Nghiên cứu ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển động của ô tô loại m1

Để giải quyết vấn đề trên, đề tài nghiên cứu tập trung vào vấn đề: động lực học chuyển động của ô tô nhằm rút ra một số kết luận có tính qui luật, với mong muốn đề tài giải quyết một phầ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và những kết quả thực nghiệm được nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn thực tế, khách quan Những kết quả tương tự chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Học viên

Trần văn Tưởng

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan 1

Mục lục 2

Danh mục các ký tự và ký hiệu viết tắt 4

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 5

Danh mục các bảng 7

Lời nói đầu 8

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 9

1 Động học quay vòng của ô tô 9

1.1 Trường hợp 2 bánh xe dẫn hướng 9

1.2 Trường hợp 4 bánh xe dẫn hướng 12

2 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng 13

3 Tình hình nghiên cứu hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng 17

4 Quan hệ giữa các góc quay dẫn hướng của các bánh xe 18

5 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài 20

5.1 Mục tiêu 20

5.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 21

Chương 2 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB-SIMULINK 22

1 Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học của ô tô 22

1.1 Mô hình phẳng 22

1.1.1 Phản lực Fi 23

1.1.2 Lực cản lăn Pf 24

1.1.3 Lực bên Si 24

1.1.4 Lực cản không khí 25

1.1.5 Lực ly tâm Pj 27

1.2 Sự nghiêng thân xe và tải trọng thẳng đứng 29

1.3 Mô hình bánh xe 34

1.3.1 Các chế độ làm việc của bánh xe 35

1.3.2 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe 35

1.3.3 Mô hình tính toán lốp xe ô tô 38

2 Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong matlab-simulink 44

2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng matlab-simulink 44

2.2 Mô phỏng chuyển động của ô tô 46

2.2.1 Vận tốc và gia tốc dọc của ô tô 46

2.2.2 Vận tốc và gia tốc bên của ô tô 47

2.2.3 Góc quay thân xe, vận tốc và gia tốc góc quay thân xe 48

2.3 Hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng (4ws) 49

2.4 Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe 49

2.5 Góc lệch bên αi của bánh xe 50

2.6 Bánh xe 51

Chương 3 MÔ PHỎNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC QUAY DẪN HƯỚNG BÁNH XE CẦU SAU ĐẾN CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 54

3.1 Mô phỏng ảnh hưởng của tỷ lệ δs/ δt đến chuyển động của ô tô ở các vận tốc và mức độ quay vòng khác nhau 54

3.2 Mô phỏng ảnh hưởng của vận tốc tại đó góc quay bánh xe cầu sau đổi hướng đến chuyển động của ô tô 61

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

STT Ký

1 a Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu trước m

2 b Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu sau m

13 Fx Lực dọc tác dụng tại vùng tiếp xúc của bánh xe với

22 Me Mô men xoắn do lực dọc của mặt đường tác dụng lên

5 Hình 1.5 Sơ đồ các bánh xe quay ngược chiều 12

6 Hình 1.6 Sơ đồ các bánh xe quay cùng chiều 13

7 Hình 1.7 Hệ thống lái 4ws với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu

8 Hình 2.1 Lực và mô men xác định trong mặt phẳng nằm ngang 22

9 Hình 2.2 Sơ đồ xác định diện tích cản chính diện của ô tô 26

10 Hình 2.3 Sự nghiêng thân xe quanh trục nghiêng dọc 30

11 Hình 2.4 Lực ly tâm và sự thay đổi phản lực thẳng đứng 31

12 Hình 2.5 Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng giữa 2 cầu trước và sau 31

14 Hình 2.7 a,b Lực và mô men ở cầu sau, cầu trước 33

15 Hình 2.8 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe 35

27 Hình 2.20 Góc quay than xe, vận tốc và gia tốc góc quay thân xe 48

28 Hình 2.21 Sơ đồ mô phỏng qui luật của góc quay bánh xe dẫn hướng 49

29 Hình 2.22 Sơ đồ mô phỏng sự phân bố tải trọng thẳng đứng lên các

30 Hình 2.23 Sơ đò mô phỏng góc lệch bên bánh xe 51

33 Hình 3.1 Đồ thị mô phỏng ảnh hưởng của tỷ lệ δs/ δt đến chuyển

động của ô tô ở các vận tốc và mức độ quay vòng khác nhau 54

34 Hình 3.2 Đồ thị so sánh các thông số ở góc quay vành lái βvl=120

1 Bảng 2.1 Trị số các thông số K, F, V của một số loại ô tô 27

2 Bảng 3.1 Thống kê số liệu mô phỏng khi thay đổi tỷ lệ % ở

LỜI NÓI ĐẦU Phương tiện ô tô và hệ thống đường xá ở Việt Nam ngày nay phát triển rất nhanh chóng và đang dần bắt kịp với trình độ phát triển của thế giới về mọi mặt: Số lượng, chất lượng phương tiện, đường xá, tốc độ hoạt động của ô tô ngày càng nâng cao, do vậy vấn đề an toàn của ô tô trong chuyển động ở tốc độ cao cũng như nhằm nâng cao tính năng thông qua của ô tô khi chuyển động ở tốc độ thấp là một vấn đề được các nhà chuyên môn và người sử dụng đặc biệt quan tâm

Để giải quyết vấn đề trên, đề tài nghiên cứu tập trung vào vấn đề: động lực học chuyển động của ô tô nhằm rút ra một số kết luận có tính qui luật, với mong

muốn đề tài giải quyết một phần trong hướng chính đó với tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển động của ô tô loại M1

Đề tài đã chọn phương pháp khảo sát mô hình với sự trợ giúp của phần mềm

mô phỏng matlab simulink

Đề tài đã được thực hiện tại bộ môn Ôtô và xe máy chuyên dụng - Viện cơ khí động lực -Trường ĐHBK Hà Nội, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Thầy PGS,TS Hồ Hữu Hải cùng các thầy trong bộ môn và các bạn đồng nghiệp Những kết quả đạt được giúp cho tác giả hiểu thêm về động lực học ô tô và định hướng cho những nghiên cứu tiếp theo Song vì thời gian có hạn nên không tránh khỏi những những khiếm khuyết, cần được quan tâm bổ sung và mở rộng hơn

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS,TS Hồ Hữu Hải đã tận tình giúp

đỡ, định hướng nghiên cứu cho đề tài và giúp đỡ giải quyết từng nội dung cụ thể, xin cảm ơn các thầy trong bộ môn ô tô và xe chuyên dụng- Viện cơ khí động lực- Trường ĐHBK Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện đề tài

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013

Tác giả

Trần Văn Tưởng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Vấn đề điều khiển hướng chuyển động của ôtô có liên quan trực tiếp đến quỹ đạo chuyển động, khả năng chuyển động ổn định và an toàn của ôtô

Sự chuyển động của ô tô trên đường đòi hỏi người lái phải luôn luôn tập trung quan sát và điều chỉnh góc quay vành lái Khi nâng cao tốc độ chuyển động cần thiết phải đảm bảo mối tương quan giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái Nếu người lái sơ sẩy mất tập trung dẫn đến mất quỹ đạo chuyển động có thể gây ra tai nạn Trong thực tế khi xe chuyển động với vận tốc cao, vào đường vòng, gặp chướng ngại vật hoặc phanh gấp dẫn đến bó lết bánh xe làm mất khả năng điều khiển hướng chuyển động hoặc chịu gia tốc hướng tâm lớn dẫn đến hiện tượng trượt bên có thể gây lật xe

Ổn định hướng liên quan đến nhiều yếu tố như do lốp, do hệ thống lái, hệ thống phanh Theo thống kê có khoảng 50% các tai nạn giao thông là liên quan đến lốp xe: do nổ lốp, lốp non, kết cấu lốp Lốp non dẫn đến hiện tượng quay vòng không chính xác gây mất ổn định hướng

1 Động học quay vòng của ô tô:

Xác định các trạng thái quay vòng của ô tô, từ đó xây dựng mối quan hệ giữa các góc quay bánh xe cầu trước và cầu sau Để tìm hiểu nội dung trên, tác giả đã tham khảo tài liệu thiết kế hệ thống lái 4ws trên xe con của tác giả: Lê Duy Hòa-Lớp ô tô k46

1.1 Trường hợp hai bánh xe dẫn hướng

Trên hình 1.1 biểu thị sự quay vòng của ôtô có hai bánh trước dẫn hướng phía

trước

Gọi - G là trọng tâm của xe;

- I là tâm quay vòng tức thời của xe

Để đảm bảo các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết hoặc trượt quay thì tâm I phải nằm trên trục cầu sau

Hình 1.1- Sơ đồ quay vòng của xe có hai bánh dẫn hướng

IO   t  (1.1)

Trong đó : L- chiều dài cơ sở của xe;

t- góc quay trung bình của bánh xe cầu trước bên phải và bên trái

Từ sơ đồ hình 1.2 ta rút ra được biểu thức về mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng để đảm bảo cho chúng không bị trượt khi xe vào đường vòng:

Cotg Cotg B

L

   (1.2)

Trong đó:

 - góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên ngoài;

 - góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên trong;

L - chiều dài cơ sở của xe;

B - khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng của cầu dẫn hướng

Nếu cho xe chuyển động trên đường vòng với tốc độ thấp thì ứng với mỗi vị trí góc quay của vành tay lái nhất định βvl, thì xe sẽ quay vòng với một bán kính

Rqv=R0 tương ứng Đây có thể coi là trường hợp quay vòng đủ

Trạng thái quay vòng thừa là trạng thái quay vòng nguy hiểm vì nó làm mất tính ổn định ngang và tính điều khiển của xe bởi việc làm gia tăng lực ly tâm Ở những trạng thái này đòi hỏi người lái phải có kinh nghiệm xử lý tốt

1.2 Trường hợp bốn bánh xe dẫn hướng

Gọi - G là trọng tâm ôtô

- X0Y là hệ trục toạ độ có gốc 0 tại tâm dầm cầu sau (như hình vẽ)

- I(x0,y0) là tâm quay vòng tức thời của ôtô

- t, s là các góc quay trung bình của các xe bánh cầu trước và cầu sau

- Khi bánh xe cầu trước và cầu sau quay ngược chiều:

IH

HT tg

tgT  S 

I

(x 0 ,y 0 )

G H

S

tg tg

tg L b

O G

IH

HT tg

tgT  S 

Trong trường hợp này ta thấy tâm quay vòng tức thời (tâm vận tốc tức thời) của

xe nằm bên dưới so với gốc toạ độ O nên nếu ta coi y0<0 thì :

tg

IH

y IH

coi trọng

a Ưu điểm: Để tăng cường tính ổn định khi vận hành ở tốc độ cao hay tác dụng lực

cản gió hướng bên Thực hiện thao tác ở tốc độ thấp sẽ linh hoạt và nhẹ nhàng hơn, thậm chí còn giảm bán kính cua khi quay đầu xe

b Đặc điểm: Khi vô lăng điều khiển bánh trước chuyển hướng thì bánh sau cũng

sẽ chuyển động một góc độ nhất định

c Quá trình phát triển hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng:

Việc điều khiển tất cả các bánh xe ô tô được xuất hiện sau chiến tranh thế

giới thứ hai trên các ô tô quân sự cần có khả năng cơ động cao (quay vòng với bán

kính nhỏ)

Khi đó, các bánh xe đều được coi là bánh xe dẫn hướng và quay ngược chiều nhau với quan hệ động học ngược tạo nên bán kính quay vòng nhỏ Hiển nhiên, khi quay vòng như vậy cần phải vận hành với vận tốc ô tô nhỏ nhằm hạn chế lực ly tâm gây lật đổ xe

Sau những năm 1970, do các đòi hỏi về ổn định chuyển động ở tốc độ cao, ô

tô con được bố trí khả năng quay vòng sao cho tránh rơi vào tình trạng quay vòng thừa, như vậy khi quay vòng ở tốc độ cao các bánh xe dẫn hướng cần quay cùng chiều

Hiện tượng quay vòng thừa xảy ra trên các loại xe có sử dụng bánh xe đàn hồi (lốp cao su chứa khí nén, và sự tự điều khiển cầu xe trên các loại hệ thống treo khác nhau,…) Giá trị của góc điều khiển cầu sau không lớn, nhưng khi xe chuyển động ở tốc độ cao lại ảnh hưởng tới khả năng an toàn, nên khi quay vòng cần hạn chế Điều này dẫn tới các loại ô tô con có hệ thống lái tất cá các bánh xe và làm việc tuỳ thuộc vào tốc độ ô tô

Ở trên các ô tô con hiện đại bố trí cơ cấu lái (CCL) điều khiển tất cả các bánh

xe thỏa mãn cả hai nhu cầu: cơ động và ổn định, tức là bánh xe cầu sau có thể quay vòng hoặc cùng chiều hoặc ngược chiều với các bánh xe trước Hệ thống như vậy được ký hiệu 4WS (four Wheels Steering)

d Nguyên tắc điều khiển:

Các xe có hệ thống lái điều khiển tất cả các bánh xe được chia làm hai loại: điều khiển phụ thuộc vào tải trọng (thụ động) và điều khiển phụ thuộc vào vận tốc

và góc quay vành lái (chủ động) Phần lớn ô tô có 4WS ngày nay sử dụng điều khiển tích cực từ vành lái

Điều khiển thụ động phụ thuộc vào tải trọng bố trí trên một số ô tô con và được thực hiện chủ yếu nhờ khả năng thay đổi vị trí chuyển hướng của các bánh xe

sau theo hệ thống treo Các loại xe có lắp hệ thống này đảm bảo tính quay vòng và

ổn định trên đường cong ở tốc độ cao Nhưng khi xe chạy thẳng trên đường gồ ghề, tải trọng đặt lên các bánh xe biến đổi làm xấu tính ổn định chuyển động thẳng, mặc

dù góc quay các bánh xe sau là rất nhỏ Các loại ô tô này có khả năng dẫn hướng bánh xe sau thông qua kết cấu hệ thống treo động học mềm (biến dạng động học), hay sử dụng hệ treo của cầu dẫn hướng Tùy thuộc vào mức độ hoàn thiện kết cấu của ô tô, các trạng thái này được xây dựng với các quy luật biến đổi quan hệ giữa các góc quay dẫn hướng trên các cầu khác nhau

Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên ô tô Mitsubishi Sigma thế

hệ trước đây, khi bánh xe dịch chuyển lên xuống ứng với tải trọng nhỏ, sẽ thay đổi không đáng kể độ chụm bánh xe, góc nghiêng dọc và không thay đổi tính chất, chuyển động của ô tô Các bánh xe sau còn liên hệ với thân xe thông qua một ống thủy lực Dưới tác dụng của lực dọc (lực phanh), các ống thủy lực biến dạng đẩy bánh sau theo hướng nâng cao độ chụm bánh xe không thay đổi Tuy nhiên, khi quay vòng ở tốc độ cao lực dọc gây nên trên các bánh xe khác nhau và có thể dẫn tới thay đổi độ chụm bánh xe, tương ứng với góc điều khiển với bánh sau

Trong những trạng thái vận hành nguy hiểm như gặp chướng ngại vật khẩn cấp hay đường trơn trượt thiếu ma sát, hệ thống điều khiển kể trên sẽ mất đi những tác dụng điều khiển vốn có, làm cho tính năng an toàn khi xe chuyển hướng giảm đi rất nhiều Do vậy, trong trường hợp gia tốc hướng bên lớn, các nhà thiết kế đã ứng dụng lý thuyết về mạng lưới thần kinh để tạo nên mô hình hệ thống 4WS hiện đại

Có thể dùng các mô hình đơn giản để lý giải các loại hình chuyển lệch bánh trước

và sau của công nghệ 4WS Trong thực tế, phương thức điều khiển của 4WS được thực hiện dưới 3 mô hình sau

Hình 1.7 Hệ thống lái 4WS với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau

- Mô hình 1: Chuyển lệch không đồng vị (Hinh 1.7b)

Mô hình không đồng vị thực tế là kiểu chuyển hướng bánh trước phổ thông Khi đó hai bánh sau và thân xe duy trì đồng nhất một hướng Vô-lăng kéo theo bánh trước chuyển hướng, bộ điều khiển không cần ra lệnh cho bánh sau làm việc mà chỉ duy trì góc chuyển lệch của bánh sau là 0 độ

- Mô hình 2: Chuyển lệch nghịch vị (Hinh 1.7a)

Mô hình nghịch vị là chỉ hướng lệch của bánh trước và bánh sau ngược nhau Khi vị trí nhà xe quá nhỏ hay không gian cua không đủ, chiếc xe sẽ xuất hiện tình huống góc cua chết, đặc biệt nếu lái không cẩn thận sẽ làm thân xe bị trầy xước Với công nghệ 4WS, nó có thể dễ dàng khắc phục vấn đề khó khăn này Khi bánh trước chuyển hướng một góc lệch bên lớn, đuôi xe rất dễ xoay theo tuyến đường xe chạy Khi đó, bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho bánh sau chuyển lệch nghịch vị một biên

độ tương đương so với bánh trước nhằm giảm bán kính cua

- Mô hình 3: Chuyển lệch đồng vị (Hinh 1.7c)

Khi chiếc xe đang di chuyển với vận tốc cao và đột nhiên gặp phải chướng ngại vật, bánh sau chuyển lệch nghịch vị sẽ có nguy cơ đuôi xe bị hất văng và mất lái Vì thế, khi xảy ra tình huống này, bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho bánh sau chuyển lệch đồng vị với độ lệch của bánh trước Và như vậy, đuôi và đầu xe sẽ cùng một hướng chuyển động giúp cho thân xe giữ được tính ổn định cao khi chuyển hướng

khẩn cấp cũng như gặp chướng ngại và nâng cao tính an toàn khi vận hành ở tốc độ cao

Như vậy, khi ôtô chuyển động trên đường phải đảm bảo độ ổn định và quỹ đạo chuyển động của ôtô Tuy nhiên trong thực tế do điều kiện mặt đường thường xuyên thay đổi (đường vòng, nghiêng ngang, dọc…) Từ đó đòi hỏi người lái phải thích ứng với từng điều kiện hoàn cảnh cụ thể để đảm bảo an toàn chuyển động, bằng cách phối hợp linh hoạt các thao tác điều khiển: phanh, lái, ga

Mối tương quan giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái khi vận tốc

ô tô được nâng cao lại càng phải chặt chẽ hơn, nếu không đảm bảo mối quan hệ giữa hai mặt này thì khả năng mất ổn định hướng chuyển động dẫn tới mất an toàn giao thông

e Đánh giá chung về hệ thống lái 4WS:

Tuy công nghệ 4WS có thể giúp giảm bán kính cua, gia tăng tính linh hoạt khi điều khiển và độ an toàn vận hành ở tốc độ cao, nhưng cũng không thể hoàn toàn ngăn chặn được những hiểm hoạ trơn trượt Do vậy, 4WS thường có thêm các

hệ thống bổ trợ điện tử khác để cùng lúc phát huy tác dụng như hệ thống điều chỉnh lực kéo, hệ thống ổn định xe…

Xe được trang bị thêm hệ thống 4WS sẽ làm gia tăng trọng lượng của đuôi

xe, đồng thời kết cấu thân xe cũng phức tạp hơn vì thế làm cho giá thành của chiếc

xe tăng thêm Hiện tại, công nghệ này mới chỉ được trang bị trên những dòng xe cao cấp và những mẫu xe thể thao đặc biệt

3 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng:

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau đến chuyển động của ô tô là vấn đề quan trọng nhằm đánh giá quan hệ động học của các bánh xe dẫn hướng đến chuyển động ổn định của ô tô Đây là một nội dung mới mà các nhà khoa học trong nước và quốc tế đặc biệt quan tậm với nhiều góc độ khác nhau

Ở Việt Nam trong những năm gần đây đã có nhiều tác giả nghiên cứu về lĩnh vực này, mỗi đề tài đã giải quyết được một khía cạnh khác nhau

Năm 2007, tác giả Phạm Quang Hưng đã nghiên cứu mô phỏng hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng dùng cho ôtô con Tác giả đã đã nghiên cứu xác lập quan hệ góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau theo góc quay cầu trước và vận tốc chuyển động của ô tô, tổng hợp bộ điều khiển hướng bánh xe cầu sau trên cơ sở lô gíc mờ bằng công cụ fuzzy control toolbox của Matlab, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển bánh xe cầu sau dẫn hướng và mô phỏng hệ thống một số trường hợp làm việc điển hình bằng công cụ Matlab-simulink Luận văn đã mô phỏng chuyển động của ô tô con bốn bánh xe dẫn hướng trong một số trường hợp làm việc điển hình

Tuy nhiên luận văn đã sử dụng giả thiết bánh xe không biến dạng bên khi tính góc quay giới hạn của các bánh xe dẫn hướng (hay bỏ qua góc lệch bên bánh xe)

Đề tài mới chỉ tập trung nghiên cứu mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống lái, chưa xây dựng các mô hình động lực học của ôtô

Năm 2008, tác giả Lê Ngọc Trung đã mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô

tô 4 bánh xa dẫn hướng với mục đích nhằm nâng cao tính năng ổn định hướng chuyển động của ô tô Tuy nhiên đề tài chỉ tập trung so sánh tính ưu việt của ô tô có

hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng so với ô tô có hệ thống lái 2 bánh dẫn hướng truyền thống

Với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu, khảo sát của hệ thống đem lại các kết quả tương đối chính xác gắn liền với thực tế Đề tài: "Nghiên cứu ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển động của ô tô" được thực hiện với mục đích: Là cơ sở cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện các hệ thống của ôtô nhằm nâng cao tính năng ổn định hướng chuyển động của ôtô

4 Quan hệ giữa các góc quay dẫn hướng của các bánh xe

Đây là mối quan hệ rất quan trọng, dùng để xác định mức độ ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển động của ô tô loại 4ws Tuy nhiên, hiện nay chưa có công bố thật cụ thể Do vậy, cần phải xác định để có thể phát triển

hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng (4ws) Qua tham khảo tài liệu của Kỹ sư Lê Duy Hòa đã có nghiên cứu về vấn đề này như sau:

tg tg

tg L b

2

2

) (

) (

t s

s t

s s

t

tg tg

tg b L b tg R

L

tg tg

tg L tg

tg b R

t s

tg tg

tg b L b tg

t s

tg tg

tg b L b tg

b Quan hệ giữa bán kính quay vòng nhỏ nhất R min với vận tốc giới hạn v gh

Khi xe quay vòng ngoài những lực tác dụng lên xe trong mặt phẳng đứng thì xe còn chịu tác dụng của các lực trong mặt phẳng ngang như :

t s

tg tg

tg b L b tg

R2min.tg2 T-b2.tg2 T-L2 ≤ 0 (1.7)

Vì b là giá trị phụ thuộc vào việc phân bố tải trọng lên các cầu của ôtô, nên b = k*L

- Tải trọng phân bố đều lên các cầu thì k=0,5;

- Tải trọng phân bố không đều thì k ≠ 0,5

Thay b=kL vào (1.7) ta được bất phương trình sau :

tgS(1,2)=

4

)

4(

)

4(

2 2

m in

2 2 2

m in 2

m in 2 2 2

2

m in

L R

L

L R R

L tg

L R

- Khảo sát ứng xử của ôtô khi có kích động từ vành lái

- Xét sự ảnh hưởng của vận tốc tới sự ổn định hướng chuyển động của ôtô Từ

đó tìm ra vận tốc nguy hiểm đối với ôtô

- Khảo sát ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển động của ô tô loại M1

5.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Với nội dung nghiên cứu trên đề tài được trình bầy trong 4 chương:

- Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

- Chương 2 Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong môi trường

matlab - simulink

- Chương 3 Mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe

cầu sau đến chuyển động của ô tô và đánh giá, kết luận

b Phương pháp nghiên cứu:

Dựa trên mô hình mô phỏng ứng sử động lực học ô tô mà tác giả Lê Ngoc Trung đã xây dựng khi nghiên cứu đề tài mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô

4 bánh dẫn hướng Từ đó khảo sát và mô phỏng lý thuyết trên máy tính trong môi trường phần mềm matlab – simulink, để đánh giá và kết luận về sự ảnh hưởng của góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau đến chuyển động của ô tô loại M1

Chương 2 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TRONG

MÔI TRƯỜNG MATLAPB - SIMULINK

1 Mô hình toán học thể hiện quan hệ động lực học của ôtô

Đây là nội dung cần thiết để xác định mối quan hệ giữa góc quay các bánh xe cầu sau với các bánh xe cầu trước, làm cơ sở để khảo sát và mô phỏng mô hình Luận văn đã tham khảo nhiều tài liệu về lý thuyết xe và đặc biệt tham khảo đề tài

mô phỏng quĩ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng của tác giả Lê

Ngọc Trung năm 2008 với các nội dung sau:

Hình 2-1 Lực và mô men xác định trong mặt phẳng nằm ngang

* Các lực và mo men tác dụng lên ô tô:

Lực dọc F i ; lực bên S i ; lực cản lăn P fi ; mô men cản quay của các bánh xe (M si ) Với i là chỉ số chỉ các các bánh xe dẫn hướng ( i14)

* Trọng tâm T của ô tô đặt cách tâm trục cầu sau một đoạn là b; cách tâm trục cầu trước một đoạn là a Chiều dài cơ sở L = a + b

* Lực cản không khí xét theo phương dọc trục xe là Pω và theo phương ngang là N

Tại trọng tâm ôtô (T) có lực quán tính F a , và lực li tâm P j Khi thân xe quay vòng, xuất hiện mô men quán tính xung quanh trục Tz và có giá trị là J z

Góc quay của các bánh xe dẫn hướng là i , kích thước chiều rộng của vết lốp của hai cầu là B

1.1.1 Phản lực F i :

F i là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động, được đặt tại vị

trí tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, khi xe chuyển động lực kéo tiếp tuyến tại các bánh xe chủ động đóng vai trò lực dọc Đối với bánh xe chủ động dẫn hướng thì lực dọc được đặt tại tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe và đường, có phương nằm trên đường tâm bánh xe Khi phanh, lực phanh tại các bánh xe đóng vai trò là lực dọc

Lực kéo xuất hiện khi có mô men xoắn truyền từ động cơ qua các cơ cấu trung gian đến bánh xe chủ động, nhờ có sự tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường nên tại vùng tiếp xúc này sẽ phát sinh lực kéo tiếp tuyến hương theo chiều chuyển động

k

t c o p h e

k

k k

r

i i i i M r

b

fK j

K K

r

M M

Lực cản lăn sinh ra do tác dụng của mặt đường lên các bánh xe Lực cản lăn

đặt tại vị trí đặt lực F i nhưng ngược chiều với F i

Lực cản lăn phát sinh do sự biến dạng của lốp và đường, do sự tạo thành vết của bánh xe trên đường và do ma sát ở bề mặt giữa lốp và đường

Đối với bánh xe cầu trước: P ft = f.G t = f.m.g.b/L [1]

Với f là: hệ số cản lăn của bánh xe

Hệ số cản lăn được xác định theo công thức:

1500 1 (

2

v f

dụng của lực bên S i tại vùng tiếp xúc của lốp với đường, bánh xe bị lệch đi một

(2-3)

(2 2)

góc so với mặt phẳng quay của bánh xe, góc này được gọi là góc lệch bên i của bánh xe

Trong trường hợp góc lệch bên nhỏ, khi đó quan hệ giữa lực bên S i và góc lệch bên của bánh xe i là quan hệ tuyến tính:

Khi ô tô chuyển động áp suất không khí bao quanh bề mặt ngoài của xe thay

đổi, làm xuất hiện các dòng xoáy khí ở phần sau của ô tô, dòng khí xoáy này gây ra

sự chênh áp phía trước và sau ô tô, gây ra lực ma sát giữa dòng khí với vỏ xe và tác dụng lực theo các phương khác nhau lên ô tô như: lực nâng, lực cản chuyển động của ô tô

Khi ô tô chuyển động, làm di chuyển không khí bao quanh ô tô Do áp suất trên toàn bộ bề mặt ô tô thay đổi, sinh ra xoáy lốc của dòng khí ở phía sau ô tô và

ma sát giữa không khí với bề mặt của ô tô, do vậy phát sinh lực cản không khí Lực cản này ta gọi là lực cản gió và được phân thành hai thành phần theo hai phương vuông góc:

Lực theo phương dọc: P(lực cản không khí), giá trị tương đối được xác

Bằng thực nghiệm xác định được lực cản không khí theo biểu thức:

P = K F V2 (N) (2.5)

Trong đó: K- Hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào hình dạng và chất lượng

bề mặt ôtô, mật độ của không khí

(2-4)

0

sử dụng các công thức gần đúng sau:

+ Với ô tô tải: F = B H, Với ô tô con: F = 0,8 B0 H

Trong đó: H - Chiều cao lớn nhất của ô tô

B - Chiều rộng cơ sở của ô tô

B0 - Chiều rộng lớn nhất của ô tô

V0 - Vận tốc tương đối giữa ô tô với không khí (m/s)

V0 = V  Vg (m/s)

Ở đây: V- Vận tốc của ô tô

Vg- Vận tốc của gió, lấy dấu (+) khi chiều chuyển động của ô tô ngược với chiều gió, lấy dấu (-) khi chiều chuyển động của ô tô cùng với chiều gió

Tích số K.F được gọi là nhân tố ảnh hưởng của môi trường không khí (nhân tố

Bảng 2.1 Trị số các thông số K, F, V của một số loại ô tô

LOẠI Ô TÔ K (NS2/ m4) F (m2) W (NS2/ m2)

Ô tô du lịch vỏ kín:

Vỏ hở:

0,2  0,35 0,4  0,5

1,6  2,8 1,5  2,0

0,3  0,9 0,6  1,0

Ô tô đua 0,13  0,15 1,0 1,3 0,13  0,18

- Lực theo phương ngang: N (lực gió bên), xuất hiện khi có gió bên hoặc khi xe

chuyển động trên đường vòng Giá trị của lực gió bên là không theo quy luật, để thuận tiện trong việc mô phỏng, luận văn giả định lực gió bên là theo một số quy luật xác định và có điểm đặt tại trọng tâm xe

1.1.5 Lực ly tâm P j

Lực ly tâm xuất hiện khi ô tô chuyển động theo quy đạo cong

Lực ly tâm qui ước đặt tại trọng tâm ô tô và được tính theo công thức:

R

v m R

v g

G y m

P j

2 2

Từ biểu thức ta thấy khi ô tô chuyển động ở vận tốc cao ở trên đường vòng,

lực ly tâm sẽ tăng lên sinh ra lực ngang lớn tại vị trí tiếp xúc của các bánh xe với mặt đường, nếu lực ly tâm cứ tiếp tục tăng đến quá giới hạn bám ngang của bánh

xe với mặt đường sẽ gây ra hiện tượng trượt ngang hoàn toàn làm mất ổn định hoặc tính dẫn hướng của ô tô

*Các phương trình chuyển động của ôtô

- Tịnh tiến theo phương dọc ôtô:

(2-6)

i i

f i

i i

f i

i i

S S

S F

m

x

P P S

S S

S F

m

x

P P S

S S

S F

4 3 3 2 2 1 1 4

1

4 4 3 3 2 2 1 1 4

1

4 4 3 3 2 2 1 1 1

) sin

sin sin

sin cos

(

1

) sin

sin sin

sin cos

(

1

sin sin

sin sin

i i

i

i i

F F

F S

m

y

N F

F F

F S

4 3 3 2 2 1 1 4

1

4 4 3 3 2 2 1 1 4

1

)sin

sinsin

sincos

(

1

sinsin

sinsin

( 2 ) cos cos

(

2 ) sin sin

( 2 ) sin sin

( ) cos cos

(

) cos cos

( ) sin sin

( ) sin sin

(

4 4 3 3 2

2 1

1

4 4 3 3 2

2 1 1 4

4 3

3

2 2 1 1 4

4 3 3 2

2 1 1

B F

F

B F

F

B S

S

B S

S b S

S

a S

S b F

F a F

dt

dt

B F

F

B F

F

B S

S

B S

S b S

S

a S

S b F

F a F

(2)coscos

(

2)sinsin

(2)sinsin

()coscos

(

)coscos

()sinsin

()sinsin

((

1

4 4 3 3 2

2 1

1

4 4 3 3 2

2 1 1 4

4 3

3

2 2 1 1 4

4 3 3 2

2 1 1

Trong đó:

v o : là vận tốc ban đầu [m/s]

Dấu của các đại lượng F i và S i khi viết phương trình được lấy theo chiều của trục toạ độ đã chọn

Dấu của đại lượng iđược qui ước như sau: Khi các bánh xe dẫn hướng của cầu sau quay cùng chiều các bánh dẫn hướng của cầu trước dấu (+), quay ngược chiều với các bánh xe của cầu trước dấu (-)

1.2 Sự nghiêng thân xe và tải trọng thẳng đứng

Trong khi chuyển động thân xe có thể bị nghiêng một góc  nào đó, nguyên nhân có thể là do xe chuyển động trên mặt đường nghiêng, do tác dụng gió bên hoặc khi quay vòng chịu tác dụng của lực ly tâm Sự nghiêng thân xe có thể gây ảnh hưởng tới ổn định hướng chuyển động của ôtô, đặc biệt là khi xe chuyển động với vận tốc cao mà góc nghiêng lớn rất có thể sẽ bị lật Mặt khác sự nghiêng thân xe sẽ dẫn đến sự phân bố lại tải trọng trên cùng một cầu và phản lực tác dụng lên các bánh xe cũng sẽ khác nhau

Chính vì vậy luận văn đã đưa ra mô hình không gian để nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc nghiêng thân xe đến sự thay đổi tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe

Khi xe quay vòng đều thì góc nghiêng thân xe  =const và  , bằng không

Sự nghiêng thân xe khi quay vòng dẫn tới đồng thời thay đổi giá trị phản lực thẳng đứng, góc nghiêng ngang của bánh xe và thay đổi góc điều khiển của bánh xe, do vậy ảnh hưởng tới quĩ đạo chuyển động của ô tô

Giả thiết rằng thân xe đặt trên bệ treo đàn hồi, dưới tác dụng của lực ly tâm thân

xe bị nghiêng quanh trục nghiêng dọc một góc là  Trọng tâm ôtô đặt tại chiều cao

Ta sử dụng mô hình (2-3) với các giả thiết sau:

- Thân xe (hay phần treo) đặt trên bệ treo đàn hồi và nghiêng xung quanh trục nghiêng dọc một góc  nào đó

- Chiều cao từ trọng tâm phần treo so với mặt đường là h g và đến trục nghiêng

dọc là h’

- Với góc nghiêng thân xe nhỏ (phần được treo  <120 ), nên ta có thể coi: cos =1, sin = ,  0,0

Hình 2.3 Sự nghiêng thân xe quanh trục nghiêng dọc

Công thức tính góc nghiêng thân xe được tính như sau:

'

'

'

)

' (

h g m C C

h N y m

o s t

m’ o : khối lượng phần được treo [kg]

Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng và các phản lực bên tác dụng lên các bánh xe

được tính theo sơ đồ không gian (hình 2-4)

Gia tốc theo phương dọc thân xe  x sẽ gây ra sự phân bố lại tải trọng trên hai cầu trước và sau là: Z

l

h m x

hg hT

O

yo

zo

xo+

Hình 2-4 Lực ly tâm và sự thay đổi phản lực thẳng đứng

a y

mg y

Hình 2-5 Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng giữa hai cầu trước và sau

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

L

a g m Z

L

b g m Z

T s

T t

;

Z

Z Z

Z

T s s

T t t

Gia tốc hương tâm  y gây ra sự phân bố lại tải trọng thẳng đứng giữa các bánh

xe trên cùng một cầu, phương trình cân bằng lực được viết như sau:

Phương trình cân bằng mômen đối với cầu trước và sau:

L

l N y m S S

t

)

.( 0'

' ' '

2 1

s

)

.( 0''

' '

4 3

Hình 2-6 Sơ đồ cân bằng lực ngang

(2-17) (2-18)

(2-21) (2-19)

(2-20)

Hình 2-7a: Lực và mômen ở cầu sau Hình 2-7b: Lực và mômen ở cầu trước

Phương trình cân bằng mômen đối với tâm nghiêng ngang của cầu trước (Oc1) và cầu sau (Oc2) :

2

S)(

2

t) Z

-(Z

2 1 t

2

t) Z

-(Z

4 3 s

(2-22)

(2-23)

(2-26) (2-27)

) )

.(.(t1

)

.(2

S)(

2

t) Z-

(Z

t

t 2 1 t

2 1

y h m p L

l N y m C

Z

y h m p L

l N y m F

F

t t t s o

t t

t t t s o

c c

.(.(t1

)

(2

S)(

2

t) Z-

(Z

s

' ' s 4 3 s

4

y h m p L

l N y m C

Z

y h m p S S F

F

s s s t o

s s

s s s c

cho tính toán ta lấy bằng chiều rộng cơ sở xe (B) [m]

cầu sau tới mặt đường [m]

Như vậy khi xe chuyển động với góc quay bánh xe dẫn hướng ti >0 hoặc

chuyển động trên đường nghiêng ngang thì tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe như sau:

s T

s T

t T

t T

Z Z

Z Z

Z Z

Z Z

Z Z

Z Z

Z Z

Z Z

)(

)(

)(

4 4

1 3

2 2

1 1

Trong đó:

Z 1 : tải trọng phân bố lên bánh trước trái [N]

1.3 Mô hình bánh xe

Chuyển động của ô tô trên nền đường phụ thuộc rất nhiều vào mối quan hệ của bánh xe trên nền đường Ngày nay do ô tô chỉ sử dụng các loại bánh xe cao su, hay còn gọi là bánh xe đàn hồi cho nên ở luận văn này ta xét cho trường hợp bánh xe đàn hồi Khi bánh xe ở trạng thái làm việc do bị biến dạng và vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường không phải là một điểm mà là một vùng nên bán kính lăn của bánh xe liên tục bị thay đổi, làm cho vận tốc tại bánh xe sẽ khác so với vận tốc của ô tô Nếu gắn vào bánh xe một hệ tọa độ không gian ba chiều, bánh xe sẽ chịu

tác dụng của các lực: lực dọc (theo phương x), lực bên (theo phương y), lực thẳng

đứng (theo phương z), mô men đàn hồi bánh xe Các lực và mô men này luôn biến đổi và phụ thuộc vào tốc độ quay và khả năng biến dạng của bánh xe Xét trong

(2-28) (2-29) (2-30) (2-31)

khoảng thời gian ngắn bánh xe có thể được coi là lăn đều, tâm quay của bánh xe là tâm trục, đấy là trạng thái cơ sở để khảo sát

1.3.1 Các chế độ làm việc của bánh xe

Khi bánh xe lăn trên mặt đường xảy ra các trường hợp sau:

- Bánh xe đàn hồi lăn trên mặt đường không bị biến dạng (đường nhựa)

- Bánh xe đàn hồi lăn trên mặt đường bị biến dạng (đường đất)

- Bánh xe cứng (loại thép) lăn trên đường bị biến dạng

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

1.3.2 Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe

Xét trong hệ trục tọa độ không gian thì các bánh xe ô tô chịu tác dụng của các lực và mô men như sau:

Hình 2-8 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe

Khi ô tô chuyển động, bề mặt của lốp tiếp xúc với đường ở rất nhiều điểm và tạo thành vùng tiếp xúc Do đó tác dụng tương hỗ giữa bánh xe và đường tại phần tiếp xúc sẽ xuất hiện các phản lực riêng phần từ đường tác dụng lên bánh xe, gọi là các phản lực của đường Các phản lực này được biểu thị dưới ba thành phần lực:

Phản lực pháp tuyến của mặt đường, kí hiệu F z là một hàm phụ thuộc vào tải trọng phân bố lên bánh xe

Phản lực tiếp tuyến nằm trong mặt phẳng bánh xe, kí hiệu F x là một hàm phụ

thuộc vào độ trượt dọc s, trượt bên  , phụ thuộc vào tải trọng Z

Phản lực ngang (lực bên), nằm trong mặt phẳng của đường và vuông góc với

mặt phẳng của bánh xe kí hiệu là F y (hoặc S i )

Ngoài ra còn có các lực và mô men ma sát trong ổ trục, mô men quán tính, các lực và mô men này có trị số bé nên ta có thể bỏ qua

Khi chịu lực dọc tác dụng bánh xe sẽ bị biến dạng dọc, làm cho bán kính bánh xe

bị thay đổi, nếu lực dọc lớn quá sẽ gây ra hiện tượng trượt lết hoặc trượt quay đối với các bánh xe

Khi chịu lực ngang tác dụng, bánh xe lăn bị biến dạng, các thớ lốp bị uốn cong, mặt phẳng giữa của bánh xe bị dịch chuyển so với tâm tiếp xúc Quỹ đạo của bánh

xe sẽ bị lệch so với hướng chuyển động của bánh xe một góc  , góc này được gọi

là góc lệch bên của bánh xe

Do các bánh xe đều sử dụng lốp đàn hồi cho nên khi chịu các lực tác dụng nó bị biến dạng và khu vực tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường không phải là một điểm

mà là một vùng tiếp xúc Sự phân bố lực ở khu vực phía trước và phía sau vết tiếp xúc không đều nhau cho nên tổng hợp các lực tác dụng lên bánh xe sẽ bị lệch khỏi tâm của vết tiếp xúc

Trên xe các bánh xe làm việc ở hai chế độ: chủ động, bị động Ngoài các lực và

mô men như phân tích ở trên thì ở các bánh xe còn chịu mô men kéo M k và lực đẩy

từ khung xe vào tâm bánh xe, cần thiết phải tiến hành phân tích các lực và mô men tác dụng lên bánh xe cho từng trường hợp bánh xe chủ động và bánh xe bị động

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

Khi ô tô chuyển động, bánh xe lăn và chịu tác dụng của các lực: tải trọng tác

dụng lên bánh xe G b1 ; lực đẩy từ khung đặt vào tâm trục bánh xe F x ; Hợp lực các phản lực pháp tuyến từ đường tác dụng lên bánh xe đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh

xe và mặt đường là Z 1 ; Hợp các phản lực tiếp tuyến song song với mặt đường và

ngược chiều chuyển động của xe là F f

mà một phần đã biến thành nhiệt tỏa ra môi trường xung quanh

Trên hình 2.10 biểu diễn sự biến thiên của độ biến dạng trong các phần tử

của lốp (ký hiệu là l) theo tác dụng của tải trọng (ký hiệu là G b ) Khi tải trọng tăng,

làm cho độ biến dạng của lốp tăng (đường OkA), diện tích OAC là năng lượng tiêu

hao cho sự biến dạng của lốp ở giai đoạn nén Khi giảm dần tải trọng, lốp sẽ đàn hồi

trở lại (đường AmB), phần năng lượng được trả lại do sự biến dạng của lốp ở giai

đoạn phục hồi là diện tích ABC

Hiệu số của 2 diện tích trên (diện tích OAB) biểu thị năng lượng tiêu hao cho

nội ma sát trong của lốp và ma sát giữa lốp với mặt đường

Mặt khác sự biến dạng của phần tử lốp khi đi vào khu vực tiếp xúc lớn hơn khi ra khỏi khu vực tiếp xúc Vì thế các phản lực riêng phần của đường tác dụng lên bánh xe ở phần trước khu vực trước tiếp xúc lớn hơn phần sau khu vực tiếp xúc

Tổng hợp lực của chúng là Z 1 sẽ lệch về trước một khoảng là a 1 so với đường thẳng

đi qua tâm trục bánh xe

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

Đối với bánh xe chủ động, ngoài các lực và mô men tác dụng như bánh xe bị

động nó còn chịu các lực và mô men tác dụng như: mô men xoắn chủ động Me

truyền từ bán trục tới bánh xe Mô men này làm cho các thớ lốp hướng kính bị biến dạng vòng Khi bánh xe lăn, các thớ lốp đi vào khu vực tiếp xúc sẽ bị uốn cong và nén lại, khi ra khỏi khu vực tiếp xúc chúng lại giãn ra Như vậy một phần năng lượng bị tiêu hao cho biến dạng vòng của lốp

Hình 2-11 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động

1.3.3 Mô hình tính toán lốp xe ô tô

Để xây dựng mô hình tính toán mô phỏng lốp xe ô tô đã có rất nhiều các đề tài quốc tế và trong nước nghiên cứu xây dựng mô phỏng bằng những phương pháp khác nhau về cả lý thuyết và thực nghiệm như: