Luận văn, nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô tô

MỤC LỤCMỤC LỤC1DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT3DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ6LỜI NÓI ĐẦU9Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ111.1. Tổng quan về động lực ô tô111.2. Mục tiêu đề tài161.3. Nội dung của luận văn19Chương 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG Ô TÔ202.1. Tổng quan về động lực học ô tô202.2 Phương trình chuyển động tổng quát ô tô242.3 Mô hình động lực học phương dọc282.4 Phương trình động lực học phương dọc không trượt322.4.1 Phương trình tổng quát322.4.2 Các lực cản chuyển động342.5 Giới hạn chuyển động422.5.1. Tải trọng thẳng đứng422.5.2. Khả năng truyền lực xe một cầu chủ động432.5.3. Khả năng truyền lực bốn bánh chủ động 4WD462.6 Khả năng truyền lực khi phanh482.7 Động lực học ô tô một dãy có trượt63Chương 3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ663.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động ô tô663.2 Điều khiển động lực học673.2.1 Điều khiển động lực học dọc693.2.2 Điều khiển động lực học ngang703.2.3 Điều khiển động lực học phương thẳng đứng743.2.4 Điều khiển động lực tích hợp753.3 Hệ thống điều khiển ABSTCS783.4 Vi sai điện tử và điều khiển động lực học ô tô83KẾT LUẬN88TÀI LIỆU THAM KHẢO89

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

LỜI NÓI ĐẦU 9

Chương 1TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 11

1.1 Tổng quan về động lực ô tô 11

1.2 Mục tiêu đề tài 16

1.3 Nội dung của luận văn 19

Chương 2MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG Ô TÔ 20

2.1 Tổng quan về động lực học ô tô 20

2.2 Phương trình chuyển động tổng quát ô tô 24

2.3 Mô hình động lực học phương dọc 28

2.4 Phương trình động lực học phương dọc không trượt 32

2.4.1 Phương trình tổng quát 32

2.4.2 Các lực cản chuyển động 34

2.5 Giới hạn chuyển động 42

2.5.1 Tải trọng thẳng đứng 42

2.5.2 Khả năng truyền lực xe một cầu chủ động 43

2.5.3 Khả năng truyền lực bốn bánh chủ động 4WD 46

2.6 Khả năng truyền lực khi phanh 48

2.7 Động lực học ô tô một dãy có trượt 63

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 66

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động ô tô 66

3.2 Điều khiển động lực học 67

3.2.1 Điều khiển động lực học dọc 69

3.2.2 Điều khiển động lực học ngang 70

3.2.3 Điều khiển động lực học phương thẳng đứng 74

3.2.4 Điều khiển động lực tích hợp 75

3.3 Hệ thống điều khiển ABS/TCS 78

3.4 Vi sai điện tử và điều khiển động lực học ô tô 83

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

- ABS : Hệ thống chống hãm cứng bánh xe

- CDC : Giảm chẩn thay đổi theo tải

- ABC : Điều khiển hệ gầm tích cực

- Activer Stabilisator: Thanh ổn định tích cực

- Torque-on-demand Allradverteilung: Vi sai điện tử cho 4WD

- A m 2 : Diện tích, thiết diện

- a m  : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước

- b m  : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau

-  2

2

yA

- h m1  : Chiều cao mấp mô của đường phía trước

- h m2  : Chiều cao mấp mô của đường phía sau

- F Z1 N : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước

- F Z2 N : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau

- F Zt N : Tải trọng tĩnh của bánh xe

- F Z t1,  N : Tải trọng tĩnh bánh xe phía trước

- F Z t2,  N : Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau

- F N C  : Lực đàn hồi hệ thống treo

- F C1 N : Lực đàn hồi hệ thống treo trước

- F C2 N : Lực đàn hồi hệ thống treo sau

- F N K  : Lực cản hệ thống treo

- F K1 N : Lực cản hệ thống treo trước

- F K2 N : Lực cản hệ thống treo sau

- F CL N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe

- F CL1 N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước

- m N1  : Khối lượng được treo trước

- m N2  : Khối lượng được treo sau

- m A1 N : Khối lượng không được treo trước

- m A2 N : Khối lượng không được treo sau

-  m : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu xe

-  1 m : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước

-  2 m : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau

-  1m s/  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước

-  2m s/  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau

- m s/ 2 : Gia tốc phương thẳng đứng cầu xe

 : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau

- z z z m m s m s, ,   , / , / 2 : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng được treo

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Nguyên lý phanh 11

Hình 1.2 Động lực học bánh xe khi phanh 12

Hình 1.3 Động lực học bánh xe khi tăng tốc 12

Hình 1.4 Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt 14

Hình 1.5 Sơ đồ điều khiển ô tô 17

Hình 1.6 Quan hệ động lực học ô tô 18

Hình 2.1 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô 21

Hình 2.2 Hệ tọa độ và các thông số động lực học ô tô cơ bản 22

Hình 2.3 Mô đun động lực học trong mặt phẳng xy 23

Hình 2.4 Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải) 23

Hình 2.5 Mô đun động lực học ngang cầu xe và hệ thống treo 24

Hình 2.6 Mô hình động lực học phẳng ô tô 30

Hình 2.7 Mô hình động lực học phẳng (tách cấu) 32

Hình 2.8 Ảnh hưởng của vận tốc xe đến hệ số cản lăn 35

Hình 2.9 Ảnh hưởng của áp suất lốp đến hệ số cản lăn 36

Hình 2.10 Ảnh hưởng của phản lực đường đến hệ số cản lăn 36

Hình 2 11 Ảnh hưởng biến dạng đường đến hệ số cản lăn 36

Hình 2.12 Ảnh hưởng của nêm nước đến lực cản lăn 37

Hình 2.13 Sơ đồ xác định lực cản lăn khi góc lệch bên  do lực ngang gây ra.37 Hình 2.14 Hệ số khí động C x[-] và diện tích cảnA[ ] 39

Hình 2.15 Hệ số khí động Cw 1z [ ],  Cw 2z [ ]  39

Hình 2.16 Tương quan hệ số khói động và diện tích cản của ô tô 40

Hình 2.17 Tương quan diện tích cản và hệ số khí động của ô tô 40

Hình 2.18 Sơ đồ hệ truyền lực 41

Hình 2.19 Hệ số  phụ thuộc tỷ số truyền chung ig xe con 41

Hình 2.20 Hệ số  phụ thuộc tỷ số truyền chung ig xe tải 42

Hình 2.21 Quan hệ hệ số truyền lực (f1=fV;f2=fH) và gia tốc( / ) x g 46

Hình 2.22 Lực phanh riêng phụ thuộc gia tốc phanh 49

Hình 2.23 Hệ số khuếch cơ cấu phanh và cấp mô men phanh khác nhau 50

Hình 2.24 Đồ thị phanh 51

Hình 2.25 Đồ thị lực tiếp tuyến 53

Hình 2.26 Đồ thi lực tiếp tuyến khi tăng tốc 56

Hình 2.27 Đặc tính tăng tốc 57

Hình 2.28 Hệ truyền lực AUDI QUATTRO 59

Hình 2.29 Hệ truyền lực Mercedes-Benz 59

Hình 2.30 Đồ thị phân bố mô men phanh 60

Hình 2.31 Phân bố mô men phanh có điều hòa lực phanh 61

Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển động lực ô tô 68

Hình 3.2 Trạng thái điều khiển khi quay vòng thiếu và thừa 69

Hình 3.3 Các thông số đặc trưng đặc tính quay vòng 70

Hình 3.4 Nguyên lý lái tích cực 71

Hình 3.5 Hệ thống lái tích cực 71

Hình 3.6 Sơ đồ lái 4 bánh 4WS 72

Hình 3.7Hệ thống lái 4 bánh 72

Hình 3.8 Hệ thống lái 4 bánh 73

Hình 3.9 Hệ thống lái “Steer-by-Wire” 73

Hình 3.10 Hệ thống treo điều khiển mức (độ cao) 74

Hình 3.11 Lịch sử phát triển cơ điện tử trong ô tô 74

Hình 3.12 Điều khiển tích hợp dọc ngang 76

Hình 3.13 Hệ điều khiển tích hợp GCC 76

Hình 3.14 Quan hệ về điều khiển 77

Hình 3.15 Hệ thống điều khiển lực kéo TCS 80

Hình 3.16 Hệ thống điều khiển lực kéo TCS 81

Hình 3.17 Hệ tích hợp điều khiển ABS/TCS khi phanh 82

Hình 3.18 Cầu vi sai hạn chế trượt 83

Hình 3.19 Vi sai giữa của Hãng Volvo 85

Hình 3.20 Ly hợp đĩa nam châm điện 85

Hình 3.21 Sơ đồ điều khiển vi sai giữa 86

Hình 3.22 Sơ đồ điều khiển vi sai giữa 86

Hình 3.23 Sơ đồ cụm vi sai-truyền lực cạnh 87

Hình 3.24 Sơ đồ phân mô men 87

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khi mà ô tô đã trở thành phương tiện đi lại ngày càng phổ biến,tốc độ ô tô ngày càng tăng cao thì yêu cầu về độ an toàn cũng như sự thuận tiệnkhi điều khiển ô tô ngày càng yêu cầu phải cao hơn Khi ô tô chuyển động nó sẽchịu 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 khách quan từ ngoại cảnh…rồicác yếu tố bất ngờ tất cả sẽ ảnh hưởng rất lớn đến an toàn khi xe lưu thông Lái

xe có 3 phản ứng khi điều khiển là (i) quay vô lăng, (ii) ga hoặc (iii) phanh Phảnứng của xe có thể đặc trưng bởi vận tốc dọc, vận tốc ngang và góc quay thân xequqng trục z Ban đầu người ta giả thiết bánh xe quay không trượt thì phản ưngcủa xe là tuyến tính Trong thực tế xe phản ứng không tuyến tính vì bánh xequay có trượt

Trong khuôn khổ của đề tài, tác giả đã thiết lập mô hình động lực học một dãy Với mô hình động lực một dãy, ta cần xét hai trường hợp khi chuyển động thẳng gồm tăng tốc và phanh:

(i) Xe chuyển động không trượt: với nội dung này, ta có thể xét điều kiện cânbằng lực kéo và công suất, cơ sở thiết kế hệ truyền lực;

(ii) Xe chuyển động có trượt: Mô hình động lực học có trượt gầm với thực tế,

là cơ sở đánh giá các quá trình chuyển động sát thực tế hơn và là cơ sở lý luậncho thiết kế các hệ cơ điện tử

Khi mà số lượng ô tô lưu thông trên đường tăng cũng kéo theo các vấn đề

về tai nạn giao thông do ô tô có thể gây ra Trước nhu cầu thực tế trên, đề tài đãđược chọn là ‘Nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô tô” để hiểu

về bản chất chuyển động và cơ sở thiết kế các cụm cơ điện tử ô tô Trong thờigian làm luận văn, tác giả đã có nhiều cố gắng tích cực và chủ động học hỏi, vậndụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu các kiến thức mới Dưới sự hướng

dẫn trực tiếp của TS Dương Ngọc Khánh và các thầy trong Bộ môn ô tô và xechuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đề tài

đã được hoàn thành các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra

Mặc dù hết sức cố gắng nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên luậnvăn này khó tránh khỏi một vài sai sót, em mong nhận được sự chỉ bảo thêm củacác thầy

Hà Nội, ngày 26 11/2013 Học viên

Hoàng Ngọc Huy

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 1.1 Tổng quan về động lực ô tô

Tăng tốc và phanh là 2 quá trình truyền lực giống nhau trong chuyển độngthẳng, chỉ khác mô men cấp cho bánh xe là mô men dương Phanh là quá trìnhtính từ khi người lái phát hiện thấy có nhu cầu tăng vận tốc đến một giá trị xácđịnh theo yêu cầu của người lái Tăng tốc là các quá trình tăng ga, xảy ra thườngxuyên khi ô tô di chuyển Ngày nay hệ truyền lực ô tô còn là cơ cấutích hợp điềukhiển ổn định EPS, ACC và ô tô tự động GCC Động cơ đốt trong tạo ra mô mentại bánh đà, truyền qua hộp số, các đăng, cầu xe và đến bánh xe; tạo ra một mômen dưới dạng ma sát truyền xuống đường tạo ra phản lực làm xe chuyển động

Mô men đó có bản chất là mô men được truyền theo nguyên lý “truyền khớp-đànhồi-ma sát” Nó khác mô men phanh chỉ do hướng truyền ngược lại; nguyên lýtruyền cũng giống nguyên lý phanh như hình 1.1

Hình 1.1 Nguyên lý phanh

Hình 1.2 Động lực học bánh xe khi phanh

Hình 1.3 Động lực học bánh xe khi tăng tốc

Hình 1.3 là sơ đồ động lực học bánh xe khi tăng tốc; còn hình 1.2 là bánh

xe phanh Bản chất là giống nhau, chỉ khác chiều của mô men cấp Phương trình

mô tả chuyển động của bánh xe trong các ô tô cơ điện tử là như nhau:

Trong đó M là mô men từ động cơ, Aij M là mô men phanh.Bij

Khi phanh/tăngtốc xảy ra hai quá trình: ma sát giữa má phanh và trốngphanh(đĩa phanh) xảy ra trong cơ cấu phanh; ma sát giữa bánh xe với mặt đường

Ma sát trong cơ cấu phanh được đặc trưng bởi hệ số ma sát giữa vật liệu làmguốc phanh, má phanh với trống phanh hay đĩa phanh Ma sát giữa bánh xe vớimặt đường đặc trưng bằng hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường Ma sát giữaguốc phanh, má phanh và trống phanh làm giảm tốc độ quay của bánh xe Ma sátgiữa bánh xe và mặt đường làm giảm tốc độ chuyển động của ôtô Hệ thốngphanh có hiệu quả tốt thì phần động năng phải được tiêu tán trong cơ cấu phanhdưới dạng nhiệt; tức là cơ cấu phanh không bị bó cứng Khi tăng tốc, mô mentuyền từ động cơ qua bán trục tạo ra mô men chủ độngMAij, khác với mô menphanh về cơ chế truyền Tuy nhiên, quan hệ truyền dưới đường là như nhau:

“Truyền khớp-đàn hồi-ma sát” Trong hệ truyền lực cũng tồn tại nhiều khâu masát mà xét đến vượt ra khỏi nội dung của luận án này Chúng ta chỉ xét mô mentruyền, chủ động hoặc phanh truyền xuống đường như một khâu ma sát

(i) Quá trình ma sát trong cơ cấu đặc trưng bởi hệ số ma sát khô hoặc ướt;phụ thuộc lực ép (cường độ phanh) và nhiệt độ má phanh;

(ii) Quá trình ma sát giữa lốp và đường phức tạp hơn nhiều, phụ thuộc cấutrúc lốp và áp suất lốp với độ mấp mô tế vi của đường, đặc trưng bởi hệ số bámcực đại và hệ số bám cực tiểu, phụ thuộc động lực học bánh xe đàn hồi (phụ

thuộc phản lực đường lên bánh xe phương thẳng đứng và mô men chủ động/mômen phanh).

Khi phanh/tăng tốc, lái xe đạp phanh/ga, tạo ra mô men cho bánh xe MBij/

Aij

M Khi đó có hai thông số vận tốc là vận tốc dài và vận tộc quay; hai vận tốcnày không bằng nhau, một phần do lốp biến dạng, một phần do trượt tương đốigiữa lốp đường Trượt xảy ra khi quá trình đàn hồi kết thúc Đặc trưng cho sựtổn hao vận tốc là hệ số trượt Hình (1.2;1.3) các thông số động lực học củabánh xe khi phanh và tăng tốc; hình (1.4) là đặc tính lốp Đặc tính lốp là hàm phụthuộc giữa hệ số bám dọc, hệ số bám ngang với hệ số trượt dọc

Hình 1.4 Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng truyền lực bánh xe đàn hồi:

+ Phản lực tác dụng từ đường: mấp mô đường, đường nghiêng, gió;

+ Lực quán tính ly tâm khi tăng tốc, khi phanh, chất tải lệch trọng tâm;+ Độ bám giữa lốp và đường: mấp mô tế vi, môi chất giữa lốp và đường(nước, bụi, cát);

+ Cấu trúc của lốp: độ đàn hồi hướng kính, tiếp tuyến và ngang;

+ Động lực học bánh xe: cường độ phanh, tốc độ tăng mômen khi phanh.Điều này dẫn đến sự trượt bánh xe Người ta thường biểu diễn lực tương tácbánh xe theo hệ số bám x, y và phản lựcF : Z

FX  FZx (1.1)

F Y F Zy (1.2)Như vậy các lực tương tác khi phanh phụ thuộc hai yếu tố:

+FZ: thông số này phụ thuộc động lực học phương thẳng đứng, phụ thuộccác yếu tố như mấp mô mặt đường, đường nghiêng, gió, lực quán tính ly tâm khităng tốc, khi phanh, quay vô lăng

+ x, y: là hệ số bám (còn được gọi là hệ số truyền lực) phụ thuộc các yếu

tố như cấu trúc của lốp, bề mặt đường, vận tốc trượt dọc, trượt ngang

Ngoài ra khi phanh với xe có 4 bánh, các cặp F F F   rất khácZ, , , ,X y x y i

nhau Điều này gây mất ổn định và mất khả năng điều khiển do lực phanh haiphía khác nhau và bánh xe không có khả năng truyền lực Hệ truyền lực hiện đại

có ba vi sai, cú thể là vi sai có điều khiển nên mô men cấp cũng khác nhau, vìvậy bánh xe có thể trượt lết khi phanh

Việc xác định các quan hệ động lực học của quá trình phanh để khảo sát cácyếu tố ảnh hưởng đến khả năng truyền lực là một việc làm cần thiết theo hai gócđộ:

+ Có kỹ thuật phanh hợp lý cho lái xe;

+ Có biện pháp kết cấu nâng cao hiệu quả truyền lực bánh xe thông quaABS+TCS ;

Việc mô tả quá trình động lực học ô tô (phanh và tăng tốc) là khó khăn vìcác yếu tố của quá trình phanh là thay đổi:

+ Đường xá thay đổi dẫn đến hệ số bám thay đổi;

+ Cấu trúc xe và lốp thay đổi;

+ Phản xạ của người lái khác nhau; thời gian phản ứng khác nhau;

+ Môi trường khi phanh/tăng

Các hàm mục tiêu về khả năng truyền lực do vậy phụ thuộc nhiều yếu tố màkhi thí nghiệm trên đường không thể xác định tường minh được Vì vậy nghiêncứu quá trình đó nhằm nâng cao hiệu quả động lực bằng mô hình có ý nghĩa tolớn Những kết quả nghiên cứu bằng mô hình sẽ được hiệu chỉnh bởi các thínghiệm đơn lẻ

+ Khả năng truyền lực là một hàm đa biến chỉ có thể khảo sát sự phụthuộc bằng mô hình;

+ Khả năng truyền lực thực chất phụ thuộc vào phản lựcF và hệ số bámZ

,

x y

  Các hệ số  x, y là một hàm đa biến, trước hết phải được nghiên cứu dướidạng quy luật và sau đó tuỳ vào điều kiện cụ thể của xe và đường mà xác địnhcác trị số (tham số) để mô tả chính xác các quá trình phanh cụ thể

1.2 Mục tiêu đề tài

Xuất phát từ ý tưởng trên, luận văn hướng tới: “Nghiên cứu tổng quan về

động lực học dọc của ô tô ” Nghiên cứu động lực học ôtô là tìm ra quy 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 năng điều khiển xe của lái xe Quỹ đạo chuyển động của ô

tô được xác định bởi vận tốc, gia tốc, quỹ đạo chuyển động bởi các thông số

( , , )x y   ; đồng thời quỹ đạo chuyển động của nó được khái quát 3 trạng thái:

- Quay vòng đủ:ở trạng thái này ôtô có tính chất quay vòng lý tưởng, ởtrường hợp này bán kính quay vòng thực tế của xe bằng với bán kính quay vòngyêu cầu Xe chạy ổn định

- Quay vòng thiếu: là trạng thái mà lái xe quay vô lăng nhiều hơn để vàocua Trường hợp giới hạn xe có thể chuyển động theo phương tiếp tuyến Trongtrường hợp này xe có thể rơi vào trạng thái nguy hiểm - mất lái.

- Quay vòng thừa: ôtô có tính năng quay vòng thừa tức là bán kính quayvòng của xe nhỏ hơn bán kính yêu cầu, ở trạng thái này xe bị mất ổn định nguyhiểm

Hình 1.5 Sơ đồ điều khiển ô tô

Nhìn vào hình 1.5 chúng ta thấy lái xe có ba tác động: Ga để thay đổimômen của động cơ (MA), phanh để tạo ra mô men phanh (MB) và quay vô lăng

δ Dưới điều kiện ngoại cảnh như gió, đường nghiêng, lực quán tính, có thể làmthay đổi phản lực Fz lên các bánh xe và từ đó làm thay đổi các lực phương dọc vàphương ngang tại các bánh xe, khi đó ô tô sẽ chuyển động với vận tốc dọcx, vậntốc ngang y , vận tốc góc quay thân xe  

Trong thực tế thì MA, MB, δ không có quan hệ tuyến tính với hàm phản ứng

( , , )x y   Vì vậy việc nghiên cứu thiết lập một mô hình động lực học ô tô để xácđịnh các giới hạn nguy hiểm là điều cần thiết, chúng ta có thể thiết lập quan hệnhư hình 1.5 Các thông số ( , , )x y    là đặc trưng cho phản ứng của xe, được xácđịnh quỹ đạo chuyển động của ô tô cũng như trạng thái quay vòng của ô tô.Chính vì vậy, việc thiết lập một mô hình động lực học ô tô là cần thiết nhằm xác

định các yếu tố cấu trúc của ô tô, phản ứng của lái xe và các yếu tố ngoại cảnh làmục tiêu của nội dung nghiên cứu.

- Tốc độ ga, phanh, quay vô lăng và giá trị cực đại của MA, MB, δ

3 Cấu trúc của ô tô:

- Phân bố khối lượng (tọa độ trọng tâm);

- Kết cấu lốp (liên quan đến độ cứng dọc, độ cứng ngang, hướng kính)

Mục tiêu nghiên cứu động lực học phương dọc ô tô là:

(i) Xác định các giới hạn chuyển động của ô tô (a) với mô hìnhkhông trượt xác định điều kiện cân bằng công suất/lực kéo; giới hạnchuyển động; (b) với mô hình một dãy phẳng có trượt ta nghiên cứuchuyển động ô tô gần với thực tế hơn, thiết lập các quan hệ điều khiểnABS/TCS, vi sai điện tử

(ii) Tổng quan các hệ điều khiển ô tô.

1.3 Nội dung của luận văn

Cấu trúc của luận văn: “Nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô

tô ” có 3 phần chính như sau:

(i) Tổng quan về động lực học ô tô;

(ii) Mô hình động lực học phẳng một dãy;

(ii) Động lực học phương thẳng đứng/Vertical Dynamics

(iii) Động lực học ngang/Lateral Dynamics

Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động góc Thân xe liênkết với 4 bánh xe; động lực học bánh xe như một mô hình con Như vậy độnglực học ô tô là một mô hình tích hợp: là động lực học của một hệ cơ học nhiềuvật, liên kết đàn hồi và liên kết ma sát, liên kết khớp Động lực học của ô tô được

mô tả trong hệ cố định G(OXYZ) Nhưng để mô tả các hệ con ta phải xác lập các

hệ cục bộ B(oxyz) Giữa chúng liên hệ với nhau qua các ma trận xoay.Vềphương pháp nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học, thuận tiện nhất làtách cấu trúc theo nguyên lý hệ nhiều vật MBS Trong sơ đồ hình 2.1 là cấu trúc

hệ động lực học ô tô

(i) Mô đun chính “XY” là mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng nềnXOY, mô tả chuyển động tịnh tiến phương x, phương ngang y và chuyển độngquay thân xe; thông số đầu vào là các lực/mô mentương tác bánh xeF F M xj, ,yj zj

mà thông số ra là các đại lượng , , ; , ,x y   mx my J  z

(ii) Mô đun “mô hình lốp” xác định lực/mô men tương tác bánh xeyj

, ,

F F M Thông số đầu vào cho mô hình lốp là hệ số trượt dọc và hệ số lệch

bên bánh xe Để xác định các hệ số trượt dọc ta cần mô đun động lực học “bánhxe” với thông số ra là vận tốc góc Các thông số động học bánh xe “vận tốcdọc, vận tốc ngang x ywj,wj” được xác định qua ma trận xoay giữa hai hệ tọa độ cốđịnh và cục bộ

Hình 2.1 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô

(iii) Mô đun bánh xe “R” mô tả động lực học (quay) của bánh xe trong mặtphẳng thẳng đứng

(iv) Mô đun “Động lực học ô tô phương thẳng đứng z” nhằm xác định cácphản lựcF zj bao gồm các mô đun con: (i) mô đun dao động dọc, (ii) mô đun dao

động ngang, (iii) mô đun dao động ngang cầu xe, (iv) mô đun hệ thống treo.Trong mô đun bánh xe “lốp” có thông số vào F zj, vì vậy ta cần thiết lập mô hình

động lực học phương thẳng đứng z Trong mô đun này có mô đun động lực họcthẳng đứng thân xe dọc và ngang, cầu xe, mô đun “Hệ thống treo”.

Hình 2.2 Hệ tọa độ và các thông số động lực học ô tô cơ bản

Hình 2.2 định nghĩa hệ toạ độ xe B (Cxyz) với trọng tâm C Trục x đi qua C

là trục hướng chuyển động của ô tô; trục y đi qua C sang trái của lái xe là hướngchuyển động ngang; trục z chuyển động đi lên vuông góc với mặt xy theo quytắc bàn tay phải Ở đây ta giả thiết đường phẳng, đường mấp mô sẽ được xét ởphần sau Góc  chỉ hướng lắc ngang quang trục x và  chỉ hướng quay quanhtrục z Ba đại lượng x,y, đặc trưng cho chuyển động của ô tô Thân xe có bachuyển động tịnh tiến x,y,z và 3 chuyển động góc  (lắc ngang),  (quay đứng),lắc dọc Xét tổng quát 6 bậc tự do là rất phức tạp; chưa tính đến 6 bậc tự docủa 4 bánh xe Vì vậy ta xét động lực học trong mặt phẳng nền (XY) để thiết lậpphương trình chuyển động; các động lực khác được xét như các mô hình con.(i) Mô đun động lực học trong mặt phẳng nền “xy ”: Thông số vào là lựcgió ngang F F và mô men gió wx, wy Mwx,M ; các lực/mô men tương tác bánh xe wy

Hình 2.3 Mô đun động lực học trong mặt phẳng xy

(ii) Mô đun động lực học bánh xe và mô hình lốp: Mô đun động lực họcbánh xe có thông số vào là M F F , thông số ra là ij, ,zij xij   ; mô hình lốp có thông sốvào là F x y zij, , ,ij ij ij, thông số ra là các lực tương tác bánh xeF F M (hình xij, yij, zij2.3, trái)

(iii) Mô đun dao động lắc ngang: thông số vào M Mw ,y wx,F F ; thông số ra Cij, kij

làJ x , ; mô đun lắc dọc: thông số vàoM Mw ,y wx,F F ; thông số ra Cij, kij, , , ,

y

J  mz z z  , hình (2.4)

Hình 2.4 Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải)

Hình 2.5 Mô đun động lực học ngang cầu xe và hệ thống treo

(iv)Mô hình dao động ngang cầu xe và hệ thống treo: thông số vào hệ thốngtreo là chuyển vị và vận tốc chuyển vị cầu xe và chuyển vị, vận tốc chuyển vịđầu trên hệ thống treoz ; thông số ra của mô đun này là ij F zij,   A, ,A A, A(xemhình 2.5)

2.2 Phương trình chuyển động tổng quát ô tô

Chuyển động của ô tô được mô tả trong hệ tọa độ cố đinh G (XYZ) và hệtọa độ xe B (Cxyz) là hệ toạ độ xe (vật).Gd là véc tơ vị trí từ gốc của G đếntrọng tâm C của xe B(Cxyz), hình 2.2 Trong mặt phẳng nền XY xe có bachuyển dộng là chuyển động tịnh tiến phương x, phương ngang y và quay quanhtrục x Chuyển động của ô tô được xác định bới các lực tương tác bánh xe, vì vậyđộng học ô tô còn chịu ảnh hưởng của động lực học phương thẳng đứng Dựavào Phương trình Newton-Euler cho hệ vật rắn, ta có phương trình tổng quátchuyển động ô tô:

Phương trình chuyển động viết trong hệ vật B:

C v v v x y z

v (2.3)

Trong đó vx là thành phần tịnh tiến, vy là vận tốc ngang của xe

Véc tơ gia tốc tương ứng:

T B

C v v v x y z

v    (2.4)Véc tơ vận tốc quay thân xe:

T T

B

GωB   x y z     

(2.5) Véc tơ gia tốc tại trong tâm xe

T T

c v v v x y z

v (2.11)

T B

c v v v x y z

v    (2.12)

T B

GωB   x y z (2.13)

T B

0

z z y y z

z

F M

x z y x

z x y

z z

F

F M M

I M

2.3 Mô hình động lực học phương dọc

Khi thiết lập mô hình động lực học ta dựa vào giả thiết hai dãy bánh xe phải

và trái giống nhau và đối xứng qua trục dọc; chuyển động của ô tô là chuyểnđộng thẳng, không quay vô lăng Hai quá trình tác động trong mô hình phẳng là(i) tăng tốc và (ii) phanh Như vậy sẽ có hai quá trình là bánh xe quay khôngtrượt (i) và bánh xe quay có trượt (ii) Từ đó ta thấy rằng cần có hai mô hìnhđộng lực học dọc là:

(i) Mô hình động lực học dọc bánh xe quay không trượt.Với mô hìnhnày, ta giả thiết vận tốc dài và vận tốc góc bằng nhau cũng như phản lực từđường lên bánh xe là không đổi Với mô hình này ta sử dụng cho mục tiêu xácđịnh các lực cản cơ bản, xác định điều kiện cân bằng lực kéo, cân bằng công suất

và xác định điều kiên chuyển động (vối giả thiết không trượt)

(ii) Mô hình động lực học dọc khi bánh xe quay có trượt: Trong môhình này vận tốc dài và vận tốc góc bánh xe khác nhau, xuất hiện hai quá trình(i) bánh xe trượt lết khi phanh và (ii) bánh xe trượt quay khi tăng tốc Vì hệ sốbám thay đổi liên tục nên các trạng thái chuyển động cung thay đổi theo cácphản ứng của lái xe Mô hình động lực học dọc loại này thuộc dạng phi tuyến vìlực truyền (dọc và ngang) là phi tuyến Mục đích của nghiên cứu mô hình phituyến là nghiên cứu quy luật chuyển động gần với thực tế khi tăng tốc và khiphanh, nhất là khi các lực truyền đạt cận vật lý; mục tiêu quan trọng nữa của môhình phi tuyến là nghiên cứu cơ sở trong các bài toán điều khiển để thiết kế các

-F wx Gió là lực cản chính diện

-F F z1, z2 Phản lực đường lên các bánh xe trước, sau

-F F x1, x2 Lực tiếp tuyến bánh xe (dương khi tăng tốc và âm khi phanh)

-mx Lực quán tính phương dọc

-J y Mô men quán tính khối lượng được treo trục y

-J Ay1A1,J Ay2A2 Mô mem quan tính bánh xe trục y

-M1 M A1 M B1;M2 M A2  M B2 Mô men chủ động bánh xe (dương khi tăng tốc,âm khi phanh):M A(dương) mô men đến bánh xe từ động cơ; M B (âm)

mô men phanh

Hình 2.6 Mô hình động lực học phẳng ô tô

Như đã nêu ở trên, ta sử dụng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật MBS.Nguyên lý của tách vật là: tại bất kỳ điểm cắt nào cần tách, ta thay vào đó cácnội lực, có trị số như nhau, cùng phương và khác chiều Khi đó, nội lực trong hệtrở thành ngoại lực của vật Một vật riêng rẽ có các lực/mô men ngoại lực thực

và lực/mô men ngoại lực ảo Chuyển động trong hệ con của vật đó cũng tươngtương chuyển động trong hệ tổng thể Chuyển động ‘chất điểm” ta chỉ cầnPhương trình Newton để mô tả chuyển động (3 phương trình tịnh tiến trongkhông gian) Ngược lại, chuyển động của vật (rắn) trong không gian ta phải sửdụng thêm Phương trình (quay) Euler Như một vật rắn chuyển động trongkhông gian được mô tả theo Phương trình Newton-Euler cần có 3 phương trìnhTịnh tiến (Newton) và 3 phương trình chuyển động quay (Euler)

Dùng phương pháp tách cấu trúc với mô hình động lực học ô tô ta có 3 vật:(i) khối lượng được treo m, (ii) khối lượng không được treo trước, saum m A1, A2;ngoài ra ta có một vật nền không chuyển động (hình 2.7)

Phương trình chuyển động tịnh tiến của các vật:

Hệ phương trình (2.20) có 3 nhóm phương trình, phù hợp cho phân chia môđun điều khiển và mô phỏng Phương trình thư nhất là phương trình chuyển độngtính tiến, hai phương kế tiếp là động lực học bánh xe, 4 phương trình còn lại làđộng lực học ô tô phương thẳng đứng Hệ này là hệ phi tuyến Với hệ (2.20) ta

có thể nghiên cứu động lực học ô tô phảng theo hai trạng thái trượt và khôngtrượt

Khối lượng toàn bộ: m o  m m A1 m A2

Trọng lượng toàn bộ:F Go F GAF G1 F G2  (m m A1 m A2 )g

Giả thiết ở phương dọc các khối lượng chuyển động cùng vận tốc x, thì lựckéo cần thiết để xe chuyển động tổng quát là:

F x1 F x2 m x F o  Gosin  Fwx (2.21)Lực F F x1 , x2 là lực chủ động , thường gọi là lực kéo hoặc lực đẩy, khi phanhgọi là lực phanh Bản chất của lực F F x1 , x2là phản lực của các mômen M M1 , 2.Quan hệ tiếp xúc giữa lốp và đường là quan hệ giữa ma sát và khớp tế vi giữalốp và đường Vì vậy F X1 ,F X2 không đồng nhất với M r M1 / ,d 2 /r d

Hệ số cản lăn được định nghĩa như sau: f e r x/ d

Hệ số cản lăn là đại lượng phức tạp, phụ thuộc biến dạng của lốp Nếu hệ sốbám hai lốp như nhau, ta có:

F do khung tácđộng vào thân bánh xe làm cho tâm áp lực lốp - đường bị đẩy đi một khoảng e x

(hình 2.7) Như vậy có thể thấy lực cản lăn mức độ biến dạng động của lốp và

mô men chủ động Dựa vào hình 2.7, ta xác định lực cản lăn từ mô men cản lăn

Về bản chất, lực cản lăn là đại lượng dẫn xuất của mô men, quyết định bởikhoảng dịch chuyển e:

Do đó lực cản lăn sẽ là:

/

R R

d

M F

 là hệ số cản lăn (2.24)

Hệ số cản lăn f phụ thuộc nhiều tham số, trong đó có thể kể đến là:

- Vận tốc xe (v) như hình 2.8,

- Áp suất lốp p i như hình 2.9,

- Tải trọng theo phương thẳng đứng, hình 2.10,

- Biến dạng của đường như hình 2.11,

- Góc lệch bên bánh xe hình 2.13,

Hình 2.8 Ảnh hưởng của vận tốc xe đến hệ số cản lăn

Hình 2.9 Ảnh hưởng của áp suất lốp đến hệ số cản lăn

Hình 2.10 Ảnh hưởng của phản lực đường đến hệ số cản lăn

Hình 2 11 Ảnh hưởng biến dạng đường đến hệ số cản lăn

Hình 2.12 Ảnh hưởng của nêm nước đến lực cản lăn

Hình 2.13 Sơ đồ xác định lực cản lăn khi góc lệch bên  do lực ngang gây ra

Theo hình 2.13 ta có biểu thức xác định sự phụ thuộc của lực cản lăn vớigóc lêch bên: F R( )  F Rcos  F ysin  Ta biết rằng, lực F y phụ thuộc góc đặtbánh xe, tải trọng bên do đường nghiêng, lực quán tính ly tâm do quay vòng, gióngang Và trong điều kiện tuyến tính ,  5 0 Khi đó F y C  y ,C y độ cứng góc N/rad , do đó F R F Rcos  C y sin  và với góc bé F R( )  F R C y 2

Xét trường hợp quay vòng y 2

mv F





 , khi đó:

2 4 2 ( )

Lực cản lên dốc F q gây ra do đường dốc một góc  F q F Gosin  , khi góc

bé thì sin  tg q(%), khi đó F q F q Go Độ dốc của đường được quy định khác

nhau do các quốc gia khác nhau và điều kiện vận hành Sau đây là qmaxtham khảo:

- Đường cao tốc: qmax   4 6,5%

- Đường quốc lộ: qmax   4 12%

- Đường phố huyện: qmax   2 12%

- Lực cản bề mặt ma sát: loại lực cản này do độ nhẵn của vỏ xe, chiếmkhoảng 3 30%  , phụ thuộc chất lượng sơn

- Lực cản do dòng khí quẩn xe như qua két nước, quạt gió ,…, chiếmkhoảng 2 11% 

Chú ý rằng, với xe tải hệ số khí động khá lớn, do dạng khí động không phùhợp,C  x 0,8 Xét ảnh hưởng riêng rẽ của các thành phần này là rất khó khăn Khitính toán ta cho c A X, X theo độ thi 2.14 (xe con)

Hình 2.14 Hệ số khí động C x [-] và diện tích cản A [ ]

Hình 2.15 Hệ số khí động Cw 1z [ ],  Cw 2z [ ] Chú ý là, khi gió không chính diện, nó có thể gây ra lực cản không khíphương ngang, chiu xuống gầm xe làm cho tải trọng giữa lốp - đường thay đổi.Những yếu tố đó có thể gây mất ổn định cho xe và làm giảm khả năng truyền

lực Lực nâng của không khí được Hucho biểu diễn dưới dạng: wz 2

2

wz

v

F c A Lực nâng này có thể phân ra cho cầu trước và cầu sau bởi hệ số c wz1 ,c wz2 (xem đồ

cơ sở, c Mhệ số mômen cản không khí Trong ngành khí động ô tô, người ta biểudiễn các lực cản và mô men cản chỉ thông qua các hệ số khí động:

Hình 2.16 Tương quan hệ số khói động và diện tích cản của ô tô

Hình 2.17 Tương quan diện tích cản và hệ số khí động của ô tô

(iv) Lực cản tăng tốc