Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành đến ổn định quá trình vượt xe ô tô du lịch

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình
nào khác.
Hà Nội, tháng 08 năm 2015
Học viên

Nguyễn Kim Tân

i


LỜI CẢM ƠN
Với tư cách là tác giả của bài luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân
thành đến thầy giáo TS. Dương Ngọc Khánh, người đã hướng dẫn tôi tận tình chu
đáo về chuyên môn để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này.
Đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Ô tô và Xe chuyên
dụng, Viện Cơ khí Động lực và Viện Đào tạo sau Đại học, Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện trong suốt thời gian tôi học tập và làm
luận văn.
Cuối cùng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành tới gia đình, bạn bè
và đồng nghiệp, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong thời
gian tôi học tập và làm luận văn.
Hà Nội, tháng 08 năm 2015
Học viên

Nguyễn Kim Tân

ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... ii
CHƢƠNG I : TỔNG QUAN ................................................................................................. 1
1.1. Tình hình giao thông tại Việt Nam ................................................................ 1
1.1.1. Hiện trạng hạ tầng giao thông ........................................................................ 1
1.1.2. Các nguyên nhân gây tai nạn giao thông ....................................................... 2
1.2. Ổn định hướng chuyển động ô tô ................................................................... 3
1.2.1. Mô hình điều khiển động lực học ô tô............................................................. 3
1.2.2. Tính chất điều khiển ô tô khi chuyển làn đường ............................................. 6
1.3. Mục tiêu, nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. ............................ 8
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................ 8
1.3.2. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 8
1.3.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu ............................................................. 8
1.4. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 8
CHƢƠNG II : MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ .................. 10
2.1.Cơ sở lý thuyết thiết lập mô hình .................................................................. 10
2.1.1. Hệ quy chiếu và các phương trình tổng quát................................................ 10
2.1.2. Phương pháp thiết lập mô hình động lực học ô tô ....................................... 13
2.2. Mô hình động lực học ô tô ........................................................................... 15
2.2.1. Mô hình chuyển động trong mặt phẳng XOY ............................................... 15
2.2.2. Mô hình dao động ......................................................................................... 16
2.2.3. Mô hình dao động ngang của xe................................................................... 19
2.2.4. Mô hình lốp ................................................................................................... 20
2.3. Phương pháp mô phỏng động lực học ô tô ................................................... 27
2.3.1. Phần mềm Matlab và Simulink ..................................................................... 27
2.3.2. Một số sơ đồ mô phỏng động lực học ô tô .................................................... 30

iii

CHƢƠNG III : NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ VẬN
HÀNH ĐẾN QUÁ TRÌNH VƢỢT XE Ô TÔ DU LỊCH............................................... 35
3.1. Các thông số và phương án khảo sát ............................................................ 35
3.1.1. Thông số xe khảo sát ..................................................................................... 35
3.2. Các kết quả khảo sát và đánh giá ................................................................. 36
3.2.1. Chuyển làn kép với các góc đánh lái khác nhau tại vận tốc 30(km/h) ......... 36
3.2.2. Chuyển làn kép với các góc đánh lái khác nhau tại vận tốc 60 (km/h) ........ 44
3.2.3. Chuyển làn kép với các góc đánh lái khác nhau tại vận tốc 80 (km/h) ........ 52
3.2.4. Chuyển làn kép với các khoảng thời gian quá độ khác nhau ....................... 61
3.2.5. Chuyển làn kép trên đường ướt tại các vận tốc khác nhau .......................... 70
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 76
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 78

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ điều khiển động lực học ô tô ........................................................... 3
Hình 1.2. Trạng thái mất ổn định hướng ô tô ........................................................... 4
Hình 1.3.Các thông số đặc trưng trạng thái quay vòng. ........................................... 5
Hình 1.4. Quỹ đạo chuyển động của xe khi chuyển làn ........................................... 6
Hình 1.5. Đồ thị quá trình đánh lái của xe khi chuyển làn. ...................................... 7
Hình 2.2. Sơ đồ mô hình hóa động lực học chuyển động........................................ 11
Hình 2.3 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô ........................................................ 14
Hình 2.4. Mô hình chuyển động ............................................................................. 15
Hình 2.5. Mô hình dao động dọc ........................................................................... 17
Hình 2.6. Mô hình dao động ngang của phần được treo ....................................... 19
Hình.2.7. Sơ đồ xác định hệ số A,B,C,D ................................................................ 22
Hình 2.8. Lực bên phụ thuộc hệ số trượt ................................................................ 23

Hình 2.9. Lực tiếp tuyến phụ thuộc hệ số trượt. ..................................................... 23
Hình 2.10. Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt........................................... 26
Hình 2.11. Simulink Library Browser .................................................................... 28
Hình 2.12.Thư viện Lookup Tables ........................................................................ 29
Hình 2.13. Cửa sổ màn hình tra cứu các khối trong thư viện ................................. 30
Hình 2.14. Mô hình mô phỏng chuyển vị vận tốc theo phương x ............................ 30
Hình 2.15. Mô hình mô phỏng chuyển vị vận tốc theo phương y ............................ 31
Hình 2.16. Mô hình mô phỏng góc quay thân xe quanh trục Cz ............................. 31
Hình 2.17. Mô hình mô phỏng góc quay thân xe quanh trục Cy ............................. 32
Hình 2.18. Mô hình mô phỏng vận tốc khối lượng được treo ................................. 32
Hình 2.19. Mô hình mô phỏng vận tốc góc tại bánh số 1 ....................................... 33
Hình 2.20. Mô hình mô phỏng vận tốc góc tại bánh số 2 ....................................... 33
Hình 2.21. Mô hình mô phỏng góc lắc thân xe ....................................................... 34
Hình 3.1. Đồ thị góc đánh lái khi xe chuyển làn kép tại v=30(km/h) ...................... 36
Hình 3.2. Đồ thị vị trí trọng tâm của xe khi chuyển làn kép v= 30(km/h) ..................... 37

v


Hình 3.3. Đồ thị vị trí của bánh xe số 1 khi chuyển làn kép v= 30(km/h) .............. 38
Hình 3.4. Đồ thị vị trí của bánh xe số 2 khi chuyển làn kép v= 30(km/h) .............. 38
Hình 3.5. Đồ thị vị trí của bánh xe số 3 khi chuyển làn kép v= 30(km/h) .............. 39
Hình 3.6. Đồ thị vị trí của bánh xe số 4 khi chuyển làn kép v= 30(km/h) .............. 39
Hình 3.7. Đồ thị vị trí của xe khi chuyển làn kép v= 30(km/h) ............................... 40
Hình 3.8. Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe khi chuyển làn kép v= 30(km/h) .......... 40
Hình 3.9. Đồ thị gia tốc góc xoay thân xe khi chuyển làn kép v=30(km/h) ............ 41
Hình 3.10. Đồ thị góc lắc ngang khi chuyển làn kép v= 30(km/h) .......................... 42
Hình 3.11. Đồ thị phản lực của đường lên các bánh xe khi chuyển làn kép v= 30
(km/h) .................................................................................................................... 42
Hình 3.12. Đồ thị lực ngang tại các bánh xe số khi chuyển làn kép tại v= 30(km/h)

.............................................................................................................................. 43
Hình 3.13. Đồ thị góc đánh lái khi xe chuyển làn kép tại v=60 (km/h) ................... 44
Hình 3.14. Đồ thị vị trí trọng tâm của xe khi chuyển làn kép tại v= 60 (km/h) ....... 45
Hình 3.15. Đồ thị vị trí bánh xe số 1 khi chuyển làn kép v= 60 (km/h) ................... 46
Hình 3.16. Đồ thị vị trí bánh xe số 2 khi chuyển làn kép v= 60 (km/h) ................... 46
Hình 3.17. Đồ thị vị trí bánh xe số 3 khi chuyển làn kép v= 60 (km/h) ................... 47
Hình 3.18. Đồ thị vị trí bánh xe số 4 khi chuyển làn kép v= 60 (km/h) ................... 47
Hình 3.19. Đồ thị vị trí xe khi chuyển làn kép v= 60 (km/h) ................................... 48
Hình 3.20. Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe khi chuyển làn kép v= 60 (km/h) ........ 49
Hình 3.21. Đồ thị gia tốc góc xoay thân xe khi chuyển làn kép v= 60 km/h ............ 49
Hình 3.22. Đồ thị góc lắc ngang khi chuyển làn kép v=60 (km/h) .......................... 50
Hình 3.23. Đồ thị phản lực của đường lên các bánh xe khi chuyển làn kép v= 60
(km/h) .................................................................................................................... 51
Hình 3.24. Đồ thị lực ngang tại các bánh xe khi chuyển làn kép v= 60 (km/h) ....... 51
Hình 3.25. Đồ thị góc đánh lái khi xe chuyển làn kép tại v=80(km/h) .................... 53
Hình 3.26. Đồ thị vị trí trọng tâm của xe khi chuyển làn kép v= 80 (km/h) ............ 54
Hình 3.27. Đồ thị vị trí bánh xe số 1 khi chuyển làn kép v= 80 (km/h) ................... 55
Hình 3.28. Đồ thị vị trí bánh xe số 2 khi chuyển làn kép v= 80 (km/h) ................... 55
Hình 3.29. Đồ thị vị trí bánh xe số 3 khi chuyển làn kép v= 80 (km/h) ................... 56

vi


Hình 3.30. Đồ thị vị trí bánh xe số 4 khi chuyển làn kép v= 80 (km/h) ................... 56
Hình 3.31. Đồ thị vị trí của xe khi chuyển làn kép v= 80 (km/h) ............................ 57
Hình 3.32. Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe khi chuyển làn kép v= 80 (km/h) ........ 58
Hình 3.33. Đồ thị gia tốc góc xoay thân xe khi chuyển làn kép v=80 (km/h) .......... 58
Hình 3.34. Đồ thị góc lắc ngang khi chuyển làn kép v=80 (km/h) .......................... 59
Hình 3.35. Đồ thị phản lực của đường lên các bánh xe khi chuyển làn kép v= 80
(km/h) .................................................................................................................... 60

Hình 3.36. Đồ thị lực ngang tại các bánh xe khi chuyển làn kép v=80 (km/h) ........ 60
Hình 3.37. Đồ thị góc đánh lái khi xe chuyển làn kép tại δ=10(độ),v=60 (km/h)
và thời gian đánh lái t thay đổi .............................................................................. 62
Hình 3.38. Đồ thị vị trí trọng tâm xe khi chuyển làn kép tại δ=10 (độ),v=60 (km/h)
và thời gian đánh lái t thay đổi .............................................................................. 63
Hình 3.39. Đồ thị vị trí bánh xe số 1 khi chuyển làn kép tại δ=10 (độ), v=60(km/h)
và thời gian đánh lái t thay đổi .............................................................................. 64
Hình 3.40. Đồ thị vị trí bánh xe số 2 khi chuyển làn kép tại δ=10 (độ), v=60(km/h)
và thời gian đánh lái t thay đổi .............................................................................. 64
Hình 3.41. Đồ thị vị trí bánh xe số 3 khi chuyển làn kép tại δ=10 (độ), v=60 (km/h)
và thời gian đánh lái t thay đổi .............................................................................. 65
Hình 3.42. Đồ thị vị trí bánh xe số 4 khi chuyển làn kép tại δ=10 (độ), v=60 (km/h)
và thời gian đánh lái t thay đổi .............................................................................. 65
Hình 3.43. Đồ thị vị trí xe khi chuyển làn kép tại δ=10 (độ),v=60 (km/h) và thời
gian đánh lái t thay đổi .......................................................................................... 66
Hình 3.44. Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe khi chuyển làn kép tại δ=10 (độ), v=60
(km/h) và thời gian đánh lái t thay đổi ................................................................... 66
Hình 3.45. Đồ thị gia tốc góc xoay thân xe khi chuyển làn kép tại δ=10 (độ), v=60
(km/h)và thời gian đánh lái t thay đổi .................................................................... 67
Hình 3.46. Đồ thị góc lắc ngang khi chuyển làn kép tại δ=10 (độ),v=60 (km/h)
và thời gian đánh lái t thay đổi .............................................................................. 67
Hình 3.47. Đồ phản lực của đường lên các bánh xe khi chuyển làn kép tại
δ=10(độ), v=60 (km/h) và thời gian đánh lái t thay đổi ......................................... 68

vii


Hình 3.48. Đồ thị lực ngang tại các bánh xe khi chuyển làn kép tại δ=10(độ), v=60
(km/h) và thời gian đánh lái t thay đổi ................................................................... 69
Hình 3.49. Đồ thị góc đánh lái khi xe chuyển làn kép trên đường ướt .................... 70

Hình 3.50. Đồ thị vị trí trọng tâm của xe khi chuyển làn kép trên đường ướt ......... 71
Hình 3.51. Đồ thị vị trí của các bánh xe khi chuyển làn kép trên đường ướt .......... 72
Hình 3.52. Đồ thị vị trí của xe khi chuyển làn kép trên đường ướt ......................... 72
Hình 3.53. Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe khi chuyển làn kép trên đường ướt ..... 73
Hình 3.54. Đồ thị gia tốc góc xoay thân xe khi chuyển làn kép trên đường ướt ...... 73
Hình 3.55. Đồ thị góc lắc ngang khi chuyển làn kép trên đường ướt ...................... 74
Hình 3.56. Đồ thị lực ngang tại các bánh xe khi chuyển làn kép trên đường ướt.... 75

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Bảng thông số so sánh trong miền tuyến tính và phi tuyến. .................... 21
Bảng 2.2. Hệ số thực nghiệm trong mô hình Burchkhardt...................................... 26

ix


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Thông số

Đơn vị

½ Chiều rộng cơ sở phía trước

m

½ Chiều rộng cơ sở phía sau

m

Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu trước

m

l2

Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu sau

m

hw

Khoảng cách từ mặt đường đến tâm gió

m

h

Khoảng cách từ mặt đường đến trọng tâm ô tô

m

r

Bán kính tự do lốp

m

m

Khối lượng phần được treo

kg

Jz

Mô men quán tính quanh trục thẳng đứng Cz

kg/s2

Jx

Mô men quán tính quanh trục Cx

kg/m2

b1
b2
l1

Vận tốc thân xe phương x trong hệ B(Cxyz)

m/s

Vận tốc thân xe phương y trong hệ B(Cxyz)

m/s

Vận tốc dọc xe

m/s



Góc quay thân xe quanh trục Cz

độ

M1 , M2

Mô men của các bánh xe 1,2,3,4

m/s2

x

v

M3 , M4
δ

Góc quay bánh xe dẫn hướng

x

độ



Góc lắc ngang phần được treo

độ

Góc lệch bánh xe

độ

Lực dọc tại các bánh xe 1, 2, 3, 4

N

Lực ngang tại các bánh xe 1, 2, 3, 4

N

Lực cản không khí theo phương dọc

N

Lực cản không khí theo phương ngang

N

Mô men quán tính các bánh xe 1, 2, 3, 4

N

Lực đàn hồi hệ thống treo các bánh xe 1, 2, 3,4

N

F’y1,2

Lực từ bánh xe tác dụng lên phần được treo bánh 1,2

N

F’y3,4

Lực từ bánh xe tác dụng lên phần được treo bánh 3,4

N

α
Fx1, Fx2
Fx3, Fx4
Fy1, Fy2
Fy3, Fy4
Fwx
Fwy
JAy1, JAy2
JAy3, JAy4
FC1, FC2
FC3, FC4

φx

Hệ số bám dọc

φy

Hệ số bám ngang

xi


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN
1.1. Tình hình giao thông tại Việt Nam
1.1.1. Hiện trạng hạ tầng giao thông
Hiện nay chất lượng đường xá giao thông ở Việt Nam đang ngày càng được
đầu tư xây dựng để dần nâng cao chất lượng đường và đồng bộ hóa. Nhưng hiện tại
hệ thống giao thông nước ta vẫn chưa đáp ứng được so với sự phát triển và sự gia
tăng về số lượng ô tô, xe máy, mật độ lưu thông dày đặc, các phương tiện thường
xuyên phải thay đổi hướng chuyển động trong quá trình di chuyển để có được quỹ
đạo mong muốn, đặc biệt tại các thành phố lớn. Chất lượng đường không đồng đều,
làn đường nhỏ, hẹp và còn nhiều bất cập. Hệ thống đường bộ của ta còn chưa có
sự đồng bộ giữa các vùng miền, phát triển tập trung chủ yếu ở các tỉnh lộ và các
thành phố lớn. Cùng với đó, hệ thống giao thông đường bộ liên tục xuống cấp, thậm
chí nghiêm trọng, phương tiện tham gia giao thông không ngừng tăng lên. Sự tăng
nhanh về số lượng xe ôtô, xe máy trong khi tốc độ phát triển cơ sở hạ tầng chưa
theo kịp, khiến các con đường trở nên quá tải, tiềm ẩn những nguy cơ tai nạn có thể
xảy ra bất cứ lúc nào.
Theo thống kê đến tháng 2 năm 2014 thì Việt Nam có các hệ thống đường bộ
gồm các quốc lộ, tỉnh lộ, huyện lộ và đường chuyên dùng…có tổng chiều dài
khoảng 300.000 km, khoảng gần 5000 cầu đường bộ [1]. Phần lớn các tuyến đường

quốc lộ và tỉnh lộ đều được trải nhựa và bê tông hóa, chỉ có một số ít các tuyến
đường huyện lộ tại các tỉnh vùng sâu, vùng xa đang còn là các con đường đất. Tổng
số tuyến quốc lộ là 114 tuyến, với tổng chiều dài là 19780km, đường đô thị khoảng
9000km, đường nông thôn khoảng 150000km. Tỷ lệ đường có chiều rộng nền, mặt
đường theo đúng cấp kỹ thuật còn thấp, chiều rộng làn đường 3,5m chiếm phần lớn
trong hệ thống đường bộ tại Việt Nam. Công tác bảo trì đường bộ thiếu sự chủ
động, hỏng đâu sửa đấy, không thực hiện sửa chữa theo quy định về bảo trì, sửa
chữa để đảm bảo ngăn chặn sự xuống cấp của công trình (trong tổng số 19780 km
quốc lộ, có: 9937km quá thời hạn sửa chữa lớn hơn 8 năm và 2577 km đến hạn phải

1


sửa chữa)….Sự phối hợp trong quản lý kết cấu hạ tầng ở một số nơi chưa thực sự
tốt, đặc biệt là về công tác quản lý hành lang đường bộ, kiểm soát xe quá tải.
1.1.2. Các nguyên nhân gây tai nạn giao thông
Mật độ giao thông đông đúc, đặc biệt tại các tỉnh thành phố lớn, ý thức
người tham gia giao thông kém, các phương tiện thường xuyên không tuân thủ
luật lệ an toàn giao thông khá phổ biến như đi ngược chiều, phóng nhanh vượt ẩu,
chuyển làn sai quy định…điều này gây không ít khó khăn cho người tham gia giao
thông. Đó nguyên nhân chính dẫn đến các tai nạn giao thông, gây thiệt hại rất lớn
về người và của. Đây hiện đang là vấn đề rất nóng được Chính phủ và người dân
đang rất quan tâm một cách đặc biệt. Về cơ bản tai nạn giao thông có một số đặc
điểm như: Được thực hiện bằng những hành vi cụ thể, gây ra thiệt hại nhất định về
tính mạng, sức khỏe con người, vật, tài sản, chủ thể trực tiếp thực hiện hành vi
cuối cùng trong vụ tai nạn giao thông cụ thể phải là đối tượng đang tham gia vào
hoạt động giao thông, xét về lỗi, chỉ có thể là lỗi vô ý hoặc là không có lỗi, không
thể là lỗi cố ý.
Nguyên nhân chủ quan là do người tham gia giao thông không chấp hành
luật lệ về an toàn giao thông đường bộ, theo thống kê hàng năm con số này chiếm

đa số so với các nguyên nhân trực tiếp khác, bản thân con người tham gia giao
thông gây ra tai nạn như do ý thức chấp hành luật lệ giao thông, điều khiển giao
thông có nồng độ cồn cao hơn mức quy định cho phép, không tuân thủ quy định về
tốc độ cho phép khi lưu thông, phóng nhanh, vượt ẩu....Trạng thái va chạm của xe
như quay vòng thừa, quay vòng thiếu làm xe có xu hướng quay tròn hoặc xe chuyển
động vượt quá giới hạn an toàn làm mất ổn định chuyển động dẫn đến va chạm với
xe khác gây tai nạn.
Nguyên nhân khách quan như phương tiện tham gia giao thông không đảm
bảo các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật an toàn theo quy định, kết cấu hạ tầng giao
thông vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu phát triển của phương tiện giao thông và các
loại hình giao thông vận tải hiện nay, đường giao thông hư hỏng, xuống cấp chưa
được sửa chữa, bảo trì....

2


Ngày nay, khi mà ô tô đã trở thành phương tiện chính dùng để đi lại và
chuyên trở hàng hóa ở nước ta thì vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển của ô
tô là rất quan trọng. Sự phát triển của nền kinh tế đồng nghĩa với việc gia tăng về số
lượng, chủng loại các loại phương tiện xe cơ giới tham gia giao thông. Điều này
làm số lượng các vụ tai nạn giao thông ngày càng gia tăng trong thời gian gần đây.
Ở Việt Nam, theo số liệu thống kê của Ủy ban An toàn giao thông Quốc gia [4],
trong năm 2014 (tính từ ngày 16/12/2013 đến 15/12/2014) toàn quốc xảy ra 25.322
vụ, làm chết 8.996 người, bị thương 24.417 người. Chỉ trong tháng 12/2014 (tính từ
ngày 16/11/2014 đến 15/12/2014), toàn quốc xảy ra 2.065 vụ, làm chết 724 người,
bị thương 1.983 người. Những con số kinh hoàng đó vẫn chưa có dấu hiệu giảm và
đang có xu hướng gia tăng cả về số lượng và mức độ nghiêm trọng qua các năm.
1.2. Ổn định hƣớng chuyển động ô tô
1.2.1. Mô hình điều khiển động lực học ô tô
Khi chuyển động trên đường, xe chịu ảnh hưởng của các yếu tố: Các yếu tố

ngoại cảnh như gió, đường nghiêng/dốc; độ bám và chịu tác động của lái xe như mức
độ ga (MA), phanh (MB) và góc quay vô lăng (δ). Các yếu tố ngoại cảnh và các phản
ứng của lái xe là ngẫu nhiên, khác nhau ở từng lái xe. Tương tác bánh xe với đường
có tính chất phi tuyến. Bản chất truyền lực lốp- đường có tính chất

Khớp- đàn hồi-

ma sát . Vì vậy phản ứng của xe không tuyến tính, các đại lượng vận tốc dọc, ngang
và vận tốc góc quay thân xe đặc trưng cho khả năng ổn định hướng của ô tô.

Hình 1.1. Sơ đồ điều khiển động lực học ô tô

3


Trong đó:
MA: mô men vận tốc;
MB: mô men phanh;

 : góc đánh lái.
(φxmax, φxmin),(φymax, φymix): hệ số bám.
Với mỗi tình huống lái xe có thể điều khiển một cách ngẫu nhiên và xe
chuyển động có thể không như ý, thậm chí là mất khả năng điều khiển. Trong vùng
chưa mất điều khiển, lái xe thay đổi ga, phanh hoặc quay vô lăng nhằm đưa xe về
quỹ đạo mong muốn. Dễ nhận thấy khả năng điều khiển của lái xe vốn bị hạn chế,
vì vậy trong một số tính huống, xe có thể rơi vào vùng mất điều khiển do lái xe tác
động sai, hình 1.1 là sơ đồ điều khiển thông thường. Có thể hình dung, từ các tín
hiệu đo được như vận tốc, gia tốc dọc và ngang cũng như vận tốc góc và các đại
lượng quan sát được khác liên quan đến ổn định hướng, ta có thể dùng chúng để
điều khiển quỹ đạo.

Hình 1.2. Trạng thái mất ổn định hướng ô tô

4


Mục tiêu của điều khiển hướng chuyển động là điều khiển lực kéo/ lực
phanh, tối ưu quá trình tăng tốc và phanh thông qua ABS và TCS. Hệ tích hợp ABS
và TCS là điều khiển ổn định hướng ESP. Hình 1.2 là sơ đồ mô tả trạng thái quay
vòng thừa và thiếu được điều khiển ổn định thông qua phương thức ESP. Khi quay
vòng thiếu, khi cận vật lý, xe có thể chuyển động theo phương tiếp tuyến (mất lái)
ta phải phanh bánh sau để giảm quay vòng thiếu (hình trái); ngược lại nếu quay
vòng thừa, xe mất ổn định, trong tình huống này ta phải phanh bánh trước bên phải
(hình phải).
Khi quay vô lăng, lái xe không xác định được chính xác góc quay bánh xe
cần thiết. Vì vậy, việc quay vô lăng không đúng xe có thể chuyển động không đúng
quỹ đạo, đặc tính quay vòng thừa hoặc thiếu là hai hàm điều kiện cần quan tâm, đặc
trưng bởi góc lệch bên bánh xe hoặc vận tốc và gia tốc góc quay thân xe quanh trục
thẳng đứng. Hình 1.3 là các thông số có thể đánh giá, xác định trạng thái quay vòng
thừa/ quay vòng thiếu thông qua các cặp vận tốc và gia tốc quay thân xe [2].

Hình 1.3.Các thông số đặc trưng trạng thái quay vòng.

5


1.2.2. Tính chất điều khiển ô tô khi chuyển làn đường
Làn đường là một phần của phần đường xe chạy được chia theo chiều dọc của
đường, có bề rộng đủ cho xe chạy an toàn. Thông thường làn đường tại Việt Nam
rộng khoảng 3,5m. Chuyển làn đường để vượt xe khác hoặc chướng ngại vật của ô

tô là quá trình thay đổi hướng chuyển động của ô tô nhằm đưa ô tô chuyển từ làn
đường này sang làn đường khác nhằm tránh xe đi ngược chiều hoặc vượt xe khác
cùng chiều.

Hình 1.4. Quỹ đạo chuyển động của xe khi chuyển làn
Có hai dạng chuyển làn đường là chuyển làn đơn và chuyển làn kép. Sự
chuyển động của ô tô khi chuyển làn là việc người lái thường xuyên phải thay đổi
góc đánh lái để xe có thể đi theo quỹ đạo như mong muốn. Các thông số kết cấu,
tốc độ, góc đánh lái và quy luật đánh lái, các điều kiện ngoại cảnh...ảnh hưởng trực
tiếp đến tính năng ổn định chuyển động trong quá trình chuyển làn của ô tô.
Để có thể chuyển làn đúng như hình 1.4 thì điều khiển của người lái là phức
tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trong nghiên cứu này do không có điều kiện thí
nghiệm xác định quy luật đánh lái nên tác giả xây dựng một quy luật điều khiển góc
đánh lái gần đúng như hình 1.5.

6


Hình 1.5. Đồ thị quá trình đánh lái của xe khi chuyển làn.
Từ đồ thị ta thấy quá trình đánh lái chuyển làn là một quá trình chuyển động
tích hợp trong mặt phẳng đường, chuyển động tịnh tiến theo phương dọc x, chuyển
động ngang y và chuyển động quay thân xe trục z. Tính chất điều khiển khi chuyển
làn là tính chất tích hợp của phanh, ga, góc đánh lái. Trong nghiên cứu này tác giả
mới chỉ mô hình hóa hai quy luật điều khiển góc quay bánh xe dẫn hướng để xe có
thể chuyển làn đường trong khảo sát. Quy luật đánh lái của xe khi chuyển làn khi
xây dựng theo quy luật trên bao gồm:
- Giữ lái cho xe đi thẳng với góc lái δ0 và thời gian t0;
- Đánh lái với góc lái δ1 thời gian t1 là thời điểm quá độ cho các thành phần tạo độ
trễ quá trình đánh lái và giữ lái thời gian t2 sau đó giữ lái sang làn với thời gian t3;
- Đánh trả lái với góc lái δ2 thời gian t4 là thời điểm quá độ cho các thành phần

tạo độ trễ quá trình đánh lái và giữ lái với thời gian t5 để xe đi sang làn;
- Khi trả lái đi thẳng với góc lái δ3 thời gian t6 để xe đi thẳng kết thúc quá
trình chuyển làn đơn;
- Sau đó đánh lái trả về làn với góc đánh lái δ 4 thời gian t7 là thời điểm quá độ
cho các thành phần tạo độ trễ quá trình đánh lái và thời gian giữ lái t8;
- Giữ lái sang làn với thời gian t9;
- Trả lái với góc lái δ5 thời gian t10 là thời điểm quá độ cho các thành phần tạo
độ trễ quá trình đánh lái và giữ lái với thời gian t11;

7


- Sau đó giữ lái đi thẳng với góc lái δ6 và thời gian tiếp theo để xe đi thẳng kết
thúc toàn bộ quá trình chuyển làn kép;
1.3. Mục tiêu, nội dung, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu.
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Các thông số sử dụng có rất nhiều, trong nội dung đề tài, tác giả chỉ nghiên
cứu ảnh hưởng của góc quay vô lăng được đơn giản hóa qua góc quay bánh xe dẫn
hướng δ và vận tốc v, đánh giá tính ổn định của xe du lịch khi chuyển làn đường.
Đưa ra các khuyến nghị khi xe chuyển làn đường nhằm hạn chế các tai nạn, tăng
tính an toàn trong quá trình chuyển làn của xe.
1.3.2. Nội dung nghiên cứu
Với nội dung nghiên cứu, đề tài được trình bày trong ba chương và phần kết
luận đánh giá các kết quả.
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Mô hình động lực học chuyển động ô tô
Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành đến quá trình vượt xe
ô tô du lịch
1.3.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Do hạn chế về mặt thời gian, kinh phí và tính phức tạp của đề tài nên đề tài

mới chỉ thực hiện việc xây dựng mô hình toán học mô tả động lực học chuyển động
của ô tô và xây dựng các quy luật điều khiển của người lái bằng việc sử dụng phần
mềm Matlab- simulink tính toán mô phỏng để đưa ra các kết quả đánh giá ảnh
hưởng của các thông số sử dụng đến ổn định hướng chuyển làn của ô tô trong điều
kiện đường tại Việt Nam.
1.4. Tính cấp thiết của đề tài
Ô tô là phương tiện được sử dụng rộng rãi trong hoạt động kinh tế và xã hội.
Việc nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sử dụng, sự an toàn của loại phương tiện này
luôn là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm giải quyết. Việc nghiên cứu quy
luật chuyển làn và các thông số vận hành ảnh hưởng đến quá trình chuyển làn nhằm
đánh giá các thống số vận hành ảnh hưởng đến quá trình chuyển làn của xe từ đó có

8


những điều chỉnh, chuyển làn một cách an toàn, hợp lý khi lưu thông và đưa ra các
khuyến nghị, giải pháp góp phần vào việc giảm thiểu tai nạn giao thông.
Từ thực trạng trên nên tác giả chọn đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số vận hành đến ổn định quá trình vượt xe ô tô du lịch” nghiên cứu khảo
sát ảnh hưởng của các thông số vận hành đến trạng thái mất ổn định của xe du lịch
khi chuyển làn đường.

9


CHƢƠNG II
MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ
2.1.Cơ sở lý thuyết thiết lập mô hình
2.1.1. Hệ quy chiếu và các phương trình tổng quát
Gd là véc tơ vị trí từ gốc O của hệ G(OXYZ) đến trọng tâm C của xe B(Cxyz).

Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động quay. Hệ tọa độ trong hình
2.1 là hệ tọa độ thuận, có trục OZ song song với trục Cz, gồm ba chuyển động tịnh
tiến phương x, y, z và ba chuyển động góc φ, β, ψ. Để mô tả chuyển động phức hợp
đó ta thiết lập một hệ tọa độ cố định G (OXYZ), trong đó nó có quan hệ với các hệ
tọa độ vật B(Cxyz) như là các hệ tọa độ con. B(Cxyz) có thể quay với các góc φ, β,
ψ trong hệ cố định G (OXYZ) và hệ G (OXYZ) cũng quay trong hệ cục bộ
B(Cxyz). Để đơn giản, trong nghiên cứu động lực học ô tô, ta định nghĩa hệ tọa độ
cố định có trục OZ vuông góc với mặt phẳng nền XOY. Các hệ con B có trục Cz
song song với trục OZ của hệ cố định. Như vậy, các hệ con B có thể quay quanh
trục OX, OY, OZ các góc φ, β, ψ. Sử dụng phương pháp tách cấu trúc và hệ phương
trình Newton- Euler để mô tả động lực học ô tô [2].

Hình 2.1. Định nghĩa hệ tọa độ G(OXYZ), hệ cục bộ xe B(Cxyz)
Giả sử có một véc tơ Br trong hệ B(Cxyz) chuyển sang hệ G (OXYZ) là Gr,
được xác định qua ma trận xoay GRB như sau:
G

r= GRB Br

B

r=GRB-1Gr

(2.1)
10


B

r= BRG Rr

Một điểm P trong hệ con B (Cxyz) có véc tơ gốc GdP so với hệ G (OXYZ) có
vị trí trong hệ G như sau:
G

rP= GRB BrP+ Gdp

Với

G G
P, L

(2.2)

là mô men động lượng trong hệ cố định G, ta xác định lực và mô

men trong hệ G. Biểu thức động lượng và mô men động lượng:
p=mv
L=rC.p

(2.3)

Lấy đạo hàm p và L theo thời gian, ta có véc tơ lực và mômen trong hệ G
GF 

G
Gd
G p GM  d GL
dt
dt

(2.4)

Lực và mô men trong hệ cục bộ được xác định lần lượt theo
BF  G p GB wB

Bp

BM  GL GB wB

BL

 m B aB  mGB wB

 B I GB wB



B

BVB

I GB wB

(2.5)



Hình 2.2. Sơ đồ mô hình hóa động lực học chuyển động
Phương trình chuyển động tịnh tiến tổng quát trong mặt phẳng đường được viết

như sau:
B

Fc  G RBT G FC  m G RBT G vC

 Fx 
 F   m G RT
B
 y
 0 

(2.6)

(vx  v y ) cos  (v y  vx )sin 
(v  v ) cos  (v  v )sin 
x
x
y
 y



0

11

(2.7)


Phương trình mô men của ngoại lực tác dụng được viết như sau:

M c  G RBT B M C

G

 0  cos
 0    sin
  
 M Z   0

 sin
cos
0

0  0   0 
 vx  v y 





0   0    0   m v y  vx 
 0 
1   M z   M z 

(2.8)

Trong đó:
B

Fc - véc tơ lực trong hệ tọa độ B(Cxyz)

G

RBT - ma trận biến đổi từ hệ tọa độ con B(oxyz) sang hệ tọa độ tuyệt đối

G(OXYZ)
G

vC

- véc tơ gia tốc trọng tâm C trong hệ tọa độ tuyệt đối G(OXYZ)

G

M c - ma trận mô men trong hệ G(OXYZ)

B

M C - ma trận mô men trong hệ con G(Cxyz)

Phương trình góc quay thân xe được xác định qua phương trình:

   0   dt

(2.9)

Trọng tâm trong của ô tô trong hệ tọa độ cố định được xác định theo các công
thức sau:
X   (vx cos  v y sin )dt

(2.10)

Y   (vx sin  v y cos )dt

Trong đó:
vx- là vận tốc tịnh tiến của xe
vy - là vận tốc ngang của xe
Từ đó vị trí các bánh xe (1;2;3;4) trong hệ tọa độ cố định được xác định như sau:
X 1  X  l1 cos  b1 sin

(2.11)

Y1  Y  l1 sin  b1 cos
X 2  X  l1 cos  b1 sin

(2.12)

Y2  Y  l1 sin  b1 cos

12


X 3  X  l2 cos  b2 sin

(2.13)

Y3  Y  l2 sin  b2 cos
X 4  X  l2 cos  b2 sin

(2.14)

Y4  Y  l2 sin  b2 cos

Trong đó:
l1- khoảng cách từ trọng tâm tới cầu trước [m];
l2- khoảng cách từ trọng tâm tới cầu sau [m];
b1- ½ chiều rộng cơ sở phía trước [m];
b2- ½ chiều rộng cơ sở phía sau [m];
2.1.2. Phương pháp thiết lập mô hình động lực học ô tô
Ô tô thuộc hệ nhiều vật, có các vật liên kết bởi các phần tử đàn hồi và các
khớp đa dạng. Xe con có thân xe khối lượng được treo liên kết với bánh xe khối
lượng không được treo thông qua hệ thống treo. Nói đơn giản, đây là hệ động lực
học gồm năm khối lượng của hệ và một khối lượng tĩnh và nền đường. Các lực liên
kết giữa khối lượng được treo và không được treo có tính phi tuyến mạnh do: tính
chất vật lý của giảm chấn và phần tử đàn hồi và phi tuyến hình học. Liên kết giữa
bánh xe với đường là liên kết dạng khớp- đàn hồi- ma sát, đặc trưng bởi biến dạng
đàn hồi và trượt: trượt đàn hồi và trượt lết/ trượt quay. Mô hình động lực học ô tô
phải được phân tích cấu trúc trước khi lập mô hình.
Lập mô hình động lực học ô tô gồm các bước sau:
- Phân tích đặc điểm cấu trúc khung vỏ, kiểu hệ thống treo, kiểu lốp;
- Tách cấu trúc và xác định nội lực hệ thống treo, lực tương tác lốp- đường;
- Viết phương trình Niu tơn- Ơ le cho các vật và liên kết các vật theo các mô đun;
- Giải hệ phương trình vi phân cấp 2 bằng phương pháp số.
Các mô đun cơ bản của động lực học ô tô gồm: Thân xe có ba chuyển động
tịnh tiến và ba chuyển động góc. Thân xe liên kết với bốn bánh xe; động lực học
bánh xe như một mô hình con. Như vậy động lực học ô tô là một mô hình tích hợp,
là động lực học của một hệ nhiều vật, liên kết đàn hồi, liên kết ma sát và liên kết
khớp.

13


Hình 2.3 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô
Mô đun chính XY là mô hình động lực học trong mặt phẳng nền XOY, mô tả
chuyển động tịnh tiến theo phương dọc x, phương ngang y và chuyển động quay
thân xe. Thông số đầu vào là các lực mô men tương tác bánh xe Fxj, Fyj, Mzj mà các
thông số đầu ra là các đại lượng x, y , ; mx, my, J z.
Mô đun mô hình lốp xác định lực/ mô men tương tác bánh xe Fxj, Fyj, Mzj,
thông số đầu vào cho mô hình lốp là hệ số trượt dọc và hệ số lệch bên bánh xe. Để
xác định các hệ số trượt dọc ta cần mô đun động lực học bánh xe với thông số đầu
ra là vận tốc góc, các thông số động lực học bánh xe, vận tốc dọc, vận tốc ngang
được xác định qua ma trận xoay giữa hệ tọa độ cố định và cục bộ.
Mô đun bánh xe R mô tả động lực học quay của bánh xe trong mặt phẳng thẳng
đứng.
Mô đun động lực học phương thẳng đứng z nhằm xác định các phản lực Fz.
Bao gồm các mô đun con: Mô đun dao động dọc, mô đun dao động ngang, mô đun
dao động ngang cầu xe, mô đun hệ thống treo. Trong mô đun bánh xe lốp có thông
số vào Fzj. Vì vậy cần thiết lập mô hình động lực học phương thẳng đứng z. Trong
mô đun này có mô đun động lực học thẳng đứng thân xe dọc và ngang, cầu xe, mô
đun hệ thống treo [2].
14