Xây dựng mô hình nghiên cứu tác động của thanh xoắn có khả năng điều khiển đến tính năng ổn định chuyển động của ôtô

CHƢƠNG I .................................................................................................................6
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................................6
1.1. Tính ổn định chuyển động của ô tô ..................................................................6
1.1.2. Khả năng ổn định dọc động của tô tô. ......................................................9
1.2. Phân tích các trƣờng hợp ổn định ngang của xe tải khi vào đƣờng vòng. .....11
1.2.1. Tính ổn định động ngang của ô tô...........................................................11
1.2.2. Tính ổn định khi xe quay vòng . .............................................................13
1.2.2. Lật xe tải ..................................................................................................17
1.3. Biện pháp sử dụng thanh ổn định ngang để tăng tính ổn định chuyển động
của xe tải ...............................................................................................................19
1.4. Yêu cầu về tính điều khiển của thanh ổn định ngang ....................................21
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận văn ..............................................................22
CHƢƠNG 2 ..............................................................................................................26
KẾT CẤU, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THANH ỔN ĐỊNH NGANG ..........26
2.1. Kết cấu thanh ổn định ngang điều khiển đƣợc ...............................................26
2.2. Nguyên lý làm việc của thanh ổn định ngang điều khiển đƣợc .....................27
2.3. Thuật toán điều khiển thanh ổn định ngang ...................................................29
2.3.1. Giới thiệu về một số bộ điều khiển .........................................................29
2.3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển thanh ổn định ngang ............................33
2.4. Tính toán mô men chống lật của thanh ổn định ngang ..................................36
CHƢƠNG 3 ..............................................................................................................39
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC............................................................39
3.1. Mô hình nghiên cứu .......................................................................................39
3.1.1. Hệ trục tọa độ khảo sát ............................................................................39
3.1.2. Lực và mô men tác động lên ô tô khi chuyển động ................................40
3.2. Phƣơng trình quay vòng của ô tô ...................................................................41
3.3. Phƣơng trình lật ngang của ô tô .....................................................................43
CHƢƠNG 4 ..............................................................................................................48
MÔ PHỎNG SỐ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .........................................................48
4.1. Sử dụng Matlab và Simulink mô phỏng động lực học lật bên của xe ...........48
4.2. Các phƣơng án khảo sát .................................................................................50

1


4.3. Khối tính toán vận tốc bên, góc xoay thân xe ................................................51
4.4. Khối tính toán góc lật của thân xe và góc nghiêng của cầu xe ......................52
4.5. Phân tích kết quả và đánh giá .........................................................................54
4.5.1. Góc nghiêng thân xe trong trƣờng hợp vận tốc là 40km/h .....................54
4.5.2. Góc nghiêng thân xe trong trƣờng hợp vận tốc là 60km/h .....................55
4.5.3. Góc nghiêng thân xe trong trƣờng hợp vận tốc là 80km/h .....................55
4.5.4. Khảo sát hệ phân bố tải trọng giữa 2 bên cầu xe ....................................57
4.5.5. Khảo sát hệ số lật ....................................................................................57

2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN
TT

Hình vẽ

Tên hình

1

Hình 1.1

Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi đứng yên.

4

2

Hình 1.2

Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi chuyển động lên dốc

7

3

Hình 1.3

Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi chuyển động

10

4

Hình 1.4

Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ôtô bánh

12

5

Hình 1.5

Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe chủ động khi có lực

14

6

Hình 1.6

Lực
táctác
dụng
và xe tải khi đi vào đƣờng vòng
ngang
dụng

16

7

Hình 1.7

Hoạt động của thanh ổn định ngang

18

8

Hình 1.8

Xe tải đi trên đƣờng thẳng

19

9

Hình 1.9

Xe tải đi vào đƣờng vòng

20

10

Hình 2.1

Kết cấu của thanh ổn định ngang điều khiển đƣợc trên

24

11

Hình 2.2

Kết
cấu của thanh ổn định ngang điều khiển thủy lực
xe tải

24

12

Hình 2.3

sơ đồ điều khiển thanh ổn định ngang

25

13

Hình 2.4

26

14

Hình 2.5

Thanh ổn định ở trạng thái không làm việc
ECU điều khiển thanh ổn định ngang trong trƣờng hợp

15

Hình 2.6

xe tải quay vòng phải
ECU điều khiển thanh ổn định ngang trong trƣờng hợp

27

16

Hình 2.7

xe tải quay vòng trái
Cấu trúc bộ điều khiển PID

27

17

Hình 2.8

Sơ đồ bài toán LQR

28

18

Hình 2.9

sơ đồ hệ thống điều khiển thanh ổn định ngang

31

19

Hình 3.1

Xác định vị trí trọng tâm ô tô tại một thời điểm nhất

37

20

Hình 3.2

Mối
định quan hệ giữa trục tọa độ X0O0Y0 và hệ tọa độ XOY

38

21

Hình 3.3:

Các lực và mô men tác dụng lên ô tô

38

22

Hình 3.4

Mô hình một vết

39

23

Hình 3.5

Lực và mô men tác dụng lên thân xe và cầu xe

41

24

Hình 3.6

Hình 3.6. Mô hình lật của xe

44

25

Hình 4.1

Quy luật đánh lái

49

26

Hình 4.2

Modul tính toán vận tốc vào góc xoay

50

Trang

3

26


27

Hình 4.3

Modul tính toán góc lật và góc xoay cầu xe

51

28

Hình 4.4

Góc Nghiêng thân xe (u=40 km/h)

52

29

Hình 4.5

Góc Nghiêng thân xe (u=60 km/h)

53

30

Hình 4.6

Góc Nghiêng thân xe

54

31

Hình 4.7

Hệ số phân bố tải trọng

55

32

Hình 4.8

hệ số lật ở tốc độ 40 km/h

56

33

Hình 4.9

Hệ số lật ở tốc độ 60 km/h

56

34

Hình 4.10

hệ số lật ở tốc độ 80 km/h

57

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
TT

Ký tự

Giải thích ký tự

1

Mô men thanh ổn định ngang

6

Góc xoay thân xe

7

Độ cứng góc nghiêng của xe
Mômen quán tính quay quanh trục x

13

J xx
J zz

14

a

Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu trƣớc

15

b

Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu sau

16

ay

Gia tốc bên

17

CF

Góc biến dạng bên của lốp trƣớc

18

CR

Góc biến dạng bên của lốp sau

19



Góc đánh lái

20

g

Gia tốc trọng trƣờng

21

FZR

Phản lực lên cầu phải

22

FZL

Phản lực lên cầu trái

23

FyL

Lực ngang bên cầu trái

24

FyL

Lực ngang bên cầu phải

25

h

Chiều cao từ trọng tâm phần treo đến trục lật

26

r

Chiều cao từ trục lật tới đƣờng

27

tw

28

s

12

Mômen quán tính quay quanh trục z

Chiều rộng cơ sở
Khoảng cách đặt nhíp

4

Ghi chú


LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển ngày càng cao của xã hội, thì yêu cầu của con ngƣời về sử
dụng phƣơng tiện ngày một khắt khe hơn. vì vậy, việc nâng cao tính an toàn, ổn
định, tiện nghi khi lái xe và tính ổn định, êm dìu khi đi xe ngày càng đƣợc yêu cầu
khắt khe hơn, do đó việc nghiên cứu giải quyết bài toán nâng cao tính ổn định khi
xe chuyển động đƣợc đƣa lên hàng đầu. Thanh ổn định ngang là một trong nhƣng
phần tử để giải quyết vấn đề đó, nên việc nâng cao tính năng của thanh ổn định là
bài toán quan trọng để giải quyết tối ƣu bài toán này.
Để nâng cao tính an toàn chuyển động và tính tiện nghi khi đi xe có rất nhiều
các phƣơng án khác nhau, điều khiển thanh ổn định ngang để phú hợp với điều kiện
hoạt động của xe cũng là phƣơng án để nâng cao an toàn chuyển động và tính tiện
nghi khi đi xe. Vì ƣu điểm của thanh ổn định là giảm góc nghiêng của thân xe khi
xe đi vào đƣờng vòng, tránh chƣớng ngại vât … qua đó tăng khả năng chống lật của
xe, do vậy sự an toàn lái xe và điều khiển đƣợc nâng lên bởi thanh ổ định ngang
này.
Đề tài đƣợc thực hiện tại Bộ môn ôtô, Viện Cơ Khí Động Lực, Trƣờng
ĐHBK Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn của các Thầy giáo trong bộ môn. Do thời gian,
trình độ còn hạn chế và đây là mảng nghiên cứu còn khá mới đối với bản thân, đề

tài không thể tránh đƣợc sai sót nhất định. Kính mong đƣợc sự quan tâm, góp ý của
các Thầy và Chuyên gia để đề tài đƣợc đầy đủ và hoàn thiện hơn trong quá trình
nghiên cứu tiếp theo.
Tác giả xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô trong Bộ môn ôtô Trƣờng
ĐHBK Hà Nội cùng các bạn đồng nghiệp, đặc biệt xin trân trọng cảm ơn PGS. TS
Phạm Hữu Nam - Thầy giáo hƣớng dẫn đề tài đã tận tình hƣớng dẫn trong việc
định hƣớng nghiên cứu và các phƣơng pháp giải quyết các vấn đề đã đặt ra để hoàn
thành luận văn tốt nghiệp này.
Hà nội, ngày tháng năm 2013
Ngƣời thực hiện

5


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tính ổn định chuyển động của ô tô
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 điều kiện sử
dụng, ôtô có thể đứng yên, chuyển động trên đƣờng dốc (đƣờng có góc nghiêng dọc
hoặc nghiêng ngang) cụ thể phanh hoặc quay vòng ở các loại đƣờng khác nhau
(đƣờng xấu, đƣờng tốt…).
Trong những điều kiện phức tạp nhƣ vậy, ôtô phải giữ đƣợc quỹ đạo của nó
sao cho không bị lật đổ, không bị trƣợt hoặc thùng xe không bị nghiêng, cầu xe bị
quay lệch trong giới hạn cho phép để đảm bảo chuyển động an toàn, nâng cao vận
tốc chuyển động của xe có nghĩa là tăng tính kinh tế và tính ổn định của ô tô trong
mọi điều kiện làm việc.
1.1.1. Khả năng ổn định dọc tĩnh của ô tô.
Tính ổn định dọc tĩnh của ô tô là khả năng đảm bảo cho xe không bị lật
đổ hoặc bị trƣợt khi đứng yên trên đƣờng dốc dọc.

a)

b)

Hình 1.1. Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi đứng yên.
Ô tô đứng quay đầu lên dốc.
Ô tô đứng quay đầu xuống dốc.

Trƣờng hợp xe quay đầu đứng trên dốc chịu tác dụng của các lực :

6


G: trọng lƣợng xe
Z1, Z2: phản lực thẳng góc của đƣờng tác dụng lên bánh xe trớc và sau
Z1 + Z2 =Gcos
Do xe còn thành phần lực cản dốc : Pi = Gsin  kéo xe trƣợt xuống dốc,
do đó ta phải đặt phanh cho các bánh xe sau
Khi góc dốc  tăng đến một giá trị nào đó thì bánh trƣớc của xe bị nhấc khỏi
mặt đƣờng (Z1= 0)  xe bị lật quanh điểm 02
Phƣơng trình mô men tại điểm 02:
Gcosl.b - Gsinl.hg - Z1.L + Mf = 0

(1.1)

Do Z1 = 0 , Mf = 0
 G.b.sinl - G.hg. sinl = 0
 tg1 =

b
hg

(1.2)

l : góc dốc giới hạn lật khi đứng quay đầu lên dốc
Trƣờng hợp khi xe đứng yên quay đầu xuống dốc:
Tƣơng tự lấy phƣơng trình mômen tại điểm 01 với Z2 = 0, Mf = 0 ta đƣợc:
tg l' =

a
hg

(1.3)

 l' : góc dốc giới hạn lật khi xe đứng quay đầu xuống dốc
Qua thực nghiệm ngƣời ta đƣa ra bảng trị số góc giới hạn lật ở một số loại
ôtô, máy kéo khi đứng trên dốc
Gó

Xe du lịch, vận tải
khi không tải

c
l

60 0

Xe vận tải, máy
kéo khi đầy tải

35 0  40 0

7

Xe tự đổ khi
đầy tải
20 0 55 0


 l'

 60 0

60 0

> 60 0

Sự mất ổn định dọc tĩnh của ôtô không chỉ do sự lật đổ dọc mà còn do sự trƣợt trên dốc khi không đủ lực phanh hoặc do bám không tốt giữa bánh xe và mặt
đƣờng. Để tránh cho xe khỏi bị trƣợt lăn xuống dốc ngƣời ta thƣờng bố trí phanh ở
các bánh xe sau.
+ Khi lực phanh lớn nhất đạt đến giới hạn bám, xe có thể bị trƣợt xuống dốc
ta có:
PP max = Gsint =  .Z2

(1.4)

PP max: lực phanh lớn nhất đặt tại các bánh xe sau
 : hệ số ma sát dọc của bánh xe với mặt đƣờng

Z2: hợp lực của các phản lực thẳng góc từ đƣờng tác dụng lên bánh xe sau

Mặt khác: Z2 =

G.a.cos  G.hg.sin 
thay vào (1.4) ta đƣợc :
L

tag t = 

a

(1.5)

L   .hg

+ Tƣơng tự khi xe đứng trên dốc quay đầu xuống:
tagt’= 

a

(1.6)

L   .hg

 t : góc dốc giới han bị trƣợt khi xe đứng trên dốc quay đầu lên
t’: góc dốc giới hạn bị trƣợt khi xe đứng trên dốc quay đầu xuống
Do cơ cấu phanh đƣợc bố trí ở tất cả các bánh nên
Pp = .G cos
Xác định tƣơng tự ta có điều kiện để xe đứng trên dốc bị trƣơt là:
tag t =tagt’ = 

(1.7)

8


Để đảm bảo an toàn khi xe đứng trên dốc ngƣời ta thƣờng để điều kiện xe
bị trƣợt trƣớc khi bị lật đổ, điều đó đƣợc xác định bằng biểu thức:
tagt
Hoặc:

(1.8)

.a
b
 
L   .hg hg 
b

hg





Qua các trƣờng hợp trên ta có thể nhận xét rằng góc giới hạn khi ôtô đứng
trên dốc bị trƣợt hoặc lật đổ chỉ phụ thuộc vào toạ độ trọng tâm của xe và chất lƣợng mặt đƣờng.
1.1.2. Khả năng ổn định dọc động của tô tô.
Khi ôtô chuyển động trên đƣờng dốc có thể bị mất ổn định (bị lật đổ hoặc bị
trƣợt) dƣới tác dụng của các lực và mômen hay bị lật đổ khi ôtô chuyển động ở tốc

độ cao trên đƣờng bằng.
Trƣờng hợp tổng quát

Hình 1.2: Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi chuyển động lên dốc

Ta có:

9


Z1 
Z2 

G cos  (b  f .rb )  (G sin   p j  p )hg  p m .hm
L
G cos  (a  f .rb )  (G sin   p j  p )hg  p m .hm

(1.9)

L

Khi tăng góc  đến một giá trị giới hạn nào đó thì bánh trƣớc của xe bị nhấc
khỏi mặt đƣờng (Z1= 0) tƣơng tự nhƣ phần ổn định tĩnh.
+ Xét trƣờng hợp xe chuyển động ổn định lên dốc, không kéo moóc (pj= 0,
pm= 0), góc dốc giới hạn khi xe bị lật đổ (coi cos   1)
ta có :

tag d 

b  f .rb p


hg
G

(1.10)

Trƣờng hợp xe chuyển động lên dốc với vận tốc nhỏ không kéo moóc và
chuyển động ổn định ( p j  0, p m  0, p  0, p f  0 ) do đó ta xác định đƣợc góc dốc
giới hạn khi xe chuyển động lên dốc bị lật đổ :
tag d 

a
hg

(1.11)

Trƣờng hợp xe chuyển động xuống dốc với vận tốc nhỏ, không kéo moóc,
chuyển động ổn định ,ta xác định đƣợc góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ:
tag d' 

a
hg

(1.12)

Để tránh sự lật đổ của xe ta cần xác định điều kiện để xe trƣợt trên dốc, khi
lực kéo ở bánh xe chủ động đạt đến giới hạn bám thì xe bắt đầu trƣợt, trị số của lực
kéo là :
p k m ax  p   .Z 2  G sin  

Mặt khác :

p   .Z 2   .

G (a. cos    hg. sin   )
L

Từ (1.13) và (1.14) ta đƣợc góc giới hạn mà xe bị trƣơt là:

10

(1.13)
(1.14)


tag  

.a

(1.15)

L  hg

p k m ax : là lực kéo tiếp tuyến lớn nhất ở bánh xe chủ động
p

: lực bám của bánh xe chủ động

 : hệ số bám dọc của bánh xe với mặt đƣờng

Điều kiện để đảm bảo cho xe bị trƣợt trớc khi bị lật đổ cũng đƣợc xác định
tƣơng tự nhƣ phần ổn định tĩnh:
tag  tg d

.a
b

L  .hg hg

Trƣờng hợp xe kéo moóc chuyển động lên dốc với vận tốc nhỏ và ổn định
( p j  0, p  0, p f  0 ).
Xe bị lật đổ qua điểm tiếp xúc của bánh xe sau của xe kéo với mặt đƣờng
Xe bị trƣợt dọc khi lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động đạt đến giới hạn
bám
Khi coi p m  G sin  , p m  0 ta có góc dốc giới hạn mà xe mà xe bị trƣợt
tag  

 .a.G
G ( L   .hg )  G m ( L   .hm )

(1.16)

Gm : trọng lƣợng toàn bộ của moóc

1.2. Phân tích các trƣờng hợp ổn định ngang của xe tải khi vào đƣờng
vòng.
1.2.1. Tính ổn định động ngang của ô tô.
Tính ổn định động ngang của ôtô khi chuyển động trên đƣờng nghiêng ngang
không kéo moóc. Ở trong trƣờng hợp này vết của bánh xe trƣớc và bánh xe sau
trùng nhau trọng tâm của xe đặt trong mặt phẳng đối xứng dọc.

11


Trọng lƣợng của ôtô là G đƣợc phân làm 2 thành phần theo góc nghiêng
ngang 
Mô men của các lực quán tính tiếp tuyến Mjn tác dụng trong mặt phẳng
ngang khi xe chuyển động không ổn định
Các phản lực thẳng góc từ đƣờng tác dụng lên bánh xe bên trái Z ' và bánh
xe bên phải Z ''
 : là góc nghiêng ngang của đƣờng

Các phản lực ngang Y ' và Y "

Hình 1.3. Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi chuyển động
trên đường nghiêng ngang

Dƣới tác dụng của các lực và mô men , khi góc  tăng dần tới góc giới hạn
xe bị lật lúc đó Z’’ = 0 ta sử dụng công thức :
Z ''  Z1''  Z 2'' 

1  C
C
C





G . cos   h g . sin    Pm  hm . cos   . sin    m jn  Pl  h g cos   . sin  


C 2
2
2






Ta có : pm = 0 không kéo moóc
Pl =0 . là lực ly tâm xuất hiện khi ôtô máy kéo quay vòng

Z 
"

G

C
cos  d  G.h g . sin  d  M jn
2
0
C

12


Ở đây M jn  0 vị trị số của nó nhỏ có thể bỏ qua, xe không kéo moóc nên

Pm  0 ta sẽ xác định đƣợc góc giới hạn lật đổ khi xe chuyển động trên đƣờng

nghiêng ngang:
G.

C
. cos  d  G.h g . sin  d  0
2



sin  d
G.C
C


 tg d
cos  d 2.G.hd 2.h g

(1.17)

(trong đó  d là góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ)
Khi chất lƣợng bám của bánh xe với đƣờng kém, xe cũng có thể bị trƣợt khi
chuyển động trên đƣờng nghiêng ngang .Để xác định góc giơi hạn khi xe bị trƣợt ta
lập phƣơng trình hình chiếu các lực lên mặt phẳng song song với mặt đƣờng:



G. sin    Y '  Y "   Y Z '  Z "



 G. sin    Y .G. cos 

(1.18)

Ta có :   góc dốc giới hạn mà ôtô bị trƣợt
Y

hệ số bán ngang giữa bánh xe và mặt đƣờng
 tg  Y

(1.19)

Vậy điều kiện để xe trƣợt trƣớc khi lật khi chuyển động trên đƣờng nghiêng
ngang:

tg  tg d
 Y 

C
2.h g

(1.20)

1.2.2. Tính ổn định khi xe quay vòng .
a. Theo điều kiện lật đổ

13


Khi xe quay vòng ta xem nhƣ xe chuyển động quanh sƣờn đồi, ngoài các lực

đã trình bày ở phần trên, xe còn chịu tác dụng của lực ly tâm P l đặt tại trọng tâm của
xe (trục quay là YY) va lực kéo ở moóc kéo Pm.
Trƣờng hợp này coi phƣơng của lực Pm tác dụng theo phƣơng nằm. Các lực
Pl và Pm. Đều phân ra làm hai thành phần do góc nghiêng ngang  . Khi góc
nghiêng ngang  tăng dần, đồng thời dƣới tác dụng của lực Pl, xe sẽ bị lật đổ quanh
mặt phẳng đi qua O1 (là giao tuyến giữa mặt đƣờng và mặt phẳng thẳng góc qua
trục bánh xe bên phải). Ứng với vận tốc giới hạn và hợp lƣc Z” = 0

Hình 1.4 . Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ôtô bánh

xe khi chuyển động quay vòng trên đƣờng nghiêng ngang
Sử dụng công thức xác định phản lực Z”
Ta có trị số của lực ly tâm :
Pl 

v2n

G v 2n
.
g R

 C
C



G 2 . cos  d  h g . sin  d   Pm  hm . cos  d  2 . sin  d . g.R






C


G. h g cos  d  . sin  d 
2



14

(1.21)


Trƣờng hợp ôtô không kéo moóc thì Pm=0, ta xác định đƣợc vận tốc giới hạn
(còn gọi là vận tôc nguy hiểm) khi xe bị lật nhƣ sau:

v2n

C

G. . cos  d  h g . sin  d . g .R
2

 
C


G  h g . cos  d  sin  d 

2



Rút gọn ta đƣợc :

vn 

C

g.R cos  d  hg sin  d 
2

C
hg cos  d  sin  d
2

 vn 

C

g.R. hg  tg d 
2

C
1  hg tg d
2

(1.22)

Trong đó :
 d :là góc dốc giới hạn khi xe quay vòng bị lật đổ

R :là bán kính quay vòng của xe
v :là vận tốc chuyển động quay vòng ,m/s
v n : là vận tốc giới hạn (hay vận tốc nguy hiểm)

g :là gia tốc trọng trƣờng
Nếu hƣớng nghiêng của đƣờng cùng phía với trục quay vòng thì vận tốc
nguy hiểm khi xe lật đổ là :

vn 

C

g.R hg  tg d 
2

C
1  hg tg d
2

15

(1.23)


b. Theo điều kiện bị trượt bên.

Hình 1.5: Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe

chủ động khi có lực ngang tác dụng

Khi quay vòng trên đƣờng nghiêng ngang, xe có thể bị trƣợt bên dƣới tác
dụng của thành phần lực G sin  và Pl cos  do điều kiện bám ngang của bánh xe
và đƣờng không đảm bảo.
Để xác định vận tốc giới hạn khi xe bị trƣợt bên ta cũng làm tƣơng tự phần
trên bằng cách sử dụng phƣơng trình hình chiếu và rút gọn ta đƣợc:

Pl cos    G sin    Y 'Y "   y Z ' Z "

  y G cos   Pl sinh   
Thay trị số của

Pl

và rút gọn ta xác định đƣợc vận tốc giới hạn khi xe bị trƣợt

bên:
v 

hay

v 



gR  y cos   sin 



cos    y sin 



g.R  y  tg


(1.24)

1   y tg

Nếu hƣớng nghiêng của đƣờng cùng phía với trục quay vòng thì vận tốc tới
hạn khi xe bị trƣợt bên:

16


v 



g.R  y  tg



1   y tg

(1.25)

Trƣờng hợp xe quay vòng trên đƣờng nằm ngang thì vận tốc tới hạn để xe bị

trƣợt bên:

v  gR y

(1.26)

Trong đó :


: Góc giới hạn của đƣờng ứng với vận tốc tới hạn

y

: Hệ số bám ngang của đƣờng và bánh xe

1.2.2. Lật xe tải
Vấn đề ổn định ngang khi chuyển động vào đƣờng vòng của xe tải là một vấn
đề quan trọng bởi lý do khi xe tải đi vào đƣờng vòng sẽ xuất hiện lực ly tâm gây
mất ổn định chuyển động của xe tải. Độ lớn của lực ly tâm phụ thuộc vào tốc độ của
xe tải khi đi vào đƣờng vòng, phụ thuộc vào trọng lƣợng của xe tải và phụ thuộc
vào bán kính quay vòng. Khi tốc độ tăng thì lực ly tâm tăng theo, trọng lƣợng xe tải
càng lớn thì lực ly tâm càng lớn và bán kính quay vòng nhỏ lực ly tâm cũng lớn.
Lực ly tâm này là nguyên nhân gây mất ổn định cho xe tải. Cụ thể lực ly tâm
có thể gây ra trƣợt ngang khi xe tải đi vào đƣờng vòng, mức độ trƣợt ngang càng
tăng nếu nhƣ hệ số bán của đƣờng thấp và lực ly tâm càng cao. Và có thể là nguyên
nhân làm cho xe tải trƣợt ra khỏi đƣờng đi nếu lực ly tâm này quá lớn, hoặc hệ số
bán trên đƣờng thấp. Đo đó lực ly tâm là nguyên nhân lật xe tải hay nói cách khác
lực ly tâm ảnh hƣởng tới vấn đề ổn định ngang của xe tải.
Khi lực ly tâm xuất hiện ban đầu thân xe sẽ bị nghiêng đi một góc, góc
nghiêng này tăng tỷ lệ thuận với lực ly tâm, góc nghiêng tăng tới giá trị giới hạn nào

đó xe tải sẽ bị lật. Giá trị giới hạn của góc nghiêng thân xe phụ thuộc vào kết cấu
của xe tải nhƣ chiều cao trọng tâm của xe tải, khoảng cách đặt 2 nhíp.

17


Hình 1.6: Lực tác dụng và xe tải khi đi vào đường vòng,lực ly tâm là F=may khi hợp của
lực này với trọng lượng của xe tải là G=mg là FT vượt ra khỏi đường nối 2 vết bánh xe thì
xe tải sẽ bị lật

Lật của xe tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là các yếu tố liên quan đến
kết cấu của xe nhƣ: chiều cao trọng tâm xe tải, trọng lƣợng của xe tải, khoảng cách
đặt nhíp của xe tải. Xe tải có chiều cao trọng tâm cao thì khả năng lật xe càng tăng
và ngƣợc lại. Vì vậy giảm chiều cao trọng tâm xe tải là một phƣơng pháp để làm
giảm lật xe tải, tăng tính ổn định ngang cho xe tải tuy nhiên do xe tải có đặc điểm là
xe tải phải hoạt động đƣợc trên mọi địa hình khác nhau nên khoảng sáng gầm xe
thƣờng là rất lớn hay là xe tải thƣờng có chiều cao trọng tâm lớn. Từ lý do đã phân
tích trên thì xe tải là loại xe hay xảy ra lật nhất so với các loại xe khác. Trọng lƣợng
của xe tải càng lớn thì khả năng lật càng cao và ngƣợc lại, nên giảm trọng lƣợng của
xe tải cũng góp phần làm tăng tính ổn định ngang cho xe tải, giảm lật xe. Tuy nhiên
biện pháp này cũng bị hạn chế bởi nó đi ngƣợc lại với chức năng của xe tải đó là
khả năng chuyên chở càng lớn càng tốt. Có thể giảm lật cho xe tải bằng cách tăng
khoảng cách đặt nhíp của xe tải. Tuy nhiên cách này bị giới hạn bởi kích thƣớc của
xe tải. Với các biện pháp nêu trên đều có giới hạn là không giải quyết triệt để bài
toàn giảm lật cho xe tải qua đó tăng tính ổn định ngang cho xe tải.

18


Một kết cấu tiếp theo đƣợc sử dụng để giảm lật cho xe tải đó là sử dụng

thanh ổn định ngang. Thanh ổn định ngang là một phần của hệ thống treo trên ô tô
giúp giảm nghiêng thân xe khi xe quay vòng hoặc gặp những đoạn đƣờng bất
thƣờng. Thanh ổn định ngang kết nối bánh xe (trái/phải) trên cùng một cầu với nhau
thông qua những cánh tay đòn ngắn gắn liền với một lò xo xoắn. Nhờ có thanh ổn
định ngang mà khả năng chống lật của hệ thống treo đƣợc tăng lên. Để hiểu rõ hơn
vai trò của thanh ổn định ngang đối với việc chống lật của xe tải xem mục 2.1.
1.3. Biện pháp sử dụng thanh ổn định ngang để tăng tính ổn định
chuyển động của xe tải
Thanh ổn định ngang là một phần của hệ thống treo, là bộ phận đàn hồi với
chức năng là hạn chế sự nghiêng của thân xe. Thanh ổn định ngang chỉ làm việc khi
nào có sự chênh lệch phản lực thẳng đứng tác dụng lên giữa 2 bánh xe đối diện trên
cùng một cầu xe. Trong trƣờng hợp xe chạy trên nền đƣờng không bằng phẳng hoặc
quay vòng, dƣới tác dụng của lực li tâm phản lực làm phản thẳng đứng của 2 bánh
xe trên một cầu thay đổi khi đó xe tải sẽ bị nghiêng và làm giảm khả năng truyền
lực dọc, lực bên của bánh xe với mặt đƣờng. Trong trƣờng hợp hệ thống treo có sử
dụng thanh ổn định thì khi xuất hiện sự chênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên
bánh xe, thanh ổn định ngang sẽ san bớt tải trọng từ bên cầu chịu tải nhiều sang bên
cầu chịu tải ít hơn qua đó phân bố lại tải trọng trên các bánh xe đƣợc đề hơn. Nhờ
sự phân bố đều tải trọng giữa các bánh xe mà khả năng bám dọc và bám ngang của
xe tải sẽ tăng lên. Ngoài ra mô mem xoắn của thanh ổn định ngang sinh ra sẽ chống
lại sự nghiêng của thùng xe tải qua đó giảm góc nghiêng của thùng xe tải kết quả là
giảm sự lật của xe tải.

19


Hình 1.7: Hoạt động của thanh ổn định ngang, khi có sự chênh lệch tải trọng thẳng đứng
giữa 2 bánh xe cùng một cầu xe thì thanh ổn định ngang sẽ sinh ra một mô men ngược
chiều, mô men này góp phần san bằng tải trọng giữa 2 bánh xe.

Khi có sự chênh lệch tải trọng giữa 2 bánh xe trên cùng một cầu xe thì thanh
ổn định ngang sẽ bị xoắn đi một góc và góc này tỉ lệ thuận với sự chênh lệch tại
trọng của 2 bánh xe. Một mô men xoắn dọc theo chiều dài của thanh ổn định ngang
đƣợc sinh ra, mô men này có chiều ngƣợc lại với mô men gây lật (mô men gây
nghiêng thân xe tải) qua đó sẽ giảm lât cho xe tải (giảm góc nghiêng thân xe tải).
Khả năng chống lật do thanh ổn định ngang tỷ thuận với độ cứng của thanh ổn
định ngang, tức là thanh ổn định ngang có độ cứng càng cao thì khả năng chống lật
càng tốt, vì khi đó mô men chống lật do thanh ổn định ngang sinh ra càng lớn làm
góc nghiêng của thùng xe càng nhỏ do đó khả năng bị lật của xe giảm đi. Theo tài
liệu [3].
Tuy nhiên ngoài ƣu điểm trên thì thanh ổn định ngang có một nhƣợc điểm phụ
là việc liên kết các cặp bánh xe lại với nhau sẽ dẫn tới khi một bánh xe gặp mấp mô
trên đƣờng thì sẽ làm chao đảo bánh xe đối diện, gây ra tác động lớn trên toàn bộ
xe. Nếu có nhiều ổ gà trên đƣờng, khi đó xe sẽ có xu hƣớng bị lúc lắc, hoặc bị rung
xóc gây đảo xe từ bên này sang bên kia, do ảnh hƣởng của thanh ổn định ngang nối
các cặp bánh xe. Và mức độ ảnh hƣởng tăng tỉ lệ thuận với độ cứng của thanh ổn
định ngang. Theo tài liệu [4].

20


Nhƣ vậy một thanh ổn định ngang có độ cứng cao sẽ tốt đối với khả năng
chống lật của xe tải khi đi vào đƣờng vòng. Ngƣợc lại tại tạo ra rung xóc, gây đảo
xe khi xe đi trên đƣờng thằng và gặp ổ gà hoặc chƣớng ngại vậy làm giảm tính êm
dịu của xe. Do đó việc điều khiển thanh ổn định ngang để phù hợp với trạng thái
chuyển động của xe tải là rất quan trọng, vừa tạo ra đƣợc khả năng chống lật tốt vừa
không làm ảnh hƣởng đến tính êm dịu tiện nghi của xe là điều rất cần thiết.
1.4. Yêu cầu về tính điều khiển của thanh ổn định ngang
Để thấy đƣợc vai trò của thanh ổn định có điều khiển ta đi phân tích 2 trƣờng
hợp chuyển động cơ bản của xe tải.

 Trƣờng hơp 1: xe tải chuyển động trên đƣờng thằng

Hinh 1.8: Xe tải đi trên đường thẳng trường hợp gặp chướng ngại vật ở bánh xe bên trái
và trường hợp gặp ổ gà ở bánh xe bên phải sẽ làm cho xe tải bị nghiêng sang phải

Cả 2 trƣờng hợp trên xe tải đều bị nghiêng đi một góc nếu có thanh ổn định
ngang sẽ có tác dụng giảm góc nghiêng của xe tải, tuy nhiên nếu thanh ổn định
ngang quá cứng thì sẽ làm ảnh hƣởng tới tính êm dịu của xe. Thanh ổn định ngang
có độ cứng quá cao xe tải sẽ chuyển động sẽ rung hơn và lắc hơn. Do đó trong
trƣờng hợp này thanh ổn định ngang có độ cứng thấp sẽ tốt nhất vì khi đó thanh ổn
định ngang vừa có chức năng làm giảm góc nghiêng của xe tải, và cũng không làm
ảnh hƣởng tới tính êm dịu của xe tải khi chuyển động. Từ phần tích trên thì trong

21


trƣờng hợp xe tải đi trên đƣờng thằng ta cần điều khiển thanh ổn định ngang có độ
cứng nhỏ.
 Trƣờng hơp 2: xe tải chuyển động vào đƣờng vòng

Hình 2.4: Xe tải đi vào đường vòng, lực quán tính Fqt làm xe tải nghiêng sang phải

Khi xe đi vào đƣờng vòng dƣới tác dụng của lực ly tâm thì thân xe sẽ nghiêng
đi một góc và góc nghiêng này tỉ lệ thuân với tốc độ xe, và tỉ lệ nghịch bán kính
quay vòng. Do vậy để giảm góc nghiêng của thân xe thì ta phải cần thanh ổn định
ngang tạo ra đƣợc mô men chống lật có độ lớn tăng dần theo tốc độ xe và bàn kính
quay vòng nhỏ dần. Từ phần tích trên thì ta cần quy luật điều khiển thanh ổn định
ngang trong trƣờng hợp xe tải quay vòng là tăng độ cứng của thanh ổn định ngang
khi tốc độ quay vòng lớn và bán kính quay vòng nhỏ.
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận văn

 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
Trong cuốn “STABILIZER BARS: Part 1. CALCULATIONS AND
CONSTRUCTION”, của đồng tác giả Adam-Markus WITTEK, Hans và Christian
RICHTER đã xây dựng cấu trúc và các phƣơng pháp tính cho thanh ổn định, qua đó
đã nêu đƣợc các thông số ảnh hƣởng đến độ cứng, độ bền, độ tin cậy của thanh ổn
định.

22


Trong cuốn “A study of the properties that influence vehicle rollover
propensity”, tác giả Randall John Whitehead đã khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến
tính năng quay vòng của xe con và đã tính toán và đƣa ra kết luận thanh ổn định
giúp xe chạy ổn định khi đi vào đƣờng vòng.
Trong cuốn “A new vehicle 3D model with 7 degrees of freedom for vehicle
dynamical response studies” của đồng tác giả Luscio F.S. Patrício, Marcelo Becker,
Jánes Landre Je., Clovis S. Barcellos đã xây dựng mô hình không gian về ô tô khi
có thanh ổn định, từ đó đã đƣa ra đƣợc kết luận khi có thanh ổn định giúp xe chạy
êm dịu hơn khi xe đi vào đƣờng vòng.
Trong cuốn “A Compromise of Comfort and Handling in Automotive Vertical
Dynamics” của tác giả Chatchai Chumjun, Chak Chantalakhana, and Saiprasit
Koetniyom đã xây dựng mô hình thanh ổn định cho xe con nhỏ 2 chỗ ngồi, tác giả
đã khảo sát với các trƣờng hợp xe chạy với các tốc độ 22,5 km/h, 45 km/h và
90km/h. Với các kết quả nhận đƣợc tác giả nêu ra đƣợc ƣu điểm của thanh ổn định
khi đi vào đƣờng vòng.
Trong cuốn “Ride and roll performance analysis of a vehicle with spring
loaded interconnected hydro-pneumatic suspension” của tác giả Sanjeev Chaudhary
nêu các tính năng quay vòng có hệ thống treo là khí nén. Trong công trình tác giả đã
xây dựng mô hình hệ thống treo khí nén có kết hợp thanh ổn định.
Trong cuốn “Development Of Active Anti Roll Control For Heavy Vehicles”

tác giả A.J.P. Miège đã tìm hiểu việc điều khiển thanh ổn định tích cực với hệ thống
thủy lực giúp cho xe container đi vào đƣờng vòng an toàn.
 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Luận văn “Nghiên cứu bổ sung ảnh hƣởng của kết cấu hệ thống treo vào mô
hình tính toán quỹ đạo của ôtô ”. Nghiêu cứu ảnh hƣởng của kết cấu hệ thống treo
tới việc phân bố tải trọng giữa các bánh xe và góc nghiêng ngang của xe chỉ ra rằng
thanh ổn định ngang có độ cứng càng lớn thì càng làm giảm góc nghiêng của thân
xe qua đó giảm lật cho xe.

23


Luận văn “Xây dựng mô hình điều khiển kết hợp sự làm việc của thanh ổn
định ngang và hệ thống phanh để tăng cƣờng khả năng chống lật bên của xe tải”
nghiên cứu phƣơng pháp kết hợp giữa thanh ổn định và hệ thống phanh để giúp
chống lật bên cho xe tải khi đi vào đƣờng vòng.
Nhƣ vậy tuy nhiều đề tài trong vào ngoài nƣớc đã nghiên cứu về thanh ổn
định, tuy nhiên chƣa có đề tài nào nghiên cứu về thanh xoắn có khả năng điều khiển
đến tính năng ổn định chuyển động của ô tô.
Đề tài “Xây dựng mô hình nghiên cứu tác động của thanh xoắn có khả
năng điều khiển đến tính năng ổn định chuyển động của ôtô” mang tính chất
thừa kế, sử dụng kết cấu hệ thống của các đề tài trên với mục tiêu nghiên cứu:
Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học của xe tải với hệ thống treo có
thanh ổn định ngang điều khiển đƣợc khi chuyển động trên đƣờng vòng.
Tính toán, mô phỏng số để khảo sát, đánh giá tính năng của thanh ổn định
ngang điều khiển đƣợc trong việc chống lật và ổn định quỹ đạo cho xe tải.
Phƣơng pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu mô hình lý thuyết
Sử dụng phƣơng pháp mô phỏng số trên máy tính để nghiên cứu đánh giá vai
trò của thanh ổn định ngang điều khiển đƣợc đối với việc chống lật và ổn định quỹ

đạo của xe tải.
Nội dung luận văn gồm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: phân tích các trƣờng hợp ổn
định của xe khi đi vào đƣờng vòng và sự cần thiết của việc cần phải điều khiển
thanh ổn định ngang để tăng khả năng chống lật cho xe tải.
Chƣơng 2: Kết cấu, nguyên lý làm việc của thanh ổn định ngang: đƣa ra đƣợc
kết cấu của hệ thống treo có sử dụng thanh ổn định ngang điều khiển đƣợc, phân
tích nguyên lý làm việc và thuật toán điều khiển thanh ổn định ngang.

24


Chƣơng 3: Xây dựng mô hình động lực học: phân tích đƣợc các lực, mô men
tác động lên ô tô trong khi đi trên đƣờng vòng. Mô tả toán học chuyển động của ô tô
và đặc tính của thanh xoắn.
Chƣơng 4: Mô phỏng số và đánh giá kết quả: mô phỏng và đánh giá kết quả
tác động của thanh ổn định ngang điều khiển đƣợc đến tính năng chuyển động của ô
tô bao gồm khả năng chống lật sự ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô.

25