Lập mô hình động lực học ô tô xác định giới hạn lật và trượt của xe khách đường dài

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, p

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

LỜI NÓI ĐẦU 12

Chương 1 TỔNG QUAN 14

1.2 Tổng quan về động lực ô tô 15

1.3 Mục tiêu đề tài 21

Nội dung của luận văn 24

Chương 2 LÝ THUYẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 25

2.1 Phân tích cấu trúc động lực học ô tô 25

2.2 Phương trình chuyển động tổng quát 28

2.3 Phương pháp xác định lực tương tác bánh xe 32

Chương 3 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÕNG 38

3.1 Các phương trình mặt phẳng đứng 38

3.3 Phương trình mặt phẳng cạnh 42

3.4 Các quan hệ hình học 43

3.5 Các thông số khảo sát và phương án khảo sát 44

Chương 4 KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 46

4.1 Khi xe quay vòng không phanh 46

4.2 Khi xe quay vòng và phanh 57

4.3 Khi xe quay vòng và phanh 65

KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguyên lý phanh 16

Hình 1.2 Động lực học bánh xe khi phanh 17

Hình 1.3 Động lực học bánh xe khi tăng tốc 17

Hình 1.4 Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt 19

Hình 1.5.Sơ đồ điều khiển ô tô 22

Hình 1.6 Quan hệ động lực học ô tô: j = 1,2,3,4 23

Hình 2.1 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô 26

Hình 2.2 Mô đun động lực học mặt phẳng nền&mô đun bánh xe 27

Hình 2.3 Mô đun xác định phản lực Fz 27

Hình 2.4 Mô đun dao động lắc dọc và ngang khối lượng được treo 28

Hình 2.5 Mô đun hệ thống treo và động lực học ngang cầu 28

Hình 2.5 Mô hình chuyển động ô tô 29

Hình 2.7 Định nghĩa hệ tạo độ và lực bánh xe 37

Hình 2.8 Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe theo SAE 37

Hình 2.9 Đặc tính lực Fx(s) tham số 37

Hình 2.10 Đặc tính lực bên Fy(s) tham số  37

Hình 3.1 Mô hình động lực học trong mặt phẳng chiếu đứng 38

Hình 3.2 Mô hình động lực học trong mặt phẳng chiếu bằng 41

Hình 3.2 Mô hình động lực học trong mặt phẳng chiếu cạnh 42

Hình 4.1.1 Đồ thị góc đánh lái tại bánh xe dẫn hướng 46

Hình 4.1.3 Đồ thị vận tốc dọc xe khi quay vòng 47

Hình 4.1.4 Đồ thị vận tốc ngang xe khi quay vòng 47

Hình 4.1.5 Đồ thị gia tốc ngang xe khi quay vòng 48

Hình 4.1.6 Đồ thị gia tốc dọc xe khi quay vòng 48

Hình 4.1.7 Đồ thị hiệu góc trượt bên phải 49

Hình 4.1.8 Đồ thị hiệu góc trượt bên trái 50

Hình 4.1.9 Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe 50

Hình 4.1.10 Đồ thị vận tốc và gia tốc góc xoay thân xe 51

Hình 4.1.11 Đồ thị góc hướng vận tốc thân xe 52

Hình 4.1.12 Đồ thị lực ngang và lực quán tính trước trái 53

Hình 4.1.13 Đồ thị lực ngang và lực quán tính trước phải 54

Hình 4.1.14 Đồ thị lực ngang và lực quán tính sau trái 54

Hình 4.1.15 Đồ thị lực ngang và lực quán tính sau phải 55

Hình 4.1.16 Đồ thị lực ngang và lực quán tính cầu sau 56

Hình 4.1.17 Đồ thị lực ngang và lực quán tính cầu trước 56

Hình 4.2.1 Đồ thị góc đánh lái tại bánh xe dẫn hướng 58

Hình 4.2.2 Đồ thị mô men tại bánh xe dẫn hướng 58

Hình 4.2.3 Đồ thị trọng tâm của xe khi quay vòng 59

Hình 4.2.4 Đồ thị vận tốc dọc xe khi quay vòng 60

Hình 4.2.5 Đồ thị vận tốc ngang xe khi quay vòng 60

Hình 4.2.6 Đồ thị gia tốc ngang xe khi quay vòng 61

Hình 4.2.7 Đồ thị hiệu góc trượt bên phải 62

Hình 4.2.8 Đồ thị hiệu góc trượt bên trái 62

Hình 4.2.9 Đồ thị vận tốc và gia tốc góc xoay thân xe 63

Hình 4.2.10 Đồ thị góc hướng vận tốc thân xe 64

Hình 4.3.1 Đồ thị góc đánh lái tại bánh xe dẫn hướng 65

Hình 4.3.2 Đồ thị góc đánh lái tại bánh xe dẫn hướng 66

Hình 4.3.3 Đồ thị trọng tâm của xe khi quay vòng 67

Hình 4.3.4 Đồ thị vận tốc ngang xe khi quay vòng 68

Hình 4.3.5 Đồ thị gia tốc ngang xe khi quay vòng 68

Hình 4.3.6 Đồ thị vận tốc và gia tốc góc xoay thân xe 69

Hình 4.3.7 Đồ thị hiệu góc trượt bên phải 70

Hình 4.3.8 Đồ thị hiệu góc trượt bên trái 70

Hình 4.3.9 Đồ thị góc hướng vận tốc thân xe 71

Hình 4.3.10 Đồ thị lực ngang và lực quán tính trước trái 72

Hình 4.3.11 Đồ thị lực ngang và lực quán tính trước phải 72

Hình 4.3.12 Đồ thị lực ngang và lực quán tính sau trái 73

Hình 4.3.13 Đồ thị lực ngang và lực quán tính sau phải 73

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

C N m : Độ cứng hướng kính lốp sau dãy phải

- C L L2N m/  : Độ cứng hướng kính lốp sau dãy trái

- C N m /  : Độ cứng hệ thống treo

- C N m1 /  : Độ cứng treo trước

- C2N m/  : Độ cứng treo sau

- C1RN m/  : Độ cứng treo trước dãy phải

- C1LN m/  : Độ cứng treo trước dãy trái

- C RN m/  : Độ cứng treo sau dãy phải

- C2LN m/  : Độ cứng treo sau dãy trái

- K Ns m /  : Hệ số cản hệ thống treo

- K Ns m1 /  : Hệ số cản hệ thống treo trước

- K2Ns m/  : Hệ số cản hệ thống treo sau

- K1RNs m/  : Hệ số cản hệ thống treo trước dãy phải

- K1LNs m/  : Hệ số cản hệ thống treo trước dãy trái

- K2RNs m/  : Hệ số cản hệ thống treo sau dãy phải

- K2LNs m/  : Hệ số cản hệ thống treo sau dãy trái

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

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

J kgm : Mômen quán tính trục y của lốp sau dãy trái

- h m  : Chiều cao mấp mô của đường

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

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

- F Z N : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe

- 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 Z2,t N : Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau

- F Zd N : Tải trọng động bánh xe

- F Z d1,  N : Tải trọng động bánh xe phía trước

- F Z2,d N : Tải trọng động bánh xe phía sau

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

- F CL2 N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau

F N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau dãy trái

- M kg  : Khối lượng toàn xe

- m kg  : Khối lượng được treo

- m kg1  : Khối lượng được treo trước

- m kg2  : Khối lượng được treo sau

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

- m A2 kg : 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

- m s/  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe

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

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

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

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

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

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

lượng được treo

-  2

1 , , 1 1 , / , /

lượng được treo trước

2 , 2 , 2 , / , /

lượng được treo sau

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 tiện khi điều khiển ô tô ngày càng yêu cầu phải cao hơn 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 khách quan từ ngoại cảnh như chất lượng mặt đường khác nhau, gió và các yếu tố bất ngờ tất cả sẽ ảnh hưởng rất lớn đến an toàn khi xe lưu thông Có hai quá trình cần xem xét là sự trượt và lật của ô tô, trong đó trượt ngang và lật ngang là 2 quá trình đặc trưng Trượt/ lật ngang là quá trình giới hạn vật lý của động lực học ô tô Do vậy viêc nghiên cứu về động lực học của ô tô là rất cần thiết, để từ đó có thể xác định các giới hạn trượt và lật Trượt và lật là 2 quá trình độc lập kế tiếp nhau nhưng đều do cùng nguyên nhân Vì vậy phải thành lập 2 mô hình: (i)

mô hình trượt; thực chất là mô hình động lực quay vòng, (ii) mô hình động lực học lật

Yếu tố gây trượt và lật là (i) gió ngang, đường nghiêng; (ii) lực quán tính

ly tâm do quay vô lăng, phanh và tăng tốc Yếu tố ảnh hưởng đến trượt và lật

là hệ sô bám và tốc độ quay vô lăng, tốc độ đạp phanh/ga

Trong khuôn khổ của luận văn Thạc sỹ, vấn đề “Lập mô hình động lực học ô tô xác định giới hạn lật và trượt của xe khách đường dài” được khảo sát

nhằm xét ảnh hưởng của nó đến độ an toàn chuyển động là cần thiết

Trong thời gian làm luận văn, tác giả đã có nhiều cố gắng tích cực và chủ động học hỏi, vận dụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu các kiến thức mới Dưới sự hướng dẫn trực tiếp Ts Lê Hồng Quân, PGS-TS Võ Văn Hường

và các thầy trong Bộ môn ô tô và xe chuyên 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 luận văn này khó tránh khỏi một vài sai sót, em mong nhận được sự chỉ bảo thêm

Hà Nội, ngày 26 / 9 /2013

Vũ Anh Tuấn

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Sự trượt và lật của ô tô

Khi ô tô chuyển động trên đường, nó chịu sự điêuì khiển của lái xe với 3 thao tác là quay vô lăng, đạp chân ga để tăng tốc hoặc đạp chân phanh để phanh xe hoặc tíc hợp tác thao tác phanh và quay vô lăng, tăng tốc và quay vòng Với các tác động đó của lái xe, sẽ xuất hiện các gia tốc ngang và gia tốc dọc cũng như gia tốc góc trục đứng, làm thay đổi phản lực từ đường lên bánh xe phương thẳng đứng Chuyển động của ô tô phụ thuộc các lực và mô men tương tác bánh xe F xj,F Myj, zj.Các lực tương tác này có bản chất truyền lực theo nguyên lý “khớp-đàn hồi-ma sát” Ô tô có thể trượt ngang hoặc trượt dọc Trong khuôn khổ luận án này, tác tác giả nghiên cứu vấn đề trượt và lật ngang Ở phương ngang có hai quá trình là (i) trượt và (ii) lật Hai quá trình này là độc lập nhưng cùng chịu một ngoại lực là lực quán tính ly tâm, gió ngang và đường nghiên Quá trình trượt xẩy ra trước khi ngoại lực ngang lớn hơn lực bám ngang Có 3 trạng thái có thể xảy ra:

(i) Cầu trước trượt: tùy vào mức độ trượt, xe bắt dầu quay vòng thiếu ít cho đến khi trượt nhiêu, xe không có khả năng vào cua, chuyển động theo phương quán tính (tiếp tuyển)

(ii) Cầu sau trượt: khi cầu sau trượt, xe bắt đầu quay vòng thừa,

trượt lết là di chuyển tương đối trên bề mặt lốp đường Quá trình trượt lết phụ thuộc hệ số bám ngang

Quá trình lật là quá trính sau trượt Quá trình lật sẽ xẩy ra khi không có khả năng trượt Điều xấy ra khi có “sự bám ngang” tăng đột ngột Có nghĩa là,

có ảnh hưởng lớn đến sự trượt là lật của xe

(ii) Sự trượt của xe bị giới hạn bởi lực bám ngang Lực bám ngang phụ

thuộc phản lực F z và hệ số bám ngang ymax Sự trượt của ô tô có thể được xét qua đặc tính quay vòng: quay vòng thiếu, quay vòng đủ, quay vòng thừa

(iii) Quá trình trượt xẩy ra trước, làm thay đổi quỹ đạo chuyển động Lật

chỉ xẩy ra khi có khả năng bám ngang đủ lớn Nếu còn trượt thì không lật.Các kết luận này là rất quan trọng, làm nền tảng cho thiết lập mô hình nghiên cứu trượt và lật Từ kết luận đó, ta thấy hai mô hình trượt và lật là tương đối độc lập với nhau

Từ kết luận ở (iii) ta thấy mô hình nghiên cứu về trượt là mô hình động lực học ô tô Kết quả (đầu ra) của mô hình động lực học là thông số đầu vào của mô hình động lực học ngang nghiên cứu hiện tượng lật

1.2 Tổng quan về động lực ô tô

Mô hình động lực học ô tô là mô hình có thể mô tả 3 quá trình quay vô lăng, tăng tốc và phanh ô tô

Tăng tốc là một quá trình truyền lực giống quá trình phanh ôtô, chỉ khác mô men cấp cho bánh xe là mô men dương, là quá trình tính từ khi người lái phát hiện thấy có nhu cầu tăng vận tốc đến một giá trị xác định theo yêu cầu của người lái Ngày nay hệ truyền lực ô tô còn là cơ cấu tích hợp điều khiển ổn định EPS, ACC và ô tô tự động GCC.Động cơ đốt trong tạo ra mô men tại bánh đà, truyền qua hộp số, các đăng, cầu xe và đến bánh xe; tạo ra một mô men 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-đàn hồi-ma sát” Nó khác mô men phanh chỉ do hướng truyền ngược lại; nguyên lý truyền 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 đóMAij là mô men từ động cơ, MBij là mô men phanh

Khi phanh/tăng tốc xảy ra hai quá trình: ma sát giữa má phanh và trống phanh (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 làm guốc phanh, má phanh với trống phanh hay đĩa phanh Ma sát giữa bánh xe với mặt đường đặc trưng bằng hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường Ma sát giữa guốc phanh, má phanh và trống phanh làm giảm tốc độ quay của bánh xe Ma sát giữa bánh xe và mặt đường làm giảm tốc độ chuyển động của ôtô Hệ thống phanh có hiệu quả tốt thì phầnđộng năng phải được tiêu tán trong cơ cấu phanh dưới dạng nhiệt; tức là cơ cấu phanh không bị bó cứng.Khi tăng tốc, mô men tuyền từ động cơ qua bán trục tạo ra mô men chủ độngMAij, khác với mô men phanh 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 ma sát mà xét đến vượt ra khỏi nội dung của luận án này Chúng ta chỉ xét mô men truyền, 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 cấu trúc lốp và áp suất lốp với độ mấp mô tế vi của đường, đặc trưng bởi hệ số bám cực 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/mô men phanh)

Bản chất truyền lực giữa bánh xe và đường là ’’ truyền khớp-truyền đàn hồi đàn hồi-truyền ma sát’’

Khi phanh/tăng tốc, lái xe đạp phanh/ga, tạo ra mô men cho bánh xe MBij/MAij Khi đó có hai thông số vận tốc là vận tốc dài và vận tộc quay; hai vận tốc này không bằng nhau, một phần do lốp biến dạng, một phần do trượt tương đối giữa lốp đường.Trượt xẩy ra khi quá trình đàn hồi kết thúc.Đặc trưng cho sự tổn hao vận tốc là hệ số trượt Hình (1.2;1.3) các thông số động lực học của bánh xe khi phanh và tăng tốc; hình (1.4) là đặc tính lốp Đặc tính lốp là hàm phụ thuộc 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 tác bánh xe theo hệ số bám x, y và phản lựcF Z:

+FZ: thông số này phụ thuộc động lực học phương thẳng đứng, phụ thuộc các yếu tố như mấp mô mặt đường, đường nghiêng, gió, lực quán tính

ly tâm khi tăng 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  Z, X, y, ,x y

i

khác nhau Điều này gây mất ổn định và mất khả năng điều khiển do lực phanh hai phía khác nhau và bánh xe không có khả năng truyền lực.Hệ truyền lực hiện đại có ba vi sai, có thể là vi sai có điều khiển nhờ mô men cấp cũng khác nhau, vì vậy bánh xe có thể trượt lết khi phanh

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 theo hai góc độ:

+ 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 ;

Việc mô tả quá trình động lực học ô tô (phanh và tăng tốc) là khó khăn

vì các 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 mà khi thí nghiệm trên đường không thể xác định tường minh được

Vì vậy nghiên cứu quá trình đó nhằm nâng cao hiệu quả động lực bằng

mô hình có ý nghĩa to lớn Những kết quả nghiên cứu bằng mô hình sẽ được hiệu chỉnh bởi các thí nghiệm đơn lẻ

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

+ Khả năng truyền lực thùc chÊt phô thuéc vµo ph¶n lùcFZvµ hÖ sè b¸m x, y Các hệ số  x, y là một hàm đa biến, trước hết phải được nghiên cứu dưới dạng quy luật và sau đó tuỳ vào điều kiện cụ thể của xe và đường mà xác định các trị số (tham số) để mô tả chính xác các quá trình phanh cụ thể

- Quay vòng đủ: ở trạng thái này ôtô có tính chất quay vòng lý tưởng, ở 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: là trạng thái mà lái xe quay vô lăng nhiều hơn để vào cua 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: ôtô có tính năng quay vòng thừa tức là bán kính quay vòng của xe nhỏ hơn bán kính yêu cầu, ở trạng thái này xe bị mất ổn định

nguy hiểm

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 đổi mômen của động cơ (MA), phanh để tạo ra mô mem 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

dọcx, vận tốc 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 xác định các giới hạn nguy hiểm là điều cần thiết, chúng ta có thể thiết lập quan hệ như hình 1.9 Các thông số ( , , )x y là đặc trưng cho phản ứng của xe , được xác định 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 là mục 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)

Nội dung của luận văn

Cấu trúc của luận văn :” Lập mô hình động lực học ô tô xác định giới hạn lật và trượt của xe khách đường dài” có 3 phần chính như sau:

(i) Tổng quan về trượt và lật học ô tô;

(ii) Lý thuyết lập mô hình động lực học;

(iii)Lập mô hình hai dãy phi tuyến

(iv) Khảo sát động lực học trượt và lật ô tô với 3 phương án sau:

(a) Quay vòng với vận tốc không đổi;

(b) Phanh và quay vòng;

(c) Quay vòng và phanh

(i) Động lực học dọc/Longitudinal Dynamics

(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 liên kết với 4 bánh xe; động lực học bánh xe như một mô hình con Như vậy động lực học ô tô là một mô hình tích hợp: là động lực học của một hệ cơ học nhiều vật, 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 Về phương pháp nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học, thuận tiện nhất là tách 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 nền XOY, mô tả chuyển động tịnh tiến phương x, phương ngang y và chuyển động quay 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 lượngx y, , ; mx my J, , z

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

“vận tốc dọc, vận tốc ngang xwj,ywj” được xác định qua ma trận xoay giữa hai

hệ tọa độ cố định 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 mặt phẳng thẳng đứng

(iv) Mô đun “Động lực học ô tô phương thẳng đứng z” nhằm xác định các phản 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 học thẳng đứng thân xe dọc và ngang, cầu xe, mô đun “Hệ thống treo”

Hình 2.3 Mô đun xác định phản lực Fz Hình 2.2 Mô đun động lực học mặt phẳng nền&mô đun bánh xe

Hình 2.4 Mô đun dao động lắc dọc và ngang khối lượng được treo

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

2.2 Phương trình chuyển động tổng quát

Các thông số của mô hình được biểu diễn trong hình 2.2:

G (XYZ) là hệ toạ độ cố định;

B (Cxyz) là hệ toạ độ xe (vật)

Gd: là véc tơ vị trí từ gốc của G đến trọng tâm C của xe B(Cxyz)

Hình 2.5 Mô hình chuyển động ô tô

Phương trình chuyển động viết trong hệ vật B:

Véc tơ gia tốc tương ứng:

T T

B

GB    x y z      (2.6)

Ma trận quán tính chính:

1 2 3

v   v v v   (2.11)

T B

v   v v v   (2.12)

T B

GB      x y z  (2.13)

T B

Phương trình Euler mô tả chuyển động góc:

Từ phương trình tổng quát (2.16, 2.18), ta có thể suy ra phương trình

chuyển động của mô hình động lực học ô tô không dao động phương z và

không lắc dọc, ngang vì:

0 0

Nên ta thế chúng vào phương trình (2.16, 2.18) và rut ra phương trình

chuyển động như sau:

3

0 0 0

x z y x

z

x y

z z

Hệ phương trình (2.19) là phương trình động lực học chuyển động ô tô

trong mặt phẳng nền xoy: chưa tính đến động lực học phương thẳng đứng z

Dựa vào (2.19) ta lập phương trình chuyển động cho xe con, theo hình (2.3)

có phân tử hữu hạn FEM Phương pháp này phức tạp mà không phù hợp cho nghiên cứu động lực học ô tô Phương pháp thứ hai là thí nghiệm xác định các thuộc tính của lốp, trên đường hoặc trên bệ thử sau đó dùng phương pháp nội suy để xác định tương quan Phương pháp này đòi hỏi thời gian tính lớn và cũng ít phù hợp cho nghiên cứu động lực học ô tô Phương pháp thứ ba là dựa vào các đặc tính của lốp đưa ra các hàm toán học mô tả các thuộc tính vật lý

và xác định các giá trị đặt biệt qua thực nghiệm để tăng cao độ chính xác của

mô hình Phương pháp này đã thể hiện tính mền dẻo và hữu hiệu khi nghiên cứu đông lực học ô tô Có hai phạm trù cần phải quan tâm nghiên cứu:

- Lốp đàn hồi trên nền cứng,

- Lốp đàn hồi trên nền đường không có kết cấu bền vững,

Vấn đề thứ nhất có ý nghĩa cho nghiên cứu ô tô trên đường giao thông, còn vấn đề thứ hai có ý nghĩa cho xe quân sự, công trường, vùng mỏ, nông nghiệp Trong phạm vi luận văn này chúng ta chỉ xét bánh xe đàn hồi tương tác trên nền cứng Có thể hiểu sự truyền lực bánh xe - đường là một quá trình hợp giữa truyền lực khớp (kiểu bánh răng) giữa các mấp mô tế vi của đường

với các biến dạng tế vi của lốp và mặt khác là quá trình truyền lực ma sát Culông Dạng truyền lực thứ nhất phụ thuộc sự biến dạng của lốp và mấp mô

tế vi của đường Như vậy hệ số truyền ở đây có thể lớn vô cùng (như kiểu khớp) và lớn hơn hay bằng 0 (truyền ma sát) Ta dễ dàng chấp nhận có 2 quá trình xảy ra kế tiếp nhau: Ban đầu giữa hai bề mặt lốp - đường ăn khớp với nhau (bám), trục xe và đường trượt tương đối do cao su biến dạng, ta gọi đó là trượt đàn hồi; giai đoạn hai, khi vượt qua giai đoạn đàn hồi, lốp đường trượt tương đối với nhau (trượt trên bề mặt) Sự trượt có thể được xác lập qua các yếu tố vận tốc (động học) Vì vậy các nhà động lực học ô tô đã có ý tưởng là xác định các lực Fx, Fy, Fz thông qua các thông số động học (các thông số động học là các thông số quan sát được, đo được) Đó là ý tưởng của các mô hình lốp mà ta sẽ xét kỹ ở phần sau Nếu nói về tính chất của mô hình ta có ba dạng tương ứng là

Mô hình lốp (thuần) vật lý là dạng mô hình được mô tả bằng hệ phương trình

vi phân chuyển động (của các phần tử trong lốp) Về nguyên tắc hệ phương trình vi phân đó mô tả chuyển động của các phần tử trong lốp và tương quan của nó với mặt đường, các mô tả đó phải đi đôi với mô tả thuộc tính của vật liệu Đó là phương pháp phần tử hữu hạn, mô tả lốp như một hệ liên tục với hàng ngàn bậc tự do Phương pháp này rất bị hạn chế vì tính cồng kềnh của chương trình, khó có thể kết nối với một chương động lực học ô tô nhỏ hơn

nhiều Ngoài ra việc mô tả tính chất phi tuyến của vật liệu làm lốp là một vấn

đề khó khăn vì lốp được hình thành bởi nhiều loại vật liệu khác nhau Một vấn

đề không đơn giản nữa là mô tả quan hệ hệ số bám lốp - đường Với lý do trên, mô hình vật lý không thể hiện liên kết với mô hình động lực học ô tô

Mô hình lốp (thuần) số có một khó khăn là khó chuyển đổi cho các loại lốp khác nhau (không có tính tổng quát) Ngoài ra với mô hình này, quá trình mô phỏng không được mềm dẻo vì quan hệ lốp đường luôn thay đổi

Đến nay mô hình dùng trong nghiên cứu động lực học là mô hình hỗn hợp Mô hình được đưa ra dưới dạng các hàm toán học và dùng các biến quan sát (đo) được để hiệu chỉnh

Theo phân loại của Rolf Isermann [1] mô hình lốp thuộc loại mô hình gần đen “Dark - Gray - box – modell” Đặc điểm của mô hình dạng này là biết quy luật vật lý, không biết cấu trúc mô hình (không đưa ra được hệ phương trình

vi phân mô tả và cuối cùng là không biết các tham số Ta coi mô hình lốp như một hộp đen, quan sát các thông số vào và ra để xác định quy luật Thông qua các tài liệu hiện có ở Việt Nam, chúng ta có các mô hình hỗn hợp sau:

Trong đó F xij là lực tiếp tuyến (tăng tốc hoặc phanh);Fyij là lực ngang bánh

xe;Fzij là phản lực thẳng đứng phương z và các hệ số truyền lực dọc và

ngang ( xij yij) Trong một số trường hợp còn gọi là hệ số bám

Hệ số bám  x, y được xác định theo Hàm Ammon (2.28), các lực bánh xe

xác đinh theo (2.29 và 2.30):

2 0

động ô tô phụ thuộc vào thuộc tính của lốp: nó có ảnh hưởng đến đặc tính lái,

đặc tính kéo và phanh, đặc tính êm dịu chuyển động và tiêu hao nhiên liệu Để

hiểu được thuộc tính của bánh xe đàn hồi ta coi chuyển động của ô tô trong các phương dọc, ngang và thẳng đứng là độc lập Cấu trúc của lốp như hình (2.6)

Hình 2.6 Cấu trúc lốp

Tọa độ vết tiếp xúc bánh xe và các lực tương tác lốp-đường

Để nghiên cứu đặc tính bánh xe ta định nghĩa hệ tọa độ cục bộ như hình (2.7) Góc nghiêng mặt phẳng bánh xe (Camber) là góc hợp giữa mặt phẳng bánh xe với mặt phẳng chứa trục xz; góc lệch bên bánh xe α là góc hợp giữa trục bánh xe x và trục vận tốc v Lực Fx là lực tiếp tuyển nằm trên trục x, nếu

Fx>0 xe tăng tốc, nếu Fx<0 bánh xe bị phanh Ta còn gọi nó là lực kéo khi tăng tốc Fz là phản lực thẳng đứng từ đường tác động lên bánh xe Fy là lực ngang bánh xe, vuông góc với mặt phẳng (Fx,Fz) Nó có chiều dương khi cùng phương với trục y Mx là mô men quay quanh trục dọc xe, mô men này xuất hiện khi có gió ngang, đường nghiêng hoặc khi quay vòng My là mô men lắc dọc quanh trục y, xuất hiện khi phanh hoặc tăng tốc hoặc dao động lắc dọc

Mz là mô men quay quanh trục z, nó quyết định đến đặc tính dẫn hướng của ô

tô Cần lưu ý bánh xe ô tô là bánh xe đàn hồi, chịu biện dạng ở 3 phương

x,y,z Biến dạng đàn hồi tương quan với các lực tương tác bánh xe Fx, Fy, Fz Nếu biết độ cứng các phương ta có thể xác định các lực bánh xe theo biến dạng

Chương 3

MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÕNG

Việc đánh giá hiện tượng trượt của ô tô có thể được căn cứ qua mô hình động lực học không gian Thực chất của việc xây dựng mô hình động lực học không gian là việc xác định vị trí, các thông số động lực học của ô tô ở một thời điểm bất kỳ.Từ việc phân tích các yếu tố cấu trúc để thuận tiện cho việc lập các phương trình ta có thể chiếu mô hình xe cùng các lực tác dụng lên xe lên ba mặt phẳng: