Nghiên cứu mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô với hệ thống ABS + ASR

bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội
------------------------------------

Luận văn thạc sĩ khoa học

Nghiên cứu mô phỏng quỹ đạo
chuyển động của ô tô với hệ thống
ABS + ASR

Ngành : cơ khí ôtô
M số:

nguyễn tiến vũ linh

Ngời hớng dẫn : PGS. TS nguyễn khắc trai

Hà nội 2007



MỤC LỤC
Trang
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ................................................................................ 3
1.1. Tai nạn giao thông và tính điều khiển ô tô ................................................ 3
1.2. Giới thiệu hệ thống phanh ABS trên ô tô và các cơ cấu điều khiển tự động
............................................................................................................................... 6
1.2.1 Khái niệm cơ sở về ABS ...................................................................... 8
1.2.2 Khái niệm cơ sở về ASR .................................................................... 10
1.3. Các kết quả của các đề tài trước đây đã nghiên cứu ................................ 11

1.4. Mục đích và nội dung nghiên cứu cụ thể của đề tài................................. 13
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI ............................................... 15
2.1. Mô hình cơ học ....................................................................................... 15
2.2. Động học ô tô hai cầu .............................................................................. 15
2.2.1 Mô hình động lực học ........................................................................ 15
2.2.2 Quan hệ động lực học trong mô hình toàn xe .................................... 16
2.2.3 Mô hình hệ thống lái .......................................................................... 21
2.2.4 Sự nghiêng thân xe và tải trọng thẳng đứng....................................... 21
2.2.5 Mô tả các quan hệ động học trong mô hình ....................................... 28
2.2.5.1 Xác định các quan hệ trong động học của bánh xe.................... 28
2.2.5.2 Góc lệch bên αi của các bánh xe ................................................ 30
2.2.6 Sự trượt của bánh xe, phương trình tính toán lực trong vết tiếp xúc .....
..................................................................................................................... 33
2.2.7 Phương trình cân bằng sự quay của bánh xe...................................... 38
2.2.7.1 Quan hệ động học của vi sai ...................................................... 38


2.2.7.2 Quan hệ động lực học của vi sai ................................................ 39
2.2.7.3 Sự cân bằng bánh xe................................................................... 39
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN MÔ HÌNH ........................................................... 42
3.1. Chọn phương pháp .................................................................................. 42
3.2. Các phương trình điều khiển hệ thống..................................................... 44
3.2.1. Điều khiển phanh bánh xe ................................................................. 47
3.2.1.1 Khi xe chạy thẳng....................................................................... 47
3.2.1.2 Khi xe quay vòng ....................................................................... 50
3.2.2. Điều khiển hệ thống ABS kết hợp ASR............................................ 53
3.3. Số liệu đầu vào của xe.............................................................................. 56
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ NHẬN XÉT................................ 58
4.1. Các thông số kết quả có thể lấy ra ........................................................... 58
4.2. Kết quả khảo sát ....................................................................................... 59

4.2.1. Khi xe chạy thẳng, phanh gấp có ABS.............................................. 59
4.2.2. Khi xe quay vòng .............................................................................. 62
4.2.3. Khi có sử dụng ASR.......................................................................... 65
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 71


-1-

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ thống ABS và ASR là những hệ thống hiện nay được đưa vào sử dụng
khá phổ biến trên các dòng xe con. Tuy nhiên, những kiến thức hiểu biết về các
hệ thống này còn rất hạn chế. Ở Việt Nam hiện nay, các thực nghiệm tổng thể
chưa được tiến hành, hoặc chưa đủ điều kiện để tiến hành, do vậy đề tài đã thực
hiện nhiệm vụ mô phỏng hệ thống phanh ABS và ASR trên máy tính. Đây là
nhiệm vụ cần thiết trong giai đoạn phát triển hiện nay. Đề tài tập trung vào các
vấn đề về động học và động lực học của ô tô con có các hệ thống trên, nhằm bổ
sung các kiến thức cần thiết giúp ích cho việc nâng cao hiểu biết và đào tạo trong
giai đoạn hiện nay ở nước ta. Ngoài ra, vấn đề còn liên quan đến an toàn giao
thông, do vậy đề tài rất gần với thực tế, qua đó nhằm nâng cao khả năng tiếp cận
với các kiến thức khoa học mới.
Với lý do như trên, đề tài tiến hành “Nghiên cứu mô phỏng quỹ đạo
chuyển động của ô tô với hệ thống ABS và ASR”. Đề tài đã chọn phương pháp
khảo sát bằng máy tính vì đây là khu vực mà các thực nghiệm đo đạc rất khó tiến
hành.
Phạm vi của đề tài rất rộng, do vậy với thời gian cho phép, đề tài chỉ tập
trung vào những vấn đề sau:
- Xây dựng mô hình tính toán cho ô tô con có hệ thống ABS + ASR.
- Đưa vào các mô hình tính toán với hệ thống phanh ABS và ASR cho

xe con, nhằm tìm hiểu sự thay đổi của các thông số động lực học của ô tô, với
nhiệm vụ tập trung chính vào việc khảo sát độ trượt của các bánh xe khi hoạt


-2-

động trên đường ở trạng thái phanh gấp có sử dụng ABS, và trạng thái chống
trượt quay bánh xe có hệ thống ABS và ASR.
Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng, Viện Cơ khí
Động lực Trường ĐHBK Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn Khắc
Trai. Đề tài cũng nhận được nhiều sự hỗ trợ của các thầy trong Bộ môn, Trung
tâm Đào tạo sau Đại học và các bạn đồng nghiệp khác. Tác giả xin chân thành
cảm ơn sự hướng dẫn và chỉ bảo quý báu để bản luận văn được hoàn thành, và
rất mong nhận được sự bổ sung, góp ý của các nhà kỹ thuật để luận văn được
hoàn thiện hơn.
Hà nội tháng 11 năm 2007
Tác giả
Nguyễn Tiến Vũ Linh


-3-

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
1.1 TAI NẠN GIAO THÔNG VÀ TÍNH ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ
Tai nạn giao thông bằng ô tô chịu ảnh hưởng tổng hợp của các nguyên
nhân: Môi trường, Người lái, Kỹ thuật ô tô. Các nguyên nhân này được các nhà
khoa học của thế giới nghiên cứu và chỉ ra ở các quan hệ bằng tỉ lệ %.
Các quốc gia tiên tiến đã thống kê tỉ lệ này nằm trong phạm vi:
Người lái (72 ÷ 80)%

Môi trường (18 ÷ 23)%
Kỹ thuật ô tô (1,5 ÷ 5)%
Các nguyên nhân không xác định khoảng: 1%, với trạng thái xe hoạt động
trên các xa lộ có tốc độ trung bình 60 ÷ 80 km/h.
Theo các công trình nước ngoài, trong các yếu tố trên đã chỉ ra:
Yếu tố người lái là yếu tố lớn nhất và chịu tác động của ý thức xã hội,
trình độ kỹ thuật lái xe và trạng thái tâm sinh lý của người điều khiển. Yếu tố
này thường được cả cộng đồng chăm lo thông qua thể chế pháp lý, giáo dục xã
hội...
Yếu tố môi trường gồm đường xá, thời tiết, môi trường xung quanh... và
phụ thuộc vào đời sống kinh tế xã hội của quốc gia. Khi điều kiện hạ tầng cơ sở
phát triển cao thì yếu tố này có hai mặt: cho phép nâng cao chất lượng vận tải,
nhưng lại tạo điều kiện gia tăng tai nạn giao thông. Để hạn chế các tai nạn giao
thông trong trường hợp này phải nâng cao chất lượng kỹ thuật xe.


-4-

Yếu tố kỹ thuật xe là yếu tố chiếm tỷ lệ nhỏ nhất, song lại là yếu tố rất cần
sự trợ giúp của các nhà kỹ thuật ô tô, và nó là yếu tố cần thiết khi điều kiện môi
trường được hoàn thiện. Tỷ lệ nhỏ của yếu tố này còn nói lên các nhà khoa học
đã có nhiều cố gắng nhằm cải thiện chất lượng chuyển động của ô tô.
Ở nước ta trong giai đoạn vừa qua, đường xá đang dần hoàn thiện, cho
phép tốc độ ô tô nâng lên đáng kể, tuy nhiên chất lượng kỹ thuật xe còn thấp, khả
năng và trình độ lái xe chưa thích ứng kịp do vậy tai nạn giao thông đã nâng đến
mức báo động. Nếu trước đây (trước năm 2000) tốc độ trung bình trên đường 1A
đạt khoảng (40 ÷ 50) km/h thì đến những năm gần đây, tốc độ trung bình đã đạt
tới (60 ÷ 70) km/h. Điều này cần thiết phải tăng cường chất lượng kỹ thuật cho ô
tô đang khai thác bằng các biện pháp pháp lý, kể cả các vấn đề cụ thể về kỹ thuật
xe và yếu tố con người.

Trong các biện pháp nâng cao chất lượng phương tiện thì các hiểu biết về
tính điều khiển của ô tô là một vấn đề cần phải đề cập.
Nhìn tổng thể, quan hệ của quá trình điều khiển của ô tô có thể mô tả trên
hình 1.1 với sơ đồ hệ thống “Đường - Xe - Người”
Sự chuyển động thực tế của ô tô và chuyển động yêu cầu của người lái,
luôn luôn được người lái điều chỉnh với mục đích thực hiện tốt nhất chuyển động
yêu cầu, nhưng không phải lúc nào cũng có thể thoả mãn được yêu cầu này. Để
khảo sát quan hệ này, có thể dùng mô hình điều khiển mạch kín. Trong đề tài
này chỉ đề cập trạng thái quan trọng nhất là yếu tố điều khiển khi phanh. Ở trạng
thái phanh gấp, các bánh xe có thể bị bó cứng, như vậy khả năng điều khiển các
bánh xe bó cứng bị hạn chế rất nhiều, tác động điều khiển ô tô khi đó chỉ còn có


-5-

thể là yếu tố vận tốc. Các tai nạn giao thông trong trường hợp này xảy ra khá phổ
biến.
l¸i xe

Các chuyển động
yêu cầu

Cơ cấu điều khiển
Vành lái

Quay bánh xe
dẫn hướng

Chân ga

Tốc độ chuyển
động của ô tô

Điều kiện
đường

Phanh

Gia tốc chậm của
ô tô

Các điều kiện ngoại
cảnh khác

ChuyÓn ®éng thùc
cña « t«

Hình 1.1 Mô tả tổng thể quan hệ điều khiển của lái xe
và chuyển động của ô tô
Trong quan hệ tổng hợp của ô tô, để có được chuyển động thực tế an toàn
là một mối quan hệ phức tạp bao gồm ảnh hưởng của các thông số kết cấu: lốp,
hệ thống treo, hệ thống lái, hệ thống thuỷ lực, hệ thống phanh và tác động điều
khiển của người lái. Các yếu tố này cần thiết phải xem xét ở các mức độ khác
nhau của đề tài.


-6-

1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHANH ABS TRÊN Ô TÔ VÀ CÁC CƠ
CẤU ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG.

Để hoàn thiện chất lượng hoạt động của ô tô nói chung và của hệ thống
phanh nói riêng, ngày nay một phần đáng kể ô tô đã bố trí thiết bị ABS và ABS
phức hợp.
Hệ thống ABS cho hệ thống phanh được bố trí cho ô tô với mục đích nâng
cao hiệu quả phanh cho ô tô trong mọi trường hợp chuyển động, cụ thể bao gồm:
− Rút ngắn quãng đường phanh,
− Đảm bảo nâng cao ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh.
Hệ thống ABS được gọi theo các chữ viết tắt của tiếng Anh: “Anti-Lock
Brake System” và được hiểu là thiết bị chống trượt lết bánh xe khi phanh. Các
thiết bị này được tổ hợp từ các kết cấu: cơ khí, thuỷ lực (hay khí nén) và điện tử,
đồng thời theo thuật ngữ kỹ thuật hiện nay được dùng: “Mechatronic” (được hiểu
là Cơ điện tử). Hệ thống ABS là một nhóm vấn đề trong lĩnh vực điều khiển của
Mechatronic dùng cho hệ thống phanh.
Hệ thống ABS phức hợp bao gồm ABS và có cùng với chức năng:
− EBD: Hệ thống phân phối lực phanh điện tử, (Electronic Brake-force
Distribution),
− BAS: Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp (Brake Assist System),
− TRC: Hệ thống điều khiển lực kéo bánh xe (Traction Control) trong đó
bao gồm các thiết bị:
+

ASR: kiểm soát trượt quay bánh xe (Anti Spin Regulator),


-7-

VSC: kiểm soát ổn định hướng (Steering Control).
Trên ô tô con ngày nay bố trí phổ biến hệ thống ABS + ASR, các loại tổ
hợp khác thường gặp trên ô tô cao cấp.

5
3

4
7

1
2

8

6

Hình 1.2 Sơ đồ bố trí hệ thống ABS +ASR đơn giản
1. ECU của ABS và ASR
5. Động cơ phun xăng
2. Block thuỷ lực ABS và ASR
6. Van thuỷ lực và bơm trợ lực hỗ trợ
3. Cơ cấu điều khiển bướm ga
7. Bàn đạp chân ga
4. Mô tơ bước của bướm ga
8. Bàn đạp chân phanh


-8-

1.2.1 KHÁI NIỆM CƠ SỞ VỀ ABS
Sự quay của bánh xe trên đường cần phải đảm bảo có khả năng tạo nên lực
bám tốt nhất (càng cao càng tốt). Điều này được thực hiện khi các bánh xe quay
trong giới hạn độ trượt nhỏ trong vùng (15 ÷ 30%), khi đó hệ số bám (bao gồm

cả bám dọc và bám ngang) của bánh xe có khả năng đạt cao.
Khả năng bám dọc và bám ngang cao có ý nghĩa lớn trong khi phanh với lực
phanh (cường độ phanh) cao nhất và khả năng giữ ổn định hướng đang chuyển
động của ô tô.
Sự trượt lết bánh xe trên đường có thể dẫn tới sự giảm hệ số bám dọc và bám
ngang làm xấu hiệu quả phanh và tính ổn định khi phanh, gây nên mài mòn lốp
nhanh và mài mòn không đều bánh xe. Để thực hiện khả năng hoàn thiện chất
lượng phanh như vậy, ngày nay trên ô tô bố trí các hệ thống điện tử điều khiển
sự quay của các bánh xe độc lập (hay một số bánh xe trên cùng một cầu).
Các thiết bị điện tử tham gia điều khiển cùng với lực và hành trình bàn đạp
phanh của ô tô kiểm soát chặt chẽ sự phanh của bánh xe trong giới hạn trượt tối
ưu.
Khi phanh, bánh xe đang quay bị phanh chậm dần tới mức sự trượt vượt quá
giới hạn quy định, cần thiết nhả phanh để tạo nên sự lăn nhất định. Thiết bị điện
tử tham gia hỗ trợ điều này, trong khi bàn đạp phanh vẫn ấn xuống. Nếu bánh xe
tiếp tục quay trở lại, hệ thống phanh lại cần tăng lực phanh đảm bảo phanh xe.
Cứ như vậy, hệ thống điện tử hỗ trợ hệ thống phanh duy trì chế độ lăn có trượt
của bánh xe, trong lúc vị trí bàn đạp phanh không thay đổi.


-9-

Hệ thống ABS cơ bản bao gồm: các mạch bố trí phanh thông thường, bộ
điều khiển điện tử (ECU), các cảm biến (Sensor), cơ cấu thừa hành tác động lên
hệ thống phanh thay đổi lực điều khiển phanh (Actuator). Sơ đồ một mạch điều
khiển ABS đơn giản trình bày trên Hình 1.2.
Cảm biến xác định tốc độ quay của bánh xe được phanh, chuyển thành tín
hiệu điện chuyển về bộ điều khiển trung tâm ECU.
Bộ điều khiển xác định chế độ làm việc của bánh xe (độ trượt), đưa ra tín
hiệu điều khiển van điều khiển (cơ cấu thừa hành), điều chỉnh áp suất khí để

tránh bó cứng bánh xe.
Van điều khiển áp suất nhận tín hiệu và điều khiển áp suất chất lỏng cấp cho
bầu phanh bánh xe tiến hành phanh hay nhả phanh.
5

Hình 1.2: Sơ đồ đơn giản một
mạch điều khiển phanh ABS
1. Cảm biến (Sensor)
2. Bộ điều khiển (ECU)
3. Cơ cấu thừa hành (Actuator)
4. Bầu phanh bánh xe
5. Van phân phối

3

4

2

1

Đây là hệ thống điều khiển có mạch phản hồi thực hiện điều chỉnh theo
mạch điều khiển kín, giúp cho bánh xe luôn nằm trong trạng thái phanh với độ
trượt tối ưu trước giới hạn trượt lết. Trong kết cấu thực tế hệ thống có thể tổ hợp
là nhiều mạch điều khiển cho từng đầu trục bánh xe.


- 10 -

1.2.2 KHÁI NIỆM CƠ SỞ VỀ ASR

Sự trượt quay xảy ra khi mômen từ động cơ truyền xuống bánh xe vượt quá
giới hạn bám tại bánh xe. Sự trượt quay chỉ xuất hiện trên các bánh xe chủ động,
do vậy ASR được bố trí trên các bánh xe này. Tương tự như sự trượt lết khi
phanh, sự trượt quay cũng có tác động xấu tới khả năng bám của bánh xe, đồng
thời gây nên tiêu thụ nhiên liệu vô ích. Sự trượt quay cũng làm mất khả năng ổn
định hướng chuyển động của ô tô và gây mài mòn nhanh lốp. Do vậy trên xe có
trang bị ASR có khả năng làm tốt các yếu tố động lực của ô tô.
Nguyên lý làm việc của ASR có thể mô tả đơn giản trên hình 1.3.
Hình 1.3: Nguyên lý làm việc
của ASR
1. Bán trục
2. Cơ cấu phanh
3. Bánh xe

Mphanh=70%
2

1

3

Mtrục=100%
Mbám=30%

Khi ô tô chuyển động, mômen truyền xuống bán trục được coi là 100%, khả
năng bám trên nền chỉ bằng 30%, bánh xe sẽ bị trượt quay với hệ số trượt lớn, xe
không chuyển động bằng công suất từ động cơ truyền xuống, mà chỉ bằng giá trị
do lực bám thực tế tác động.
Nhờ thiết bị ASR, tại cơ cấu phanh tạo nên mômen phanh bằng khoảng 70%,
thì bánh xe sẽ không còn bị trượt lớn.

Một số xe còn bố trí thêm hệ thống tự động nâng chân ga để hạn chế mômen
động cơ truyền xuống bánh xe quá lớn.


- 11 -

Sử dụng thiết bị ABS ở chế độ làm việc có mômen chủ động trên bánh xe
nhằm tạo nên mômen phanh hạn chế tối đa sự trượt quay này. Như vậy ASR chỉ
có trên xe ABS, tổ hợp này được ký hiệu là ABS+ASR, nhiều xe chỉ ký hiệu
ASR cũng được hiểu là xe có ABS+ASR.
Muốn làm việc ở chế độ ASR cần thiết phải có cơ cấu kích hoạt chuyển sang
chế độ có ASR. Trên ô tô ngày nay sử dụng một phím ấn kích hoạt, tại chế độ
này đèn ASR sáng. Người lái xe điều khiển ô tô trên đường, khi thấy tác động
của việc nhấn sâu chân ga không có hiệu quả nâng tốc độ chuyển động của ô tô,
người lái sẽ chuyển sang chế độ làm việc có ASR. Khi chuyển động trên đường
tốt, để phát huy tốc độ ô tô người lái lập tức nhả phím ấn, khi đó ô tô chỉ hoạt
động ở chế độ ABS.

1.3 CÁC KẾT QUẢ CỦA CÁC ĐỀ TÀI TRƯỚC ĐÂY ĐÃ NGHIÊN CỨU
Vấn đề xác định các thông số động học, động lực học chuyển động của ô
tô đã được đề cập trong nhiều tài liệu về lý thuyết và kết cấu của ô tô. Tuy nhiên,
kể từ khi tốc độ của ô tô gia tăng và các ứng dụng của kỹ thuật số được áp dụng
đã làm cho kết cấu của ô tô ngày càng trở nên hoàn thiện.
Riêng đối với các vấn đề động lực học chuyển động quay vòng của ô tô
khi phanh, các tác giả trên thế giới đã đề cập đến khá nhiều và kết quả của các
vấn đề này đã được áp dụng trong thực tế.
Ở Việt Nam, vấn đề này cũng được nhiều cán bộ kỹ thuật quan tâm ở các
mức độ khác nhau. Các nghiên cứu trước đây liên quan đến đề tài có thể kể đến:

- 12 -

a) Xây dựng các bài toán quỹ đạo và xác định hành lang quét của Đàm
Hoàng Phúc (1998) nhằm xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô con khi
chuyển động trên đường với vận tốc thay đổi.
b) Nghiên cứu quá trình phanh của ô tô tải khi gặp sự cố mất mô men
phanh của nhóm tác giả Nguyễn Khắc Trai và Đàm Hoàng Phúc (2000), nhằm
xác định quãng đường chuyển động của ô tô tải khi quay vòng mất phanh ở các
mức độ khác nhau, với hệ thống phanh không có ABS và điều hoà lực phanh.
c) Nghiên cứu động lực học tổng thể toàn xe có ABS và điều hoà lực
phanh trong tài liệu về tính ổn định và quỹ đạo chuyển động của ô tô, tác giả
Nguyễn Khắc Trai.
Để thực hiện các bài toán này, các đề tài đã giải quyết bằng lập trình
Pascal, Matlab. Trong phần Simulink của Matlab có mô tả sự phanh bánh xe có
sử dụng ABS. Tuy nhiên chương trình giới hạn với mục đích hướng dẫn sử dụng
Simulink, do đó bài toán chỉ sử dụng trên mô hình một bánh xe mà không thể
hiện mối liên hệ của bốn bánh xe.
Các kết quả của các vấn đề được nghiên cứu trên đây là lân cận của nội
dung đề tài. Song chưa có đề tài nào mô tả được yêu cầu của ô tô trên mô hình
không gian bốn bánh xe có hệ thống điều khiển phanh ABS + ASR. Trong khuôn
khổ luận văn này, đề tài thực hiện đi tiếp các nội dung trên, tuy nhiên cũng chỉ
đề cập vào bổ sung thêm một số vấn đề cơ bản mang tính chất định hướng cho
các nghiên cứu tiếp theo.
Vấn đề về độ trượt của bánh xe trong các mối quan hệ tổng quát của ô tô
rất khó đo đạc trực tiếp. Các phần điều khiển thường sử dụng thông qua:
- Đo vận tốc của các bánh xe.


- 13 -

- Đo gia tốc dọc của ô tô.
Để xác định độ trượt, sử dụng mô phỏng tính toán là thuận lợi hơn cả. Do
vậy đề tài sẽ tập trung để mô tả được quan hệ độ trượt này.

1.4 MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỤ THỂ CỦA ĐỀ TÀI
Trên cơ sở đã phân tích ở trên, đề tài tập trung mô phỏng quá trình chuyển
động của ô tô trên mô hình không gian bốn bánh xe trong quá trình phanh, có sử
dụng hệ thống ABS khi:
+ Xe chuyển động thẳng.
+ Xe chuyển động quay vòng.
Và mô phỏng quá trình chuyển động của ô tô khi có hệ thống ASR (hệ
thống chống trượt quay bánh xe)
Do vấn đề cần khảo sát khá rộng, trong giới hạn khuôn khổ của luận văn
cao học, đề tài chỉ tập trung chính vào việc khảo sát sự trượt của các bánh xe ô tô
con trong hệ thống liên kết các bánh xe với ô tô mà các đề tài khác ít đề cập đến.
Mục tiêu của đề tài:
- Mô phỏng trên máy tính trạng thái chuyển động của ô tô con khi có hệ
thống ABS và ASR, thừa kế các mô hình không gian mô tả chuyển động của ô
tô, do đó đề tài đã:
- Đưa vào phần điều khiển ABS và ASR cho xe con ở mức độ thích hợp
nhằm xác định được các biến đổi của quan hệ động học và động lực học trên ô
tô.


- 14 -

- Chọn được mô hình và bộ số liệu thích hợp, có độ chính xác cao nhằm
đưa ra các kết luận về độ trượt của các bánh xe trên ô tô trong việc khảo sát mô
hình không gian.
Nhiệm vụ của đề tài được hoàn thiện bao gồm bốn chương:

Chương I: Tai nạn giao thông và tính điều khiển của ô tô với tiêu đề Tổng
quan để định hướng cho đề tài và giới hạn công việc thực hiện trong luận văn.
Chương II: Cơ sở lý luận của đề tài. Trong chương này chỉ ra được các
mục tiêu khảo sát và ứng dụng các mô hình tính toán, các phương trình quan hệ
động học và động lực học của ô tô con gồm bốn bánh, cầu trước chủ động. Đặc
biệt, đề tài đã vận dụng mô hình bánh xe và khảo sát sự quay của bánh xe gắn
liền với hệ thống chuyển động.
Chương III: Tính toán mô hình, lựa chọn thông số kết cấu một xe con với
bộ số liệu tin cậy có thể xác định được, nhằm mục địch chọn được phương pháp
giải thích hợp.
Chương IV: Các kết quả của đề tài và nhận xét, tập trung chủ yếu vào các
kết quả về khảo sát độ trượt của các bánh xe với hệ thống ABS và ASR


- 15 -

CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

2.1 MÔ HÌNH CƠ HỌC
Để nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô, ta khảo sát trong hai hệ toạ
độ không gian sau: OX0Y0Z0 là hệ toạ độ cố định đặt tại mặt đường, TXYZ là hệ
toạ độ di động đặt tại trọng tâm ô tô. Từ hai hệ toạ độ trên, ta có thể coi ô tô là
một vật rắn có khối tâm đặt tại trọng tâm T chuyển động trong hệ toạ độ
OX0Y0Z0, còn với hệ toạ độ TXYZ thì nó là một hệ thống cơ học biến dạng.
Do đó, từ hai hệ toạ độ đã chọn vị trí của ô tô hoàn toàn được xác định
bằng các thông số sau: toạ độ trọng tâm T(x0,y0), góc quay ε, góc chuyển hướng
α. Tại mỗi thời điểm, một bộ giá trị này thể hiện một điểm trong quỹ đạo chuyển
động của ô tô. Hay nói cách khác, tập hợp các điểm này theo thời gian tạo nên
đường cong trong không gian gọi là quỹ đạo chuyển động. Và như vậy, việc xác

định quỹ đạo ô tô có nghĩa là phải xác định cả vận tốc góc quay thân xe, vận tốc
biến đổi góc lệch bên của vận tốc, gia tốc bên, tức là đạo hàm của các chuyển vị:
ε, α, x, y. Đó là hàm mục tiêu của bài toán quỹ đạo, gọi chung là các thông số
quỹ đạo.
2.2 ĐỘNG HỌC Ô TÔ HAI CẦU
2.2.1 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC:
Theo các mục đích nghiên cứu của đề tài, có thể sử dụng các mô hình sau:


- 16 -

1. Mô hình phẳng hai vết: Sử dụng mô hình này sẽ không để ý tới các ảnh
hưởng của hệ thống treo.
2. Mô hình không gian tổng thể: Mô hình không gian tổng thể cho phép
thiết lập các quan hệ động lực học tương đối đầy đủ, có thể phản ánh hết các yếu
tố ảnh hưởng, với mục đích chính của đề tài này, chúng ta sử dụng mô hình
không gian tổng thể có sử dụng các giả thiết để hạn chế tính phức tạp trong tính
toán (H2.1). Qua phân tích trên, bài toán quỹ đạo chuyển động bao gồm việc xác
định toạ độ X0, Y0, Z0 của trọng tâm, góc lệch α, góc quay thân xe ε, góc nghiêng
thân xe ψ, vận tốc chuyển động tức thời V, và như vậy cũng có nghĩa là phải xác
định cả vận tốc góc quay thân xe έ, vận tốc biến đổi góc lệch vận tốc ά, gia tốc
hướng tâm ÿ, tức là các đạo hàm của chuyển vị: ε, α, x, y. Đó là các hàm mục
tiêu của bài toán quỹ đạo chuyển động, và để thuận tiện ta gọi các tham số trên là
thông số quỹ đạo.
Khả năng mô tả toán học của mô hình cho phép ta thiết lập được đầy đủ
các phương trình mô tả các quan hệ động học của ô tô, song tuỳ thuộc vào mục
tiêu nghiên cứu của bài toán người ta có thể sử dụng những giả thiết phù hợp
nhằm đơn giản hoá bài toán mà không làm mất đi tính đúng đắn khoa học của
nó, chính điều này đã tạo nên một trong những ưu thế của phương pháp toán đã
trình bày ở trên.

2.2.2 QUAN HỆ ĐỘNG LỰC HỌC TRONG MÔ HÌNH TOÀN XE
Để xây dựng mô hình trên hình 2.1, sử dụng một số giả thiết sau:
• Ô tô chuyển động trên mặt đường bằng phẳng.


- 17 -

• Thân xe cứng đặt đàn hồi trên các cầu xe
• Chuyển động tương đối giữa thân xe và các cầu xe được để ý thông qua
góc nghiêng ψ, góc nghiêng bánh xe coi là nhỏ và bỏ qua.
Jz

.

m.v
ts

S3
X3

Z3

hg

m.g
.
.
m.v(ε+α)

S4
Z4 X4
zo

S1

βt1

Z1

L

yo

α

ε

b
a

X2

S2
Z2

tt
βt2

xo

Hình 2.1 Mô hình ô tô hai cầu

l’

Z
+

X

l’t
z

Y

p

S

PΣ T

T

m

rs

x

h

S
T

h

h
Z

T’

rt

h
ls

lt

Z

L
Hình 2.2 Sơ đồ quan hệ lực trên mặt phẳng dọc ô tô

p


- 18 -

Y

Yo
O

+ Xo

L
lt
ls
β3

MS3
F3

α
ε

&
Jz.ε&

T

P

ts

F4

S1

F1

S3

β4

MS4

β1

MS1

mv&

mv α&+ ε&

&
mψhψψ&

X

v

tt

Xo
β2

MS2
F2

S2

S4

Hình 2.3 Các lực và mô men xác định trong mặt phẳng ngang

• Các lực dọc và ngang của bánh xe được khảo sát trong quan hệ với độ
trượt, và quan hệ biến dạng tính toán.
• Mô hình xây dựng trên cơ sở chuyển động song phẳng của ô tô, ảnh
hưởng của chiều cao gây nên các lực và mômen được biểu thị bằng các tải trọng
đặt trên bánh xe.
• Các bánh xe quay xung quanh trục đứng với các góc quay như nhau.
• Bỏ qua mô men hiệu ứng con quay MG
• Coi góc lệch bánh xe do khoảng cách βs = 0
• Bỏ qua lực cản không khí Pω


- 19 -

Các lực tác dụng đặt tại trọng tâm xe:
- Trọng lực, lực quán tính theo phương X, Y của ô tô.
- Mômen quán tính quanh trục Tz.
Các lực và mômen tác dụng đặt tại bánh xe:
- Phản lực thẳng đứng
- Lực cản lăn.
- Lực kéo chủ động đặt tại các bánh chủ động.
- Lực ngang đặt tại điểm giữa của vết và mômen đàn hồi của bánh xe.
Các lực tác dụng theo phương trục X gọi là lực dọc và ký hiệu là Fj, các
lực tác dụng theo phương trục Y gọi là các lực ngang và ký hiệu là Sj (j=1,4).
Lực quán tính ly tâm m.ÿ = m.v.( α&+ ε&), mômen quán tính ôtô quanh trục

Z: Jz.

Theo nguyên lý Đalambe, ta viết các phương trình cân bằng lực và mômen
sau:
Phương trình cân bằng theo phương dọc của xe:

-m.V&cosα+m.v.( α&+ ε&).sinα–S1sinβ1–S2sinβ2+F1cosβ1+F2cosβ2+F3cosβ3
+F4cosβ4–S3sinβ3–S4sinβ4= 0

(2.1)

Phương trình cân bằng lực theo phương ngang của xe:
-m.V&sinα–m.v.( α&+ ε&).cosα+S1cosβ1+S2cosβ2+F1sinβ1+F2sinβ2+F3sinβ3
+F4sinβ4+S3cosβ3+S4cosβ4= 0

(2.2)


- 20 -

Phương trình cân bằng mômen quanh trục đứng OZ:
&+(S1cosβ1+S2cosβ2)lt+(F1sinβ1+F2sinβ2)lt–(S3cosβ3+ S4cosβ4)ls –(F3sinβ3 +
-J. ε&
F4sinβ4)ls+(S1sinβ1–S2sinβ2)
S4sinβ4)

Tt
T
+(F2cosβ2 – F1cosβ1) t +(S3sinβ3–
2

2

Ts
T
+(F4cosβ4–F3cosβ3) s –Msk1–Msk2–Msk3–Msk4 = 0
2
2

(2.3)

Từ các phương trình trên, ta rút ra các phương trình vi phân chuyển động
sau:
1
V& =
[(S1cosβ1+S2cosβ2+F1sinβ1+F2sinβ2+F3sinβ3+F4sinβ4+S3cosβ3
M

+S4cosβ4)sinα +(–S1sinβ1–S2sinβ2+F1cosβ1+F2cosβ2+F3cosβ3 +F4cosβ4–S3sinβ3–
S4sinβ4)cosα]

α&=

1
[S1cosβ1+S2cosβ2+F1sinβ1+F2sinβ2+F3sinβ3+F4sinβ4
mVcosα

+S3cosβ3+S4cosβ4]–

&=
ε&

(2.4)

V&sin α
– ε&
v cos α

1
[(S1cosβ1+S2cosβ2)lt+(F1sinβ1+F2sinβ2)lt–(S3cosβ3+ S4cosβ4)ls –
J

(F3sinβ3 + F4sinβ4)ls+(S1sinβ1–S2sinβ2)
S4sinβ4)

(2.5)

Tt
T
+(F2cosβ2 – F1cosβ1) t +(S3sinβ3 –
2
2

Ts
T
+(F4cosβ4–F3cosβ3) s –Msk1–Msk2–Msk3–Msk4]
2
2

(2.6)

- 21 -

2.2.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI
Hệ thống lái trên ô tô con là hệ thống cơ học đàn hồi, việc khảo sát như
vậy bài toán trở nên quá phức tạp. Do đó, để bài toán đơn giản, ta sử dụng mô
hình hệ thống lái không đàn hồi với công thức tính toán như sau:
β1 = β2 =

β vl
ir

(2.7)

Trong đó ir: Tỉ số truyền của cơ cấu lái.
Khi sử dụng phương trình này, đề tài đã chấp nhận giả thiết sau:
- Góc quay các bánh xe dẫn hướng là như nhau.
- Các tác động của hệ thống treo đến bánh xe dẫn hướng được bỏ qua.
- Hệ thống lái không đàn hồi có nghĩa là dẫn động lái từ vành lái đến các

đòn quay đứng là cứng tuyệt đối, sự biến dạng của bánh xe được tính trong
phương trình độ trượt. Với giả thiết như vậy, hệ thống lái cơ khí được mô tả qua
công thức (2.7) giúp cho bài toán có thể giải trên máy tính cá nhân với bộ nhớ
(RAM) hạn chế.

2.2.4 SỰ NGHIÊNG THÂN XE VÀ TẢI TRỌNG THẲNG ĐỨNG
Như mô hình đã chọn, góc nghiêng thân xe ảnh hưởng tới sự phân bố tải
trọng thẳng đứng, lực và momen trong vết tiếp xúc, vì vậy sự nghiêng thân xe
liên quan đến hệ thống treo có ý nghĩa rất quan trọng.
Trong khi ô tô chuyển động, do có các gia tốc theo phương dọc, ngang nên

gây ra sự nghiêng thân xe với góc nghiêng ψ với vận tốc ψ&, gia tốc ψ&&đồng thời