Nghiên cứu ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển động của ô tô loại m1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và những kết quả thực nghiệm được nghiên cứu
trong luận văn là hoàn toàn thực tế, khách quan. Những kết quả tương tự chưa từng
được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Học viên

Trần văn Tưởng

-1-


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan..............................................................................................................1
Mục lục.......................................................................................................................2
Danh mục các ký tự và ký hiệu viết tắt......................................................................4
Danh mục các hình vẽ, đồ thị.....................................................................................5
Danh mục các bảng....................................................................................................7
Lời nói đầu.................................................................................................................8
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..........................................9
1. Động học quay vòng của ô tô ................................................................................9
1.1 Trường hợp 2 bánh xe dẫn hướng........................................................................9
1.2. Trường hợp 4 bánh xe dẫn hướng ....................................................................12
2. Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng........................................................................13
3. Tình hình nghiên cứu hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng..........................................17
4. Quan hệ giữa các góc quay dẫn hướng của các bánh xe......................................18
5. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài.................................20
5.1. Mục tiêu............................................................................................................20
5.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu..............................................................21
Chương 2. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TRONG MÔI
TRƯỜNG MATLAB-SIMULINK..........................................................................22

1. Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học của ô tô..................................22
1.1. Mô hình phẳng..................................................................................................22
1.1.1. Phản lực Fi.....................................................................................................23
1.1.2. Lực cản lăn Pf................................................................................................24
1.1.3. Lực bên Si......................................................................................................24
1.1.4. Lực cản không khí.........................................................................................25
1.1.5. Lực ly tâm Pj..................................................................................................27
1.2. Sự nghiêng thân xe và tải trọng thẳng đứng.....................................................29
1.3. Mô hình bánh xe...............................................................................................34

-2-


1.3.1. Các chế độ làm việc của bánh xe..................................................................35
1.3.2. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe...........................................................35
1.3.3. Mô hình tính toán lốp xe ô tô........................................................................38
2. Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong matlab-simulink.....................44
2.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng matlab-simulink...........................................44
2.2. Mô phỏng chuyển động của ô tô.....................................................................46
2.2.1. Vận tốc và gia tốc dọc của ô tô.....................................................................46
2.2.2. Vận tốc và gia tốc bên của ô tô.....................................................................47
2.2.3. Góc quay thân xe, vận tốc và gia tốc góc quay thân xe................................48
2.3. Hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng (4ws).........................................................49
2.4. Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe...............................................49
2.5. Góc lệch bên αi của bánh xe............................................................................50
2.6. Bánh xe............................................................................................................51
Chương 3. MÔ PHỎNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC QUAY DẪN
HƯỚNG BÁNH XE CẦU SAU ĐẾN CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ.................54
3.1. Mô phỏng ảnh hưởng của tỷ lệ δs/ δt đến chuyển động của ô tô ở các vận tốc và
mức độ quay vòng khác nhau................................................................................ 54

3.2. Mô phỏng ảnh hưởng của vận tốc tại đó góc quay bánh xe cầu sau đổi hướng
đến chuyển động của ô tô........................................................................................61
KẾT LUẬN.............................................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................66
PHỤ LỤC................................................................................................................67

-3-


DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
STT

Ký

Chú thích

hiệu

Đơn vị

1.

a

Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu trước

m

2.

b

Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu sau

m

3.

L

Chiều dài cơ sở

m

4.

B

Chiều rộng cơ sở của ô tô

m

5.

Độ trượt

%

6.


Pk

Lực kéo

N

7.

Pω

Lực cản không khí

N

8.

Pf

Lực cản lăn

N

9.

Pj

Lực quán tính

N

10.

βi

Góc quay bánh xe dẫn hướng

rad

11.

α

Góc lệch bên của bánh xe

rad

12.

J bx

13.

Fx

14.

Fz

Mô men quán tính bánh xe

Lực dọc tác dụng tại vùng tiếp xúc của bánh xe với
mặt đường
Tải trọng tác dụng lên bánh xe

15.

Xo

Quỹ đạo chuyển động của ô tô theo chiều dọc

m

16.

Sy

Độ lệch làn

m

17.

ay

Gia tốc bên

m/s2

18.

exi

Góc quay thân xe

Độ

19.



Gia tốc góc bánh xe

1/s 2

20.

rb

Bán kính làm việc bánh xe

21.

Mp

22.

Me

23.

F

Mô men phanh bánh xe
Mô men xoắn do lực dọc của mặt đường tác dụng lên
bánh xe, gây ra tại trục bánh xe
Diện tích cản chính diện

24.

Cd

Hệ số cản khí động

25.

exid

26.

βvl

Góc quay vành lái

Độ

27.

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

28.

i

Tỷ số truyền hệ thống lái

Vận tốc góc quay than xe

-4-

m/s 2
N
N

m
Nm
N.m
m2
Rad/s


STT

Ký

Chú thích

hiệu

Đơn vị

29.

δ

Góc quay bánh xe

Độ

30.

φ

Hệ số bám ngang

31.

R

Bán kính quay vòng

m

32.

λ

Độ trượt

%

33.

ρ

Mật độ không khí

Kg/m3

34.

k

Hệ số cản không khí

Ns2/m4

35.

Pms

Lực ma sát

N

36.

Si

Lực bên
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

m2

Tên hình vẽ

STT

Trang

1.

Hình 1.1. Sơ đồ quay vòng của xe có 2 bánh dẫn hướng

10

2.

Hình 1.2. Trường hợp xe quay vòng đủ

11

3.

Hình 1.3. Trường hợp xe quay vòng thiếu

11

4.

Hình 1.4. Trường hợp xe quay vòng thừa

11

5.

Hình 1.5. Sơ đồ các bánh xe quay ngược chiều

12

6.

Hình 1.6. Sơ đồ các bánh xe quay cùng chiều

13

7.

Hình 1.7. Hệ thống lái 4ws với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu
sau

16

8.

Hình 2.1. Lực và mô men xác định trong mặt phẳng nằm ngang

22

9.

Hình 2.2. Sơ đồ xác định diện tích cản chính diện của ô tô

26

10.

Hình 2.3. Sự nghiêng thân xe quanh trục nghiêng dọc

30

11.

Hình 2.4. Lực ly tâm và sự thay đổi phản lực thẳng đứng

31

12.

Hình 2.5. Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng giữa 2 cầu trước và sau

31

13.

Hình 2.6. Sơ đồ cân bằng lực ngang

32

14.

Hình 2.7. a,b. Lực và mô men ở cầu sau, cầu trước

33

15.

Hình 2.8. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe

35

16.

Hình 2.9. Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe bị động

37

17.

Hình 2.10. Đồ thị đặc tính biến dạng của bánh xe đàn hồi

37

18.

Hình 2.11. Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe chủ động

38

19.

Hình 2.12. Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc, tải

39

-5-


Tên hình vẽ

STT

Trang

trọng và độ trượt dọc
20.

Hình 2.13. Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc, góc
lệch bên và độ trượt dọc

39

21.

Hình 2.14. Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực bên, tải
trọng và góc lệch bên

40

22.

Hình 2.15. Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực bên, độ
trượt và góc lệch bên

40

23.

Hình 2.16. Mô hình tính góc lệch bên

41

24.

Hình 2.17. Sơ đồ mô phỏng khối thân xe

46

25.

Hình 2.18. Vận tốc, gia tốc dọc của ô tô

47

26.

Hình 2.19. Vận tốc, gia tốc bên của ô tô

48

27.

Hình 2.20. Góc quay than xe, vận tốc và gia tốc góc quay thân xe

48

28.

Hình 2.21. Sơ đồ mô phỏng qui luật của góc quay bánh xe dẫn hướng

49

29.

Hình 2.22. Sơ đồ mô phỏng sự phân bố tải trọng thẳng đứng lên các
bánh xe

50

30.

Hình 2.23. Sơ đò mô phỏng góc lệch bên bánh xe

51

31.

Hình 2.24 Sơ đò mô phỏng khối bánh xe

52

32.

Hình 2.25. Sơ đò mô phỏng ứng xử của ô tô

53

33.

Hình 3.1. Đồ thị mô phỏng ảnh hưởng của tỷ lệ δs/ δt đến chuyển
động của ô tô ở các vận tốc và mức độ quay vòng khác nhau.

54

34.

Hình 3.2. Đồ thị so sánh các thông số ở góc quay vành lái βvl=1200
v=10m/s,

55

35.

Hình 3.3. Đồ thị so sánh các thông số ở góc quay vành lái βvl=1200
v=20m/s

57

36.

Hình 3.4. Đồ thị so sánh các thông số ở v=10m/s,v=20m/s, tỷ lệ 16%

58

37.

Hình 3.5. Đồ thị so sánh các thông số ở tỷ lệ 16%

59

38.

Hình 3.6. Đồ thị so sánh các thông số ở tỷ lệ 32%

60

39.

Hình 3.7. Đồ thị mô phỏng ảnh hưởng của vận tốc đến chuyển động
của ô tô

61

40.

Hình 3.8. Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của vận tốc đến chuyển động
của ô tô ở tỷ lệ 20%, βvl=1200 , v=10m/s

62

-6-


STT
41.

Tên hình vẽ

Trang

Hình 3.9. Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của vận tốc ở tỷ lệ 20%
v=20m/s, βvl=1200,

64

DANH MỤC CÁC BẢNG
STT

Tên bảng

Trang

1.

Bảng 2.1. Trị số các thông số K, F, V của một số loại ô tô

27

2.

Bảng 3.1. Thống kê số liệu mô phỏng khi thay đổi tỷ lệ % ở
v=10m/s, βvl=1200

56

3.

Bảng 3.2. Thống kê số liệu mô phỏng khi thay đổi tỷ lệ % ở
v=20m/s, βvl=1200

57

4.
5.

Bảng 3.3. Thống kê kết quả mô phỏng khi thay đổi vận tốc ở
v=10m/s, βvl=1200
Bảng 3.4. Thống kê kết quả mô phỏng khi thay đổi vận tốc ở
v=20m/s, βvl=1200

-7-

63
64


LỜI NÓI ĐẦU

Phương tiện ô tô và hệ thống đường xá ở Việt Nam ngày nay phát triển rất
nhanh chóng và đang dần bắt kịp với trình độ phát triển của thế giới về mọi mặt: Số
lượng, chất lượng phương tiện, đường xá, tốc độ hoạt động của ô tô ngày càng nâng
cao, do vậy vấn đề an toàn của ô tô trong chuyển động ở tốc độ cao cũng như nhằm
nâng cao tính năng thông qua của ô tô khi chuyển động ở tốc độ thấp là một vấn đề
được các nhà chuyên môn và người sử dụng đặc biệt quan tâm.
Để giải quyết vấn đề trên, đề tài nghiên cứu tập trung vào vấn đề: động lực
học chuyển động của ô tô nhằm rút ra một số kết luận có tính qui luật, với mong
muốn đề tài giải quyết một phần trong hướng chính đó với tên đề tài: Nghiên cứu
ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển động của ô tô
loại M1.
Đề tài đã chọn phương pháp khảo sát mô hình với sự trợ giúp của phần mềm
mô phỏng matlab simulink.
Đề tài đã được thực hiện tại bộ môn Ôtô và xe máy chuyên dụng - Viện cơ
khí động lực -Trường ĐHBK Hà Nội, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Thầy
PGS,TS Hồ Hữu Hải cùng các thầy trong bộ môn và các bạn đồng nghiệp. Những
kết quả đạt được giúp cho tác giả hiểu thêm về động lực học ô tô và định hướng
cho những nghiên cứu tiếp theo. Song vì thời gian có hạn nên không tránh khỏi
những những khiếm khuyết, cần được quan tâm bổ sung và mở rộng hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS,TS Hồ Hữu Hải đã tận tình giúp
đỡ, định hướng nghiên cứu cho đề tài và giúp đỡ giải quyết từng nội dung cụ thể,
xin cảm ơn các thầy trong bộ môn ô tô và xe chuyên dụng- Viện cơ khí động lựcTrường ĐHBK Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình
học tập và thực hiện đề tài.
Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013
Tác giả
Trần Văn Tưởng

-8-

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Vấn đề điều khiển hướng chuyển động của ôtô có liên quan trực tiếp đến quỹ
đạo chuyển động, khả năng chuyển động ổn định và an toàn của ôtô.
Sự chuyển động của ô tô trên đường đòi hỏi người lái phải luôn luôn tập
trung quan sát và điều chỉnh góc quay vành lái. Khi nâng cao tốc độ chuyển động
cần thiết phải đảm bảo mối tương quan giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay
vành lái. Nếu người lái sơ sẩy mất tập trung dẫn đến mất quỹ đạo chuyển động có
thể gây ra tai nạn. Trong thực tế khi xe chuyển động với vận tốc cao, vào đường
vòng, gặp chướng ngại vật hoặc phanh gấp dẫn đến bó lết bánh xe làm mất khả năng
điều khiển hướng chuyển động hoặc chịu gia tốc hướng tâm lớn dẫn đến hiện tượng
trượt bên có thể gây lật xe.
Ổn định hướng liên quan đến nhiều yếu tố như do lốp, do hệ thống lái, hệ
thống phanh..Theo thống kê có khoảng 50% các tai nạn giao thông là liên quan đến lốp
xe: do nổ lốp, lốp non, kết cấu lốp. Lốp non dẫn đến hiện tượng quay vòng không
chính xác gây mất ổn định hướng.
1. Động học quay vòng của ô tô:
Xác định các trạng thái quay vòng của ô tô, từ đó xây dựng mối quan hệ giữa
các góc quay bánh xe cầu trước và cầu sau. Để tìm hiểu nội dung trên, tác giả đã
tham khảo tài liệu thiết kế hệ thống lái 4ws trên xe con của tác giả: Lê Duy HòaLớp ô tô k46
1.1. Trường hợp hai bánh xe dẫn hướng
Trên hình 1.1 biểu thị sự quay vòng của ôtô có hai bánh trước dẫn hướng phía
trước.
Gọi - G là trọng tâm của xe;
- I là tâm quay vòng tức thời của xe.
Để đảm bảo các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết hoặc trượt quay thì tâm I
phải nằm trên trục cầu sau.

-9-

B

a

Vt

L

G

b

R

I

O

Hình 1.1- Sơ đồ quay vòng của xe có hai bánh dẫn hướng.
Bán kính quay vòng của xe là
R =IG =

IO2  OG 2  L2 * cot g 2 t  b 2 .

(1.1)

Trong đó : L- chiều dài cơ sở của xe;
 t - góc quay trung bình của bánh xe cầu trước bên phải và bên trái.

Từ sơ đồ hình 1.2 ta rút ra được biểu thức về mối quan hệ giữa các góc quay vòng

của hai bánh xe dẫn hướng để đảm bảo cho chúng không bị trượt khi xe vào đường
vòng:
Cotg   Cotg 

B
L

(1.2)

Trong đó:
 - góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên ngoài;
 - góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên trong;
L - chiều dài cơ sở của xe;
B - khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng của cầu dẫn hướng.
Nếu cho xe chuyển động trên đường vòng với tốc độ thấp thì ứng với mỗi vị
trí góc quay của vành tay lái nhất định βvl, thì xe sẽ quay vòng với một bán kính
Rqv=R0 tương ứng. Đây có thể coi là trường hợp quay vòng đủ .

- 10 -


 VL =const
Rqv=R0
G
R =R

qv

o

I I
0

O
qv

Hình 1.2- Trường hợp xe quay vòng đủ.
Trong thực tế xe khi xe quay vòng thường xảy ra trạng thái quay vòng thiếu và
quay vòng thừa.
Khi quay vòng thiếu để thực hiện quay vòng xe theo bán kính R0 thì người lái
phải tăng góc quay vành lái một lượng Δβvl.
Khi quay vòng thừa để thực hiện quay vòng xe theo bán kính R0 thì người lái
phải giảm góc quay vành lái một lượng Δβvl .
βVL cần tăng
Rqv >R0
R

qv

I

G

qv

R

o

I

0

O

Hình 1.3- Trường hợp xe quay vòng thiếu.
βVL cần giảm
RqvG

R

0

I

R

qv

0

O

I

qv

Hình 1.4- Trường hợp xe quay vòng thừa.

- 11 -


Trạng thái quay vòng thừa là trạng thái quay vòng nguy hiểm vì nó làm mất
tính ổn định ngang và tính điều khiển của xe bởi việc làm gia tăng lực ly tâm. Ở
những trạng thái này đòi hỏi người lái phải có kinh nghiệm xử lý tốt.
1.2. Trường hợp bốn bánh xe dẫn hướng
Gọi - G là trọng tâm ôtô.
- X0Y là hệ trục toạ độ có gốc 0 tại tâm dầm cầu sau (như hình vẽ).
- I(x0,y0) là tâm quay vòng tức thời của ôtô
-  t ,  s là các góc quay trung bình của các xe bánh cầu trước và cầu sau.
- Khi bánh xe cầu trước và cầu sau quay ngược chiều:
Ta thấy:
HT

tg


T

IH

HO
tg S 
IH


tg T  tg S 



L
IH

Y
Vt

T

a

0

G

F

LT

L

Y

I
(x ,y )

H

0

Vs

b

X

O

Hình 1.5 - Sơ đồ các bánh xe quay ngược chiều
Và IH2 =IG2- GH2 =R2 – (GO-HO)2 = R2- ( b 
- Khi quay quay cùng chiều:

- 12 -

L.tg S
)2 .
tg T  tg S

(1.3)


B

Y

G

F

LT

L

Vt

Vs

O

I

H

(x ,y )
0

0

Hình 1.6- Sơ đồ các bánh xe quay cùng chiều
Ta thấy :
HT

tg T  IH

HO
tg S 
IH


Suy ra tg T  tg S 

L
IH

Trong trường hợp này ta thấy tâm quay vòng tức thời (tâm vận tốc tức thời) của
xe nằm bên dưới so với gốc toạ độ O nên nếu ta coi y0<0 thì :
tg  S 
Vậy

y
OH
L
 0 < 0 Suy ra tg T  tg S =tg  T+ tg  S=
IH
IH
IH

tg T  tg S  tg  T+ tg  S=

(1.4)

L
là trường hợp tổng quát để tính toán .
IH

2. Hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng.
Đa phần trên các mẫu xe thông dụng đang hiện hành, người điều khiển
phương tiện gần như chỉ được sử dụng cách chuyển hướng bánh trước. Tuy nhiên,
yêu cầu của người tiêu dùng đối với tính năng điều khiển của một chiếc xe ngày
càng cao. Do vậy, công nghệ hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng được các nhà sản xuất

coi trọng.
a. Ưu điểm: Để tăng cường tính ổn định khi vận hành ở tốc độ cao hay tác dụng lực
cản gió hướng bên. Thực hiện thao tác ở tốc độ thấp sẽ linh hoạt và nhẹ nhàng hơn,
thậm chí còn giảm bán kính cua khi quay đầu xe.
b. Đặc điểm: Khi vô lăng điều khiển bánh trước chuyển hướng thì bánh sau cũng
sẽ chuyển động một góc độ nhất định

- 13 -


c. Quá trình phát triển hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng:
Việc điều khiển tất cả các bánh xe ô tô được xuất hiện sau chiến tranh thế
giới thứ hai trên các ô tô quân sự cần có khả năng cơ động cao (quay vòng với bán
kính nhỏ).
Khi đó, các bánh xe đều được coi là bánh xe dẫn hướng và quay ngược chiều
nhau với quan hệ động học ngược tạo nên bán kính quay vòng nhỏ. Hiển nhiên, khi
quay vòng như vậy cần phải vận hành với vận tốc ô tô nhỏ nhằm hạn chế lực ly tâm
gây lật đổ xe.
Sau những năm 1970, do các đòi hỏi về ổn định chuyển động ở tốc độ cao, ô
tô con được bố trí khả năng quay vòng sao cho tránh rơi vào tình trạng quay vòng
thừa, như vậy khi quay vòng ở tốc độ cao các bánh xe dẫn hướng cần quay cùng
chiều.
Hiện tượng quay vòng thừa xảy ra trên các loại xe có sử dụng bánh xe đàn
hồi (lốp cao su chứa khí nén, và sự tự điều khiển cầu xe trên các loại hệ thống treo
khác nhau,…). Giá trị của góc điều khiển cầu sau không lớn, nhưng khi xe chuyển
động ở tốc độ cao lại ảnh hưởng tới khả năng an toàn, nên khi quay vòng cần hạn
chế. Điều này dẫn tới các loại ô tô con có hệ thống lái tất cá các bánh xe và làm việc
tuỳ thuộc vào tốc độ ô tô.
Ở trên các ô tô con hiện đại bố trí cơ cấu lái (CCL) điều khiển tất cả các bánh
xe thỏa mãn cả hai nhu cầu: cơ động và ổn định, tức là bánh xe cầu sau có thể quay

vòng hoặc cùng chiều hoặc ngược chiều với các bánh xe trước. Hệ thống như vậy
được ký hiệu 4WS (four Wheels Steering).
d. Nguyên tắc điều khiển:
Các xe có hệ thống lái điều khiển tất cả các bánh xe được chia làm hai loại:
điều khiển phụ thuộc vào tải trọng (thụ động) và điều khiển phụ thuộc vào vận tốc
và góc quay vành lái (chủ động). Phần lớn ô tô có 4WS ngày nay sử dụng điều
khiển tích cực từ vành lái.
Điều khiển thụ động phụ thuộc vào tải trọng bố trí trên một số ô tô con và
được thực hiện chủ yếu nhờ khả năng thay đổi vị trí chuyển hướng của các bánh xe

- 14 -


sau theo hệ thống treo. Các loại xe có lắp hệ thống này đảm bảo tính quay vòng và
ổn định trên đường cong ở tốc độ cao. Nhưng khi xe chạy thẳng trên đường gồ ghề,
tải trọng đặt lên các bánh xe biến đổi làm xấu tính ổn định chuyển động thẳng, mặc
dù góc quay các bánh xe sau là rất nhỏ. Các loại ô tô này có khả năng dẫn hướng
bánh xe sau thông qua kết cấu hệ thống treo động học mềm (biến dạng động học),
hay sử dụng hệ treo của cầu dẫn hướng. Tùy thuộc vào mức độ hoàn thiện kết cấu
của ô tô, các trạng thái này được xây dựng với các quy luật biến đổi quan hệ giữa
các góc quay dẫn hướng trên các cầu khác nhau.
Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên ô tô Mitsubishi Sigma thế
hệ trước đây, khi bánh xe dịch chuyển lên xuống ứng với tải trọng nhỏ, sẽ thay đổi
không đáng kể độ chụm bánh xe, góc nghiêng dọc và không thay đổi tính chất,
chuyển động của ô tô. Các bánh xe sau còn liên hệ với thân xe thông qua một ống
thủy lực. Dưới tác dụng của lực dọc (lực phanh), các ống thủy lực biến dạng đẩy
bánh sau theo hướng nâng cao độ chụm bánh xe không thay đổi. Tuy nhiên, khi
quay vòng ở tốc độ cao lực dọc gây nên trên các bánh xe khác nhau và có thể dẫn
tới thay đổi độ chụm bánh xe, tương ứng với góc điều khiển với bánh sau.
Trong những trạng thái vận hành nguy hiểm như gặp chướng ngại vật khẩn

cấp hay đường trơn trượt thiếu ma sát, hệ thống điều khiển kể trên sẽ mất đi những
tác dụng điều khiển vốn có, làm cho tính năng an toàn khi xe chuyển hướng giảm đi
rất nhiều. Do vậy, trong trường hợp gia tốc hướng bên lớn, các nhà thiết kế đã ứng
dụng lý thuyết về mạng lưới thần kinh để tạo nên mô hình hệ thống 4WS hiện đại.
Có thể dùng các mô hình đơn giản để lý giải các loại hình chuyển lệch bánh trước
và sau của công nghệ 4WS. Trong thực tế, phương thức điều khiển của 4WS được
thực hiện dưới 3 mô hình sau.

- 15 -


Hình 1.7. Hệ thống lái 4WS với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau
- Mô hình 1: Chuyển lệch không đồng vị (Hinh 1.7b)
Mô hình không đồng vị thực tế là kiểu chuyển hướng bánh trước phổ thông.
Khi đó hai bánh sau và thân xe duy trì đồng nhất một hướng. Vô-lăng kéo theo bánh
trước chuyển hướng, bộ điều khiển không cần ra lệnh cho bánh sau làm việc mà chỉ
duy trì góc chuyển lệch của bánh sau là 0 độ.
- Mô hình 2: Chuyển lệch nghịch vị (Hinh 1.7a)
Mô hình nghịch vị là chỉ hướng lệch của bánh trước và bánh sau ngược nhau.
Khi vị trí nhà xe quá nhỏ hay không gian cua không đủ, chiếc xe sẽ xuất hiện tình
huống góc cua chết, đặc biệt nếu lái không cẩn thận sẽ làm thân xe bị trầy xước.
Với công nghệ 4WS, nó có thể dễ dàng khắc phục vấn đề khó khăn này. Khi bánh
trước chuyển hướng một góc lệch bên lớn, đuôi xe rất dễ xoay theo tuyến đường xe
chạy. Khi đó, bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho bánh sau chuyển lệch nghịch vị một biên
độ tương đương so với bánh trước nhằm giảm bán kính cua.
- Mô hình 3: Chuyển lệch đồng vị (Hinh 1.7c)
Khi chiếc xe đang di chuyển với vận tốc cao và đột nhiên gặp phải chướng
ngại vật, bánh sau chuyển lệch nghịch vị sẽ có nguy cơ đuôi xe bị hất văng và mất
lái. Vì thế, khi xảy ra tình huống này, bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho bánh sau chuyển
lệch đồng vị với độ lệch của bánh trước. Và như vậy, đuôi và đầu xe sẽ cùng một

hướng chuyển động giúp cho thân xe giữ được tính ổn định cao khi chuyển hướng

- 16 -


khẩn cấp cũng như gặp chướng ngại và nâng cao tính an toàn khi vận hành ở tốc độ
cao.
Như vậy, khi ôtô chuyển động trên đường phải đảm bảo độ ổn định và quỹ
đạo chuyển động của ôtô. Tuy nhiên trong thực tế do điều kiện mặt đường thường
xuyên thay đổi (đường vòng, nghiêng ngang, dọc…). Từ đó đòi hỏi người lái phải
thích ứng với từng điều kiện hoàn cảnh cụ thể để đảm bảo an toàn chuyển động,
bằng cách phối hợp linh hoạt các thao tác điều khiển: phanh, lái, ga.
Mối tương quan giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái khi vận tốc
ô tô được nâng cao lại càng phải chặt chẽ hơn, nếu không đảm bảo mối quan hệ
giữa hai mặt này thì khả năng mất ổn định hướng chuyển động dẫn tới mất an toàn
giao thông.
e. Đánh giá chung về hệ thống lái 4WS:
Tuy công nghệ 4WS có thể giúp giảm bán kính cua, gia tăng tính linh hoạt
khi điều khiển và độ an toàn vận hành ở tốc độ cao, nhưng cũng không thể hoàn
toàn ngăn chặn được những hiểm hoạ trơn trượt. Do vậy, 4WS thường có thêm các
hệ thống bổ trợ điện tử khác để cùng lúc phát huy tác dụng như hệ thống điều chỉnh
lực kéo, hệ thống ổn định xe…
Xe được trang bị thêm hệ thống 4WS sẽ làm gia tăng trọng lượng của đuôi
xe, đồng thời kết cấu thân xe cũng phức tạp hơn vì thế làm cho giá thành của chiếc
xe tăng thêm. Hiện tại, công nghệ này mới chỉ được trang bị trên những dòng xe cao
cấp và những mẫu xe thể thao đặc biệt...
3. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng:
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau đến
chuyển động của ô tô là vấn đề quan trọng nhằm đánh giá quan hệ động học của các
bánh xe dẫn hướng đến chuyển động ổn định của ô tô. Đây là một nội dung mới mà

các nhà khoa học trong nước và quốc tế đặc biệt quan tậm với nhiều góc độ khác
nhau.
Ở Việt Nam trong những năm gần đây đã có nhiều tác giả nghiên cứu về lĩnh
vực này, mỗi đề tài đã giải quyết được một khía cạnh khác nhau.

- 17 -


Năm 2007, tác giả Phạm Quang Hưng đã nghiên cứu mô phỏng hệ thống lái
bốn bánh xe dẫn hướng dùng cho ôtô con. Tác giả đã đã nghiên cứu xác lập quan hệ
góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau theo góc quay cầu trước và vận tốc chuyển động
của ô tô, tổng hợp bộ điều khiển hướng bánh xe cầu sau trên cơ sở lô gíc mờ bằng
công cụ fuzzy control toolbox của Matlab, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống
điều khiển bánh xe cầu sau dẫn hướng và mô phỏng hệ thống một số trường hợp làm
việc điển hình bằng công cụ Matlab-simulink. Luận văn đã mô phỏng chuyển động
của ô tô con bốn bánh xe dẫn hướng trong một số trường hợp làm việc điển hình.
Tuy nhiên luận văn đã sử dụng giả thiết bánh xe không biến dạng bên khi tính
góc quay giới hạn của các bánh xe dẫn hướng (hay bỏ qua góc lệch bên bánh xe).
Đề tài mới chỉ tập trung nghiên cứu mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống lái,
chưa xây dựng các mô hình động lực học của ôtô.
Năm 2008, tác giả Lê Ngọc Trung đã mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô
tô 4 bánh xa dẫn hướng với mục đích nhằm nâng cao tính năng ổn định hướng
chuyển động của ô tô. Tuy nhiên đề tài chỉ tập trung so sánh tính ưu việt của ô tô có
hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng so với ô tô có hệ thống lái 2 bánh dẫn hướng truyền
thống.
Với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu, khảo sát của hệ
thống đem lại các kết quả tương đối chính xác gắn liền với thực tế. Đề tài: "Nghiên
cứu ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển động của ô
tô" được thực hiện với mục đích: Là cơ sở cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo để
hoàn thiện các hệ thống của ôtô nhằm nâng cao tính năng ổn định hướng chuyển

động của ôtô.
4. Quan hệ giữa các góc quay dẫn hướng của các bánh xe
Đây là mối quan hệ rất quan trọng, dùng để xác định mức độ ảnh hưởng của
góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển động của ô tô loại 4ws. Tuy nhiên,
hiện nay chưa có công bố thật cụ thể. Do vậy, cần phải xác định để có thể phát triển
hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng (4ws). Qua tham khảo tài liệu của Kỹ sư Lê Duy
Hòa đã có nghiên cứu về vấn đề này như sau:

- 18 -


a. Cơ sở xác định :
Từ công thức về mối quan hệ giữa góc quay bánh xe cầu sau và cầu trước:
tg  T+ tg  S=

L
IH

Và mối liên hệ giữa IH với bán kính quay vòng IG =R như sau :
IH2 =IG2- GH2 =R2 – (GO-HO)2 = R2- ( b 

L.tg S
)2
tg T  tg S

Ta có :
L2

(tg  T+ tg  S)2=

 b.(tg t  tg s )  L.tg s 
R 

tg t  tg s


2

2



L2
 tg .(b  L)  b.tg t 
R  s

tg t  tg s



2

2

2

 tg .(b  L)  b.tg t 
L2
R-  s
=


tg t  tg s
tg T  tg S 2


2

R =
2

tg T

L2

 tg S 

2

 tg .(b  L)  b.tg t 
+ s

tg t  tg s



2

(1.5)

b. Quan hệ giữa bán kính quay vòng nhỏ nhất Rmin với vận tốc giới hạn vgh

Khi xe quay vòng ngoài những lực tác dụng lên xe trong mặt phẳng đứng thì xe
còn chịu tác dụng của các lực trong mặt phẳng ngang như :
- Lực ly tâm Flt =m.

v2
R

- Lực bám ngang Y= .G  .m.g
Khi ôtô quay vòng trên đường trên đường bằng phẳng, có hệ số bám ngang
 y thì điều kiện để xe không bị trượt ngang là:
v2
FLT ≤ Y  m. ≤  y .m.g
R



v2
≤  y .g
R

Bán kính quay vòng nhỏ nhất mà ôtô có thê thực hiện để không bị mất tính ổn
ngang là :

v2
Rmin =
 y .g

(1. 6)

- 19 -

Theo trên ta có :
2

R =

tg T

2

L2

 tg S 

2

 tg .(b  L)  b.tg t 
2
+ s
 ≥ R min
tg t  tg s



2
2
2
2
 L + tg s (b  L)  btg t  ≥ (tg  T+ tg  S) . R min

Khai triển và biến đổi tương đương thành bất phương trình bậc hai như sau:
[ R2min - (b-L)2].tg2  S +2[R2min - b(b - L)].tg  T.tg  S +
R2min.tg2  T-b2.tg2  T-L2 ≤ 0

(1.7)

Vì b là giá trị phụ thuộc vào việc phân bố tải trọng lên các cầu của ôtô, nên b =
k*L
- Tải trọng phân bố đều lên các cầu thì k=0,5;
- Tải trọng phân bố không đều thì

k ≠ 0,5.

Thay b=kL vào (1.7) ta được bất phương trình sau :
[ R2min - L2(k-1)2].tg2  S +2[R2min - L2(k - 1)k].tg  T.tg  S +
R2min.tg2  T-k2.L2tg2  T- L2 ≤ 0

(1.8)

Trường hợp cụ thể của xe đã cho thì k=0,5 do đó (1.8) được rút gọn lại là:
[ R2min -

L2
L2
L2 2
].tg2  S +2[R2min + ].tg  T.tg  S +(R2min.tg2  Ttg  T- L2) ≤ 0
4
4
4

Nghiệm của đa thức bậc hai vế trái là:

tg  S (1,2)=

 tg T ( R

2
min

L2
L2 2
2
2
2
2
 )  tg  T .L .Rmin  ( Rmin  ).L
4
4
2
L
2
Rmin

4

Với ôtô con bình thường thì (R2-L2/4)>0 nên nghiệm của bất phương trình là :
tg  S (2)  tg  S  tg  S (1)
Hay

 S (2)   S   S (1) (vì  S < 900)

Đây là vùng nghiên cứu rộng, chưa nêu được ảnh hưởng của góc quay δ s đến ổn
định chuyển động cũng như chưa chỉ rõ được giá trị tốt.
5. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài
5.1. Mục tiêu:

- 20 -


-

Khảo sát ứng xử của ôtô khi có kích động từ vành lái.

-

Xét sự ảnh hưởng của vận tốc tới sự ổn định hướng chuyển động của ôtô. Từ

đó tìm ra vận tốc nguy hiểm đối với ôtô.
-

Khảo sát ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển

động của ô tô loại M1.
5.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
a. Nội dung:
Do phạm vi của đề tài rộng với thời gian cho phép, đề tài chỉ tập trung vào các
vấn đề sau:
- Xây dựng các mô hình toán học của ôtô phù hợp với đề tài nghiên cứu dựa trên
các giả thiết ban đầu.

- Xây dựng mô hình mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ôtô bốn bánh xe dẫn
hướng trong môi trường matlab - simulink.
- Xác định các trường hợp mô phỏng.
- Mô phỏng và đánh giá
Với nội dung nghiên cứu trên đề tài được trình bầy trong 4 chương:
-

Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

-

Chương 2. Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong môi trường

matlab - simulink
-

Chương 3. Mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe

cầu sau đến chuyển động của ô tô và đánh giá, kết luận
b. Phương pháp nghiên cứu:
Dựa trên mô hình mô phỏng ứng sử động lực học ô tô mà tác giả Lê Ngoc
Trung đã xây dựng khi nghiên cứu đề tài mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô
4 bánh dẫn hướng. Từ đó khảo sát và mô phỏng lý thuyết trên máy tính trong môi
trường phần mềm matlab – simulink, để đánh giá và kết luận về sự ảnh hưởng của
góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển động của ô tô loại M1.

- 21 -


Chương 2. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TRONG

MÔI TRƯỜNG MATLAPB - SIMULINK
1. Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học của ôtô
Đây là nội dung cần thiết để xác định mối quan hệ giữa góc quay các bánh xe
cầu sau với các bánh xe cầu trước, làm cơ sở để khảo sát và mô phỏng mô hình.
Luận văn đã tham khảo nhiều tài liệu về lý thuyết xe và đặc biệt tham khảo đề tài
mô phỏng quĩ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng của tác giả Lê
Ngọc Trung năm 2008 với các nội dung sau:
1.1 Mô hình phẳng
Mô hình phẳng của ôtô được thể hiện trên hình (2-1).

Y
P

P

L

j

a
M

b
F

P

3

S1

S
F

N

3

yo

X

o

S3

J

Z

M

P

f2

S2

S

+
zo

P X

v

f3

B

1

1

T
S M

f1

F
F

xo

4

P
S M
4

2

2

f4

S4

Hình 2-1. Lực và mô men xác định trong mặt phẳng nằm ngang
* Các lực và mo men tác dụng lên ô tô:
Lực dọc Fi; lực bên Si; lực cản lăn Pfi; mô men cản quay của các bánh xe (Msi).
Với i là chỉ số chỉ các các bánh xe dẫn hướng ( i  1 4 ).

- 22 -


* Trọng tâm T của ô tô đặt cách tâm trục cầu sau một đoạn là b; cách tâm trục cầu
trước một đoạn là a. Chiều dài cơ sở L = a + b.
* Lực cản không khí xét theo phương dọc trục xe là Pω và theo phương ngang là N.
Tại trọng tâm ôtô (T) có lực quán tính Fa, và lực li tâm Pj. Khi thân xe quay
vòng, xuất hiện mô men quán tính xung quanh trục Tz và có giá trị là J z  .
Góc quay của các bánh xe dẫn hướng là

 i , kích thước chiều rộng của vết lốp của

hai cầu là B.
1.1.1 Phản lực Fi :
Fi là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động, được đặt tại vị
trí tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, khi xe chuyển động lực kéo tiếp tuyến tại

các bánh xe chủ động đóng vai trò lực dọc. Đối với bánh xe chủ động dẫn hướng thì
lực dọc được đặt tại tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe và đường, có phương nằm
trên đường tâm bánh xe. Khi phanh, lực phanh tại các bánh xe đóng vai trò là lực
dọc.
Lực kéo xuất hiện khi có mô men xoắn truyền từ động cơ qua các cơ cấu trung
gian đến bánh xe chủ động, nhờ có sự tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường nên tại
vùng tiếp xúc này sẽ phát sinh lực kéo tiếp tuyến hương theo chiều chuyển động.
Fk 

M k M e .ih .i p .io .ic . t

rk
rk

[1]

(2-1)

Trong đó:
-

Me: mô men xoắn của động cơ [N.m]

-

ih : tỷ số truyền của hộp số chính

-

ip : tỷ số truyền của hộp số phụ

-

io : tỷ số truyền của truyền lực chính

-

ic : tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng

-

 t : hiệu suất của hệ thống truyền lực

-

rk : bán kính lăn bánh xe[m]

Trường hợp ô tô chuyển động không đều, có kể đến lực quán tính và lực cản lăn,
lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động (P/K) xác định bằng biểu thức:

- 23 -


FK/  FK 

M j  M fK

(2. 2)

rb

Trong đó: MfK - Mô men cần thiết để khắc phục lực cản lăn ở bánh xe chủ động.
MJ - Mo men quán tính.
Để ô tô chuyển động không bị trượt thì lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động
phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám Fx .
1.1.2 Lực cản lăn Pf
Lực cản lăn sinh ra do tác dụng của mặt đường lên các bánh xe. Lực cản lăn
đặt tại vị trí đặt lực Fi nhưng ngược chiều với Fi .
Lực cản lăn phát sinh do sự biến dạng của lốp và đường, do sự tạo thành vết
của bánh xe trên đường và do ma sát ở bề mặt giữa lốp và đường.
Đối với bánh xe cầu trước: Pft = f.Gt = f.m.g.b/L

[1]

Đối với bánh xe cầu sau:

[1]

Pst = f.Gs = f.m.g.a/L

Với f là: hệ số cản lăn của bánh xe
Gt, Gs: trọng lượng phân ra cầu trước và cầu sau [N]
Hệ số cản lăn được xác định theo công thức:
f  f o (1 

v2
)
1500

[1]

(2-3)

Trong đó:
fo – hệ số cản lăn, giá trị thay đổi ứng với các loại đường khác nhau
v – vận tốc chuyển động của xe [m/s].
1.1.3 Lực bên Si
Lực bên là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe theo phương ngang
(phương vuông góc với mặt phẳng dọc của bánh xe), đặt tại tâm vết tiếp xúc giữa
bánh xe với mặt đường. Lực ngang Si có thể xuất hiện trong khi ô tô chuyển động
trên đường vòng, đường mấp mô hoặc đường bị nghiêng ngang, do lốp bị biến
dạng, do tác dụng gió bên, do phanh xe trên đường trơn dẫn trượt bên. Do tác
dụng của lực bên Si tại vùng tiếp xúc của lốp với đường, bánh xe bị lệch đi một

- 24 -


góc so với mặt phẳng quay của bánh xe, góc này được gọi là góc lệch bên  i của
bánh xe.
Trong trường hợp góc lệch bên nhỏ, khi đó quan hệ giữa lực bên Si và góc lệch
bên của bánh xe  i là quan hệ tuyến tính:
Si  C . i

[3]

(2-4)

Trong đó: C - là độ cứng góc lệch bên bánh xe [N/rad]
i – chỉ số các bánh xe dẫn hướng
Trong trường hợp góc lệch bên lớn, quan hệ giữa lực bên và góc lệch bên là

quan hệ phi tuyến. Lúc này lực bên phụ thuộc vào góc lệch bên  i , tải trọng phân
bố Zi, độ trượt dọc s.
1.1.4 Lực cản không khí
Khi ô tô chuyển động áp suất không khí bao quanh bề mặt ngoài của xe thay
đổi, làm xuất hiện các dòng xoáy khí ở phần sau của ô tô, dòng khí xoáy này gây ra
sự chênh áp phía trước và sau ô tô, gây ra lực ma sát giữa dòng khí với vỏ xe và tác
dụng lực theo các phương khác nhau lên ô tô như: lực nâng, lực cản chuyển động
của ô tô.
Khi ô tô chuyển động, làm di chuyển không khí bao quanh ô tô. Do áp suất
trên toàn bộ bề mặt ô tô thay đổi, sinh ra xoáy lốc của dòng khí ở phía sau ô tô và
ma sát giữa không khí với bề mặt của ô tô, do vậy phát sinh lực cản không khí. Lực
cản này ta gọi là lực cản gió và được phân thành hai thành phần theo hai phương
vuông góc:
Lực theo phương dọc: P (lực cản không khí), giá trị tương đối được xác
Bằng thực nghiệm xác định được lực cản không khí theo biểu thức:
P = K . F . V2 (N)

(2.5)
0

Trong đó: K- Hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào hình dạng và chất lượng
bề mặt ôtô, mật độ của không khí.

- 25 -