luận văn, nghiên cứu mô phỏng chuyển động của ôtô con khi phanh trên đường vòng

Khi nghiên cứu quá trình phanh của ôtô, từ trước đến nay khi tính toán các thôngsố kết cấu, những nhân tố ảnh hưởng đến khả năng phanh của ôtô, chưa tính đến biếndạng của lốp xe cho nên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn củaPGS TS Hồ Hữu Hải Luận văn được thực hiện tại Bộ môn ôtô và xe chuyên dụng,Viện cơ khí động lực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả trình bàytrong luận văn hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trìnhnào

Hà Nội, ngày 21 tháng 04 năm 2014 Học viên cam đoan

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN……… i

MỤC LỤC……… ii

CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN………iii

1

1

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

CHƯƠNG 2 9

MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB - SIMULINK 9

CHƯƠNG 3 44

MÔ PHỎNG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP CHUYỂN ĐỘNG ĐIỂN HÌNH 44

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 1 71

TRƯỜNG HỢP 1: v = 10(m/s), lực bàn đạp 280 (N), βvl = 1200 71

TRƯỜNG HỢP 2: v = 10(m/s), lực bàn đạp 280 (N), βvl = 1800 76

PHỤ LỤC 2 81

TRƯỜNG HỢP 1: βvl=1200, lực bàn đạp 490(N), v = 15(m/s) 81

TRƯỜNG HỢP 2: βvl=1200, lực bàn đạp 490(N), v = 20(m/s) 86

PHỤ LỤC 3 91

TRƯỜNG HỢP 1: βvl = 600, v = 20(m/s), lực bàn đạp phanh là 490(N) 91

TRƯỜNG HỢP 2: βvl = 600, v = 20(m/s), lực bàn đạp phanh là 700(N) 96

CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN

a Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm m

mt Khối lượng phần không được treo cầu trước Kg

ms Khối lượng phần không được treo cầu sau Kg

ht Chiều cao trong tâm phần không được treo cầu trước m

hs Chiều cao trong tâm phần không được treo cầu sau m

ax Gia tốc dọc m/s2

Jz Mô men quán tính ô tô quanh trục thẳng đứng Kg.m

ps Khoảng cách từ tâm nghiêng ngang cầu sau đến mặt đường M

ih Tỷ số truyền của hệ thống lái

ε Góc quay thân xe Rad

β1 Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước bên trái Radβ2 Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước bên phải Rad

φx Hệ số bám dọc

φy Hệ số bám ngang

2WS Hệ thống lái 2 bánh xe dẫn hướng

LỜI NÓI ĐẦU

Nước ta với nền kinh tế tăng trưởng, hội nhập và phát triển, số lượng ôtô nhậpkhẩu, lắp ráp trong nước ngày càng nhiều đặc biệt là xe con, xe du lịch và xe bus Thịtrường ôtô Việt Nam là một thị trường đầy tiềm năng, sức mua lớn với nhu cầu cao, dựbáo doanh số bán cả năm 2014 tăng 9% lên 120.000 chiếc của toàn thị trường Sốlượng ôtô tăng nhanh dẫn đến mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn Chất lượngđường bộ ngày càng được nâng cao, các ôtô được thiết kết với công suất lớn, tốc độcao đòi hỏi phải có tính ổn định chuyển động cao nhằm nâng cao tính an toàn chuyểnđộng Khi ô tô chuyển động nó sẽ chịu rất nhiều tác động từ phía người lái như phanh,quay vô lăng hay ga… Ngoài những tác động của người lái thì các yếu tố khách quan

từ ngoại cảnh như chất lượng mặt đường, gió…và các yếu tố bất ngờ khác sẽ ảnhhưởng rất lớn đến an toàn khi xe lưu thông Khi phanh các xe thường mất ổ định và cóthể bị trượt ngang gây tai nạn

Việc nghiên cứu quỹ đạo chuyển động và tính ổn định hướng chuyển động của

ô tô khi phanh có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu nhằm nâng cao tính ổn địnhchuyển động của ôtô Với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu, họctập, giảng dạy ở các trường Đại học, Cao đẳng và Trung tâm nghiên cứu chuyênngành…, đề tài: “ Nghiên cứu mô phỏng chuyển động của ôtô con khi phanh trênđường vòng” được thực hiện Để nghiên cứu chuyển động của ôtô ta có thể sử dụngcác phương pháp khác nhau như:

- Dựng thực nghiệm trên các bãi lớn (polygon)

- Dựng mô tả toán học

- Dựng mô hình đồng dạng trên sa bàn

Việc mô tả bằng toán học có nhiều thuận lợi, có thể đánh giá độc lập các yếu tố, để tối

ưu hóa về mặt kết cấu Các kết quả tính toán đều phải qua thực nghệm trên cơ sở đóđánh giá tính đúng đắn của mô hình khảo sát

Đề tài đã chọn phương pháp khảo sát mô hình toán học với sự trợ giúp của phầnmềm mô phỏng matlab simulink.

Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hồ Hữu Hải và các thầy trong bộ môn, ViệnĐào tạo sau đại học và các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã được thực hiện tại bộ mônÔtô và xe máy chuyên dụng – Viện cơ khí động lực Trường ĐHBK Hà Nội Tác giảxin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn cũng như sự góp ý quý báu để bản luận văn đượchoàn thành, rất mong tiếp tục nhận được sự góp ý, bổ xung để luận văn được hoànthiện hơn

Hà Nội, ngày 21 tháng 04 năm 2014 Tác giả

Vũ Thế Truyền

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Yêu cầu thực tế

1.1.1 Tai nạn giao thông

Tai nạn giao thông (TNGT) đã có từ rất lâu trong lịch sử dưới nhiều hình thứckhác nhau Tuy nhiên hiện tại vẫn chưa có một định nghĩa thật chính xác có thể lột tảhết những đặc tính của nó Về cơ bản tai nạn giao thông có những đặc tính như sau:

- Được thực hiện bằng những hành vi cụ thể

- Gây ra thiệt hại nhất định về tính mạng, sức khỏe con người, vật, tài sản

- Chủ thể trực tiếp thực hiện hành vi cuối cùng trong vụ tai nạn giao thông cụ thể phải

là đối tượng đang tham gia vào hoạt động giao thông

- Xét về lỗi, chỉ có thể là lỗi vô ý hoặc là không có lỗi, không thể là lỗi cố ý

Năm 1896, tại Anh chiếc ôtô chạy thử đã sau khi xuất xưởng đã cán chết 2người Và 3 năm sau, ở Mỹ mới lại có một người chết do ôtô gây lên, từ đó những cáichết do phương tiện giao thông gây lên ngày một nhiều Và ngày nay, TNGT đã trởnên phức tạp , đa dạng hơn rất nhiều, có thể là tai nạn ôtô, xe 2 bánh, tầu hỏa hay máybay Nó đang là một hiểm họa không chỉ riêng một quốc gia nào mà là của cả thế giới,tuy nhiên TNGT vẫn tập chung chủ yếu ở các nước đang phát triển và các nước kémphát triển, đặc biệt là các quốc gia ở châu A như: Trung Quốc, ấn Độ, Việt Nam, TháiLan Phổ biến nhất hiện nay ở phần lớn các quốc gia là tai nạn giao thông đường bộ,loại tai nạn này thường xảy ra đối với ôtô và xe gắn máy 2 bánh Ngoài ra còn có cácloại tai nạn giao thông khác như tai nạn giao thông đương sắt, tai nạn giao thông đườngthủy và tai nạn giao thông đường hàng không

Theo báo cáo tình hình toàn cầu của WHO, tai nạn giao thông đang trở thànhmột vấn đề lớn về sức khỏe và phát triển con người trên thế giới Trung bình mỗi nămtrên toàn thế giới có tới 1,2 triệu người chết vì tai nạn giao thông và 50 triệu người bịthương Còn tính riêng nước ta, từ 16/11/2011 đến 16/11/2012, toàn quốc đã xảy ra

36.376 vụ tai nạn giao thông, làm chết 9.838 người và bị thương 38.060 người Nhữngcon số kinh hoàng đó tăng dần theo từng năm và vẫn chưa có dấu hiệu giảm Việckhông tuân thủ luật lệ giao thông và lái xe quá tốc độ, vượt ẩu, quay vòng ngoặtthường xuyên xảy ra trên khắp đất nước Trong các vụ tai nạn giao thông gây tổn thất

về người và tài sản chủ yếu là do ôtô

Ngày nay khi mà ôtô đã trở thành phương tiện chính dùng để đi lại và chuyênchở hàng hoá ở nước ta thì vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển của ôtô là rấtquan trọng Khi ôtô chuyển động nó sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố như người điềukhiển, tác động của ngoại cảnh, các yếu tố ngẫu nhiên xảy ra trên đường Người lái xe

có thể thực hiện các thao tác để điều khiển xe như: tăng ga để tăng tốc xe, đạp phanh

để giảm tốc độ, và đánh vô lăng để quay vòng Các yếu tố ngoại cảnh tác động lên xecũng khác nhau Xe có thể chạy trên các đường với các biên độ khác nhau Khi xe chạytrên đường khác nhau thì hệ số bám của lốp xe và đường cũng khác nhau Và khi xechạy trên đường thì gió cũng là một yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe và còn nhiều yếu

tố khác ảnh hưởng tới xe khi xe chuyển động

Một yếu tố ảnh hưởng khá nhiều đến xe và thường gây mất an toàn đó là các tácđộng ngẫu nhiên bất ngờ xảy ra trên đường như sự xuất hiện bất ngờ của các chướngngại vật

Tất cả các yếu tố trên sẽ ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái chuyển động của xe và

nó cũng ảnh hưởng tới mức độ an toàn của xe.Trong đó tính ổn định hướng của ôtô làyếu tố ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo chuyển động của xe, nguyên nhân chính gây ra các

vụ tai nạn giao thông.

Sự tăng trưởng tốc độ và mật độ chuyển động của ô tô đòi hỏi phải đảm bảo tínhđiều khiển ở mức độ cao nhằm hạn chế tối đa tai nạn giao thông xảy ra

1.1.2 Nghiên cứu động lực học ôtô

Nghiên cứu động lực học ôtô là tìm ra qui luật chuyển động của ôtô từ

đó xác định giới hạn an toàn, tìm sự tương thích giữa lái xe và xe, mở rộng khả năngđiều khiển xe của lái xe

Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghệ ôtô thì những ôtô ra đời của thế

hệ sau luôn có vận tốc lớn hơn và hướng tới giới hạn trượt vật lý (bánh xe có thể bịtrượt) Ôtô ngày càng hoàn thiện về kết cấu tức khả năng thích ứng động lực học tốthơn, ngày càng hướng tới an toàn động lực học, an toàn tích cực Chỉ tiêu để đánh giáôtô là vận tốc, gia tốc, quỹ đạo chuyển động, thông qua thông số chung để đánh giá làtrạng thái quay vòng của xe

Bên cạnh đó hệ thống phanh là cơ cấu an toàn của ôtô, dùng để giảm tốc độ,dừng xe hoặc đỗ xe khi cần thiết theo yêu cầu của người lái Nó là một trong những hệthống chính và có ý nghĩa quan trọng bảo đảm sự ổn định của ôtô khi chuyển động.Một trong những vấn đề đặt ra là phải giải quyết vấn đề hoạt động của hệ thốngphanh khi phanh trên các loại đường có hệ số bám thấp như đường trơn, ướt, đườngcát, điều này dẫn đến bánh xe nhanh chóng bị bó cứng và mất ổn định Khi phanh ôtô,nếu bánh xe trước bị bó cứng trước thì sẽ làm cho xe không thể chuyển hướng theo sựđiều khiển của người lái; nếu bánh xe sau bị bó cứng trước, ôtô sẽ bị trượt ngang Để

có thể nâng cao hiệu quả phanh chúng ta phải xác định rõ các quan hệ nội hàm liênquan đến quá trình phanh Điều đó chỉ có thể được xác định thông qua các mô hìnhđộng lực học của quá trình phanh; trong đó mô hình lốp là hạt nhân của mô hình vì cáclực tương tác bánh xe sẽ quyết định đến các giá trị nội hàm và ảnh hưởng đến quãngđường phanh, ổn định phanh và ổn định dẫn hướng

Để giảm thiểu tai nạn giao thông do ôtô gây ra ngoài việc nâng cao trình độ, kỹthuật, ý thức của người điều khiển, cần phải giảm thiểu các tai nạn do yếu tố kỹ thuậtgây ra: kết cấu toàn bộ ôtô, tính điều khiển, các thiết bị an toàn bị động Với tốc độphát triển của khoa học công nghệ như ngày nay ngoài việc đảm bảo các yêu cầu kỹthuật của các cụm tổng thành thì việc cải thiện tính điều khiển của ôtô đang được cácnhà khoa học rất quan tâm

Khi nghiên cứu quá trình phanh của ôtô, từ trước đến nay khi tính toán các thông

số kết cấu, những nhân tố ảnh hưởng đến khả năng phanh của ôtô, chưa tính đến biếndạng của lốp xe cho nên giữa bánh xe và mặt đường không có hiện tượng trượt, lúc nàycác quan hệ giữa các thông số chỉ là các quan hệ đơn thuần về mặt hình học

Như vậy, qua các phân tích trên để nghiên cứu quá trình chuyển động của ôtô khiphanh trên đường vòng chỉ căn cứ vào các quan hệ hình học thì chưa đủ, cần thiết phải

kể đến ảnh hưởng của hệ thống phanh, hệ thống lái và các đặc tính biến dạng của bánh

xe cao su đàn hồi, thông số kết cấu của xe

Từ yêu cầu thực tế trên dẫn đến yêu cầu phải xây dựng một mô hình động lực họctổng quát có thể mô tả chuyển động của ô tô khi phanh trên đường vòng có tính đếnảnh hưởng của góc quay vành lái, vận tốc ban đầu và lực bàn đạp phanh nhằm xác địnhcác trạng thái chuyển động của ôtô trong các điều kiện thực tế

1.2.Các đề tài nghiên cứu về phanh và quỹ đạo chuyển động của ôtô con

“Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng” – Do

PGS.TS Hồ Hữu Hải, trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn – Sinh viên thựchiện Lê Ngọc Trung, năm 2008

“Mô phỏng và nghiên cứu quá trình động lực học của hệ thống phanh thủy lực”- Do PGS.TS Hồ Hữu Hải, trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn – Sinh

viên thực hiện Nguyễn Văn Hùng, năm 2011

“Ứng dụng phần mềm matlab-simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe

du lịch”-Do Ths Đồng Minh Tuấn , trường Đại học SPKT Hưng Yên hướng dẫn- Sinh

viên thực hiện Nguyễn Trọng Khương

“Nghiên cứu mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô với hệ thống ABS+ASR”

Trườn đại học Bách Khoa Hà Nội, do sinh viên Nguyễn Vũ Tiến Linh thực hiện năm2007

“ Nghiên cứu đặc tính quay vòng của xe du lịch”, trường đại học Bách Khoa Hà

Nội, do sinh viên Lê Đức Hiếu thự hiện năm 2007

“ Tổng hợp bộ điều khiển điện tử và mô phỏng hệ thống phanh có ABS trên ô tô

du lịch”, trường đại học Bách Khoa Hà Nội, do sinh viên Lại Năng Vũ thực hiện năm

- Lập mô hình toán học và mô hình mô phỏng trong Matlab - simulink của ôtô con

- Khảo sát phản ứng của xe đối với các tác động của góc quay vành lái, phanh và lựcbàn đạp phanh

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học và mô hình mô phỏngtrong môi trường Matlap - simulink

Chương 3: Khảo sát phản ứng của xe khi lái xe thực hiện thao tác điều khiển phanh vàquay vòng ở những cung đường cong không quá một phần tư đường tròn.

Kết luận và đánh giá các kết quả

Kết quả của đề tài có thể làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về ổn địnhhướng chuyển động của ôtô khi phanh trên đường vòng, làm tài liệu giảng dạy cho cáctrường đại học và cao đẳng, trung tâm đào tạo nghề

1.3.3 Phạm vi nghiên cứu

Do hạn chế về mặt thời gian, kinh phí và tính phức tạp của hệ trục tọa độ quychiếu nên đề tài mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu mô phỏng lý thuyết chuyển độngcủa ôtô con khi phanh trên đường vòng với quỹ đạo là những cung đường cong khôngquá một phần tư đường tròn với vận tốc không lớn

1.3.4 Phương pháp nghiên cứu

Việc nghiên cứu đề tài có thể tiến hành nhiều cách như:

- Khảo sát trên mô hình thực với bãi thí nghiệm lớn

- Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn

- Dùng mô tả toán học và mô phỏng bằng các công cụ trên máy tính

Với phương pháp dùng thực nghiệm trên bãi lớn có ưu điểm cho kết quả tin cậynhất, song tốn kém và rất nguy hiểm khi thử nghiệm xe Hiện nay, sự phát triển khoahọc của máy tính việc mô tả toán học và chuyển đổi sang mô hình mô phỏng bằng cácphần mềm chuyên dụng hiện đại đang được sử dụng rộng rãi và có nhiều ưu điểm hơn

cả Mô phỏng trên máy cho phép rút ngắn được thời gian nghiên cứu, dễ dàng thay đổicác thông số, kết quả đạt được có độ chính xác tương đối cao

Trong thời gian cho phép, đề tài lựa chọn phương pháp thiết lập mô hình toánhọc thích hợp từ đó xây xựng mô hình mô phỏng và mô phỏng lý thuyết trên máy tínhquỹ đạo chuyển động cũng như khảo sát chuyển động của xe khi người lái thực hiệncác thao tác phanh và phanh khi quay vòng của xe ô tô con

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRONG MÔI TRƯỜNG

MATLAB - SIMULINK 2.1 Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học của ôtô

L b

a

X Y

Hình 2-1 Mô hình tính toán cho ôtô

Các lực tác lên ô tô:

a Lực dọc F i : là phản lực của đường tác dụng lên bánh xe chủ động , được đặt tại vịtrí tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường Khi phanh, lực phanh tại các bánh xe đóng vaitrò lực dọc

k

t c p h e k

k x

r

i i i i M r

M

=

= (2-1)

Trong đó: Me : Mô men xoắn của động cơ [N.m]

ih : Tỷ số truyên của hộp số chính

ip : Tỷ số truyền của hộp số phụi0 : Tỷ số truyền của truyền lực chính

ηt : Hiệu suất của hệ thống truyền lực

b Lực cản lăn P f

Lực cản lăn sinh ra do tác dụng của mặt đường lên các bánh xe và đặt tại vị tríđặt lực Fi nhưng ngược chiều

Pf = f.G

Trong đó : G: Trọng lượng của ô tô

f : Hệ số cản lăn của bánh xe, được xác định theo công thức:







+

=

15001

2 0

v f

f (2-2)Với : f0 : Hệ số cản lăn của đường

i : Chỉ số các bánh xe dẫn hướngTrong trường hợp góc lệch bên lớn, quan hệ giữa lực bên và góc lệch bên αt , tảitrọng phân bố Zi , độ trượt dọc s

d Lực cản không khí

Là lực cản của gió được phân ra hai thành phần theo hai phương vuông góc:

- Lực theo phương dọc (lực cản không khí) Pw : có giá trị tương đối được xác địnhbằng biểu thức sau: Pw = K.F.v02 (2-4)

v g

G y m

P j

2 2

= (2-5)

Trong đó: y : Gia tốc hướng tâm [m/s2]

R : Bán kính quỹ đạo [m]

Các phương trình chuyển động của ô tô

Tịnh tiến theo phương dọc ôtô:

w

P S

S F F F

v v dt P P S

S F F F

F

m

P P S

S F F F

−

−

−

−+++

sinsin

coscos

.1

sinsin

coscos

1

ββ

ββ

ββ

ββ

F S S S

S

m.y = 1cosβ1+ 2cosβ2 + 3 + 4 + 1sinβ1+ 2sinβ2 − (2-8)

( )

m

N F

F S S S

−+

++++

=

⇒

−+

++++

sinsin

coscos

1

sinsin

coscos

1

ββ

ββ

ββ

ββ

2)coscos

(2)sinsin

()

(

)coscos

()sinsin

(

4 3 2

2 1 1 2

2 1 1 4

3

2 2 1 1 2

2 1 1

B F F

B F

F

B S

S b

S

S

a S

S a F

+

−

++

+

=

ββ

ββ

ββ

ββ

ε

(2-10)

0 4

3 2

2 1 1 2

2 1 1 4

3

2 2 1 1 2

2 1 1

.

)2)(

2)coscos

(2)sinsin

()

(

)coscos

()sinsin

((

1

εβ

ββ

β

ββ

ββ

+

−

++

B F

F

B S

S b

S

S

a S

S a F

x0 : là tọa độ ban đầu [m]

y0 : là độ lệch bên ban đầu [m]

ε0 : là góc quay thân xe ban đầu [rad]

2.1.2 Sự nghiêng thân xe và tải trọng thẳng đứng

Giả thiết thân xe đặt trên bệ treo đàn hồi, dưới tác dụng của lực ly tâm thân xe bịnghiêng quanh trục nghiêng dọc một góc là ψ Trọng tâm ôtô đặt tại chiều cao hg so vớimặt đường (coi chiều cao ôtô là chiều cao phần treo)

Hình 2-2 Sự nghiêng thân xe quanh trục nghiêng dọc

Theo” Tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô”của PTS Nguyễn Khắc

Trai ,nhà xuất bản Giao thông vận tải – 1997 và sử dụng mô hình (2-2) ta có:

Công thức tính góc nghiêng thân xe như sau:

' ' 0

'

, 0

h g m C C

h y m s

=

ψ ψ

Trong đó:

Ct ψ , C s ψ : là độ cứng chống nghiêng của cầu xe trước và sau [N/rad]

m’ 0 : khối lượng phần được treo [kg]

Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng và các phản lực bên tác dụng lên các bánh xeđược tính theo sơ đồ không gian

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

Gia tốc theo phương dọc thân xe x sẽ gây ra sự phân bố lại tải trọng trên hai cầu

trước và sau là :

L

h m x

' 0

=

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

Mặt khác tải trọng tĩnh tác dụng lên các bánh trước và sau được tính như sau:

;

L

b g m

Z T

;

L

a g m

trên cùng một cầu, phương trình cân bằng lực : '

0 ' ' S m y

S t + s = (2-18)Trong đó: St’ ; Ss : là các lực bên tác dụng lên cầu trước và cầu sau

m0’: khối lượng phần được treoPhương trình cân bằng mô men đối với cầu trước và cầu sau:

L

l y m S S

t

' 0 ' 2

' 1 ' = + = (2-19)

L

l y m S S

s

' 0 ' 4

' 3 ' = + = (2-20)

lt ; ls : là khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và cầu sau Để thuận tiện cho việc mô

phỏng trong Matlab ta coi : lt = a ; ls = b.

Hình 2-5 Sơ đồ cân bằng lực ngang

Hình 2-6a.Lực và mô men ở cầu sau Hình 2-6b.Lực và mô men ở cầu trước

Từ phương trình cân bằng mô men đối với tâm nghiêng ngang của cầu trước(Oc1) và cầu sau (Oc2),ta tính được:

)

Z s = −

Pt;Ps: Chiều cao tâm nghiêng ngang Oc1, Oc2 tới mặt đường [m]

ts;tt : Chiều rộng tiếp xúc của hai cầu sau và trước, để thuận tiện cho tính toán ta lấybằng chiều rộng cơ sở xe (B) [m]

mt;ms : khối lượng không được treo cầu trước và cầu sau [kg]

ht;hs : chiều cao từ trọng tâm phần khối lượng không được treo cầu trước và cầu sau tớimặt đường [m]

Như vậy khi xe chuyển động với góc quay bánh xe dẫn hướng βti >0 hoặcchuyển động trên đường nghiêng ngang thì tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh

Z1 : tải trọng phân bố lên bánh trước trái [N]

Z2 : tải trọng phân bố lên bánh trước phải [N]

Z3 : tải trọng phân bố lên bánh sau trái [N]

Z4 : tải trọng phân bố lên bánh sau phải [N]

2.1.3 Hệ thống lái hai bánh xe dẫn hướng

2.1.3.1 Các trạng thái quay vòng của ôtô

Hệ thống lái hai bánh xe dẫn hướng (2WS) được sử dụng nhiều trên xe ôtô con

và xe du lịch, khi xe quay vòng thường xảy ra một trong các trạng thái quay vòng sau:

Đây là trạng thái quay vòng lý tưởng vì nó giúp xe đảm bảo ổn định ngang, tuynhiên rất hiếm khi xảy ra.

Hình 2-9 Trường hợp xe quay vòng thừa.

2.1.3.2 Mối quan hệ giữa các bánh xe dẫn hướng

Khi nghiên cứu động học và động lực học quay vòng của ôtô với hệ thống lái

Cotgβt2 – cotgβt1 = B/L (2-29)Trong đó:

βt2 : góc quay trục bánh xe dẫn hướng bên trong [rad]

βt1 : góc quay trục bánh xe dẫn hướng bên ngoài [rad]

Với tỷ số truyền của hệ thống lái là i (ta chọn i = 20), góc quay vành lái là βv ,

góc quay bánh xe dẫn hướng là βt* , ta có:

i

v t

β

β =* (2-30)

2.1.4 Hệ thống phanh thủy lực

Hệ thống phanh thủy lực được áp dụng rộng rãi trên các loại ô tô con, du lịch và

xe tải nhỏ Với hệ thống phanh thủy lực khi đạp bàn đạp chân phanh sẽ tạo nên áp suất chất lỏng trong xy lanh công tác đặt tại cơ cấu phanh, điều khiển sự làm việc của cơ cấu phanh

Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực

1 Bàn đạp phanh; 2 Cần đẩy; 3 Piston chính ; 4 Xy lanh chính; 5 Van cao áp;

6 Đường ống; 7 Xy lanh con ; 8 Piston con ; 9 Guốc phanh ; 10 Chốt ;

11 Tang trống ; 12 Lò xo

2.1.4.1 Mô hình mô phỏng xy lanh chính

Hình 2-11 Sơ đồ xy lanh chính 2 khoang

m1 , m2 : Khối lượng của piston 1 và piston 2

N1 , N2 : Lực từ bàn đạp phanh tác dụng lên piston 1 và piston 2

Phương trình chuyển động của Piston 1

Phương trình chuyển động của Piston 2

Các lực tác dụng lên piston 2 :

- Áp lực của khoang dầu I : Fdp = Pmcp.Amc

- Áp lực của khoang dầu II : Fds = Pmcs.Amc (2-34)

Ns = Flxp + Pmcs.Amc - Pmcp.Amc (khi PmcsAmc < Flxp + PmpsAmc) (2-36)

Vậy phương trình chuyển động của piston 2 như sau :

N A P F A p

x

m mcs mcs = mc mc− lxs− mcp mc + (2-37)

Lưu lượng dòng dầu phanh I :

- Lưu lượng vào: Q mcp = A mc(x.mcp−x.mcs) (2-38)

- Lưu lượng ra gồm :

+ Lưu lượng tiết lưu vào đường ống từ khoang I (khoang chính): Q1 (m3/s)

+ Lưu lượng tiết lưu về bình chứa từ khoang I :

µ

ρ

1

21

ρ: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3);

μ : Hệ số cản nhớt của dầu (kgm/s);

a1: diện tích thông qua (m2)

r x

khi x

r r x r x

r

x r r arctg

r

a

r x khi x

r r x r x

r

x r r arctg

r

r

a

mcp mcp

mcp mcp

mcp

mcp mcp

mcp mcp

mcp

2

)(

)(

)(

)(

)(

)(

2 2

2 2

1

2 2

2 2

Với giả thiết pistong ở gần vị trí lỗ bù dầu nên có thể coi v.1=0

Lưu lượng dòng dầu phanh II :

- Lưu lượng ra gồm:

+ Lưu lượng tiết lưu vào đường ống từ khoang II (khoang phụ): Qmcs2 (m3/s)

+ Lưu lượng tiết lưu về bình chứa từ khoang II

r x

khi x

r r x r x

r

x r r arctg

r

a

r x khi x

r r x r x

r

x r r arctg

r

r

a

mcs mcs

mcs mcs

mcs

mcs mcs

mcs mcs

mcs

2

)(

)(

)(

)(

)(

)(

2 2

2 2

2

2 2

2 2

Với giả thiết piston ở gần vị trí lỗ bù dầu nên có thể coi v.2 =0

2.1.5.2 Mô hình mô phỏng đường ống dẫn dầu hệ thống phanh thủy lực cho 1 cầu

Hình 2-12 Sơ đồ đường ống dẫn dầu hệ thống phanh thủy lực cho 1 cầu

- Áp suất dòng phanh I :

1211

2

&

1

)2

&

11

.(

1

Q Q

Q

dt Q

k: mô đun đàn hồi của dầu phanh, coi k = 2.109 Pa

Q1: Lưu lượng dầu chảy từ khoang I xy lanh chính tới

Q2: Lưu lượng dầu chảy từ khoang II xy lanh chính tới

Q11: Lưu lượng dầu chảy vào xy lanh bánh xe bên trái

Q12: Lưu lượng dầu chảy vào xy lanh bánh xe bên phải

- Lưu lượng vào nhánh 11:

)1(

*)11

*)/1(

Qd : Lưu lượng danh nghĩa

Pd : áp suất danh nghĩa

Pxl1: áp suất trong xy lanh bên trái

- Lưu lượng vào nhánh 12:

)1(

*)21

*)/1(

xl

Trong đó:

Pxl1 : Áp suất trong xy lanh bánh xe bên trái.

Sx11 : Diện tích pistong bên trái.

μ: Hệ số cản nhớt giữa pistong và xy lanh

Sxl Pxl m

x

k x x x

Sxl Pxl

m

x

mf s

mf s

)(

.1.11

)(

.1.11

0 31

31

.

31

0 31

31

31

µµ

Trong đó:

Pxl2: Áp suất trong xy lanh bánh xe bên phải.

Sxl2: Diện tích pistong bên phải

μ : Hệ số cản nhớt giữa pistong và xy lanh

x0 : Khe hở ban đầu giữa má phanh và đĩa phanh

Sxl Pxl m

x

k x x x

Sxl Pxl m

x

mf s

mf s

)(

.2.21

)(

.2.21

0 32

32

.

32

0 32

32

32

µµ

∫

=

2.1.4.3 Mô hình mô phỏng cơ cấu phanh bánh xe

Cơ cấu phanh đĩa gồm xy lanh công tác và má phanh, đĩa phanh Trên mô hình

mô phỏng ta xét cơ cấu phanh đĩa

a Mô hình mô phỏng xy lanh công tác

Hình 2-13 Mô hình mô phỏng cơ cấu phanh đĩa

Từ mô hình trên ta lập các công thức tính toán:

- D, l2 : đường kính, chiều dài đường ống dẫn từ van điều khiển đến xy lanh công tác

trước bên trái (m)

- V_xlt: thể tích khoang xy lanh công tác (m3)

- dt, lt : đường kính, chiều dài xy lanh công tác cơ cấu phanh trước (m)

- Sxlt : diện tích làm việc của pistong, xy lanh công tác cơ cấu phanh trước (m2)

- xt: dịch chuyển của pistong, xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh xe trước bên trái (m)

- P0t : áp suất đầu dầu trong xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh trước bên trái (N/m2)

- Q1t: lưu lượng dầu chảy qua van về thùng chứa dầu hồi của cơ cấu chấp hành bánh xetrước bên trái

Phương trình xác định chuyển động của pistong, xy lanh công tác cơ cấu phanhbánh xe trước bên trái:

ms t xlt xlt

- mxlt : Khối lượng pistong, xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh xe trước (kg)

- Ft : Lực cản chuyển động do má phanh tác dụng ngược trở lại pistong (N)

- x0t : Độ dịch chuyển ban đầu của pistong, xy lanh công tác để khắc phục khe hở giữahai má phanh với đĩa phanh của cơ cấu phanh (m)

- k: Độ cứng của vật liệu làm má phanh (N/m2)

- Fms : Lực cản nhớt của dầu (N)

- μ : Hệ số cản nhớt của dầu (kgm/s)

b Mô hình mô phỏng má phanh và đĩa phanh

Mô men phanh tương ứng ở các bánh xe : Mp1 ; Mp2 được xác định:

x0 : độ dich chuyển ban đầu của piston, xy lanh công tác để khắc phụckhe hở giữa hai má phanh với đĩa phanh của cơ cấu phanh (m)

k : độ cứng của vật liệu làm má phanh (N/m2)

2.1.5 Mô hình mô phỏng bánh xe

2.1.5.1 Các chế độ làm việc của bánh xe

Khi bánh xe lăn trên mặt đường xảy ra các trường hợp: Bánh xe đàn hồi lăn trênmặt đường không bị biến dạng (đường nhựa); trên mặt đường bị biến dạng (đườngnhựa); bánh xe thép lăn trên đường bị biến dạng

Đối với xe con do điều khiện chuyển động chủ yếu là trên đường nhựa cứng chonên ta chỉ xét trong trường hợp bánh xe đàn hồi lăn trên đường không bị biến dạng

2.1.5.2 Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe ôtô

Xét trong hệ tọa độ không gian thì các bánh xe ôtô chịu tác dụng của các lực và

mô men như sau:

Hình 2-14 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe ôtô

Phản lực pháp tuyến của mặt đường, ký hiệu Fz là một hàm phụ thuộc vào tảitrọng phân bố lên bánh xe Phản lực tiếp tuyến nằm trong mặt phẳng bánh xe, ký hiệu

là Fx là một hàm phụ thuộc vào độ trượt dọc s, trượt bên a, phụ thuộc vào tải trọng Z.Phản lực ngang (lực bên), nằm trong mặt phẳng của đường và vuông góc với mặt

phẳng của bánh xe kí hiệu là Fy (hoặc Si) Quỹ đạo của của bánh xe sẽ bị lệch so vớihướng chuyển động của bánh xe một góc α , gọi là góc lệch bên của bánh xe.

2.1.5.3 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động

Khi ôtô chuyển động, bánh xe bị động chịu tác dụng của các lực: tải trọng tácdụng lên bánh xe Gbxl ; lực đẩy từ khung đặt vào tâm trục bánh xe Fx ; hợp lực các phảnlực pháp tuyến từ đường tác dụng lên bánh xe đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặtđường là Zi ; hợp các phản lực tiếp tuyến song song với mặt đường và ngược chiềuchuyển động của xe là Ff

2.1.5.4 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động

Đối với bánh xe chủ động , ngoài các lực và mô men tác dụng như bánh xe bị động nó còn chịu các lực và mô men tác dụng như: mô men xoắn chủ động Me truyền

từ bán trục tới bánh xe

Hình 2-16 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động

2.1.5.5 Mô hình tính toán lốp xe ôtô

Có nhiều phương pháp xây dựng mô hình tính toán mô phỏng lốp xe ôtô nhưng

ở luận văn này ta nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng lốp xe dựa trên các đồ thịđặc tính thực nghiệm của một loại lốp xe cụ thể được thể hiện trên các hình (2-9) ÷ (2-12), từ đó xây dựng các bảng lookup table (n-D), để tìm ra mối quan hệ giữa các lực tácdụng vào lốp xe phụ thuộc vào tải trọng Z, độ trượt dọc s, góc trượt bên α

Hình 2-18 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc F i , góc lệc bên α i và

độ trượt dọc s i

Hình 2-19 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực bên S i , tải trọng Z i và

góc lệch bên α i

Hình 2-20 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực bên S i , độ trượt s i và góc

bx

p k J

Jbx: Mô men quán tính bánh xe (N.m2)

α: góc lệch bên bánh xe là góc hợp bởi trục dọc bánh xe và véc tơ vận tốc v của bánh

xe, được tính theo sơ đồ hình

α4

α3

α2

α1

T

Hình 2-21 Mô hình tính góc lệch bên

Hình 2-22 Mối quan hệ giữa hệ trục toạ độ thân xe và hệ trục tọa độ mặt đường

Từ hình (2-13) và theo luận văn “Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng” do sinh viên Lê Ngọc Trung nghiên cứu năm 2008 tại trường đại

−

=

a

B artg V

y x

a

B artg V

y x

artg

t t

2 sin

sin

cos

2 cos

cos

sin

.

.

'

1

ε ε

−

=

a

B artg V

y x

a

B artg V

y x

artg

t t

2 sin

sin

cos

2 cos

cos

sin

.

.

'

2

ε ε

ε ε

Góc lệch bên của bánh xe thứ hai: α2 = βts – α’ 2 (2-68)

=

b

B artg V

y x

b

B artg V

y x

artg

s s

2 sin

sin

cos

2 cos

cos

sin

.

.

'

3

εε

−

=

b

B artg V

y x

b

B artg V

y x

artg

s s

2 sin

sin

cos

2 cos

cos

sin

.

.

'

4

ε ε

ε

ε

Góc lệch bên của bánh xe thứ tư: α 4 = – α’ 4 (2-72)

2.2 Mô hình mô phỏng chuyển động của ôtô khi phanh trên đường vòng trong Matlab-simulink

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng SIMULINK

Simulink là phần đồ họa định hướng sơ đồ khối dùng để mô phỏng các hệ độnglực Đối với simulink ta có thể xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống như khi ta vẽ

sơ đồ khối Simulink có một khối thư viện với nhiều chức năng khác nhau

Các nhóm thư viện trong SIMULINK

Các thư viện của Simulink nằm trong Simulink Library Browser , hình 2-22