng ta thấy phản xạ của lái xe

có ảnh hưởng lớn đến sự trượt là lật của xe.
(ii)

Sự trượt của xe bị giới hạn bởi lực bám ngang. Lực bám ngang phụ
thuộc phản lực

Fz

và hệ số bám ngang

 y max .

Sự trượt của ô tô có thể

được xét qua đặc tính quay vòng: quay vòng thiếu, quay vòng đủ,
quay vòng thừa.
(iii)

Quá trình trượt xẩy ra trước, làm thay đổi quỹ đạo chuyển động. Lật
chỉ xẩy ra khi có khả năng bám ngang đủ lớn. Nếu còn trượt thì
không lật.Các kết luận này là rất quan trọng, làm nền tảng cho thiết
lập mô hình nghiên cứu trượt và lật. Từ kết luận đó, ta thấy hai mô
hình trượt và lật là tương đối độc lập với nhau.

Từ kết luận ở (iii) ta thấy mô hình nghiên cứu về trượt là mô hình động
lực học ô tô. Kết quả (đầu ra) của mô hình động lực học là thông số đầu vào
của mô hình động lực học ngang nghiên cứu hiện tượng lật.
1.2 Tổng quan về động lực ô tô
Mô hình động lực học ô tô là mô hình có thể mô tả 3 quá trình quay vô lăng,
tăng tốc và phanh ô tô.


16
Tăng tốc là một quá trình truyền lực giống quá trình phanh ôtô, chỉ khác 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

17

Hình 1.2. Động lực học bánh xe khi phanh

Hình 1.3. Động lực học bánh xe khi tăng tốc


18
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 phầnđộng 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


19
(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/tăng tốc, lái xe đạp phanh/ga, tạo ra mô men cho bánh xe

M Bij / M Aij .

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 1.4. Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng truyền lực bánh xe đàn hồi:
+ Phản lực tác dụng từ đường: mấp mô đường, đường nghiêng, gió;
+ Lực quán tính ly tâm khi tăng tốc, khi phanh, chất tải lệch trọng tâm;
+ Độ bám giữa lốp và đường: mấp mô tế vi, môi chất giữa lốp và đường
(nước, bụi, cát);

20
+ 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.Hệ truyền
lực hiện đại có ba vi sai, có thể là vi sai có điều khiển nhờ mô men cấp cũng
khác nhau, vì vậy bánh xe có thể trượt lết khi phanh.
Việc xác định các quan hệ động lực học của quá trình phanh để khảo sát
các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng truyền lực là một việc làm cần thiết theo
hai góc độ:
+ Có kỹ thuật phanh hợp lý cho lái xe ;
+ Có biện pháp kết cấu nâng cao hiệu quả truyền lực bánh xe thông qua
ABS+TCS ;


21
Việc mô tả quá trình động lực học ô tô (phanh và tăng tốc) là khó khăn
vì các yếu tố của quá trình phanh là thay đổi:
+ Đường xá thay đổi dẫn đến hệ số bám thay đổi;
+ Cấu trúc xe và lốp thay đổi;
+ Phản xạ của người lái khác nhau; thời gian phản ứng khác nhau;
+ Môi trường khi phanh/tăng;
Các hàm mục tiêu về khả năng truyền lực do vậy phụ thuộc nhiều yếu
tố mà khi thí nghiệm trên đường không thể xác định tường minh được.
Vì vậy nghiên cứu quá trình đó nhằm nâng cao hiệu quả động lực bằng
mô hình có ý nghĩa to lớn. Những kết quả nghiên cứu bằng mô hình sẽ được
hiệu chỉnh bởi các thí nghiệm đơn lẻ.
+ Khả năng truyền lực là một hàm đa biến chỉ có thể khảo sát sự phụ
thuộc bằng mô hình;
+ Khả năng truyền lực thùc chÊt phô thuéc vµo ph¶n lùc FZ vµ hÖ sè

b¸m  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.
1.3 Mục tiêu đề tài
Xuất phát từ ý tưởng trên, luận văn hướng tới:” Lập mô hình động lực
học ô tô xác định giới hạn lật và trượt của xe khách đường dài”. 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 định 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:


22
- 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 1.5.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


23
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. 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).


24
Nội dung của luận văn
Cấu trúc của luận văn :” Lập mô hình động lực học ô tô xác định giới
hạn lật và trượt của xe khách đường dài” có 3 phần chính như sau:

(i) Tổng quan về trượt và lật học ô tô;
(ii) Lý thuyết lập mô hình động lực học;
(iii)Lập mô hình hai dãy phi tuyến
(iv) Khảo sát động lực học trượt và lật ô tô với 3 phương án sau:
(a) Quay vòng với vận tốc không đổi;
(b) Phanh và quay vòng;
(c) Quay vòng và phanh.


25

Chương 2
LÝ THUYẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
2.1 Phân tích cấu trúc động lực học ô tô
Động lực học ô tô là tích hợp giữa động lực học phương ngang, thẳng
đứng và động lực học phương dọc:
(i) Động lực học dọc/Longitudinal Dynamics
(ii) Động lực học phương thẳng đứng/Vertical Dynamics
(iii) Động lực học ngang/Lateral Dynamics
Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động góc. Thân xe liên
kết với 4 bánh xe; động lực học bánh xe như một mô hình con. Như vậy động
lực học ô tô là một mô hình tích hợp: là động lực học của một hệ cơ học nhiều
vật, liên kết đàn hồi và liên kết ma sát, liên kết khớp. Động lực học của ô tô
được mô tả trong hệ cố định G(OXYZ). Nhưng để mô tả các hệ con ta phải
xác lập các hệ cục bộ B(oxyz). Giữa chúng liên hệ với nhau qua các ma trận
xoay. Về phương pháp nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học, thuận
tiện nhất là tách cấu trúc theo nguyên lý hệ nhiều vật MBS. Trong sơ đồ hình
2.1 là cấu trúc hệ động lực học ô tô.
(i) Mô đun chính “XY” là mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng nền
XOY, mô tả chuyển động tịnh tiến phương x, phương ngang y và chuyển

động quay thân xe; thông số đầu vào là các lực/mô mentương tác bánh
xe 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