Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tọa độ trọng tâm tới ổn định trượt ngang của ô tô tải khi đi trên đường vòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
*****

TRẦN QUỐC BÌNH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỌA
ĐỘ TRỌNG TÂM TỚI ỔN ĐỊNH TRƯỢT NGANG
CỦA Ô TÔ TẢI KHI ĐI TRÊN ĐƯỜNG VÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – Năm 2017


l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
*****

TRẦN QUỐC BÌNH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỌA ĐỘ
TRỌNG TÂM TỚI ỔN ĐỊNH TRƯỢT NGANG CỦA Ô TƠ
TẢI KHI ĐI TRÊN ĐƯỜNG VỊNG

Chun ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS ĐÀM HOÀNG PHÚC

Hà Nội – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu riêng tơi dƣới sự hƣớng dẫn của TS.
Đàm Hồng Phúc. Đề tài đƣợc thực hiện tại Bộ Mơn Ơ Tơ và Xe Chun Dụng,
Viện Cơ Khí Động Lực, Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Các nội dung trình
bày trong đề tài là hồn tồn trung thực và chính xác.
Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2017
Tác giả

Trần Quốc Bình

1


LỜI CẢM ƠN
Với tƣ cách là tác giả của luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
TS. Đàm Hồng Phúc, Thầy hƣớng dẫn tơi hết sức tận tình và chu đáo để tơi hồn
thành luận văn này.
Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy trong Bộ Mơn Ơ tơ và
Xe Chun Dụng và các bạn bè đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt trong thời gian tôi học
và làm luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Gia đình, Cơ quan và Bạn
bè những ngƣời đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tơi
học và làm luận văn.

Tác giả

Trần Quốc Bình

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 2
MỤC LỤC ................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, BẢNG BIỂU ............................................. 6
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 10
1.1. Tổng quan về an tồn giao thơng đƣờng bộ Việt Nam.............................................. 10
1.1.1. An toàn chuyển động ....................................................................................... 10
1.1.2. Tai nạn giao thông .......................................................................................... 11
1.2. Đánh giá ảnh hƣởng của tọa độ trọng tâm để điều chỉnh phù hợp nhằm nâng cao
hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh. ........................................................................... 15
1.3. Các hệ thống phanh trên ô tô hiện nay....................................................................... 18
1.3.1. Hệ thống phanh trang bị ABS ................................................................................. 18
1.3.2. ABS loại cơ - thuỷ lực .............................................................................................. 19
1.3.3. ABS điều khiển điện cho xe con (BOSCH) ............................................................. 21
1.3.4. ABS điều khiển điện-khí nén cho xe tải (WABCO) ................................................ 23
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH - CHỌN BỘ SỐ LIỆU TÍNH TỐN ........ 26
2.1. Mơ hình cơ học về quỹ đạo chuyển động của ôtô..................................................... 26
2.2. Quan hệ động lực học trong mơ hình tồn xe, xây dựng các phƣơng trình cân bằng ..... 28
2.3 Mơ hình hệ thống lái .................................................................................................... 31

2.4. Sự nghiêng thân xe và sự thay đổi tải trọng thẳng đứng khi phanh ......................... 38
CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM TỚI TẢI
TRỌNG BÁNH XE KHI Ơ TƠ VÀO ĐƢỜNG VỊNG .......................................... 49
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 68

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa (Tên gọi)

Đơn vị

a

Khoảng cách từ tâm cầu trƣớc đến trọng tâm xe

m

b

Khoảng cách từ tâm cầu sau đến trọng tâm xe

m

B

Chiều rộng cơ sở của xe

m

L

Chiều dài cơ sở của xe

m

M

Khối lƣợng xe khi đầy tải

Kg

m

Khối lƣợng phần đƣợc treo

Kg

hg

Chiều cao trọng tâm xe

m

G

Trọng lƣợng của xe

Kg

g

Gia tốc trọng trƣờng

m/s2

Fz

Phản lực từ mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe

N

Mk

Mômen kéo

N.m

Mp

Mômen phanh

N.m

P1

Áp suất phanh ra cầu trƣớc

kg/cm2

P2

Áp suất phanh ra cầu sau

kg/cm2

Fx1

Lực dọc bánh xe trƣớc

N

Fx2

Lực dọc bánh xe sau

N

φ

Góc quay thân xe

rad

φb

Hệ số bám

Fms

Lực ma sát

µ

Hệ số ma sát

J

Mơmen quán tính

4

N

kgm2


z, z, z

ABS

Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phƣơng thẳng đứng khối
lƣợng đƣợc treo
Hệ thống chống hãm cứng bánh xe (Anti-lock Brake
System)

5

m, m / s, m / s2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, BẢNG BIỂU
Ký hiệu
Hình 1.1

Tên gọi
Tình hình tai nạn giao thơng ở Việt Nam

Hình 1.2
Hình 1.3

Mối quan hệ Ngƣời lái - Đƣờng- Xe
Động lực bánh xe

14
17

Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6

Đặc tính phanh
Ngun lý ABS
Bố trí ABS

18

18
19

Hình 1.7
Hình 1.8

Cơ cấu chống hãm cứng cho cầu trƣớc chủ động
ABS cho xe ơtơ

20
22

Hình 1.9

Đặc tính hệ phanh ABS điển hình

23

Hình 1.10
Hình 2.1

Hệ thống phụ cho xe kéo
Mơ hình cơ học ơtơ

25
27

Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4

Mơ hình động lực học của ơtơ
Mơ hình tính tốn cho ơtơ
Quan hệ động học của ơtơ trong mơ hình

29
30
32

Hình 2.5

Xác định vị trí trọng tâm ơtơ tại một thời điểm

33

Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14

Sơ đồ xác định gia tốc trọng tâm ơtơ
Quan hệ động học mơ hình hai vết
Quan hệ động học của bộ vi sai
Sự phân bố tải trọng thẳng đứng
Sự thay đổi tải trọng khi phanh

Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng trên một cầu xe
Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng của các bánh
Chƣơng trình mơ phỏng chính
Modul tính tốn cho bánh xe 1

34
35
37
38
39
40
41
43
44

Hình 2.15

Modul điều khiển ABS

45

Hình 2.16
Hình 2.17
Hình 2.18

Modul tính tốn trong vết bánh xe 1
Sự cân bằng mômen quay bánh xe 1
Quan hệ động học bánh xe 1

46

47
47

Hình 2.19
Hình 3.1
Bảng 3.1

Vận tốc ơ tô
Xe khảo sát
Thông số kỹ thuật xe CHASSI HINO FG8JJSC

48
49
50

6

Trang
13


Bảng 3.2

Giá trị tải trọng (N) bánh thứ 1 khi thay đổi tọa độ trọng tâm
với vận tốc 50km/h, R=100m

51

Bảng 3.3

Giá trị tải trọng bánh thứ 2 (N) khi thay đổi tọa độ trọng tâm
với vận tốc 50km/h, R=100m

52

Bảng 3.4

Giá trị tải trọng bánh thứ 3 khi thay đổi tọa độ trọng tâm với
vận tốc 50km/h, R=100m

52

Bảng 3.5

Giá trị tải trọng bánh thứ 4 khi thay đổi tọa độ trọng tâm với
vận tốc 50km/h, R=100m

53

Hình 3.2

Tải trọng bánh 1 và 2 khi thay đổi tọa độ trọng tâm với vận
tốc 50 km/h
Tải trọng bánh 3 và 4 khi thay đổi tọa độ trọng tâm với vận
tốc 50 km/h
Tải trọng bánh 1 khi thay đổi tọa độ trọng tâm với các vận
tốc khác nhau

53

Tải trọng bánh 2 khi thay đổi tọa độ trọng tâm với các vận
tốc khác nhau
Tải trọng bánh 3 khi thay đổi tọa độ trọng tâm với các vận
tốc khác nhau
Tải trọng bánh 4 khi thay đổi tọa độ trọng tâm với các vận
tốc khác nhau

55

Hàm tín hiệu vành lái
Đồ thị quỹ đạo ô tô khi hoạt động ở phƣơng án 1

58
58
59

Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10

54

55

56

57

Hình 3.11

Đồ thị tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe trong
phƣơng án 1
Đồ thị độ trƣợt của các bánh xe khi hoạt động ở phƣơng án 1

Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15

Đồ thị mơ men tại các bánh xe ở phƣơng án 1
Đồ thị quỹ đạo chuyển động ở phƣơng án 2
Đồ thị tải trọng thẳng đứng ở phƣơng án 2
Đồ thị mô men các bánh xe ở phƣơng án 2

60
61
61
63

Hình 3.16
Hình 3.17

Đồ thị quỹ đạo ở phƣơng án 3

63
64

Hình 3.18

Đồ thị tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe ở
phƣơng án 3
Đồ thị mô men bánh xe ở phƣơng án 3

Bảng 3.6

So sánh về độ bám

60

65
65

7


LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, trong những năm gần
đây nền công nghiệp ơ tơ đã có sự phát triển rất mạnh mẽ. Đặc biệt các nhà sản
xuất ô tô rất quan tâm đến các tính năng động lực học của ơ tơ, khả năng an tồn
chuyển động, nhất là tính ổn định của ô tô khi phanh.
Khi ngƣời lái tác dụng lên bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ phát sinh một
mômen phanh Mp nhằm hãm bánh xe lại, làm cho vận tốc xe giảm xuống. Khi đó ở
bánh xe sẽ xuất hiện lực tiếp tuyến Fp gọi là lực phanh. Lực phanh này ngƣợc chiều
chuyển động và bị giới hạn bởi giới hạn bám. Lực phanh từ cơ cấu phanh sẽ đƣợc
truyền tới tất cả các bánh xe. Khi phanh với cƣờng độ cực đại thì tất cả các bánh xe
phải đồng thời đƣợc hãm cứng và xe trƣợt lết trên đƣờng, khi đó cả hai cầu đều đạt

giới hạn bám, do trọng lƣợng của xe phân bố khơng đồng đều, lực phanh thì phụ
thuộc vào giới hạn bám nên lực phanh trên các cầu không bằng nhau mà nó có tỉ lệ
với nhau, tỉ lệ này cũng thay đổi trong quá trình phanh do khi phanh thì có sự biến
dạng trong hệ thống treo, đồng thời do ảnh hƣởng của tình trạng mặt đƣờng.
Một yêu cầu của hệ thống phanh khi phanh là hiệu quả phanh lớn nhất, tức là
phải có quãng đƣờng phanh ngắn nhất, thời gian phanh ngắn nhất và gia tốc phanh
là lớn nhất. Tuy nhiên do xuất hiện sự trƣợt làm tăng nhanh độ mòn của lốp, làm
hiệu quả phanh sẽ bị giảm. Khi có sự trƣợt xe cũng khơng thể có lực phanh tối đa
đƣợc vì một phần lực phanh từ cơ cấu phanh truyền xuống các bánh xe đã bị tiêu
hao do trƣợt, phần còn lại mới dùng để sinh ra lực hãm lại chuyển động của xe,
đồng thời do xuất hiện của sự trƣợt nên sẽ làm mất đi tính ổn định khi phanh. Tính
ổn định phanh của ơ tơ đƣợc hiểu là khi phanh ô tô không bị trƣợt ngang, trƣợt lết
hoặc bị lật, đảm bảo tính điều khiển lái và chuyển động an tồn của ơ tơ. Điều này
đặc biệt quan trọng khi ô tô chạy trên đƣờng trơn với tốc độ cao. Ơ tơ mất tính ổn
định khi phanh rất nguy hiểm vì khơng kiểm sốt đƣợc hƣớng chuyển động của ơ
tơ. Tính ổn định của ơ tơ khi phanh đƣợc phân tích ở hai trƣờng hợp: Tính ổn định
hƣớng và tính ổn định quay vịng của ô tô khi phanh. Tính ổn định hƣớng và tính
ổn định quay vịng của ơ tơ khi phanh là khả năng ô tô giữ đƣợc quỹ đạo chuyển

8


động nhƣ ý muốn ban đầu của ngƣời lái trong quá trình phanh, và hai yếu tố này
lại chịu ảnh hƣởng rất lớn bởi sự trƣợt.
Ơ tơ di chuyển trên rất nhiều điều kiện hoạt động rất khác nhau, tùy vào điều
kiện chuyển động có thể là đứng yên, lên dốc, xuống dốc, chuyển động trên đƣờng
nghiêng ngang, quay vòng, phanh hoặc có sự kết hợp của nhiều điều kiện kể trên
trên các loại đƣờng khác nhau, vì điều kiện chuyển động rất phức tạp nhƣ vậy nên
địi hỏi ơ tô phải giữ đƣợc quỹ đạo chuyển động theo nhƣ sự điều khiển của ngƣời
lái. Tuy nhiên khi có trƣợt thì khả năng ổn định chuyển động của ơ tơ sẽ giảm đáng

kể, ơ tơ có thể sẽ chuyển động theo những quỹ đạo không mong muốn của ngƣời
lái, và khi ngƣời lái khơng kiểm sốt đƣợc quỹ đạo chuyển động thì sẽ rất nguy
hiểm.
Vì những lý do trên, việc Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của tọa độ
trọng tâm tới q trình phanh ơ tơ tải để tìm ra các giải pháp khắc phục nhƣợc
điểm nêu trên là một vấn đề rất cần thiết.

9


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về an toàn giao thơng đƣờng bộ Việt Nam
1.1.1. An tồn chuyển động
Ơ tơ là một phƣơng tiện giao thông phổ biến hiện nay trên tồn thế giới. Ơ tơ
đã ra đời từ nửa cuối thế kỷ 18, ngay sau khi động cơ hơi nƣớc ra đời. Những “thế
hệ” ô tô đầu tiên ấy có số lƣợng khơng lớn và vận tốc ơ tơ không cao. Hơn 200
năm đã trôi qua, ngày nay ô tô tràn ngập khắp thế giới, đi cả vào “hang cùng ngõ
hẻm” và đặc biệt vận tốc ô tô đã tăng lên vƣợt bậc. Ngày nay trên đƣờng bình
thƣờng, ơ tơ có thể chạy đến 100 km/h, đƣờng cao tốc vận tốc cho phép có thể lên
đến 150 km/h hoặc hơn nữa, còn đối với xe đua chạy trên đƣờng đặc biệt vận tốc
đã lên q 200 km/h.
mv 2
Ơ tơ với khối lƣợng m chạy với vận tốc v sẽ có động năng: L 
2

Nếu ơ tơ va chạm với một đối tƣợng thì tùy theo tính chất của va chạm, một
phần năng lƣợng trên sẽ truyền cho đối tƣợng đó. Nếu đối tƣợng là một vật thể thì
sẽ gây hƣ hại cho vật thể đó. Nếu đối tƣợng là ngƣời thì đối tƣợng sẽ bị thƣơng
hoặc chết.
Đối với ơ tơ va chạm, vùng va chạm bị hƣ hỏng, ngồi ra vận tốc ô tô sẽ đột

ngột giảm xuống (đến một vận tốc nào đó hoặc dừng lại), ơ tơ sẽ chịu một gia tốc
rất lớn. Hậu quả là ô tơ bị hƣ hỏng, ngƣời và hàng hóa trên ơ tơ bị va đập gây hƣ
hỏng hàng hóa, gây thƣơng tích hoặc chết ngƣời.
Khi va chạm, ơ tơ có thể bị đổ, bị văng ra khỏi đƣờng, lao xuống ruộng, sông,
vực, ... gây nên hậu quả khôn lƣờng.
Do vậy “an tồn" ln ln đồng hành với sự vận hành ơ tơ.
Ơ tơ là một phƣơng tiện giao thơng đƣờng bộ, cùng tham gia giao thơng với ơ
tơ cịn có các phƣơng tiện khác. Ngồi đƣờng bộ ra cịn có các loại hình giao thơng
khác nhƣ đƣờng sắt, đƣờng thủy, đƣờng khơng. Vì thế có khái niệm chung nhất là
an tồn giao thông.

10


An tồn giao thơng đƣợc hình thành trong mối quan hệ giữa ngƣời tham gia
giao thông, phƣơng tiện giao thông và mơi trƣờng giao thơng.
An tồn giao thơng có thể đƣợc chia thành: an tồn của ngƣời tham gia giao
thơng, an tồn của phƣơng tiện tham gia giao thơng, an tồn của kết cấu hạ tầng
giao thơng và an tồn mơi trƣờng.
An tồn giao thơng đƣờng bộ có phạm vi hẹp hơn đó là: an tồn của ngƣời
tham gia giao thông đƣờng bộ (ngƣời lái, hành khách và ngƣời đi bộ), an tồn của
phƣơng tiện tham gia giao thơng đƣờng bộ, an tồn của kết cấu hạ tầng giao thơng
đƣờng bộ và an tồn mơi trƣờng.
Đối với lĩnh vực nghiên cứu về ơ tơ, có khái niệm an tồn chuyển động
của ô tô.
1.1.2. Tai nạn giao thông
Va chạm của ô tơ nhƣ đã nói ở trên là một “tai nạn giao thơng”. Tai nạn giao
thơng đã có từ rất lâu trong lịch sử dƣới nhiều hình thức khác nhau. Tuy nhiên,
hiện tại vẫn chƣa có một định nghĩa thật chính xác có thể lột tả hết những đặc tính
của nó. Về cơ bản tai nạn giao thơng có những đặc tính nhƣ:

- Đƣợc thực hiện bằng những hành vi cụ thể.
- Gây ra những thiệt hại nhất định về tính mạng, sức khỏe con ngƣời, vật, tài
sản...
- Chủ thể trực tiếp thực hiện hành vi cuối cùng trong vụ tai nạn giao thông cụ
thể phải là đối tƣợng đang tham gia vào hoạt động giao thông.
- Xét về lỗi, chỉ có thể là lỗi vơ ý hoặc là khơng có lỗi, khơng thể là lỗi cố ý.
Có thể tham khảo một vài định nghĩa sau đây:
- Tai nạn giao thông là sự việc bất ngờ xảy ra ngoài ý muốn chủ quan của
ngƣời điều khiển phƣơng tiện giao thông khi đang di chuyển trên đƣờng giao thông,
do vi phạm các quy tắc an tồn giao thơng hay do gặp những tình huống, sự cố đột

11


xuất khơng kịp phịng tránh, gây nên thiệt hại nhất định về ngƣời và tài sản.
- Tai nạn giao thông đƣợc hiểu là một biến cố, trong đó có sự sai khác giữa
quá trình xe chạy và thực tiễn thực hiện q trình ấy. Sự sai khác này thơng thƣờng
là sự vƣợt quá một giới hạn cho phép hoặc không tuân thủ luật lệ giao thông. Do
vậy kết quả trực tiếp của tai nạn sẽ là mức độ thiệt hại trong quá trình xung đột và
mức độ chấn thƣơng liên quan đến ngƣời tham gia giao thông.
Ngày nay tai nạn giao thông đƣợc xem nhƣ là một hiểm họa của lồi ngƣời.
Một vài con số sau đây nói lên điều đó.
Có tài liệu ghi nhận rằng bà Bridget Driscoll 44 tuổi, ngƣời Anh, là ngƣời
đầu tiên chết vì tai nạn ô tô. Bà bị một chiếc xe hơi đâm phải trƣớc dinh thự
Crystal ở Luân Đôn ngày 17/8/1896. Đáng chú ý là chiếc xe lúc đó đang chạy với
vận tốc... 12 km/giờ. Tại phiên họp công bố kết quả cuộc điều tra về nguyên nhân
tử vong của bà Bridget, nhân viên điều tra tuyên bố “sự việc sẽ không bao giờ tái
diễn”. Thế nhƣng, cùng với cuộc cách mạng công nghiệp và sự phát triển vƣợt bậc
của công nghệ chế tạo ơ tơ mà ngày nay mỗi ngày trên tồn thế giới có đến hơn
3000 nạn nhân nhƣ bà Bridget Driscoll.

Theo báo cáo của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và Ngân hàng thế giới (WB)
thì mỗi năm, thế giới có khoảng 1,2 triệu ngƣời chết vì tai nạn giao thơng đƣờng bộ.
Thống kê cịn cho thấy, khoảng 50 triệu ngƣời khác bị thƣơng trong các tai nạn đó.
Hai cơ quan này cảnh báo, nếu chính phủ các nƣớc khơng có biện pháp ngăn chặn
tình trạng này thì đến năm 2020, tai nạn giao thông sẽ đứng thứ ba trong các
nguyên nhân gây tử vong ở ngƣời.
Năm 2000, tai nạn giao thông là nguyên nhân thứ 9 gây tử vong, chiếm 2,8%
trong tổng số các trƣờng hợp tử vong trên thế giới. Ở Tây Âu, nơi có tỷ lệ ngƣời
chết vì tai nạn giao thơng ít hơn cả là 11 ngƣời/100.000 cƣ dân. Trong khi ở Châu
Phi và các quốc gia phía Đơng Địa Trung Hải có tỷ lệ trung bình là 28,3 và 26,3
ngƣời/100.000 dân. WHO cho biết mỗi năm ở châu Mỹ có đến 134.000 ngƣời thiệt
mạng vì tai nạn giao thơng, chiếm hơn 10% của cả thế giới, trong đó Mỹ đứng đầu

12


với 44.000 ngƣời, tiếp đến là Brazil, Mexico và Venezuela. Tại Nga, trong năm
2003 có tới 35.600 ngƣời thiệt mạng, 244.000 ngƣời bị thƣơng do tai nạn giao
thông, gây thiệt hại kinh tế hơn 11 tỉ USD. Theo Bộ Công an Trung Quốc trong
năm 2006, đã có 89.455 ngƣời chết vì tai nạn giao thơng đƣờng bộ.
Ở Việt Nam theo số liệu thống kê của Ủy ban an toàn giao thông quốc gia
diễn biến tai nạn giao thông trong khoảng thời gian từ năm 1990 đến năm 2012
đƣợc thể hiện trên đồ thị hình 1.1 và có thể chia làm 3 giai đoạn nhƣ sau:
Từ năm 1990 đến năm 2002: Số vụ tai nạn, số ngƣời chết và bị thƣơng liên
quan đến tai nạn giao thơng có gia tăng mạnh. Thời kỳ này số ngƣời chết tăng 5,8
lần (từ 2268 lên 13186 ngƣời) và số ngƣời bị thƣơng tăng 6,2 lần (từ 4956 ngƣời lên
31000 ngƣời). Đây là thời kỳ bùng nổ về số lƣợng các phƣơng tiện giao thông
nhƣng ý thức ngƣời tham gia giao thông cũng nhƣ cơ sở hạ tầng giao thông, các quy
định để đảm bảo an tồn giao thơng,... đang rất thấp kém.
Từ năm 2002 đến năm 2005: Số vụ tai nạn, ngƣời bị thƣơng giảm rõ rệt: Số

tai nạn giảm 47% (từ 27993 vụ xuống 14177 vụ), số ngƣời bị thƣơng giảm 61% (từ
31000 ngƣời xuống 12013 ngƣời). Thời kỳ này chính phủ, các cơ quan chức năng
với sự tham gia của toàn dân đã quyết liệt thực thi các chính sách, giải pháp nhằm
giảm thiểu tai nạn giao thông.
Từ năm 2005 đến năm 2012: Số vụ tai nạn, số ngƣời chết giảm nhẹ và có sự
dao động lên xuống.

Hình 1.1. Tình hình tai nạn giao thông ở Việt Nam

13


Theo các số liệu trên biểu đồ hình 1.1 thì số ngƣời chết năm 2012 vì tai nạn
giao thơng ở nƣớc ta khoảng 9 ngƣời/100.000 dân, đứng vào khoảng trung bình
của thế giới. Tuy nhiên đây là một con số đáng suy ngẫm vì ở nƣớc ta phƣơng tiện
giao thơng cơ giới chƣa nhiều. Nếu kinh tế phát triển, phƣơng tiện giao thông cơ
giới gia tăng mà hạ tầng cơ sở giao thông không đƣợc cải thiện, ý thức ngƣời tham
gia giao thơng khơng đƣợc nâng lên thì tình hình tai nạn giao thơng ở nƣớc ta sẽ
cịn diễn biến phức tạp.
Trong số các tai nạn kể trên tai nạn trên đƣờng bộ do ô tô (ở Việt Nam là ô tô
và xe máy) chiếm phần lớn. Tai nạn do đƣờng sắt, đƣờng khơng và đƣờng thủy
chiếm phần ít hơn.

Hình 1.2. Mối quan hệ Ngƣời lái - Đƣờng- Xe
Khi vận hành trên đƣờng mối quan hệ giữa ngƣời lái - đƣờng - xe đƣợc thể
hiện trên hình 1.2. Khi nghiên cứu mối quan hệ này ngƣời ta thấy rằng phần lớn
các tai nạn giao thơng đều có ngun nhân chủ quan từ con ngƣời. Ngƣời ta dùng
cụm từ “ý thức ngƣời tham gia giao thông” để chỉ nguyên nhân từ con ngƣời. Vì
thế nâng cao ý thức của ngƣời tham gia giao thông là nhiệm vụ trọng tâm của việc
giảm thiểu tai nạn giao thơng. Chính phủ các nƣớc trong đó có Việt Nam đã đề ra

rất nhiều giải pháp cho vấn đề này: tuyên truyền, giáo dục, nâng cao chất lƣợng các
cơ sở đào tạo lái xe, phạt nặng các hành vi vi phạm luật giao thơng thậm chí kỷ
luật cả lãnh đạo địa phƣơng để xảy ra nhiều tai nạn giao thông, … Tuy nhiên ý
thức con ngƣời không phải một sớm một chiều mà thay đổi đƣợc, cho nên có thể
coi đây là một “cuộc chiến” lâu dài.

14


Ngoài nguyên nhân chủ quan từ con ngƣời nhƣ đã nói ở trên, cịn có ngun
nhân khách quan từ ơ tô, đƣờng và môi trƣờng. Tai nạn do các nguyên nhân này có
thể giảm bằng các giải pháp kỹ thuật. Một trong những giải pháp kỹ thuật đƣợc
quan tâm là đánh giá ảnh hƣởng của tọa độ trọng tâm tới q trình phanh ơ tơ tải
nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh.
1.2. Đánh giá ảnh hƣởng của tọa độ trọng tâm để điều chỉnh phù hợp
nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh.
Nhƣ đã trình bày ở trên trong các nguyên nhân tai nạn giao thông xuất phát từ
các lỗi của các hệ thống trên ô tô. Theo các thống kê trong các ngun nhân gây tai
nạn do máy móc thì hệ thống phanh chiếm tỉ lệ cao nhất. Mặt khác hệ thống phanh
là hệ thống làm giảm vận tốc xe. Vận tốc xe giảm càng nhanh xe càng ít xảy ra tai
nạn.
Chúng ta sẽ xem xét q trình phanh ơ tơ.
Khi xe chuyển từ v1 đến v2 (v2 < v1) xe thực hiện một chuyển động chậm dần,
nghĩa là phải tạo cho xe một gia tốc jp ngƣợc chiều với chiều chuyển động. Mà ta
biết rằng muốn tạo cho một vật thể có khối lƣợng m một gia tốc jp thì ta phải tác
dụng vào vật thể một ngoại lực F = mjp. Nhƣ vậy để làm giảm vận tốc của xe ta
phải tạo ra một lực, cản lại sự chuyển động của xe. Lực này đƣợc gọi là lực phanh.
Tuy nhiên trên ơ tơ ngồi khối lƣợng chuyển động tịnh tiến cịn có các khối
lƣợng chuyển động quay bao gồm bánh xe và các chi tiết liên quan động học đến
bánh xe.

Do vậy lực tác dụng vào xe để tạo ra gia tốc jp phải là: F  mj p

(1.1)

Trong đó δ là hệ số kể đến ảnh hƣởng của các khối lƣợng quay khi phanh xe.
Xe có khối lƣợng m chạy với vận tốc v sẽ có động năng: L 

mv 2
2

Mặt khác giả sử xe đang chạy với vận tốc v1 và có nhu cầu giảm vận tốc
xuống v2. Khi đó cần phải tiêu phí đi một lƣợng năng lƣợng:

15


m(v12  v22 )
L 
2

(1.2)

Vậy quá trình làm giảm vận tốc của xe phải giải quyết song song hai vấn đề:
-

Tạo ra lực cản ngƣợc chiều chuyển động của ô tô;

-

Tiêu tán đi một lƣợng động năng của xe.

Trong quá trình chuyển động, xe chỉ tiếp xúc với khơng khí và mặt đƣờng.
Nhƣ vậy để tạo ra một ngoại lực tác dụng vào xe thì chỉ có thể tạo ra từ khơng khí
và đƣờng.
Đối với ơ tơ lực cản do khơng khí tạo ra khơng đủ để phanh xe có hiệu quả.
Nhƣ vậy lực cản lại sự chuyển động của xe (tức lực phanh) chỉ có thể là lực
ma sát giữa bánh xe và mặt đƣờng. Khi bánh xe lăn tự do trên mặt đƣờng, lực ma
sát giữa bánh xe và mặt đƣờng chính là lực cản lăn Ff.
F f  Gf

Trong đó G là trọng lƣợng xe: f là hệ số cản lăn.
Lực cản này rất nhỏ (trên đƣờng tốt hệ số cản lăn f chỉ bằng khoảng 0,02)
đƣơng nhiên không thể dùng để phanh đƣợc. Nhƣng nếu ta giữ bánh xe lại khơng
cho bánh xe quay thì ma sát giữa bánh xe và mặt đƣờng chuyển thành ma sát trƣợt
và lực ma sát giữa bánh xe và mặt đƣờng lúc này là:
Fms  G

Nhƣ vậy để tạo ra lực ma sát lớn giữa bánh xe và mặt đƣờng đủ để phanh xe
có hiệu quả phải tạo ra mơ men cản, cản lại chuyển động quay của bánh xe để ma
sát giữa bánh xe và mặt đƣờng chuyển từ “ma sát lăn” sang “ma sát trƣợt”. Có
nghĩa là thực chất khi phanh, hệ thống phanh phải sinh ra một mô men cản lại
chuyển động quay của bánh xe. Mô men này đƣợc gọi là mô men phanh, ta ký hiệu
là Mp. Lực ma sát giữa bánh xe và mặt đƣờng là lực cản lại sự chuyển động của xe

16


chính là lực phanh.
Ta có sơ đồ các lực trên bánh xe khi phanh thể hiện trên hình 1.3.
Hệ số ma sát µ giữa bánh xe và mặt đƣờng lúc này chính là hệ số bám φ. Mà

trên trên đƣờng tốt φ = 0,6 ÷ 0,8 hoặc hơn nữa cho nên lực ma sát giữa bánh xe và
mặt đƣờng có giá trị lớn và do đó có thể dùng để phanh xe.

Hình 1.3: Động lực bánh xe
Fp 

Lực phanh Fp đƣợc tính nhƣ sau:

Mp
rb

(1.3)

Nhìn vào biểu thức 1.3 ta thấy khi Mp tăng lên thì Fp cũng tăng lên tƣơng ứng.
Tuy nhiên trên thực tế, Fp không tăng lên vô hạn. Đến một giá trị Fp nào đó sẽ xảy
ra hiện tƣợng Mp tăng nhƣng Fp không tăng, nếu Mp tiếp tục tăng lên, bánh xe sẽ bị
trƣợt. Giá trị lực phanh lúc này đạt cực đại và bằng lực bám.
Fp max  F  Fz

(1.4)

Nhìn vào biểu thức 1.4 ta thấy lực phanh cực đại phụ thuộc vào hai thông số:
-

Fz: Phản lực từ mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe hay trọng lƣợng xe phân

bố lên bánh xe đó,
-

φ: Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đƣờng.

Trọng lƣợng của xe phân bố lên bánh xe đƣợc quyết định bởi sự bố trí tọa độ
trọng tâm của ơ tơ đó. Do vậy tọa độ trọng tâm ảnh hƣởng lớn đến hiệu quả của
quá trình phanh.

17


1.3. Các hệ thống phanh trên ô tô hiện nay
1.3.1. Hệ thống phanh trang bị ABS

Hình 1.4: Đặc tính phanh

Hình 1.5: Nguyên lý ABS
Trên thực tế, nhiều khi bánh xe bị phanh đã dừng mà xe vẫn chuyển động.
Trong trƣờng hợp đó, lực phanh giảm nhanh và lực bám ngang bị triệt tiêu làm mất
ổn định khi phanh. Hình (1.4) chỉ ra rằng, lực phanh cực đại đạt đƣợc trong khoảng
hệ số trƣợt lớn hơn 0,06 và bé hơn 0,2. Khi phanh, lái xe vẫn giữ bàn đạp phanh
ngay cả khi bánh xe vƣợt khỏi vùng tối ƣu của lực bám mà vẫn khơng biết. Vì vậy
ngƣời ta thiết kế cơ cấu chống hãm cứng bánh xe ABS (Anti-locking Brake System)
nhƣ hình (1.5) để điều khiển lực phanh tự động (triệt tiêu áp suất phanh).

18


1.3.2. ABS loại cơ - thuỷ lực
Sơ đồ bố trí hệ phanh ABS cơ-thuỷ lực nhƣ hình (1.6), (1.7) gồm van tỷ lệ
(1), tổng van (2), đai truyền lực (3) và cụm ABS cơ. Bộ ABS gồm cảm biến gia tốc
góc bánh đà, bơm dầu kiểu piston truyền động bằng cam và các van áp suất. Cảm
biến gia tốc bánh đà xác định gia tốc định mức cho trƣớc. Khi đạt gia tốc ngƣỡng

các van đƣợc giảm áp suất. Nếu tốc độ lại tăng, bơm dầu sẽ tăng áp suất để lực
phanh đạt giá trị cực đại trở lại. Hệ thống này có thể tăng giảm áp suất 5 lần/giây để
hạn chế bánh xe hãm cứng, nâng cao hiệu quả phanh.

Hình 1.6: Bố trí ABS
Khi phanh bình thƣờng (hình 1.7 a): Ở điều kiện phanh thƣờng, van cắt (7)
mở, dầu từ tổng van đi qua van cắt vào các xylanh phanh bánh sau. Van điều khiển
(5) đóng, piston bơm (12) khơng tiếp xúc với cam lệch tâm (13) do lị xo hồi vị.
Khi giảm lực phanh (hình 1.7 b): Khi gia tốc bánh trƣớc giảm, tức trục chủ
động (14), các bánh xe bắt đầu hãm cứng, tạo quán tính cho quả văng (1) quay
tƣơng đối với ly hợp (2), bi ly hợp lăn khỏi rãnh, đẩy quả văng dịch sang trái, làm
cho cần mở (4) mở van điều khiển (5). Áp suất trong hệ thống phanh sau khá cao
mà van (5) lại mở nên piston (6) bị đẩy lên trên, van cắt (7) đóng lại, do đó áp từ xy
lanh chính đẩy piston (12) lên trên tiếp xúc với cam (13), dầu đƣợc bơm trở lại qua
van điều khiển (5). Do van cắt đóng nên dịng dầu từ xylanh chính và dịng dầu phía
hệ thống phanh sau bị ngăn cách, áp suất dầu trong xylanh bánh xe giảm nhanh.

19


Hình 1.7: Cơ cấu chống hãm cứng cho cầu trƣớc chủ động
1. Quả văng quán tính; 2. Ly hợp; 3. Bi mở ly hợp; 4. Cần mở van điều khiển; 5.
Van điều khiển; 7. Van cắt; 8. Ra bánh sau; 9. Từ xylanh chính; 10,11. Van 1 chiều;
12. Bơm piston

20


Khi tăng lực phanh (hình 1.7c): Do việc giảm lực phanh ở trƣờng hợp
vừa nêu, má phanh đƣợc nhả ra, cho phép bánh xe tăng tốc đến tốc độ của quả

văng giảm tốc. Khi trục chủ động và quả văng có cùng tốc độ, bi (3) lăn về
đúng rãnh của nó, quả văng qn tính dịch chuyển sang phải, cho phép lò xo
hồi vị của đòn (4) mở van điều khiển (5). Cùng thời gian, piston bơm (12) tạo
áp suất trên piston (6) bởi van một chiều (10, 11). Áp suất vào xylanh bánh xe
đƣợc khôi phục khi van cắt (7) mở, piston bơm bị ngắt khỏi cam (13), áp suất
trong xylanh bánh xe tăng dần theo áp suất tổng phanh.
1.3.3. ABS điều khiển điện cho xe con (BOSCH)
Sơ đồ phanh ABS điện tử nhƣ hình (1.8), gồm bốn van thuỷ lực-điện từ
(2, 3) cho bốn xylanh bánh xe (8), hai van giảm áp (6) cho hai dòng, một bơm
hồi (9) với hai van xả (4) và hai van nạp (5) và bộ xử lý (6). Cảm biến số
vòng quay (1) xác định số vòng quay của các bánh xe; tín hiệu điện áp đƣợc
gửi cho bộ xử lý (6) nhằm xác định hệ số trƣợt để xác định lực điện từ tại các
van điện từ (3) nhằm đóng mở các van thuỷ lực (2) để giảm, giữ, tăng áp suất
vàp xylanh bánh xe (8). Nguyên lý của hệ đƣợc trình bày trong hình (1.8).
Phanh trong điều kiện bình thƣờng (hình 1.8 a): Trong điều kiện phanh
bình thƣờng, các van điện từ (3) không làm việc; các piston van thuỷ lực (2)
nằm ở vị trí thấp nhất do lị xo đẩy chúng. Khi đạp chân phanh, xylanh chính
cấp dầu độc lập cho hai dòng qua các van thuỷ lực mà khơng bị cản trở gì; áp
suất dầu trong xylanh bánh xe tỷ lệ mức độ đạp phanh.
Trạng thái giữ (hình 1.8b): Khi bánh xe giảm tốc độ đến một ngƣỡng
định lƣợng trƣớc, cảm biến tốc độ (1) gửi tín hiệu cho bộ xử lý (6) về sự trạng
thái bánh xe sắp bị bó cứng. Đồng thời máy tính (6) gửi dòng điện điều khiển
đến van điện từ (3), dòng điện sẽ kích hoạt cuộn cảm, lực điện từ kéo piston
điều khiển lên cao đóng các đƣờng dầu đến các xylanh bánh xe và bây giờ áp
suất dầu trong các xylanh bánh xe là ổn định (hình 1.9).

21


Hình 1.8: ABS cho xe ơtơ

1. Cảm biến tốc độ; 2. Piston van điều khiển; 3. Van điện từ; 4. Van xả; 5. Van nạp;
6. ECU; 7. Van giảm áp suất; 8. Chân phanh; 9. Bơm hồi; 10. Xylanh chính.
Trạng thái giảm áp suất (hình 1.8c): Nếu cảm biến gửi đến máy tính một tín
hiệu giảm tốc độ đột ngột khơng bình thƣờng nhƣ là ngun nhân hãm cứng bánh
xe, máy tính tăng dịng điện vào van điện từ, kéo piston van thuỷ lực lên cao hơn
nữa, tại vị trí đó khơng có dầu vào từ xylanh chính và làm thông cửa sang van giảm
áp (7), cùng với bơm hồi, dầu trong xylanh bánh xe giảm nhanh chóng. Kết quả là
bánh xe có khả năng tăng tốc và hệ số bám đƣợc thiết lập trở lại.

22


Hình 1.9: Đặc tính hệ phanh ABS điển hình
Trạng thái tăng áp suất (hình 1.8a): Một khi chuyển từ trạng thái
giảm tốc sang tăng tốc, máy tính đặt chế độ off cho van điện từ, lò xo trong
van điện từ đẩy piston thuỷ lực xuống vị trí thấp nhất, áp suất phanh lại
tăng trở lại trong xylanh bánh xe. Độ nhạy của hệ thống khoảng 10
lần/giây.

1.3.4. ABS điều khiển điện-khí nén cho xe tải (WABCO)
ABS điều khiển điện khí nén có sơ đồ nhƣ trong hình (1.10). Cảm
biến tốc độ (1) xác định gia tốc bánh xe bằng tín hiệu điện theo tần số và
chuyển cho ECU (2). Khi có dấu hiệu bánh xe bị hãm cứng, ECU gửi tín
hiệu đến van điện từ (1,10) để thực hiện giảm, giữ, tăng áp suất trong hệ
thống phanh theo chế độ tối ƣu lực phanh theo hệ số trƣợt. Mỗi bánh đƣợc
điều khiển độc lập, lực phanh cấp phù hợp với khoảng hệ số trƣợt tối ƣu,
quãng đƣờng phanh là ngắn nhất, không bị tổn hao về ổn định và dẫn
hƣớng.
* Nguyên lý làm việc:
Với chế độ tăng mô men phanh, ECU không cấp điện cho các van

điện từ I, II (1,8) do vậy, các lõi từ đƣợc giữ bởi các lò xo: Ở van điện từ I,

23