Phân tích động lực học theo phương ngang xe máy 3 bánh bằng mô hình động lực học phẳng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ ANH TUẤN

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG NGANG XE
MÁY 3 BÁNH BẰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG

Chun ngành: Kỹ thuật Ơ tơ – Máy kéo
Mã số: 60 52 35

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Hữu Nhân .......................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Lê Duy Khải ....................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Chí Thanh ............................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày 28 tháng 07 năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch, TS Nguyễn Ngọc Dũng
2. Thư ký, TS Phạm Tuấn Anh
3. Ủy viên, TS. Nguyễn Lê Duy Khải
4 Ủy viên, TS. Nguyễn Chí Thanh
5 Ủy viên, TS. Hồng Đức Thông
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi nhận luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT GIAO THƠNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: VÕ ANH TUẤN

MSHV: 13130419

Ngày, tháng, năm sinh: 05/10/1982

Nơi sinh: Lâm Đồng

Chun ngành: Kỹ thuật Ơtơ – Máy kéo

Mã số: 60 52 35

I.

TÊN ĐỀ TÀI:

“PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG NGANG XE MÁY 3

BÁNH BẰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG”
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Xác định các thơng số của hệ thống treo, kích thước, khối lượng, mơmen qn tính
khối lượng của xe tải.
2. Xây dựng mơ hình động lực học lắc theo phương ngang của xe.
3. Tính tốn mơ phỏng động học, động lực học của xe cho 2 trường hợp:
a. Xe 3 bánh có 2 bánh trước.
b. Xe 3 bánh có 2 bánh sau.
4. Phân tích, đánh giá kết quả.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/07/2016
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. TRẦN HỮU NHÂN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Tp.HCM, ngày… tháng… năm 2016
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, đặc
biệt là quý thầy cơ Khoa Kỹ Thuật Giao Thơng, bộ mơn Ơtơ – Máy động lực đã giúp
đỡ, tạo điều kiện cho tơi trong suốt q trình học tập tại trường.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Trần Hữu Nhân, người đã tận tình
hướng dẫn tơi thực hiện luận văn này.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân, và đồng nghiệp đã hết lòng tạo điều kiện,
giúp đỡ tôi từ ngày đầu học tập đến nay.
Mặc dù luận văn đã được hồn thành nhưng chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những
thiếu sót, hạn chế. Do đó, tơi rất mong nhận được những nhận xét, ý kiến đóng góp từ
quý thầy cô cũng như các bạn độc giả.
Lời cuối, xin chân thành cảm ơn và xin gửi lời chúc sức khỏe đến tất cả quý thầy,
cô và mọi người.


TĨM TẮT
Trong phân tích tính năng động lực học chuyển động của xe máy 3 bánh, việc
đánh giá giới hạn ổn định ngang của xe là một trong những nhân tố cực kì quan trọng,
trực tiếp ảnh hưởng tới độ an toàn của xe khi chuyển động, đặc biệt là khi quay vịng.
Để phân tích tính năng ổn định ngang khi xe chuyển động, các thơng số dùng để tính
tốn được xác định dựa trên xe cơ sở thực tế có sẵn (HONDA Wave 110). Mơ hình tính
tốn mơ phỏng khi xe chuyển động quay vòng trên mặt phẳng được nghiên cứu và ứng
dụng để xác định các thông số cơ sở cần thiết cho việc đánh giá tính năng ổn định ngang
của xe khi chuyển động quay vòng. Kết quả tính tốn mơ phỏng cho thấy các điều kiện
tới hạn của độ ổn định ngang khi xe chuyển động. Từ đó, có thể làm cơ sở tham khảo,
đề xuất phương án thiết kế hay giới hạn khai thác sử dụng của xe nhằm nâng cao và
đảm bảo tốt nhất độ an toàn, ổn định ngang của xe khi hoạt động trên đường.

ABSTRACT
The calculation of limited lateral stability plays an incredible role in analysing a
dynamic model for a three-wheel vehicle in motion, especially steady state- turning. To

estimate lateral stability of vehicle, factors that used for calculating base on a model
(HONDA Wave 110). This medelling calculated model is necessarily researched and
applied to estimate the force components for assesing steady-state turning turns on
planar. The consequence of modelling illustrates the boundary action of steady-state
condition. Base on this approach, author gives a reference and promotes a designed
promotion or boudary of using vehicle to improve and ensure the most gratest safe and
lateral stability of vehicle in motion.


Họ và tên: Võ Anh Tuấn
Ngày sinh: 05/10/1982
Nơi sinh: Lâm Đồng
Địa chỉ liên lạc: Phòng Đào tạo – Trường Đại học Trần Đại Nghĩa, 189 Nguyễn Oanh,
phường 10, quận Gò Vấp, thành phố Hồ Chí Minh.
Tơi xin cam đoan, luận văn “PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC THEO
PHƯƠNG NGANG XE MÁY 3 BÁNH BẰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC
PHẲNG” là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Hữu Nhân, không sao
chép của người khác. Nếu sai sự thật, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước Nhà trường
và Pháp luật.
Học viên

Võ Anh Tuấn


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
1.1 Giới thiệu đề tài ..................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 1
1.3. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 2
1.4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của đề tài ..................................... 2

1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.............................................................. 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 4
2.1. Hệ trục tọa độ xe và số bậc tự do ......................................................................... 4
2.2 Mô hình xe máy 3 bánh quy về mơ hình dạng xe 2 bánh ..................................... 5
2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán động lực học theo phương ngang ................................. 6
2.3.1 Xác định lực và mômen tác dụng lên xe theo phương ngang (phương trình
Newton – Euler) ...................................................................................................... 6
2.3.2 Hệ lực và mơmen tác dụng lên xe .................................................................. 9
2.4. Mơ hình động lực học chuyển động quay vòng của xe (dạng 2 bánh) .............. 16
2.5. Trạng thái ổn định khi xe quay vòng .................................................................. 18
2.6. Đáp ứng theo thời gian ....................................................................................... 20
CHƯƠNG 3: CÁC THƠNG SỐ TÍNH TỐN MƠ PHỎNG ................................ 22
3.1 Thơng số bố trí chung .......................................................................................... 22
3.1.1 Xe máy 3 bánh có 2 bánh trước .................................................................... 22
3.1.2 Xe máy 3 bánh có 2 bánh sau ....................................................................... 23
3.2 Các thơng số trọng lượng .................................................................................... 24
3.3 Xác định tọa độ trọng tâm ................................................................................... 25
3.3.1 Xác định tọa độ trọng tâm phần được treo của xe theo phương dọc............ 25
3.3.2. Tải trọng phân bố lên các cầu ...................................................................... 30
3.4 Tính momen quán tính khối lượng ...................................................................... 32
3.5 Xác định hệ số trượt ngang Cαf, Cαr ..................................................................... 34
3.6 Thơng số góc đánh lái δ ....................................................................................... 35
3.7 Tổng hợp thơng số cho mơ hình tính tốn mơ phỏng.......................................... 36


CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ .............. 37
4.1 Sơ đồ tiến trình mơ phỏng ................................................................................... 37
4.2 Giới hạn ổn định ngang khi xe quay vòng .......................................................... 38
4.3 Động học quay vòng ............................................................................................ 40
4.3.1 Đáp ứng quay vòng ổn định ......................................................................... 40

4.3.2 Đáp ứng theo thời gian ................................................................................. 48
4.4 Động lực học quay vòng...................................................................................... 56
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................... 62
5.1 Kết luận................................................................................................................ 62
5.2 Hướng phát triển đề tài ......................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 64


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ trí chung xe máy 3 bánh có 2 bánh trước .............................................. 2
Hình 1.2 Sơ đồ trí chung xe máy 3 bánh có 2 bánh sau ................................................. 3
Hình 2.1 Hệ trục tọa độ gắn với thân xe ......................................................................... 4
Hình 2.2: Mơ hình xe máy 3 bánh quy về mơ hình dạng xe 2 bánh .............................. 5
Hình 2.3: Chuyển động của xe trong mặt phẳng ............................................................ 6
Hình 2.4: Hệ lực và mơmen tác dụng lên bánh xe 1 (xe máy 3 bánh có 2 bánh trước) . 9
Hình 2.5: Hệ lực và mơmen tác dụng lên bánh xe 1 (xe máy 3 bánh có 2 bánh sau) .... 9
Hình 2.6: Hệ lực đặt tại bánh xe của mơ hình xe máy 3 bánh 2 bánh trước ................ 11
Hình 2.7: Hệ lực đặt tại bánh xe của mơ hình xe máy 3 bánh 2 bánh sau .................... 12
Hình 2.8: Mơ hình động lực học chuyển động quay vịng của xe (quy về dạng 2
bánh) .............................................................................................................................. 16
Hình 2.9: Độ cong quỹ đạo quay vòng Sk theo với vận tốc vx ..................................... 19
Hình 3.1: Kết cấu xe máy 3 bánh có 2 bánh trước ....................................................... 22
Hình 3.2: Kết cấu xe máy 3 bánh có 2 bánh sau .......................................................... 23
Hình 3.3: Sơ đồ phân bố tải trọng theo phương x của xe máy 3 bánh có 2 bánh
trước ............................................................................................................................... 25
Hình 3.4: Sơ đồ phân bố tải trọng theo phương đứng xe máy 3 bánh có 2 bánh trước 26
Hình 3.6: Sơ đồ phân bố tải trọng theo phương đứng xe máy 3 bánh có 2 bánh sau ... 28
Hình 3.7: Mơmen qn tính khối lượng giả định ......................................................... 32
Hình 3.8: Kích thước tồn bộ xe máy 3 bánh ............................................................... 33
Hình 4.1: Sơ đồ tiến trình mơ phỏng ............................................................................ 37

Hình 4.2 Lực ngang Fy tác dụng lên xe máy 3 bánh có 2 bánh trước theo với vận tốc
vx (với δ = 0,2 (rad)) ..................................................................................................... 39
Hình 4.3 Lực ngang Fy tác dụng lên xe máy 3 bánh có 2 bánh sau theo với vận tốc vx
(với δ = 0,2 (rad)) .......................................................................................................... 39
Hình 4.4: Độ cong quỹ đạo quay vịng Sk theo với vận tốc vx đối với xe máy 3 bánh
có 2 bánh trước .............................................................................................................. 41
Hình 4.5: Độ cong quỹ đạo quay vòng Sk theo với vận tốc vx đối với xe máy 3 bánh
có 2 bánh sau ................................................................................................................. 42
Hình 4.6: Đường cong Sβ theo với vận tốc vx đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh
trước ............................................................................................................................... 43
Hình 4.7: Đường cong Sβ theo với vận tốc vx đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh sau .. 43
Hình 4.8: Đường cong Sr theo với vận tốc vx đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh trước 44
Hình 4.9: Đường cong Sr theo với vận tốc vx đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh sau ... 44
Hình 4.10: Đường cong Sa theo với vận tốc vx đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh
trước ............................................................................................................................... 45
Hình 4.11: Đường cong Sa theo với vận tốc vx đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh sau 46


Hình 4.12 Bán kính quay vịng R theo với vận tốc vx (với δ = 0.2rad) đối với xe máy 3
bánh có 2 bánh trước ..................................................................................................... 47
Hình 4.13 Bán kính quay vòng R theo với vận tốc vx (với δ = 0.2rad) đối với xe máy 3
bánh có 2 bánh sau......................................................................................................... 47
Hình 4.14 Bán kính quay vịng khi đột ngột đánh lái theo thời gian đối với xe máy 3
bánh có 2 bánh trước. .................................................................................................... 48
Hình 4.15 Bán kính quay vòng khi đột ngột đánh lái theo thời gian t đối với xe máy 3
bánh có 2 bánh sau......................................................................................................... 49
Hình 4.9 Biến thiên vận tốc theo phương ngang vy theo thời gian t đối với xe máy 3
bánh có 2 bánh trước ..................................................................................................... 49
Hình 4.17 Biến thiên vận tốc theo phương ngang vy theo thời gian t đối với xe máy 3
bánh có 2 bánh sau......................................................................................................... 50

Hình 4.18 Vận tốc ngang bánh xe trước vy1 đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh trước .. 51
Hình 4.19 Vận tốc ngang bánh xe trước vy2 đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh trước ... 51
Hình 4.20 Vận tốc ngang bánh xe trước vy1 đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh sau ...... 52
Hình 4.21 Vận tốc ngang bánh xe trước vy2 đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh sau ...... 52
Hình 4.22 Biến thiên vận tốc góc quanh trục Oz, r theo thời gian t đối với xe máy 3
bánh có 2 bánh trước ..................................................................................................... 53
Hình 4.23 Biến thiên vận tốc góc quanh trục Oz, r theo thời gian t đối với xe máy 3
bánh có 2 bánh sau......................................................................................................... 54
Hình 4.24 Biến thiên góc trược ngang β theo thời gian t đối với xe máy 3 bánh có 2
bánh trước ...................................................................................................................... 55
Hình 4.25 Biến thiên góc trược ngang β theo thời gian t đối với xe máy 3 bánh có 2
bánh sau ......................................................................................................................... 55
Hình 4.26 Biến thiên lực Fx theo thời gian t đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh trước. . 56
Hình 4.27 Biến thiên lực Fx theo thời gian t đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh sau. .... 56
Hình 4.28 Biến thiên lực Fy theo thời gian t đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh trước. 57
Hình 4.29 Biến thiên lực Fyf tại bánh trước theo thời gian t đối với xe máy 3 bánh có
2 bánh trước. .................................................................................................................. 59
Hình 4.30 Biến thiên lực Fyr tại bánh sau theo thời gian t đối với xe máy 3 bánh có 2
bánh trước. ..................................................................................................................... 59
Hình 4.31 Biến thiên lực Fy theo thời gian t đối với xe máy 3 bánh có 2 bánh sau. .... 58
Hình 4.32 Biến thiên lực Fyf tại bánh trước theo thời gian t đối với xe máy 3 bánh có
2 bánh sau. ..................................................................................................................... 60
Hình 4.33 Biến thiên lực Fyr tại bánh sau theo thời gian t đối với xe máy 3 bánh có 2
bánh sau. ........................................................................................................................ 60


DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật xe Wave 110 ................................................................... 24
Bảng 3.2: Các thông số trọng lượng của xe máy 3 bánh .............................................. 24

Bảng 3.3: Khối lượng và các vị trí của các bộ phận được treo trên xe......................... 26
Bảng 3.4: Tọa độ trọng tâm của xe máy 3 bánh có 2 bánh trước ................................. 27
Bảng 3.5: Khối lượng về các vị trí của các bộ phận được treo trên xe......................... 29
Bảng 3.6: Tọa độ trọng tâm của xe máy 3 bánh có 2 bánh sau .................................... 30
Bảng 3.7: Bảng tổng hợp tọa độ trọng tâm và tải trọng tác dụng lên các cầu xe ......... 31
Bảng 3.7: Giá trị mơmen qn tính khối lượng ............................................................ 34
Bảng 3.8: Bảng giá trị hệ số trượt ngang 𝐶𝛼𝑓, 𝐶𝛼𝑟
...................................................... 35
Bảng 3.9: Tổng hợp các thông số xe máy 2 bánh ......................................................... 36
Bảng 4.1: Giá trị lực ngang tới hạn ............................................................................... 38
Bảng 4.2: Bảng giá trị vận tốc vcx tới hạn với ứng với góc lái δ = 0,2 (rad) ................ 40
Bảng 4.3: Giá trị ổn định của vận tốc góc r theo thời gian t ......................................... 53


DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

φ

Góc quay quanh trục dọc (roll)

rad

θ

Góc quay quanh trục ngang (pitch)

rad

ψ

Góc quay quanh trục đứng (yaw)

rad

vx

Vận tốc theo phương chuyển động của xe

m/s

vy

Vận tốc theo phương ngang

m/s

Fx

Lực kéo tác dụng lên xe

kN

Fy

Lực ngang tác dụng lên xe

kN

Fyf

Lực ngang tác dụng lên bánh xe trước

kN

Fyr

Lực ngang tác dụng lên bánh xe sau

kN

K

Hệ số quay vòng ổn định

Mz

Momen quay quanh trục Oz

αf

Góc trượt bánh trước

rad

αr

Góc trượt bánh sau

rad

β

Góc trược ngang của xe

rad

δ

Góc lái

rad

L

Chiều dài tồn bộ xe

m

B

Bề rộng tồn bộ xe

m

H

Chiều cao tồn bộ xe

m

R

Bán kính quay vịng

m

r

Vận tốc góc

h

Chiều cao tọa độ trọng tâm

m

l

Chiều dài cơ sở

m

a1

Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm đến bánh trước

m

a2

Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm đến bánh sau

m

m

Khối lượng tồn bộ

kg

w

Chiều rộng cơ sở của xe

m

Iz

Mơmen qn tính khối lượng theo trục z

kgm2

𝐶𝛼𝑓 

Hệ số trượt ngang của bánh xe trước

N/rad

𝐶𝛼𝑟

Hệ số trượt ngang của bánh xe sau

N/rad

kNm

rad/s


CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu đề tài
Theo thống kê của Tổng cục thống kê về Tổng điều tra Dân số và Nhà ở năm 2009
cho thấy trong số 78,5 triệu người từ 5 tuổi trở lên có 6,1 triệu người, tương ứng với
7,8% dân số có khó khăn trong việc thực hiện ít nhất một trong bốn chức năng nhìn,
nghe, vận động và tập trung hoặc ghi nhớ. Để bảo đảm cho người khuyết tật (NKT) hòa
nhập với cuộc sống, Nhà nước đã ban hành Luật Người khuyết tật, theo đó NKT sẽ được
tham gia đầy đủ các hoạt động xã hội và có sự hỗ trợ của Nhà nước.
Hiện nay NKT đã và đang tham gia các hoạt động giao thơng bằng các phương
tiện khác nhau, trong đó xe máy 3 bánh cải tiến cho NKT đang là phương tiện giao
thông đang chiếm ưu thế về số lượng so với các phương tiện khác do tính cơ động và
giá cả phù hợp so với mức thu nhập bình quân hiện nay của người Việt Nam. Trên điều
kiện thực tế tại Việt Nam, xe máy 3 bánh được cải tiến lại từ các xe máy có sẵn nên tính
an tồn khi sử dụng phương tiện là một vấn đề cần quan tâm. Một trong những thơng
số để đánh giá tính năng an toàn của xe máy 3 bánh là ổn định ngang. Tuy nhiên, thông

số này lại không được quan tâm chú trọng trong khi quy trình kiểm định của Việt Nam
vẫn chưa có tiêu chuẩn về độ ổn định ngang.
Với tình hình đó, việc tiến hành nghiên cứu, phân tích, đánh giá độ ổn định ngang
của xe máy 3 bánh để từ đó đưa ra những quy chuẩn an tồn nhằm phịng tránh cũng
như giảm thiểu thiệt hại trong trường hợp tai nạn xảy ra là hết sức cấp thiết. Tuy nhiên,
việc xây dựng mơ hình phân tích, tính tốn địi hỏi các thơng số gốc để nghiên cứu. Vì
vậy, cần phải có một mơ hình thực tế để tiến hành mơ phỏng. Đó là lý do chọn đề tài
“Phân tích động lực học theo phương ngang xe máy 3 bánh bằng mơ hình động lực học
phẳng”.
Đề tài xác định và đánh giá các thông số liên quan tới độ ổn định ngang khi quay
vòng của xe máy 3 bánh bằng phần mềm Matlab R2012b.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng thể:
- Đánh giá được tính năng động lực học an tồn chuyển động khi quay vịng của 2
phương án thiết kế xe máy 3 bánh.
- Xác định sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế của 2 phương án đến tính năng
an tồn chuyển động.

1


Mục tiêu cụ thể:
- Xây dựng mơ hình động lực học phẳng cho xe máy 3 bánh, đánh giá tính năng ổn
định ngang khi xe chuyển động quay vòng.
- Xác định các thơng số tính tốn mơ phỏng cần thiết cho 2 phương án thiết kế xe
máy 3 bánh: 2 bánh trước, 2 bánh sau.
- Tính tốn mơ phỏng, phân tích kết quả, đánh giá tính năng ổn định, an toàn chuyển
động với xe máy 3 bánh khi chuyển động quay vòng.
- Đề xuất phương án thiết kế đảm bảo tối ưu tính năng an tồn chuyển động của xe
máy 3 bánh.

1.3. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu của đề tài này là phương pháp lý thuyết kết hợp với
thực nghiệm
- Nghiên cứu lý thuyết mơ hình động lực học chuyển động của xe.
- Phương pháp mô phỏng (sử dụng các thông số thực nghiệm để mô phỏng).
1.4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của đề tài
1.4.1.Đối tượng nghiên cứu

Hình 1.1 Sơ đồ trí chung xe máy 3 bánh có 2 bánh trước
2


Hình 1.2 Sơ đồ trí chung xe máy 3 bánh có 2 bánh sau
Như đã nói ở trên, việc xây dựng các mơ hình tính tốn độ ổn định ngang của xe
cần các thông số gốc từ một xe máy 3 bánh mẫu. Do đó, để thuận tiện cho việc đo đạc,
lấy thông số, ta chọn xe gắn máy 3 bánh có sẵn.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Đánh giá độ an tồn ổn định của xe máy ba bánh thơng qua phân tích động lực
học quay vịng.
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Xây dựng một mô hình chung cho các phương án thiết kế khác nhau.
- Nâng cao tính năng an tồn, ổn định của xe máy ba bánh khi quay vòng.

3


CHƯƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Hệ trục tọa độ xe và số bậc tự do
Hình 2.1 thể hiện hệ tọa độ gắn liền với thân xe (Cxyz) tại tọa độ trọng tâm C.

Trục x gắn với chiều chuyển động của xe. Trục y có phương song song với mặt phẳng
đường và vng góc với trục x, chiều hướng về bên trái theo góc nhìn của người lái.
Trục z cùng 2 trục x,y tạo thành hệ tọa độ gắn liền với thân xe theo quy tắc bàn tay phải.

Hình 2.1 Hệ trục tọa độ gắn với thân xe
Chuyển động quay và vận tốc góc của xe được thể hiện bằng ba góc: roll φ, pitch
θ, yaw ψ và vận tốc góc tương ứng:

p 
q 



r 
4


Hệ lực (F, M) là kết quả của ngoại lực tác dụng lên xe từ mặt đường và môi trường
xung quanh. Hệ lực này có thể diễn tả trong hệ tọa độ gắn liền với xe như sau:
𝐵
𝐵

𝐹 = 𝐹𝑥 𝑖̂ + 𝐹𝑥 𝑗̂ + 𝐹𝑥 𝑘̂

𝑀 = 𝑀𝑥 𝑖̂ + 𝑀𝑥 𝑗̂ + 𝑀𝑥 𝑘̂

(2.2)

Trong đó 𝑖̂, 𝑗̂, 𝑘̂ là các vectơ đơn vị trong hệ trục tọa độ B(Cxyz) gắn liền với trọng
tâm C của xe.

Mơ hình động lực học lắc ngang của xe có thể được diễn tả bằng 4 giá trị động
học: chuyển động tịnh tiến theo phương x, chuyển động theo phương ngang y, góc quay
quanh trục dọc φ, và góc quay quanh trục đứng ψ.
2.2 Mơ hình xe máy 3 bánh quy về mơ hình dạng xe 2 bánh
Để tính tốn hệ lực tác dụng lên xe, ta xác định hệ lực tác dụng tại bánh xe. Lực
ngang có điểm đặt tại bánh xe phụ thuộc vào góc trượt ngang. Sau đó, ta quy đổi và đặt
hệ lực tác dụng lên bánh xe vào mơ hình động lực học theo phương ngang.
Sử dụng mơ hình động lực học phẳng theo phương ngang dạng xe 2 bánh (hình
2.2) để sử dụng tính tốn, khảo sát tính năng động lực học chuyển động của 2 phương
án thiết kế xe máy 3 bánh khi quay vịng.

Hình 2.2: Mơ hình xe máy 3 bánh quy về mơ hình dạng xe 2 bánh
5


2.3 Cơ sở lý thuyết tính tốn động lực học theo phương ngang
2.3.1 Xác định lực và mômen tác dụng lên xe theo phương ngang (phương
trình Newton – Euler)

Hình 2.3: Chuyển động của xe trong mặt phẳng
Hình 2.3 Xét xe đang chuyển động với vận tốc v trong hệ trục tọa độ tổng thể G
(OXYZ) có tọa độ địa phương B(Cxyz) trùng với trọng tâm C của xe, với ψ là góc giữa
trục x và X, khoảng cách từ tọa độ tổng thể đến trọng tâm C của xe là Gd.
- Vector vận tốc của xe:

B

 vx 
 
vc   v y 

0 
 

(2.3)

Trong đó vx và vy là 2 thành phần của vận tốc v.

6


- Lực tác dụng lên xe trong hệ tọa độ B (Cxyz)
B

F = B RG G F = B RG (m G a B )  m GB a B

 m B v B  m GB ω  B v B

(2.4)

Trong đó BRG là ma trận chuyển đổi, để chuyển đổi các thành phần vectơ lực F trong hệ
tọa độ B(Cxyz) sang hệ tọa độ G(OXYZ).
- Mômen tác dụng lên xe trong hệ tọa độ B (Cxyz)

B M=

Gd
dt

BL

(2.5)

 B L  B L+ B ω  B L
G B
G B
 BI B ω  B ω  ( BI B ω )
G B G B
G B

Trong đó:
-

Lực tác dụng

 Fx 
 
B
Fc =  Fy 
0 
 
-

Mômen tác dụng

0 
B
M c  0 
 M z 

-

(2.6)

(2.7)

 vx 
 
B
vc  v y 
0 
 

(2.8)

0 
 
B
G B  0 
 z 

(2.9)

Vận tốc góc

7


0 
 
B

G B  0 
 z 

(2.10)

Giả sử mơmen qn tính của khung xe là ma trận chéo

 I1 0 0 
B
I  0 I 2 0 
0 0 I 3 

(2.11)

Thế các phương trình từ (2.8) đến (2.10) vào phương trình (2.4) và (2.5) ta xác
định được lực và mômen tác dụng lên xe trong hệ tọa độ B(Cxyz) .
- Lực tác dụng lên xe.
B

F  m B v B  m GB ω  B v B

 vx 
0  vx   mvx  m z v y 

 
  
 m v y   m 0   v y    mv y  m z vx 
 

0 

 z  0  
0
 


(2.12)

(2.13)

 Fx  mvx  mz vy

(2.14)

Fy  mvy  mz vx

(2.15)

- Mômen tác dụng lên xe.
B

M  B I GB ω B  GB ω B  ( B I GB ω B )

 I1 0 0  0  0    I1 0 0  0   0 


 0 I 2 0  0   0    0 I 2 0  0    0 
   
 
0 0 I3   z   z   0 0 I3   z    I 3 z 


M z  I z
3

(2.16)
(2.17)

8


2.3.2 Hệ lực và mômen tác dụng lên xe
2.3.2.1 Hệ lực và momen tác dụng lên bánh xe

Hình 2.4: Hệ lực và mômen tác dụng lên bánh xe 1 (xe máy 3 bánh có 2 bánh trước)

Hình 2.5: Hệ lực và mômen tác dụng lên bánh xe 1 (xe máy 3 bánh có 2 bánh sau)
9


Xét bánh xe bên trái phía trước (xe có 2 bánh trước) và bánh xe phía trước (xe có
2 bánh sau, hình 2.4 và 2.5, chọn tọa độ B(Cxyz) đặt tại trọng tâm C của xe, và tọa độ
Bw (xw, yw, zw) có tâm đặt tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường.
Lực và mômen tác dụng lên bánh xe:
Bw

Fw  Fxw iˆ1  Fyw ˆj1

(2.18)

Bw

M w  M zw kˆ1

(2.19)

Với:

Fxw  Fxw1  Fr1cos

(2.20)

Fyw  Fyw1  Fr1 sin 

(2.21)

M zw  M zw1

(2.22)

Trong đó: Fr1 là lực cản lăn trên bánh xe số 1.
Gọi B1RBw ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ B1 sang Bw

cos1
RBw  
sin 1

B1

Bw

Fw  B RBw

 sin  1
cos 1
Bw

Fw
 sin  1  Fxx 
 
cos 1  Fyw 

 Fx1  cos1
 
 Fy1  sin 1

 Fxw cos1  Fyw sin 1 


F
c
os


F
sin

y
1
x
1

 w

y
B1

M w  B1 RBw

Bw

Mw

M z1  M zw

(2.23)
(2.24)
(2.25)

(2.26)

(2.27)
(2.28)

Lực và mômen tác dụng lên bánh xe trong hệ tọa độ B(Cxyz) gắn liền với trọng
tâm C của xe:
B

F   Fx1iˆ   Fy1 ˆj
i

(2.29)

i

10


B

M   M zi kˆ   B ri  B Fwi
i

(2.30)

i

Trong đó: Bri - vectơ vị trí của bánh xe thứ i.
B

ri  xiiˆ  yi ˆj  zi kˆ

(2.31)

Các thành phần của lực trong mặt phẳng xOy tác dụng lên bánh xe:
B

Fx   Fx cosi   Fyw sin i

(2.32)

Fy   Fyw cosi   Fxw sin i

(2.33)

M z   M z   xi Fyi   yi Fxi

(2.34)

w

i

B

i

i

B

i

i

i

i

i

2.3.2.2. Các thành phần lực tác dụng lên mơ hình phẳng

Hình 2.6: Hệ lực đặt tại bánh xe của mơ hình xe máy 3 bánh 2 bánh trước

11


Hình 2.7: Hệ lực đặt tại bánh xe của mơ hình xe máy 3 bánh 2 bánh sau

Theo hình 2.6, 2.7 ta có:
𝐵

𝐹𝑥 = ∑ 𝐹𝑥𝑖 = ∑ 𝐹𝑥𝜔 cos 𝛿𝑖 − ∑ 𝐹𝑦𝜔 sin 𝛿𝑖
𝑖

𝑖

𝑖

𝐵

𝐹𝑦 = ∑𝑖 𝐹𝑦𝑖 = ∑𝑖 𝐹𝑦𝜔 cos 𝛿𝑖 + ∑𝑖 𝐹𝑥𝜔 sin 𝛿𝑖

𝐵

𝑀𝑧 = ∑ 𝑀𝑧𝑖 + ∑ 𝑥𝑖 𝐹𝑦𝑖 − ∑ 𝑦𝑖 𝐹𝑥𝑖
𝑖

𝑖

(2.35)

𝑖

12


Hệ lực tác dụng lên thân xe khi chỉ có bánh trước dẫn hướng là:
2

𝐹𝑥 = ∑(𝐹𝑥𝑖 cos 𝛿 − 𝐹𝑦𝑖 sin 𝛿)
𝑖=1
2

(2.36)

𝐹𝑦 = ∑ 𝐹𝑦𝑖
𝑖=1

𝑀𝑧 = 𝑎1 𝐹𝑦𝑓 − 𝑎2 𝐹𝑦𝑟
Trong đó, (𝐹𝑥𝑓 , 𝐹𝑥𝑟 ) và (𝐹𝑦𝑓 , 𝐹𝑦𝑟 ) là lực tác dụng lên bánh xe trước và sau.
Với giả định góc lái δ nhỏ, ta có hệ phương trình xấp xỉ sau:

𝐹𝑥 ≈ 𝐹𝑥𝑓 + 𝐹𝑥𝑟
𝐹𝑦 ≈ 𝐹𝑦𝑓 + 𝐹𝑦𝑟

(2.37)

𝑀𝑧 ≈ 𝑎1 𝐹𝑦𝑓 − 𝑎2 𝐹𝑦𝑟
Vận tốc của bánh xe thứ i.
B

vi  B v  B   B ri

(2.38)

Trong đó:
B
r là vectơ vị trí của bánh xe thứ i.
B
v là vận tốc của xe.
B

 là góc quay quanh trục z.

Ta có vận tốc của bánh xe thứ i là

vxi  vx  0   xi  vx  yi  
        

v yi   v y   0    yi   v y  xi  
  o    0   0 

o        

(2.39)

Góc lệch ngang  i của bánh xe thứ i.

 v yi
 vx

 i

i  tan 1 


v  xi  
1  y
  tan 

 vx  yi  


(2.40)

Với

 i  i   i
1

 v  xi  
 tan  y
  i
 vx  yi  

(2.41)

13