Nghiên cứu xác định vận tốc nguy hiểm của ô tô con khi quay vòng bằng phần mềm carsim

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

HOÀNG TÙNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VẬN TỐC NGUY HIỂM
CỦA Ô TÔ CON KHI QUAY VÒNG
BẰNG PHẦN MỀM CARSIM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2016


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

HOÀNG TÙNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VẬN TỐC NGUY HIỂM
CỦA Ô TÔ CON KHI QUAY VÒNG
BẰNG PHẦN MỀM CARSIM

CHUYÊN NGÀNH
KT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – KT Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN: TS. HOÀNG THĂNG BÌNH

Hà Nội - 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những nội dung đƣợc
trình bày trong luận văn do chính tôi thực hiện với sự hƣớng dẫn khoa học của thầy
giáo TS. Hoàng Thăng Bình, cùng các thầy giáo Bộ môn ôtô – Trƣờng Đại học
Bách Khoa Hà Nội. Toàn bộ nội dung trong luận văn hoàn toàn phù hợp với nội
dung đã đƣợc đăng ký và phê duyệt của Hiệu trƣởng Trƣờng Đại học Bách Khoa
Hà Nội. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực.

Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2016
Tác giả

Hoàng Tùng Nghĩa

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................................. 6
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................................................ 7
1.1. Tính thực tế của đề tài ............................................................................................................. 7
1.2. Lý do chọn đề tài ................................................................................................................... 11
1.3. Tổng quan về động lực học quay vòng ................................................................................. 12
1.3.1. Động lực học quay vòng xe có bánh xe không đàn hồi ................................................. 12

1.3.2. Động lực học quay vòng có bánh xe đàn hồi ................................................................. 14
1.3.3. Các trƣờng hợp quay vòng ............................................................................................. 16
1.4. Ảnh hƣởng của gió tới quay vòng ô tô .................................................................................. 19
1.5. Tốc độ giới hạn và tính ổn định của xe khi quay vòng ......................................................... 21
1.5.1. Tính ổn đinh
̣ theo điều kiện lật....................................................................................... 21
1.5.2. Xét ổn định theo điều kiện trƣợt .................................................................................... 24
CHƢƠNG 2 PHẦN MỀM CARSIM PRO 8.02 ............................................................................... 28
2.1. Giới thiệu Carsim .................................................................................................................. 28
2.1.1. Một số nút chức năng trên màn hình làm việc ............................................................... 28
2.2. Các mô hình trong Carsim .................................................................................................... 29
2.2.1. Cài đặt các thông số cho xe mô phỏng ........................................................................... 29
2.2.2. Bảng cài đặt các thông số mô phỏng .............................................................................. 36
CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ NGHIÊN CỨU SỰ QUAY VÒNG CỦA Ô TÔ CON TRONG
CARSIM ........................................................................................................................................... 40
3.1. Sử dụng phần mềm carsim để mô phỏng tại các trạng thái quay vòng của xe ........................... 40
3.2. Mô phỏng dòng xe Sedan...................................................................................................... 43
3.2.1. Mô phỏng dòng xe sedan tại khúc cua thứ 3 .................................................................. 44
3.3. Mô phỏng dòng xe SUV ....................................................................................................... 49
3.3.1. Mô phỏng dòng xe SUV tại khúc cua thứ 3 ................................................................... 50
3.4. Kết quả mô phỏng với dòng xe Sedan với toàn quãng đƣờng .............................................. 56
3.5. Nhận xét ................................................................................................................................ 60
KẾT LUẬN ....................................................................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................. 62

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
c

: Chiều rộng cơ sở của ô tô.

Carsim

: Car Simulation

F1

: Lực ly tâm.

G

: Trọng lƣợng toàn bộ của ô tô.

G

: Gia tốc trọng trƣờng.

L

: Là chiều dài cơ sở của ô tô.

R

: Bán kính quay vòng của xe

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

V

: Vận tốc quay vòng , m/s

vn

: Vận tốc giới hạn khi xe quay vòng bị lật

Y’

: Các phản lực ngang từ đƣờng tác động lên bánh xe.

YY

: Trục quay vòng của ô tô.

Z’

: Các phản lực phƣơng thẳng đứng từ đƣờng tác động lênh bánh xe.

β

: Góc nghiêng ngang của đƣờng.

βđ

: Góc nghiêng ngang của đƣờng khi xe quay vòng bị lật

βφ

: Góc nghiêng ngang của đƣờng khi xe quay vòng bị trƣợt.

φy

: Hệ số bám ngang của đƣờng và bánh xe.

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Thống kê số ngƣời chết do tai nạn giao thông trên thế giới .......................7
Hình 1.2: Thống kê tai nạn giao thông những năm gần đây .......................................8
Hình 1.3: Tỷ lệ phƣơng tiện gây tai nạn .....................................................................9
Hình 1.4: Tuyến đƣờng xảy ra tai nạn ........................................................................9
Hình 1.5: Thống kê tỷ lệ gây tai nạn những năm gần đây ........................................10
Hình 1.6: Mô hình quay vòng hình học của xe .........................................................13
Hình 1.7: Quay vòng xe khi lốp có biến dạng ngang ................................................14
Hình 1.8: Mô hình quay vòng 1 dãy .........................................................................14
Hình 1.9: a - Quỹ đạo quay vòng xe ở các trạng thái quay vòng. b - Quỹ đạo chuyển
động của xe khi có lực ngang tác động. ....................................................................18
Hình 1.10: Xác định ảnh hƣởng của gió ...................................................................19
Hình 1.11: Lực bên, mô men quay của gió và các góc tác dụng của gió..................20
Hình 1.12: Sơ đồ lực và mô men tác động lên ô tô khi quay vòng trên đƣờng
nghiêng ngang ra ngoài .............................................................................................21
Hình 1.13: Sơ đồ lực và mô men tác động lên ô tô khi quay vòng trên đƣờng
nghiêng ngang vào trong ...........................................................................................23
Hình 1.14: Sơ đồ lực và mô men tác động lên ô tô khi quay vòng trên đƣờng nằm
ngang .........................................................................................................................24
Hình 1.15: Sơ đồ mô men và lực tác động lên bánh xe chủ động khi có lực ngang

tác động .....................................................................................................................26
Hình 2.1: Màn hình làm việc của phần mềm Carsim................................................29
Hình 2.2: Bảng thông số xe mô phỏng......................................................................30
Hình 2.3: Các thông số của mô hình hệ thống treo ...................................................31
Hình 2.4: Các thông số của mô hình hệ thống phanh ...............................................32
Hình 2.5: Các thông số của mô hình hệ thống lái .....................................................33
Hình 2.6: Các thông số của mô hình lốp ...................................................................34
Hình 2.7: Các thông số của mô hình hệ thống động lực ...........................................35
Hình 2.8: Các thông số của mô hình hệ thống chiếu sáng ........................................36
Hình 2.9: Bảng thiết lập các thông số cho mô hình mô phỏng .................................37
Hình 2.10: Lựa chọn các kiểu điều khiển vận tốc cho xe .........................................38
Hình 2.11: Thiết lập thông số vận tốc cho xe theo thời gian ....................................38
Hình 2.12: Thiết lập vận tốc cho xe theo từng mốc quãng đƣờng ............................39
Hình 3.1: Thông số đƣờng chạy của xe trong mô phỏng ..........................................40
Hình 3.2: Xác định bán kính quay vòng trên đƣờng chạy ........................................40
Hình 3.3: Quá trình mô phỏng xác định vận tốc nguy hiểm của xe với bán kính quay
vòng cho trƣớc...........................................................................................................41
Hình 3.4: Lựa chọn các thông số cơ bản cho xe sedan mô phỏng ............................43
4


Hình 3.5: Bảng thông số khối lƣợng đƣợc treo của xe sedan ...................................44
Hình 3.6: Chạy mô phỏng dòng xe Sedan trong Carsim ..........................................44
Hình 3.7: Dải vận tốc điều khiển và vận tốc xe chạy trong mô phỏng .....................45
Hình 3.8: Quỹ đạo chuyển động của xe so với quỹ đạo điều khiển..........................45
Hình 3.9: Khoảng cách dịch chuyển theo phƣơng ngang của xe khỏi quỹ đạo ........46
Hình 3.10: Độ lớn lực ngang tác động lên các bánh xe ............................................47
Hình 3.11: Độ lớn lực dọc tác động lên các bánh xe ................................................47
Hình 3.12: Lực tác động lên bánh xe theo phƣơng thẳng đứng ................................47
Hình 3.13: Lực tác động của không khí lên xe theo các phƣơng ..............................48

Hình 3.14: Mô men xoay tác động lên cầu trƣớc và cầu sau ....................................48
Hình 3.15: mô men khí động tác động lên xe ...........................................................49
Hình 3.16: Thông số cơ bản của dòng xe SUV.........................................................50
Hình 3.17: Thông số hình học của dòng xe SUV .....................................................50
Hình 3.18: Chạy mô phỏng dòng xe SUV trong Carsim ..........................................51
Hình 3.19: Dải vận tốc điều khiển và vận tốc xe chạy trong mô phỏng ...................51
Hình 3.20: Quỹ đạo chuyển động của xe so với quỹ đạo điều khiển........................52
Hình 3.21: Khoảng cách dịch chuyển theo phƣơng ngang của xe khỏi quỹ đạo ......52
Hình 3.22: Độ lớn lực ngang tác động lên các bánh xe ............................................53
Hình 3.23: Độ lớn lực dọc tác động lên các bánh xe ................................................53
Hình 3.24: Lực tác động lên bánh xe theo phƣơng thẳng đứng ................................54
Hình 3.25: Lực tác động của không khí lên xe theo các phƣơng ..............................54
Hình 3.26: Mô men xoay tác động lên cầu trƣớc và cầu sau ....................................55
Hình 3.27: Mô men khí động tác động lên xe ...........................................................55
Hình 3.28: Thiết lập vận tốc cho xe sedan theo quãng đƣờng ..................................56
Hình 3.29: Quỹ đạo chuyển động của xe ..................................................................56
Hình 3.30: Độ trƣợt ngang của xe .............................................................................57
Hình 3.31: Các lực dọc tác động lên bánh xe ...........................................................57
Hình 3.32: Các lực ngang tác động lên bánh xe .......................................................58
Hình 3.33: Lực tác động lên bánh xe theo phƣơng thẳng đứng ................................58
Hình 3.34: Lực tác động của không khí lên xe theo các phƣơng ..............................59
Hình 3.35: Mô men xoay tác động lên 2 cầu ............................................................59
Hình 3.36: Mô men khí động tác động lên xe ...........................................................60

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Tính toán giá trị vận tốc giới hạn khi ô tô bị trƣợt bên tƣơng ứng với hệ
số bám φ = 0.75 .........................................................................................................41

Bảng 3.2: Vận tốc nguy hiểm khi ô tô trƣợt ngang > 0.2 m so với quỹ đạo chuyển
động ...........................................................................................................................42

6


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tính thực tế của đề tài
Hiện nay, với sự công nghiệp hóa nhanh chóng và sự tăng trƣởng của ngành
công nghiệp ô tô, việc sở hữu một chiếc ô tô làm phƣơng tiện đi lại là điều cần thiết
nhƣng nó cũng dẫn đến nhiều vấn đề.Trong đó tai nạn giao thông là một điểm nóng, ta
có thể thấy con số ngƣời tử vong do tai nạn giao thông qua thống kê sau đây:

Hình 1.1: Thống kê số ngƣời chết do tai nạn giao thông trên thế giới
(Nguồn tổ chức y tế thế giới)
Ở Việt Nam, vấn đề tai nạn giao thông là một trong những vấn đề nóng hổi
luôn đƣợc quan tâm, nhìn vào hình 1.2 có thể thấy đƣợc tai nạn giao thông đã gây ra
thiệt hại về ngƣời và của nhiều nhƣ thế nào. Tuy những năm trở lại đây đã có nhiều

7


bộ luật đƣợc ban hành để giảm thiểu tai nạn giao thông nhƣng con số tai nạn giao
thông vẫn còn rất cao.

60000

50000

Ngƣời

40000
Thương vong
30000

Tử vong
Tổng số vụ

20000

10000

0
2010

2011

2012

2013

2014

2015

Hình 1.2: Thống kê tai nạn giao thông những năm gần đây
(Nguồn viện chiến lƣợc và phát triển giao thông vận tải)
Nƣớc ta hiện đang trên đà phát triển việc chuyển đổi phƣơng tiện cá nhân từ
xe gắn máy sang ô tô con là một điều tất yếu trong tƣơng lai, nhìn lại những năm

gần đây có thể thấy rằng tỷ lệ tai nạn do ô tô gây ra chiếm một tỷ lệ không nhỏ
trong tổng số tai nạn trong những năm gần đây theo hình1.3. Qua những số liệu
thống kê thì đến thời điểm 15/9/2015, tổng số phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ đã
đăng ký trong cả nƣớc là 46.065.091 xe - trong đó, ôtô là 2.579.675 xe, mô tô là
43.485.416 xe. Tức là xe ô tô chỉ chiếm gần 6% trong tổng số nhƣng số tai nạn do ô
tô gây ra lại gần 26% là một con số rất lớn.

8


Ô tô
2015

Mô tô, xe gắn máy

25.60%

Khác

68.31%

6.09%

2011

22.29%

69.38%

8.33%

2010

23.01%

68.30%

8.69%

2009

28.74%

2008

26.98%

66.79%

6.23%

2007

26.75%

67.81%

5.44%

66.70%

4.56%

Hình 1.3: Tỷ lệ phƣơng tiện gây tai nạn
(Nguồn theo thống kê của cục cảnh sát giao thông)
Thống kê trong hình 1.4 cho thấy những đoạn đƣờng thƣờng hay xảy ra tai
nạn nhất là đƣờng quốc lộ, đó là đƣờng có mật độ xe ô tô qua lại rất lớn so với xe
gắn máy, không những thế theo các hình 1.5 có thể thấy rằng việc vƣợt quá tốc độ
và vƣợt xe chiếm một tỷ lệ cao.
Cao tốc

Quốc lộ

20150.40%

33.80%

20110.90%

31.20%

20100.66%
2009 0%
2008 0%
2007 0%

Tỉnh lộ

Nông thông và tuyến đường khác

Đô thị
16.40%

31.70%

18.40%

33.90%

34.60%

20.68%

44.90%

34.74%

16.37%

47.51%

16.80%

44.72%

16.28%

16.26%

14.90%

10.02%
22.47%

14.69%

21%

22.28%

16.72%

Hình 1.4: Tuyến đƣờng xảy ra tai nạn
(Nguồn cục cảnh sát giao thông)

9

17.70%


2009
Chạy quá tốc
độ
16%
Nguyên nhân
khác
37%
Công trình giao
thông
0%

Sử dụng sai làn
đường
26%

Phương tiện Người đi bộ
giao thông
4%
1%
Quy trình lái xe
1%

Sử dụng
rượu bia Vượt xe
12%
3%

2010
Nguyên nhân
khác
26%

Phương
tiện giao
thông
1%

Công trình giao
thông
1%

Chạy quá tốc
độ
18%

Sử dụng sai làn
đường
29%

Người đi bộ
4%
Quy trình
Sử dụng
lái xe
rượu bia Vượt xe
3%
5%
13%

2011
Chạy quá tốc
độ
19%

Nguyên nhân
khác
20%
Phương tiện Công trình giao
thông
giao thông
0%

1%
Người đi bộ
Quy trình lái 3%
xe
Sử dụng rượu
3%
bia
5%

Vượt xe
18%

Sử dụng sai làn
đường
31%

Hình 1.5: Thống kê tỷ lệ gây tai nạn những năm gần đây
(Nguồn cục cảnh sát giao thông)

10


1.2. Lý do chọn đề tài
Qua những thống kê nói trên có thể thấy đƣợc vấn đề về việc cần phải giảm
thiểu tai nạn giao thông là rất cấp bách về mặt an toàn trong tham gia giao thông
của ô tô con. Ô tô con là một phƣơng tiện có tốc độ di chuyển cho phép cao hơn rất
nhiều so với xe gắn máy ví dụ nhƣ tốc độ tối đa cho phép ở đƣờng quốc lộ khu vực
ít dân cƣ là 80 km/h đối với xe con việc xảy ra tai nạn là hết sức nguy hiểm nếu
không kiểm soát đƣợc tốc độ và nếu xảy ra các yếu tố khiến việc quay vòng không
trùng khớp với ngƣời lái nhƣ ảnh hƣởng của yếu tố vận tốc khi quay vòng, chính vì

vậy tác giả chọn đề tài “Nghiên cƣ́u xác đinh
̣ vâ ̣n tố c nguy hiể m của ô tô con khi
quay vò ng bằ ng phầ n mề m Carsim” và bằng cách nghiên cứu các ảnh hƣởng của tốc
độ đến các yếu tố quay vòng của xe tác giả mong có thể góp phần tìm một giải pháp
đúng đắn để giải quyết vấn đề tai nạn giao thông đang nhức nhối hiện nay. Với mục
đích có thể hỗ trơ ̣ cá c nhà quản lý giao thông cắm các biển hạn chế tốc độ để đảm
bảo an toàn giao thông , đồ ng thời giúp các nhà quản lý vâ ̣n tải kiể m soát tố c đô ̣ và
hành trình của các phƣơng tiện vận tải của đơn vị mình.

11


1.3. Tổng quan về động lực học quay vòng
Khi quay vòng các bánh xe bị nhiều lực tác động và do bánh xe làm bằng cao
su nên sẽ bị biến dạng tới một mức nào đó, khi vƣợt qua giới hạn sẽ xuất hiện hiện
tƣợng trƣợt của các bánh xe, khi xét tới ảnh hƣởng của thông số kết cấu xe, cần xem
xét ảnh hƣởng của sự biến dạng đó tới quay vòng ô tô nghĩa là xét trong giới hạn
khi bánh xe nằm trong mức giới hạn của biến dạng.
Nói về các lực tác động lên ô tô khi quay vòng ta phải kể đến rất nhiều yếu tố
ảnh hƣởng đến nhƣ:
- Các thông số kỹ thuật của xe nhƣ các đặc tính của bánh xe, hệ thống lái, các
thông số kết cấu….vv
- Các yếu tố môi trƣờng tác động lên xe nhƣ, ảnh hƣởng của gió, mặt
đƣờng…vv
- Yếu tố ngƣời lái kiểm soát xe nhƣ vận tốc …vv
Với rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng nhƣ thế, để quay vòng ô tô một cách an toàn
và chính xác phải thỏa mãn các điều kiện của các yếu tố ảnh hƣởng đó, nhƣ giới hạn
của lốp, giới hạn của gió bên, giới hạn của hệ thống lái …vv. Các yếu tố đó đều liên
quan mật thiết đến nhau và có chung một vài thông số quan trọng quyết định đến
quay vòng ô tô nhƣ tốc độ, hệ số bám và các thông số kết cấu. Để có thể nhìn nhận

một cách tổng quan ta đi sâu sao nghiên cứu tới động lực học quay vòng của ô tô.
1.3.1. Động lực học quay vòng xe có bánh xe không đàn hồi
Các bánh xe sử dụng trên ô tô đều là bánh xe đàn hồi (bánh hơi cao su). Khi
quay vòng sẽ xuất hiện lực ngang do lực li tâm tạo ra. Lực ngang này làm biến dạng
lốp theo chiều ngang.
Tuy nhiên, để dễ tiếp cận trƣớc tiên xét trƣờng hợp bánh xe không đàn hồi có
nghĩa là bánh xe không bị biến dạng. Trên thực tếkhi xe quay vòng ở vận tốc
chuyển động thấp có thể bỏ qua lực li tâm và do đó có thể coi bánh xe không biến
dạng theo chiều ngang. Ngƣời ta gọi trạng thái quay vòng này là quay vòng hình
học, quay vòng Ackerman hay quay vòng không trƣợt.
Xét trƣờng hợp xe quay vòng bằng cách thay đổi hƣớng chuyển động của các
bánh xe dẫn hƣớng phía trƣớc. Để các bánh xe khi quay vòng không bị cƣỡng bức
12


lẫn nhau thì các bánh xe phải quay quanh cùng một tâm nghĩa là trục quay các bánh
xe phải quay quanh cùng một điểm.
Có trƣờng hợp quay vòng hình học trong hình sau:

Hình 1.6: Mô hình quay vòng hình học của xe
Xét các quan hệ giữa các thông số suy ra đƣợc:
cotgα1 =

R+
L

m
2

; cotgα2 =

R−
L

m
L
Công thức trên đƣợc coi là công thức quay vòng lý tƣởng
cotgα1 − cotgα2 =

13

m
2


1.3.2. Động lực học quay vòng có bánh xe đàn hồi
Khi quay vòng có lực ngang tác dụng các bánh xe sẽ bị biến dạng và lệch
hƣớng chuyển động nhƣ trên hình 1.7. Giá trị của các góc lệch phụ thuộc vào giá trị
lực ngang và độ cứng của lốp theo công thức:
Fy = C L δ

(2.1)

Trong đó 𝐶𝐿 là hệ số cản lệch bên của lốp.

Hình 1.7: Quay vòng xe khi lốp có biến dạng ngang
Khi các đƣờng vuông góc với hƣớng chuyển động của các bánh xe có thể không
gặp nhau tai tâm quay vòng O nhƣ trên hình vẽ thì việc khảo sát sự quay vòng của xe sẽ
rất khó khăn. Vì thế để việc khảo sát có tính khả thi, coi các bánh trƣớc có góc lệch trung
bình là 𝛿1 , các bánh sau có góc lệch trung bình là 𝛿2 . Khi đó mô hình quay vòng thể

hiện trên hình 1.7 sẽ đƣợc đơn giản hóa thành mô hình một dãy hình 1.8

Hình 1.8: Mô hình quay vòng 1 dãy
14


Khi quay vòng đặc biệt là quay vòng với vận tốc cao, các góc lệch 𝛿1 ,𝛿2 và
góc quay bánh xe dẫn hƣớng α có giá trị nhỏ.
Mặt khác bán kính quay vòng R cũng lớn hơn nhiều so với chiều dài cơ sở L
(R>>L).
Khi đó coi rằng
AOB =

L
R

Theo quan hệ hình học:δ2 = AOC ; α − δ1 = COB
α − δ1 + δ2 = AOB =
Lực li tâm của xe:Flt = mRω2 = m

L
R

L

→ α = + δ1 − δ2

(2.2)

R

v2
R

Trong đó: m là khối lƣợng của xe , v là vận tốc tịnh tiến của xe,  là vận tốc
góc quay thân xe.
Vì các góc δ1 ,δ2 và α nhỏ nên có thể coi:

Mà:

G∗b
L

= G1 ;

G∗a
L

Fy1

Flt b mv 2 b Gv 2 b
=
=
=
L
RL
gRL

Fy2

Flt a mv 2 a Gv 2 a
=
=
=
L
RL
gRL

= G2

Trong đó:Fy1 , Fy2 là phản lực ngang từ mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe;
G1 , G2 là trọng lƣợng xe phân bổ lên cầu trƣớc và cầu sau
Cho nên:Fy1 =

G1v2
gR

và Fy2 =

G2v2
gR

Theo biểu thức (2.1) ta có:δ1 =

Fy 1
C L1

=

G1v2

gC L 1 R

và δ2 =

L

G1v2

R

gC L1 R

Thay (2.3) vào công thức (2.2) ta có:α = +
L

v2

R

gR

α= +K
Trong đó K =

G1
CL 1

−

G2

Fy 2
C L2

−

=

G2v2
gC L2 R

G2v2

(2.3)

gC L2 R
L

G1

R

C L1

= +

−

G2

v2

C L2

gR

(2.4)
(2.5)

C L2

Đƣợc gọi là hệ số quay vòng
15


Công thức (2.4) biểu diễn mối quan hệ giữa góc quay bánh xe dẫn hƣớng và
các thông số quay vòng xe nhƣ bán kính quay vòng R, vận tốc xe v, biến dạng lốp.
Giá trị của hệ số K sẽ quyết định trạng thái quay vòng xe.
Khi K = 0 (khi đó δ1 = δ2 ) xe có trạng thái quay vòng đủ.
Khi K > 0 (khi đó δ1 > δ2 ) xe có trạng thái quay vòng thiếu.
Khi K < 0 (khi đó δ1 < δ2 ) xe có trạng thái quay vòng thừa.
1.3.3. Các trường hợp quay vòng
Có thể thấy rằng khi bánh xe đàn hồi các thông số kết cấu khác khau của
từng xe sẽ cho ra một trƣờng hợp quay vòng riêng biệt, các trƣờng hợp này chính là
một trong các yếu tố quan trọng quyết định tới việc quay vòng an toàn của ô tô mà
các hãng sản suất rất chú trọng để có thể sản xuất ra một chiếc xe an toàn. Tổng
quát lại, có thể chia ra làm 3 trƣờng hợp chính đó là:
- Quay vòng đủ
- Quay vòng thừa
- Quay vòng thiếu

1.3.3.1. Quay vòng đủ
Khi hệ số quay vòng K = 0 tức là các góc lệch bên của các bánh xe trƣớc và
sau bằng nhau:
Tức là:δ1 = δ2 và
G1
G2
=
CL1 CL2
Khi bán kính quay vòng R chỉ phụ thuộc vào góc quay bánh xe dẫn hƣớng α
mà không phụ thuộc vào vận tốc tịnh tiến của xe. Khi đó:
L
R
Ngƣời ta gọi trạng thái quay vòng này là trạng thái quay vòng đủ. Khi quay
𝛼=

vòng đủ, bán kính quay vòng sẽ không đổi nếu ta giữ nguyên góc quay vô lăng, nói
cách khác khi ta giữ nguyên góc quay vô lăng thì xe sẽ chuyển động trên một cung tròn
có bán kính không đổi. Ở điều kiện quay vòng đủ K = 0, nếu xe chuyển động thẳng và

16


có lực ngang Y tác động thì các bánh xe sẽ bị biến dạng một góc nhƣ nhau xe sẽ bị lệch
hƣớng nhƣng quỹ đạo chuyển động của xe vẫn là đƣờng thẳng hình 1.9.
1.3.3.2. Quay vòng thiếu
Khi hệ số K > 0 , tức là góc lệch của các bánh xe trƣớc lớn hơn góc lệch của
các bánh xe sau:
Tức là δ1 > δ2 và
G1
G2

>
CL1 CL2
Trƣờng hợp này góc quay của bánh xe dẫn hƣớng sẽ tăng theo bình phƣơng
của vận tốc chuyển động của xe.
Ngƣời ta gọi trạng thái quay vòng này là trạng thái quay vòng thiếu. Ở trạng
thái quay vòng thiếu, khi vận tốc xe tăng để giữ cho bán kính quay vòng không đổi,
góc quay bánh xe dẫn hƣớng phải tăng, nghĩa là ngƣời lái phải tăng góc quay vô
lăng. Nói cách khác nếu giữ nguyên góc quay vô lăng thì bán kính quay vòng xe sẽ
tăng lên. Ở điều kiện quay vòng thiếu K > 0,nếu xe chuyển động thẳng và có lực
ngang Y tác động thì các bánh xe sẽ bị biến dạng một góc khác nhau xe sẽ bị lệch
hƣớng sang trái và quỹ đạo chuyển động của xe đi theo quy luật nhƣ hình 1.9.
Ở trƣờng hợp quay vòng thiếu, khi vận tốc xe tăng, góc quay bánh xe dẫn
hƣớng cũng tăng, góc quay dẫn hƣớng α đạt giá trị 2L/R (gấp đôi trƣờng hợp quay
vòng đủ) khi xe đạt vận tốc 𝑉2
V2 =

gL
K

(2.6)

𝑉2 trong trƣờng hợp này đƣợc gọi là vận tốc đặc trƣng.
1.3.3.3. Quay vòng thừa
Khi hệ số quay vòng K < 0, tức là góc lệch của các bánh xe trƣớc nhỏ hơn
góc lệch bánh xe sau:
Tức là:δ1 < δ2 và
G1
G2
<
CL1 CL2

17


Trƣờng hợp này nếu muốn giữ nguyên bán kính quay vòng, góc quay của
bánh đẫn hƣớng phải giảm theo vận tốc chuyển động của xe. Ngƣời ta gọi trạng thái
này là trạng thái quay vòng thừa.
Khi xe quay vòng thừa, để giữ cho bán kính quay vòng không đổi, ngƣời lái
phải giảm góc quay vô lăng. Nói cách khác nếu giữ nguyên góc quay vô lăng thì
bán kính quay vòng xe sẽ giảm xuống. Ở điều kiện quay vòng thừa K< 0, nếu xe
chuyển động thẳng và có lực ngang Y tác động thì các bánh xe sẽ bị biến dạng một
góc khác nhau xe sẽ bị lệch hƣớng sang phải và quỹ đạo chuyển động của xe đi theo
quy luật nhƣ hình 1.9.
Khi xe quay vòng thừa, nếu vận tốc xe tăng thì bán kính quay vòng của xe sẽ
giảm xuống rất nhanh khi nó đạt vận tốc 𝑉1
V1 =

gL
−K

𝑉1 trong trƣờng hợp này đƣợc gọi là vận tốc giới ha ̣n (vận tốc nguy hiểm).

Hình 1.9: a - Quỹ đạo quay vòng xe ở các trạng thái quay vòng.
b - Quỹ đạo chuyển động của xe khi có lực ngang tác động.

18

(2.7)


1.4. Ảnh hƣởng của gió tới quay vòng ô tô

Ảnh hƣởng của gió tới quay vòng của ô tô là một ảnh hƣởng rất đáng kể vì
nó tỷ lệ với bình phƣơng vận tốc ô tô, vậy nên ở tốc độ cao thì nó chính là yếu tố
chính tạo ra các lực tác động lên ô tô hay nói cách khác là tác động lên quay vòng
của ô tô, chính vì vậy mà việc nghiên cứu khí động học là một trong những ngành
rất quan trọng trong việc chế tạo và phát triển ô tô.
Để xác định ảnh hƣởng của gió đến quay vòng ô tô có thể xét một trƣờng
hợp tổng quát bao gồm:
- Vận tốc dịch chuyển của ô tô trong môi trƣờng không khí tĩnh. Trên trục
toạ độ gắn với ô tô vận tốc này mang đấu âm (-Vô) và nghiêng so với trục dọc của ô
tô một góc α.
- Vận tốc gió Vg biểu thị trên hình 1.10.

Hình 1.10: Xác định ảnh hƣởng của gió
Tổng hợp hai véc tơ vận tốc này:
Vkk = Vo + Vg
Véc tơ Vkk nghiêng so với trục toạ độ một góc τ. Góc τ đƣợc gọi là góc tác
dụng của gió. Khi ô tô chuyển động thẳng theo chiều gió thì τ = 0, còn lại thƣờng
xuyên chịu ảnh hƣởng của gió vơi τ ≠ 0.
Để xác định ảnh hƣởng của gió bên trong bài toán quỹ đạo chuyển động có
thể giả thiết rằng:

19


Hình 1.11: Lực bên, mô men quay của gió và các góc tác dụng của gió
- Phƣơng vận tốc ô tô nghiêng đi so với trục dọc một góc +α.
- Toạ độ của vỏ khí động đƣợc xác định là điểm giữa của ô tô: điểm O trong
hình 1.11.
- Vâ ̣n tố c c ủa không khí Vkk đƣợc xác định theo hai thành phần Vkky và
Vkkô.

Lực tác dụng của không khí tỷ lệ thuận với mật độ không khí ρ và bình
phƣơng vận tốc Vkk. Nếu biết hệ số cản khí đô ̣ng ho ̣c theo phƣơng nganglà CN thì:
ρ
2
N = CN Sx vkky
(2.8)
2
Trong đó: N là lực tác dụng của gió bên.
Sx là diện tích cản chính diện theo phƣơng ngang của ô tô.
Khi ô tô quay vòng góc tác dụng của không khí lên bề mặt xe thay đổi khi đó
sẽ xuất hiện mô men làm quay ô tô xung quanh trục z.
Mô men làm quay ô tô xung quanh trục z đối với điểm O của ô tô là:
ρ
2
Mz o = CMz o Sx vkk
L
2

(2.9)

Trong đó: (CMz)o là hệ số quay của mô men xung quanh điểm O.
L: là chiều dài cơ sở của ô tô.
Hệ số CN và (CMz)o phụ thuộc vào góc tác dụng của không khí và đƣợc xác
định qua thực nghiệm, bằng cách đo trên ổng thổi và mô hình đồng dạng.
20


1.5. Tốc độ giới hạn và tính ổn định của xe khi quay vòng
Với mục tiêu là nghiên cứu tốc độ nguy hiểm của ô tô khi quay vòng, có thể
thấy rằng tạo ra một chiếc ô tô tốt đã khó, điều khiển nó làm sao cho an toàn còn

khó hơn nhiều bởi vì việc đó phụ thuộc vào thói quen điều khiển củangƣời lái xe.
Vậy khi quay vòng ngƣời lái điều khiển tốc độ xe bao nhiêu là an toàn. Phần này sẽ
tìm hiểu về tính ổn định của xe và ảnh hƣởng của vận tốc tới tính ổn định của xe.
Tính ổn định của ô tô là khả năng đảm bảo giữ cho quỹ đạo chuyển động
theo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau. Tùy thuộc vào điều kiện
sử dụng, ô tô có thể chuyển động trên đƣờng nghiêng dọc, nghiêng ngang có thể
phanh hoặc quay vòng ở các loại đƣờng khác nhau.
Trong những điều kiện phức tạp nhƣ vậy ô tô phải giữ đƣợc quỹ đạo của nó
sao cho xe giữ đƣợc chuyển động an toàn, nâng cao vận tốc chuyển động của xe có
nghĩa là tăng tính kinh tế và ổn định của ô tô trong mọi điều kiện làm việc.
Phần này sẽ nghiên cứu tính ổn định của ô tô khi quay vòng trong các trƣờng
hợp khác nhau để đảm bảo khả năng không bị lật hoặc bị trƣợt trong những điều
kiện khác nhau.
1.5.1. Tính ổn đinh
̣ theo điều kiện lật
Trƣờng hợp ô tô quay vòng trên đƣờng nghiêng ngang ra ngoài

Hình 1.12: Sơ đồ lực và mô men tác động lên ô tô khi quay vòng trên đƣờng
nghiêng ngang ra ngoài
21


Trong đó:
G – Trọng lƣợng toàn bộ của ô tô.
Mjn – Mô men của các lực quán tính tiếp tuyến của các thành phần quay của
động cơ và hệ thống truyền lực tác dụng trong mặt phẳng ngang khi xe chuyển động
không ổn định.
F1 – Lực ly tâm.
g – Gia tốc trọng trƣờng.
c – Chiều rộng cơ sở của ô tô.

YY- Trục quay vòng của ô tô.
β – Góc nghiêng ngang của đƣờng.
Z’ – Các phản lực phƣơng thẳng đứng từ đƣờng tác động lênh bánh xe.
Y’ – Các phản lực ngang từ đƣờng tác động lên bánh xe.
Trong trƣờng hợp này, ô tô chịu lực tác dụng của các lực sau: lực ly tâm F1,
trọng lƣợng của toàn bộ của ô tô G.
Khi góc β tăng dần đồng thời dƣới sự tác động của lực ly tâm F1, xe sẽ bị lật
đổ quanh trục đi qua A (trục này là giao tuyến giữa mặt phẳng của đƣờng với mặt
phẳng lăncủa các bánh xe bên phải), lúc đó vận tốc của ô tô đạt giá trị giới hạn và
hợp lực Z” = 0.
Để xác định trị số các phản lực bên trái, lập phƣơng trình cân bằng mô men
đối với đƣờng thẳng đi qua hai điểm tiếp xúc (hai điểm A hình) của các bánh xe bên
phải với mặt đƣờng:
Z" = Z1" + Z2" =

1
c
c
G cosβ − hg sinβ − Mjn − F1 (hg cosβ + sinβ)
c
2
2

(2.10)

Thông thƣờng là giá trị Mjn nhỏ nênbỏ qua Mjn và thay trị số của lực ly tâm
F1 =

GV 2n
gR

vào công thức rồi rút gọn sẽ đƣợc:
c

vn2

=

2

cosβđ − hg sinβđ gR
c

hg cosβđ + sinβđ
2

22


Rút gọn đƣợc:
gR
vn =

c

− tgβđ

2h g

1+

c
2h g

tgβđ

(2.11)

βđ- Góc nghiêng ngang của đƣờng khi xe quay vòng bị lật
R- Bán kính quay vòng của xe
v- Vận tốc quay vòng , m/s
vn- Vận tốc giới hạn khi xe quay vòng bị lật
1.5.1.1. Trường hợp ô tô quay vòng trên đường nghiêng ngang vào trong

Hình 1.13: Sơ đồ lực và mô men tác động lên ô tô khi quay vòng trên đƣờng
nghiêng ngang vào trong
Ô tô có xu hƣớng lật đổ quanh trục A và nằm trong mặt phẳng của mặt đƣờng.
c
c
MiA = G cosβ + Ghg sinβ − Z" − F1 hg sinβ + F1 sinβ = 0
(2.12)
2
2
Khi vận tốc ô tô tăng tới giá trị giới hạn, ô tô sẽ lật đổ. Lúc đó, các bánh xe phía bên
trái không còn tiếp xúc với mặt đƣờng nữa, nên Z” = 0
Sau khi rút gọn đƣợc:
gR(
vn =

c

2h g

1−
23

+ tgβđ )
c

2h g

tgβđ

(2.13)