Lập mô hình và thí nghiệm động lực học xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
- Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và
chƣa hề đƣợc sử dụng để bảo vệ trong một học vị nào.
- Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các
thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả

Vũ Quang Hƣng


ii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ............................................................................................................... i
Mục lục ....................................................................................................................... ii
Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu ..................................................................... iv
Danh mục các hình vẽ ............................................................................................... vi
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................1
1.1. Tổng quan về xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô .....................................1
1.2. Tình hình nghiên cứu xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô .........................3
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về quỹ đạo chuyển động của ô tô .....3
1.2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam về quỹ đạo chuyển động của ô tô ....4
1.3. Các phƣơng pháp xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô ...............................5
1.3.1. Phƣơng pháp xác định quỹ đạo bằng mô hình toán học ...........................5
1.3.2. Phƣơng pháp xác định quỹ đạo bằng thực nghiệm ...................................5
1.3.3. Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn .......................................................6
1.4. Mục tiêu và phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu ...........................................6
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................6

1.4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ..........................................................................6
1.4.3. Nội dung nghiên cứu.................................................................................6
CHƢƠNG 2. LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC XÁC ĐỊNH QUỸ ĐẠO
CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ .............................................................................................7
2.1. Lý thuyết xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô ............................................7
2.1.1. Lý thuyết xác định quỹ đạo bằng mô tả toán học .....................................7
2.1. Phân tích cấu trúc ô tô và định nghĩa hệ quy chiếu ...................................18
2.2. Thiết lập mô hình toán học xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô ..............19
2.3. Xác định các lực bánh xe bằng mô hình lốp ...................................................23
2.4. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink ..................................................26
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT
QUẢ XÁC ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ ................................32
3.1. Giới thiệu chung về bộ thiết bị đo xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô ...32
3.1.1. Bộ cảm biến S350 ...................................................................................32
3.1.2. Cảm biến vô lăng MSW..........................................................................33
3.1.3. Bộ thu thập dữ liệu DAS 3......................................................................34
3.2.Gá lắp và kết nối thiết bị đo .............................................................................35


iii

3.2.1. Gá lắp bộ cảm biến S350 ........................................................................35
3.2.2. Gá lắp bộ cảm biến vô lăng MSW ..........................................................43
3.3. Kết nối cảm biến..............................................................................................44
3.3.1. Kết nối cảm biến S350 ............................................................................44
3.3.2. Kết nối cảm biến vô lăng MSW .............................................................45
3.3.3. Kết nối các cảm biến tới bộ thu thập dữ liệu DAS 3 ..............................45
3.4. Định chuẩn cho cảm biến S350 .......................................................................46
3.4.1. Định dạng cho cảm biến S350 ................................................................46
3.4.2. Định dạng cho các cổng kết nối cảm biến S350 .....................................47

3.5. Định chuẩn cho cảm biến vô lăng MSW........................................................50
3.5.1. Định dạng cho cảm biến vô lăng MSW ..................................................50
3.5.2. Định dạng cho các kênh của cảm biến vô lăng MSW ............................52
3.6. Thông số, địa bàn, phƣơng án thí nghiệm .......................................................54
3.6.1. Thông số xe thí nghiệm ..........................................................................54
3.6.2. Địa bàn thí nghiệm ..................................................................................55
3.6.3. Phƣơng án thí nghiệm và các thông số thí nghiệm .................................56
3.7. Xác định quỹ đạo chuyển động của xe khi quay vòng với bán kính 15m ......56
3.8. Xác định quỹ đạo chuyển động của xe khi đánh lái sin ..................................61
KẾT LUẬN ...............................................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................69
PHỤ LỤC .................................................................................................................... I


iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU
A

Diện tích, thiết diện



Mật độ không khí

,,

,,

Góc lắc ngang, vận tốc góc lắc ngang, gia tốc góc lắc

ngang thân xe
Góc lắc dọc, vận tốc góc lắc dọc, gia tốc góc lắc dọc
thân xe

 , ,

Góc quay, vận tốc góc quay, gia tốc góc quay thân xe

l1, l2

Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trƣớc và sau

b1, b2

½ chiều rộng cơ sở phía trƣớc và sau

M

Khối lƣợng toàn xe

m

khối lƣợng đƣợc treo

Fwx, Fwy

Lực cản không khí

Fx11 , Fx12 , Fx 21 , Fx 22

Lực dọc tại các bánh xe

Fy11 , Fy12 , Fy 21 , Fy 22

Lực ngang tại các bánh xe

Fz11 , Fz12 , Fz 21 , Fz 22

Tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe

x

Gia tốc thân xe phƣơng x trong hệ B(Cxyz)

y

Vận tốc thân xe phƣơng y trong hệ B(Cxyz)



Gia tốc góc lắc ngang

z

Gia tốc phƣơng thẳng đứng khối lƣợng đƣợc treo



Vận tốc góc quay thân xe

FC11 , FC12 , FC 21 , FC 22

Lực đàn hồi hệ thống treo

FK 11 , FK 12 , FK 21 , FK 22

Lực cản hệ thống treo các bánh xe 1; 2; 3; 4

h

Khoảng cách từ mặt đƣờng đến trọng tâm ô tô

r

Bán kính tự do lốp

M 11 ; M 12 ; M 21 ; M 22

K11, K12

Mô men của các bánh xe
Hệ số cản hệ thống treo trƣớc


v

K21, K22

Hệ số cản hệ thống treo sau

r

Bán kính tự do lốp xe

Jx

Mô men quán tính trục x của phần đƣợc treo

Jy

Mô men quán tính trục y của phần đƣợc treo

Jz

Mô men quán tính trục z của xe

φ

Hệ số bám đƣờng
Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phƣơng thẳng đứng

z, z , z

khối lƣợng đƣợc treo


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Trạng thái quay vòng trái của ô tô trong mặt phẳng nền ............................2

Hình 2.1. Quan hệ Ackerman của xe hai cầu với cầu trƣớc dẫn hƣớng .....................8
Hình 2.2. Động học quay vòng của xe cầu trƣớc dẫn hƣớng ......................................9
Hình 2.3. Hành lang quét của xe hai cầu ..................................................................10
Hình 2.4. Định nghĩa hệ tọa độ G(OXYZ), hệ cục bộ xe B(Cxyz) ..........................12
Hình 2.5. Định nghĩa hệ tọa độ G(OXYZ), hệ cục bộ xe B(Cxyz) ..........................18
Hình 2.6. Các lực và mô men tác dụng lên ô tô trong mặt phẳng đƣờng .................19
Hình 2.7. Các lực và mô men tác dụng lên ô tô trong mặt phẳng dọc ......................21
Hình 2.8. Các lực và mô men tác dụng lên phần đƣợc treo trong mặt phẳng ngang .........22
Hình 2.9. Mô hình lốp ...............................................................................................23
Hình 2.11. Góc quy bánh xe dẫn hƣớng ...................................................................29
Hình 2.12. Gia tốc ngang ..........................................................................................29
Hình 2.13. Góc xoay thân xe .....................................................................................29
Hình 2.14. Vận tốc dọc .............................................................................................29
Hình 2.15. Vận tốc ngang .........................................................................................30
Hình 2.16. Quỹ đạo chuyển động của xe ..................................................................30
Hình 2.15. Góc quay bánh xe dẫn hƣớng ..................................................................30
Hình 2.16. Gia tốc ngang ..........................................................................................30
Hình 2.17. Góc xoay thân xe .....................................................................................31
Hình 2.18. Góc xoay thân xe .....................................................................................31
Hình 2.19. Vận tốc ngang .........................................................................................31
Hình 2.20. Quỹ đạo chuyển động của xe ..................................................................31
Hình 3.1. Cảm biến S350 Aqua với đồ gá ................................................................32
Hình 3.2. Cảm biến vô lăng và phụ kiện ...................................................................33
Hình 3.3. Bộ thu thập dữ liệu DAS 3 ........................................................................34
Hình 3.4. Vị trí có thể lắp cảm biến ..........................................................................35
Hình 3.5. Kết cấu của bộ khung giá đỡ cảm biến .....................................................36
Hình 3.6. Tháo biển số và lắp tấm ốp thiết bị ...........................................................36


vii

Hình 3.7. Tháo nắp che bảo vệ cho tấm hút ..............................................................37
Hình 3.8. Đặt giá đỡ cảm biến lên nắp ca pô ............................................................37
Hình 3.9. Ấn piston bơm ...........................................................................................37
Hình 3.10. Kiểm tra piston bơm................................................................................38
Hình 3.11. Khóa cần treo giá đỡ cảm biến ................................................................38
Hình 3.12. Lắp cần treo giá đỡ cảm biến ..................................................................39
Hình 3.13. Lắp giá đỡ cảm biến ................................................................................39
Hình 3.14. Lấy chuẩn cho giá đỡ cảm biến...............................................................39
Hình 3.15. Gá lắp cảm biến .......................................................................................40
Hình 3.16. Kết nối cáp tín hiệu .................................................................................40
Hình 3.17. Lắp dây an toàn cho đồ gá ......................................................................40
Hình 3.18. Kẹp chặt dây an toàn ...............................................................................41
Hình 3.19. Lắp giá đỡ cảm biến ................................................................................41
Hình 3.20. Điều chỉnh giá đỡ cảm biến ....................................................................42
Hình 3.21. Lắp cảm biến vào giá đỡ .........................................................................42
Hình 3.22. Lắp dây an toàn cho cảm biến .................................................................42
Hình 3.23. Lắp đặt hoàn thiện cảm biến bằng đế từ .................................................43
Hình 3.24. Lắp đặt cảm biến và đồ gá ......................................................................43
Hình 3.25. Lắp cảm biến lên vô lăng ........................................................................43
Hình 3.26. Định vị và định tâm cảm biến .................................................................44
Hình 3.27. Giao diện định dạng cho cảm biến S350.................................................46
Hình 3.28. Giao diện định chuẩn cho cảm biến S350 ...............................................47
Hình 3.29. Giao diện định dạng cho các kênh kỹ thuật số ........................................48
Hình 3.30. Giao diện định dạng các kênh Analog ....................................................49
Hình 3.31. Giao diện định dạng cho cảm biến vô lăng MSW ..................................51
Hình 3.32. Giao diện định dạng các kênh kỹ thuật sô ..............................................52
Hình 3.33. Định dạng cho các kênh Analog .............................................................53
Hình 3.34. Loại xe thí nghiệm ..................................................................................54
Hình 3.35. Mặt bằng thí nghiệm ...............................................................................55

viii

Hình 3.36. Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hƣớng thí nghiệm .....................................56
Hình 3.37. Đồ thị gia tốc dọc thí nghiệm ..................................................................57
Hình 3.38. Đồ thị vận tốc dọc thí nghiệm .................................................................57
Hình 3.39. Đồ thị vận tốc ngang khi thí nghiệm và mô phỏng .................................58
Hình 3.40. Đồ thị vận tốc góc quay thân xe khi thí nghiệm và mô phỏng ...............59
Hình 3.41. Đồ thị góc quay thân xe trong hệ quy chiếu cố định ..............................59
Hình 3.42. Đồ thị vị trí trọng tâm xe .........................................................................60
Hình 3.43. Đồ thị quỹ đạo chuyển động của xe xác định theo thí nghiệm ...............60
Hinh 3.44. Đồ thị quỹ đạo chuyển động khi mô phỏng ............................................61
Hình 3.45. Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hƣớng thí nghiệm .....................................61
Hình 3.46. Đồ thị gia tốc dọc thí nghiệm ..................................................................62
Hình 3.47. Đồ thị vận tốc dọc thí nghiệm .................................................................63
Hình 3.48. Đồ thị vận tốc ngang ...............................................................................63
Hình 3.49. Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ..............................................................64
Hình 3.50. Đồ thị góc quay thân xe .........................................................................65
Hình 3.51. Đồ thị tọa độ trọng tâm xe .....................................................................65
Hình 3.52. Đồ thị hành lang quét xác định từ thí nghiệm .........................................66
Hình 3.53. Đồ thị hành lang quét từ mô phỏng.........................................................66


1

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô
Trong những năm gần đây, do chính sách mở cửa của Nhà nƣớc và nhiều nƣớc

trên thế giới đã có quan hệ hợp tác với nƣớc ta trên nhiều lĩnh vực, nhiều cơ sở liên
doanh đƣợc hình thành và phát triển, các sản phầm trong nƣớc ngày một đa dạng,
phong phú về hình dáng và mẫu mã, chất lƣợng sản phẩm ngày càng cao đáp ứng
đƣợc yêu cầu của ngƣời sử dụng.
Để đáp ứng nhu cầu vận chuyển hành khách cũng nhƣ hàng hóa ngày càng cao
cao thì ngoài việc cần có một cơ sở hạ tầng về các công trình giao thông hoàn thiện
thì đi đôi với nó phải có một đội ngũ hùng hậu đa dạng các loại phƣơng tiện vận
chuyển với tốc độ lƣu thông ngày một cao.
Nghành công nghiệp ô tô Việt Nam đang trong quá trình hình thành và phát triển,
những năm vừa qua đã đạt đƣợc nhiều kết quả khả quan. Bƣớc đầu đang trên đà hội
nhập với khu vực và thế giới. Chủ trƣơng hiện nay của chính phủ đƣa ra là tăng tỷ
lệ nội địa hóa trong các sản phẩm, dần tiến tới chế tạo các sản phẩm mang thƣơng
hiệu Việt Nam. Để đạt đƣợc mục tiêu này, cần quan tâm nghiên cứu sâu hơn các
cụm chi tiết, các hệ thống cũng nhƣ điều kiện làm việc của ô tô để có những biện
pháp kỹ thuật để can thiệp sâu hơn vào trong các cụm các hệ thống nhằm phát huy
đƣợc các đặc tính tối ƣu của chúng.
Nghiên cứu động lực học chuyển động của ô tô là bài toán cơ bản của lý thuyết ô
tô nhằm đánh giá cũng nhƣ xác định chất lƣợng khai thác ô tô trong những điều
kiện khác nhau. Trong các vấn đề đó, vấn đề xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô
là một vấn đề không thể thiếu đƣợc, nhất là trong những năm gần đây chất lƣợng cơ
sở hạ tầng cho giao thông ngày càng đƣợc hoàn thiện và chất lƣợng nâng cao đồng
thời vận tốc trung bình ô tô có thể đạt đƣợc cung đƣợc tăng cao gần 80km/h. Đây là
tín hiệu đáng mừng cho nghành giao thông nhƣng cũng đặt ra rất nhiều vấn đề thách
thức cho các nhà quản lý giao thông cũng nhƣ các nhà sản xuất làm sao để đảm bảo
an toàn giao thông cho ngƣời tham gia giao thông.


2

Với tốc độ phát triển khoa học công nghệ nhƣ ngày nay, ngoài việc đảm bảo các

yêu cầu kỹ thuật của các cụm tổng thành thì việc cải thiện tính điều khiển của ô tô
đang đƣợc các nhà khoa học rất quan tâm. Trong đó có việc xây dựng các ngân
hàng dữ liệu về ô tô và một trong số đó là ngân hàng dữ liệu về quỹ đạo chuyển
động của ô tô. Nếu nhƣ trƣớc đây chúng ta vẫn xem xét quỹ đạo chuyển động của ô
tô bằng các mô hình lý thuyết với nhiều giả thiết để đơn giản cho phép tính nên kết
quả thu đƣợc chỉ mang tính chất tham khảo. Thì giờ đây, chúng ta phải tiến sâu hơn
một bƣớc nữa, đó là thông qua các phép đo, chúng ta sẽ thu thập đƣợc một ngân
hàng dữ liệu làm cơ sở để xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô từ đó có thể đề
xuất các bộ điều khiển để đảm bảo ổn định chuyển động của xe.
Trong nghiên cứu lý thuyết động lực học chuyển động của ô tô có thể tách thành
3 hƣớng chính là: chuyển động thẳng, chuyển động quay vòng và tiện nghi êm dịu
chuyển động. Vấn đề an toàn giao thông cũng đƣợc đề cập đầy đủ theo cả 3 hƣớng
đó, nhƣng liên quan chặt chẽ hơn là quỹ đạo chuyển động của ô tô. Vấn đề nghiên
cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô cần thiết phải đặt trong hệ tọa độ không gian ba
chiều, tức là phải xem xét các điều kiện không gian đầy đủ. Đối với phƣơng tiện
giao thông bằng đƣờng bộ có thể xem xét quỹ đạo của ô tô trong mặt phẳng đƣờng.
Nhƣng phải kể đến ảnh hƣởng của kết cấu đặc trƣng không gian.

Hình 1.1. Trạng thái quay vòng trái của ô tô trong mặt phẳng nền
Trong quá trình xem xét quỹ đạo chuyển động, bao giờ cũng phải khảo sát mối
quan hệ với góc điều khiển vành lái. Nhƣ vậy vấn đề đƣợc đặt ra ở dạng chuyển
động tổng quát trong đó chuyển động thẳng chi là một trƣờng hợp đặc biệt.


3

Ô tô khi chuyển động là một mô hình tổng quát Đƣờng – Xe – Ngƣời. Trong
thực tế các yếu tố của môi trƣờng luôn luôn thay đổi, dẫn tới thay đổi mối tƣơng
quan chuyển động của ô tô trên nền đƣờng. Ngƣời lái luôn có các tác động điều
chỉnh để có thể thu đƣợc các chuyển động mong muốn. Nhƣ vậy mô hình của hệ

thống điều khiển ô tô là một mô hình khép kín. Tuy nhiên trong điều kiện hiện nay,
việc nghiên cứu một mô hình kín là một việc không dễ thực hiện. Trong giao thông
thông đƣờng bộ, mặt đƣờng thƣờng giới hạn sự chuyển động của ô tô không thể và
không cho phép là những mặt đƣờng vô tận. Nếu ô tô mất ổn định điều khiển dễ
dàng dẫn tới mất an toàn chuyển động. Vì vậy để đảm bảo quỹ đạo chuyển động của
ô tô theo đƣờng cong là một yếu tố đảm bảo an toàn giao thông. Sự chuyển động
của ô tô trên đƣờng đòi hỏi phải thực hiện theo quỹ đạo phức tạp, ngƣời lái luôn
luôn điều chỉnh góc quay vành lái. Khi nâng cao tốc độ chuyển động cần thiết phải
đảm bảo mối tƣơng quan giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái chặt chẽ
hơn. Trong nhiều trƣờng hợp chỉ sai lệch nhỏ trong điều khiển sẽ dẫn tới mất quỹ
đạo chuyển động và gây mất an toàn giao thông.
1.2. Tình hình nghiên cứu xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về quỹ đạo chuyển động của ô tô
Trên thế giới đã có rất nhiều các nhà khoa học cũng nhƣ các công trình nghiên
cứu khoa họcđã nghiên cứu nhiều khía cạnh khác nhauđể xây dựng nên quỹ đạo
chuyển động của ô tô. Có thể kể đến các công trình nghiên cứu nhƣ:
1. Công trình nghiên cứu với đề tài “Trajectory Planning for a Four-WheelSteering Vehicle” của Danwei Wang Feng Qi [1] thuộc trƣờng đại học Nanyang
Singapor (26/05/2001). Với công trình này, tác giả đã xây dựng đƣợc mô hình
chuyển động của xe (mô hình 1/4) và từ các phần mềm mô phỏng cũng nhƣ các giả
thiết trong quá trình tính toán, tác giả đã xây dựng đƣợc các đƣờng đặc tính về vận
tốc dịch chuyển của xe, góc xoay thân xe và đƣờng đặc tính về quỹ đạo chuyển
động của xe. Tuy nhiên trong công trình này, tác giả mới chỉ đƣa ra đƣợc một mô
hình đơn giản, chƣa xây dựng đƣợc mô hình lốp, chƣa tính đến đƣợc ảnh hƣởng của
hệ số bám cũng nhƣ độ trƣợt của xe.


4

2. Công trình khoa học: “Dynamic Trajectory Planning with Dynamic
Constraints:a State-Time Space Approach” của nhóm tác giả trƣờng đại học

Yokohama Nhật Bản năm 1993 [2]. Với công trình này, mô hình tính toán đã đƣợc
mở rộng hơn với mô hình ½ và đặc biệt hơn nữa là mô tả quỹ đạo chuyển động của
xe trong không gian với không gian trạng thái gần đúng. Tuy nhiên đề tài vẫn chỉ
dừng lại ở mô hình lý thuyết với các giả thiết gần đúng và các đƣờng đặc tính chỉ
mang tính chất tham khảo và tạo tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn khi tiếp cận
dần với các điều kiện thực tế chuyển động của xe trên đƣờng.
3. Công trình khoa học:“Trajectory planning of tracked vehicles” của nhóm tác
giả Z. Shiller và W. Serate thuộc trƣờng đại học California Los Angeles năm 1995.
Công trình này, tác giả đã đề xuất mô hình xây dựng quỹ đạo chuyển động của xe
trong khi kéo với các điều kiện chuyển động đƣợc mở rộng hơn. Tuy nhiên đề tài
vẫn chỉ dừng lại ở trạng thái lý thuyết với các giả thiết khi tính toán nên kết quả vẫn
chỉ mang tính chất tham khảo
1.2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam về quỹ đạo chuyển động của ô tô
Với điều kiện về cơ sở vật chất còn hạn chế nhƣ tại Việt Nam, việc tiến hành các
thí nghiệm thực tế vẫn còn hạn chế. Tuy nhiên chúng ta cũng có những bƣớc phát
triển đáng kể trong vệc tiến hành nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô, từng
bƣớc tiếp cận với các thành tựu nghiên cứu khoa học trên thế giới. Một số công
trình nghiên cứu đã đạt đƣợc kết quả khả quan, điển hình nhƣ:
Công trình nghiên cứu: “Nghiên cứu đặc tính quay vòng của xe du lịch” của tác giả
Lê Đức Hiếu năm 2007, đã đƣa ra đƣợc mô hình chuyển động của xe và hơn nữa,
trong mô hình này đã tính đến các yếu tố khác nhƣ, xây dựng đƣợc mô hình lốp, đã
tính đến các yếu tố nhƣ lực cản gió, ảnh hƣởng của hệ thống treo và hệ thống lái, …
tác động đến đặc tính quay vòng của xe. Tuy nhiên, mô hình đƣa ra còn đơn giản,
mô hình lốp cũng chƣa đi sâu vào phân tích kết cấu ảnh hƣởng tới đặc tính lốp, ảnh
hƣởng của hệ thống treo chƣa rõ ràng, kết cấu của hệ thống lái vẫn giả thiết là tuyệt
đối cứng nên kết quả vẫn chỉ dừng lại ở mức độ mang tính chất tham khảo.


5

Để nghiên cứu xác định quỹ đạo của xe, có thể sử dụng các phƣơng pháp sau
đây:
-

Dùng mô tả toán học;

-

Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn;

-

Dùng thực nghiệm trên các bãi thử lớn.

Mỗi phƣơng pháp và cách thức thực hiện có một ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng,
tuy nhiên các cách này đã và đang góp phần to lớn vào việc nghiên cứu để đƣa ra
đƣợc những kết quả phù hợp ứng dụng cho nghành công nghệ kỹ thuật ô tô.
1.3. Các phƣơng pháp xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô
1.3.1. Phƣơng pháp xác định quỹ đạo bằng mô hình toán học
Phƣơng pháp này cho phép xác định đƣợc quỹ đạo chuyển động thực tế của ô tô
thông qua các phép toán. Kết quả của phƣơng pháp này là quỹ đạo mô phỏng của xe
khi chuyển động. Tuy nhiên để đạt đƣợc kết quả gần giống với thực tế thì phải giả
thiết các điều kiện đầu vào và các yếu tố ảnh hƣởng sao cho gần giống với thực tế
1.3.2. Phƣơng pháp xác định quỹ đạo bằng thực nghiệm
Phƣơng pháp này cho phép xác định đƣợc quỹ đạo chuyển động thực tế của ô tô
thông qua các phép đo thực nghiệm. Kết quả của phƣơng pháp này là quỹ đạo thực
tế của xe khi chuyển động. Tuy nhiên để đạt đƣợc kết quả tốt thì cần có các thiết bị
thí nghiệm có độ chính xác cao, phƣơng pháp thí nghiệm phù hợp. Có thể xác định
quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng các thiết bị xác định trực tiếp nhƣ từ tín hiệu
GPS. Tuy nhiên việc xác định quỹ đạo gián tiếp thông qua các thông số động học

đƣợc sử dụng phổ biến hơn trong nghiên cứu do điều kiện thiết bị thí nghiệm hiện
nay
Theo công thức trên thì khi xác định đƣợc 3 thông số là x, y, (vận tốc dọc, vận
tốc ngang, và góc xoay thân xe) thì có thể xác định đƣợc quỹ đạo chuyển động của
ô tô bằng thực nghiệm. Sử dụng các cảm biến vận tốc, góc xoay có thể xác định
đƣợc quỹ đạo chuyển động. Ngoài ra góc xoay thân xe có thể đƣợc tính toán gián
tiếp từ các vận tốc góc quay bánh xe trong trƣờng hợp vận tốc thấp. Nội dung phép
đo này đƣợc giới thiệu chi tiết trong các chƣơng 3của luận văn.


6

1.3.3. Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn
Phƣơng pháp sử dụng mô hình đồng dạng trên sa bàn yêu cầu chế tạo một mô
hình đồng dạng với tỷ lệ nhỏ hơn xe thật với các điều kiện chuyển động tƣơng tự
nhƣ thực tế. Từ đó có các phép đo phù hợp để xác định quỹ đạo chuyển động của ô
tô. Trong điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam thì phƣơng pháp này không dễ thực
hiện do điều kiện chế tạo và thiết bị thí nghiệm xác định chuyển động ô tô.
1.4. Mục tiêu và phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của tác giả khi nghiên cứu đề tài là:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về việc xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô;
- Nghiên cứu lập mô hình động lực học xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô;
-Nghiên cứu xây dựng quy trình thực nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động của
ô tô;
-Thu thập dữ liệu và xây dựng các đƣờng đặc tính từ đó rút ra các kết luận về quỹ
đạo chuyển động của ô tô.
1.4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là kết hợp giữa nền tảng cơ sở lý
thuyết về quỹ đạo chuyển động của ô tô từ đó sử dụng bộ cảm biến cùng bộ thu thập

dữ liệu để thu thập các dữ liệu có liên quan. Với các dữ liệu thu thập đƣợc sẽ xây
dựng nên các đƣờng đặc tính về quỹ đạo chuyển động của ô tô làm cơ sở thực tiễn
để đánh giá tính chất động lực học của ô tô
1.4.3. Nội dung nghiên cứu
Luận văn đƣợc trình bày với các nội dung sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chƣơng 2: Lập mô hình động lực học xác định quỹ đạo chuyển động ô tô
Chƣơng 3: Xây dựng quy trình thí nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô
Chƣơng 4: Kết quả và đánh giá


7

CHƢƠNG 2
LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC XÁC ĐỊNH QUỸ ĐẠO
CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ
2.1. Lý thuyết xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô
Việc nghiên cứu bằng lý thuyết quay vòng với việc xác định tâm quay vòng chỉ
đúng khi các bánh xe là không trƣợt. Còn việc nghiên cứu bằng mô hình thu nhỏ thì
lại không đảm bảo đƣợc các tác động tích hợp. Phƣơng pháp mô hình động lực học
ô tô thực hiện bằng việc thiết lập các hệ phƣơng trình vi phân xác định các chuyển
động của ô tô thông qua các tác động động lực học nhƣ các lực tƣơng tác bánh xe,
các tác động ngoại cảnh. Phƣơng pháp này không chỉ xác định đƣợc quỹ đạo
chuyển động của ô tô mà còn có thể đánh giá đƣợc tính chất ổn định chuyển động
hoặc cảnh báo các trạng thái nguy hiểm. Tuy nhiên để có thể làm đƣợc điều đó thì
mô hình động lực học này cần phải có một độ chính xác phù hợp. Phƣơng pháp xác
định quỹ đạo chuyển động của ô tô thực hiện bằng các thực nghiệm đƣợc trình bày
từ việc xác định các thông số động học rồi qua tính toán để đƣa ra vị trí xe. Độ
chính xác của phƣơng pháp phụ thuộc vào độ chính xác thiết bị, điều kiện thí
nghiệm và trạng thái thí nghiệm.

2.1.1. Lý thuyết xác định quỹ đạo bằng mô tả toán học
a. Động học quay vòng của xe hai cầu
Khi nghiên cứu về quỹ đạo chuyển động của ô tô, từ trƣớc đến nay khi tính toán
các thông số kết cấu, những nhân tố ảnh hƣởng đến tính chất quay vòng của xe du
lịch, chƣa tính đến sự biến dạng của lốp xe nên giữa bánh xe và mặt đƣờng không
có hiện tƣợng trƣợt, lúc này quan hệ giữa các thông số chỉ là các quan hệ đơn thuần
về mặt hình học nhƣ hình 2.1. Phƣơng pháp này chỉ xác định đƣợc quỹ đạo chuyển
động của ô tô với hàm đầu vào là các góc quay bánh xe dẫn hƣớng[5]. Chính vì vậy,
phƣơng pháp này không thể xác định đƣợc quỹ đạo chuyển động của ô tô trong các
trạng thái tích hợp hoặc sự lệch của xe khi phanh.


8

Động học quay vòng của ô tô đƣợc xét khi Ô tô quay vòng quanh một tâm quay
vòng O nhƣ hình 2.1. Quỹ đạo chuyển động của xe đƣợc xác định thông qua bán
kính quay vòng và vết tiếp xúc của các bánh xe. Khi xác định đƣợc tọa độ trọng tâm
của xe khi đi ở vận tốc thấp có thể xác định đƣợc vết tiếp xúc và ngƣợc lại với giả
thiết khung xe không có biến dạng và chỉ xét xe chuyển động trong mặt phẳng nền.
(Các ký hiệu chỉ đƣợc dùng trong phần này)

Hình 2.1. Quan hệ Ackerman của xe hai cầu với cầu trước dẫn hướng
Các mối quan hệ này đƣợc xác định từ động học quay vòng theo định luật
Ackerman:

Cot o  Cot i 

w
l

(2.1)

Trong đó:
δo: là góc quay bánh xe dẫn hƣớng phía ngoài so với tâm O;
δi: là góc quay bánh xe dẫn hƣớng phía trong so với tâm O;
w: khoảng cách giữa hai trụ đứng hệ thống lái;
l: chiều rộng cơ sở của xe.
Khi đó trọng tâm xe đƣợc quay theo một bán kính quay vòng tính từ tâm O theo
công thức sau:

R  a22  l 2Cot 2

(2.2)


9

Trong đó δ là góc lái trung bình của hai góc quay bánh xe dẫn hƣớng đƣợc tính
theo công thức sau

Cot 

Cot o  Cot i
2

(2.3)

Giá trị góc này đƣợc xác định nhƣ góc quay vòng của một xe hai bánh với cùng
chiều dài cơ sở l và bán kính quay vòng R.
Bán kính R1 đƣợc xác định theo công thức nhƣ sau:

R1 

l
tan 

(2.4)

Hình 2.2. Động học quay vòng của xe cầu trước dẫn hướng
Góc hƣớng β là góc hợp bởi vận tốc xe v với trục dọc xe trong trƣờng hợp xe
không trƣợt đƣợc xác định bằng công thức nhƣ sau:
tan  

a2 a2 tan 

R1
l

(2.5)


10

Hình 2.3. Hành lang quét của xe hai cầu
Động học hệ thống lái có thể đƣợc dùng để xác định hành lang quét của xe khi
quay vòng. Điểm ngoài cùng của xe chạy trên đƣờng tròn có bán kính RMax. Trong
khi điểm trong cùng sẽ xác định RMin. Khoảng cách từ cầu trƣớc đến điểm trƣớc của
xe quy ƣớc là g trong công thức trên. Từ đó ta xác định đƣợc các giá trị RMax và
RMin nhƣ sau:
(2.6)
(2.7)

Hành lang quét đƣợc xác định theo công thức sau:

(2.8)
Nhƣ vậy, việc sử dụng quan hệ hình học để xác định quỹ đạo chuyển động thông
qua xác định cung quay vòng và hành lang quét. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng
trong các bài toán lý thuyết về quay vòng lý tƣởng đối với xe không trƣợt. Để xác
định đƣợc quỹ đạo chuyển động của ô tô trong trạng thái trƣợt thì cần phải xây


11

dựng mô hình độngg lực học quay vòng có xét đến tƣơng tác với đƣờng và các tác
động ngoại cảnh khác (nếu có).
b. Lý thuyết xác định quỹ đạo bằng mô hình động lực học
Chuyển động của ô tô là chuyển động phức hợp, gồm ba chuyển động tịnh tiến
phƣơng x, y, z và ba chuyển động góc φ, β, ψ. Để mô tả chuyển động phức hợp đó
ta cần thiết lập một hệ tọa độ cố định G(OXYZ), trong đó nó có quan hệ với các hệ
tọa độ vật B(Cxyz) nhƣ là các hệ tọa độ con. B(Cxyz) có thể quay với các góc φ, β,
ψ trong hệ cố định G(OXYZ) và hệ G(OXYZ) cũng quay trong hệ cục bộ B(Cxyz).
Để đơn giản, trong nghiên cứu động lực học ô tô, ta định nghĩa hệ tọa độ cố định có
trục OZ vuông góc với mặt phẳng nền XOY. Các hệ con B có trục Cz song song với
trục OZ của hệ cố định. Nhƣ vậy, các hệ con B có thể quay quanh trục OX, OY, OZ
các gócφ, β, ψ. Sử dụng phƣơng pháp tách cấu trúc và hệ phƣơng trình NewtonEuler để mô tả động lực học ô tô[6].Các thông số của mô hình đƣợc biểu diễn trong
hình 1.5
G(OXYZ) là hệ tọa độ cố định;
B(Cxyz) là hệ tọa độ xe (hệ vật).
Gd: là véc tơ vị trí từ gốc O của hệ G(OXYZ) đến trọng tâm C của xe B(Cxyz).
Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động quay. Hệ tọa độ trong hình
1.2 là hệ tọa độ thuận, có trục OZ song với trục Cz. Nếu ta chiếu xuống nền, ta có
hệ tọa độ thu gọn nhƣ hình 1.3 và 1.4. Để ngƣời đọc dễ theo dõi, sau đây là một vài

phép chuyển đổi cơ bản trong cơ học đƣợc trình bày. Giả sử có một véc tơ
hệ B(Cxyz), chuyển sang hệ G(OXYZ) là

G

r,

B

r trong

G
đƣợc xác định qua ma trận xoay R B

nhƣ sau:
G

B

B

r

G

RB B r

(2.9)

r  G R B1 G r

(2.10)

r  B RG R r

(2.11)


12

G
Một điểm P trong hệ con B(Cxyz) có vec tơ gốc d P so với hệG(OXYZ) có vị trí

trong hệ G nhƣ sau:
G

rP  G R B B rP  G d P

(2.12)

G
G
Với p, L là động lƣợng và mô men động lƣợng trong hệ cố địnhG, ta xác định

lực và mô men trong hệ G. Biểu thức động lƣợng và mô men động lƣợng nhƣ
(1.13):
p  mv
L  rC  p

(2.13)

Lấy đạo hàm p và L theo thời gian ta có các véc tơ lực và mô men trong hệ G
G

F

G

dG
p
dt

G

M

G

dG
L
dt

(2.14)

Lực trong hệ cục bộ đƣợc xác định theo (1.15), mô men theo (1.16):
B

F  G p& GB ωB  B p
 m B a B  m GB ωB  B vB

B

(2.15)

M  G L& GB ωB  B L
 B I GB ω&B  GB ωB  ( B I GB ωB )

(2.16)

Hình 2.4. Định nghĩa hệ tọa độ G(OXYZ), hệ cục bộ xe B(Cxyz)
Hệ tọa độ đặc biệt: Trong lĩnh vực động lực học ô tô, chúng ta chọn hệ có trục
song song Cz và OZ nhƣ hình 2.4. Thân xe quay quanh trục Oz gócψ, quay quanh
trục Oy góc φ và quay quanh trục ox gócβ. Vec tơ
B

r

G

r

trong hệ G đƣợc xác định từ

trong hệ cục bộ thông qua ma trận xoay RZ khi hệ cục bộ quay quanh trục OZ

một gócψ.


13

G

r X Y ZT

B

r   x y z T

(2.17)

- Tọa độ hệ B(Cxyz) quay quanh trục OY với góc  :
r  R Y , B r

G

R Y ,

cos 0 sin 


 0
1
0 
  sin  0 cos 

(2.18)

Tọa độ hệ B(Cxyz) quay quanh trục OX với góc  :
G

R X,

r  RX, B r
0 
1 0

 0 cos   sin  
0 sin  cos

(2.19)

- Tọa độ hệ B(Cxyz) quay quanh trục OZ với góc:
G

r  R Z, B r

cos  sin  0 


R Z,  sin  cos 0 
 0
0
1

(2.20)

Trong một số trƣờng hợp chúng ta phải chuyển từ hệ cố định G(OXYZ) sang hệ
cục bộ B(Cxyz). Khi đó các phép chuyển sẽ là:
-Tọa độ hệ G(OXYZ) quay quanh trục Cy với góc φ:
B

R y,

r  R y, G r
cos 0  sin 

 0 1
0
sin  0
cos






(2.21)

-Tọa độ hệ G(OXYZ) quay quanh trục Cx với góc β:
B

R x,

r  R x, G r
0
0
1

 0 cos sin 
0  sin  cos






- Tọa độ hệ G(OXYZ) quay quanh trục Cz với gócψ:

(2.22)


14

r  R z, G r

B

 cos sin  0 


   sin  cos 0 
 0
0 1

R z,

(2.23)

Phƣơng trình chuyển động viết trong hệ vật B(Cxyz):
B

F  B R GGF
 B R G (m G a B )
 m GB a B
 m B v&B  m GB ωB  B vB

B

(2.24)

G

dB
L
dt
 GB L&B
 B L& GB ωB  B L

M

 B I GB ω&B  GB ωB  ( B I GB ωB )

(2.25)

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

vC  vx v y vz  T

(2.26)

Trong đó, vx là vận tốc tịnh tiến, vy là vận tốc ngang, vz là vận tốc phƣơng thẳng
đứng của xe.
Véc tơ gia tốc tƣơng ứng đƣợc suy ra từ (2.25):
B

v&C  v&x v&y v&z  T

(2.27)

Véc tơ vận tốc quay thân xe:
B
G

& & 
& T
ωB  x y z  T  


(1.28)

Véc tơ gia tốc tại trọng tâm xe đƣợc suy ra từ (2.20):
B
G

T
T
&&
&x 
&y 

&z   
&
&&
&
ω&B  
  

(2.29)

Ma trận quán tính chính của xe:
B

I1 0
I   0 I2
 0 0

0   Ix
0    0
I3   0

0
Iy
0

0
0 
Iz 

(2.30)

Thay các véc tơ từ (2.26 đến 2.30) vào phƣơng trình tổng quát (2.24, 2.25) ta có
phƣơng trình Newton (2.24) và Euler (2.26):


15

B

F  m B v&B  m GB ωB  B vB

(1.31)

Fx 
 v&x 
 x   v x 
 
 
   
Fy   m  v&y   m  y    v y 
F 
 v& 
   v 
 z
 z
 z  z
B

(2.32)

M  B I GB ω&B  GB ωB   B I GB ωB 

0  &x   x    I1
    
I2 0  &y    y     0
0 I3  &z   z    0
&x I1  y z I2  y z I3 


  &y I2  x z I1  x z I3 
&I    I    I 
x y 1
x y 2
 z 3

I1
B
M   0
 0

0

 M x   &x I1  y z I 2  y z I3 

  
 M y   &y I 2  x z I1  x z I 3 
 M   &I    I    I 
x y 1
x y 2
 z  z 3

(2.33)
0
I2
0

0   x  
 
0   y  
I3   z  

(2.35)

(2.36)

Trong mặt phẳng nền G(OXY), ta chỉ quay một góc ψquanh trục OZ nên các
phép tính đơn giản hơn.
G

B

cos  sin  
RB  

cos 
sin 

(2.37)

F  B RG G F
 B R G (m G a B )

 m GB a B
 m B v&B  m GB ωB  B vB

B

G

dB
L
dt
 GB L&B
 B L& GB ωB  B L

M

 B I GB ω&B  GB ωB  ( B I GB ωB )
B

B

B

(2.38)

FC  Fx Fy 0 

(2.39)

T

(2.40)
T

MC  0 0 Mz 
v&C  v&
v&
0 
x
y

(2.41)

T

(2.42)


16

T

B
G

ωB   0 0 z 

B
G

&B  0 0 

&z 
ω

(2.44)

I1 0 0 


I  0 I 2 0 
0 0 I3 



(2.45)

B

(2.43)

T

Thế các véc tơ và ma trận của phƣơng trình (2.40 đến 2.45) bởi phƣơng trình
(2.38, 2.39):
B

F  m GB v&B  m GB ω B  B v B
v&x 
 0   vx 
 
 

 m  v&y   m  0   v y 
0 
z  0 
 

(2.46)

& &y&
 Fx   mv&x  mz v y 
 x&

  

& &x&
 Fy    mv&y  mz vx   m  y&


F  

0
0


 z 

B

M  B I GB ω&B  GB ωB ( B I GB ωB )
I1 0 0   0   0   I1 0 0   0    0   0 






 0 I2 0   0    0    0 I2 0   0     0    0 
0 0 I3  
&z  z   0 0 I3  z   I3
&z  I3
&
&

(2.47)

Chúng ta cũng có thể viết phƣơng trình trong hệ cố định G(OXYZ) nhƣ (2.48):
d &
X FX
dt
d
m Y&  FY
dt
d
Iz
& MZ
dt
m

(2.48)

G
Sử dụng ma trận xoay RB nhƣ (2.49):

G

cos   sin  0 


R B  sin  cos  0 
 0
0
1 

Véc tơ vận tốc trong hệ cố định G(OXY):

(2.49)


17

G

vC  G R B B vC

 v X  cos   sin  0   v x 
  
 
 v Y   sin  cos  0   v y 
 0   0
0
1   0 
 

 v x cos   v y sin  


  v y cos   v x sin  


0



(2.50)

Lấy đạo hàm véc tơ vận tốc (2.50) theo thời gian, ta có véc tơ gia tốc của xe
trong hệ cố định:
 v&X  (v&x  &v y )cos   (v&y  &v x )sin  

&  & &
 v Y   (v y  v x )cos   (v&x  &v y )sin  

0  
0
  


(2.51)

Phƣơng trình Newton trong hệ cố định G(OXYZ):
G

FC  m G v&C

 G R B B FC

(2.52)

Trong đó, véc tơ lực trong hệ vật B(Cxyz) đƣợc xác định nhƣ (2.53):
B

FC  G R BT G FC
 m G R BT G v&C

(2.53)

G
&
Thay vC từ (2.42) và các tọa độ suy rộng tƣơng ứng vào (2.44):

(v&x  &v y ) cos   (v&y  &v x )sin  
 v&x  &v y 
Fx 




 
G
T
Fy   m R B (v&y  &v x ) cos   (v&x  &v y )sin    m  v&y  &v x 


 0


0 
0
 




G

(2.54)

MC  G R B B MC

 0   cos  sin 
 0   sin  cos

 
 MZ   0
0

0  0   0 
0   0    0 
1  Mz   Mz 

(2.55)

Vị trí trọng tâm của xe đƣợc xác định thông qua công thức sau:
   0   &dt
X   (v x cos  v y sin  )dt

Y   (v xsin  v y cos )dt

(2.56)