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

Trước nhu cầu thực tế trên, đề tài “Nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô tô” được nghiên cứu để hiểu về bản chất chuyển động và cơ sở thiết kế các cụm cơ điện tử điều khiển độn

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC

HỌC DỌC CỦA Ô TÔ

Tác giả luận văn: Hoàng Ngọc Huy

Người hướng dẫn: TS Dương Ngọc Khánh

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

BÁO CÁO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

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 “Nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô tô” được nghiên cứu để hiểu về bản chất chuyển động và cơ sở thiết kế các cụm cơ điện tử điều khiển động lực học ô tô nhằm tăng tính an toàn chuyển động của ô tô Nội dung cơ bản của luận văn bao gồm:

Sơ đồ điều khiển ô tô

Khi lái xe có ba tác động cơ bản: Ga để thay đổi mômen 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 làm thay đổi phản lực Fz lên các bánh xe và từ đó làm thay đổi các lực phương dọc và phương ngang tại các bánh

xe, khi đó ô tô sẽ chuyển động với vận tốc dọc, vận tốc ngang , vận tốc góc quay thân xe

1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Động lực học bánh xe khi phanh chỉ ra các thành phần lực tác dụng lên bánh xe khi phanh Còn đặc tính lốp thì chỉ ra mối quan

hệ giữa các lực tương tác với hệ số bám

Động lực học bánh xe khi phanh Đồ Thị Đặc tính lốp

Động lực học quá trình phanh

1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phanh:

+ 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

+ 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

Động lực học quá trình phanh

1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Việc xác định các quan hệ động lực học của quá trình phanh để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng truyền lực là một việc làm cần thiết để đưa ra các hướng:

 Có kỹ thuật phanh hợp lý cho lái xe;

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

Tuy nhiên việc đó gặp nhiều khó khăn như sau:

 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 tốc.

Động lực học quá trình phanh

1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Quỹ đạo chuyển động của ô tô được khái quát ở 3 trạng thái:

-Quay vòng đủ: Trong trường hợp này bán kính quay vòng thực tế của xe bằng với bán kính quay vòng yêu cầu Xe chạy ổn định

-Quay vòng thiếu: Trường hợp giới hạn xe có thể chuyển động theo phương tiếp tuyến Trong trường hợp này xe có thể rơi vào trạng thái nguy hiểm - mất lái

-Quay vòng thừa: Trong trường hợp này bán kính quay vòng của xe nhỏ hơn bán kính yêu cầu, ở trạng thái này xe bị mất

ổn định nguy hiểm.

Động lực học khi quay vòng

2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Mô hình dao động xe xác định các thành phần chuyển động theo phương thẳng đứng của xe Mô hình này gồm các mô đun: Dao động ngang, Dao động dọc, Hệ thống treo.

Mô hình dao động xe

2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Thông số vào là lực gió dọc Fwx và mô men gió Mwy; các lực liên kết tại các cầu FCj, FKj,; Thông số ra cơ bản là độ dao động thân xe, góc xoay thân xe, vận tốc dao động thân xe, vận tốc góc xoay ngang thân xe.

Mô đun dao động dọc

2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Thông số vào là lực gió ngang Fwy và mô men gió Mwx; các lực liên kết tại các cầu FCj, FKj,; Thông số ra cơ bản là góc lắc ngang thân xe, vận tốc góc lắc ngang thân xe.

Mô đun dao động ngang

MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Mô hình động lực học phương dọc

Có hai mô hình động lực học dọc cơ bản là:

Mô hình động lực học dọc bánh xe quay không trượt;

Mô hình động lực học dọc khi bánh xe quay có trượt

2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Gió luôn tạo ra lực nâng và đều làm giảm tải trọng cho các cầu

Với gia tốc dương (tăng tốc), tải trọng cầu trước giảm, cầu sau tăng; khi

phanh thì ngược lại

Lực cản lăn làm giảm tải cho cầu trước và tăng tải cho cầu sau

Khi lên dốc cầu sau được tăng tải còn cầu trước bị giảm tải

2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Khả năng truyền lực xe một cầu chủ động

Momen yêu cầu M1, M2 để cân bằng với các lực cản được viết dưới dạng:

1 2 1 2

w 2

2 w

2 2

2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Hệ số truyền lực của cầu chủ động giảm đi khi trọng tâm nằm gần cầu chủ động

Hệ số truyền lực càng giảm khi lực nâng không khí tại cầu chủ động giảm

2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Khả năng truyền lực của xe bốn

bánh chủ động 4WD

Nếu tồn tại một hệ truyền lực có

thể thay đổi được hệ số phân bố

2 4

w

sin

2 cos

x WD

2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Khả năng truyền lực khi phanh

Gia tốc chậm dần của ôtô được

tạo ra bởi các lực cản chuyển

động và mômen phanh ở các bánh

xe

Đồ thị lực phanh riêng phụ thuộc

gia tốc phanh

3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định ô tô

Các phản lực từ đường lên lốp Fz: Các phản lực đó chịu tác động của các yếu tố ngoại cảnh như mấp mô mặt đường, đường dốc đường nghiêng, các lực do gió gây ra, các lực và mô men quán tinh khi lái xe tăng tốc, phanh và quay vô lăng

Hệ số bám thay đổi và khác nhau giữa các bánh xe: Cấu trúc lốp, bề mặt đường, độ ẩm, nhiệt độ lốp đường

Các mô men chủ động và mô men phanh được cấp không hợp lý, vượt quá giới hạn bám

Tác động của lái xe thái quá, tạo ra các mô men bánh xe lớn hơn sự cần thiết và tác động đột ngột, nhất là các trạng thái nguy hiểm và đường trơn mà lái xe không kiểm soát được

Động lực học ô tô là một chỉnh thể nhất quán, không tách rời được

Khi chuyển động trên đường, xe chịu các yếu tố ngoại cảnh như gió, đường nghiêng/dốc; độ bám và chịu tác động của lái xe như mức độ ga (MA), phanh (MB)

và quay vô lăng Các yếu tố ngoại cảnh và các phản ứng của lái xe là ngẫu nhiên, khác nhau ở từng lái xe Tương tác bánh xe với đường có tính chất phi tuyến:

3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Các mô đun điều khiển được

phân như sau:

Điều khiển động lực học dọc

Mục tiêu của điều khiển động lực học dọc là điều khiển Lực kéo/ lực phanh; tối

ưu quá trình tăng tốc và phanh thông qua ABS và TCS Hệ tích hợp ABS và TCS

là điều khiển ổn định hướng ESP

Trạng thái điều khiển khi quay

vòng thiếu và thừa

Động lực học phương dọc được điều khiển

về:

Phương thức: Điều khiển hệ số trượt

Công cụ để điều khiển:

- Hệ thống phanh ABS/TCS

- Vi sai điện tử/Phân bố mô men.

3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Điều khiển động lực học ngang

Khi quay vô lăng, lái xe không xác

định chính xác góc quay bánh xe

cần thiết Vì vậy việc quay vô lăng

không đúng xe có thể chuyển động

không đúng quỹ đạo

Đặc tính quay vòng thừa hoặc

thiếu là hai hàm điều khiển cần

quan tâm, đặc trưng bởi góc lệch

bên bánh xe hoặc vận tốc và gia

tốc góc quay thân xe quanh trục

thẳng đứng Để kiểm soát việc

đảnh lái không đúng của lái xe, hệ

thống lái tích cực ra đời. Các thông số đặc trưng đặc tính quay vòng

3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Điều khiển động lực học phương thẳng đứng

 Hệ thống treo điều khiển

 Điều khiển mức

 Giảm chấn điện tử

 Thanh ổn định tích cực

3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Hệ thống treo điều khiển mức (độ cao)

Hướng phát triển an toàn động lực học

“Điều khiển động lực học ô tô là các biện pháp tự động hoá từng phần, tích hợp, mở rộng khả năng vốn bị hạn chế của lái xe”

Lịch sử phát triển cơ điện tử trong ô tô

3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Điều khiển động lực tích hợp

Sơ đồ quan hệ về điều khiển

3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

 Điều khiển hệ thống treo gồm:

 Điều khiển công lắc ngang:

 Điều khiển hệ thống phanh: Gồm hệ

thống phanh thủy lực HB; Hệ thống

phanh khí điều khiển điện tử EPB; Hệ

thống phanh Điện - thủy lực EHB; Hệ

thống phanh Điện-cơ EMB.

 Hệ thống lái: Hệ thống lái thủy lực

HL; hệ thống lái có tỷ số truyền thay

đổi ULL; Điều khiển ổn định ESP;lái

bằng dây “Steer-by-Wire”.

 Hệ thống hỗ trợ lái xe: ACC, ACC++ ,

cảnh báo đâm, tránh đâm.

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

Trong hệ điều khiển ổn định ngang

AYC có hai vi sai cầu trước và sau

được điều khiển điện tử thông qua

hai ly hợp thủy lực Vi sai giữa là vi

sai thường có tỷ lệ phân mô men cố

định 50/50

Bộ xử lý trung tâm ADC+AYC nhận

các tín hiệu từ Cảm biến vô lăng, gia

tốc dọc, gia tốc ngang, góc bướm ra;

ECU cũng nhận tín hiệu tùy chọn

4WD, khóa phanh dừng, tín hiệu từ

ABS-ECU, sau đó ADC+AYC xác

định chế độ cấp mô men cho các

bánh xe theo điều kiện ổn định Cơ

cấu chấp hành là hệ thống bơm thủy

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

Nguyên lý cơ bản của loại vi

sai này là dùng một ly hợp ma

sát nhiều đĩa, mô men được

thay đổi nhờ lực ép của đĩa ép

thông qua điều khiểu áp suất

dầu.Chức năng điều khiển do

ECU của vi sai điện tử

Vi sai giữa của hãng Volvo

3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

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

Sơ đồ hệ thống điều khiển mô

men theo yêu cầu phù hợp nhu

cầu động lực học mà ESP xác

định Cầu trước và sau được phân

theo tỷ lệ 40%/60% Cầu sau phân

chia theo tỷ lệ 10%/50%; cầu

trước cô định 20%/20% Trên thực

tế mô men cầu là 35%; 28%; 20%

và 17%.

Sơ đồ hệ thống điều khiển mô men

theo yêu cầu

3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Điều khiển động lực tích hợp

Điều khiển tích hợp dọc ngang

Hệ điều khiển tích hợp GCC

Trong ô tô, động lực học phương thẳng

đứng được điều khiển gồm:

Điều khiển hệ thống treo;

Điều khiển mức;

Điều khiển thanh ổn định;

Điều khiển giảm chấn.

Trong phương dọc, điều khiển:

ABS/TCS;

Điều hòa lực phanh;

Phân chia mô men (Vi sai điện tử).

Phương ngang điều khiển:

Lái 4 bánh 4SW;

Lái tích cực

3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Kết luận

Động lực học ô tô là một lĩnh vực quan trọng nghiên cứu bản chất chuyển động ô tô nhằm mục đích tăng tính ổn định, giảm thiểu các yếu tố nguy hiểm cho ô tô khi di chuyển Nghiên cứu động lực học ô tô cũng có nhiệm

vụ làm cơ sở cho phát triển các hệ cơ điện tử ô tô, tiến tới thiết kế ô tô thông minh.Ô tô là một hệ nhiều vật phức tạp, chứa nhiều yếu tố phi tuyến vật lý và hình học Trong đề tài này em đề cập đến 2 mô hình:

1.Ô tô chuyển động không trượt để xét quan hệ cung cầu công suất/lực kéo;

2.Ô tô chuyển động có trượt để xét quá trình động lực học chuyển động thẳng bằng mô hình một dãy phi tuyến

Trong luận văn này đã chỉ ra sự phụ thuộc của chuyển động ô tô đối với phản lực bánh xe, sự phụ thuộc của cấp mô men bánh xe (tăng tốc và phanh); chỉ ra cơ sở điều khiển ABS,TCS và vi sai điện tử Trên cơ sở tổng quan về động lực học, luận văn cũng chỉ ra nguyên lý các hệ điều khiển cơ bản trong ô tô, có thể bổ sung cho quá trình học tập và nghiên cứu

EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN !