Nghiên cứu, khảo sát ổn định phanh ô tô

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

Luận văn thạc sĩ khoa học

Nghiên cứu, khảo sát ổn định
phanh ôtô

Ngành : cơ khí ôtô
M số:

Nguyễn ngọc quỳnh

Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Võ Văn Hờng

Hà nội 2007



Mục lục
Trang
Lời nói đầu
Mục lục.............................................................................................................. 1
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ............................................................. 3
Danh mục các bảng, hình vẽ ............................................................................. 6
Chơng 1: Tổng quan ............................................................................. 9
1.1. Nhiệm vụ và yêu cầu của đề tài.............................................................. 9
1.2. Hiệu quả phanh ôtô .............................................................................. 10
1.3. Phơng pháp nghiên cứu, phơng pháp lập mô hình ........................... 13
1.4. Giới hạn của đề tài................................................................................ 15

Chơng 2: Mô hình bánh xe đàn hồi............................................. 17
2.1. Đặc điểm cấu trúc................................................................................. 17
2.2. Các thông số động học bánh xe ........................................................... 17
2.3. Mô hình lốp .......................................................................................... 21
2.4. Một số mô hình lốp .............................................................................. 22
2.4.1. Mô hình Burckhardt ........................................................................ 22
2.4.2. Mô hình Paceijka............................................................................. 23
2.4.3. Mô hình tuyến tính .......................................................................... 24
2.4.4. Mô hình Ammon ............................................................................. 24
Chơng 3: Lập mô hình nghiên cứu hiệu quả phanh............. 28
3.1. Phơng pháp lập hệ phơng trình......................................................... 28
3.2. Mô hình hệ thống treo .......................................................................... 29
3.2.1. Hệ số cứng của hệ thống treo .......................................................... 31
3.2.2. Đặc tính giảm chấn.......................................................................... 32


3.3. Mô hình 1/4 ......................................................................................... 35
3.4. Mô hình phẳng ..................................................................................... 40
3.5. Mô hình quay vòng .............................................................................. 44
Chơng 4: khảo sát một số thông số ảnh hởng đến quá
trình phanh.............................................................................................. 49
4.1. Khảo sát mô hình 1/4 ........................................................................... 49
4.1.1. Khảo sát ảnh hởng của biên độ kích động mặt đờng .................. 49
4.1.2. Khảo sát ảnh hởng của cờng độ đạp phanh................................. 54
4.1.3. Khảo sát ảnh hởng của tốc độ đạp phanh...................................... 58
4.1.4. Khảo sát ảnh hởng của mômen phanh trên các loại đờng khác nhau
................................................................................................................... 62
4.2. Khảo sát mô hình 1 dãy........................................................................ 65
4.2.1. Khảo sát ảnh hởng của phân bố mômen ....................................... 65
4.2.2. Khảo sát ảnh hởng của độ chậm tác dụng..................................... 73

4.2.3. Khảo sát ảnh hởng của mômen phanh trên các loại đờng khác nhau
................................................................................................................... 81
4.3. Khảo sát trờng hợp khi phanh có tác dụng của gió ngang ................. 85
Kết luận ..................................................................................................... 87
Tài liệu tham khảo............................................................................... 89
Phụ lục........................................................................................................ 90


1

Mục lục
Trang
Lời nói đầu
Mục lục.............................................................................................................. 1
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ............................................................. 3
Danh mục các bảng, hình vẽ ............................................................................. 6
Chơng 1: Tổng quan ............................................................................. 9
1.1. Nhiệm vụ và yêu cầu của đề tài.............................................................. 9
1.2. Hiệu quả phanh ôtô .............................................................................. 10
1.3. Phơng pháp nghiên cứu, phơng pháp lập mô hình ........................... 13
1.4. Giới hạn của đề tài................................................................................ 15
Chơng 2: Mô hình bánh xe đàn hồi............................................. 17
2.1. Đặc điểm cấu trúc................................................................................. 17
2.2. Các thông số động học bánh xe ........................................................... 17
2.3. Mô hình lốp .......................................................................................... 21
2.4. Một số mô hình lốp .............................................................................. 22
2.4.1. Mô hình Burckhardt ........................................................................ 22
2.4.2. Mô hình Paceijka............................................................................. 23
2.4.3. Mô hình tuyến tính .......................................................................... 24
2.4.4. Mô hình Ammon ............................................................................. 24

Chơng 3: Lập mô hình nghiên cứu hiệu quả phanh............. 28
3.1. Phơng pháp lập hệ phơng trình......................................................... 28
3.2. Mô hình hệ thống treo .......................................................................... 29
3.2.1. Hệ số cứng của hệ thống treo .......................................................... 31
3.2.2. Đặc tính giảm chấn.......................................................................... 32
3.3. Mô hình 1/4 ......................................................................................... 35
3.4. Mô hình phẳng ..................................................................................... 40
3.5. Mô hình quay vòng .............................................................................. 44


2

Chơng 4: khảo sát một số thông số ảnh hởng đến quá
trình phanh.............................................................................................. 49
4.1. Khảo sát mô hình 1/4 ........................................................................... 49
4.1.1. Khảo sát ảnh hởng của biên độ kích động mặt đờng .................. 49
4.1.2. Khảo sát ảnh hởng của cờng độ đạp phanh................................. 54
4.1.3. Khảo sát ảnh hởng của tốc độ đạp phanh...................................... 58
4.1.4. Khảo sát ảnh hởng của mômen phanh trên các loại đờng khác
nhau ........................................................................................................... 62
4.2. Khảo sát mô hình 1 dãy........................................................................ 65
4.2.1. Khảo sát ảnh hởng của phân bố mômen ....................................... 65
4.2.2. Khảo sát ảnh hởng của độ chậm tác dụng..................................... 73
4.2.3. Khảo sát ảnh hởng của mômen phanh trên các loại đờng khác
nhau ........................................................................................................... 81
4.3. Khảo sát trờng hợp khi phanh có tác dụng của gió ngang ................. 85
Kết luận ..................................................................................................... 87
Tài liệu tham khảo............................................................................... 89
Phụ lục........................................................................................................ 90

3

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
- A ( m2 )

: Diện tích, thiết diện

-c

: Hệ số khí động

- ( kg / cm3 )

: Mật độ không khí

- CL ( N / m )

: Độ cứng hớng kính lốp

- CL1 ( N / m )

: Độ cứng hớng kính lốp trớc

- CL 2 ( N / m )

: Độ cứng hớng kính lốp sau

- C ( N / m)

: Độ cứng hệ thống treo

- C1 ( N / m )

: Độ cứng treo trớc

- C2 ( N / m )

: Độ cứng treo sau

- K ( Ns / m )

: Hệ số cản hệ thống treo

- K1 ( Ns / m )

: Hệ số cản hệ thống treo trớc

- K 2 ( Ns / m )

: Hệ số cản hệ thống treo sau

- a (m)

: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trớc

- b (m)

: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau

-r

: Bán kính tự do lốp

(

- J kgm 2

)

: Mômen quán tính trục y của xe

- J yA1 kgm 2

(

)

: Mômen quán tính trục y của cầu trớc

(

)

: Mômen quán tính trục y của cầu sau

- J yA 2 kgm 2
- h (m)

: Chiều cao mấp mô của đờng

- h1 ( m )

: Chiều cao mấp mô của đờng phía trớc

- h2 ( m )

: Chiều cao mấp mô của đờng phía sau

- FZ ( N )

: Tải trọng từ đờng tác dụng lên bánh xe


4

- FZ 1 ( N ) : Tải trọng từ đờng tác dụng lên bánh xe phía trớc
- FZ 2 ( N ) : Tải trọng từ đờng tác dụng lên bánh xe phía sau
- FZt ( N )

: Tải trọng tĩnh của bánh xe

- FZ 1,t ( N ) : Tải trọng tĩnh bánh xe phía trớc
- 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 trớc
- 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 trớc
- FC 2 ( N ) : Lực đàn hồi hệ thống treo sau
- FK ( N )

: Lực cản hệ thống treo

- FK 1 ( N ) : Lực cản hệ thống treo trớc
- FK 2 ( N ) : Lực cản hệ thống treo sau
- FCL ( N ) : Lực đàn hồi hớng kính bánh xe
- FCL1 ( N ) : Lực đàn hồi hớng kính bánh xe trớc
- FCL 2 ( N ) : Lực đàn hồi hớng kính bánh xe sau
- m(N )

: Khối lợng đợc treo

- m1 ( N )

: Khối lợng đợc treo trớc

- m2 ( N )

: Khối lợng đợc treo sau

- mA1 ( N ) : Khối lợng không đợc treo trớc
- mA 2 ( N ) : Khối lợng không đợc treo sau
- b

: Hệ số bám đờng

- ft ( m )

: Độ võng tĩnh


5

- f t1 ( m )

: Độ võng tĩnh phía trớc

- ft 2 ( m )

: Độ võng tĩnh phía sau

- ( rad ) : Góc lắc thân xe
- (m)

: Chuyển vị phơng thẳng đứng cầu xe

- 1 ( m )

: Chuyển vị phơng thẳng đứng cầu trớc

- 2 ( m )

: Chuyển vị phơng thẳng đứng cầu sau

- &( m / s ) : Vận tốc phơng thẳng đứng cầu xe
- &

1 ( m / s ) : Vận tốc phơng thẳng đứng cầu trớc
- &
2 ( m / s ) : Vận tốc phơng thẳng đứng cầu sau

(

)

(

)

(

)

&m / s 2 : Gia tốc phơng thẳng đứng cầu xe
- &
& m / s 2 : Gia tốc phơng thẳng đứng cầu trớc
- &
1
& m / s 2 : Gia tốc phơng thẳng đứng cầu sau
- &
2

(

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

)

: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phơng thẳng đứng khối

lợng đợc treo

(

2
- z1 , z&
z&
1, &
1 m, m / s, m / s

)

: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phơng thẳng đứng khối

lợng đợc treo trớc

(

)

2
z&
- z2 , z&2 , &
: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phơng thẳng đứng khối
2 m, m / s , m / s

lợng đợc treo sau


6

Danh mục các bảng và hình vẽ
Trang
Hình 1.1.Nguyên lý phanh ........................................................................................10
Hình 1.2.Sơ đồ cấu trúc ôtô.......................................................................................14
Hình 1.3.Sơ đồ cấu trúc ngang và dọc ôtô.................................................................14
Hình 1.4.Sơ đồ cấu trúc quay vòng ...........................................................................15
Hình 2.1.Thông số động lực học các loại bánh xe. ...................................................18
Hình 2.2.Hệ số bám dọc à B và hệ số bám ngang à S ................................................20
Hình 2.3.Hệ số bám dọc, ngang phụ thuộc hệ số trợt .............................................20
Hình 2.4.Mô hình lốp ................................................................................................21
Hình 2.5.Sơ đồ tính lực Fx , Fy của lốp ......................................................................22
Hình 2.6.Đồ thị lực tơng tác bánh xe Fx theo hệ số trợt s......................................24
Hình 2.7.Hàm Ammon ..............................................................................................25
Hình 2.8.Hệ số bám cực đại và hệ số bám khi trợt trên các loại đờng khác nhau
với hai trạng thái khô và ớt......................................................................................26
Hình 3.1.Mô hình hệ thống treo ................................................................................30
Hình 3.2.Đặc tính đàn hồi .........................................................................................31
Hình 3.3.Sơ đồ xác định chế độ mở của tiết lu........................................................33
Hình 3.4.Mô hình động lực học ôtô 1/4 ....................................................................36
Hình 3.5.Sơ đồ tách cấu trúc và lực...........................................................................37
Bảng 3.1.Một số thông số kỹ thuật của xe khảo sát (mô hình 1/4) ...........................39
Hình 3.6.Mô hình phẳng động lực học ôtô................................................................40
Hình 3.7.Sơ đồ lực mô hình phẳng động lực học ôtô ................................................41
Hình 3.8.Mô hình động lực học ngang......................................................................45
Hình 3.9.Quan hệ động học.......................................................................................46

Bảng 3.2.Thông số của xe khảo sát(mô hình phẳng) ................................................48
Hình 4.1.1.Đồ thị mômen bánh xe(ảnh hởng kích động mặt đờng) .....................50
Hình 4.1.2.Đồ thị hệ số trợt(ảnh hởng kích động mặt đờng) ..............................50
Hình 4.1.3.Đồ thị hệ số bám(ảnh hởng kích động mặt đờng)...............................51


7

Hình 4.1.4.Đồ thị lực phanh (ảnh hởng kích động mặt đờng)...............................51
Hình 4.1.5.Đồ thị gia tốc (ảnh hởng kích động mặt đờng) ...................................52
Hình 4.1.6.Đồ thị vận tốc (ảnh hởng kích động mặt đờng)...................................52
Hình 4.1.7.Đồ thị quãng đờng (ảnh hởng kích động mặt đờng) .........................53
Hình 4.1.8.Đồ thị hệ số trợt (ảnh hởng của Mpmax) ............................................55
Hình 4.1.9.Đồ thị hệ số bám (ảnh hởng của Mpmax).............................................55
Hình 4.1.10.Đồ thị lực phanh (ảnh hởng của Mpmax)............................................56
Hình 4.1.11.Đồ thị gia tốc (ảnh hởng của Mpmax) ................................................56
Hình 4.1.12.Đồ thị vận tốc (ảnh hởng của Mpmax)................................................57
Hình 4.1.13.Đồ thị quãng đờng (ảnh hởng của Mpmax) ......................................57
Hình 4.1.14.Đồ thị mômen bánh xe (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh) ..................58
Hình 4.1.15.Đồ thị hệ số trợt (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh) ...........................59
Hình 4.1.16.Đồ thị hệ số bám (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh) ............................59
Hình 4.1.17.Đồ thị lực phanh (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh).............................60
Hình 4.1.18.Đồ thị gia tốc (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh) .................................60
Hình 4.1.19.Đồ thị vận tốc (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh).................................61
Hình 4.1.20.Đồ thị quãng đờng (ảnh hởng của tốc độ đạp phanh) .......................61
Hình 4.1.21.Kết quả phanh trên đờng khô ..............................................................62
Hình 4.1.22.Kết quả phanh trên đờng ớt ...............................................................63
Hình 4.2.1.Đồ thị mômen bánh xe (M1=0.5M, M2 = 0.5M) .....................................65
Hình 4.2.2.Đồ thị mômen bánh xe (M1=0.6M, M2 = 0.4M) .....................................66
Hình 4.2.3.Đồ thị mômen bánh xe (M1=0.4M, M2 =0.6M) ......................................66

Hình 4.2.4.Đồ thị hệ số trợt.....................................................................................67
Hình 4.2.5.Đồ thị hệ số bám (M1=0.5M, M2 = 0.5M).............................................67
Hình 4.2.6.Đồ thị hệ số bám (M1=0.6M, M2 = 0.4M).............................................68
Hình 4.2.7.Đồ thị hệ số bám (M1=0.4M, M2 =0.6M)..............................................68
Hình 4.2.8.Đồ thị lực phanh (M1=0.5M, M2 = 0.5M)..............................................69
Hình 4.2.9.Đồ thị lực phanh (M1=0.6M, M2 = 0.4M)..............................................69
Hình 4.2.10.Đồ thị lực phanh (M1=0.4M, M2 =0.6M).............................................70
Hình 4.2.11.Đồ thị gia tốc phanh ..............................................................................70


8

Hình 4.2.12.Đồ thị vận tốc (M1=0.5M, M2 = 0.5M) .................................................71
Hình 4.2.13.Đồ thị vận tốc (M1=0.6M, M2 = 0.4M) .................................................71
Hình 4.2.14.Đồ thị vận tốc (M1=0.4M, M2 =0.6M) ..................................................72
Hình 4.2.15.Đồ thị quãng đờng phanh ....................................................................72
Hình 4.2.16.Đồ thị mômen bánh xe (At=-0.2)..........................................................73
Hình 4.2.17.Đồ thị mômen bánh xe (At=0) ..............................................................74
Hình 4.2.18.Đồ thị mômen bánh xe (At=0.2) ...........................................................74
Hình 4.2.19.Đồ thị hệ số trợt...................................................................................75
Hình 4.2.20.Đồ thị hệ số bám (At = -0.2) .................................................................75
Hình 4.2.21.Đồ thị hệ số bám (At = 0) .....................................................................76
Hình 4.2.22.Đồ thị hệ số bám (At=0.2) ....................................................................76
Hình 4.2.23.Đồ thị lực phanh (At=-0.2)....................................................................77
Hình 4.2.24.Đồ thị lực phanh (At=0) ........................................................................77
Hình 4.2.25.Đồ thị lực phanh (At=0.2) .....................................................................78
Hình 4.2.26.Đồ thị gia tốc phanh ..............................................................................78
Hình 4.2.27.Đồ thị vận tốc (At=-0.2)........................................................................79
Hình 4.2.28.Đồ thị vận tốc (At=0) ............................................................................79
Hình 4.2.29.Đồ thị vận tốc (At=0.2) .........................................................................80

Hình 4.2.30.Đồ thị quãng đờng phanh ....................................................................80
Hình 4.2.31.Kết quả phanh trên đờng khô (M1=0.5M, M2 = 0.5M) .......................81
Hình 4.2.32.Kết quả phanh trên đờng ớt (M1=0.5M, M2 = 0.5M) ........................82
Hình 4.2.33.Kết quả phanh trên đờng khô (M1=0.6M, M2 = 0.4M) .......................82
Hình 4.2.34.Kết quả phanh trên đờng ớt (M1=0.6M, M2 = 0.4M) ........................83
Hình 4.2.35.Kết quả phanh trên đờng khô (M1=0.4M, M2 =0.6M) ........................83
Hình 4.2.36.Kết quả phanh trên đờng ớt (M1=0.4M, M2 =0.6M) .........................84
Hình 4.3.1.Đồ thị góc lắc thân xe .............................................................................86
Hình 4.3.2.Đồ thị hiệu góc lệch bên..........................................................................86


9

CHƯƠNG 1: TổNG QUAN
1.1. Nhiệm vụ và yêu cầu của đề tài
Hệ thống phanh là cơ cấu an toàn của ôtô, dùng để giảm tốc, dừng xe hoặc
đỗ xe khi cần thiết theo yêu cầu của ngời lái. Nó là một trong những hệ
thống chính và có ý nghĩa quan trọng bảo đảm sự ổn định của ôtô khi chuyển
động.
Một trong những vấn đề đặt ra là phải giải quyết vấn đề hoạt động của hệ
thống phanh khi phanh trên các loại đờng có hệ số bám thấp nh đờng trơn,
ớt, đờng cát, điều này dẫn đến bánh xe nhanh chóng bị bó cứng và mất ổn
định. Khi phanh ôtô, nếu bánh xe trớc bị bó cứng trớc thì sẽ làm cho xe
không thể chuyển hớng theo sự điều khiển của ngời lái; nếu bánh xe sau bị
bó cứng trớc, ôtô sẽ bị trợt ngang. Đặc biệt khi ôtô quay vòng, hiện tợng
trợt ngang của các bánh xe sẽ dẫn đến hiện tợng quay vòng thiếu hoặc quay
vòng thừa làm mất tính ổn định khi xe quay vòng. Để có thể nâng cao hiệu
quả phanh chúng ta phải xác định rõ các quan hệ nội hàm liên quan đến quá
trình phanh. Điều đó chỉ có thể đợc xác định thông qua các mô hình động lực
học của quá trình phanh; trong đó mô hình lốp là hạt nhân của mô hình vì các

lực tơng tác bánh xe sẽ quyết định đến các giá trị nội hàm và ảnh hởng đến
quãng đờng phanh, ổn định phanh và ổn định dẫn hớng. Để thực hiện đợc
mục tiêu trên nhiệm vụ của đề tài cần giải quyết các vấn đề sau đây:
1. Phân tích chọn mô hình lốp thích hợp vì đây là khâu quyết định ảnh
hởng đến động lực học khi phanh ôtô
2. Xây dựng mô hình 1/4 khảo sát các giới hạn vật lý khi phanh với các
cờng độ phanh, tốc độ phanh khác nhau trên các loại đờng có hệ số bám
khác nhau.


10

3. Xây dựng mô hình phẳng 1/2 khảo sát ảnh hởng của thời gian chậm tác
dụng của hệ thống phanh trớc và sau cũng nh tỷ lệ phân bố mômen phanh
ra cầu trớc, cầu sau trên các loại đờng có hệ số bám khác nhau.
4. Xây dựng mô hình động lực học tổng quát 1 dãy khảo sát tổng hợp quá
trình phanh khi quay vô lăng nhằm xác định các trạng thái ổn định và dẫn
hớng khi phanh trên đờng vòng.
1.2. Hiệu quả phanh ôtô [6]
Quá trình phanh ôtô là quá trình tính từ khi ngời lái phát hiện thấy chớng
ngại vật và quyết định đạp phanh đến khi tốc xe giảm xuống một giá trị xác
định theo yêu cầu của ngời lái.
Khi phanh xảy ra hai quá trình: ma sát giữa má phanh và trống phanh(đĩa
phanh) xảy ra trong cơ cấu phanh; ma sát giữa bánh xe với mặt đờng. Ma sát
trong cơ cấu phanh đợc đặc trng bởi hệ số ma sát giữa vật liệu làm guốc
phanh, má phanh với trống phanh hay đĩa phanh. Ma sát giữa bánh xe với mặt
đờng đặc trng bằng hệ số bám giữa bánh xe với mặt đờng. Ma sát giữa
guốc phanh, má phanh và trống phanh làm giảm tốc độ quay của bánh xe. Ma
sát giữa bánh xe và mặt đờng làm giảm tốc độ chuyển động của ôtô. Hệ
thống phanh có hiệu quả tốt thì phần động năng phải đợc tiêu tán trong cơ

cấu phanh dới dạng nhiệt; tức là cơ cấu phanh không bị bó cứng.
Sơ đồ nguyên lý phanh đợc thể hiện trong hình 1.1.

Hình 1.1. Nguyên lý phanh


11

Hiệu quả phanh đợc xác định bởi hai yếu tố:
+ Quãng đờng phanh sP . Các thông số tơng đơng đánh giá quá trình
x&, thời gian phanh t p , lực phanh riêng
phanh là gia tốc phanh &

Fx
.
G

+ ổn định phanh và tính dẫn hớng khi phanh: thông số đánh giá là góc
quay thân xe.
Trong thực tế, khi phanh thì trục dọc của ôtô có thể bị lệch đi một góc so
với phơng chuyển động ban đầu. Sở dĩ nh vậy là do tổng các lực phanh sinh
ra ở các bánh xe bên phải khác với tổng lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên
trái và tạo thành mômen quay vòng quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm
của ôtô.
Các yếu tố ảnh hởng:
+ Phản lực tác dụng từ đờng: mấp mô đờng, đờng nghiêng, gió
+ Lực quán tính ly tâm khi tăng tốc, khi phanh, chất tải lệch trọng tâm
+ Độ bám giữa lốp và đờng: mấp mô tế vi, môi chất giữa lốp và đờng
(nớc, bụi, cát)
+ Cấu trúc của lốp: độ đàn hồi hớng kính, tiếp tuyến và ngang:

+ Động lực học bánh xe: cờng độ phanh, tốc độ tăng mômen khi phanh.
Điều này dẫn đến sự trợt bánh xe.
Ngời ta thờng biểu diễn lực tơng tác bánh xe theo hệ số bám x , y và
phản lực FZ :
FX = FZ x

(1.1)

FY = FZ y

(1.2)

Nh vậy các lực tơng tác khi phanh phụ thuộc hai yếu tố:
+ FZ : thông số này phụ thuộc động lực học phơng thẳng đứng, phụ thuộc
các yếu tố nh mấp mô mặt đờng, đờng nghiêng, gió, lực quán tính ly tâm
khi tăng tốc, khi phanh, quay vô lăng.


12

+ x , y : là hệ số bám (còn đợc gọi là hệ số truyền lực) phụ thuộc các
yếu tố nh cấu trúc của lốp, bề mặt đờng, vận tốc trợt dọc, trợt ngang.
Ngoài ra khi phanh với xe có 4 bánh, các cặp ( FZ , FX , Fy , x , y )i rất khác
nhau. Điều này gây mất ổn định và mất khả năng điều khiển do lực phanh hai
phía khác nhau và bánh xe không có khả năng truyền lực.
Việc xác định các quan hệ động lực học của quá trình phanh để khảo sát
các yếu tố ảnh hởng đến hiệu quả phanh là một việc làm cần thiết theo hai
góc độ:
+ Có kỹ thuật phanh hợp lý cho lái xe
+ Có biện pháp kết cấu nâng cao hiệu quả phanh

Việc mô tả quá trình phanh là khó khăn vì các yếu tố của quá trình phanh là
thay đổi:
+ Đờng xá thay đổi dẫn đến hệ số bám thay đổi;
+ Cấu trúc xe và lốp thay đổi;
+ Phản xạ của ngời lái khác nhau; thời gian phản ứng khác nhau;
+ Môi trờng khi phanh;
Các hàm mục tiêu về hiệu quả phanh do vậy phụ thuộc nhiều yếu tố mà khi
thí nghiệm trên đờng không thể xác định tờng minh đợc.
Vì vậy nghiên cứu quá trình phanh nhằm nâng cao hiệu quả phanh bằng mô
hình có ý nghĩa to lớn. Những kết quả nghiên cứu bằng mô hình sẽ đợc hiệu
chỉnh bởi các thí nghiệm đơn lẻ.
+ Hiệu quả phanh là một hàm đa biến chỉ có thể khảo sát sự phụ thuộc
bằng mô hình;
+ Hiệu quả phanh thực chất phụ thuộc vào phản lực FZ và hệ số bám x , y .
Các hệ số x , y là một hàm đa biến, trớc hết phải đợc nghiên cứu dới dạng
quy luật và sau đó tuỳ vào điều kiện cụ thể của xe và đờng mà xác định các
trị số (tham số) để mô tả chính xác các quá trình phanh cụ thể;


13

Xuất phát từ ý tởng trên luận văn hớng tới lập mô hình nghiên cứu một
số thông số ảnh hởng đến hiệu quả phanh ôtô.
1.3. Phơng pháp nghiên cứu, phơng pháp lập mô hình [1,2]
Ôtô là một hệ phức hợp bao gồm hệ nhiều vật và hệ liên tục. Đối với việc
nghiên cứu động lực học ta có thể coi ôtô có cấu trúc của hệ nhiều vật. Hệ đơn
giản nhất gồm 5 khối lợng: thân xe và 4 bánh xe (hình 1.2); thân xe tham gia
6 chuyển động, trong đó có 3 chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động góc;
bánh xe cũng tham gia 6 chuyển động nh thân xe và chuyển động quay
quanh trục cầu xe. Tuỳ vào phạm vi nghiên cứu ta có thể bỏ qua một số

chuyển động. Ta có thể xét mô hình phẳng theo 3 phơng khác nhau nh hình
1.3, 1.4. Khi nghiên cứu hiệu quả phanh ta cần xác định phản lực từ đờng lên
bánh xe và xác định hệ số bám vì vậy ta cần thiết lập các mô hình sau đây:
+ Mô hình động lực học phơng thẳng đứng;
+ Mô hình động lực học thân xe phơng dọc;
+ Mô hình động lực học bánh xe;
+ Mô hình quay vòng một dãy.
Để thiết lập mô hình, tác giả đã sử dụng phơng pháp tách cấu trúc trong hệ
nhiều vật, cho phép môđun hoá các phần tử trong cơ hệ nh mô tả hệ thống
treo, mô tả động học bánh xe, thiết lập mô hình xác định phản lực FZ . Tác giả
cũng đã nghiên cứu nhiều mô hình lốp để xác định các lực FX , FY và đã chọn
mô hình của Ammon [5] để tính toán.
Phơng pháp tính: sử dụng phần mềm Matlab-Simulink 6.5 để mô phỏng hệ
thống.
Simulink là phần mềm dùng để mô phỏng các hệ thống tuyến tính và phi
tuyến trong môi trờng Matlab và cũng có thể trao đổi qua lại với môi trờng
của Matlab để tăng thêm khả năng mềm dẻo của nó. Simulink có các đặc điểm
sau đây:


14

+ Là công cụ đợc tích hợp, lập trình sẵn có ở dạng sơ đồ chức năng. Cách
lập trình bằng sơ đồ khối giúp ngời sử dụng thấy đợc trực quan, đơn giản dễ
làm bởi vì để mô phỏng động học một hệ thống đợc mô tả dới dạng toán
học ở dạng phơng trình vi phân, phơng trình trạng thái, hàm truyền thì
không cần phải xây dựng các chơng trình phức tạp mà trong Simulink chỉ
việc chọn các khối chức năng thích hợp rồi kết nối chúng lại theo cấu trúc của
hệ thống cần khảo sát.
+ Khi tiến hành mô phỏng, môi trờng Simulink thực hiện việc giải các hệ

phơng trình vi phân mô tả động học hệ thống đó bằng các phơng pháp nh
Euler, Runge-Kutta3, Runge-Kutta5Việc lựa chọn các bớc tính cho phù
hợp đợc môi trờng thực hiện một cách tự động trong khoảng giá trị min và
max do ngời sử dụng khai báo.

Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc ôtô

Hình 1.3.Sơ đồ cấu trúc ngang và dọc ôtô


15

Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc quay vòng.

1.4. Giới hạn của đề tài
Nh đã trình bày ở trên, phanh ôtô là một quá trình phức tạp, hiệu quả
phanh là một hàm đa biến, trong thực tế nếu đo đạc thí nghiệm thì cũng chỉ có
thể xác định đợc các giá trị nh quãng đờng phanh, gia tốc phanh, thời gian
phanh hay lực phanh mà ta không thể xác định đợc các quan hệ nội hàm của
chúng. Nghiên cứu về mô hình cho ta các quan hệ nội hàm (quy luật); quá
trình phanh có thể đợc mô tả nh một mô hình giả trắng (light gray boxmodelle): quy luật vật lý là mô tả đợc nhng tham số là cha xác định đợc.
Với mô hình loại này ta có thể mô tả chúng bằng các phơng trình (hệ) vi
phân mà trong đó các tham số phải đợc xác định bằng thực nghiệm.
Trong khuôn khổ của luận văn cao học tác giả trình bày các mô hình:
+ Mô hình 1/4 : với mô hình này hớng tới nghiên cứu quá trình vật lý
của bánh xe đàn hồi khi phanh, nhằm xác định giới hạn phanh (cờng độ
phanh) và tốc độ tăng mômen (phản ứng của lái xe). Với mô hình này ta có
thể cho phanh đến giới hạn cận vật lý.
+ Mô hình 1 dãy: đích của mô hình là nghiên cứu mức độ chậm tác dụng
của các cơ cấu phanh bánh xe ảnh hởng đến hiệu quả phanh nh thế nào.

+ Mô hình phẳng quay vòng 1 dãy.


16

Với các mô hình đó ta cũng có thể nghiên cứu quá trình phanh ở các điều
kiện đờng có hệ số bám khác nhau với các phản ứng khác nhau của lái xe.
Do tính phức tạp của vấn đề tác giả cha khảo sát đợc quá trình phanh trên
mô hình không gian tổng quát, nhng với ba mô hình trong luận án có thể
đánh giá đợc quá trình phanh theo hai chỉ tiêu của hiệu quả phanh là :
+ Gia tốc phanh, quãng đờng phanh, lực phanh
+ ổn định phanh thông qua sự bó cứng bánh xe.


17

CHƯƠNG 2. MÔ HìNH BáNH XE ĐàN HồI
2.1. Đặc điểm cấu trúc
Lốp là phần tử liên kết giữa xe và đờng, cùng tham gia chịu tải và chuyển
động theo phơng thẳng đứng. Ngoài ra lốp còn có nhiệm vụ truyền lực dọc,
lực ngang khi xe tăng tốc, khi phanh, khi quay vòng cũng nh các lực do gió
gây ra.
Lực tác dụng hớng kính gọi là phản lực FZ , lực FX là lực tiếp tuyến và lực
Fy là lực ngang. Các lực này trong thực tế là các lực động, tức là phụ thuộc

thời gian. Nếu xe chạy 100km/h và vết tiếp xúc là l=0.15m thì chu kỳ dao động
là 0.0054s [8]. Ngoài ra cấu trúc của vỏ lốp không đồng nhất, bề mặt cong hai
chiều do đó lốp dao động nh một tấm cong đàn hồi. Thêm vào đó áp suất
trong lốp cũng thay đổi, bề mặt tiếp xúc nh vậy phụ thuộc bán kính động.
Xét theo quan điểm nguyên nhân kết quả, sự biến dạng của lốp tơng ứng với

các cặp lực FZ , FX , Fy . Việc mô tả sự thay đổi biên dạng lốp và do đó mô tả
thay đổi do sự thay đổi khả năng truyền lực của lốp là rất khó khăn. Xét về sự
thay đổi giữa lốp và đờng ta thấy nó đặc trng bởi hai dạng truyền lực khớp
và ma sát. Do vậy định luật ma sát Cu - lông không đúng trong trờng hợp
này[8]. Trong quá trình chuyển động lốp biến dạng ở cả ba phơng khi có
ngoại lực tác động. Khi ngoại lực tác dụng vợt quá giới hạn đàn hồi thì lốp
trợt tơng đối so với đờng. Quá trình đàn hồi xảy ra trớc và sau đó là trợt.
Sự biến dạng do đàn hồi, trợt này sinh ra tổn hao về vận tốc.
Ta dễ dàng thấy mối quan hệ sau: lực gây ra biến dạng và trợt, đặc trng
bởi sự tổn hao vận tốc. Vậy nếu xác định đợc sự tổn hao vận tốc (thông qua
các thông số quan sát đợc) ta có thể xác định đợc các lực đợc truyền ở
bánh xe. Việc xác định các lực truyền ở bánh xe và đờng là hạt nhân của
động lực học ôtô hiện đại [5,6,8].


18

2.2. Các thông số động học bánh xe (hình 2.1)
Có ba loại bánh xe đàn hồi nh sau:
+ Bánh xe bị động
+ Bánh xe chủ động ( M A > 0 )
+ Bánh xe bị phanh ( M B < 0 )
Trong quá trình chuyển động, sự biến dạng lốp - đờng bao gồm biến dạng
của lốp và đờng. Tuy nhiên, nếu xe chạy trên đờng có kết cấu cứng, ta coi
đờng không biến dạng, chỉ có lốp biến dạng.
Sau đây là các loại bánh xe với các thông số động lực học mô tả chúng:
F'Z

F'z

Jy

x

F'x



x

v

v
MA

rd

rd

Mf

Fx

e

e

Fz

Fz

a) bánh xe bị động
F'Z

b) bánh xe chủ động

x



v

x

J

v

y

MB

mv

v

rd

y
Fx

e
Fz

c) bánh xe bị phanh

d) bánh xe quay vòng

Hình 2.1. Thông số động lực học các loại bánh xe


19

rd

: bán kính động bánh xe

Fx'

: lực đẩy từ khung xe

FZ

: phản lực từ đờng tác dụng lên bánh xe

FZ'

: nội lực của hệ thống treo tác dụng lên bánh xe.

M f : mômen cản lăn
e

: điểm dịch chuyển của lực FZ

Ta có một số quan hệ động lực học:
e
rd

- Hệ số cản lăn:

f =

- Lực cản lăn:

FR = fFZ

- Hệ số trợt khi tăng tốc:

sA =

- Hệ số trợt khi phanh:

sB =

- Góc lệch bên:

= artg
x&

(2.1)

r& x&
r&

(2.2)
(2.3)

x& r&
x&

(2.4)

y&


(2.5)

Phơng trình chuyển động của bánh xe khi tăng tốc:
1
&= Fx cAx&2
mx&
2

(2.6)

&= M A ( Fx + fFZ ) rd

J y&

(2.7)

Phơng trình chuyển động khi phanh:
1
&= Fx cAx&2
mx&
2

(2.8)

&= M B ( Fx + fFZ ) rd
J y&

(2.9)

Trong các phơng trình trên Fx , Fy là lực bám giữa lốp và đờng, lực này gây
chuyển động nên phải đợc tính qua biến dạng lốp.
Ta có thể viết các lực đó dới dạng :
Fx = x FZ ; Fy = y FZ


20

Trong đó:
FZ : phản lực từ đờng tác dụng lên bánh xe

x : hệ số bám dọc
y : hệ số bám ngang

Các hàm Fx , Fy đợc gọi là đặc tính lốp, chúng phụ thuộc nhiều yếu tố về
cấu trúc lốp, bề mặt đờng, tốc độ trợt và tải trọng thẳng đứng tác động lên
nó cũng nh áp suất lốp.
Sau đây là một số đặc tính lốp:

Hình 2.2. Hệ số bám dọc à B và hệ số bám ngang à S
1. bê tông khô; 2 bê tông ớt; 3. tuyết; 4. băng

Hình 2.3. Hệ số bám dọc, ngang phụ thuộc hệ số trợt
1.hệ số bám dọc (bê tông khô); 2.hệ sô bám dọc (bê tông ớt);
3.hệ số bám ngang (bê tông khô);4.hệ số bám ngang (bê tông ớt)


21

2.3. Mô hình lốp [ 5,6,7,8]
Trên thực tế có nhiều mô hình lốp, ở Việt Nam hiện nay tồn tại 4 loại mô
hình lốp và sẽ đợc lớt qua dới đây.
Nh đã nêu ở trên, mô hình lốp thuộc dạng light - gray - box - modelle
(biết quy luật vật lý nhng không biết tham số). Tuy nhiên thông số vào và
thông số ra là quan sát đợc.
max , min
M
x&
y&

Fx

R

&

Fy

FZ

G

G=mg

MA

J



x

M

x

rdyn

MA/R

F

Fx

e

Fz

Fx

Hình 2.4. Mô hình lốp

Nh vậy, nếu ta có các thông số đầu vào là mômen bánh xe (M), vận tốc dài
theo phơng dọc và ngang ( x&, y&), vận tốc quay bánh xe (&) , cùng với các tham
số tải trọng từ đờng tác dụng lên bánh xe ( FZ ) , hệ số bám (max , min ) thì thông
qua mô hình lốp ta sẽ tính đợc các lực ( Fx , Fy ) .