Mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm matlab – simulink và carsim

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN CÔNG VINH

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
BẰNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK VÀ CARSIM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng- Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN CÔNG VINH

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
BẰNG PHẦN MỀM MATLAB - SINULINK VÀ CARSIM

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 60.52.01.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
TS. Nguyễn Văn Đông

Đà Nẵng – Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Mọi kết quả
nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo
vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như ở nước ngoài và cho đến nay vẫn
chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây.

Tác giả

Nguyễn Công Vinh


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG
MỞ DẦU ..................................................................................................................... 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ........................................................................................... 1
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .................................................................................... 2
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .......................................................... 2

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................ 2
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ........................................ 3
6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN ............................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................... 4
1.1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC
HỌC Ô TÔ TRÊN THẾ GIỚI ..................................................................................... 4
1.2. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG
LỰC HỌC Ô TÔ TẠI VIỆT NAM .............................................................................. 6
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ .......................................... 10
2.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ ....................... 10
2.1.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình mô phỏng động lực học ô tô ..................... 10
2.1.2. Hệ tọa độ ......................................................................................................... 11
2.1.2.1. Hệ tọa độ cố định. ......................................................................................... 11
2.1.2.2. Hệ tọa độ thân xe. ......................................................................................... 12
2.1.3. Các lực tác dụng lên ô tô .................................................................................. 13
2.1.3.1. Lực tác dụng trong mặt phẳng dọc ................................................................ 13
2.1.3.2. Lực tác dụng trong mặt phẳng ngang............................................................. 14
2.2. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ. .. 15
2.2.1. Mô hình tính toán lốp xe .................................................................................. 17
2.2.1.1. Góc lệch hướng chuyển động bánh xe ........................................................... 18
2.2.1.2. Góc lệch bên của các bánh xe ........................................................................ 19
2.2.1.3. Lực tác dụng lên bánh xe .............................................................................. 20
2.2.2. Mô hình một vết bánh xe.................................................................................. 21
2.2.2.1. Xây dựng mô hình......................................................................................... 21


2.2.2.2. Xây dựng hệ phương trình vi phân ................................................................ 23
2.2.3. Mô hình hai vết bánh xe ................................................................................... 24
2.2.3.1. Xây dựng mô hình......................................................................................... 24
2.2.3.2. Xây dựng hệ phương trình vi phân ................................................................ 26

2.2.4. Phương trình mô tả động lực học chuyển động của ô tô ................................... 29
2.2.4.1. Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của ô tô. ................................... 29
2.2.4.2. Phương trình không gian trạng thái mô tả chuyển động của ô tô.................... 34
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLABSIMULINK VÀ CARSIM ......................................................................................... 37
3.1. PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK VÀ CARSIM ỨNG DỤNG TRONG BÀI
TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ ............................................................................... 37
3.1.1. Các công cụ giải hệ phương trình vi phân động lực học ô tô ............................ 37
3.1.2. Giới thiệu về phần mềm Matlab-Simulink ứng dụng trong bài toán động lực học
ô tô. ........................................................................................................................... 37
3.1.2.1. Giới thiệu về Matlab ..................................................................................... 37
3.1.2.2. Giới thiệu về Simulink .................................................................................. 38
3.1.3. Giới thiệu phần mềm CarSim trong mô phỏng động lực học ô tô. .................... 41
3.2. THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN
MỀM MATLAB-SIMULINK VÀ CARSIM ............................................................. 42
3.2.1. Sơ đồ thuật toán mô phỏng động lực học ô tô................................................... 42
3.2.2. Xây dựng mô hình ô tô mô phỏng động lực học bằng phần mềm CarSim ........ 44
3.2.3. Kết nối CarSim với Simulink ........................................................................... 45
3.2.4. Sơ đồ mô hình mô phỏng động lực học ô tô bằng Matlab-Simulink ................. 46
3.2.5. Sơ đồ tổng thể mô phỏng động lực học ô tô bằng Matlab-Simulink và CarSim 46
3.3. MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB–
SIMULINK VÀ CARSIM. ........................................................................................ 47
3.3.1. Thông số mô phỏng ......................................................................................... 47
3.3.2. Mô hình không gian trạng thái động lực học của ô tô. ...................................... 48
3.3.3. Nhập thông số đầu vào cho mô hình mô phỏng ................................................ 48
3.3.4. Mô phỏng động lực ô tô bằng phần mềm Matlab-Simulink và CarSim............. 49
3.3.4.1. Điều kiện mô phỏng ...................................................................................... 49
3.3.4.2. Mô phỏng động lực học ô tô trên phần mềm Simulink. ................................. 50
3.3.4.3. Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 51
3.4. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM
MATLAB-SIMULINK VÀ CARSIM ....................................................................... 53

3.4.1. Sử dụng công cụ Parameter Estimation trong Simulink xác định các thông số
của mô hình. .............................................................................................................. 53
3.4.2. Kết quả nhận dạng thông số ............................................................................. 55
3.5. THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI THEO PHƯƠNG PHÁP GÁN ĐIỂM
CỰC .......................................................................................................................... 56
3.5.1. Xét các tính chất của mô hình trong không gian trạng thái ............................... 56
3.5.1.1. Tính ổn định của hệ thống ............................................................................. 56
3.5.1.2. Tính điều khiển được .................................................................................... 57
3.5.1.3. Tính quan sát được ........................................................................................ 57
3.5.2. Thiết kế bộ quan sát trạng thái ......................................................................... 57
3.5.2.1. Xác định ma trận quan sát trạng thái ............................................................. 57
3.5.2.2. Thiết kế bộ quan sát trạng thái trên phần mềm Matlab-Simulink ................... 59
3.6. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ỨNG VỚI BỘ THÔNG
SỐ MỚI ..................................................................................................................... 60
3.6.1. Mô phỏng với bộ tham số mới ......................................................................... 60
3.6.2. Đánh giá kết quả mô phỏng. ............................................................................. 63
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................ 64
4.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ..................................................................................... 64
4.1.1. Mô phỏng ở vận tốc 35 km/h ........................................................................... 64
4.1.2. Mô phỏng ở vận tốc 45 km/h ........................................................................... 67
4.1.3. Mô phỏng ở vận tốc 85 km/h ........................................................................... 70
4.1.4. Mô phỏng ở vận tốc 110 km/h.......................................................................... 73
4.2. BÀN LUẬN........................................................................................................ 76
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........................................... 77
1. KẾT LUẬN ........................................................................................................... 77
2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................................................. 78
3. KIẾN NGHỊ .......................................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 79

TÓM TẮT
Tên đề tài: “Mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm MatlabSimulink và CarSim”
Học viên: Nguyễn Công Vinh

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 60.52.01.16. Khóa: K30

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.

Tóm tắt: Nghiên cứu động lực học ô tô hiện nay đã và đang phát triển. Tuy nhiên, với
phương pháp thí nghiệm đo đạc tuy có độ chính xác cao nhưng đòi hỏi đầu tư nhiều
chi phí và thời gian. Hiện nay phương pháp mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô
tô được thực hiện rộng rải nhờ vào khả năng ứng dụng các phần mềm trên máy tính
giảm chi phí và giảm thời gian nghiên cứu. Trong nội dung nghiên cứu này được thực
hiện bằng phần mềm Matlab-CarSim đối với loại xe ô tô du lịch, trình bày về nội dung
xây dựng mô hình mô phỏng động lực học ô tô có ba bậc tự do kết hợp với các chuyển
động nghiêng, chuyển động quay và chuyển động ngang. Mô hình mô phỏng cho phép
khảo sát và tính toán, mô phỏng các thông số động lực học của quá trình chuyển động
của xe ô tô thông qua bốn thông số cơ bản. Các thông số của mô hình được xác định
bằng công cụ Parameter Estimation trong Simulink. Tính tương thích và mức độ chính
xác của mô hình mô phỏng được kiểm chứng bằng thực nghiệm với kết quả của xe
trên CarSim. Nghiên cứu này góp phần rút ngắn thời gian và kinh phí, kết quả nghiên
cứu làm cơ sở để thiết kế, cải tiến, chế tạo.
Từ khóa: Mô hình hóa, mô phỏng động lực học, nhận dạng thông số, CarSim, Matlab.
ABSTRACT
Abstract: Automobile dynamics research is now developing. However, with the
method of measurement experiments with high accuracy but requires much investment

time and cost. Automobile modeling and simulation is now widely available due to the
ability to use software on a computer to reduce costs and reduce study time. This study
was conducted using the Matlab-CarSim software for passenger car models, describing
the content of the automotive dynamics simulator model with three degrees of freedom
combined with transitions. Tilt, rotary motion and horizontal motion. The simulation
model allows for surveying and calculating, simulating the dynamic parameters of the
movement of cars through four basic parameters. Parameters of the model are
determined by Parameter Estimation tool in Simulink. The compatibility and accuracy
of the simulation model is experimentally verified with the results of the car on
CarSim. This research contributes to shorten time and funding, research results as a
basis for design, improvement and fabrication.
Key word: Modeling, Dynamic Simulation, Parameter Identification, CarSim, Matlab.


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
𝛼

Góc lệch bên của bánh xe, (rad).

𝛼

Góc lệch bên trung bình của hai bánh xe cầu trước, (rad)

𝛼

Góc lệch bên trung bình của hai bánh xe cầu sau, (rad)

𝛽

Góc lệch hướng chuyển động tại vị trí trọng tâm xe, (rad)

𝛽

Góc lệch hướng chuyển động của bánh xe cầu trước, (rad)

𝛽

Góc lệch hướng chuyển động của bánh xe cầu sau, (rad)

𝛿
𝛿

Góc quay của bánh xe dẫn hướng quanh trục z trong hệ tọa độ thân
xe, (rad)
Góc lái của bánh xe cầu trước, (rad)

𝛿

Góc lái của bánh xe cầu sau, (rad)

𝑙

Chiều dài cơ sở của ô tô, (m)

𝐵

Chiều rộng cơ sở của ô tô, (m)

𝑎

Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu trước, (m)

𝑎

Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu sau, (m)

ℎ

Khoảng cách từ tâm lắc đến trọng tâm khối lượng được treo, (m)

𝑚

Khối lượng của ô tô, (kg)

C

Trọng tâm của xe

𝐶

𝐶

Hệ số ảnh hưởng của chuyển động lắc ngang đến góc lệch bên của
bánh xe
Hệ số ảnh hưởng của chuyển động lắc ngang đến góc lệch bên của
bánh xe trước
Hệ số ảnh hưởng của chuyển động lắc ngang đến góc lệch bên của
bánh xe sau
Độ cứng khi quay vòng của bánh xe trước, (N/rad)

𝐶

Độ cứng khi quay vòng của bánh xe sau, (N/rad)

𝐶

Độ cứng khi quay vòng của bánh xe trước bên trái, (N/rad)

𝐶

Độ cứng khi quay vòng của bánh xe trước bên phải, (N/rad)

𝑐
𝐶

Hệ số giảm chấn tương đương đối với chuyển động lắc ngang,
(Ns/rad)
Hệ số ảnh hưởng lực đẩy nghiêng bánh xe trước

𝐶

Hệ số ảnh hưởng lực đẩy nghiêng bánh xe sau

𝐶
𝐶


𝑘

Độ cứng tương đương đối với chuyển động lắc ngang, (N/rad)

𝐹

Lực dọc, (N)

𝐹

Lực ngang, (N)

𝐹

Lực dọc tại bánh xe cầu trước, (N)

𝐹

Lực ngang tại bánh xe cầu trước, (N)

𝐹

Lực dọc tại bánh xe cầu sau, (N)

𝐹

Lực ngang tại bánh xe cầu sau, (N)

𝐼

Mô men quán tính của ô tô quanh trục x, (kg.m2)

𝐼

Mô men quán tính của ô tô quanh trục z, (kg.m2)

𝑀

Mô men quay của bánh xe trước theo phương ox, (Nm)

𝑀

Mô men quay của bánh xe sau theo phương ox, (Nm)

𝑀

v

Mô men cản của giảm chấn tương đương đối với chuyển động lắc
ngang, (Nm)
Mô men cản của hệ thống treo tương đương đối với chuyển động lắc
ngang, (Nm)
Vận tốc chuyển động của ô tô, (km/h)

𝑣

Vận tốc dọc của thân xe trong hệ tọa độ thân xe, (m/s)

𝑣

Vận tốc ngang của thân xe trong hệ tọa độ thân xe, (m/s)

𝑎

Gia tốc ngang của thân xe trong hệ tọa độ thân xe, (m/s2)

𝜔 = 𝐴𝑉

Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x, (rad/s)

𝜔 = 𝐴𝑉

Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z, (rad/s)

𝜔̇

Gia tốc góc, (rad/s2)

𝜓

Góc quay thân xe quanh trục z, (rad)

𝜓̇

Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z, (rad/s)

𝜑

Góc quay thân xe quanh trục x, (rad)

𝜑̇

Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x, (rad/s)

u

Véc tơ thông số đầu vào

𝑀


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2. 1. Hệ trục tọa độ cố định ............................................................................... 12
Hình 2. 2. Hệ trục tọa độ thân xe ............................................................................... 12
Hình 2. 3. Hệ trục tọa độ không gian ba chiều ........................................................... 13
Hình 2. 4. Góc lệch hướng chuyển động của ô tô ....................................................... 16
Hình 2. 5. Mô hình tính toán lốp xe. .......................................................................... 17
Hình 2. 6. Mô hình một vết của ô tô........................................................................... 22
Hình 2. 7. Mô hình một vết của ô tô........................................................................... 23
Hình 2. 8. Mô hình hai vết bánh xe. ........................................................................... 25
Hình 2. 9. Mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng ngang .................................... 26
Hình 2. 10. Mô hình một vết tương đương có xét đến sự nghiêng ngang .................... 29
Hình 2. 11. Mô hình trạng thái động lực học của ô tô................................................. 35
Hình 3. 1. Giao diện màn hình Matlab ....................................................................... 39
Hình 3. 2. Giao diện màn hình xây dựng sơ đồ khối .................................................. 39
Hình 3. 3. Hệ thống thư viện trong Simulink ............................................................ 40
Hình 3. 4. Thư viện của CarSim S-Function .............................................................. 41
Hình 3. 5. Màn hình CarSim ...................................................................................... 42
Hình 3. 6. Sơ đồ thuật toán mô phỏng động lực học ô tô ............................................ 43
Hình 3. 7. Cấu trúc mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng đường...................... 43
Hình 3. 8. Mô hình ô tô mô phỏng thiết lập bằng phần mềm CarSim 2016.1 ............. 44
Hình 3. 9. Thiết lập thông số kỹ thuật của mô hình ô tô ............................................. 44
Hình 3. 10. Hoạt hình mô phỏng ô tô trên CarSim ..................................................... 45

Hình 3. 11. Kết quả kết nối CarSim-Simulink ............................................................ 45
Hình 3. 12. Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô trong Simulink .......................... 46
Hình 3. 13. Sơ đồ tổng thể mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm MatlabSimulink và CarSim................................................................................................... 47
Hình 3. 14. Nhập thông số đầu vào cho mô hình mô phỏng ....................................... 49
Hình 3. 15. Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô trong Simulink .......................... 50
Hình 3. 16. Vận tốc ngang (Vy, (m/s)) ....................................................................... 51
Hình 3. 17. Gia tốc ngang (Ay, (m/s2)) ...................................................................... 51
Hình 3. 18. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz, (rad/s)). .............................. 52
Hình 3. 19. Góc quay thân xe quanh trục x (Phi, (rad)) .............................................. 52
Hình 3. 20. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx, (rad/s)) .............................. 53
Hình 3. 21. Mô hình động lực học ô tô xây dựng trong môi trường Simulink............. 54
Hình 3. 22. Quá trình nhận dạng thông số bằng công cụ Parameter Estimation .......... 54
Hình 3. 23. Cửa sổ màn hình kết thúc quá trình nhận dạng thông số .......................... 55
Hình 3. 24. Bộ quan sát trạng thái .............................................................................. 58
Hình 3. 25. Mô hình hệ thống sử dụng bộ quan sát trạng thái. .................................... 59


Hình 3. 26. Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô trong Simulink sử dụng bộ quan
sát trạng thái .............................................................................................................. 60
Hình 3. 27. Vận tốc ngang (Vy, (m/s)) ....................................................................... 61
Hình 3. 28. Gia tốc ngang (Ay, (m/s2)) ...................................................................... 61
Hình 3. 29. Góc quay thân xe quanh trục x (Phi, (rad)) .............................................. 62
Hình 3. 30. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz, (rad/s)) ............................... 62
Hình 3. 31. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx, (rad/s)) .............................. 63
Hình 4. 1. Vận tốc ngang (Vy, (m/s)) ......................................................................... 64
Hình 4. 2. Gia tốc ngang (Ay, (m/s2)) ........................................................................ 65
Hình 4. 3. Góc quay thân xe quanh trục x (Phi, (rad)) ................................................ 65
Hình 4.4. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz, (rad/s)).................................. 66
Hình 4.5. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx, (rad/s)) ................................. 66
Hình 4.6. Vận tốc ngang (Vy, (m/s)) .......................................................................... 67

Hình 4.7. Gia tốc ngang (Ay, (m/s2)) ......................................................................... 68
Hình 4.8. Góc quay thân xe quanh trục x (Phi, (rad)) ................................................. 68
Hình 4.9. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz, (rad/s)).................................. 69
Hình 4.10. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx, (rad/s)) ............................... 69
Hình 4.11. Vận tốc ngang (Vy, (m/s)) ........................................................................ 70
Hình 4.12. Gia tốc ngang (Ay, (m/s2)) ....................................................................... 71
Hình 4.13. Góc quay thân xe quanh trục x (Phi, (rad)) ............................................... 71
Hình 4.14. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz, (rad/s)) ................................ 72
Hình 4.15. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx, (rad/s)) ............................... 72
Hình 4.16. Vận tốc ngang (Vy, (m/s)) ........................................................................ 73
Hình 4.17. Gia tốc ngang (Ay, (m/s2)) ....................................................................... 74
Hình 4.18. Góc quay thân xe quanh trục x (Phi, (rad)) ............................................... 74
Hình 4.19. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz, (rad/s)) ................................ 75
Hình 4.20. Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx, (rad/s)) ............................... 75


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật xe C-Class Hatchback 2012. ......................................... 45
Bảng 3.2. Thông số chọn cho mô hình toán ............................................................... 47
Bảng 3.3. Giá trị góc quay bánh xe dẫn hướng do tác động của góc quay vành lái δ( 0)
theo thời gian của ô tô mô phỏng trên CarSim ........................................................... 49
Bảng 3.4: Kết quả nhận dạng thông số ....................................................................... 56


1
MỞ DẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay đất nước ta đang trên đà phát triển mạnh, nền kinh tế tăng trưởng, hội
nhập và phát triển, ô tô đã và đang trở thành phương tiện vận tải chủ yếu để vận
chuyển hàng hóa, hành khách góp phần phục vụ sự phát triển kinh tế, an ninh, quốc

phòng và đáp ứng các nhu cầu đi lại của con người. Nhằm đáp ứng nhu cầu trên,
ngành công nghiệp ô tô trong nước cũng đã có những bước đổi mới như: có sự đầu tư
lớn, tăng số lượng ô tô nhập khẩu, số lượng ô tô lắp ráp trong nước với đủ loại dòng xe
như xe con, xe du lịch, xe bus… là một đất nước có nền kinh tế đang phát triển, vì vậy
Việt Nam được coi là thị trường rất tiềm năng để phát triển ô tô, cụ thể nhu cầu sử
dụng cao, sức mua lớn.
Số lượng ô tô tăng nhanh sẽ dẫn đến mật độ lưu thông trên đường ngày càng
lớn. Bên cạnh đó đường bộ ngày được nâng cao, ô tô được thiết kế với công suất lớn,
tốc độ di chuyển cao. Như vậy, khi ô tô chuyển động trên đường đòi hỏi phải có tính
ổn định và an toàn chuyển động cao là điều tất yếu.
Trong thực tế khi ô tô tham gia lưu thông trên đường sẽ có rất nhiều yếu tố ảnh
hưởng đến tính ổn định và an toàn chuyển động cụ thể như: kích thước xe, kết cấu của
hệ thống treo, … và những tác động từ người lái như phanh, ga, quay vô lăng lái …
đặc biệt có những trường hợp ô tô mất ổn định động học trong quá trình chuyển động
như khi tăng tốc hay quay vòng, rồi đến các yếu tố tác động bất ngờ bên ngoài khác,
như vậy sẽ ảnh hưởng rất lớn đến an toàn chuyển động. Vì vậy, nghiên cứu các biện
pháp để nâng cao tính năng ổn định và đảm bảo an toàn chuyển động là một nhu cầu
cấp thiết, giải quyết vấn đề này về cơ bản cần phải nghiên cứu về động lực học chuyển
động ô tô, mà cụ thể là các thông số động lực học. Tính hiệu quả của kiểm soát ổn
định xe chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác của các thông số trạng thái xe, đây là các
thông số rất cần thiết phục vụ thiết kế các hệ thống điều khiển điện tử trên ô tô
Nghiên cứu xác định các thông số động lực học nhằm mục đích phục vụ công
tác đào tạo, nghiên cứu khoa học và chế tạo, có thể thực hiện theo hai hướng: Thứ nhất
là nghiên cứu trên hệ thực (xe thực) và thứ hai là nghiên cứu trên mô hình thay thế của
nó. Khi thực hiện nghiên cứu trên hệ thực cho ta kết quả trung thực và khách quan.
Tuy nhiên trong nhiều trường hợp tiến hành nghiên cứu trên hệ thực gặp nhiều khó
khăn do thiếu các thiết bị thí nghiệm động lực học chuyên dụng, kinh phí đầu tư lớn,
quá trình thực hành, thí nghiệm rất phức tạp, mất nhiều thời gian và không có khả
năng lặp lại. Từ hạn chế trên nên phương pháp tốt nhất và thuận tiện nhất là nghiên
cứu trên mô hình của nó, đây là phương pháp rất được chú ý nghiên cứu, phát triển và

ứng dụng rộng rãi, đóng vai trò quan trọng trong sự nghiệp phát triển khoa học - kỹ
thuật nói chung và trong ngành công nghệ ô tô nói riêng. Phương pháp này cho phép


2
đưa vào mô hình nhiều yếu tố gần sát với thực tế và sau đó giải trên máy tính, do đó
các kết quả thu được có độ chính xác cao.
Chính vì vậy, mô hình hoá và mô phỏng trong nghiên cứu động lực học ô tô là
một nhu cầu tất yếu, đặc biệt khi các cơ cấu, hệ thống trên ô tô ngày càng trở nên phức
tạp. Khác với mô phỏng thuần tuý toán học, việc mô phỏng động lực học chuyển động
của ô tô thường phức tạp hơn rất nhiều do đồng thời phải đáp ứng được các yêu cầu về
tính linh hoạt và khả năng sử dụng thuận tiện, tương tác và trực quan, … Quan sát
được quá trình chuyển động, xác định được các thông số động lực học chuyển động
của ô tô là mong muốn của những người thiết kế, chế tạo.
Cùng với sự hỗ trợ của máy tính thông qua các phần mềm mô phỏng chuyên
dụng như Matlab, CarSim với một khối lượng thư viện khá phong phú và đầy đủ có
thể đáp ứng tốt các yêu cầu về mô phỏng động lực học ô tô. Với mong muốn góp phần
nâng cao chất lượng nghiên cứu, học tập… và nhằm xây dựng cơ sở khoa học cho tính
toán, thiết kế, lựa chọn các thông số hợp lý trên ô tô.
Từ những lý do trên tác giả tiến hành nghiên cứu với đề tài: “Mô hình hóa và
mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm Matlab – Simulink và CarSim”.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Mục đích nghiên cứu là mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô góp phần
đánh giá tính ổn định và an toàn chuyển động của ô tô.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu: ô tô du lịch
- Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng đánh giá các thông số động lực học ô tô du
lịch chuyển động trên đường với gia tốc ngang không vượt quá 40% gia tốc trọng
trường bằng phần mềm Matlab-Simulink và CarSim
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình động lực học của ô tô
dựa vào các phương trình toán học.
Phương pháp mô phỏng số: Thiết kế, mô phỏng bằng phần mềm Matlab –
Simulink và CarSim để giải quyết bài toán xác định các thông số động lực học ô tô.
Nghiên cứu động lực học ô tô theo hướng mô hình hóa, ứng dụng phần mềm
Matlab – Simulink và CarSim để mô phỏng số chạy trên máy tính sẽ giúp tiết kiệm
được thời gian, cho kết quả tin cậy và giảm giá thành nghiên cứu so với việc tiến hành
thí nghiệm


3
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu của đề tài khi thành công, sẽ tạo điều kiện khảo sát, kiểm tra dễ
dàng các thông số động lực học ô tô, cũng như đánh giá về tính ổn định và an toàn
chuyển động của ô tô du lịch
Thông qua đề tài có thêm cơ sở trong tính toán, thiết kế để nâng cao tính hợp lý
về kết cấu của các bộ phận, chi tiết liên quan ứng với các trạng thái chuyển động, góp
phần nâng cao tính ổn định và bảo đảm an toàn hơn khi lưu thông trên đường.
Vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng mô hình, mô phỏng động lực học ô tô là việc
làm đúng hướng, tính khả thi cao, tiết kiệm được thời gian và chi phí.
6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo nội dung của
luận văn gồm 4 chương:
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
Chương 2. Mô hình hóa động lực học ô tô.
Chương 3. Mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm Matlab - Simulink và
CarSim
Chương 4. Kết quả và bàn luận

4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG
LỰC HỌC Ô TÔ TRÊN THẾ GIỚI
Vào khoảng năm 1885 – 1886 chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới ra đời và đến nay
đã được 132 năm, những sản phẩm của nó ngày càng chứa hàm lượng công nghệ cao
hơn, số lượng sản xuất ngày càng nhiều, tốc độ lưu thông trên đường lớn hơn. Những
yếu tố phát triển đột biến đó đã đưa đến những áp lực mới cho xã hội những vấn đề
ngày càng nghiêm trọng như: tai nạn giao thông, mức độ phá hủy đường sá ... do đó,
khi chạy ở tốc độ cao đòi hỏi tính năng ổn định và an toàn chuyển động của nó cũng
phải cao. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu động lực học chuyển động ô tô để hoàn thiện
trong kết cấu của ô tô nhằm nâng cao an toàn chuyển động và nâng cao tính ổn định,
giảm ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người và các công trình giao thông là một nhu
cầu cấp thiết của nhiều Quốc gia.
Quá trình chuyển động của ô tô phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tác động điều khiển
của người lái, sự tương tác giữa các bánh xe với mặt đường, lực tác động của không
khí ... Các tương tác lực từ môi trường bên ngoài vào ô tô trong quá trình chuyển động
rất phức tạp, đòi hỏi mô hình tính toán thích hợp để khảo sát động lực học của ô tô.
Nghiên cứu về các cơ, hệ trên ô tô nói riêng và động lực học ô tô nói chung ngày càng
được quan tâm đúng mức. Nghiên cứu với những mô hình đơn giản thông thường như
mô hình phẳng thường cho kết quả nghiên cứu động lực không chính xác cao. Mô hình
gần thực với ô tô thì cần đáp ứng các yêu cầu sau: Không hạn chế chuyển động, không
gian của toàn ô tô; xác lập được động học, động lực học phi tuyến của hệ thống treo;
xác lập được động lực học phi tuyến của bánh xe.
Khi ô tô chuyển động thì tính ổn định và an toàn chuyển động ô tô là chỉ tiêu
quan trọng để đánh giá chất lượng ô tô. Chính vì vậy, đây là vấn đề được các nhà khoa
học, các chuyên gia sản xuất ô tô trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu, cùng với
sự phối hợp nghiên cứu của các chuyên gia thuộc nhiều lĩnh vực như: Công nghệ ô tô,
bảo hộ lao động, y tế ... tập trung chủ yếu ở các vấn đề: Nghiên cứu ổn định trong
chuyển động và tìm ra các vùng thông số ổn định của chuyển động như vận tốc ngang,

gia tốc ngang, góc quay vòng thân xe ...
Trong những giai đoạn phát triển đầu tiên của ngành công nghiệp ô tô, người ta
tiến hành nghiên cứu chủ yếu trên các mô hình phẳng do điều kiện và khả năng tính
toán còn hạn chế. Còn hiện nay trên thế giới việc nghiên cứu động lực học ô tô nói
chung và động lực học mô hình phẳng ô tô nói riêng đã có những kết quả to lớn. Song
đây là vấn đề thuộc sở hữu bản quyền của các hãng chế tạo ô tô nên chưa được công
bố rộng rãi hoặc không đầy đủ. Nghiên cứu về động lực học ô tô tiêu biểu có một số
nghiên cứu sau:


5

Takama Suzuki và Masaki Takahashi nghiên cứu “Semi Active Suspension
Control Considering Lateral Vehicle Dynamics Due to Road Input” ở Đại học Keio,
Nhật Bản. Nội dung trình bày kiểm soát hệ thống treo bán chủ động bằng việc xây
dựng mô hình ô tô kết hợp với bộ điều khiển, xem xét mô hình ô tô để giảm bớt sự
rung ô tô và chuyển động ngang của ô tô do ảnh hưởng của mặt đường. Mô hình xây
dựng có xét đến yếu tố là sự thay đổi gây ra bởi hệ thống treo và lực bên của lốp. Kiểm
chứng sự đúng đắn của phương pháp bằng cách thực hiện các mô phỏng số. Kết quả
nghiên cứu khẳng định hệ thống điều khiển đề xuất có hiệu quả không chỉ giảm độ
rung theo phương thẳng đứng mà còn cả sự chuyển động ngang của ô tô do mấp mô
mặt đường so với phương pháp điều khiển mà không tính đến đặc tính treo [20].
Nghiên cứu mô phỏng lái của Jorge Gómez Fernández tại trường Đại Học Công
Nghệ Chalmers - Thụy Điển, năm 2012. Nội dung trình bày xây dựng mô hình với
mười bậc tự do, mô hình được thiết kế cho các ứng dụng thời gian thực trong mô
phỏng lái, tính toán chuyển động của ô tô chở khách khi lái xe trong điều kiện bình
thường. Đồng thời dựa trên một số giả thiết đưa ra để trình bày hành vi thực tế của ô tô
và có thể đoán trước được các hành vi của ô tô trong một số điều kiện lái như điều
khiển tránh va chạm. Quá trình thu thập dữ liệu được thí nghiệm trên mẫu cùng với
các trang thiết bị trong các điều kiện đã đưa ra. Kết quả được kiểm chứng trên mô hình

mới với mô hình phân bản cũ [21].
Rajesh Rajamani nghiên cứu xây dựng các mô hình động lực học dùng để phát
triển hệ thống kiểm soát ô tô toàn diện. Các ứng dụng hệ thống điều khiển bao gồm
kiểm soát hành trình, điều khiển hành trình thích ứng, hệ thống ABS, giữ hướng
đường tự động, kiểm soát ổn định góc nghiêng, kiểm soát động cơ … Trong phát triển
mô hình cho mỗi ứng dụng, mô hình xây dựng ở dạng đơn giản đủ để thiết kế hệ thống
điều khiển nhưng vẫn đảm bảo được các tính năng động lực học thiết yếu [22].
Shu-en Zhao, Yu-ling Li and Xian Qu đã nghiên cứu về kiểm soát ổn định ô tô,
trong thực tế chuyển động của ô tô có một số thông số trạng thái của ô tô không thể đo
được trực tiếp do vậy việc kiểm soát ổn định xe rất khó. Do đó nghiên cứu đề xuất
thuật toán ước lượng tối ưu trạng thái của đa cảm biến tuyến tính kết hợp dựa trên bộ
lọc STF (Strong Tracking Filter) và xây dựng mô hình động lực học ô tô bốn bậc tự
do, các ước tính là kết hợp thông tin đa cảm biến và lý thuyết bộ lọc, xử lý ước lượng
trạng thái động lực thông qua mô phỏng và phân tích đánh giá. Kết quả nghiên cứu
cho thấy bộ lọc có hiệu suất xử lý cao, có thể xác định được giá trị ước lượng trạng
thái khác với các trạng thái hệ thống thực do các sai số của mô hình [23].


6
1.2. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG
LỰC HỌC Ô TÔ TẠI VIỆT NAM
Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang trong quá trình hình thành và phát
triển, những năm vừa qua đã đạt được nhiều kết quả khả quan. Bước đầu đang trên đà
hội nhập với khu vực và thế giới. Chủ trương của chính phủ đối với ngành công
nghiệp ô tô theo “Quyết định số 177/2004/QĐ-TTg của Chính phủ: Về việc phê duyệt
Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn đến
năm 2020” với mục tiêu tổng quát là xây dựng và phát triển ngành công nghiệp ô tô
Việt Nam để đến năm 2020 trở thành một ngành công nghiệp quan trọng của đất nước,
có khả năng đáp ứng ở mức cao nhất nhu cầu thị trường trong nước và tham gia vào thị
trường khu vực và thế giới.

Với chủ trương này trong thời gian vừa qua chúng ta cũng đã thực hiện được
các sản phẩm nội địa hóa như: dập khung, vỏ xe và tiến hành lắp ráp trong nước, hạn
chế được số lượng ô tô nhập khẩu nguyên chiếc với số lượng bán ra các dòng xe nội
địa hóa. Đó cũng là thắng lợi đầu tiên của nền công nghiệp ô tô còn non trẻ. Đây là
động lực khích lệ các nhà nghiên cứu và sản xuất ô tô trong nước đầu tư chất xám, tài
chính vào ngành công nghiệp ô tô. Để đạt được những mục tiêu này cần quan tâm
nghiên cứu sâu hơn về các cụm chi tiết, các hệ thống cũng như điều kiện làm việc của
ô tô để có những giải pháp kỹ thuật can thiệp sâu hơn vào trong các cụm, hệ thống
nhằm phát huy được các đặc tính tối ưu nhất.
Nghiên cứu động lực học ô tô là bài toán cơ bản của lý thuyết ô tô nhằm đánh
giá cũng như xác định chất lượng khai thác ô tô trong những điều kiện khác nhau.
Trong đó vấn đề tính ổn định và an toàn chuyển động của ô tô là không thể thiếu trong
quá trình nghiên cứu, nhất là trong thời gian gần đây chất lượng ô tô cũng như điều
kiện đường sá tăng lên rõ rệt, vận tốc trung bình của ô tô có thể đạt 60 km/h, đây là tín
hiệu mừng cho lĩnh vực giao thông nước ta nhưng bên cạnh đó thì vấn đề đáng ngại là
an toàn giao thông. Để giảm thiểu tai nạn giao thông do ô tô gây ra ngoài việc nâng
cao trình độ kỹ thuật, ý thức của người điều khiển thì cần phải giảm thiểu các yếu tố
xảy ra tai nạn do kỹ thuật như: kết cấu toàn bộ ô tô, tính điều khiển, các thiết bị an
toàn. Với sự phát triển khoa học kỹ thuật ngay nay để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật
thiết kế, chế tạo, kiểm nghiệm các cụm tổng thành, hệ thống thì cần phải có càng nhiều
thông số kỹ thuật, thông số trạng thái thì tính chính xác càng cao, sản phẩm tạo ra càng
hoàn thiện hơn.
Trong thực tế chúng ta gặp một tính toán thiết kế theo các yêu cầu hoặc là bài
toán kiểm nghiệm lại các thiết kế có sẵn xem có phù hợp với yêu cầu (tính bền, tính tối
ưu, tính chuyên nghiệp hay thỏa TCVN). Trong khi đó ngành công nghiệp ô tô nước ta
chủ yếu mang tính chất sử dụng và sửa chữa là chính, nên cần chú tâm nhiều vào việc


7
tính toán kiểm nghiệm chủ yếu. Những năm gần đây, ngành ô tô Việt Nam đã có

những bước phát triển đột biến như nhập khẩu dây chuyển và công nghệ lắp ráp ô tô.
Tuy vậy vấn đề nghiên cứu động lực học ô tô vẫn còn ở mức chưa tập trung, công việc
thiết kế và kiểm nghiệm đang phụ thuộc nhiều vào các băng thử, các trạm đăng kiểm
dẫn đến mất nhiều thời gian công sức và tiền của. Để việc tính toán kiểm nghiệm được
nhanh chóng và hiệu quả chúng ta cần sự trợ giúp của máy tính thông qua các phần
mềm chuyên nghiệp
Một số nghiên cứu về mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô được công
bố phần nhiều là các luận án tốt nghiệp đại học, thạc sỹ và tiến sỹ cụ thể như sau:
- Lê Đức Hiếu đã nghiên cứu đặc tính quay vòng của ô tô du lịch tại trường Đại
học Bách khoa Hà Nội, 2007.
Nội dung thực hiện xây dựng mô hình động lực học của ô tô du lịch nghiên cứu
đặc tính quay vòng dưới ảnh hưởng của góc lệch và sự biến dạng của lốp, xây dựng
phương trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô và sử dụng phần mềm
Matlab - Simulink để mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô trên máy tính. Sau đó
sử dụng bộ thông số của xe cụ thể để tính toán, khảo sát các thông số ảnh hưởng đến
quỹ đạo chuyển động, tính quay vòng của ô tô, kết quả tính toán phù hợp với các quy
luật đã nghiên cứu trong lý thuyết, kết quả nghiên cứu cũng đã cho thấy ảnh hưởng của
các thông số kết cấu, chế độ tải trọng, điều kiện chuyển động đến quỹ đạo chuyển
động của ô tô [1].
- Lê Ngọc Trung đã nghiên cứu mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn
bánh xe dẫn hướng tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2008.
Nội dung trình bày mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô 4 bánh dẫn hướng
cho phép khảo sát các thông số động lực học của ô tô trong quá trình chuyển động chịu
tác dụng của lực gió ngang, khi quay vòng, chuyển làn đường xe chạy, mô phỏng bằng
phần mềm Matlab-Simulink. Kết quả khảo sát dựa trên mô hình để đưa ra các khuyến
cáo đối với việc điều khiển ô tô để hạn chế sự mất ổn định và an toàn chuyển động
trong điều kiện thời tiết xấu hoặc khi chuyển làn đường. Mô hình được xây dựng có
thể sử dụng trong quá trình nghiên cứu thiết kế các hệ thống hỗ trợ điều khiển quá
trình chuyển động ổn định của ô tô như hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng, hệ thống
lái tích cực, hệ thống phanh tích cực … để nghiên cứu động lực học của ô tô và tìm ra

quy luật điều khiển thích hợp cho các hệ thống đó [2].
- Vũ Thế Truyền đã nghiên cứu mô phỏng chuyển động của ô tô con khi phanh
trên đường vòng, là luận văn thạc sỹ kỹ thuật, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, năm
2014


8
Nội dung trình bày mô hình toán học mô tả động lực học ô tô, mô phỏng bằng
phần mềm Matlab-Simulink, tìm ra mối quan hệ giữa vận tốc chuyển động, lực tác
dụng vào bàn đạp phanh, góc quay vòng của vô lăng lái đến quỹ đạo và ổn định của ô
tô để tăng tính an toàn khi phanh xe. Kết quả nghiên cứu cũng hạn chế chỉ dừng lại ở
việc nghiên cứu mô phỏng trên lý thuyết chuyển động của ô tô con khi phanh trên
đường vòng với quỹ đạo là những cung đường cong không quá một phần tư đường
tròn với vận tốc không lớn.
- Tạ Tuấn Hưng đã nghiên cứu động lực học quay vòng xe bán moóc, đăng trên
tạp chí Tạp chí Giao thông Vận tải, số tháng 9/2014 [3].
Trong đề tài tác giả sử dụng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật để xây
dựng mô hình động lực học xe bán moóc với mô hình lốp phi tuyến. Mô hình xây
dựng được tính toán bằng phần mềm máy tính và chương trình mô phỏng bằng
Matlab-Simulink. Với mô hình này tác giả khảo sát về quy luật đánh lái, các kết quả
đưa ra đã đánh giá được ảnh hưởng của độ lớn góc lái và tốc độ góc lái đến chuyển
động của xe bán kéo moóc khi quay vòng. Tuy nhiên, mô hình chỉ mới khảo sát một
trường hợp đánh lái, cần có các nghiên cứu sâu hơn cho các quy luật đánh lái phức tạp
hơn như Sin, chuyển làn kép.
- Võ Văn Hường nghiên cứu đề xuất mô hình động lực học ô tô, viện cơ khí
động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội.
Nội dung trình bày các mô hình tích hợp trong nội dung nghiên cứu là liên kết
giữa các mô hình động lực học dọc, ngang, thẳng đứng có sử dụng mô hình bánh xe
Ammon [4] là kết quả nghiên cứu của các tác giả và các cộng sự [5], [6], [7], [8], [9],
[10] trong vòng 6 năm tại bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng, Đại học Bách khoa Hà

Nội. Các mô hình trên có thể sử dụng vào các mục đích:
+ Dùng mô hình động lực học tổng quát để khảo sát các quá trình sử dụng hay
xảy ra tai nạn nhằm giúp quá trình vận hành xe ít tai nạn hơn.
+ Những mô hình trên sẽ giúp các học sinh cao học, nghiên cứu sinh sử dụng
trong các đề tài nghiên cứu quá trình phanh ô tô, quay vòng hoặc xét ảnh hưởng của
gió, hệ số bám để tăng khả năng ổn định động lực và dẫn hướng.
+ Những nghiên cứu ở trên, một phần lý giải các tai nạn giao thông đang gia
tăng ở Viêt Nam để giảm thiểu tai nạn giao thông, một phần hỗ trợ học viên cao học và
nghiên cứu sinh giải quyết các bài toán cụ thể của mình trong lĩnh vực động lực học và
động lực học điều khiển, an toàn giao thông, an toàn động lực học.
+ Các mô hình trên là cơ sở cho thiết kế điều khiển sau này
- Nguyễn Thanh Quang nghiên cứu động học, động lực học và độ bền hệ thống
lái trên xe MeKong tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2001.


9
Nội dung trình bày xây dựng và nghiên cứu mô hình cơ học đúng với mô hình
thực tế bằng phương pháp mô phỏng động học hệ nhiều vật. Sau đó phần mềm Alaska
2.3 để giải cho mô hình hệ thống lái của ô tô Mekong Star chịu ảnh hưởng lực tác
động của người lái lên vành tay lái và các mô men cản quay vòng từ mặt đường. Các
thí nghiệm kiểm tra kết quả được tiến hành bằng cách sử dụng các thiết bị Dewentron
3000, Datron 286 của cộng hòa liên bang Đức, Cộng hòa Áo, phần mềm chuyên dụng
DASYLab của Hãng Microsoft và phần mềm Excell để xử lý kết quả. Kết quả nghiên
cứu đã xác định được các thông số: động học các khớp liên kết gồm vị trí, vận tốc, gia
tốc; lực quay vành vô lăng trong hai trường hợp có và không có trợ lực thủy lực; phản
lực tại các khớp liên kết [11].
- Trần Văn Như (Trường Đại học Giao thông vận tải), ThS. Đinh Quang Vũ,
Đặng Việt Hà (Cục Đăng Kiểm Việt Nam), Nguyễn Hữu Mạnh (Trường Cao Đẳng Lý
Tự Trọng) đăng trên tạp chí Khoa học-Công nghệ.
Nội dung đã trình bày mô hình động lực học tương tác giữa bánh xe với mặt

đường trên cơ sở mô hình hóa sự tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường theo phương
dọc và có ý nghĩa quan trọng cho việc nghiên cứu phát triển các hệ thống điều khiển
động lực học ô tô theo phương dọc như hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh, hệ
thống điều khiển kéo [12].
Kết luận chương 1
Như đã trình bày ở trên, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về động lực học của ô
tô ở trong và ngoài nước, nhưng đa phần những nghiên cứu này tập trung về các cơ
hệ để phát triển nâng cao tính điều khiển hoặc tính ổn định và an toàn chuyển động
của ô tô, những nghiên cứu sâu về thông số động lực học lại chưa được nghiên cứu
thấu đáo, hoặc chỉ dừng lại ở mức đánh giá sơ bộ các thông số ảnh hưởng đến kết
cấu sử dụng cho hoạt động cải tiến, tối ưu hóa. Trong quá trình nghiên cứu phần lớn
phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng khá nhiều, trong khi đó ứng dụng các phần
mềm hỗ trợ chuyên dụng hiện đại để thực hiện nghiên cứu thì còn rất ít.
Nhằm giải quyết những vấn đề nêu trên, luận án góp phần xử lý 3 vấn đề quan
trọng, đó là: (1) Mô hình hóa động lực học ô tô bằng việc xây dựng mô hình toán có
xét đến yếu tố nghiêng ngang của ô tô trong mặt phẳng; (2) Tính toán mô phỏng động
lực học ô tô và tối ưu hóa các thông số động lực học ô tô bằng công cụ Parameter
Simulation trong Simulink, thiết kế bộ quan sát trạng thái động lực học ô tô; (3) Kiểm
chứng kết quả bằng mô phỏng động lực học ô tô và so sánh các thông số động lực học
của mô hình lý thuyết với kết quả trên phần mềm CarSim.


10
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
2.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Mô hình hóa các đối tượng nghiên cứu là một phương pháp nghiên cứu khoa
học có tính bao quát rộng. Các mô hình là sản phẩm của quá trình mô hình hóa, đây là
công cụ để nhận thức và nghiên cứu các đối tượng trong thực tế. Tuy nhiên, theo mục
đích nghiên cứu khác nhau sẽ dẫn đến các mô hình khác nhau.
Trong mô hình toán học bản chất vật lý của quá trình thực được thay thế bằng

các quan hệ toán học, được biểu diễn bởi các hệ phương trình toán học với các giả
thiết phù hợp làm đơn giản hóa quá trình tính toán. Các mô hình toán học được xây
dựng xuất phát từ thực tiễn, người nghiên cứu có nhiệm vụ quan sát để xây dựng được
mô hình phù hợp nhất. Một số mô hình toán học trong nhiều trường hợp có thể mô tả
tốt bài toán đặt ra nhưng không giải được vì quá phức tạp, nếu đưa thêm nhiều giả thiết
vào để đơn giản hóa thì lại không phản ánh đúng thực tế khách quan. Để giải các mô
hình toán học và đưa các mô hình toán học vào ứng dụng thực tế thì máy tính là
phương tiện đặc biệt hiệu quả.
Đối với ô tô, để xây dựng mô hình toán học chuyển động của ô tô việc đầu tiên
cần thực hiện là phải mô hình hóa ô tô, mà thực chất đây là quá trình thiết lập mô hình
vật lý cho ô tô. Các mô hình đơn giản thường được sử dụng hiện nay như: Mô hình
không gian, mô hình phẳng một vết, mô hình phẳng hai vết. Thông thường khi xây
dựng mô hình không gian để nghiên cứu động lực học ô tô đòi hỏi cần phải có nhiều
thời gian, công sức và chi phí. Do vậy trong thực tế đơn giản hơn cả là dùng mô hình
phẳng, đưa ra các giả thiết tương ứng để thành lập các mô hình động lực học phẳng để
tính toán, nghiên cứu.
Như được đề cập ở phần tổng quan, nhiều đề tài đã thành lập được các phương
trình yêu cầu để phát triển một mô hình ô tô hoàn chỉnh và nghiên cứu các đặc điểm
chính về động lực ô tô. Chọn hướng nghiên cứu phụ thuộc vào mục đích cuối cùng của
nghiên cứu. Do đó, người ta không nhất thiết cần phải mô hình hóa hệ thống vật lý
hoàn chỉnh, mà chỉ là một phần của nó. Trong nghiên cứu này tác giả chọn xây dựng
một mô hình đơn giản, nhằm đưa ra một tầm nhìn hoàn chỉnh về các đặc điểm chính
của hành vi ngang của ô tô.
2.1.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình mô phỏng động lực học ô tô
Tính chất động lực học chuyển động là tính chất của ô tô thay đổi quỹ đạo
chuyển động tương ứng với việc quay vô lăng. Để nghiên cứu động lực học chuyển
động của ô tô một cách tổng quát nhất, thường lập sơ đồ tính toán động lực học ô tô có
hai cầu với các bánh xe dẫn hướng trên cầu trước.

11
Với quan điểm xây dựng mô hình sao cho số bậc tự do ít nhất có thể và tập
trung nghiên cứu về động lực học chuyển động, do đó cần phải đưa ra một số giả thiết.
Những giả thiết này làm cho quá trình nghiên cứu tính toán đơn giản hơn, song không
làm mất đi tính tổng quát của bài toán và vẫn đảm bảo có thể mô tả nhiều đặc tính
động lực học của ô tô. Các giả thiết chính đặt ra để xây dựng mô hình như sau:
1) Ô tô chuyển động phẳng với quỹ đạo chuyển động theo một đường cong, ô
tô được coi như là một khối cứng, chuyển động của thân xe như một chất điểm, có
khối lượng quy về trọng tâm của ô tô. Trọng lượng của trục và bánh xe không đáng kể
so với trọng lượng khung, coi như không ảnh hưởng đến trọng lượng của ô tô nên có
thể bỏ qua trọng lượng này.
2) Lốp tiếp xúc điểm với mặt đường, biến dạng của lốp theo phương dọc và
phương ngang là tuyến tính.
3) Ô tô chuyển động song phẳng, bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đường, phản
lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe bằng tải trọng của ô tô phân bố
lên các bánh xe (không xuất hiện thay đổi tải trọng trên bánh xe). Cấu trúc vật lý của ô
tô đối xứng qua mặt phẳng dọc qua trọng tâm ô tô.
4) Bỏ qua dao động thẳng đứng, bỏ qua chuyển động vặn và chuyển động lật
thân xe dưới ảnh hưởng của lực ly tâm và hệ thống treo.
5) Quy ước góc quay trung bình của các bánh xe dẫn hướng là 𝛿. Coi hệ thống
lái của ô tô là cứng, bỏ qua các góc đặt bánh xe dẫn hướng. Ô tô chuyển động với vận
tốc ổn định không thay đổi theo thời gian.
6) Các lực tác dụng trong mặt phẳng song song với mặt đường không dốc. Bỏ
qua ảnh hưởng các lực ngẫu nhiên tác dụng theo phương ngang.
2.1.2. Hệ tọa độ
2.1.2.1. Hệ tọa độ cố định.
Trước khi xây dựng mô hình động lực học ô tô, cần phải thiết lập hệ trục tọa độ
xác định vị trí của ô tô. Do đó, ta đặt hệ tọa độ cố định gắn trên mặt đường và ký hiệu
là OXYZ, mặt phẳng chứa trục OX và OY là mặt phẳng ngang, OZ là trục thẳng đứng
hướng lên, hình 2.1.

12

Hình 2. 1. Hệ trục tọa độ cố định
2.1.2.2. Hệ tọa độ thân xe.
Đặt hệ tọa độ oxyz gắn liền với trọng tâm C của ô tô hay còn gọi là hệ tọa độ
thân xe, mặt phẳng chứa ox và oy song song với mặt phẳng đường, trục ox hướng về
phía trước gọi là trục dọc, trục oy hướng bên gọi là trục ngang và oz hướng vuông góc
với mặt đường gọi là trục thẳng đứng, (hình 2.2).

Hình 2. 2. Hệ trục tọa độ thân xe
Các dịch chuyển của ô tô theo các trục tọa độ gồm có:
+ Dịch chuyển dọc theo trục x, trục y, trục z;


13
+ Quay quanh trục ox: Đặc trưng bởi góc quay φ; vận tốc góc 𝜔
+ Quay quanh trục oy: Đặc trưng bởi góc quay θ; vận tốc góc 𝜔
+ Quay quanh trục oz: Đặc trưng bởi góc quay 𝜓; vận tốc góc 𝜔
Như vậy, xem như chuyển động của ô tô là chuyển động trong hệ trục tọa độ
không gian ba chiều (hình 2.3). Tùy theo mục đích nghiên cứu mà có thể xét các
chuyển vị trên là độc lập hay đồng thời.

Hình 2. 3. Hệ trục tọa độ không gian ba chiều
2.1.3. Các lực tác dụng lên ô tô
2.1.3.1. Lực tác dụng trong mặt phẳng dọc
Chuyển động của ô tô ở trên đường thường xuất hiện các lực tác dụng lên bao
gồm: lực kéo, lực cản lăn, phản lực mặt đường, lực quán tính, lực cản không khí. Các
lực trong mặt phẳng dọc được xét đến như sau:

Lực kéo:
Là phản lực của mặt đường lên bánh xe chủ động, được đặt tại vị trí tiếp xúc
giữa bánh xe với mặt đường, 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 sự tiếp xúc giữa các bánh xe với
mặt đường nên tại vùng tiếp xúc này sẽ phát sinh lực kéo tiếp tuyến theo chiều chuyển
động. Như vậy, khi ô tô chuyển động lực kéo tiếp tuyến tại các bánh xe chủ động đóng
vai trò là lực dọc.
Đối với bánh xe chủ động dẫn hướng thì lực kéo được đặt tại vị trí tiếp xúc giữa
bánh xe và đường có phương nằm trên đường tâm bánh xe.
Lực kéo được dùng hết hay không phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe
chủ động với mặt đường. Để ô tô chuyển động không bị trượt thì lực kéo tiếp tuyến
lớn nhất tại bánh xe chủ động phải nhỏ hơn lực bám.