luận vănNghiên cứu động học hệ thống lái trên xe SUV sản xuất lắp ráp tại Việt Nam

LỜI NÓI ĐẦU Vận tải đường sắt, đường sông, đường biển, đường hàng không và đường bộ đã hình thành nên một hệ thống vận tải chung của một đất nước. Vận tải ô tô là một bộ phận của hệ thống vận tải đó, nó có một vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế, xã hội và phục vụ các nhu cầu của con người. Ô tô là loại phương tiện vận tải không thể thiếu được và đã có những đóng góp to lớn cho sự phát triển của xã hội. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngành công nghiệp ô tô không ngừng phát triển, ngày càng đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của vận tải và nhu cầu của con người. Đó là các yêu cầu về độ tin cậy và an toàn trong khai thác sử dụng, tốc độ chuyển động, độ bền lâu, bảo vệ môi trường, tiện nghi sử dụng tốt, chi phí nhiên liệu thấp, giá thành hạ. Do tính thông dụng và tiện lợi của phương tiện, ngày nay ngành công nghiệp ô tô vẫn không ngừng phát triển, các nghiên cứu khoa học tiếp tục phát triển để hoàn thiện ô tô hơn nữa. Các hướng nghiên cứu ưu tiên giải quyết các vấn đề đó là: Đảm bảo an toàn trong khai thác sử dụng, bảo vệ môi trường, sự tiện nghi, và độ tin cậy trong sử dụng. Để đảm bảo an toàn trong khai thác sử dụng ô tô thì hệ thống lái có vai trò quan trọng, nó giúp cho việc điều khiển ô tô đi đúng quỹ đạo được an toàn, chuyển hướng, quay vòng xe theo ý muốn. Ngày nay nhờ vào sự phát triển của khoa học công nghệ, các nhà nghiên cứu và sản xuất đã chế tạo ra những chiếc ô tô có hệ thống lái đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Cuối tháng 4 năm 2004, Bộ công nghiệp (nay là Bộ công thương) đã hoàn thành quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ôtô trong giai đoạn 20052010, tầm nhìn 2020. Trong đó có một điều đáng chú ý là: khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư vào lĩnh vực đáp ứng các yêu cầu về tỉ lệ nội địa hoá. Riêng đối với cụm hệ thống lái hiện nay chưa có doanh nghiệp nào nội địa hoá được. Do vậy, để khuyến khích các doanh nghiệp nghiên cứu và chế tạo các chi tiết trong cụm hệ thống lái, đáp ứng chỉ tiêu nội địa hoá thì việc nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng hoạt động cụm hệ thống lái là quan trọng và cần thiết, đồng thời có thể tiến hành kiểm tra đánh giá được chất lượng hệ thống lái. Với kiến thức đã học hỏi và tìm hiểu thực tế của bản thân, dưới sự hướng dẫn tận tình của Tiến Sỹ Lê Hồng Quân cùng sự giúp đỡ và tạo mọi điều kiện của các thầy cô trong khoa công nghệ ô tô trường Đại học công nghiệp hà nội, em đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu động học hệ thống lái trên xe SUV sản xuất lắp ráp tại Việt Nam”. Nội dung của đề tài: Phần 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Tổng quan về hệ thống lái, tình hình nghiên cứu hệ thống lái trên thế giới và ở việt nam. Phần 2: Nghiên cứu động học hệ thống lái Đặt vấn đề Sơ đồ tính toán hệ thống lái Mô phỏng hoạt động hệ thống lái Nghiên cứu kiểm tra đánh giá chất lượng hệ thống lái ở Việt Nam Phần 3: Thí nghiệm hệ thống lái Thí nghiệm trên đường Hà nội, ngày tháng năm 2015

LỜI NÓI ĐẦU

Vận tải đường sắt, đường sông, đường biển, đường hàng không vàđường bộ đã hình thành nên một hệ thống vận tải chung của một đất nước.Vận tải ô tô là một bộ phận của hệ thống vận tải đó, nó có một vai trò quantrọng trong sự phát triển kinh tế, xã hội và phục vụ các nhu cầu của conngười Ô tô là loại phương tiện vận tải không thể thiếu được và đã có nhữngđóng góp to lớn cho sự phát triển của xã hội Cùng với sự phát triển của khoahọc công nghệ, ngành công nghiệp ô tô không ngừng phát triển, ngày càngđáp ứng tốt hơn các yêu cầu của vận tải và nhu cầu của con người Đó là cácyêu cầu về độ tin cậy và an toàn trong khai thác sử dụng, tốc độ chuyển động,

độ bền lâu, bảo vệ môi trường, tiện nghi sử dụng tốt, chi phí nhiên liệu thấp,giá thành hạ

Do tính thông dụng và tiện lợi của phương tiện, ngày nay ngành côngnghiệp ô tô vẫn không ngừng phát triển, các nghiên cứu khoa học tiếp tụcphát triển để hoàn thiện ô tô hơn nữa Các hướng nghiên cứu ưu tiên giảiquyết các vấn đề đó là: Đảm bảo an toàn trong khai thác sử dụng, bảo vệ môitrường, sự tiện nghi, và độ tin cậy trong sử dụng Để đảm bảo an toàn trongkhai thác sử dụng ô tô thì hệ thống lái có vai trò quan trọng, nó giúp cho việcđiều khiển ô tô đi đúng quỹ đạo được an toàn, chuyển hướng, quay vòng xetheo ý muốn Ngày nay nhờ vào sự phát triển của khoa học công nghệ, cácnhà nghiên cứu và sản xuất đã chế tạo ra những chiếc ô tô có hệ thống lái đápứng được yêu cầu đặt ra

Cuối tháng 4 năm 2004, Bộ công nghiệp (nay là Bộ công thương) đãhoàn thành quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ôtô trong giai đoạn 2005-

2010, tầm nhìn 2020 Trong đó có một điều đáng chú ý là: khuyến khích cácdoanh nghiệp đầu tư vào lĩnh vực đáp ứng các yêu cầu về tỉ lệ nội địa hoá

hoá được Do vậy, để khuyến khích các doanh nghiệp nghiên cứu và chế tạocác chi tiết trong cụm hệ thống lái, đáp ứng chỉ tiêu nội địa hoá thì việcnghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng hoạt động cụm hệ thống lái làquan trọng và cần thiết, đồng thời có thể tiến hành kiểm tra đánh giá đượcchất lượng hệ thống lái.

Với kiến thức đã học hỏi và tìm hiểu thực tế của bản thân, dưới sựhướng dẫn tận tình của Tiến Sỹ Lê Hồng Quân cùng sự giúp đỡ và tạo mọiđiều kiện của các thầy cô trong khoa công nghệ ô tô trường Đại học côngnghiệp hà nội, em

đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu động học hệ thống lái trên

xe SUV sản xuất lắp ráp tại Việt Nam”

Nội dung của đề tài:

Phần 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

- Tổng quan về hệ thống lái, tình hình nghiên cứu hệ thống lái trênthế giới và ở việt nam

Phần 2: Nghiên cứu động học hệ thống lái

- Đặt vấn đề

- Sơ đồ tính toán hệ thống lái

- Mô phỏng hoạt động hệ thống lái

- Nghiên cứu kiểm tra đánh giá chất lượng hệ thống lái ở ViệtNam

Phần 3: Thí nghiệm hệ thống lái

- Thí nghiệm trên đường

Hà nội, ngày tháng năm 2015

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI

1.1.1 Giới thiệu về hệ thống lái

Hệ thống lái là một thành phần kết cấu quan trọng của ôtô có chức năngduy trì hoặc thay đổi hướng chuyển động khi cần thiết của ôtô Trong quátrình chuyển động trên đường, hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độtrung bình và tính an toàn chuyển động của xe, đặc biệt khi xe chạy ở tốc độcao Về nguyên tắc, hệ thống lái phải đảm bảo những yêu cầu sau:

Đảm bảo cho xe quay vòng ngoặt trong thời gian ngắn, trên diện tíchnhỏ nhất có thể được;

Đảm bảo quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng, tránh trượt lêgây mòn lốp xe;

Có khả năng ngăn cản được các chấn động va đập của các bánh xe dẫnhướng lên vành tay lái;

Các bánh xe dẫn hướng có khả năng tự động xoay trở về vị trí hướngchuyển động thẳng sau khi ngừng các tác động làm đổi hướng chuyển độngcủa các bánh xe dẫn hướng, giữ cho xe chuyển động thẳng ổn định;

Có cấu tạo đơn giản, điều khiển nhẹ nhàng và thuận lợi; chăm sóc, bảodưỡng, sửa chữa dễ dàng, giá thành chi phí hạ Hệ thống lái có thể phân loại.Theo kết cấu của cơ cấu lái:

- Loại trục vít - bánh vít (với cung răng, con lăn và trục vít)

- Loại trục vít - đòn quay (với một hoặc hai ngõng quay)

- Loại trục răng - thanh răng

- Loại trục vít - đai ốc bi tuần hoàn

- Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước

- Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu sau

- Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở tất cả các cầu

Theo nguyên lý làm việc của bộ phận trợ lực lái:

- Loại trợ lực lái thủy lực

- Loại trợ lực lái khí nén (hoặc chân không)

- Loại trợ lực lái cơ khí

- Loại trợ lực lái dùng điện

1.1.2 Quay vòng thừa và quay vòng thiếu

Xét sự điều khiển của người lái xe, tại một góc quay ổn định, góc lệchbên lốp cầu sau nhỏ hơn góc lệch bên cầu trước, đó chính là hiện tượng quayvòng thiếu Dưới các điều khiển khác, góc lệch bên của lốp cầu sau lớn hơncầu trước, đó là trường hợp quay vòng thừa của ôtô Khi ta điều khiển góclệch bên của lốp cầu trước và cầu sau bằng nhau đó là vị trí trung lập Trongtrường hợp này tâm quay của ôtô là một nửa khoảng cách trục Hình 1.1 (a)quay vòng thiếu, góc lệch bên lốp cầu trước lớn hơn góc lệch bên lốp cầu sau,hình 1.1 (b) góc quay vòng thừa của xe, góc lệch bên cầu sau lớn hơn góclệch bên cầu trước

Khi x = L/2, Hình 1.2, trường hợp góc lệch bên là 5 độ và khoảng cáchtrục là 2,75 m, cho ta bán kính Ro = 15,75 m, tại 25 km/h gia tốc ngang là0,31 g Nếu góc lệch bên của loại lốp ra đi an là 2,5 độ sẽ cho Ro = 31,5 m vàgia tốc ngang là 0,3 g tại vận tốc là 35 km/h Điều kiện vệt bánh xe cầu trước

và sau trùng nhau, góc lái cầu trước bằng với góc lệch bên lốp cầu sau, ví dụ,

5 độ hoặc 2,5 độ, được quyết định bởi kiểu loại của lốp và sự điều khiển Đểđạt được góc lái này phải là tổng góc lệch bên cầu trước và sau Khi chạy ởtốc độ cao bán kính đó sẽ sinh ra vệt quay vòng của ôtô và nó liên quan đếnhướng chuyển động của cầu trước

Hình 1.1 Sơ đồ xe quay vòng(a) Quay vòng thiếu, (b) Quay vòng thừa

Hình 1.2 Sơ đồ tính toán khi góc lệch bên cầu trước và sau bằng nhauTrong đó: fo ,  fi -góc lệch bên cầu trước,  ro ,  ri -góc lệch bên cầu sau

Trong điều khiển, để tránh sự va chạm với những vật thể khác, vật tĩnh,người lái xe phải luôn nhớ rằng anh ta phải tính đến ảnh hưởng bề rộng củaphần sau xe ôtô khi quay vòng lớn hơn khoảng cách tĩnh thực giữa hai mépngoài của xe Mặc dù điều này không có thật với bánh xe cầu trước.

1.1.3 Lực trong hệ thống lái khi xe đứng yên

Lực lớn nhất trong một hệ thống lái là khi bánh xe quay ở trạng tháitĩnh, công thức gần đúng tính toán mômen ở trạng thái tĩnh khi lốp quay:

2 2

3P

W

T  (1.1)Trong đó:

Trong trường hợp xe thường xuyên hoạt động trên đường địa hình (như

xe ôtô thông dụng, ôtô nông dụng) thì ta lông của lốp thường cao hơn so vớiloại xe hay hoạt động trên đường cao tốc và khi đó mômen xuất hiện trên chốttrụ lái cũng sai khác nhau và lớn hơn 1,5 đến 1,75 lần Tính toán ứng suấttrong các cụm chi tiết của hệ thống lái cho phép ta có thể xác định được tần sốxuất hiện các hư hỏng nằm ngoài vùng giới hạn bền của vật liệu

1.1.4 Lực trong hệ thống lái khi xe chuyển động

Mômen lái lớn nhất khi xe chuyển động bằng 1/3 lần mômen ở trạngthái tĩnh Một ví dụ của đường quan hệ giữa sự thay đổi mômen giữ chuyểnđộng thẳng và lực góc thể hiện trên hình 1.3 Tải trọng lốp 5340 N (544 kg),

giả thiết áp suất lốp là 207 kN/m2, mômen tĩnh cho bởi phương trình (1.1) sẽ

là 286 Nm bằng 3,4 lần giá trị lớn nhất trong hình 1.4 Gough đã đề nghị giátrị lớn nhất trong thực tế cho mômen giữ chuyển động thẳng là 0,1W3/2/P1/2bằng 1/3,3 mômen ở trạng thái tĩnh, xem hình 1.3

1.1.5 Góc nghiêng dọc trụ đứng

Quan hệ góc nghiêng dọc trụ đứng với mô men chuyển động thẳngđược thể hiện trên hình 1.5 Có ba đường cong thể hiện mômen chuyển độngthẳng: âm 3 độ, 0 độ, dương 3 độ của góc nghiêng dọc trụ đứng Nhược điểmđường cong mômen tương ứng khi góc nghiêng dọc trụ đứng âm 3 độ là trongđiều kiện hệ số bám  thấp khả năng ổn định của bánh xe là không tốt

Góc nghiêng dọc trụ đứng bằng 0 có ưu điểm là vẫn duy trì một phần nhỏmômen tại chốt trụ đứng trước khi tới giới hạn bám Điều này dường nhưkhông tốt cho đường cong có góc nghiêng dọc trụ đứng là 3 độ, tuy nhiên, tạithời điểm gần tới giới hạn trượt của các bánh xe cầu trước sẽ làm giảm bớt tỷ

lệ tăng của mômen chốt trụ đứng và tăng gia tốc ngang (gia tốc lật) Gócnghiêng dọc trụ đứng phụ thuộc vào từng loại xe, đặc điểm lốp xe, các phầnkhác, trợ lực lái và bản chất của bơm trợ lực

1.1.6 Hiệu suất hệ thống lái

Phần lớn những hệ thống lái bánh xe cầu trước hoạt động rất tốt màkhông có vấn đề gì, bởi vì hiệu suất của chúng thấp Một vài thiết kế đầu dẫnđộng bánh xe cầu trước (FDW) với hiệu suất cao, đến năm 1965 OldsmobileToronado và Citroen SM là các mẫu xe có giới hạn hiệu suất đặc biệt từ tácđộng mômen lái, trong khi phần lớn những thiết bị đương thời có vấn đề đáng

lo ngại khi công suất ngoài của chúng tăng Trong những năm 1960 tạp chíAutocar đã tiến hành rất nhiều những cuộc kiểm tra trên thiết bị cho các xeôtô có lái cầu trước với hiệu suất cao

Nguyên nhân đầu tiên của hiện tượng này, một trong các nguyên nhângây tai nạn của nhiều ôtô có hệ thống lái 4 bánh ngày nay, đó là sự thay đổi

của góc trục truyền tại phía ngoài kết nối dạng khớp, nó sinh ra mômen quayngay trên bánh xe về chốt trụ lái

Trong hình vẽ một kiểu của trục truyền bánh xe cầu trước xem hình1.6, phía ngoài của kết nối dạng khớp quay thường xuyên không thẳng hàngvới trục quay bánh xe, bởi vì sự thay đổi chiều cao sinh ra nhiều véc tơ biếnđổi, tải trọng xe, góc của thân trục quay hoặc tác dụng của tải trọng khi xephanh Tuy nhiên có nhiều khớp thẳng đứng giữa trục truyền và trục quaybánh xe, cặp lực này sinh ra về một trục thẳng đứng tại chốt trụ quay Tuynhiên hệ thống lái khi quay cũng có khớp ngang, đấy là nguyên nhân một cặplực giống nhau sinh ra trong mặt phẳng thẳng đứng tương tự trùng với trụcbánh xe Lực tác động theo trục ngang từ góc quay bánh xe thường cân bằng

và đối xứng với cạnh còn lại của xe, các vị trí khác thì không Nếu không,chúng dễ bị mỏi bởi hệ thống treo Cặp lực sinh ra trên trục thẳng đứng thì rấtquan trọng và bằng T.tg/2, trong đó T là mô men lái và  là góc của khớptrong kết nối dạng khớp quay

Hình 1.6 Kết cấu hệ thống treo trước và hệ thống lái

1.1.7 Sự vẫy của bánh xe dẫn hướng

Một trong những đặc điểm của hệ thống lái đã được các kỹ sư nghiêncứu tỉ mỉ trong nhiều năm qua, đó là sự vẫy của bánh xe trước Nguồn gốccủa vấn đề là do khối lượng và tính mềm dẻo theo phương ngang của cácthành phần quanh trụ đứng Khi quan tâm tới dao động trong sự đổi hướngcủa xe thì khối lượng phần sau xe coi như không đáng kể, cũng như các thayđổi nhỏ của qũy đạo chuyển động của xe Khoảng cách giữa các trục bánh xe

đủ dài để có thể không tính đến các yếu tố đó Hệ thống có thể mô tả như trênhình 1.7 Chốt trụ quay đứng quay quanh điểm p, đó là điểm xác định gócnghiêng dọc trục đứng, bằng khoảng 1/6 khoảng tiếp xúc phía sau tâm bánh

xe Trong đó p là một khoảng cách nhỏ phía sau điểm giao của trụ quay đứnggiao với mặt đất

Hình 1.7 Sơ đồ dao động của hệ thống láiGiữa các chốt trụ xoay đứng này và phần khối lượng thực phía trước xetồn tại một lò xo nén Nếu các bánh xe quay về một phía và khối lượng lúcđầu bị nén sau đó được giải phóng thì sẽ xuất hiện sự lúc lắc, khối lượng vàcác bánh xe chuyển động về các hướng ngược nhau Với các xe đang chuyểnđộng, điểm p được dịch chuyển về phía gần với góc bánh xe Dịch chuyểnnày có khuynh hướng giữ cho lò xo S phía bên trái hình 1.7 ở trạng thái nén

và vì vậy tích thêm năng lượng cho hệ thống

Mặc dù đã được đưa vào sản xuất hàng loạt lần đầu tiên vào năm 1986đối với các mẫu xe của Nhật nhưng cũng không có gì đặc biệt mới đối với hệthống lái bánh xe sau Hệ thống lái bánh xe sau được sử dụng trên xe tải tự đổ

và xe nâng để tăng tính linh hoạt, trên máy bay có càng bánh trượt và trên các

xe đẩy tay ở siêu thị ý tưởng về xe ôtô có hệ thống lái phía sau đã nung nấutrong các kỹ sư thiết kế trong nhiều thập kỷ

Vào cuối những năm 60 đầu những năm 70 của thế kỷ trước người tachú ý vào khả năng đỗ xe linh hoạt của hệ thống lái bánh xe sau Các kỹ sưAudi đã cải tạo một trong 100 chiếc ôtô con đầu tiên, chuyển hầu hết hệ thốnglái cũ bằng cách thêm một hình thang lái ở các bánh sau, với một thanh liênkết cứng cho sự chuyển động chuẩn ý tưởng này được khôi phục bởi hãngMadaz vào năm 1982 ở các dòng xe tiên tiến lần đầu tiên xuất hiện tại triểnlãm ôtô Birmingham

Hình 1.8 Hệ thống lái bánh xe sau

Trong đó: 1 Giá đỡ hệ thống treo; 2 Thanh chống; 3 Thanh kéo; 4 Đệm lò xo bằng không khí; 5 - Xi lanh điều khiển lái cầu sau; 6 - Thanhchống; 7 - Càng chữ A; 8 - Thanh giằng.

-Hệ thống lái bánh sau thực tế phát triển tinh vi hơn thế rất nhiều, nó làmột phần chủ động của hệ thống treo của cầu sau, hãng Porsche Weissach sửdụng trên xe Porsche 928 kể từ khi nó được đưa vào hoạt động năm 1976 vàxuất hiện trở lại có thêm bộ điều khiển thuỷ lực năm 1985 trên xe NissanBluebird saloon và Nissan Mid-4 Couple Năm 1986 nó lần đầu tiên được lắptrên xe Honda Prelude và đã được nghiên cứu chuyên sâu bởi các nhà chế tạolớn khác

1.1.9 Hệ thống lái bánh xe sau có trợ lực bằng điện

Cuối năm 1991, hãng xe BMW đưa vào giới thiệu hệ thống lái bánhsau điều khiển máy tính được sử dụng cho xe Coupe 850i Có thể nhìn thấytrên hình 1.9, nó tương tự như hệ thống HICAS của Nissan Điều khiển láicầu sau được trợ lực thuỷ lực lên tới 1,5 lần so với cầu trước tuỳ thuộc vào tốc

độ điều khiển lái

Các phần tử thuỷ lực của hệ thống lái trên bao gồm một bình chứa, mộtbơm dầu điều khiển bởi động cơ, một bình tích áp suất, một pittông lực vàmột hệ thống ba đòn dẫn Pittông lực được đặt nằm ngang so với khung sànphụ và điều khiển các đòn nối thấp của hệ thống treo, chúng được treo bởi cácđòn ngắn nối với nhau bằng khớp nối Van điều khiển được điều khiển bởichương trình máy tính có thuật toán phụ thuộc vào các tín hiệu nhận từ đồng

hồ tốc độ xe, tốc độ mỗi bánh trước (thông qua hệ thống ABS) và một cảmbiến góc đánh lái

Hình 1.9 Ôtô lái bốn bánh trước và sauTrong đó: 1 - Cảm biến tốc độ bánh xe; 2 - Bơm ba ngả; 3 - Đồng hồbáo; 4 - Bộ điều khiển; 5 - Bơm trợ lực; 6 - Bộ xử lý; 7 - Bộ đo tốc độ; 8 -Cảm biến góc quay vành lái.

Hệ thống được sử dụng trong cầu xe Porsche Weissach, sau đó được sửdụng trên Opel/Vauxhall Omega/Carlton và dòng xe salon Senator Các hệthống treo đó được cải thiện tính ổn định trong quá trình tăng tốc bằng cáchnối các đòn hệ thống treo sau bằng các ống lót cứng không đối xứng để tạo racác lực giảm tốc (các ống lót trước của mỗi đòn hệ thống treo sau thì mềmhơn các ống lót sau vì vậy nó có thể ‘lái’ đòn treo rất nhẹ nhàng) Hệ thống láibánh sau chủ động của BMW và Nissan điều khiển các bánh xe sau sinh ralực chống lại lực ngang tạo ra khi quỹ đạo chuyển động thay đổi ở tốc độ cao

Theo hãng BMW, các phân tích ngẫu nhiên cho thấy 4% các tai nạntrên đường là do các ôtô đổi hướng chuyển động không nằm trong phạm vikiểm soát đường, ví dụ ở những chỗ đường cong đột ngột Với một hệ thốnglái thông thường thì cầu sau tham gia quá trình lái một cách bị động Sau khingười lái xe đánh lái các bánh trước thì tải trọng ngang lúc đầu xuất hiện ởcác bánh xe trước, sau đó từ từ truyền ngược lại phía sau theo chiều dọc của

xe để tác động tới các bánh xe sau làm cho các bánh xe sau quay theo Cầu

sau thông dụng được phát triển sao cho đáp ứng nhanh và êm dịu với điềukhiển lái, mặc dù trong một số trường hợp có thể gây ra trạng thái kích thích

và không ổn định ở các điều kiện chuyển tiếp nhanh, đặc biệt khi người lái xequay vành lái quá nhanh Khuynh hướng này bị hạn chế ở các xe sản xuấthàng loạt nhưng nó được áp dụng ở các xe đại tu để tăng tính chấp hành khiđiều khiển

Theo các nghiên cứu chuyên sâu và các thí nghiệm kiểm tra trênđường, BMW đã thấy rằng, tốt hơn nên thay đổi quan hệ góc đánh lái trước

và sau như là một hàm của lực ngang sinh ra hơn là cung cấp tỉ số truyền lái

cố định cân bằng (như Honda đã làm ở hệ thống truyền động Prelude) Hệthống lái sau chỉ có lợi khi lực trọng trường bên khá lớn Họ cũng chỉ ra rằngđiều khiển lái phía sau quá nhiều sẽ làm giảm khả năng điều khiển lái phíatrước, điều này làm giảm đi phản ứng đánh lái Hệ thống lái điều khiển bằngđiện vì vậy sẽ tính toán tải trọng trọng trường bên từ tốc độ xe, sự chênh lệchvận tốc các bánh xe trái và phải phía trước, góc quay vành lái và tốc độ quayvành tay lái Từ đó xác định được một khoảng thời gian trễ nằm giữa thờiđiểm đánh lái của người lái xe và phản ứng lái phía sau, vì vậy sự đáp ứngxảy ra chính xác ở cùng thời điểm khi lực đánh lái từ phía trước truyền tới cácbánh xe sau

Do tất cả các bộ phận của hệ thống lái đòi hỏi độ an toàn tới hạn vì vậyBMW đã tốn rất nhiều công sức để tạo ra độ tin cậy ở tất cả các chi tiết trong

hệ thống Ngoài hệ thống thuỷ lực với các ống nối, bộ phận điều khiển đượctrang bị các mạch vi xử lý và cơ cấu hãm cơ khí – thuỷ lực đặc biệt để khoápiston lực ở vị trí trung gian nếu có bất kỳ một vấn đề gì về thủy lực, điệnhoặc máy tính Hệ thống sau đó sẽ trở về trạng thái động học đàn hồi chuẩncủa nó và đèn cảnh báo sẽ sáng Các chíp nhớ trong máy tính sẽ lưu lại các dữ

1.1.10 Trợ lực lái

Có nhiều nguyên nhân kết hợp với nhau làm cho mômen lái khi tínhtoán lớn hơn, đó là: lốp prôfin thấp, lốp hướng kính, cầu trước chủ động và dotải trọng phân bố ở cầu trước lớn hơn Các nhà sản xuất Mỹ lần đầu tiên ápdụng trợ lực cho hệ thống lái ôtô trên dây chuyền sản xuất hàng loạt Rấtnhiều các hệ thống trợ lực trước đó đã thất bại trong trong việc giảm số lầnđánh lái tính từ hai vị trí khoá biên và cải thiện khả năng lái ở các điều kiệnkhẩn cấp Tính thuận lợi chủ yếu của bộ trợ lực lái bây giờ đã được giảiquyết, trước đây các bộ trợ lực lái giảm chỉ khoảng 2 vòng đánh lái nhưng bâygiờ giảm 2,5 đến 3 vòng đánh lái là rất phổ biến

Citroen, với model DS cho ra đời bộ trợ lực lái kết hợp với truyền độnglái kiểu bánh răng trụ – thanh răng, và mẫu này đã được sử dụng ở nhiều loại

xe khác sau đó

Trước những thành công khi dùng bộ trợ lực lái, các nhà sản xuất Mỹmuốn phát huy hết hiệu quả của nó Có thể nhận thấy rằng việc duy trì cảmgiác đánh lái là quan trọng, có thể cảm nhận được khi mômen cân bằng bắtđầu giảm cùng với sự tăng lên của gia tốc bên khi vào chỗ ngoặt là một tínhiệu hữu ích khi mà gần đạt tới giới hạn bám và vì vậy đây là một nhân tố antoàn quan trọng

Tỉ lệ trợ lực lái phụ thuộc vào mômen lái Một trong những phươngtiện để cảm nhận mômen này là một trục đường kính nhỏ (với các cữ chặn đểgiới hạn góc xoắn lớn nhất và đảm bảo sự điều khiển lái thậm chí ngay cả khibơm trợ lực lái bị hỏng) Có rất nhiều cách để sử dụng sự quay tương đối củatrục với sự hoạt động của van Một cách khác để cảm nhận mômen xoắn với

cơ cấu lái thanh răng - trục răng, vỏ trục răng chuyển động trong khoảng tự dogiới hạn của thanh răng và chống lại lò xo hồi vị Chuyển động tương đối nàyđiều khiển hoạt động của van

0 0,4 0,6 0,8 1,0 20

40 60 80 100

hệ thống lái Thường bộ trợ lực được trang bị một van trượt hoặc van xoaycho phép dầu chuyển động trên cùng một đường theo hai phía, một phía về trợlực và trên cùng đường đó hồi về bình chứa Khi có mômen đánh lái và vanchuyển động thường đóng một phía của pittông và mở phía còn lại Hình 1.10thể hiện mối quan hệ giữa sự giảm áp suất tổng cộng theo sự giảm diện tích lỗhạn chế và sự tăng diện tích tương ứng của đường mở phía đối diện Hình1.11 thể hiện hai đường cong thực tế của áp suất trợ lực theo mômen quaybánh xe đánh lái; đường đầu tiên là của ôtô thông dụng, đường thứ hai là của

5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5

10 20 30 40 50 60 70

Với những bơm trợ lực đặc biệt, mômen lớn nhất của bánh xe quayquanh trục có thể lớn hơn mô men sinh ra tại lốp xe khi một bánh xe nằmngoài lề đường Duy nhất trường hợp này phải giảm áp suất lốp khi quayvòng ứng suất trong một số phần của hệ thống lái có thể giữ nguyên khi nângcông suất của bơm trợ lực lái

Tác động trợ lực này bị ảnh hưởng bởi những xung lực được sinh ra dokích động của mặt đường khi bánh xe quay Khi đó mômen tại bánh xe dẫnhướng sẽ lớn lên để chống lại các xung lực Tác dụng trợ lực này sẽ trở nên

vô nghĩa nếu như bơm không hoạt động hoặc đường dầu bị rò rỉ Tỷ số truyềncủa hệ thống lái đảm bảo cho xe quay vòng tốt trong trường hợp không có trợlực với gia tốc xe nằm trong giới hạn cho phép

1.1.11 Bơm trợ lực lái

Vấn đề chính với bơm trợ lực điều khiển bởi động cơ là nó phải trợ lựclớn nhất khi thay đổi quỹ đạo chuyển động, khi đỗ, khi tốc độ động cơ thấp vàtrợ lực ít khi động cơ ở tốc độ cao, tỉ số tốc độ động cơ khi quay không tải(800 – 1000 vòng/phút) và khi công suất động cơ tối đa (khoảng 6000vòng/phút) là khoảng 1/6 và thậm chí trong một số trường hợp là nhỏ hơn.

Như chúng ta đã thấy, chuyển động của van điều khiển là các dịchchuyển tương đối nhỏ tương ứng với mômen đánh lái và tiết diện van Nếulưu lượng gấp 6 lần lưu lượng lúc đỗ xe (khoảng 0,15 l/s) thì có thể làm giảm

áp suất không cần thiết, tổn thất công suất và làm dầu nóng lên Để tránh điềunày thì bơm nên có một van hạn chế Đây là một dạng phát triển của một loạivan trước đó mà không đáp ứng theo áp suất cửa ra Đặc tính đáp ứng theo ápsuất cửa ra rất được mong đợi bởi vì yêu cầu phải giảm đáng kể lưu lượng quavan điều khiển khi không có trợ lực Theo các yêu cầu này có thể giảm tối đatổn thất công suất và sự tăng nhiệt độ dầu ở điều kiện hoạt động lâu Hầu hếtcác nhà chế tạo đã không nhận ra được sự cải tiến cần thiết này, vì vậy cácloại van trước đó đã không có đặc điểm như vừa nói Lưu lượng dư được hồi

về lối vào của bơm, tránh sự chảy rối và sự va chạm với dầu sạch lấy từ bìnhchứa

Tất cả loại bơm đều yêu cầu phải cung cấp áp suất, một trong nhữngnhà cung cấp lớn nhất của ngành công nghiệp ôtô Anh Quốc là Hobourn-Eaton, một trong những loại bơm của họ là loại bơm rôto (rotor-roller), đượcthiết kế dạng cân bằng áp suất với biên dạng cam gần giống dạng elip cho haichu trình trên mỗi vòng quay Một đĩa điều áp giảm sự lọt dầu qua các khecuối các răng của rôto; rôto cân bằng áp suất có thể sử dụng ổ trượt Có thể sửdụng các loại bơm bánh răng trong hoặc bánh răng ngoài và một vài loại van

áp suất thực tế sử dụng có khuynh hướng tăng từ 6,9 MN/m2 (là giá trị ở thời

Tiếng ồn là vấn đề đối với bất kỳ xe nào Căn nguyên vấn đề ồn của hệthống lái có trợ lực là tất cả các loại bơm khi được sử dụng đều gây ra tiếng

va đập do áp suất Tiếng va đập do áp suất và các tác động của nó cần đượcgiảm thiểu tối đa Bộ lọc xung là thiết bị yêu cầu đầu tiên, một ống dài đànhồi cao su và có thể co giãn được lắp từ bơm tới van điều khiển Yêu cầu thứhai đòi hỏi phải cách ly cơ cấu lái với kết cấu của xe, nên có một khớp nốimềm nằm giữa đầu vào bót lái và vành lái

Bình chứa dầu được kết hợp với bơm dầu để tránh các mối liên kếtkhông cần thiết phía bên ngoài và khả năng truyền tiếng ồn đi xa Mối liên kếtduy nhất cần thiết là đường dẫn áp suất từ bơm tới van điều khiển và một ốngdẫn về từ van tới bình chứa

1.1.12 Góc quay bánh xe dẫn hướng

Giả sử góc lệch bên của lốp được biểu thị trên hình 1.12, từ đó chúng tathấy rằng góc lái phụ thuộc vào mỗi bánh xe là khác nhau, và sự khác nhaugiữa hai bánh xe tăng lên bằng sự giảm bán kính quay - tuy nhiên bán kínhquay vòng ta tính được, dựa vào hình 1.12 Khoảng cách 2 bánh xe cầu trướcTfk, là khoảng cách giữa hai đường tâm của chốt trụ lái Nếu e là khoảng cách

từ phần tiếp xúc mặt đất và đường tâm chốt trụ quay, thì Tfk = Tf – 2e Phươngtrình quan hệ giữa góc quay và bán kính quay như sau (xem hình 1.12)

Giả thiết i góc quay bánh xe dẫn hướng trong:

2

f r ri

e R

L tg

(1.4)

T T e R

1.1.13 Sự khác nhau góc quay bánh xe dẫn hướng trong và ngoài

Sự khác nhau góc quay bánh xe dẫn hướng trong và ngoài là bởi sự phụthuộc các góc quay bánh xe dẫn hướng Thông thường ta quy ước, trục dùng 4vết đơn được thể hiện trên hình 1.13 Nếu chúng ta giả thiết rằng chúng ta biết

i và o, góc quay lớn nhất bánh xe dẫn hướng trong và ngoài, Tfk là cố định,

 - góc chụm của bánh xe dẫn hướng cầu trước

là tâm trụ quay tại một vết, cho một bán kính r và góc , từ biểu thức x =rsin và y = rcos Một vị trí mới A/ được xác định, với góc AOA/ = i , x/ =rsin(+i) và y/ = rcos(+i) Tâm của trụ quay phải tại vết O/ Độ dài vếtbánh xe Ltr = Tfk – 2x Nối A/ tới O, góc:

L r O

/ /

2 2 2 / /

O

A/ / sin 

(1.10)Góc quay bánh xe dẫn hướng ngoài:

Góc O/A/B/ = 1800 -  - , bởi vậy

 = 1800 – (900 -  +  + i) – (1800 -  - ) =  +  +  -  - i – 900 (1.11)

1.1.14 Hệ thống lái với hệ thống treo độc lập

Hệ thống treo độc lập thường được sử dụng đối với các loại xe du lịch,bao gồm 2 chạc xương đòn hoặc thanh giằng liên kết, bánh răng và thanh răngcủa bót lái bị xoắn không đều nhau tạo những góc i và 0 đạt được từ sự cânbằng và dịch chuyển đối diện của phần bên trong đường tròn bán kính r Sựthay đổi chiều dài mức đánh lái được xác định cùng với việc bỏ qua hay xemxét sự dịch chuyển của thanh răng, góc  và lực tại vị trí cuối của đường tròn

cx'

a



o i

tr

Hình 1.14 Sơ đồ tính toán các thông số hệ thống lái và hệ thống treo

Từ hình 1.14 chúng ta thấy rằng, giả thiết chúng ta bắt đầu với Ltr và a,đầu tiên chúng ta thiết lập c và tiếp theo b, từ góc quay bánh xe dẫn hướngngoài Hình 1.15 (a) cho thấy:

c = Ltrcos + x (1.12)tại x = rsin và:

y = r cos

Tại b chúng ta tiếp tục tính toán vị trí quay bánh xe dẫn hướng ngoài,hình 1.15 (b) dùng thiết lập b, thanh giằng di chuyển từ chuyển động thẳngđến quay hết bánh lái.

x/ = rsin(+i) và y/ = rcos(+i)Trong trường hợp này:

b + c = x/ +Ltrcos/ (1.13)Dấu của / thì không quan trọng, hình 1.15 (c), chúng ta biết c-b góc

vµ d// = ,

cos

) (

'

a r

Hình 1.15 Sơ đồ tính toán các thông số khi quay vành tay lái(a) Trường hợp xe đi thẳng, (b) Trường hợp đánh lái sang trái và (c)Trường hợp đánh lái sang phải

cos’’ = ''2 2'' 2

2rd

L r

d   tr

(1.15)

0 = ’’ + ’’ +  - 900 (1.16)Góc điều khiển cho hình 1.15 (b) là

900 – (+) - ’ (1.17)

Ocr

a

0,050,05

1.1.15 Mômen trên trục các đăng lái

Thông thường khi tính toán hai trục truyền mômen qua một khớp nối,bán kính hoạt động của kết nối phải xác định được góc hoạt động Trong sơ

đồ hình 1.17, trục vào là trục AA và trục ra là trục BB, mômen xoắn T Gócgiữa 2 trục là  và bán kính hoạt động của kết nối là r

Tại 2 giao điểm trên mặt phẳng vuông góc XX qua 2 trục, lực F đượctính như sau:

1.2 Tình hình nghiên cứu hệ thống lái trên thế giới

Tính đặc thù của động lực học xe hơi là bánh xe đàn hồi Bánh xe đànhồi ra đời khi Michelin thành công trong việc chế tạo cao su Năm 1845R.W.Thomson phát hiện ra bánh hơi đàn hồi nhưng không được phát triển

năm 1904, bánh lốp lắp trên xe có thể đạt được vận tốc là 170km/h Khi chiếc

xe cao tốc ra đời làm xuất hiện những mối lo âu mới trong giới chuyên môn :

Sự trượt ngang của xe ( dao động ngang ) Trong thời gian này, đã có nhiềutác giả tham gia nghiên cứu vấn đề này như E.Rumpler, B.Sternberg,F.J.Kelvin, C.Eberhardt và G.Weiss Họ đã đặt vấn đề nghiên cứu mối quan

hệ giữa ma sát - tải trọng với các cặp lốp - loại đường khác nhau, nhằm mụcđích tối ưu đặc tính động lực học Năm 1907 Lanchester đã đưa ra khái niệmquay vòng đủ, quay vòng thiếu Cũng vào thời gian đó người ta đã đưa ra sửdụng loại lốp áp suất thấp nhằm nâng cao đặc tính êm dịu Điều đó làm ảnhhưởng xấu đến tính dẫn hướng Dao động ngang của lốp xuất hiện, làm cho sựlắc ngang tăng thêm Các chuyên gia lại tìm cách hạ thấp trọng tâm, dùng hệtreo độc lập để giảm sự lắc ngang Tính đàn hồi ngang và dọc của hệ treocũng làm xấu đi tính dẫn hướng Vào những năm 1930 người ta đã tiến hànhcác thí nghiệm động lực học , đã phát hiện ra mối quan hệ giữa lực ngang F

và góc lệch bên  Khi ô tô quay vòng, hướng vận tốc không trùng với trụcdọc xe mà quay đi một góc - gọi là góc bơi Maurice Olley đã phát hiện ramối liên quan giữa góc quay bánh xe và góc lệch bên cầu trước, cầu sau Ôngcũng đã đưa ra khái niệm quay vòng thiếu Những phát hiện đó củaLanchester/ Olley vẫn giữ nguyên giá trị cho đến ngày nay Năm 1940

Riekert/ Schunck đã công bố công trình lý thuyết "động lực học xe bánh lốp",

nghiên cứu về sự quay thân xe xung quanh trục z và sự trượt bên Những côngtrình của Stronex và Riekert / Schunck là cơ sở nghiên cứu của nhóm chuyên

gia Mỹ vào năm 1956 với công trình "Nghiên cứu tính quay vòng" và ''tính ổn

định và đặc tính bánh xe đàn hồi" Từ đó nhiều tác giả đã tìm cách hoàn thiện

mô hình và phương pháp thí nghiệm, đó là Bergmann, Bundorf, Hales, Segel,Erwin, Fancher và Dugoff Những công trình nghiên cứu đến thời gian này đãđược Mitschke tập hợp trong công trình "Động lực học ô tô" Trong những

năm 1970, nghành tin học và điện tử đã phát triển mạnh mẽ cho phép nghànhđộng lực học ô tô mở rộng khả năng tiếp cận của mình Những thiết bị thínghiệm, xử lý hiện đại ra đời, cho phép nhiều nhà khoa học nghiên cứu sâu vềảnh hưởng của các góc đặt bánh xe dẫn hướng đến ổn định chuyển độngthẳng của ô tô, đến lực tác dụng của người lái lên vành tay lái khi quay vòng.Nhiều tác giả nghiên cứu hiện tượng đàn hồi ngang của lốp ảnh hưởng đếntính điều khiển lái của ô tô khi chuyển động ở tốc độ cao Các tiêu chuẩn chophép về sai lệch góc đặt và độ dơ moay ơ bánh xe dẫn hướng cũng như độ dơcủa trụ đứng đã được ban hành Đã có các thiết bị hiện đại xác định từ xa gócđặt bánh xe dẫn hướng, áp suất hơi trong lốp, v.v

1.3 Tình hình nghiên cứu hệ thống lái ở trong nước

Những kết quả nghiên cứu về động lực học ở trong nước đến nay cònhạn chế Trong các giáo trình giảng dạy ở các trường đại học chỉ đề cập sâu

vào hai lĩnh vực là Động lực học phương dọc (Phanh, tăng tốc) và Động lực

học phương thẳng đứng (Dao động ô tô) Các công trình nghiên cứu của các

tác giả trong nước đã được thực hiện cũng chỉ chủ yếu giải quyết hai lĩnh vực

trên Còn lĩnh vực thứ 3 là Động lực học phương ngang, có công trình của

PGS TS Nguyễn Khắc Trai thực hiện ở Tiệp Khắc năm 1982

Các công trình nghiên cứu trong nước về hệ thống lái cũng được thựchiện trong những năm gần đây, điển hình có công trình của TS NguyễnThanh Quang thực hiện năm 2001, công trình đã nghiên cứu về động học,động lực học hệ thống lái, tính bền của một số chi tiết điển hình của hệ thốnglái và thí nghiệm kiểm tra lực tác động trên vành tay lái Nghiên cứu hệ thốnglái cơ khí có trợ lực thuỷ lực và biến dạng thanh điều chỉnh của hệ thống lái

Ngoài ra còn có công trình của TS Lê Hồng Quân thực hiện năm 2004,với nội dung nghiên cứu đánh giá hệ thống trợ lực thuỷ lực lái sử dụng cho xe

một số phần tử cơ bản của hệ thống thuỷ lực trợ lực chế tạo tại Việt Nam.Nghiên cứu các đặc tính cường hoá thuỷ lực dẫn động điều khiển cơ cấu quayvòng xe xích do Việt Nam thiết kế, chế tạo và lắp đặt thử nghiệm.

Công trình của TS Mai Khoa thực hiện vào năm 2004, trong đó tậptrung nghiên cứu khái quát về tính điều khiển và những nhân tố ảnh hưởng tớitính điều khiển của ôtô có hệ thống lái trợ lực Xây dựng mô hình toán nghiêncứu tính điều khiển của ôtô tải có hệ thống lái trợ lực thuỷ lực

Ngoài ra còn có công trình của nghiên cứu sinh người nước ngoài thựchiện ở Việt Nam đó là So Pisey thực hiện năm 2003, trong công trình nàynghiên cứu về tiêu chuẩn kiểm tra an toàn kỹ thuật hệ thống phanh và hệthống lái phù hợp với điều kiện kinh tế, trang bị kỹ thuật, đặc điểm giao thônghiện nay ở Campuchia, nâng cao chất lượng chung của ôtô

Kết luận chương 1

1 Hệ thống lái là một hệ thống có kết cấu động học phức tạp Hệ thốnglái được phân loại dựa theo kết cấu, số bánh dẫn hướng và loại trợ lực lái

2 Mômen lớn nhất xuất hiện trong hệ thống lái là khi quay vành tay láikhi xe đứng yên tại chỗ Mômen này phụ thuộc vào hệ số ma sát giữa bánh xevới mặt đường, tải trọng phân bố lên bánh xe dẫn hướng và áp suất lốp

3 Tính toán các thông số khi xe chuyển động quay vòng như: góc quaybánh xe dẫn hướng trong i (công thức 1.2), góc quay bánh xe dẫn hướngngoài o (công thức 1.5), bán kính quay bánh xe dẫn hướng trong (công thức1.4), và bán kính quay bánh xe dẫn hướng ngoài (công thức 1.6) Sự khácnhau giữa góc quay bánh xe dẫn hướng trong và góc quay bánh xe dẫn hướngngoài là do góc chụm, khoảng cách r từ tâm vết tiếp xúc và đường tâm chốttrụ đứng

Chương 2 ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG LÁI XE SUV

2.1 Đặt vấn đề

Nội dung nghiên cứu động học hệ thống lái nhằm mục đích đánh giáchất lượng của hệ thống lái trên xe ôtô Việc nghiên cứu các thông số trênvành tay lái như mômen quay vành tay lái (Tvl), góc quay vành tay lái (0) vàvận tốc quay vành tay lái () để xem xét mối quan hệ giữa các thông số trênvành tay lái có ảnh hưởng như thế nào tới góc quay () của bánh xe dẫnhướng Đồng thời mô phỏng sự hoạt động của hệ thống lái bằng phần mềm

mô phỏng, quan sát trực quan sự hoạt động của hệ thống lái với các thông sốtrên khi đánh lái sang trái và đánh lái sang phải Cuối chương trình bày vềcông tác kiểm tra đánh giá chất lượng hệ thống lái hiện đang được thực hiện ởViệt Nam

Mối quan hệ giữa người lái xe - hệ thống lái - xe ôtô được trình bàytrên hình 2.1 Với mỗi thông số đầu vào của người lái xe xác lập một hàmmục tiêu Yr thông qua người lái xe (kỹ năng, tính năng, phong tục tậpquán, ) tác động lên hệ thống lái với các thông số kỹ thuật được xây dựngbởi nhà chế tạo (hệ thống lái cơ khí, hệ thống lái trợ lực, lái bánh xe phíatrước, lái bánh xe phía sau, ) sẽ điều khiển hướng đi của xe theo ý muốn(cũng phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của hệ thống treo: góc đặt bánh xe,kiểu lốp, ) Cuối cùng ta nhận được kết quả Y là đặc tính lái của hệ thống láitrên xe ôtô

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả mối quan hệ người - hệ thống lái - xe ôtô

Trong quan hệ trên 0-góc quay vành tay lái, -góc quay bánh xe dẫnhướng, Tvl - mômen quay vành tay lái, Ttđ - mômen trụ đứng Khi người lái xetác động lên hệ thống lái một lực thông qua hai thông số góc quay vành tay lái(0) và mômen quay vành tay lái (Tvl), hệ thống lái tác động lên xe mộtmômen (Ttđ) tại trục đứng làm bánh xe quay đi một góc ().

2.2 Sơ đồ tính toán hệ thống lái

Trên mô hình nghiên cứu, hình 2.2, ta giả thiết rằng góc quay các bánh

xe dẫn hướng của hai bên là như nhau Trong thực tế các góc quay này làkhác nhau và được quyết định bởi phương pháp dẫn động lái, góc đặt bánh xedẫn hướng và các thông số động học khác

Hình 2.2 Mô hình tính toán hệ thống láiNội dung chính của bài toán là nghiên cứu mối quan hệ của góc quayvành lái 0 và góc quay bánh xe dẫn hướng  Mối quan hệ này phụ thuộc vàokết cấu hệ thống lái, góc quay vành lái, cơ cấu lái, đòn dẫn động lái, trục đứng

Với giả thiết trên ta khảo sát tính điều khiển của ôtô trên mô hình mộtvết bánh xe, bỏ qua lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản gió bên và mômenđàn hồi bánh xe, hình 2.3.

Hình 2.3 Mô hình phẳng một vết của ôtôXây dựng các phương trình biểu thị sự chuyển động của ôtô khi bánh

xe dẫn hướng quay đi một góc , các phương trình này được gọi là phươngtrình quay vòng ôtô

a) Phép biến đổi Laplace

Phép biến đổi Laplace được ứng dụng rất có hiệu quả trong việc giảicác bài toán cơ học và trong lĩnh vực điều khiển

Nếu có một hàm f(t) có đối số theo thời gian thì ảnh Laplace của hàm

số ký hiệu là F(p) được tính theo công thức:

( )

(p f t e dt

(2.1)Trong đó:

F 2

F 1





f(t): là gốc.

Quan hệ giữa f(t) và F(p) còn viết theo ký hiệu sau:

f(t)  F(p) = Lf(t) (2.2)

* ảnh Laplace của đạo hàm hàm số f(t)

Có hàm f(t) ảnh của nó là F(p) Nếu đạo hàm cấp n của f(t) là f(n)(t) thì: Lf(n)(t) = pnF(s) - pn-1f(0) - pn-2f '(0) - - f n-1(0), (2.3)

Khi điều kiện đầu triệt tiêu, tức là:

f L

t

) ( )

* Công thức biến đổi Laplace ngược:

Nếu biết ảnh F(p) của hàm gốc f(t) thì ta tính được f(t) theo F(p) quacông thức:

(2.5)Thông thường tính hàm f(t) theo công thức trên có nhiều khó khăn Do

đó nếu biết hàm F(p) ta thường phân tích thành các phần thực đơn giản và sửdụng các phương pháp biến đổi cơ bản

Ta có một hệ thống bất kỳ với tín hiệu đầu vào là x và tín hiệu ở đầu ra

là y, như vậy ta sẽ có quan hệ: y = f(x), hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ mô tả tín hiệu hệ thống

Hệ thống

Phương trình mô tả hệ thống:

x b x b

x b x b y a y a

y a y

a o ( n ) 1 ( n1 )  n1 '  n  o ( m ) 1 ( m1 )  m1 '  m (2.6)Giả sử các điều kiện đầu triệt tiêu, biến đổi Laplace 2 vế của phươngtrình trên ta được:

) p ( X b ) p ( pX b

) p ( X p b ) p ( X p

b

) p ( Y a ) p ( pY a

) p ( Y p a ) p ( Y

p

a

m m

m m

o

n n

n n

1

1 1

1

) p ( X a p a

p a p a

b p b

p b p b ) p

(

Y

n n

n n

o

m m

m m

1

1 1

1

(2.7)

Đặt

n n

n n

o

m m

m m

o

a p a

p a p a

b p b

p b p b ) p ( W

1

1 1

1

(2.8)

Vậy ta có: Y(p) = W(p) X(p) hay

) p ( X

) p ( Y ) p (

Như vậy hệ thống của ta có thể mô tả bằng ngôn ngữ toán học như sau,hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ mô tả ngôn ngữ toán học hệ thống

ở đây W(p) được gọi là hàm truyền của hệ thống

Vậy ta có định nghĩa: "Hàm truyền của hệ thống là tỉ số của tín hiệu ravới tín hiệu vào của hệ thống đó biểu diễn theo biến đổi Laplace với điều kiệnđầu triệt tiêu"

Đặc tính tần số là quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của một khâu

ở trạng thái xác lập khi lượng vào biến đổi theo quy luật điều hoà:

x = XmsintTín hiệu ra của hệ thống có dạng:

y = Ymsin(t+)

W(p)

x b dt

dx b dt

x d b y a dt

dy a dt

y d

a o 2  1  2  o 2  1  2 (2.9 )Đối với lượng vào là x(t) và các đạo hàm của nó có thể biểu diễn bằng

t j m m

t j m m

e X ) j ( ) t sin(

X dt

) t ( x d

e X j ) t sin(

X dt

) t ( dx

e X t sin X x(t)

2 2

2 2

) (

) ( m

) ( )

2 sin(

) (

) 2 sin(

) (

) sin(

Y y(t)

t j m m

t j m

e Y j t

Y dt

t y d

e Y j t

Y dt

t dy

e Y t

(2.11)

Bây giờ thế (2.10) và (2.11)vào (2.9) ta có:

m o

) t j ( m

o ( j ) a ( j ) a Y e b ( j ) b ( j ) b X e

2 1

Y

 ) W(j là hàm truyền tần số (hàm truyền phức), thì:

2 1

2

2 1

2

a ) j ( a ) j ( a

b ) j ( b ) j ( b e X

Y ) j ( W

o

o j m

2 1 2

a p a p a

b p b p b ) p ( X

) p ( Y ) p ( W

o o m

b) Phương trình quay vòng

Trong các bài toán điều khiển của xe ôtô thường dùng hàm truyền

0



,

0





để xác định phản ứng của ôtô trước các giá trị góc quay vành tay lái

Trong đó:  - góc lệch hướng chuyển động của ôtô (rad),  - vận tốcgóc lệch thân xe (rad/s)

0 = A.sint = A.sin

T

 2

t (2.15)Trong đó: A - biên độ, T - chu kỳ,  - vận tốc góc quay vành tay lái

Trọng tâm ôtô T cách tâm trục cầu trước một đoạn là a, đặt cách tâm trục cầu sau một đoạn là b Chiều dài cơ sở l = a + b

Tại trọng tâm ôtô xuất hiện lực ly tâm là mV(.p + ) Lực này cân

bằng với các lực bên sinh ra tại bánh xe

mV(.p + ) = F1 + F2 (2.16)Trong đó: m - khối lượng xe (kg), p = j. toán tử Laplace, V - vận tốc của xe(m/s), F1; F2 - Lực bên tác dụng lên cầu trước và sau (N)

Khi thân xe quay, xuất hiện mômen quán tính xung quanh trục đi qua

trọng tâm T và có giá trị là I z  p 2, mômen này cân bằng với mômen sinh ra

do các lực bên tác dụng lên xe

Iz  p2 = F1a - F2b (2.17)

Trong đó: Iz - mômen quán tính của xe (kg.m2), a - khoảng cách từtrọng tâm đến tâm trục cầu trước (m), b - khoảng cách từ trọng tâm đến tâmtrục cầu sau (m) Lực bên F1 và F2 được tính như sau:

F1 = K1( 

-V

a.) (2.18)

F2 = K2(- +

V

b

) (2.19)Trong đó:  - góc lệch bên của lốp (rad), K1; K2 - độ cứng góc lệch bêncầu trước và sau (N/rad)

Xét quan hệ giữa lái xe và hệ thống lái, hệ thống lái với xe ta cóphương trình cân bằng mômen sau:

Ivl0p2 + Csw0p + Kt (0 - 1) = Tvl (2.20)Imt1p2 + Cm1p + Kt Kg(1 - 0) + Ttđ = 0 (2.21)Trong đó: Ivl - mômen quán tính của vành lái (kg m2), Imt - mômen quántính của trục vít (kg.m2), 0 - góc quay vành lái (rad), 1 - góc quay trục vít(rad), Csw - hệ số đàn hồi của vành lái (Nm s/rad), Cmt - hệ số đàn hồi của trụcvít (Nm s/rad), Kt - hệ số độ cứng của trục các đăng lái (Nm/rad), Kg- hệ số độcứng của trục vít, Tvl - mômen trên vành lái (Nm), Ttđ - mômen trục đứng.Mômen trục đứng được tính như sau:

Ttđ = K1( -  -

V

a.)

s

N

1 (2.22)Trong đó: Ns - tỷ số truyền của bót lái,  - bán kính quay vòng bánh xe quanhtrụ đứng (m), Fs - mômen ma sát trong hệ thống lái (Nm), góc lệch bên  đượctính như sau:

Các phương trình từ (2.16) đến (2.23) biểu thị sự chuyển động của ôtôkhi bánh xe dẫn hướng quay đi một góc  Phương trình (2.16), (2.17), (2.20)

và (2.21) được gọi là phương trình quay vòng của xe ôtô

Với việc giải được các phương trình từ (2.16) đến (2.23) ta sẽ xác địnhđược các thông số hệ thống lái, từ đó xác định được quỹ đạo chuyển động củaôtô Hiện nay ở nhà máy ôtô Cổ loa đã có thiết bị xác định được ba thông số:mômen quay vành tay lái (Tvl), góc quay vành tay lái (0) và vận tốc quayvành tay lái () (xem mục 3.2), các thông số về độ cứng và hệ số đàn hồiđược xác định qua thực nghiệm

Trong hệ thống đàn hồi, hệ số độ cứng K có thể được viết như sau:

Trong đó: F là lực tác dụng lên hệ đàn hồi, x là biến dạng của hệ đàn

hồi dưới tác dụng của lực Ta coi hệ thống lái là đàn hồi, trong trường hợp hệđàn hồi có chuyển vị quay thì lực tác động lúc này đóng vai trò là mô menquay, biến dạng chính là góc quay dưới tác dụng của mô men

Khi thực nghiệm có thể xác định được Kt và Kg bằng phương pháp sau:Nếu khoá cứng đầu dưới trục các đăng lái, đo chuyển vị góc ở vành lái

phỏng các chi tiết đó hoàn toàn thực hiện được Khi đó ta có thể xác địnhđược một cách nhanh chóng các thông số như toạ độ trọng tâm, mômen quántính, thể tích các chi tiết và biết được chính xác vật liệu (khối lượng riêng,

mô đun đàn hồi) ta có thể xác định được khối lượng thực của chi tiết và lấyđược dữ liệu cho việc tính toán kiểm tra bền bằng phương pháp phần tử hữuhạn

Các xe ôtô thông dụng đang được lắp ráp tại Việt Nam hiện nay rất đadạng về mẫu mã, kiểu loại cũng như chất lượng Các loại xe con đa năngthường dùng hai cầu chủ động kết cấu khung chịu tải, khoang chở người rộngrãi chở từ năm đến bảy người, có bốn cửa bên và một cửa sau, khoảng sánggầm xe cao thích hợp với nhiều loại đường giao thông ở Việt Nam

Luận văn đã chọn loại xe Mekong Star 95 làm xe tính toán Loại xe trên sửdụng hộp lái kiểu trục vít - ê cu bi tuần hoàn, có trợ lực thuỷ lực, dẫn hướngcầu trước, hai cầu chủ động, hình 2.6

Hình 2.6 Hình ảnh xe SUV Mekong Star 95 hai cầu chủ động