Dao quyet thang anh huong cac yeu to den on dinh quy dao chuyen dong cua oto

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐÀO QUYẾT THẮNG

ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ KẾT CẤU VÀ KHAI
THÁC ĐẾN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
CỦA Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội 2015

LỜI CAM ĐOAN


2
Tôi xin cam đoan đây là công trình 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, ngày 16 tháng 08 năm 2015
Tác giả

Đào Quyết Thắng

LỜI CẢM ƠN


3
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải, Phòng đào
tạo Sau đại học, Khoa Cơ khí và Bộ môn cơ khí ô tô đã cho phép tôi thực hiện

luận văn tại Trường Đại học Giao thông Vận tải.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất tới TS. Trần Văn Như đã hướng
dẫn tôi hết sức tận tình, chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Đào Mạnh Hùng đã đọc và
đóng góp ý kiến quý cho luận văn.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn cơ khí ô tô - Trường Đại
học Giao thông Vận tải luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức
thuận lợi để hoàn thành luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong
hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có
thể hoàn chỉnh luận văn này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Trung Cấp Nghề Hà Tĩnh, Ban chủ
nhiệm Khoa Cơ khí động lực và các thầy cô giáo trong khoa đã tạo điều kiện và
động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên
cứu, học tập và thực hiện luận văn này.

MỤC LỤC


4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ


5

LỜI NÓI ĐẦU

Ôtô là phương tiện giao thông không thể thiếu trong cuộc sống con người.
Với tiến bộ khoa học kỹ thuật, ô tô ngày càng hiện đại, tốc độ càng lớn và yêu
cầu về độ an toàn và tiện nghi chuyển động ngày càng tăng, trong đó độ ổn định
quỹ đạo chuyển động là một tính chất rất quan trọng của ô tô, đặc biệt khi tốc độ
chuyển động cao. Trong quá trình chuyển động ô tô chịu ảnh hưởng của rất nhiều
yếu tố tác động đến làm mất ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô trong đó có
yếu tố kết cấu, yếu tố khai thác và điều kiện môi trường giao thông. Nếu không
kiểm soát được các yếu tố đó rất dễ làm mất kiểm soát quỹ đạo của ô tô gây tai
nạn giao thông . Sự chuyển động an toàn của ô tô phụ thuộc rất nhiều vào trạng
thái chuyển động của ô tô. Trong đó có trạng thái chuyển động không ổn định
xẩy ra khi ô tô không thể điều khiển hướng chuyển động theo quỹ đạo ổn định.
Khoa học công nghệ ô tô ngày nay không ngừng cải tiến, nâng cấp để đảm
bảo cao nhất về độ an toàn chuyển động ô tô. Đây cũng là đề tài cũng được rất
nhiều người quan tâm.
Xuất phát từ thực trạng trên và trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ tôi chọn
đề tài “Ảnh hưởng của yếu tố kết cấu và khai thác đến ổn định quỹ đạo
chuyển động của ô tô”.
Việc nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ôtô ở Việt Nam hiện nay được
rất nhiều tác giả quan tâm, là cơ sở cho việc thiết kế các hệ thống tự động điều
khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, là cơ sở để quy định các điều kiện
khai thác ô tô theo đặc điểm đường xá Việt nam để đảm bảo an toàn giao thông
là cơ sở cho thí nghiệm đánh tính ổn định của ô tô.


6
Nội dung nghiên cứu gồm:
- Tổng quan quỹ đạo chuyển động và an toàn giao thông.
- Xây dựng mô hình và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô.
- Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố kết cấu và khai thác đến ổn định
quỹ đạo chuyển động của ô tô.

Luận văn nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên máy tính bằng
phần mềm Matlab/Simulink.


7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG VÀ
AN TOÀN GIAO THÔNG
1.1. Động lực học điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô
1.1.1. Mô hình hệ thống điều khiển của ô tô
Mô hình khảo sát tổng quát tính điều khiển chuyển động của ô tô được xem
xét trong mối quan hệ “ô tô - môi trường - người lái” (hình 1.1). Trong thực tế
quan hệ giữa trạng thái chuyển động của ô tô và sự điều khiển của người lái diễn
ra theo mạch kín, người lái xe thông qua quan sát, âm thanh và cảm nhận từ môi
trường để tác động điều khiển ô tô. Các yếu tố của môi trường luôn luôn thay
đổi, dẫn tới thay đổi mối tương quan chuyển động của ô tô trên nền đường.
Người lái luôn tác động điều khiển để thu được quỹ đạo chuyển động theo mong
muốn. Đồng thời trạng thái chuyển động của ô tô được phản hồi trở lại người lái
và người lái lại tác động điều khiển ô tô để đạt được quỹ đạo chuyển động của ô
tô.


8

Hình 1.1 – Mô hình “Ô tô – Con người – Môi trường” trong nghiên cứu quỹ đạo
chuyển động và tính điều khiển ô tô
Việc khảo sát hệ thống kín như hình 1.1 là đầy đủ, tuy nhiên mô hình
nghiên cứu phức tạp. Để đơn giản hóa ta có thể nghiên cứu từng phần trong hệ
kín để đánh giá tác động của các yếu tố này đến các yếu tố kia trong hệ thống
kín. Ví dụ như để nghiên cứu tác động của môi trường chuyển động đến quỹ đạo

chuyển động của ô tô thì yếu tố con người phải được loại bỏ, coi tác động điều
khiển của con người đến ô tô là không có hoặc không đổi, không có phản ứng
liên hệ ngược với môi trường. Sự chia cắt mô hình con để nghiên cứu là cần
thiết, ngoài mục tiêu đơn giản hóa mô hình còn mục tiêu quan trọng đó là để xác
định rõ yếu tố ảnh hưởng nghiên cứu đến đối tượng nghiên cứu (như ví dụ trên:
môi trường tác động đến quỹ đạo chuyển động ô tô)
Mô hình hệ thống kín đầy đủ như hình 1.1 thường để mô phỏng hệ thống
thực (đầy đủ) trong trường hợp tổng quát với các kết quả nghiên cứu hoàn thiện
mô hình con, hoặc để đánh giá kết quả nghiên cứu với mô hình đơn giản hóa
được áp dụng trên mô hình đầy đủ.
Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động của ô tô được hiểu là các đáp ứng
chuyển vị của ô tô đối với sự thay đổi góc quay vành tay lái (kể đến cả ảnh
hưởng của động lực học hệ thống lái) khi ô tô chuyển động hay sự thay đổi góc


9
quay của bánh xe dẫn (không kể đến ảnh hưởng của động lực học hệ thống lái)
trong điều kiện chuyển động nhất định (vận tốc không đổi hoặc vận tốc thay đổi).
Khi phân tích tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô cần được xem xét
ô tô là một hệ thống động lực học với các tác động đầu vào (như góc đánh lái,
gió ngang, ...) và sự ổn định của các thông số đầu ra. Do đó nghiên cứu ổn định
của ô tô liên quan đến nghiên cứu ổn định hệ thống. Một hệ thống được gọi là ổn
định nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian, hệ thống không ổn định nếu quá
trình quá độ tăng dần theo thời gian, hệ thống ở biên độ ổn định nếu quá trình
quá độ không đổi hoặc dao động không tắt dần.
Bản chất mô hình quỹ đạo chuyển động của ô tô với sự thay đổi góc quay
bánh xe dẫn hướng (hay góc quay vành tay lái) là một hệ thống động lực học với
tác động đầu vào là góc quay bánh xe dẫn hướng và đáp ứng đầu ra là quỹ đạo
chuyển động của ô tô. Hệ thống được coi là ổn định nếu một tác động đầu vào
(góc quay bánh xe dẫn hướng) thì đáp ứng đầu ra (quỹ đạo chuyển động của ô tô)

phải dần đến ổn định ở một trạng thái xác lập. Hay nói cách khác tính ổn định
quỹ đạo chuyển động của ô tô là một đặc tính của ô tô giữ được hướng chuyển
động theo góc quay vành tay lái khi chịu tác động của môi trường (tính ổn định
bền vững).

1.1.2. Vấn đề giao thông và quỹ đạo chuyển động
Trong giao thông đường bộ mặt đường bị giới hạn, sự chuyển động của ô tô
không thể cho phép là những mặt đường vô tận. Mặt khác, ô tô chuyển động
trong môi trường giao thông với sự chuyển động của các đối tượng tham gia giao
thông khác. Nếu ô tô mất ổn định điều khiển sẽ dẫn tới mất an toàn giao thông.
Vì vậy đảm bảo quỹ đạo chuyển động của ô tô là một yếu tố quan trọng nhằm
đảm bảo an toàn giao thông.
Sự chuyển động của ô tô trên đường đòi hỏi phải thực hiện theo quỹ đạo
phức tạp, người lái luôn luôn điều chỉnh góc quay vành tay lái. Khi nâng cao tốc
độ chuyển động cần thiết phải đảm bảo mối tương quan chặt chẽ giữa quỹ đạo
chuyển động và góc quay vành lái, trong nhiều trường hợp sự sai lầm nhỏ trong


10
điều khiển sẽ dẫn tới mất quỹ đạo chuyển động và gây mất an toàn giao thông. Ví
dụ như khi đi trên đường vòng ở tốc độ cao, gặp chướng ngại vật, phanh xe quá
ngặt, dẫn đến các bánh xe bị bó cứng làm khả năng tiếp nhận lực ngang của bánh
xe giảm, làm bánh xe bị trượt ngang, làm mất khả năng điều khiển dẫn đến lật
đổ.
Tai nạn của ô tô có thể do nhiều nguyên nhân, trong mô hình “Ô tô - môi
trường - người lái” có thể chỉ ra nhóm nguyên nhân: ô tô; mô trường và người lái
+ Đối với người lái như: trình độ kỹ thuật thấp; ít kinh nghiệm; trạng thái
của lái xe (mệt mỏi, buồn ngủ, mất tập trung, chủ quan, …)
+ Đối với môi trường như: chất lượng đường; thiếu các hệ thống thông tin
cảnh báo; che khuất tầm nhìn; địa hình, địa chất, mưa, gió, đường trơn trượt; …

+ Đối với ô tô như: tình trạng kỹ thuật không tốt, đặc biệt hệ thống lái, hệ
thống phanh; các thông số khai thác không hợp lý như chở quá tải, áp suất lốp
không đúng tiêu chuẩn, …
Để hạn chế tai nạn giao thông, các yếu tố trên đều được kiểm soát bằng các
quy định pháp luật như: luật giao thông đường bộ; tiêu chuẩn thiết kế đường; tiêu
chuẩn thiết kế ô tô cũng như tiêu chuẩn về kiểm định chất lượng phương tiện
đang lưu hành và ô tô xuất xưởng.
Sự liên quan của quỹ đạo chuyển động tới an toàn chuyển động là một
trong các nguyên nhân nằm trong nhóm nguyên nhân do phương tiện gây ra. Do
đó kết cấu ô tô, đặc biệt hệ thống điều khiển chuyển động ô tô cần được hoàn
thiện để giảm thiểu nguyên nhân tai nạn do yếu tố kỹ thuật phương tiện gây ra.
Việc khảo sát các yếu tố liên quan đến kỹ thuật phương tiện đến ổn định quỹ đạo
chuyển động ô tô là cần thiết. Việc khảo sát giúp đánh giá ảnh hưởng của các yếu
tố về kỹ thuật phương tiện đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, cân nhắc,
xem xét đưa các hệ thống tự động điều chỉnh, điều khiển tự động để nâng cao
tính ổn định và điều khiển hướng của ô tô.

1.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quỷ đạo chuyển động của ô tô


11

1.2.1. Ảnh hưởng của yếu tố kết cấu
1.2.1.1. Ảnh hưởng của bánh xe đàn hồi
Sự chuyển động của ô tô trên nền đường phụ thuộc rất nhiều vào lực
tương tác giữa bánh xe và nền đường. Bánh xe sử dụng trên ô tô là bánh xe đàn
hồi, các thành phần lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường gồm phản lực theo
phương thẳng đứng, phản lực dọc trong mặt phẳng quay của bánh xe (lực phanh
hoặc lực kéo), phản lực ngang (theo phương vuông góc với mặt phẳng quay của
bánh xe) và mô men quay theo trục thẳng đứng (hình 1.2).

Hình 1.2 – Lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường
Trong đó hai thành phần phản lực ngang và mô men quay theo trục thẳng
đứng ảnh hưởng lớn đến tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Đường đặc
tính phản lực ngang và mô men quay theo trục thẳng đứng phụ thuộc nhiều vào
kết cấu của lốp, góc lăn lệch của bánh xe ( α ) và loại đường (hình 1.3)


12

Hình 1.3 – Lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường
Khi bánh xe chịu đồng thời lực dọc và lực ngang, phương chuyển động của
bánh xe không trùng với mặt phẳng lăn của bánh xe mà lệch đi một góc α . Khi
góc lăn lệch α tăng làm giảm tính điều khiển của ô tô khi góc α đạt tới giới hạn,
làm mất tính điều khiển.
Khi bánh xe chịu đồng thời lực dọc và lực ngang thì lực ngang giới hạn
trượt giảm làm giảm tính điều khiển, tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô.
Trên hình 1.4 thể hiện mối quan hệ giữa lực bám dọc, ngang phụ thuộc vào hệ số
trượt dọc λ và góc lăn lệch α

a)

b)

c)

Hình 1.4– sự phụ thuộc lực bám dọc, ngang vào hệ số trượt dọc λ và góc lăn lệch
α
Lực dọc Fx bị giới hạn bởi lực bám dọc cực đại, giá trị lực dọc lớn nhất của
bánh xe có thể đạt được giá trị bằng giá trị lực bám dọc cực đại của bánh xe với

13

mặt đường. Khi có mặt lực bên

Fy

(làm xuất hiện góc lăn lệch α , hình 1.4 a) có

khả năng truyền lực dọc của bánh xe bị giảm và khi lực kéo đạt giá trị lớn nhất
thì lực bên rất nhỏ (hình 1.4c), tức là bánh xe ít có khả năng tiếp nhận lực bên
(bánh xe dễ bị trượt bên). Ngược lại nếu lực bên đạt giá trị lớn nhất, khi đó bánh
xe không còn khả năng tiếp nhận lực dọc (bánh xe dễ bị trượt dọc) (hình 1.4c).

1.2.1.2.Ảnh hưởng của hình dáng hình học của thân xe đến tính ổn định
quỹ đạo chuyển động của ô tô
Hình dáng hình học của thân xe liên quan đến hai yếu tố có ảnh hưởng đến
độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô: giá trị và vị trí đặt lực gió ngang tổng
hợp tác dụng lên ô tô; lực nâng thân xe làm giảm áp lực của bánh xe lên mặt
đường dẫn đến khả năng bám ngang giảm. Trong mục này tác giả đi phân tích
xác định vị trí đặt lực gió ngang và ảnh hưởng của vị trí đặt lực gió ngang đến ổn
định quỹ đạo chuyển động của ô tô.
Tâm đặt lực cản gió ngang có thể xác định là trọng tâm của phần diện tích
của mặt phẳng dọc đối xứng của xe. Phần diện tích này tương đối phức tạp, việc
xác định có thể dựa trên cơ sở chia cắt phần diện tích đó thành các phần diện tích
hình học cơ bản có thể dễ ràng xác định trọng tâm diện tích như hình chữ nhật,
hình vuông, hình bình hành, hình tam giác, … Trọng tâm của hình chữ nhật, hình
vuông, hình bình hành, hình thoi được xác định là giao điểm của hai đường chéo,
trong tâm của tam giác được xác định là giao điểm của 3 đường trung tuyến. Sau

khi xác định được trọng tâm của các hình cơ bản có thể xác định trọng tâm hình
học của mặt phẳng dọc của ô tô trên cơ sở cân bằng trọng tâm hình học của các
hình cơ bản.
Giả sử ta cần tìm tâm diện tích của hình chiếu đứng của ô tô như hình 1.5.
Hình chiếu đứng được chia thành các diện tích cơ bản có diện tích S1 , S 2 ,..., S n và
có tọa độ trọng tâm tương ứng là ( x1 , y1 ),( x2 , y2 ),( x3 , y3 ), ..., ( xn , yn ) .


14

a)

b)

c)

Hình 1.5– Phương pháp xác định trọng tâm hình học của hình chiếu ô tô
Tọa độ trọng tâm của hình chiếu ( x, y ) được xác định như sau:
x=

y=

± S1 x1 ± S 2 x2 ± S3 x3 ... ± S n xn
± S1 ± S 2 ± S3 ± ... ± S n

(1.1)

± S1 y1 ± S 2 y2 ± S3 y3 ... ± S n yn
± S1 ± S 2 ± S3 ± ... ± Sn

(1.2)

Dấu (+) tương ứng với phần diện tích đặc, dấu (−) tương ứng với phần
diện tích rỗng.
Gọi khoảng cách từ điểm đặt lực gió ngang tổng hợp (điểm C) đến trọng
tâm của ô tô (điểm T) là e thể hiện trên hình 1.6

a)

b)

c)

Hình 1.6 – Điểm đặt lực gió ngang so với trọng tâm của ô tô


15
Tùy thuộc vào hình dáng diện tích mặt phẳng dọc ô tô, điểm đặt lực ngang
này có thể nằm trước, sau, hoặc trùng với trọng tâm T của ô tô. Khi điểm đặt lực
ngang nằm trước so với trọng tâm của ô tô (hình 1.6) thì khi xuất hiện lực gió
ngang N sẽ sinh ra mô men quay thân xe quanh trọng tâm của ô tô M T = N .e có
chiều cùng chiều với sự chuyển động lệch hướng của ô tô làm tăng thêm sự lệch
hướng chuyển động của ô tô. Khi điểm đặt lực gió ngang C nằm sau trọng tâm
T của ô tô thì chiều mô men quay thân xe ngược chiều với chiều chuyển động

lệch của thân xe làm giảm sự lệch hướng chuyển động của ô tô. Độ lớn mô men
quay thân xe do ảnh hưởng của gió ngang M T phụ thuộc vào khoảng cách e và
diện tích cản ngang S x
MT = Cy
Trong đó :

Cy

ρ
S x vkk 2e
2

(1.3)

- hệ số cản không khí ngang ; ρ - mật độ không khí ; S x -

diện tích cản ngang ; vkk - vận tốc không khí.
Xét về khía cạnh ổn định để ô tô không bị quay vòng thừa (hoặc góc bù
vành lái nhỏ nhất) thì trọng tâm ô tô cần nằm giữa ô tô hoặc lệch về phía cầu
trước, còn tâm áp lực của gió bên cần dịch sau trọng tâm một cách hợp lý nhờ
cấu trúc vỏ ô tô. Ô tô con có cầu trước chủ động đáp ứng được yêu cầu trọng tâm
ô tô dịch về phía trước, hình dáng vỏ được tạo nên thấp ở đầu xe, cao lên ở đuôi
xe để không nhạy cảm với tác dụng của gió bên.

1.2.1.3. Ảnh hưởng của hệ thống lái
Hệ thống lái giữ vai trò điều khiển hướng chuyển động của ô tô (thay đổi
hay duy trì) theo tác động của người lái. Hệ thống lái tham gia cùng với các hệ
thống điều khiển khác thực hiện điều khiển ô tô và đóng góp vai trò quan trọng
trong việc đảm bảo an toàn giao thông khi ô tô chuyển động. Hệ thống lái bao
gồm các cụm cơ cấu và chi tiết từ vành tay lái tới các bánh xe dẫn hướng.


16
Hệ thống lái phải đảm bảo điều khiển hướng linh hoạt và an toàn của ô tô
trên các loại đường khác nhau tùy thuộc vào vận tốc chuyển động. Sự điều khiển

linh hoạt và an toàn phụ thuộc vào các yếu tố kết cấu: bán kính quay vòng nhỏ
nhất, độ rơ tổng cộng của hệ thống lái, tỷ số truyền của hệ thống lái, hiệu suất
truyền động ngược, khả năng tự ổn định của bánh xe dẫn hướng. Trong các yếu
tố trên, độ rơ của hệ thống lái ảnh hưởng nhiều đến ổn định quỹ đạo chuyển động
của ô tô, độ rơ của hệ thống lái lớn làm thời gian chậm tác dụng của hệ thống lái
tăng. Độ rơ vành tay lái không quá lớn: với xe có vận tốc tối đa lớn hơn
100km/h, độ rơ vành tay lái không được vượt quá 15 độ, với xe có vận tốc từ nhỏ
hơn 100km/h, độ rơ vành tay lái không được vượt quá 27 độ. Khả năng tự ổn
định của bánh xe dẫn hướng đảm bảo ô tô khả năng ổn định hướng chuyển động,
đặc biệt khi đi thẳng. Hiệu suất truyền động ngược và tỷ số truyền của hệ thống
lái (tích của tỷ số truyền cơ cấu lái và tỷ số truyền dẫn động lái) cũng có ý nghĩa
ổn định hướng chuyển động của ô tô. Hiệu suất truyền động ngược nhỏ làm tăng
độ ổn định chuyển động thẳng của bánh xe dẫn hướng khi có ngoại lực ngang tác
động lên bánh xe dẫn hướng và lên ô tô. Trên một số ô tô hiện đại, tỷ số truyền
của cơ cấu lái được điều khiển thay đổi theo tốc độ chuyển động của ô tô để đảm
bảo độ ổn định hướng chuyển động thẳng của ô tô. Khi tốc độ chuyển động tăng,
tỷ số truyền cơ cấu lái tăng để tăng độ ổn định chuyển động thẳng của bánh xe
dẫn hướng.

1.2.2. Ảnh hưởng của yếu tố khai thác và môi trường
1.2.2.1 Ảnh hưởng của áp suất hơi lốp đến độ ổn định quỹ đạo chuyển
động của ô tô
Áp suất hơi lốp có ảnh hưởng lớn đến độ cứng theo phương ngang của lốp,
ảnh hưởng đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Trên hình 1.7 thể hiện
sự ảnh hưởng của áp xuất hơi lốp đến độ cứng theo phương ngang, dọc và theo
phương thẳng đứng [1].


17
Theo thống kê ở Mỹ cho thấy, 5% số phương tiện giao thông gặp nạn là do

vấn đề lốp. Cơ quan an toàn giao thông quốc gia Mỹ (NHTSA) cũng chỉ ra nguy
cơ gặp tai nạn cao gấp 3 lần đối với các phương tiện sử dụng lốp có áp suất thấp
hơn 25% so với tiêu chuẩn. Trong quá trình sử dụng do sự chênh lệch áp suất
giữa bên trong và bên ngoài lốp nên áp suất hơi lốp giảm theo thời gian. Trong
điều khiển bình thường, trung bình áp suất hơi giảm khoảng 0,068 atmosphere
mỗi tháng, tốc độ này sẽ tăng lên nếu chạy xe trong điều kiện nắng nóng.
Lốp xe là phần tử quan trọng và làm việc nặng nhọc nhất trong tương tác
giữa bánh xe và đường. Quá trình ô tô chuyển động lốp xe luôn luôn ở trong
trạng kéo nén cục theo chu kỳ phụ thuộc vào tốc độ quay. Lốp non hơi có độ
cứng thấp, quá trình biến dạng xảy ra mạnh làm tăng tốc độ phá hủy lốp, ngoài ra
còn làm giảm độ cứng của lốp theo phương ngang làm mất ổn định quỹ đạo
chuyển động. Việc duy trì áp suất lốp đúng theo tiêu chuẩn giúp cho các chức
năng phanh, đổi hướng chuyển động, cách ly dao động từ kích thích mặt
đường… ở tình trạng tốt nhất. Lốp non hơi cũng làm tăng lực cản lăn dẫn đến tổn
hao công suất động cơ. Việc sử dụng lốp theo đúng khuyến cáo giúp cải thiện
3,3% mức tiêu thụ nhiên liệu. Tuy nhiên sử dụng lốp quá căng lại làm giảm diện
tích tiếp xúc giữa lốp với mặt đường, lốp nhanh bị mòn ở giữa và dễ gây nổ lốp.


18

a)

b)

c)
Hình 1.7 Ảnh hưởng của áp suất lốp (tire inflation pressure) đến độ cứng theo
phương ngang

Cy

(a), dọc Cx (b) và theo phương hướng kính C z (c)


19

1.2.2.2 Ảnh hưởng của mặt đường đến ổn định quỹ đạo chuyển động
của ô tô
Mặt đường không bằng phẳng, hệ số bám thấp là hai yếu tố ảnh hưởng đến
độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Lực bám dọc và ngang phụ thuộc vào
áp lực của bánh xe xuống mặt đường và hệ số bám dọc, ngang. Trong mục này
tác giả phân tích ảnh hưởng của mặt đường không bằng phẳng đến tính điều
khiển của ô tô. Theo quan điểm về tính điều khiển và áp lực bánh xe tác dụng
xuống nền đường là một trong những thông số quan trọng để đánh giá. Khi ô tô
chuyển động trên đường không bằng phẳng có tính ngẫu nhiên thì dáng điệu của
áp lực bánh xe xuống mặt đường Rk (t ) cũng mang tính ngẫu nhiên. Áp lực bánh
xe Rk (t ) được xác định bằng tổng của áp lực tĩnh và áp lực động giữa bánh xe với
bề mặt đường.
Rk (t ) = Rkt ± Fd (t )

(1.4)

t
Trong đó: Rk – áp lực tĩnh; Fd (t ) – áp lực động giữa bánh xe với bề mặt

đường;
Giá trị Rk dao động xung quanh vị trí giá trị trung bình (hình 1.8).

Hình 1.8 - Sự thay đổi áp lực bánh xe xuống mặt đường khi chuyển động trên
đường không bằng phẳng

Tại thời điểm bánh xe tách khỏi mặt đường (áp lực bánh xe tác dụng xuống mặt
đường bằng) bánh xe không có khả năng nhận lực ngang (quan trọng khi điều


20
khiển), lực dọc (quan trọng khi phanh). Nếu là bánh xe dẫn hướng thì không có
khả năng dẫn hướng. Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì sai lệch bình
phương trung bình của áp lực Rk càng nhỏ càng tốt.

1.2.2.3. Ảnh hưởng của gió đối với quỹ đạo chuyển động của ô tô
Sự chuyển động của ô tô trong gió bên là một trạng thái của chuyển động
quay vòng động. Trong thực tế khi ô tô đang chuyển động bất ngờ gặp gió bên
đột biến (lực ngang tăng đột biến) có thể làm lệch quỹ đạo chuyển động của ô tô
so với quỹ đạo mong muốn. Đây là trường hợp có thể gây mất an toàn, hiện
tượng này thường gặp khi ô tô chuyển động qua các khe giữa của hẻm núi với tốc
độ cao.
Nghiên cứu ảnh hưởng của gió ngang đến ổn định quỹ đạo chuyển động
thường khảo sát ở trạng thái chuyển động của ô tô khi không chịu tác động của
lái xe, lúc đó có thể coi ô tô có thể chuyển động thẳng trên đường, trong trường
hợp này khi nghiên cứu động lực học thông thường xác định góc bù cần thiết của
vành lái để ô tô vẫn giữ được hướng chuyển động thẳng, nghiên cứu phân tích,
độ ổn định của gió bên khi có lực gió ngang kích thích. Phân tích động lực học,
phân tích ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có gió ngang kích thích làm
cơ sở để thiết kế điều khiển các hệ thống lái có điều khiển tự động. Trên hình 1.9
thể hiện quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có gió ngang kích thích trong trường
hợp giữ nguyên vành tay lái và trong trường hợp điều chỉnh vành tay lái theo
hướng ngược lại để đảm bảo ô tô giữ được hướng chuyển động không bị lệch ra
ngoài hành lang của đường.

21

Hình 1.9- Quy luật tác động của gió bên (a) và quỷ đạo chuyển động của trọng
tâm ô tô (b)

1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước
Vấn đề ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô được các tác giả trong và
ngoài nước nghiên cứu quan tâm nghiên cứu. Các hướng nghiên cứu bao gồm:
nghiên cứu đặc tính bám của lốp; mô hình động lực học tương tác theo phương
dọc, ngang của lốp; nghiên cứu mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô; nghiên cứu
điều khiển quỹ đạo chuyển động của ô tô; nghiên cứu hệ thống lái tích cực, ...
Về hướng nghiên cứu đặc tính bám của lốp, xấp xỉ đường đặc tính bám của
lốp bằng các hàm toán học như trong công trình nghiên cứu [2], tác giả đã đưa ra
hàm lượng giác với 10 tham số để mô tả đường đặc tính bám dọc, ngang của lốp.
Mô hình vẫn phải dựa trên số. Trong nghiên cứu [1], các tác giả nghiên cứu ảnh
hưởng của áp suất hơi lốp đến độ cứng theo phương dọc, ngang và theo phương
hướng kính. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sự ảnh hưởng đến độ cứng ngang của
lốp phụ thuộc rất nhiều vào áp suất hơi lốp, phụ thuộc không đáng kể đến trạng
thái bề mặt của lốp, của đường. Trạng thái bề của lốp của đường ảnh hưởng đến
giá trị lớn nhất của lực bám ngang. Trong [3] [4] [5] các tác giả xây dựng mô
hình động lực học của lốp kết hợp theo phương dọc và ngang.
Về hướng nghiên cứu thiết kế các hệ thống điều khiển tự động ổn định quỹ
đạo chuyển động của ô tô như hệ thống ESP (Electronic Stability Program), hay
VDC (Vehicle Dynamics Control), được nhiều tác giả quan tâm như trong nghiên
cứu [6], [7], [8].


22
Về hướng xây dựng mô hình mô phỏng động lực học của ô tô được các tác
giả trong nước quan tâm nhiều như các công trình [11], [12], [13], [14], [16].

Trong các nghiên cứu này tác giả chủ yếu tập trung xây dựng mô hình mô phỏng
động lực học quay vòng của ô tô với vận tốc đều, không xét đến mô hình quay
vòng có gia tốc, hay nói cách khác, động lực học theo phương dọc của ô tô được
bỏ qua, coi ô tô chuyển động đều. Mô hình lốp được xem xét là mô hình tuyến
tính hoặc phi tuyến.

1.4 Kết luận chương
Trong chương này, tác giả đã tìm hiểu tổng quan về vấn đề ổn định quỹ đạo
chuyển động của ô tô và an toàn giao thông. Độ ổn định quỹ đạo chuyển động ô
tô và an toàn giao thông là hai yếu tố không thể tách rời trong nghiên cứu. Ngày
nay phương tiện giao thông có tốc độ chuyển đông ngày lớn cho nên vấn đề ổn
định quỹ đạo chuyển động của ô tô là vấn đề được quan tâm nhiều của các nhà
nghiên cứu.
Tác giả đã đi phân tích định tính ảnh hưởng của một số yếu tố kết cấu, khai
thác và môi trường giao thông đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Và
nghiên cứu tài liệu tham khảo liên quan đến vấn đề mô hình hóa, mô phỏng quỹ
đạo chuyển động của ô tô cũng như các nghiên cứu liên quan như mô hình lốp,
nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô.
Các nghiên cứu trong nước về mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô
phần lớn chỉ dừng lại ở mô hình quỹ đạo chuyển động đều, bỏ qua động lực học
theo phương dọc ô tô coi ô tô chuyển động đều, mô hình lốp nghiên cứu chủ yếu
là mô hình tuyến tính. Có một vài nghiên cứu mô hình lốp là mô hình phi tuyến
nhưng chỉ nghiên cứu độc lập trên mô hình lốp [12], chưa nghiên cứu kết hợp mô
hình lốp phi tuyến với mô hình quỹ đạo chuyển động của ô tô. Các nghiên cứu
ảnh hưởng của yếu tố kết cấu và yếu tố khai thác còn hạn chế và mang tính chất
định tính [11].


23
Trên cơ sở đó, tác giả tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố kết

cấu, yếu tố khai thác đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, mô hình
nghiên cứu có xét đến động lực học theo phương dọc của ô tô.

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG QUỸ
ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ
2.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình
Mô hình động lực học chuyển động ô tô tổng quát của ô tô là một hệ thống
cơ học phức tạp gồm nhiều bậc tự do và liên kết phức tạp như liên kết giữa lốp
xe với mặt đường theo 3 phương,… Trong mô hình động lực học thông thường
gồm có các phần tử có khối lượng và các liên kết. Để đơn giản hóa khi xây dựng
mô hình động lực học người ta thường đưa vào các giả thiết vật lý, và rút gọn mô
hình trên cơ sở quy dẫn các thành phần của mô hình. Từ mô hình động lực học,
để xây dựng mô hình toán có thể sử dụng nhiều phương pháp như phương trình
Lagrange loại 2, nguyên lý Dalambe, phương pháp họa đồ (bond graph) [9],
phương pháp hệ thống con,... Trong chương này này tác giả trình bày hai phương
pháp phổ biến để xây dựng mô hình toán cho hệ động lực học đó là phương
phương trình Lagrange loại 2 và nguyên lý Dalambe.

2.1.1. Nguyên lý Dalambe
Dựa vào nguyên lý Dalambe chuyển bài toán động lực học về bài toán tĩnh
học bằng cách đưa các mô men quán tính khối lượng, khối lượng quán tính vào
cơ hệ, khi đó phương trình chuyển động sẽ được thiết lập trên cơ sở lấy tổng các
mô men, lực tác dụng lên cơ hệ.


24
Mỗi phần tử cứng tuyệt đối của cơ hệ có đại lượng đặc trưng là mô men
m
quán tính khối lượng J i và khối lượng j đặt tại khối tâm của phần tử. Phương

trình tổng quát theo nguyên lý Dalambe cho phần tử i có dạng:
Ji

n
d 2θi
=
Tij
∑
dt 2
j =1

mi

(2.1)

m
d 2 xi
=
Fij
∑
dt 2
j =1

(2.2)

Trong đó : J i - mô men quán tính khối tương ứng mỗi vật; θi - dịch chuyển
góc góc tương ứng mỗi phần tử; mi - khối lượng quán tính; xi - dịch chuyển của
F
phần tử i theo phương xi ; ij - ngoại lực tác dụng lên phân tử theo phương xi ;
M ij

- mô men tác dụng lên phần tử theo chiều dịch chuyển θi .

2.1.2 Phương trình Lagrange loại 2
Xét hệ cơ học có n tọa độ suy rộng, động năng, thế năng đàn hồi và năng
lượng khuyết tán của hệ được xác định tương ứng theo các công thức sau:
- Động năng của hệ:
k

l

i =1

j =1

2
&2
Ek = 0.5∑ J iθ&
i + 0.5∑ m j x j

(2.3)

m
Trong đó: J i , j - tương ứng là mô men quán tính khối và khối lượng của
x
phần tử tương ứng, k + l = n ; θi , j - dịch chuyển góc và dịch chuyển dài của

phần tử.
- Thế năng của hệ:
m

E p = 0.5∑ Ciδ i2
i =1

(2.4)


25
Trong đó: δ i - biến dạng (dài, góc) của phần tử có độ cứng (chống biến

δ = θ j − θk m
dạng dài, góc) Ci , i
; - số lượng phần tử có độ đàn hồi.
- Năng lượng khuyết tán:
v

2
En = 0.5∑ K iδ&
i
i =1

(2.5)

&
Trong đó: δ i - vận tốc biến dạng của phần tử có độ cản nhớt K i

Phương trình Lagrange loại II cho cơ hệ được viết như sau:
d  ∂Ek 
∂Ek
∂En

∂Ep
+
+
= Qi , i = 1 ÷ n
 &÷ −
&
dt  ∂θi 
∂θ&
∂
θ
∂
θ
i
i
i

(2.6)

2.2 Các mô hình nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô
Trong nghiên cứu ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, tùy theo mục tiêu
và phạm vi nghiên cứu người ta lựa chọn mô hình nghiên cứu phù hợp, không
quá phức tạp cũng không quá đơn giản quá làm mất tính chất của đối tượng
nghiên cứu. Các mô hình được sử dụng để nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của
ô tô thường là mô hình trong không gian, mô hình hai vết trong mặt phẳng (biểu
diễn trên mặt phẳng của đường), mô hình một vết, mô hình bánh xe và mô hình
hệ thống lái.

2.2.1 Mô hình chuyển động tổng quát của ô tô
Trong trường hợp tổng quát mô hình chuyển động của ô tô trong không
gian gồm 9 bậc tự do (tọa độ suy rộng). Đối với thân xe có 6 bậc tự do: dịch

chuyển theo phương thẳng đứng (phương OZ); góc quay thân xe theo trục OZ
(yaw angle); dịch chuyển theo phương dọc (OX); góc lắc ngang của thân xe (roll
angle); dịch chuyển theo phương ngang (OY); góc lắc dọc của thân xe (pitch
angle). Đối với mỗi bánh xe dẫn hướng có 3 bậc tự do: dịch chuyển theo phương
thẳng đứng do sự kích thích của mấp mô mặt đường (wheel lift); góc quay bánh
xe theo trục của nó và góc quay của bánh xe dẫn hướng quanh trục quay đứng.