nghiên cứu quỹ đạo chuyển động và tính ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh

1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của
PGS. TS Hồ Hữu Hải. Luận văn được thực hiện tại Bộ môn ôtô và xe chuyên dụng,
Viện cơ khí động lực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả trình bày
trong luận văn hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào.
Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2014
Tác giả

MỤC LỤC


2

LỜI CAM ĐOAN................................................Error: Reference source not found
MỤC LỤC...........................................................Error: Reference source not found
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTError: Reference source not found
DANH MỤC CÁC BẢNG..................................Error: Reference source not found
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ HÌNH VẼ.................Error: Reference source not found

MỤC LỤC..............................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................6
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................8
CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN
Ký hiệu

Ý nghĩa (Tên gọi)

Đơn vị

a

Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm

m

b

Khoảng cách từ tâm cầu sau đến trọng tâm

m

B

Chiều rộng cơ sở của xe

m

L

Chiều dài cơ sở của xe

m

m

Khối lượng xe khi đầy tải

Kg

m0’

Khối lượng phần được treo

Kg

mt

Khối lượng phần không được treo cầu trước

Kg

ms

Khối lượng phần không được treo cầu sau

Kg

hg

Chiều cao trọng tâm xe

m


3

ht

Chiều cao trong tâm phần không được treo cầu trước

m

hs

Chiều cao trong tâm phần không được treo cầu sau

m

G

Trọng lượng của xe

Kg

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

ay

Gia tốc bên

m/s2

ax

Gia tốc dọc

m/s2

ah

Gia tốc hướng tâm

m/s2

Jz

Mô men quán tính ô tô quanh trục thẳng đứng

Kg.m

Mk

Mô men kéo

N.m

Mp

Mô men phanh

N.m

Zi

Tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe

N

rb

Bán kính làm việc bánh xe

m

v

Vận tốc dọc của xe

pt

Khoảng cách từ tâm nghiêng ngang cầu trước đến mặt đường

m

ps

Khoảng cách từ tâm nghiêng ngang cầu sau đến mặt đường

M

ih

Tỷ số truyền của hệ thống lái

m/s


4

Ctψ
i
Csψ

Độ cứng chống nghiêng ngang cầu trước

N/rad

Chỉ số các bánh xe dẫn hướng
Độ cứng chống nghiêng ngang cầu sau

N/rad

α

Góc lệch bên bánh xe

rad

ε

Góc quay thân xe

rad

βvl

Góc quay vành lái

rad

β

Góc quay bánh xe dẫn hướng

rad

ψ

Góc nghiêng thân xe

rad

φx

Hệ số bám dọc

φy

Hệ số bám ngang

T

Thời gian khảo sát

2WS

S

Hệ thống lái 2 bánh xe dẫn hướng

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2-1. Lực và mô men xác định trong mặt phẳng nằm ngang
Hình 2-2. Sự nghiêng thân xe quanh trục nghiêng dọc
Hình 2-3. Lực ly tâm và sự thay đổi phản lực thẳng đứng


5

Hình 2-4. Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng giữa hai cầu trước và sau
Hình 2-5. Sơ đồ cân bằng lực ngang
Hình 2-6a.Lực và mô men ở cầu sau
Hình 2-6b.Lực và mô men ở cầu trước
Hình 2-7. Trường hợp xe quay vòng đủ.
Hình 2-8. Trường hợp xe quay vòng thiếu.
Hình 2-9. Trường hợp xe quay vòng thừa.
Hình 2-10. Sơ đồ xy lanh chính 2 khoang
Hình 2-11. Sơ đồ đường ống dẫn dầu hệ thống phanh thủy lực cho 1 cầu
Hình 2-12. Mô hình mô phỏng cơ cấu phanh đĩa
Hình 2-13. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe ô tô
Hình 2-14 . Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe bị động
Hình 2-15. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động
Hình 2-16. Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc F i , tải trọng Zi
Hình 2-17. Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc F i , góc lệc bên ỏi và
độ trượt dọc si.

Hình 2-18. Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực bên Si , tải trọng Zi và góc
lệch bên ỏi
Hình 2-19. Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực bên Si , độ trượt si và góc
lệch bên ỏi
Hình 2-20. Mô hình tính góc lệch bên


6

Hình 2-21. Mối quan hệ giữa hệ trục toạ độ thân xe và hệ trục tọa độ mặt đường
Hình 2-22. Simulink Library Browser
Hình 2-23. Thư viện lookup tables
Hình 2-24. Sơ đồ mô phỏng khối thân xe
Hình 2-25. Vận tốc, gia tốc dọc của ô tô
Hình 2-26. Vận tốc và gia tốc bên của ô tô
Hình 2-27. Góc xoay thân xe, vận tốc và gia tốc góc xoay thân xe
Hình 2-28. Sơ đồ mô phỏng quy luật của góc quay bánh xe dẫn hướng
Hình 2-29. Sơ đồ mô phỏng sự phân bố tải trọng thẳng đứng lên các bánh xe
Hình 2-30. Sơ đồ mô phỏng tổng phanh 2 dòng
Hình 2-31. Sơ đồ mô phỏng đường ống dẫn dầu hệ thống pan thủy lực
Hình 2-32. Sơ đồ mô phỏng xy lanh công tác bánh xe cầu trước bên trái
Hình 2-33. Sơ đồ mô phỏng góc lệch bên bánh xe
Hình 2-34. Sơ đồ mô phỏng khối bánh xe
Hình 2-35. Sơ đồ mô phỏng ứng xử của ô tô

LỜI NÓI ĐẦU
Nước ta với nền kinh tế tăng trưởng, hội nhập và phát triển, số lượng ôtô nhập khẩu,
lắp ráp trong nước ngày càng nhiều đặc biệt là xe con, xe du lịch và xe bus. Thị trường
ôtô Việt Nam là một thị trường đầy tiềm năng, sức mua lớn với nhu cầu cao, dự báo
doanh số bán cả năm 2014 tăng 9% lên 120.000 chiếc của toàn thị trường. Số lượng ôtô

tăng nhanh dẫn đến mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn. Chất lượng đường bộ


7

ngày càng được nâng cao, các ôtô được thiết kết với công suất lớn, tốc độ cao đòi hỏi
phải có tính ổn định chuyển động cao nhằm nâng cao tính an toàn chuyển động. Khi ô
tô chuyển động nó sẽ chịu rất nhiều tác động từ phía người lái như phanh, quay vô lăng
hay ga… Ngoài những tác động của người lái thì các yếu tố khách quan từ ngoại cảnh
như chất lượng mặt đường, gió…và các yếu tố bất ngờ khác sẽ ảnh hưởng rất lớn đến
an toàn khi xe lưu thông. Khi phanh các xe thường mất ổ định và có thể bị trượt ngang
gây tai nạn.
Việc nghiên cứu quỹ đạo chuyển động và tính ổn định hướng chuyển động của ô tô khi
phanh có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu nhằm nâng cao tính ổn định chuyển động
của ôtô. Với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu, học tập, giảng dạy
ở các trường Đại học, Cao đẳng và Trung tâm nghiên cứu chuyên ngành…, đề tài: “
Nghiên cứu mô phỏng chuyển động của ôtô con khi phanh trên đường vòng” được thực
hiện. Để nghiên cứu chuyển động của ôtô ta có thể sử dụng các phương pháp khác
nhau như:
- Dựng thực nghiệm trên các bãi lớn (polygon)
- Dựng mô tả toán học
- Dựng mô hình đồng dạng trên sa bàn.
Việc mô tả bằng toán học có nhiều thuận lợi, có thể đánh giá độc lập các yếu tố, để tối
ưu hóa về mặt kết cấu. Các kết quả tính toán đều phải qua thực nghệm trên cơ sở đó
đánh giá tính đúng đắn của mô hình khảo sát.
Đề tài đã chọn phương pháp khảo sát mô hình toán học với sự trợ giúp của phần mềm
mô phỏng matlab simulink.
Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Hồ Hữu Hải và các thầy trong bộ môn, Viện Đào tạo
sau đại học và các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã được thực hiện tại bộ môn Ôtô và xe
máy chuyên dụng – Viện cơ khí động lực Trường ĐHBK Hà Nội. Tác giả xin chân

thành cảm ơn sự hướng dẫn cũng như sự góp ý quý báu để bản luận văn được hoàn
thành, rất mong tiếp tục nhận được sự góp ý, bổ xung để luận văn được hoàn thiện hơn.


8

Thái nguyên, tháng 4 năm 2014
Tác giả

Vũ Thế Truyền

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Yêu cầu thực tế
1.1.1. Tai nạn giao thông
Tai nạn giao thông (TNGT) đã có từ rất lâu trong lịch sử dưới nhiều hình thức
khác nhau. Tuy nhiên hiện tại vẫn chưa có một định nghĩa thật chính xác có thể lột tả
hết những đặc tính của nó. Về cơ bản tai nạn giao thông có những đặc tính như sau:
- 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.


9

- 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.
Năm 1896, tại Anh chiếc ôtô chạy thử đã sau khi xuất xưởng đã cán chết 2
người. Và 3 năm sau, ở Mỹ mới lại có một người chết do ôtô gây lên, từ đó những cái
chết do phương tiện giao thông gây lên ngày một nhiều. Và ngày nay, TNGT đã trở nên
phức tạp , đa dạng hơn rất nhiều, có thể là tai nạn ôtô, xe 2 bánh, tầu hỏa hay máy bay.

Nó đang là một hiểm họa không chỉ riêng một quốc gia nào mà là của cả thế giới, tuy
nhiên TNGT vẫn tập chung chủ yếu ở các nước đang phát triển và các nước kém phát
triển, đặc biệt là các quốc gia ở châu A như: Trung Quốc, ấn Độ, Việt Nam, Thái Lan.
Phổ biến nhất hiện nay ở phần lớn các quốc gia là tai nạn giao thông đường bộ, loại tai
nạn này thường xảy ra đối với ôtô và xe gắn máy 2 bánh. Ngoài ra còn có các loại tai
nạn giao thông khác như tai nạn giao thông đương sắt, tai nạn giao thông đường thủy
và tai nạn giao thông đường hàng không.
Theo báo cáo tình hình toàn cầu của WHO, tai nạn giao thông đang trở thành
một vấn đề lớn về sức khỏe và phát triển con người trên thế giới. Trung bình mỗi năm
trên toàn thế giới có tới 1,2 triệu người chết vì tai nạn giao thông và 50 triệu người bị
thương. Còn tính riêng nước ta, từ 16/11/2011 đến 16/11/2012, toàn quốc đã xảy ra
36.376 vụ tai nạn giao thông, làm chết 9.838 người và bị thương 38.060 người. Những
con số kinh hoàng đó tăng dần theo từng năm và vẫn chưa có dấu hiệu giảm . Việc
không tuân thủ luật lệ giao thông và lái xe quá tốc độ, vượt ẩu, quay vòng ngoặt thường
xuyên xảy ra trên khắp đất nước. Trong các vụ tai nạn giao thông gây tổn thất về người
và tài sản chủ yếu là do ôtô.
Ngày nay khi mà ôtô đã trở thành phương tiện chính dùng để đi lại và chuyên
chở hàng hoá ở nước ta thì vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển của ôtô là rất
quan trọng. Khi ôtô chuyển động nó sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố như người điều
khiển, tác động của ngoại cảnh, các yếu tố ngẫu nhiên xảy ra trên đường. Người lái xe


10

có thể thực hiện các thao tác để điều khiển xe như: tăng ga để tăng tốc xe, đạp phanh
để giảm tốc độ, và đánh vô lăng để quay vòng. Các yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe
cũng khác nhau. Xe có thể chạy trên các đường với các biên độ khác nhau. Khi xe chạy
trên đường khác nhau thì hệ số bám của lốp xe và đường cũng khác nhau. Và khi xe
chạy trên đường thì gió cũng là một yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe và còn nhiều yếu
tố khác ảnh hưởng tới xe khi xe chuyển động .

Một yếu tố ảnh hưởng khá nhiều đến xe và thường gây mất an toàn đó là các tác
động ngẫu nhiên bất ngờ xảy ra trên đường như sự xuất hiện bất ngờ của các chướng
ngại vật.
Tất cả các yếu tố trên sẽ ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái chuyển động của xe và
nó cũng ảnh hưởng tới mức độ an toàn của xe.Trong đó tính ổn định hướng của ôtô là
yếu tố ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo chuyển động của xe, nguyên nhân chính gây ra các
vụ tai nạn giao thông.
Sự tăng trưởng tốc độ và mật độ chuyển động của ô tô đòi hỏi phải đảm bảo tính
điều khiển ở mức độ cao nhằm hạn chế tối đa tai nạn giao thông xảy ra.
1.1.2. Nghiên cứu động lực học ôtô
Nghiên cứu động lực học ôtô là tìm ra qui luật chuyển động của ôtô từ
đó xác định giới hạn an toàn, tìm sự tương thích giữa lái xe và xe, mở rộng khả năng
điều khiển xe của lái xe.
Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghệ ôtô thì những ôtô ra đời của thế
hệ sau luôn có vận tốc lớn hơn và hướng tới giới hạn trượt vật lý (bánh xe có thể bị
trượt). Ôtô ngày càng hoàn thiện về kết cấu tức khả năng thích ứng động lực học tốt
hơn, ngày càng hướng tới an toàn động lực học, an toàn tích cực. Chỉ tiêu để đánh giá
ôtô là vận tốc, gia tốc, quỹ đạo chuyển động, thông qua thông số chung để đánh giá là
trạng thái quay vòng của xe.


11

Bên cạnh đó hệ thống phanh là cơ cấu an toàn của ôtô, dùng để giảm tốc độ,
dừng xe hoặc đỗ xe khi cần thiết theo yêu cầu của người 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 đường có hệ số bám thấp như đường trơn, ướt, đường
cát, điều này dẫn đến bánh xe nhanh chóng bị bó cứng và mất ổn định. Khi phanh ôtô,
nếu bánh xe trước bị bó cứng trước thì sẽ làm cho xe không thể chuyển hướng theo sự

điều khiển của người lái; nếu bánh xe sau bị bó cứng trước, ôtô sẽ bị trượt ngang. 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 được 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 tương tác bánh xe sẽ quyết định đến các giá trị nội hàm và ảnh hưởng đến quãng
đường phanh, ổn định phanh và ổn định dẫn hướng.
Để giảm thiểu tai nạn giao thông do ôtô gây ra ngoài việc nâng cao trình độ, kỹ
thuật, ý thức của người điều khiển, cần phải giảm thiểu các tai nạn do yếu tố kỹ thuật
gây ra: kết cấu toàn bộ ôtô, tính điều khiển, các thiết bị an toàn bị động. Với tốc độ
phát triển của khoa học công nghệ như ngày nay ngoài việc đảm bảo các yêu cầu kỹ
thuật của các cụm tổng thành thì việc cải thiện tính điều khiển của ôtô đang được các
nhà khoa học rất quan tâm.
Khi nghiên cứu quá trình phanh của ôtô, từ trước đến nay khi tính toán các thông
số kết cấu, những nhân tố ảnh hưởng đến khả năng phanh của ôtô, chưa tính đến biến
dạng của lốp xe cho nên giữa bánh xe và mặt đường không có hiện tượng trượt, lúc này
các quan hệ giữa các thông số chỉ là các quan hệ đơn thuần về mặt hình học.
Trong thực tế, do trên xe ôtô sử dụng bánh xe cao su đàn hồi nên khi ôtô chuyển
động trên đường bánh xe bị biến dạng làm cho quan hệ động học của mô hình bị sai
khác, lúc đó quỹ đạo chuyển động của xe cũng như các tính chất quay vòng sẽ không
còn đúng với trường hợp tính toán theo lý thuyết hình học, sẽ có những sai số dẫn đến


12

việc phân tích đánh giá các chỉ tiêu về quỹ đạo chuyển động của ôtô không còn chính
xác.
Như vậy, qua các phân tích trên để nghiên cứu quá trình chuyển động của ôtô khi
phanh trên đường vòng chỉ căn cứ vào các quan hệ hình học thì chưa đủ, cần thiết phải
kể đến ảnh hưởng của điều kiện chuyển động, các đặc tính biến dạng của bánh xe cao
su đàn hồi, thông số kết cấu của xe. Từ yêu cầu thực tế trên dẫn đến yêu cầu phải xây

dựng một mô hình động lực học tổng quát có thể mô tả chuyển động khi phanh của ôtô
có tính đến sự đàn hồi của bánh xe cao su nhằm xác định các trạng thái chuyển động
của ôtô trong các điều kiện thực tế.
1.2. Mục tiêu, nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài
1.2.1. Mục tiêu
Từ cơ sở đặt vấn đề ở trên, đề tài tập trung vào khảo sát động lực học của xe M1
khi phanh trên đường vòng với các giả thiết quan trọng nhằm mục đích:
- Lập mô hình không gian của xe M1.
- Khảo sát phản ứng của xe đối với các tác động của bánh xe khi phanh.
1.2.2. Nội dung
Do phạm vi của đề tài rộng với thời gian cho phép, đề tài chỉ tập chung vào các
vấn đề sau:
- Tổng quan và các nhiệm vụ
- Lập mô hình động lực học
- Khảo sát phản ứng của xe khi lái xe thực hiện các thao tác điều khiển
+ Phanh
+ Phanh và quay vòng
Với nội dung nghiên cứu trên đề tài được trình bày trong 4 chương
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học và mô hình mô phỏng
trong môi trường Matlap - simulink


13

Chương 3: Khảo sát phản ứng của xe khi lái xe thực hiện các thao tác điều khiển
+ Phanh
+ Phanh và quay vòng
Chương 4: Phân tích và đánh giá các kết quả
Kết quả của đề tài có thể làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về ổn định

hướng chuyển động của ôtô khi phanh trên đường vòng, làm tài liệu giảng dạy cho các
trường đại học và cao đẳng, trung tâm đào tạo nghề.
1.2.3. Phạm vi nghiên cứu
Do hạn chế về mặt thời gian và kinh phí nên đề tài mới chỉ dừng lại ở việc
nghiên cứu mô phỏng lý thuyết chuyển động của ôtô M1 khi phanh trên đường vòng.
1.2.4. Phương pháp nghiên cứu
Việc nghiên cứu đề tài có thể tiến hành nhiều cách như:
- Khảo sát trên mô hình thực với bãi thí nghiệm lớn.
- Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn.
- Dùng mô tả toán học và mô phỏng bằng các công cụ trên máy tính.
Với phương pháp dùng thực nghiệm trên bãi lớn có ưu điểm cho kết quả tin cậy
nhất, song tốn kém và rất nguy hiểm khi thử nghiệm xe, điều này hoàn toàn chưa phù
hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật trong nước cũng như quy mô của đề tài. Với mô
hình đồng dạng trên sa bàn nhằm hạn chế các tổn thất có thể xảy ra trên bãi thử, tuy
nhiên việc chế tạo ra mô hình đồng dạng cũng không phải dễ dàng, sử dụng nhiều thiết
bị đo đạc. Tính tin cậy của bài toán đòi hỏi thiết bị đo đạc, lấy số liệu với độ chính xác
cao dẫn tới kinh phí thực hiện lớn. Hiện nay, sự phát triển khoa học của máy tính, đặc
biệt trong lĩnh vực ứng dụng, việc mô tả toán học và chuyển đổi sang mô hình mô
phỏng bằng các phần mềm chuyên dụng hiện đại đang được sử dụng rộng rãi và có
nhiều ưu điểm hơn cả. Mô phỏng trên máy cho phép rút ngắn được thời gian nghiên
cứu, dễ dàng thay đổi các thông số, kết quả đạt được có độ chính xác tương đối cao.


14

Trong thời gian cho phép, đề tài lựa chọn phương pháp thiết lập mô hình toán
học thích hợp từ đó xây xựng mô hình mô phỏng và mô phỏng lý thuyết trên máy tính
quỹ đạo chuyển động cũng như khảo sát chuyển động của xe khi người lái thực hiện
các thao tác phanh và phanh khi quay vòng của xe M1.

CHƯƠNG 2
MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRONG MÔI TRƯỜNG
MATLAP - SIMULINK
2.1. Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học của ôtô
2.1.1. Mô hình phẳng
Mô hình phẳng của ôtô được thể hiện trên hình
ß1
Pf1

Y
a
L

MS1

ß2

Jz ε

Pf2

Xo
M S2
F2

S2

B

+

Zo

MS3

ε

T
S3

Yo

V

N

Pf3
F3

Pw

α

b

X

S1
F1

Pf4

F4
Xo

MS4
S4

Hình 2-1. Lực và mô men xác định trong mặt phẳng nằm ngang
Các lực tác dụng lên ôtô:


15

Lực dọc Fi ; lực bên Si ; lực cản lăn Pfi ; mô men cản quay của các bánh xe
Msi .Với i là chỉ số các bánh xe dẫn hướng (i=1 ÷ 4).
Trọng tâm T của ôtô đặt các tâm trục cầu sau một đoạn là b ; Cách tâm trục cầu
trước một đoạn là a. Chiều dài cơ sở L = a + b.
Lực cản không khí theo phương dọc trục xe là Pw và theo phương ngang là N.
Tại trọng tâm ôtô (T) có lực quán tính Fa và lực li tâm Pj . Khi thân xe quay vòng
, xuất hiện mô men quán tính xung quanh trục Tz và có giá trị là

..

Jz ε

Góc quay của các bánh xe dẫn hướng là β i , kích thước chiều rộng của vết lốp
của hai cầu là B.
2.1.1.1. Lực Fi
Lực Fi là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động, được đặt tại vị
trí tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, khi xe chuyển động lực kéo tiếp tuyến tại các

bánh xe chủ động đóng vai trò lực dọc. Đối với bánh xe chủ động dẫn hướng thì lực
dọc đặt tại tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe và đường, có phương nằm trên đường tâm
bánh xe. Khi phanh, lực phanh tại các bánh xe đóng vai trò lực dọc.
Lực kéo xuất hiện khi có mô men xoắn truyền từ động cơ qua các cơ cấu trung
gian đến bánh xe chủ động, nhờ có sự tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường nên tại
vùng tiếp xúc này sẽ phát sinh lực kéo tiếp tuyến hướng theo chiều chuyển động.
Fx =

M k M e .ih .i p .i0 .ic .η t
=
rk
rk

Trong đó :
Me : Mô men xoắn của động cơ [N.m]
ih : Tỷ số truyền của hộp số chính
ip : Tỷ số truyền của hộp số phụ
i0 : Tỷ số truyền của truyền lực chính
ic : Tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng

(2-0)


16

ηt : Hiệu suất của hệ thống truyền lực
Để ôtô chuyển động không bị trượt thì lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động
phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám .
2.1.1.2. Lực cản lăn Pf
Lực cản lăn sinh ra do tác dụng của mặt đường lên các bánh xe và đặt tại vị trí

đặt lực Fi nhưng ngược chiều Fi
Lực cản lăn phát sinh do sự biến dạng của lốp và đường, do sự tạo thành vết của
bánh xe trên đường và do ma sát ở bề mặt giữa lốp và mặt đường.
Đối với bánh xe cầu trước: Pft =f.Gt =f.m.g.b/L
Đối với bánh xe cầu sau : Pfs =f.Gs =f.m.g.a/L
Với

Gt, Gs : trọng lượng phân ra cầu trước và cầu sau [N]
f : hệ số cản lăn của bánh xe, được xác định theo công thức:
f = f 0 (1 +

v2
)
1500

(2-1)

Trong đó:
f0 : hệ số cản lăn, giá trị thay đổi ứng với các loại đường khác nhau
v : vận tốc chuyển động của xe [m/s].
2.1.1.3. Lực bên Si
Lực bên là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe theo phương ngang
(phương vuông góc với mặt phẳng dọc của bánh xe), đặt tại tâm vết tiếp xúc giữa bánh
xe với mặt đường. Lực ngang có thể xuất hiện trong khi ôtô chuyển động trên đường
vòng, đường mấp mô hoặc đường nghiêng ngang, do lốp bị biến dạng, do có gió bên ,
do phanh trên đường trơn dẫn đến trượt bên. Do tác dụng của lực bên S i tại vùng tiếp
xúc của lốp với đường, bánh xe bị lệch đi một góc so với mặt phẳng quay của bánh,
góc này gọi là góc lệch bên ỏi của bánh xe.
Trong trường hợp góc lệch bên nhỏ, khi đó quan hệ giữa lực bên Si và góc lệch
bên của bánh xe α t là quan hệ tuyến tính:

17

S i = Cα .α t

Trong đó:

(2-2)
Cα : là độ cứng góc lệch bên bánh xe [N/rad]
i : Chỉ số các bánh xe dẫn hướng

Trong trường hợp góc lệch bên lớn, quan hệ giữa lực bên và góc lệch bên α t , tải
trọng phân bố Zi , độ trượt dọc ở .
2.1.1.4. Lực cản không khí
Khi ôtô chuyển động áp suất không khí bao quanh bề mặt ngoài của xe thay đổi,
làm xuất hiện các dòng xoáy khí ở phần sau của ôtô, dòng khí xoáy này gây ra sự chênh
áp phía trước và phía sau ôtô, gây ra lực ma sát giữa dòng khí với vỏ xe và tác dụng lực
theo các phương khác nhau lên ôtô như: lực nâng, lực cản chuyển động của ôtô. Lực
cản này là lực cản gió và được phân thành hai thành phần theo hai phương vuông góc:
- Lực theo phương dọc (lực cản không khí) Pω : có giá trị tương đối được xác định bằng
biểu thức sau:

Pω = K .S .v02

(2-3)

Trong đó:
K : Hệ số cản không khí, phụ thuộc và dạng khí động học của ôtô và chất
lượng bề mặt, phụ thuộc vào mặt độ không khí, [Ns2/m4].

S : diện tích cản chính diện của ôtô, là diện tích hình chiếu trong mặt
phẳng vuông góc với trục dọc của ôtô, [m2].
v0 : vận tốc tương đối giữa ôtô và không khí, [m/s].
- Lực theo phương ngang (lực gió bên) N : xuất hiện khi có gió bên hoặc khi xe chuyển
động trên đường vòng. Giá trị của lực gió bên là không theo quy luật, để thuận tiện
trong việc mô phỏng, luận văn giả định lực gió bên là theo một số quy luật xác định và
có điểm đặt tại trọng tâm xe.
2.1.1.5. Lực ly tâm Pj
Lực ly tâm xuất hiện khi ôtô chuyển động theo quỹ đạo là đường cong. Lực ly
tâm qui ước đặt tại trọng tâm ôtô và được tính theo công thức :


18

..

G v2
v2
Pj = m. y = . = m.
g R
R

(2-4)

Trong đó :
..

y

: Gia tốc hướng tâm [m/s2]

R : Bán kính quỹ đạo [m]
Từ biểu thức ta thấy khi ôtô chuyển động với vận tốc cao trên đường vòng, lực
ly tâm sẽ tăng lên sinh ra lực ngang lớn tại vị trí tiếp xúc của các bánh xe với mặt
đường, nếu lực ly tâm cứ tiếp tục tăng lên quá giới hạn lực bám ngang của bánh xe với
mặt đường sẽ gây ra hiện tượng trượt ngang hoàn toàn làm mất ổn định hoặc tính dẫn
hướng của ôtô.
Các phương trình chuyển động của ôtô
Tịnh tiến theo phương dọc ôtô:
..

(2-5)

m. x = F1. cos β1 + F2 cos β 2 + F3 + F4 − S1 sin β1 − S 2 sin β 2 − Pf − Pw
⇒

x = m ( F . cos β

⇒

x = m ∫ ( F . cos β

1

..

1

1

+ F2 cos β 2 + F3 + F4 − S1 sin β1 − S 2 sin β 2 − Pf − Pw )

1

.

1

1

+ F2 cos β 2 + F3 + F4 − S1 sin β1 − S 2 sin β 2 − Pf − Pw ) dt + v0 = vx

.

x = ∫ x dt +x0

(2-6)

Tịnh tiến theo phương ngang ôtô:
..

m. y = S1 cos β1 + S2 cos β 2 + S3 + S 4 + F1 sin β1 + F2 sin β 2 − N
⇒
⇒

..

1

y = m (S

1

.

cos β1 + S 2 cos β 2 + S3 + S 4 + F1 sin β1 + F2 sin β 2 − N )

1

y = m ∫ (S

1

cos β1 + S 2 cos β 2 + S3 + S 4 + F1 sin β1 + F2 sin β 2 − N ) dt + v0 = v y

(2-7)


19

.

⇒ y = ∫ y dt + y0

(2-8)

Quay thân xe quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm T :
..

J z .ε = ( F1 sin β1 + F2 sin β 2 )a + ( S1 cos β1 + S 2 cos β 2 )a

− ( S 3 + S 4 )b + ( S1 sin β1 − S 2 sin β 2 )
.

⇒ε =

B
B
B
− ( F1 cos β1 − F2 cos β 2 ) − ( F3 − F4 )
2
2
2

(2-9)

1
(( F1 sin β1 + F2 sin β 2 )a + ( S1 cos β1 + S 2 cos β 2 )a
Jz

− ( S 3 + S 4 )b + ( S1 sin β1 − S 2 sin β 2 )

.
B
B
B
− ( F1 cos β1 − F2 cos β 2 ) − ( F3 − F4 ) )dt + ε 0
2
2
2

.

ε = ∫ ε dt + ε 0

(2-10)

Trong đó:

v0 : là vận tốc ban đầu [m/s]
x0 : là tọa độ ban đầu [m]
y0 : là độ lệch bên ban đầu [m]
ε0 : là góc quay thân xe ban đầu [rad]
Dấu của các đại lượng Fi và Si khi viết phương trình được lấy theo chiều của trục
tọa độ đã chọn.
Dấu chủa đại lượng βi được qui ước như sau: Khi các bánh xe dẫn hướng của
cầu sau quay cùng chiều các bánh dẫn hướng của cầu trước dấu (+), quay ngược chiều
với các bánh xe của cầu trước dấu (-).
2.1.2. Sự nghiêng thân xe và tải trọng thẳng đứng
Trong khi chuyển động thân xe có thể bị nghiêng một góc ψ nào đó, nguyên
nhân có thể là do xe chuyển động trên mặt đường nghiêng, do tác dụng của gió bên
hoặc khi quay vòng chịu tác dụng của lực ly tâm. Sự nghiêng thân xe có thể gây ảnh
hưởng tới ổn định hướng chuyển động của ôtô, đặc biệt là khi xe chuyển động với tốc
độ cao mà góc nghiêng lớn rất có thể sẽ bị lật. Mặt khác sự nghiêng thân xẽ dẫn đến sự


20

phân bố lại tải trong trên cùng một cầu và phản lực tác dụng lên các bánh xe cũng sẽ
khác nhau.
Chính vì vậy luận văn đã đưa ra mô hình không gian để nghiên cứu sự ảnh

hưởng của góc nghiêng thân xe đến sự thay đổi tải trong thẳng đứng tác dụng lên các
bánh xe.
.

..

Khi xe quay vòng đều thì góc nghiêng thân xe ψ = const và ψ ,ψ bằng không.
Sự nghiêng thân xe khi quay vòng dẫn tới đồng thời thay đổi giá trị phản lực
thẳng đứng, góc nghiêng ngang của bánh xe và thay đổi góc điều khiển của bánh xe, do
vậy ảnh hưởng tới quĩ đạo chuyển động của ôtô.
Giả thiết thân xe đặt trên bệ treo đàn hồi, dưới tác dụng của lực ly tâm thân xe bị
nghiêng quanh trục nghiêng dọc một góc là ψ. Trọng tâm ôtô đặt tại chiều cao h g so với
mặt đường (coi chiều cao ôtô là chiều cao phần treo)

Hình 2-2. Sự nghiêng thân xe quanh trục nghiêng dọc
Ta sử dụng mô hình (2-2) với các giả thiết sau:
- Thân xe (hay phần treo) đặt trên bệ treo đàn hồi và nghiêng xung quanh trục nghiêng
dọc một góc ứ nào đó.
- Chiều cao từ trọng tâm phần treo so với mặt đường là hg và đến trục nghiêng dọc là h’.


21

- Với góc nghiêng thân xe nhỏ (phần được treo ψ<120), nên ta có thể coi: cos ψ = 1,
.

..

sinψ = ψ, ψ = 0,ψ = 0
Công thức tính góc nghiêng thân xe được tính như sau:

..

m0, . y .h '
ψ= t
Cψ + Cψs − m0' .g .h '

(2-11)

Trong đó:
Ctψ , Csψ : là độ cứng chống nghiêng của cầu xe trước và sau [N/rad]
m’0 : khối lượng phần được treo [kg]
Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng và các phản lực bên tác dụng lên các bánh xe
được tính theo sơ đồ không gian.

Hình 2-3. Lực ly tâm và sự thay đổi phản lực thẳng đứng
..

Gia tốc theo phương dọc thân xe x sẽ gây ra sự phân bố lại tải trọng trên hai cầu
trước và sau là : ∆Z
m0' .h
∆Z = x .
L
..

(2-12)


22

Hình 2-4. Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng giữa hai cầu trước và sau

Mặt khác tải trọng tĩnh tác dụng lên các bánh trước và sau được tính như sau:
b
Z tT = m.g . ;
L
a
Z sT = m.g . ;
L

(2-13)
(2-14)

Khi đó tải trọng tác dụng lên cầu trước và cầu sau là:
Zt = ZtT + ∆Z;
(2-15)
T
Zs = Zs - ∆Z
(2-16)
..
Gia tốc hướng tâm y gây ra sự phân bố lại tải trọng thẳng đứng giữa các bánh xe
trên cùng một cầu, phương trình cân bằng lực được viết như sau:
..

(2-17)

S t' + S s' = m0' . y

Trong đó:
St’ ; Ss’ : là các lực bên tác dụng lên cầu trước và cầu sau,
m0’: khối lượng phần được treo
Phương trình cân bằng mô men đối với cầu trước và cầu sau:

..

m0' . y .lt
S =S +S =
L
'
t

'
1

'
2

(2-18)


23

..

m ' . y .l s
S s' = S 3' + S 4' = 0
L

(2-19)

lt ; ls : là khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và cầu sau. Để thuận tiện cho việc mô
phỏng trong Matlap ta coi : lt = a ; ls = b.

Hình 2-5. Sơ đồ cân bằng lực ngang

Hình 2-6a.Lực và mô men ở cầu sau

Hình 2-6b.Lực và mô men ở cầu trước

Phương trình cân bằng mô men đối với tâm nghiêng ngang của cầu trước
(Oc1) và cầu sau (Oc2):
..
tt
S
+ ( Fc1 − Fc 2 ) t − ( S1' + S 2' ). pt − mt .ht . y = 0
2
2
..
t
S
− ( Z 3 − Z 4 ) s + ( Fc1 − Fc 2 ) s − ( S1' + S 2' ). ps − ms .hs . y = 0
2
2

− ( Z1 − Z 2 )

(2-20)
(2-21)


24

Thay (2-16);(2-17);(2-18) vào (2-19) và (2-20) ta được

..

..
t
S m . y .lt
( Z1 − Z 2 ) t = ( Fc1 − Fc 2 ) t − 0
. pt − mt .ht . y
2
2
L
..

..
m . y .lt
1
⇒ ∆Z t = (Cψt .ψ + 0
. pt + mt .ht . y )
tt
L

(2-22)

..

..
t
S
m . y .l s
( Z 3 − Z 4 ) s = ( Fc1 − Fc 2 ) s − 0
. p s − ms .hs . y

2
2
L
..

..
m . y .l s
1
⇒ ∆Z s = (Cψs .ψ + 0
. p s + ms .hs . y )
ts
L

(2-23)

Trong đó:
Z 2 − Z1
2
Z 4 − Z3
∆Z s =
2
∆Z t =

(2-24)
(2-25)

Pt;Ps: Chiều cao tâm nghiêng ngang Oc1, Oc2 tới mặt đường [m]
ts;tt : Chiều rộng tiếp xúc của hai cầu sau và trước, để thuận tiện cho tính toán ta lấy
bằng chiều rộng cơ sở xe (B) [m]
mt;ms : khối lượng không được treo cầu trước và cầu sau [kg]

ht;hs : chiều cao từ trọng tâm phần khối lượng không được treo cầu trước và cầu sau tới
mặt đường [m].
Như vậy khi xe chuyển động với góc quay bánh xe dẫn hướng β ti >0 hoặc
chuyển động trên đường nghiêng ngang thì tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh
xe như sau:
Z1 = ( Z1T + ∆Z ) − ∆Z t

(2-26)

Z 2 = ( Z 2T + ∆Z ) + ∆Z t

(2-27)

Z 3 = ( Z 3T − ∆Z ) − ∆Z s

(2-28)

Z 4 = ( Z 4T − ∆Z ) + ∆Z s

(2-29)


25

Trong đó:
Z1 : tải trọng phân bố lên bánh trước trái [N]
Z2 : tải trọng phân bố lên bánh trước phải [N]
Z3 : tải trọng phân bố lên bánh sau trái [N]
Z4 : tải trọng phân bố lên bánh sau phải [N]
2.1.3. Mô hình hệ thống lái hai bánh xe dẫn hướng

Hệ thống lái là một cơ cấu an toàn của ôtô, dùng để điều khiển hướng chuyển
động của ôtô được thực hiện từ trên buồng lái tới các bánh xe dẫn hướng. Là một trong
những cụm tổng thành chính, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển ôtô trên
đường. Hệ thống lái ôtô thực hiện điều khiển hướng chuyển động của ôtô bằng cách
quay cầu xe hoặc quay các bánh xe dẫn hướng đi một góc nào đó quanh trụ đứng.
2.1.3.1. Các trạng thái quay vòng của ôtô
Hệ thống lái hai bánh xe dẫn hướng (2WS) được sử dụng nhiều trên xe ôtô con
và xe du lịch, khi xe quay vòng thường xảy ra một trong các trạng thái quay vòng sau:

βvl = const
Rqv = Ro

G
R
Rqv=

o

O

Iqv=Io

Hình 2-7. Trường hợp xe quay vòng đủ.
Đây là trạng thái quay vòng lý tưởng vì nó giúp xe đảm bảo ổn định ngang, tuy
nhiên rất hiếm khi xảy ra.