Khảo sát động lực học ô tô bằng mô hình 14

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.76 MB, 88 trang )

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
-----------------------------------------------

Nguyễn minh tú

KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG
Mễ HèNH 1/4
Chuyên ngành
ễ Tễ VÀ XE CHUYấN DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYấN NGÀNH ễ Tễ VÀ XE CHUYấN DỤNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

PGS-TS. Vế VĂN HƯỜNG
Hà Nội năm 2012

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………..

1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………….

4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ………………………………………………

10

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

…………………………………………………13

1.1 Yêu cầu thực tế ................................................................................................ 13
1.2. Nghiên cứu động lực học ôtô ......................................................................... 13
CHƯƠNG 2 CÁC MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TRÊN ÔTÔ …………….

17

2.1 Mô hình 1/4 ..................................................................................................... 17
2.2 Mô hình 1/2. ………………………………………………………………..18
2.3 Mô hình không gian xe con ............................................................................. 19
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ CON

……………………20

3.1 Phương pháp lập hệ phương trình ................................................................... 20
3.2 Cấu trúc ô tô………………………………………………………

21

Đặc điểm cấu trúc lốp: ....................................................................................... 25
3.3 Xây dựng mô hình ........................................................................................... 24
3.3.1 Thiết lập các phương trình động lực học của xe.................................... 255
3.3.2 . Mô hình hệ thống treo............................................................................. 30

3.3.3 Mô hình 1/4. .......................................................................................... 366
3.3.4 Động lực học bánh xe . ............................................................................ 40
3.4 Phương pháp giải ........................................................................................... 50
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ BẰNG SIMULINK...51
4.1 Trình tự thực hiện quá trình mô phỏng. ......................................................... 51
4.2 Sơ đồ thuật toán của chương trình mô phỏng Simulink ................................. 52
4.3 Xây dựng chương trình mô phỏng ................................................................. 53
4.3.1 Khối tính toán các thông số động học của xe .......................................... 55
1

4.3.2 Khối Ammon ........................................................................................... 56
4.3.3 Khối mô tả động lực học bánh xe ............................................................ 57
4.3.4 Khối dao động xe .................................................................................... 58
CHƯƠNG 5. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN KHẢO SÁT
VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ

…………………………………….

60

5.1 Khảo sát trạng thái của xe khi vừa quay vòng vừa phanh ở vận tốc khác
nhau ....................................................................................................................... 60
5.1.1. Đồ thị mô tả góc quay bánh xe và mômen phanh M ............................... 61
5.1.2 Các kết quả thu được ............................................................................... 62
5.2 Khảo sát vừa phanh vừa đánh lái với cá góc đánh lái khác nhau................... 67
5.2.1 Đồ thị mômen phanh và góc đánh lái ...................................................... 67
5.2.2 Các kết quả thu được ............................................................................... 69
5.3 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ phanh khi xe quay vòng.......................... 73
5.3.1 Đồ thị góc đánh lái và momen phanh . .................................................... 73

5.3.2 Các kết quả thu được. ............................................................................... 75
KẾT LUẬN……………………………………………………………………….. 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………82
PHỤ LỤC……………………………………………………………………

2

83

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khi mà ô tô đã trở thành phương tiện đi lại ngày càng phổ biến
,tốc độ ô tô ngày càng tăng cao.thì yêu cầu về độ an toàn cũng như sự thuận tiện khi
điều khiển ô tô ngày càng yêu cầu phải cao hơn. Khi ô tô chuyển động nó sẽ chịu rất
nhiều tác động từ phía người lái như phanh, quay vô lăng , hay ga… Ngoài những
tác động của người lái thì các yếu khách quan từ ngoại cảnh như chất lượng mặt
đường khác nhau, gió …rồi các yếu tố bất ngờ tất cả sẽ ảnh hưởng rất lớn đến an
toàn khi xe lưu thông. Do vậy viêc nghiên cứu về các thông số động lực học của ô tô
là rất cần thiết . Bởi từ các thông số động lực học đó các nhà sản xuất sẽ tìm ra các
giải pháp để làm cho chiếc xe trở lên an toàn hơn. Một chiếc ô tô thông minh ngày
nay là một hệ thống cơ điện tử vì vậy việc cần nghiên cứu các thông số về động lực
học giúp các nhà thiết kế có thể thiết kế các bộ điều khiển tự động giúp cho việc
điều khiển chiếc xe thuận tiên hơn với người sử dụng . Khi mà số lượng ô tô lưu
thông trên đường tăng cũng kéo theo các vấn đề về tai nạn giao thông do ô tô có thể
gây ra. Vì thế việc biết các thông số về động lực học của ô tô để các nhà quản lí đưa
ra các yêu cầu về thông số kĩ thuật của ô tô khi nhập về, các yêu cầu về kĩ thuật, tốc
độ của các ô tô khi lưu thông là rất cần thiết.
Trước nhu cầu thực tế trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu về động lực
học ô tô và xây đựng mô hình động lực học tổng quát của ô tô để mô phỏng các quá
trình động lực học của ô tô trong thực tế và lấy ra các thông số về động lực học ô tô.

Trong thời gian làm luận văn, tác giả đã có nhiều cố gắng tích cực và chủ
động học hỏi, vận dụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu các kiến thức mới.
Dưới sự hướng dẫn trực tiếp PGS-TS Võ Văn Hường và các thầy trong Bộ môn ô tô
và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đề tài
đã được hoàn thành các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra.
Mặc dù hết sức cố gắng nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên luận
văn này khó tránh khỏi một vài sai sót, em mong nhận được sự chỉ bảo thêm của các
thầy.
Hà Nội, ngày 06 / 4 /2012

Nguyễn Minh Tú
3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
- A ( m2 )

: Diện tích, thiết diện

-c

: Hệ số khí động

- ρ ( kg / cm3 ) : Mật độ không khí
- CL ( N / m )

: Độ cứng hướng kính lốp

- CL1 ( N / m ) : Độ cứng hướng kính lốp trước
- C L 2 ( N / m ) : Độ cứng hướng kính lốp sau

- CLR1 ( N / m )

: Độ cứng hướng kính lốp trước dãy phải

- CLL1 ( N / m )

: Độ cứng hướng kính lốp trước dãy trái

- C LR2 ( N / m ) : Độ cứng hướng kính lốp sau dãy phải
- C LL2 ( N / m ) : Độ cứng hướng kính lốp sau dãy trái
- C ( N / m)

: Độ cứng hệ thống treo

- C1 ( N / m )

: Độ cứng treo trước

- C2 ( N / m )

: Độ cứng treo sau

- C1R ( N / m )

: Độ cứng treo trước dãy phải

- C1L ( N / m )

: Độ cứng treo trước dãy trái

- C2R ( N / m )

: Độ cứng treo sau dãy phải

- C2L ( N / m )

: Độ cứng treo sau dãy trái

- K ( Ns / m )

: Hệ số cản hệ thống treo

- K1 ( Ns / m ) : Hệ số cản hệ thống treo trước
- K 2 ( Ns / m ) : Hệ số cản hệ thống treo sau
- K1R ( Ns / m ) : Hệ số cản hệ thống treo trước dãy phải
- K1L ( Ns / m ) : Hệ số cản hệ thống treo trước dãy trái
4

- K 2R ( Ns / m ) : Hệ số cản hệ thống treo sau dãy phải
- K 2L ( Ns / m ) : Hệ số cản hệ thống treo sau dãy trái
- a (m)

: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước

- b (m)

: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau

-r

: Bán kính tự do lốp

- J X ( kgm2 )

: Mômen quán tính trục x của xe

- JY ( kgm2 )

: Mômen quán tính trục y của xe

- J Z ( kgm2 )

: Mômen quán tính trục z của xe

- J yA1 ( kgm2 ) : Mômen quán tính trục y của cầu trước
- J yA2 ( kgm2 ) : Mômen quán tính trục y của cầu sau
R
2
- J Ay
1 ( kgm ) : Mômen quán tính trục y của lốp trước dãy phải
L
2
- J Ay
1 ( kgm ) : Mômen quán tính trục y của lốp trước dãy trái
R
2
- J Ay
2 ( kgm ) : Mômen quán tính trục y của lốp sau dãy phải
L

2
- J Ay
2 ( kgm ) : Mômen quán tính trục y của lốp sau dãy trái

- h (m)

: Chiều cao mấp mô của đường

- h1 ( m )

: Chiều cao mấp mô của đường phía trước

- h2 ( m )

: Chiều cao mấp mô của đường phía sau

- FZ ( N )

: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe

- FZ 1 ( N )

: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước

- FZ 2 ( N )

: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau

- FZR1 ( N )

:Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước dãy phải

- FZL1 ( N )

: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước dãy trái

- FZR2 ( N )

: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau dãy phải
5

- FZL2 ( N )

: Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau dãy trái

- FZt ( N )

: Tải trọng tĩnh của bánh xe

- FZ 1,t ( N )

: Tải trọng tĩnh bánh xe phía trước

- FZ 2,t ( N )

: Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau

- FZd ( N )

: Tải trọng động bánh xe

- FZ 1, d ( N )

: Tải trọng động bánh xe phía trước

- FZ 2, d ( N )

: Tải trọng động bánh xe phía sau

- FC ( N )

: Lực đàn hồi hệ thống treo

- FC1 ( N )

: Lực đàn hồi hệ thống treo trước

- FC 2 ( N )

: Lực đàn hồi hệ thống treo sau

- FCR1 ( N )

: Lực đàn hồi hệ thống treo trước dãy phải

- FCL1 ( N )

: Lực đàn hồi hệ thống treo trước dãy trái

- FCR2 ( N )

: Lực đàn hồi hệ thống treo sau dãy phải

- FCL2 ( N )

: Lực đàn hồi hệ thống treo sau dãy trái

- FK ( N )

: Lực cản hệ thống treo

- FK 1 ( N )

: Lực cản hệ thống treo trước

- FK 2 ( N )

: Lực cản hệ thống treo sau

- FKR1 ( N )

: Lực cản hệ thống treo trước dãy phải

- FKL1 ( N )

: Lực cản hệ thống treo trước dãy trái

- FKR2 ( N )

: Lực cản hệ thống treo sau dãy phải

- FKL2 ( N )

: Lực cản hệ thống treo sau dãy trái

- FCL ( N )

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe

- FCL1 ( N )

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước

- FCL 2 ( N )

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau
6

- FClR1 ( N )

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước dãy phải

- FClL1 ( N )

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước dãy trái

- FClR 2 ( N )

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau dãy phải

- FClL 2 ( N )

: Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau dãy trái

- M ( kg )

: Khối lượng toàn xe

- m ( kg )

: Khối lượng được treo

- m1 ( kg )

: Khối lượng được treo trước

- m2 ( kg )

: Khối lượng được treo sau

- mA1 ( kg )

: Khối lượng không được treo trước

- m A 2 ( kg )

: Khối lượng không được treo sau

- mAR1 ( kg )

: Khối lượng không được treo trước dãy phải

- mAL1 ( kg )

: Khối lượng không được treo trước dãy trái

- m AR2 ( kg )

: Khối lượng không được treo sau dãy phải

- m AL 2 ( kg )

: Khối lượng không được treo sau dãy trái

- ϕb

: Hệ số bám đường

- ft ( m )

: Độ võng tĩnh

- f t1 ( m )

: Độ võng tĩnh phía trước

- ft 2 ( m )

: Độ võng tĩnh phía sau

- f t1R ( m )

: Độ võng tĩnh phía trước dãy phải

- f t1L ( m )

: Độ võng tĩnh phía trước dãy trái

- f t 2R ( m )

: Độ võng tĩnh phía sau dãy phải

- f t 2L ( m )

: Độ võng tĩnh phía sau dãy trái

- ϕ ( rad )

: Góc lắc thân xe

- ξ (m)

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu xe
7

- ξ1 ( m )

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước

- ξ2 ( m )

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau

- ξ1R ( m )

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước dãy phải

- ξ1L ( m )

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước dãy trái

- ξ 2R ( m )

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau dãy phải

- ξ 2L ( m )

: Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau dãy trái

- ξ& ( m / s )

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe

- ξ&1 ( m / s )

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước

- ξ&2 ( m / s )

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau

- ξ&1R ( m / s )

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy phải

- ξ&1L ( m / s )

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy trái

- ξ&2R ( m / s )

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy phải

- ξ&2L ( m / s )

: Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy trái

- ξ&&( m / s 2 )

: Gia tốc phương thẳng đứng cầu xe

- ξ&&1 ( m / s 2 )

: Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước

- ξ&&2 ( m / s 2 )

: Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau

- ξ&&1R ( m / s 2 )

: Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy phải

- ξ&&1L ( m / s 2 )

: Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy trái

- ξ&&2R ( m / s 2 )

: Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy phải

- ξ&&2L ( m / s 2 )

: Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy trái

- z, z&, &&z ( m, m / s, m / s 2 )

: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng

được treo

8

- z1 , z&1 , &&z1 ( m, m / s, m / s 2 ) : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng
được treo trước
- z2 , z&2 , &&z2 ( m, m / s, m / s 2 ) : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng

được treo sau

9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ điều khiển ôtô ..................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1. Mô hình động lực học 1/4 ..........................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2. Mô hình dao động phẳng .......................................................................... 18
Hình 2.3. Mô hình động lực tổng thể ........................................................................ 19
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc ôtô ..................................................................................... 23
Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc ngang và dọc ôtô ............................................................... 24
Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc quay vòng .......................................................................... 24
Hình 3.4. Mô hình động lực theo phương bằng .......Error! Bookmark not defined.6
Hình 3.5. Mô hình động lực học theo phương đứng ............................................... 267
Hình 3.6. Mô hình động lực học theo phương cạnh ............................................... 278
Hình 3.7Mô hình hệ thống treo ................................................................................. 31
Hình 3.8. Đặc tính đàn hồi ........................................................................................ 33
Hình 3.9. Sơ đồ xác định chế độ mở của tiết lưu .................................................... 345
Hình 3.10. Mô hình động lực học ôtô ¼ ................................................................. 378
Hình 3.11. Sơ đồ tách cấu trúc và lực ..................................................................... 389
Hình 3.12. Thông số động lực học các loại bánh xe ................................................. 42
Hình 3.13. Hệ số bám dọc µB và hệ số bám ngang µS ............................................. 44
Hình 3.14. Hệ số bám dọc, ngang phụ thuộc hệ số trượt .......................................... 44
Hình 3.15. Mô hình lốp ............................................................................................. 45
Hình 3.16. Sơ đồ tính lực Fx , Fy của lốp. .................................................................. 46
Hình 3.17. Đồ thị lực tương tác bánh xe Fx theo hệ số trượt..................................... 47
Hình 3.18. Hàm Ammon ......................................................................................... 469
Hình 4.1. Sơ đồ thuật toán của chương trình ............................................................ 54
Hình 4.2. Sơ đồ mô đun tổng thể của hệ ................................................................... 56

Hình 4.3.khối tính toán ra các thông số động học của xe. ........................................ 57
Hình 4.4 khối mô tả hàm Ammon............................................................................. 58
Hình 4.5. Mô tả động lực học bánh xe ...................................................................... 59
10

Hình 4.6.. Khối mô tả dao động của xe..................................................................... 60
Hình 5.1. Đồ thị mô tả góc quay bánh xe ................................................................. 63
Hình 5.2 . Đồ thị mômen phanh ỏ bánh chủ động và bánh bị động ......................... 64
Hình 5.3. Hệ số trượt của các bánh xe khi vừa phanh vừa quay xe với vận tốc
v0 = 10(m / s) .............................................................................................................. 64

Hình 5.4. Hệ số trượt của các bánh xe khi vừa phanh vừa quay xe với vận tốc đầu
v0 = 20(m / s) .............................................................................................................. 65

Hình 5.5. Áp lực lên các bánh xe khi vừa phanh vừa quay xe với vận tốc đầu ............
v0 = 10(m / s) .............................................................................................................. 66

Hình 5.6. Áp lực lên các bánh xe khi vừa phanh vừa quay xe với vận tốc đầu
v0 = 20(m / s) .............................................................................................................. 66

Hình 5.7. Đồ thị vận tốc góc quay thân xe theo thời gian ............................................
Trong trường hợp quay vòng ở v0 = 10(m / s) ............................................................ 67
Hình 5.8. Đồ thị vận tốc góc quay thân xe theo thời gian ............................................
Trong trường hợp quay vòng ở v0 = 20(m / s) ........................................................... 67
Hinh 5.9. Đồ thị mô tả quỹ đạo xe khi quay vòng và phanh ở vận tốc ban đầu khác
nhau. .......................................................................................................................... 68
Hinh 5.10. Đồ thị mô tả mômen phanh ................................................................... 679
Hình 5.11. Đồ thị mô tả góc quay bánh xe trường hợp góc quay bằng 5 độ. ........... 70
Hình 5.12. Đồ thị mô tả góc quay bánh xe trường hợp góc quay bằng 10 độ .......... 70

Hình 5.13. Đồ thị mô tả hệ số trượt của các bánh xe theo thời gian. ........................ 71
Hình 5.14. Đồ thị mô tả hệ số trượt của các bánh xe theo thời gian. ........................ 71
Hình 5.15. Đồ thị mô tả áp lực tác dụng lên các bánh xe trong trường hợp phanh và
quay xe với góc quay bánh xe bằng 5 độ. ................................................................. 72
Hình 5.16. Đồ thị mô tả áp lực tác dụng lên các bánh xe trong trường hợp phanh và
quay xe với góc quay bánh xe bằng 10 độ. ............................................................... 72
Hình 5.17.Đồ thị mô tả vận tốc góc theo thời gian. .................................................. 73
Hình 5.18. Đồ thị mô tả vận tốc góc theo thời gian .................................................. 73
11

Hình 5.19.Đồ thị mô tả quỹ đạo xe. .......................................................................... 74
Hình 5.20. Đồ thị mô tả góc quay bánh xe. .............................................................. 75
Hình 5.21. Đồ thị mô tả mômen phanh ở bánh củ động và bị động ......................... 76
Hình 5.22. Đồ thị mô tả mômen phanh ở bánh chủ đọng và bị động ....................... 76
Hình 5.23. Đồ thị mô tả hệ số trượt của các bánh theo thời gian ................................
Trong trường hợp phanh non. ................................................................................... 77
Hình 5.24. Mô tả hệ số trượt cảu các bánh xe trong trường hợp phanh già.............. 77
Hình 5.25. Đồ thị mô tả áp lực tác dụng lên các bánh xe trong trường hợp quay xe và
phanh non. ................................................................................................................. 78
Hình 5.26. Đồ thị mô tả áp lực tác dụng lên các bánh xe trong trường hợp quay xe và
phanh già. .................................................................................................................. 78
Hình 5.27.Đồ thị mô tả góc quay thân xe theo thời gian trường hợp phanh non ..... 79
Hình 5.28.Đồ thị mô tả góc quay thân xe theo thời gian trường hợp phanh già....... 79
Hình 5.29. Đồ thị mô t ả vận tốc quay thân xe trong trường hợp phanh non và quay
vòng ........................................................................................................................... 80
Hình 5.30. Đồ thị mô t ả vận tốc quay thân xe trong trường hợp phanh già và quay
vòng ........................................................................................................................... 80
HÌnh 4.31. Đồ thị mô tả gia tốc tâm xe theo thời gian trong trường hợp phanh non.
................................................................................................................................... 81

Hình4.32. Đồ thị mô tả gia tốc tâm xe theo thời gian trong trường hợp phanh già . 81
HÌnh 4.33. Đồ thị mô tả quỹ đạo chuyển động của xe quay vòng trong trường hợp
phanh non và phanh già............................................................................................. 82

12

CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Yêu cầu thực tế
Ngày nay khi mà ôtô đã trở thành phương tiện chính dùng để đi lại và
chuyên trở hàng hoá ở nước ta thì vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển của ô
tô la rất quan trọng . Khi ô tô chuyển động nó sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố như
người điều khiển, tác động của ngoại cảnh, các yếu tố ngẫu nhiên xảy ra trên
đường…
Người lái xe có thể thực hiện các thao tác để điều khiển xe như : ga để tăng
tốc xe, nhấn phang để giảm tốc độ và đánh vô lăng để quay vòng.
Các yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe cũng khác nhau. Xe có thể chạy trên
các đường với các cung độ khác nhau .Khi xe chạy trên đường khác nhau thì hệ số
bám của lốp xe và đường cũnng khác nhau . Và khi xe chạy trên đường thi gió cũng
là một yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe và còn nhiều yếu tố khác anh hưởng tới xe
khi xe chuyển động .
Một yếu tố ảnh hưởng khá nhiều đến xe và thường gây mất an toàn đó là các
tác động ngẫu nhiên bất ngờ xảy ra trên đường như sự xuất hiện bất ngờ của các
chướng ngại vật.
Tất cả các yếu tố trên sẽ ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái chuyển động của
xe và nó cũng ảnh hưởng tới mức độ an toàn của xe .
Vì vậy việc nghiên cứu quy luật chuyển động của ô tô nhằm xác định khả
năng chuyển động ổn định của ôtô rà rất cần thiết.
1.2 . Mục tiêu nghiên cứu động lực học ô tô
Nghiên cứu động lực học ôtô là tìm ra qui luật chuyển động của ôtô từ đó

xác định giới hạn an toàn, tìm sự tương thích giữa lái xe và xe, mở rộng khả năng
điều khiển xe của lái xe. Quỹ đạo chuyển động của ô tô được xác đinh bởi vận tốc,
gia tốc, quỹ đạo chuyển động bởi các thông số ( x& , y& ,ψ& ) ; đồng thời quỹ đạo chuyển
động của nó được khái quát 3 trạng thái
- Quay vòng đủ
- Quay vòng thiếu
13

- Quay vòng thừa .
a. Quay vòng đủ: ở trạng thái này ôtô có tính chất quay vòng lý tưởng, ở
trường hợp này bán kính quay vòng thực tế của xe bằng với bán kính quay vòng yêu
cầu. Xe chạy ổn định.
b. Quay vòng thiếu: Là trạng thái mà lái xe quay vô lăng nhiều hơn để vào
cua. Trường hợp giới hạn xe có thể chuyển động theo phương tiếp tuyến. Trong
trường hợp này xe có thể rơi vào trạng thái nguy hiểm – mất lái.
c. Quay vòng thừa: ôtô có tính năng quay vòng thừa tức là bán kính quay
vòng của xe nhỏ hơn bán kính yêu cầu, ở trạng thái này xe bị mất ổn định nguy
hiểm.

Hình 1.1: Sơ đồ điều khiển ô tô
Nhìn vào hình 1.1 chúng ta thấy lái xe có ba tác động: Ga để thay đổi
mômen của động cơ (MA), phanh để tạo ra mô mem phanh (MB) và quay vô lăng δ.
Dưới điều kiện ngoại cảnh như gió, đường nghiêng, lực quán tính, có thể làm thay
đổi phản lực Fz lên các bánh xe và từ đó làm thay đổi các lực phương dọc và phương
ngang tại các bánh xe, khi đó ô tô sẽ chuyển động với vận tốc dọc x& , vận tốc ngang
y& , vận tốc góc quay thân xe ψ& .

Trong thực tế thì MA, MB, δ không có quan hệ tuyến tính với hàm phản ứng
( x& , y& ,ψ& ) . Vì vậy việc nghiên cứu thiết lập một mô hình động lực học ô tô để xác ịnh

các giới hạn nguy hiểm là điều cần thiết, chúng ta có thể thiết lập quan hệ như sau:
14

Trong đó: j = 1,2,3,4
( x& , y& ,ψ& ) là đặc trưng cho phản ứng của xe , được xác định quỹ đạo chuyển động của

ô tô cũng như trạng thái quay vòng của ô tô. Chính vì vậy việc thiết lập một mô hình
động lực học ô tô là cần thiết nhằm xác định các yếu tố cấu trúc của ô tô, phản ứng
của lái xe và các yếu tố ngoại cảnh là mục tiêu của nội dung nghiên cứu.
Các yếu tố ảnh hưởng:
1. Điều kiện đường:
- Độ bám, tính chất mặt đường, đặc trưng bới ( x& , y& ,ψ& )
- Độ nghiêng, độ dốc của đường
- Các lực quán tính dọc, ngang.
2. Phản ứng lái xe:
- Tốc độ ga, phanh, quay vô lăng và giá trị cực đại của MA, MB, δ.
3. Cấu trúc của ô tô:
- Phân bố khối lượng (tọa độ trọng tâm)
- Kết cấu lốp (Liên quan đến độ cứng dọc, độ cứng ngang, hướng kính).

15

CHƯƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TRÊN Ô TÔ
Trong thực tế có nhiều mô hình động lực học ô tô với những mục tiêu
nghiên cứu khác nhau. Sau đây ta xét 03 mô hình cơ bản:
2.1. Mô hình ¼.
Chuyển động tịnh tiến phương x không đồng nhất với chuyển động quay của

bánh xe. Vì vậy ta phải mô tả 3 phương trình chuyển động: tịnh tiến phương x,
phương ngang y và quay quanh trục y.

Fc

m

z
x
C

K

ϕ

mA

ξ

M

r

CL
h

Fx
Fz

e

Hình 2.1 Mô hình động lực học 1/4
Nếu bỏ qua dao động lắc dọc và lắc ngang của thân xe thì ta có thể đưa mô
hình động lực học của ôtô về mô hình 1/4 như hình 2.1. Đây là mô hình cơ bản của
động lực học ôtô.

16

Xác định lực hướng kính lốp
Đặc trưng của lốp là biến dạng ở tất cả các phương dọc, ngang và phương
thẳng đứng, phụ thuộc cấu trúc lốp và áp suất lốp. Các lực tương tác bánh xe Fz, Fx ,
Fy là các lực đàn hồi tương ứng tương đương với biến dạng của lốp. Lốp có 2 quá
trình là : biến dạng đàn hồi và trượt, đặc trưng bởi hệ số trượt. Người ta thiết lập
tương quan giữa hệ số trượt và các lực tương tác bánh xe. Hiện nay có nhiều mô
hình lốp được công bố trên thế giới . Qua những nghiên cứu ở Đại học Bách Khoa
Hà Nội tác giả thấy mô hình Ammon phù hợp với điều kiện của Việt Nam.
Ý nghĩa: Mô hình này là mô hình đơn giản nhất của động lực học ô tô nhằm
khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của đường theo phương thẳng đứng (sự thay đổi FZ)
và ảnh hưởng của việc cấp mô men MA, MB đến chuyển động của bánh xe, đây là
mô hình cơ bản để thiết lập các mô hình phức tạp hơn.
2.2. Mô hình ½

v

z

ϕ

..

J y ϕ1

..

mx

m2

m1

MW

h-r

F wz
K2

C2

K1

C1

mA2

mA1

ξ2

ξ1
CL 1

r

CL 2

l2

l1

h2

h1

Hình 2.2: Mô hình dao động phẳng

17

Ý nghĩa: mô hình ½ là mô hình có thể dùng để nghiên cứu quá trình phanh,
quay vòng và tích hợp phanh-quay vòng. Có thể nghiên cứu nhiều thuộc tình động
lực học ô tô. Tuy nghiên với mô hình ½ (mô hình một dòng) thì không xét được yếu
tố gió ngang và đường nghiêng cũng như gia tốc ngang khi quay vòng ảnh hưởng
đến phản lực FZ, cũng như chưa xét được yếu tố ảnh hưởng của phanh ổn định. Vì
vậy mô hình ½ không xét đến ảnh hưởng thay đổi phản lực hai bên phải và trái.
2.3. Mô hình không gian xe con
Trạng thái chuyển động của ôtô phụ thuộc tích hợp bởi động lực học dọc,
động lực học ngang và động lực học phương thẳng đứng. Hình 2.2 là một mô hình
động lực học tổng quát có thể mô tả chuyển động của ôtô với các phản ứng khác

nhau của lái xe và ngoại ảnh. Chuyển động của ô tô phụ thuộc nhiều yếu tố tích hợp,
đặc trưng bới các lực tương tác bánh xe. Chuyển động quay của bánh xe không đồng
nhất với chuyển động tịnh tiến; quan hệ về lực của các bánh xe là khác nhau; việc
cấp mô men phanh và chủ động khác nhau, yếu tố ngoại cảnh cũng thay đổi. Vì vậy
xây dựng mô hình tích hợp là cần thiết cho các ô tô thông minh. Việc phân tầng cấu
trúc của mô hình phải tương thích với mô đun hóa trong điều khiển điện tử.
z
ϕ

y

ψ

..
J zψ

b1 2

4

Fw y

FA w

Fw x

β

b 11

x

..

mx

b2 2

..
J yϕ

F F

mz

3K

3C

..

my

..
J xβ

..

F F

l1

1C

1K

b2 1

l2

m

..

ξ3
3A

F F
3C

F F
2C

3K

ξ3

ϕ3

M3

F

m

2K

M

..
1A

ξ1

F F
1C

1K

ϕ1

1

F

1C L

3C L

..

F

3 z0

F

m 2 A ξ 2 F2C F2K
3C L

Fx
3

ϕ2

M2
F

F3 z

F3 y

ξ2

F

1z0

F

1C L

1

1

2 z0

F

2C L

1

Fy

2C L

Fz
F

Fx

Fx
2

Fy
2

Fz
2

Hình 2.3. Mô hình động lực tổng thể
18

ξ1

Ý nghĩa: Mô hình không gian xe con là mô hình tổng quát có thể xét đầy đủ
các yếu tố động lực học ô tô. Mô hình không gian xe con thực chất được mô phỏng
theo nguyên lý hệ nhiều vật, tách cấu trúc nó thành 3 mô đun cơ bản:
- Mô tả chuyển động tổng quát của ô tô trong mặt phẳng nền ( động lực học
ngang) ( x& , y& ,ψ& ) . Ở đây chúng ta dùng phương trình Newton Euler để mô tả chuyển
động của ô tô.
- Mô tả chuyển động ô tô theo phương thẳng đứng còn gọi là động lực học
phương thẳng đứng, với mô đun này ta có thể xác đinh tức thời các phản lực mặt
đường lên bánh xe.
- Mô đun quan trọng của ô tô đó chính là mô đun xác định động lực học
bánh xe nhưng ở phần 2.1 chỉ được mô tả đặc điểm mô hình động lực học ô tô là độc
lập tương đối vì vậy để khảo sát động lực học ô tô một cách toàn diện hơn thì chúng
ta phải khảo sát mô hình không gian xe con.

19

CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ CON
3.1 Phương pháp lập hệ phương trình
Khi nghiên cứu dao động ôtô ta thấy nó là một hệ nhiều vật bao gồm hữu hạn
các vật liên kết đàn hồi với nhau và chuyển động tương đối với biên độ lớn và tần số
thấp từ 0 đến 50Hz. Để lập phương trình chuyển động cho hệ nhiều vật ta sử dụng
phương trình Newton Euler.

Phương pháp Newton Euler thân thiện hệ nhiều vật và với người sử dụng hơn.
Đó là phương pháp tách cấu trúc, mỗi vật trong hệ được coi là một hệ con. Việc
thành lập phương trình cho một hệ con dựa vào nguyên lý lực cắt. Nguyên lý đó là,
tại điểm cắt các nội lực của hệ cân bằng với các ngoại lực tác dụng; các nội lực và
mômen cùng phương nhưng ngược chiều và có cùng cường độ. Cần chú ý rằng khi
sử dụng phương pháp tách vật và nguyên lý lực cắt, cơ hệ và hệ con cần được thiết
lập ở trạng thái cân bằng tĩnh. Khi đó các lực cắt trở thành ngoại lực gây dao động
cho các vật.
Các bước của phương pháp tách vật, nguyên lý lực cắt và sử dụng phương
trình Newton Euler để lập phương trình dao động:
- Cắt các vật ra khỏi hệ tại các điểm có liên kết; vật sẽ được cân bằng bởi các lực
cắt.
- Chọn khối tâm Ci của các vật i làm gốc hệ toạ độ cục bộ (hệ toạ độ vật).
- Xác lập các lực cắt
- Sử dụng phương trình Newton Euler viết phương trình vi phân chuyển động cho
các vật tại các hệ toạ độ khối tâm hoặc cố định.
Ta có quy định về hệ toạ độ như sau:

20

Hệ toạ độ cố định: Oi ( X , Y , Z ,ψ 0 , ϕ 0 , γ 0 )
Hệ toạ độ cục bộ Ci (x, y, z,ψ ,ϕ ,γ )
Với các giả thiết vừa nêu, ta có phương trình vi phân cho vật rắn phẳng:
mx&&j = F j
J jϕ&&j = M j

(3.0)

j = x, y , z

Phương pháp tách vật được lựa chọn bởi các lý do sau:
+ Phương pháp là đơn giản, không cần các quy tắc biến đổi phức tạp,
không hạn chế khối lượng, bậc tự do;
+ Phương pháp trên phù hợp với tư duy lập trình theo môdun, cho
phép thay đổi nhanh cấu trúc và tham số của mô hình
+ Phương pháp cho phép xác định nội lực làm cơ sở cho bài toán thiết
kế cụm và tối ưu các cụm
3.2 Cấu trúc ô tô.
Đối với xe con ta coi xe như một hệ nhiêu vật bao gồm: một khối lượng
đươc treo là thân xe và bốn khối lượng không được treo là các bánh xe .

21

Các yếu tố về kết cấu của xe như: Vị trí trọng tâm, hình dáng khí động học
của xe cũng ảnh hưởng đến quá trình chuyển động của xe vì thế ta cần xét đến khi
khảo sát chuyển động của xe.
Khi xe chuyển động xe sẽ chịu tác động của các lực thực tế đó là: FX , FY , FZ
các lực này được mô tả tổng quát trên các sơ đồ sau.

z
ϕ

y

ψ

..
J zψ