Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học của hệ thống lái xe tải

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................5
MỞ ĐẦU .......................................................................................................7
CHƢƠNG I : TỔNG QUAN ...........................................................................8
1 .1 . CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA ĐỐI VỚI HỆ THỐNG LÁI ........................8
1.1.1. Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi ..........................................................10
1.1.2. Hệ thống lái trợ lực hiện nay ..............................................................13
1.2. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...........................................................17
CHƢƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG LÁI XE TẢI
.....................................................................................................................19
2.1. ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÕNG XE TẢI ........................................19
2.1.1.Đặc điểm quay vòng của xe tải ..........................................................19
2.1.2.Xây dựng các phƣơng trình động lực học quay vòng xe tải ...................20
2.2. ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ ĐÀN HỒI LỐP TỚI TÍNH NĂNG QUAY
VÕNG CỦA Ô TÔ TẢI ..............................................................................26
2.3. ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC GÓC ĐẶT CỦA BÁNH XE DẪN HƢỚNG
TỚI TÍNH QUAY VÕNG Ô TÔ TẢI ........................................................31
2.3.1. Góc nghiêng ngang bánh xe (Camber) .............................................31
2.3.2. Góc nghiêng ngang của trụ đứng (Kingpin) .....................................35
2.3.3 Góc nghiêng do ̣c của trụ đứng bánh xe (Caster)................................39

1


2.3.4. Độ chụm bánh xe dẫn hƣớng (Toe)...................................................42
2.4.Mômen cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hƣớng......................44
CHƢƠNG III : MÔ PHỎNG SỐ ................................................................46
3.1. MỤC ĐÍCH MÔ PHỎNG SỐ ................................................................46

3.2. CÔNG CỤ MATLAB - SIMULINK ....................................................46
3.3. BẢNG SỐ LIỆU TÍNH TOÁN ...........................................................47
3.4. XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ..................................48
KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................64

2


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 KhoaHà
Nội. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực.

Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2016
Tác giả

Phạm Quang Minh

3


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu, viết tắt

Đơn vị

Ý nghĩa

σ

độ

Góc Kingpin

γ

độ

Góc Camber



độ

Góc quay bánh xe dẫn hƣớng

τ

độ

Góc Caster

'

-



độ

Góc lệch bên bánh xe

L

m

Chiều dài cơ sở

B

m

Chiều ngang cơ sở

a

m

Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu trƣớc

b

m

Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu sau

v

m/s

Vận tốc chuyển dộng của ô tô

nk

mm

KhoảngKingpin

nτ

mm

Khoảng Caster

k

N/độ

Hệ số cản lệch bên của lốp

na

mm

Khoảng dịch chuyển trụ đứng

rbx

mm

Bán kính lăn bánh xe

g

m / s2

Gia tốc trọng trƣờng

G1

N

Trọng lƣợng cầu trƣớc

G2

N

Trọng lƣợng cầu sau

R

m

Bán kí

nh quay vòng

Fx,Fy,Fz

N

Mx,My,Mz

N.m

Mcqv

N.m

Hệ số bám ngang của lốp

Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hƣớng theo
phƣơng x, y, z
Các Mômen tác dụng vào bánh xe dẫn hƣớng
theo phƣơng x,y,z
Mô men cản quay vòng
4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hì
nh 1.1

Hệ thống lái

Hì
nh 1.2

Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hì
nh 1.3

Hệ thống lái điện kiểu trợ lực bố trí trên trục lái

Hì
nh 1.4

Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện

Hì
nh 2.1

Quỹ đạo của ôtôkhi quay vòng

Hì
nh 2.2

Lực ngang và gia tốc

Hì
nh 2.3

Các lực và momen tác dụng vào ô tô khi quay vòng

Hì
nh 2.4

Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hƣớng

Hì
nh 2.5

Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dƣới tác động của lực ngang

Hì
nh 2.6

Đồ thị quan hệ giữa lực ngang và góc lệch bên của lốp

Hì
nh 2.7

Quay vòng xe khi lốp có biến dạng ngang

Hì
nh 2.8

Môhình quay vòng 1 dãy

Hì
nh 2.9

Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng

Hì
nh 2.10

Góc nghiêng bánh xe dẫn hƣớng trong mặt phẳng ngang

Hì
nh 2.11

Thay đổi cánh tay đòn nk và xác định thànhphần Fzsinγ do góc
Camber sinh ra

Hì
nh 2.12

Sự thay đổi của góc Camber

Hì
nh 2.13

Mòn lốp xe do trị số góc Camber quá lớn

Hì
nh 2.14

Góc nghiêng của trụ đứng bánh xe trong mặt phẳng ngang

Hì
nh 2.15

Cách xác định góc Kingpin

Hì
nh 2.16

Sự lệch của góc Kingpin

Hì
nh 2.17

Xác định khoảng cách r2

Hì
nh 2.18

Xác định r3 và các thành phần của phản lực thẳng đứng

Hì
nh 2.19

Góc Caster và cánh tay đòn n’τ

Hì
nh 2.20

Tác dụng của gió bên khi góc Caster dƣơng

Hì
nh 2.21

Độ chụm và góc chụm bánh xe dẫn hƣớng

5


Hì
nh 2.22

Mômen làm quay bánh xe dẫn hƣớng của các lực dọc

Hì
nh 2.23

Sự ăn mòn lốp do độ chụm quá lớn

Hì
nh 3.1

Sự thay đổi góc Camber của bánh xe phí
a trong và phí
a ngoài
khigóc quay bánh xe dẫn hƣớng thay đổi

Hì
nh 3.2

Sự thay đổi góc Caster của bánh xe phía trong và phía ngoài với góc
Caster ban đầu τ = 10o khi góc quay bánh xe dẫn hƣớng thay đổi

Hì
nh 3.3

Sự thay đổi của góc Caster ứng với các giá trị góc Kingpinkhác
nhau khi góc quay bánh xe dẫn hƣớng thay đổi

Hì
nh 3.4

Sự thay đổi của góc Camber ứng với các giá trị góc Caster khác
nhau khi góc quay bánh xe dẫn hƣớng thay đổi

Hì
nh 3.5

Mô-đun xác định sự thay đổi của góc Camber

Hì
nh 3.6

Mô-đun xác định sự thay đổi của góc Caster

Hì
nh 3.7

Mô-đun xác định sự thay đổi khoảng Caster

Hì
nh 3.8

Mô-đun tính góc lệch bánh xe dẫn hƣớng

Hì

nh 3.9

Mô-đun tính lực ngang tại điểm 1

Hì
nh 3.10

Subsystem tính lực dọc tại điểm 1

Hì
nh 3.11

Mô-đun tính lực dọc tại điểm 1

Hì
nh 3.12

Subsystem tính tổng lực dọc

Hì
nh 3.13

Hình 3.13 Mô-đun tính tổng lực dọc

Hì
nh 3.14

Subsystem tính tổng lực ngang

Hì

nh 3.15

Mô-đun tính tổng lực ngang

Hì
nh 3.16

Subsystem tính mômen cản quay vòng

Hì
nh 3.17

Mô-đun tính mô men cản quay vòng

Hì
nh 3.18

Quan hệ phụ thuộc của Mcqv với góc quay dẫn hƣớng

Hì
nh 3.19

Quan hệ phụ thuộc của Mcqv với vận tốc

Hì
nh 3.20

Quan hệ của Mcqv với vận tốc và góc quay bánh xe dẫn hƣớng
6

MỞ ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế của Việt Nam đang trên đà tăng trƣởng mạnh, đời sống
của ngƣời dân tăng cao, nhu cầu đi lại, mua sắm các phƣơng tiện cá nhân cũng tăng.
Hệ thống giao thông nƣớc ta ngày càng đƣợc hoàn thiện từ đó cho phép vận tốc tối
đa của ô tô tăng lên nhằm rút ngắn thời gian di chuyển của con ngƣời và hàng hóa,
mang lại nhiều lợi ích về kinh tế. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển đó thì tại nạn
giao thông là vấn đề thách thức lớn mang tính thời sự nóng bỏng.Trong các vụ tai
nạn giao thông, số vu ̣ liên quan t ới hệ thống lái chiế m mô ̣t tỷ lê ̣ đáng kể . Ngƣời ta
đã chứng minh đƣợc rằng khi vận tốc càng cao thì khả năng mất lái càng lớn do khi
vận tốc lớn thì mô men trả lái giảm.Do đó, để giữ đƣợc cảm giác lái của ngƣời lái
thì yêu cầu đối với ô tô ngày nay phải có hệ thống lái trợ lực có tỷ số truyền lực
thay đổi.
Ở nƣớc ta, số lƣợng xe tải tham gia giao thông chiếm một tý lệ tƣơng đối lớn.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế, với mong muốn đóng góp một phần công sức của
mình vào vấn đề an toàn giao thông cũng nhƣ có đƣợc kiến thức về động lực học hệ
thống lái xe tải làm cơ sở dữ liệu cho việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống lái trợ lực
sau này, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu của mình liên quan đến động lực học của
hệ thống lái xe tải.
Trong thời gian làm luận văn tác giả luôn nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tận
tình của thầy giáo hƣớng dẫn khoa học: T.S Hoàng Thăng Bình cùng các thầy giáo
trong Bộ môn ôtô và xe chuyên dụng trƣờng Đa ̣i ho c̣ Bách Khoa HàNội. Tác giả
xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Thăng Bình và các thầy trong bộ môn cùng các
bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn của mình.

7


CHƢƠNG I : TỔNG QUAN
1.1 .CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA ĐỐI VỚI HỆ THỐNG LÁI

Hệ thống lái của ôtôdùng để thay đổi hƣớng chuyển động của ôtônhờ quay các
bánh xe dẫn hƣớng và dùng để giữ phƣơng chuyển động thẳng hay chuyển động
cong cho ôtôkhi cần thiết.
Việc điều khiển hƣớng chuyển động của xe đƣợc thực hiện nhƣ sau: vành lái tiếp
nhận lực tác động của ngƣời lái vàtruyền vào hệ thống lái, trục lái truyền mômen từ
vô lăng tới cơ cấu lái, cơ cấu lái tăng mômen truyền từ vành lái tới các thanh dẫn
động lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe
dẫn hƣớng. Kết cấu lái thay đổ i tùy thuộc vào kế t cấu chung của xe và từng chủng
loại xe.
Để quay vòng đƣợc thì ngƣời lái cần phải tác dụng vào vô lăng một lực, thông
qua cơ cấ u lái ta ̣o nên mô men thắ ng đƣơ ̣c mô men cản quay vòng tƣ̀ mă ̣t đƣờn

g.

Để quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hƣớng phải quay quanh một tâm quay tức
thời khi quay vòng.
Hệ thống lái có nhiều loại, thông thƣờng bao gồm các bộ phận chính nhƣ hình
1.1:
- Vành lái: là cơ cấu điều khiển nằm trên buồng lái, chịu tác động trực tiếp của
ngƣời điều khiển.
- Cơ cấu lái: là một hộp giảm tốc đƣợc bố trí trên khung hoặc vỏ của ôtôđảm nhận
phần lớn tỉ số truyền của hệ thống lái.
- Dẫn động lái: bao gồm đòn quay đứng, đòn kéo dọc, hình thang lái, đòn quay
ngang, có nhiệm vụ liên kết cơ cấu lái với bánh xe và dẫn động cho bánh xe dẫn
hƣớng.

8


1- Bình dầu

2- Vành tay lái

3- Bơm dầu 4- Xi lanh thuỷ lực

5- Đòn kéo

6- Bánh xe dẫn hƣớng

7- Bơm dầu

Hình 1.1 Hệ thống lái
Tí
nh ổn định hƣớng của ô tô là khả năng giữ đƣợc hƣớng chuyển động của ô tô
theo góc quay vành lái khi chịu tác dụng của các lực và mômen ngoại cảnh. Khi
thực hiện quay vòng, yêu cầu đặt ra đối với hệ thống lái là phải đảm bảo động học và
đô ̣ng lực học quay vòng xe, ngƣời lái quay vành tay lái thông qua dẫn động lái và cơ
cấu lái làm bánh xe dẫn hƣớng quay đi một góc. Quỹ đạo chuyển động của ô tô liên
quan đến tính dẫn hƣớng của xe. Sự chuyển động của ôtôtrên đƣờng phụ thuộc vào rất
nhiều mối quan hệ của bánh xe với nền đƣờng. Khi chuyển động trên các đƣờng xá
khác nhau, cùng với việc sử dụng lốp đàn hồi đã ảnh hƣởng không nhỏ tới khả năng
điều khiển cũng nhƣ độ ổn định của ô tô. Khi đó, tại bánh xe luôn xuất hiện góc lệch
bên do chịu đồng thời lực kéo và lực bên, biến dạng bên này làm sai lệch quỹ đạo
chuyển động. Để khắc phục hiện tƣợng này, trong hệ thống lái cần phải bố trí cơ cấu
để bù đƣợc sự biến dạng của lốp.
Hệ thống lái trên ôtôcó đặc điểm khác so với hệ thống lái lắp trên các phƣơng tiện
khác là sau khi thực hiện quay vòng, ngƣời lái không cần tác động lực lên vành lái
mà các bánh xe dẫn hƣớng có khả năng tự động quay về trạng thái chuyển động
9

thẳng. Điều này đƣợc thực hiện nhờ mômen trả lái, mômen này xuất hiện đầu tiên là
do các quan hệ hình học trong hệ thống lái, các góc đặt bánh xe dẫn hƣớng, sau đó là
do khi quay vòng xuất hiện lực ngang, lực ngang này làm biến dạng lốp cao su, sự
biến dạng đàn hồi này làm cho xuất hiện mômen để lốp trở về trạng thái ổn định.
Để tăng tính an toàn chuyển động, ngƣời ta tăng diện tích tiếp xúc của lốp với mặt
đƣờng, đồng thời giảm áp suất lốp. Nhƣng nhƣ vậy cũng đồng nghĩa với việc cần
phải đánh lái với một lực lớn hơn. Để giảm nhẹ cƣờng độ lao động cho ngƣời lái và
tăng tính an toàn cho hệ thống điều khiển lái hầu hết các xe ô tô đều đƣợc trang bị trợ
lực lái. Yêu cầu đặt ra đối với trợ lực là:
+ Khi bộ trợ lực hỏng thì hệ thống lái vẫn phải làm việc đƣợc.
+ Trợ lực lái phải giữ cho ngƣời lái có cảm giác sức cản của mặt đƣờng khi quay
vòng. Điều này đồng nghĩa với khả năng trợ lực cần tăng cao khi mô men cản quay
vòng lớn và ngƣợc lại khả năng trợ lực cần giảm khi xe chuyển động với tốc độ cao.
Mối quan hệ giữa lực màngƣời lái đặt lên vành tay lái Pl và mômen cản quayvòng
của các bánh dẫn hƣớng M cqv :
Pl 

M cqv

(1.1)

R.ic .id .th

Trong đó :

M cqv - mômen cản quay vòng (N.m)
R -bán kí
nh vành lái (m)
ic -tỷ số truyền cơ cấu lái

th -hiệu suất thuận của cơ cấu lái,
id - tỷ số truyền của dẫn động lái
1.1.1. Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi
Các xe ô tô hiện đại ngày nay có vận tốc ngày càng lớn và đòi hỏi độ an toàn
10


cao cũng nhƣ tính tiện nghi khi sử dụng. Vì vậy, khi thiết kế một hệ thống dẫn
hƣớng phải đảm bảo đƣợc các yêu cầu nghiêm ngặt trên, ngoài ra hệ thống phải có tí
nh
thân thiện với môi trƣờng. Giải quyết vấn đề về độ an toàn khi quay vòng ở tốc độ cao
vàtính tiện nghi khi sử dụng, cầ n xét đến tỉ số truyền của hệ thống bao gồm tỉ số
truyền động học và tỉ số truyền đô ̣ng lực học.
1.1.1.1. Tỷ số truyền động học
Tỷ số truyền động học biểu hiện quan hệ giữa góc quay trên vành lái với góc quay
của bánh xe dẫn hƣớng:

i
Trong đó:

 st


(1.2)

-  st là góc quay của vô lăng (rad)
-  làgóc quay của bánh xe dẫn hƣớng (rad)

Khi ngƣời lái tác động một lực vào vành tay lái, làm vành tay lái xoay đi một góc.

Thông qua cơ cấu lái và dẫn động lái sẽ làm cho bánh xe dẫn hƣớng quay một góc
tƣơng ứng. Thông thƣờng cơ cấu lái của xe đảm nhiệm tỷ số truyền động học của hệ
thống lái.
Khi ôtôdừng, đỗ xe hoặc khi ôtôquay vòng trong điều kiện đánh lái ngoặt, ngƣời
lái bao giờ cũng mong muốn quay vành tay lái một góc nhỏ còn bánh xe dẫn hƣớng
quay với một góc lớn. Tƣơng ứng với lúc đó tỷ số truyền động học đặt ra cần phải nhỏ.
Ngƣợc lại, khi ô tô chuyển động ở tốc độ cao, căn cứ vào yêu cầu chuyển động
đòi hỏi góc quay vòng nhỏ của bánh xe dẫn hƣớng chính xác thì lúc này tỷ số truyền
động học bé sẽ gây ra khó khăn cho ngƣời lái. Mặt khác, khi ôtôquay vòng ở tốc độ
cao, lúc này lực ly tâm (hay là lực ngang) lớn sẽ làm cho các bánh xe dẫn hƣớng bị
biến dạng dẫn đến tiếp xúc của lốp với mặt đƣờng thay đổi, hay nói một cách khác là
góc quay của bánh xe dẫn hƣớng bị thay đổi, không còn đảm bảo quan hệ hình học
của hệ thống lái ban đầu. Điều đó sẽ làm cho xe rơi vào hiện tƣợng quay vòng thiếu
hoặc quay vòng thừa.
11


Do đó, cần phải có một tỷ số truyền động học có khả năng thay đổi để đáp ứng
nhu cầu chuyển động của xe. Để chế tạo cơ cấu lái có khả năng thay đổi tỷ số truyền
đòi hỏi rất phức tạp, dẫn đến giá thành đắt nhƣ một số hệ thống lái cơ khí trƣớc đây.
Ngày nay, ngƣời ta có xu hƣớng giữ nguyên tỷ số truyền cố định ở cơ cấu lái. Thêm
vào đó là ngƣời ta sử dụng bộ truyền hành tinh, kết hợp với motor điện, để đơn giản
về mặt chế tạo mà vẫn đáp ứng đƣợc yêu cầu thay đổi tỷ số truyền.
1.1.1.2. Tỷ số truyền đô ̣ng lực học.
Tỷ số truyền đô ̣ng lực học là tỷ số giữa mômen làm quay bánh xe dẫn hƣớng
(mômen cản quay vòng tác dụng từ mặt đƣờng đến bánh xe dẫn hƣớng) và mômen
tác động lên vành tay lái. Trong trƣờng hợp hệ thống lái có trợ lực, tỷ số truyền động
lực học đƣợc tính theo công thức:
if 

M cqv
Ms  Ma



M sat
Ms  Ma

(1.3)

Trong đó :

M S - mômen ngƣời lái tác động lên vôlăng (N.m)
M a - mô men trợ lực (N.m)

M sat - Mô men trả lái (N.m)
M cqv - Mômen cản quay vòng từ mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe dẫn hƣớng (N.m)
Trong hệ thống lái có trợ lực, mômen của ngƣời lái trên vành lái đóng vai trò là
mômen điều khiển mức độ trợ lực. Khi ở vận tốc thấp, mômen cản lớn, mong muốn
của ngƣời lái là lực tác động lên vành tay lái nhỏ, muốn thắng đƣợc mômen cản thì
mômen trợ lực phải lớn. Trong khi đó, khi quay vòng ở tốc độ cao, mômen trả lái
giảm đáng kể, để tạo cảm giác cho ngƣời lái tức là ta phải giữ nguyên lực đánh lái,
do đó phải giảm mômen trợ lực. Từ đó tỷ số truyền lực cũng thay đổi.

12


1.1.2. Hệ thống lái trợ lực hiện nay
1.2.1.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực

1- Van giảm áp 2- Bình chứa dầu

3- Bộ lọc dầu

4- Bơm trợ lực

6- Van điều khiển

5- Xilanh lực

Hì
nh 1.2 Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực thủy lực là bộ trợ lực sử dụng một phần công suất động cơđể
tạo ra áp suất dầu thủy lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh xe dẫn hƣớng
đểchuyển hƣớng chuyển động của ô tô. Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển mạch một đƣờng
dầu tại van điều khiển.
Hệ thống gồm 3 phần chính: bơm trợ lực (bơm cánh gạt), van điều khiển và xy
lanh lực (hình1.2).
- Thông qua đặc điểm làm việc của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực có thể thấy hệ
thống có các ƣu điểm, nhƣợc điểm nhƣ sau:
+ Ƣu điểm: với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực đã giúp ngƣời lái điều khiển nhẹ
nhàng hơn so với hệ thống lái không có trợ lực vì có thêm trợ lực tác động của
piston-xy lanh lực lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra. Trong
trƣờng hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống đảm bảo đƣợc an toàn về hƣớng
trong quá trình chuyển động .
13


+ Nhƣợc điểm: trong hệ thống lái trợ lực thuỷ lực, nguồn năng lƣợng trợ lực đƣợc tạo
thành do sự làm việc bơm dầu mà bơm dầu lại đƣợc dẫn động từ trục khuỷu của

động cơ, sử dụng một phần công suất của động cơ. Trong quá trình chuyển động,
ngay cả khi xe chuyển động thẳng thì bơm dầu vẫn làm việc, điều này gây lãng phí
công suất động cơ trong khi hệ thống lái không cần nguồn trợ lực. Để đảm bảo đƣợc áp
suất dầu trợ lực thì hệ thống cần yêu cầu về độ kín khít cao ở trên đƣờng ống, van do đó
thƣờng xuyên phải kiểm tra sự rò rỉ dầu trong hệ thống lái. Hệ thống làm việc ồn do
tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đƣờng ống, van. Ngoài ra, dầu trợ lực lái
khi thải ra còn là nguồn chất thải gây ô nhiểm môi trƣờng.
- Đánh giá: đối với hệ thống lái trợ lực thủy lực thì tỉ số truyền lái không thay đổi.
Do đó, không đáp ứng đƣợc yêu cầu rất quan trọng đối với hệ thống lái trên xe ôtô hiện
đại ngày nay. Để cải thiện điều này, ngƣời ta đƣa ra hệ thống lái trợ lực thuỷ lực hỗ
trợ điện tử EHPS bằng cách đƣa ra thêm các van điện từ vào sau van phân phối để
điều khiển áp suất dầu trợ lực. Tuy nhiên, hệ thống EHPS tồn tại nhiều nhƣợc điểm
nhƣ: hệ thống phức tạp, về bản chất là hệ thống thuỷ lực nên tổn hao công suất do
phải dùng bơm thuỷ lực, các yêu cầu về độ kín khít cao, khối lƣợng lớn và chiếm
diện tích bố trí lớn. Cùng với các loại EHPS, trong thời gian gần đây đã xuất hiện các
dạng hệ thống lái trợ lực khác hoàn hảo hơn đó là hệ thống lái trợ lực điện EPS.
1.1.2.2. Hệ thống lái trợ lực điện
Hê ̣ thố ng lái trơ ̣ lƣ̣c điê ̣n có cấ u ta ̣o nhƣ trên hình1.3.
- Đặc điểm của hệ thống:
+ Cảm biến mô men: cảm biến mômen đƣợc gắn vào phía trong trục lái, dựa
vào hiệu ứng Hall để đƣa ra điện áp tùy thuộc vào mô men đánh lái và mô men
cản. Điện áp ra của cảm biến sẽ đƣợc gửi vào ECU để điều khiển môtơ trợ lực.
+ ECU điều khiển: ECU tiếp nhận các thông số tín hiệu của cảm biến mômen,
cảm biến tốc độ động cơ, tín hiệu IG, tín hiệu tốc độ xe sau đó tính toán và điều
khiển môtơ trợ lực.

14


1- Cảm biến mômen

3- Trục vít - Bánh ví
t

2- Mô tơ trợ lực

4- ECU điều khiển

Hì
nh 1.3 Hệ thống lái trợ lực điê ̣n kiể ubố trí trên trục lái
+ Mô tơ trợ lực: mô tơ trợ lực nối với trục lái bằng bộ giảm tốc trục vít - bánh ví
t
vàđƣợc điểu khiển bằng ECU, mô tơ có thể đảo chiều và quay ở các tốc độ
khác nhau tùy theo mức độ đánh lái của ngƣời lái và mô men cản quay vòng.
- Nguyên lý hoạt động: ECU tiếp nhận các thông số chính từ cảm biến mô men và từ
tốc độ xe, ngoài ra cócác thông số phụ nhƣ: tín hiệu tốc độ động cơ, tín hiệu B+ , chế
độ không tải… để tí
nh toán điều khiển mô tơ trợ lực phù hợp với điều kiện lái. Lực
đánh lái càng lớn thì mô tơ trợ lực càng nhiều, nhƣng mô men trợ lực sẽ giảm dần
khi tốc độ xe tăng dần.
+ Trạng thái quay vòng: khi ngƣời điều khiển tác động quay vành lái, xuất
hiện hiện tƣợng xoay tƣơng đối giữa hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men thay
đổi điện áp tùy theo chiều quay và độ lệch tƣơng đối giữa hai đầu thanh xoắn
sau đó truyền tí
n hiệu về ECU, kết hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc
độ mà ECU tính toán ra dòng điện điều khiển và chiều quay của mô tơ trợ lực
cho phù hợp.

15

Hì
nh 1.4 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện
+ Trạng thái đi thẳng: trục lái không đƣợc tác động do đó không có hiện
tƣợng xoay tƣơng đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến mômen không thay đổi
điện áp, vì thế ECU không điều khiển môtơ trợ lực và trạng thái đi thẳng đƣợc
giữ nguyên.
-Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống lái trợ lực điện: so sánh kết cấu với hệ thống lái trợ
lực thuỷ lực thì hệ thống lái trợ lực điện không sử dụng bơm dầu để tạo ra năng
lƣợng trợ lực mà sử dụng một motor điện một chiều, do đó giảm tổn hao nhiên liệu
từ 2-3%. Hệ thống không sử dụng các đƣờng ống dẫn và van phức tạp nhƣ hệ thống
lái trợ lực thuỷ lực. Với việc sử dụng motor điện một chiều, hệ thống lái trợ lực điện dễ
dàng điều khiển đƣợc chiều quay của motor điện cũng nhƣ dễ dàng thay đổi mômen
xoắn của motor bằng cách thay đổi cƣờng độ dòng điện cấp vào motor.
- Đánh giá: ngoài những ƣu điểm vƣợt trội khi so sánh với hệ thống lái trợ lực thủy
lực thì hệ thống lái trợ lực điện đã đáp ứng đƣợc yêu cầu về tỉ số truyền lái thay đổi.
Đây là một yêu cầu rất quan trọng và đặc biệt là đối với các xe ôtôhiện đại ngày nay.

16


Nhờ việc dễ dàng thay đổi tỉ số truyền lái mà hệ thống lái trợ lực điện giúp nâng cao
tí
nh năng an toàn chuyển động của xe khi xe đi ở tốc độ cao, ngoài ra hệ thống còn
giúp cho ngƣời lái dễ dàng điều khiển xe khi xe đi vào những đƣờng hẹp, yêu cầu quay
vòng với bán kính nhỏ.
1.2. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Khi xe ô tô chạy với vận tốc càng lớn thìhệ thống lái càng nhạy nếu vẫn giữ
nguyên mô men đánh lái thì nguy cơ quá lái (bay lái) rất cao, điều này là vô cùng
nguy hiểm cho ngƣời lái và các phƣơng tiện tham gia giao thông.Theo các công

trình nghiên cứu của các tác giả trên thế giới thì khi vận tốc lớn thì mô men trợ lực
lái cần giảm để giữ nguyên mô men đánh lái.Vì vậy, để có cảm giác lái thì hệ thống
trợ lực phải có tỷ số truyền lực thay đổi.
Ở trên thế giới, có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống lái , công trình
của tác giả Wichai Siwakosit năm 2006 " Improvement of Cornering characteristic
Using Variable Steering Ratio" đề cập đến ảnh hƣởng của tỷ số truyền thay đổi đến
khả năng hiệu chỉnh quỹ đạo quay vòng của xe trong điều kiện vận tốc, thông số hình
học của xe thay đổi. Các tác giả XU Zhenlin, Wanghao, Shang Zhe, Zhang Hai-hua,
Wang Jia-jun với công trình "Study on characteristic of electric power assist
steering system" đƣa ra kết luận là đƣờng đặc tính phi tuyến của hệ thống trợ lực
lái. Các công trình nghiên cứu nƣớc ngoài này thƣờng rất khó để tiếp cận vì rào cản
về ngôn ngữ, về tính bảo mật của nó.
Trong nƣớc, cho đến nay đã có các nghiên cứu liên quan đến tính ổn định
chuyển động của ôtô trên đƣờng vòng. Trong công trình "Nghiên cứu đặc tính quay
vòng của ôtô du lịch", tác giả Lê Đức Hiếu đã sử dụng mô hình một vết để tính toán
ảnh hƣởng của các thông số kết cấu cũng nhƣ điều kiện chuyển động (vận tốc, góc
đánh lái) đến tính chất quay vòng của xe du lịch. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu
mới chỉ dừng lại ở mức độ mô tả quỹ đạo chuyển động của xe ứng với một số
trƣờng hợp khảo sát nhƣ tải trọng, góc đánh lái thay đổi.Trong công trình " Xây dựng
mô hình khảo sát đặc tính làm việc của hệ thống lái trợ lực điện trên xe ôtô du

17


lịch" , tác giả Chu Đức Hùng đã phân tích đặc điểm của hệ thống lái điều khiển
điện tử trên ôtô du lịch, phân tích các yêu cầu đối với hệ thống lái của ôtô khi
chuyển động ở tốc độ cao, khả năng đáp ứng yêu cầu đòi hỏi thay đổi tỷ số
truyền của hệ thống lái điện.
Cho đến nay ở nƣớc ta chƣa có công trì
nh nghiên cứu riêng các thông số, cơ sở

dữ liệu để cải tiến, thiết kế hệ thống trợ lực lái xe tải. Xuất phát từ đó tác giả đã
chọn hƣớng xây dựng đề tài tốt nghiệp: “ Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực
học của hệ thống lái xe tải” để đƣa ra bộ thông số thiết kế bộ trợ lực cho các hệ
thống lái nói chung vàxe tải nói riêng.
Mục đích của đề tài:
- Xác định mômen cản quay vòng của ôtôtải khi xe đi vào đƣờng vòng.
- Mô phỏng mô men cản quay vòng của xe tải trên máy tính bằng phần mềm
Matlab&Simulink.
Với mục đích trên thì nội dung của đề tài đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Chƣơng I : Tổng quan
Chƣơng II : Xây dựng mô hình động lực học của hệ thống lái xe tải
- Xây dựng các phƣơng trình động lực học của xe tải khi quay vòng, ảnh
hƣởng của góc lệch bên và các góc đặt bánh xe tới tính quay vòng của xe.
- Xác định mô men cản quay vòng của xe tải.
Chƣơng III : Mô phỏng số
- Mô phỏng mô men cản quay vòng của xe tải trên máy tính bằng phần
mềm Matlab&Simulink.

18


CHƢƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌCHỆ THỐNG LÁI XE TẢI
2.1. ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÕNG XE TẢI
2.1.1.Đặc điểm quay vòng của xe tải

Hình 2.1 Quỹ đạo của ôtôkhi quay vòng
Quá trình ô tô đi vào đƣờng vòng đƣợc chia làm 3 giai đoạn nhƣ hình 2.1:
-Giai đoạn 1: xe bắt đầu vào đƣờng vòng (đoạn ab), ở giai đoạn này bán kí
nh
quay vòng thay đổi vìkhi quay vòng để đạt ngay bán kí

nh quay vòng bằng hằng số
thìrất nguy hiểm cho xe. Chính vìvậy ở giai đoạn này ngƣời lái phải đánh lái từ từ.
-Giai đoạn 2: Ngƣời lái giữ vành tay lái để xe quay vòng với bán kính không đổi
hay còn gọi là giai đoạn quay vòng ổn định (đoạn bc).
-Giai đoạn 3: Khi thực hiện quay vòng xong ngƣời lái trả vôlăng về, ở giai đoạn
này bán kính quay vòng giảm dần (đoạn cd).

19


2.1.2.Xây dựng các phƣơng trình động lực học quay vòng xe tải
Khi xe vào đƣờng vòng, để đảm bảo các bánh xe dẫn hƣớng không bị trƣợt lết
hoặc trƣợt quay thì đƣờng vuông góc với các véctơ vận tốc chuyển động của tất cả
bánh xe phải gặp nhau ở một điểm, điểm đó chính là tâm quay tức thời của xe (điểm
O trên hình 2.2).
Xét mô hình mô ̣t dãy với điểm 1,2 và điểm C cótâm quay tức thời làO.

Hình 2.2 Lực ngang và gia tốc
Từ hình vẽ có đƣơ ̣c:
Gia tốc theo phƣơng y của xe:

a y  a1  a4 

v2
d
b
R
dt

(2.1)

Gia tốc theo phƣơng x của xe:

ax  a2  a3 

dv
 b 2
dt

(2.2)

20


a1 , a2 : Gia tốc hƣớng tâm và gia tốc tiếp tuyến đối với tâm quay tức thời O
a3 , a4 : Gia tốc hƣớng tâm và gia tốc tiếp tuyến đối với tâm trục sau
R: làbán kính quay vòng,
v: là vận tốc ô tô theo phƣơng x
Lực ngang của ô tô khi đi vào đƣờng vòng:

v2
bR d 
d
mv 2
b
)
(1  2
)
R
dt

R
v dt
Khi đó lực ngang của ô tô khi đi ra đƣờng vòng:
v2
d
mv 2
bR d
Pyr  m(  b
)
(1  2
)
R
dt
R
v dt
Pyv  ma y  m(

Lực ngang của ô tô khi quay vòng ổn định:
v2
Pyo  m
R
Theo hình trên do  nhỏ nên : R  L  L
tg 
v v
Vận tốc quay vòng    tg
(2.7)
R L
Gia tốc quay vòng  

d tg dv

v
d

 

2
dt
L dt L  cos  dt

(2.3)

(2.4)

(2.5)
(2.6)

(2.8)

Thay (2.8) vào (2.3) và(2.4) đƣơ ̣c:

mv 2
Pyv 
L

b dv
tg d 

1  v 2 ( dt  v sin 2  dt )  tg



mv 2
Pyr 
L

b dv
tg d 

1  v 2 ( dt  v sin 2  dt )  tg



mv 2
tg
L
Các công thức (2.9),(2.10),(2.11) cho thấy:
Pyo 

(2.9)

(2.10)
(2.11)

- Lực ngang khi xe bắt đầu đi vào đƣờng vòng làlớn nhất vàlực ngang phụ thuộc
vào phân bố trọng tâm của xe, gia tốc đánh lái, vận tốc của xe.

21


- Khi đi vào đƣờng vòng thìthời điểm dễ làm cho xe lệch khỏi quỹ đạo nhất là

thời điểm khi xe bắt đầu đi vào đƣờng vòng. Vậy để an toàn ngƣời lái nên giảm tốc
độ, đánh lái từ từ, khi bắt đầu đi vào đƣờng vòng.
Khi ô tô chịu lực ngang Py lúc đó xuất hiện lực ngang của mặt đƣờng Ry1 , Ry 2 tác
dụng lên lốp xe.
Mô men cản lăn do lực quán tính đƣợc tính theo công thức:
d
M j  m 2
(2.12)
dt
Trong đó:  là bán kính quán tính của ô tô
Từ hình 2.2, viết phƣơng trình cân bằng mômen tại điểm 1 và điểm 2:
Tại điểm 1:

Ry 2 .L  M j - aPy  0
Ry 2 

aPy  M j

L
Kết hợp (2.9), (2.12), (2.13) cóđƣơ ̣c:

Ry 2 

amv 2
L2

 ab   2  dv vtg d  
1  av 2  dt  sin 2  dt   tg





(2.13)

(2.14)

Tƣơng tự tại điểm 2:

Ry1 .L  bPy  M j  0
Ry1 

bPy  M j
L

bmv 2
R y1  2
L

 b2   2  dv vtg d  
1  bv 2  dt  sin 2  dt   tg




(2.15)

Nhận xét: phản lực từ mặt đƣờng đến bánh xe dẫn hƣớng phụ thuộc vận tốc, gia
tốc của ôtôvàvận tốc, góc đánh lái.

22

Hình 2.3 Các lực vàmomen tác dụng vào ô tô khi quay vòng
Khi chuyển động quay vòng khi đó ô tô chịu thêm các lực do chuyển động tròn,
các lực nay sinh ra mô men cản sự quay vòng của ô tô. Tổng mô men cản đƣợc tính
theo công thức:

M c  M1  M 2  M 3  M j

(2.16)

Trong đó:
M1: Mômen do lực cản lăn sinh ra
M2: Mô men do lực ngang sinh ra
M3: Mô men cản quay vòng do chênh lệch lực kéo giữa hai bánh xe
Mô men do lực cản lăn đƣợc tính theo công thức:
M1  LFf 1 sin 

(2.17)

23


Mô men do lực ngang sinh ra đƣợc tính theo công thức:

M 2  bPy

(2.18)

Mô men do chênh lệch lực kéo đƣợc tính theo công thức:

M 3  0,5B( Pki  Pko )

(2.19)

Từ các phƣơng trình trên tính đƣợc:
M c  M1  M 2  M 3  M j  LFf 1 sin   bFy  0,5B( Pki  Pko )  M j (2.20)

Lực dọc quán tính khi ô tô chuyển động trên đƣờng tròn:
Fjx  m ax  m(

dv
 b 2 )
dt

(2.21)

Khi đó mô men quay vòng của ô tô đƣợc tính:
M qv  LFx'1 sin   Fx1L sin  cos 

(2.22)

Do M c  M qv nên từ (2.24) và (2.26) tính đƣợc:

Fx1 

Ff 1
cos 

R



L
tg

1 bPy  M j 0,5B( Pki  Pko )

L sin  cos 
L sin  cos 
(2.24)

m 

G
g

(2.25)

G

(2.23)

b
 G1
L

(2.26)

Thay (2.24),(2.25), (2.26) vào (2.23) tính đƣợc lực đẩy của xe :

Fx1 

Ff 1
cos



tg
G1v 2
bR d
1
G1 2 d 0,5B( Pki  Pko )
(1  2
)
M

sin  cos gL
v dt
b sin  cos g
dt
L sin  cos
(2.27)

24


Hình 2.4 Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hƣớng
Từ hình vẽ có đƣơ ̣c:
Ry1 phân ra làm 2 lực: Lực theo phƣơng dọc lốp bánh xe dẫn hƣớng Ry1,x
Lực theo phƣơng ngang lốp bánh xe dẫn hƣớng Ry1,y

Ry1, x  Ry1.sin 

Ry1, y  Ry1.cos

(2.28)

(2.29)

Fx1 phân ra làm 2 lực: Lực theo phƣơng dọc lốp bánh xe dẫn hƣớng F’x1
Lực theo phƣơng ngang lốp bánh xe dẫn hƣớng F
F  Fx1 sin 

F ' x1  Fx1cos

(2.30)

(2.31)

Phản lực dọc của bánh dẫn hƣớng

Fx  Ry1, x  F ' x1  Ry1 .sin   F

x1

.cos

25

(2.32)