Khảo sát ảnh hưởng của ABS đến hiệu quả phanh bằng mô hình động lực học ô tô 1 2

1.1. NhiÖm vô vµ yªu cÇu cña ®Ò tµi HÖ thèng phanh lµ c¬ cÊu an toµn cña «t«, dïng ®Ó gi¶m tèc, dõng xe hoÆc ®ç xe khi cÇn thiÕt theo yªu cÇu cña ng­êi l¸i. Nã lµ mét trong nh÷ng hÖ thèng chÝnh vµ cã ý nghÜa quan träng b¶o ®¶m sù æn ®Þnh cña «t« khi chuyÓn ®éng. Ngoài các nhiệm vụ trên, hệ thống phanh còn là cơ cầu điều khiển ổn định trong các xe thông minh. Mét trong nh÷ng vÊn ®Ò ®Æt ra lµ ph¶i gi¶i quyÕt vÊn ®Ò ho¹t ®éng cña hÖ thèng phanh khi phanh trªn c¸c lo¹i ®­êng cã hÖ sè b¸m thÊp nh­ ®­êng tr¬n, ­ít, ®­êng c¸t, ®iÒu nµy dÉn ®Õn b¸nh xe nhanh chãng bÞ bã cøng vµ mÊt æn ®Þnh. Khi phanh «t«, nÕu b¸nh xe tr­íc bÞ bã cøng tr­íc th× sÏ lµm cho xe kh«ng thÓ chuyÓn h­íng theo sù ®iÒu khiÓn cña ng­êi l¸i; nÕu b¸nh xe sau bÞ bã cøng tr­íc, «t« sÏ bÞ tr­ît ngang. §Æc biÖt khi «t« quay vßng, hiÖn t­îng tr­ît ngang cña c¸c b¸nh xe sÏ dÉn ®Õn hiÖn t­îng quay vßng thiÕu hoÆc quay vßng thõa lµm mÊt tÝnh æn ®Þnh khi xe quay vßng. §Ó cã thÓ n©ng cao hiÖu qu¶ phanh chóng ta ph¶i x¸c ®Þnh râ c¸c quan hÖ néi hµm liªn quan ®Õn qu¸ tr×nh phanh. §iÒu ®ã chØ cã thÓ ®­îc x¸c ®Þnh th«ng qua c¸c m« h×nh ®éng lùc häc cña qu¸ tr×nh phanh; trong ®ã m« h×nh lèp lµ h¹t nh©n cña m« h×nh v× c¸c lùc t­¬ng t¸c b¸nh xe sÏ quyÕt ®Þnh ®Õn c¸c gi¸ trÞ néi hµm vµ ¶nh h­ëng ®Õn qu·ng ®­êng phanh, æn ®Þnh phanh vµ æn ®Þnh dÉn h­íng. §Ó thùc hiÖn ®­îc môc tiªu trªn nhiÖm vô cña ®Ò tµi cÇn gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò sau ®©y: 1. Ph©n tÝch chän m« h×nh lèp thÝch hîp v× ®©y lµ kh©u quyÕt ®Þnh ¶nh h­ëng ®Õn ®éng lùc häc khi phanh «t« 2. X©y dùng m« h×nh ph¼ng 12 kh¶o s¸t ¶nh h­ëng hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS.

LuËn v¨n th¹c sÜ kỸ THUẬT

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ABS ĐẾN

Lương Đình Tiến Thắng

Hµ néi 2012

1

Mục lục

Trang Lời nói đầu

Mục lục 1

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 3

Danh mục các bảng, hình vẽ 6

Ch ương 1 Tổng quan 9

1.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của đề tài 9

1.2 Hiệu quả phanh ôtô 10

1.3 Phương pháp nghiên cứu, phương pháp lập mô hình 15

1.4 Giới hạn của đề tài 18

Chương 2 Động lực học bỏnh xe đàn hồi 19

2.1 Tọa độ vết tiếp xỳc bỏnh xe và cỏc lực tương tỏc lốp-đường 19

2.2 Lực cản lăn 22

2.3 Lực tiếp tuyến và lực ngang 26

2.4 Lực gõy ra do mặt phẳng nghiờng bỏnh xe (lực Camber) 31

2.5 Lực tương tỏc bỏnh xe 32

2.6 Phương phỏp xỏc định lực tương tỏc bỏnh xe 33

2.6.1 Mụ hỡnh HSRI (Highway Safety Research Institut) 35

2.6.2 Mụ hỡnh lốp Manfred Burchhardt 38

2.6.3 Mụ hỡnh Dugoff 40

2.6.4 Mụ hỡnh lốp Ammon 42

2.6.5 Mụ hỡnh Pacejka 44

2.6.6 Mụ hỡnh tớnh lực ngang 44

2.6.7 Mụ hỡnh ‘sin’ 45

Chương 3 Mụ hỡnh nghiờn cứu hiệu quả phanh 46

2

3.1 Phương pháp lập hệ phương trình 46

3.2 Mô hình phẳng động lực học phanh ụ tụ 47

3.3 Xỏc định cỏc nội lực 50

3.3.1 Nội lực hệ thống treo 50

3.3.2 Lực hướng kớnh của lốp 52

3.3.3 Lực bỏm bỏnh xe 54

3.3.5 Thụng số khảo sỏt 55

3.3.4 Phương phỏp giải 56

Chương 4 Khảo sỏt một số quỏ trỡnh phanh 56

4 Phương ỏn khảo sat 57

4.1 Thay đổi mụ men trước và sau trường hợp khụng ABS 57

4.2 Phanh cú ABS 65

Tài liệu tham khảo 71

Lời cam đoan Tụi,Lương Đỡnh Tiến Thắng, cam đoan đõy là đề tài nghiờn cứu của riờng tụi Cỏc số liệu, kết quả nếu trong luận văn là trung thực và chưa được cụng bố trong cỏc cụng trỡnh nào khỏc Hà Nội, Ngày 30 thỏng 9 năm 2012

Tỏc giả

Lương Đỡnh Tiến Thắng

J kgm : Mômen quán tính trục y của cầu sau

- 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

ξ&& : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau

- f t2( )m : Độ võng tĩnh phía sau

6

Danh mục cỏc hỡnh

Hình 1.1 Nguyên lý phanh Trang 10

Hinh 1.2 Động lực học bỏnh xe khi phanh 11

Hỡnh 1.3 Lực tương tỏc bỏnh xe phụ thuộc hệ số trượt 11

Hỡnh 1.4 Nguyờn lý phanh thụng thường 14

Hỡnh 1.5 Nguyờn lý phanh ABS 15

Hỡnh 1.6 Sơ đồ điều khiển 15

Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc ôtô 17

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc dọc ôtô 18

Hỡnh 2.1 Cấu trỳc lốp 20

Hỡnh 2.2 Định nghĩa hệ tạo độ và lực bỏnh xe 20

Hỡnh 2.3 Định nghĩa hệ tọa độ và lực bỏnh xe theo SAE 21

Hinh 2.4 Đặc tịnh biến dạng của lốp cỏc phương 21

Hỡnh 2.5 Biến dạng của lốp phương x và y 22

Hỡnh 2.6 Áp lực đường-lốp 22

Hỡnh 2.7 Mụ hỡnh đàn hồi lốp 23

Hỡnh 2.8 Hệ số cản lăn phụ thuộc vận tốc 24

Hỡnh 2.9 Hệ số cản lăn giữa lốp R và D 24

Hỡnh 2.10 Hệ số cản lăn phụ thuộc tải và vận tục 26

Hỡnh 2.11 Ảnh hưởng của ỏp suất đến bề mặt tiếp xuc 26

Hỡnh 2.12 Đặc tớnh hệ số bỏm dọc 27

Hỡnh 2.13 Biến dạng ngang của lốp 28

Hỡnh 2.14 Lốp biến dạng ngang 28

Hỡnh 2.15 Đặc tớnh ngang của lốp 29

Hỡnh 2.16 Đặc tớnh mụ men đàn hồi của lốp 29

Hỡnh 2.17 Lực ngang phụ thuộc tải trọng Fz 30

Hỡnh 2.18 Đồ thị Gough 30

Hỡnh 2.19 Lực ngang phụ thuốc vận tốc 30

Hỡnh 2.20 Ảnh hưởng gúc Camber 31

7

Hinh 2.21 Ảnh hưởng gúc Camber γ đến lực ngang Fy 31

Hỡnh 2.22 Ảnh hưởng gúc Camberγ và phản lực Fzđến lực ngang Fy 32

Hỡnh 2.23 Đặc tớnh lực Fx(s) tham sốα 33

Hỡnh 2.24 Đặc tớnh lực bờn Fy(s) tham số α 33

Hỡnh2.25 Lực bờn phụ tnuộc hệ số trươt 37

Hỡnh2.26 Mụ men Mzphụ thuộc α 37

Hỡnh 2.27 Lực tiếp tuyến phụ thuộc hệ sụ trượt 38

Hỡnh 2.28 Sơ đồ lập Hàm Ammon 42

Hỡnh 2.29 Sơ đồ xỏc định hệ số A, B, C,D 45

Hình 3.1 Mô hình phẳng động lực học ôtô 48

Hình 3.2 Sơ đồ tach cấu truc mô hình phẳng động lực học ôtô 48

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống treo 48

Hỡnh 3.4 Sơ đồ đặc tớnh treo 52

Hỡnh 3.4 Sơ đồ đặc tớnh treo 53

Hinh 3.6 Động lực học bỏnh xe trong mặt phẳng 54

Hỡnh 4.7 Định nghĩa hàm Mụ men phanh 57

Hình 4.1.1 Đồ thị mômen bánh xe (trường hợp 1 2 2 M M =M = ) 58

Hình 4.1.2 Đồ thị mômen bánh xe (trường hợp M1 =0.6M M; 2 =0.4M ) 58

Hình 4.1.3 Đồ thị mômen bánh xe (trường hợp M1 =0.4M M; 2 =0.6M ) 59

Hình 4.1.4 Đồ thị hệ số trượt 59

Hình 4.1.5 Đồ thị hệ số bám(trường hợp 1 2 2 M M =M = ) 60

Hình 4.1.6 Đồ thị hệ số bám (trường hợp M1=0.6M M; 2 =0.4M ) 60

Hình 4.1.7 Đồ thị hệ số bám(trường hợp M1=0.4M M; 2 =0.6M ) 61

Hình 4.1.9 Đồ thị lực phanh ( 1 2 2 M M =M = ) 61

Hình 4.1.10 Đồ thị lực phanh(M1=0.6M M; 2 =0.4M ) 62

8

Hình 4.1.11 Đồ thị lực phanh ( M1 =0.4M M; 2 =0.6M ) 62

Hình 4.1.12 Đồ thị gia tốc phanh 63

Hình 4.1.13 Đồ thị vận tốc(trường hợp M1=0.5M M; 2 =0.5M ) 63

Hình 4.1.14 Đồ thị vận tốc(trường hợp M1=0.6M M; 2 =0.4M 64

Hình 4.1.15 Đồ thị vận tốc(trường hợp M1=0.4M M; 2 =0.6M ) 64

Hình 4.1.16 Đồ thị quãng đường phanh 65

Hỡnh 4.2.1 Phản lực bỏnh xe sau 65

Hỡnh 4.2.2 Phản lực bỏnh xe trước 66

Hỡnh 4.2.3 Lực phanh bỏnh sau 66

Hỡnh 4.2.4 Lực phanh bỏnh trước 67

Hỡnh 4.2.5 Mụ men phanh bỏnh trước (mụ men bỏm) 67

Hỡnh 4.2.6 Mụ men phanh bỏnh sau (mụ men bỏm) 67

Hỡnh 4.2.7 Vận tốc xe và bỏnh xe sau theo vận tốc gúc (r ϕ &) 68

Hỡnh 4.2.8 Vận tốc xe và bỏnh xe trước theo vận tốc gúc (r ϕ &) 68

Hỡnh 4.2.9 Hệ sụ trượt bỏnh sau 69

Hỡnh 4.2.10 Hệ số trượt bỏnh trước 69

Hỡnh 4.2.11 Vận tục phanh 69

Hỡnh 4.2.12 Gia tốc phanh 70

9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của đề tài

Hệ thống phanh là cơ cấu an toàn của ôtô, dùng để giảm tốc, dừng xe hoặc đỗ xe khi cần thiết theo yêu cầu của người lái Nó là một trong những hệ thống chính và

có ý nghĩa quan trọng bảo đảm sự ổn định của ôtô khi chuyển động Ngoài cỏc nhiệm vụ trờn, hệ thống phanh cũn là cơ cầu điều khiển ổn định trong cỏc xe thụng minh

Một trong những vấn đề đặt ra là phải giải quyết vấn đề hoạt động của hệ thống phanh khi phanh trên các loại đường có hệ số bám thấp như đường trơn, ướt, đường cát, điều này dẫn đến bánh xe nhanh chóng bị bó cứng và mất ổn định Khi phanh

ôtô, nếu bánh xe trước bị bó cứng trước thì sẽ làm cho xe không thể chuyển hướng theo sự điều khiển của người lái; nếu bánh xe sau bị bó cứng trước, ôtô sẽ bị trượt ngang Đặc biệt khi ôtô quay vòng, hiện tượng trượt ngang của các bánh xe sẽ dẫn

đến hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa làm mất tính ổn định khi xe quay vòng Để có thể nâng cao hiệu quả phanh chúng ta phải xác định rõ các quan

hệ nội hàm liên quan đến quá trình phanh Điều đó chỉ có thể được xác định thông qua các mô hình động lực học của quá trình phanh; trong đó mô hình lốp là hạt nhân của mô hình vì các lực tương tác bánh xe sẽ quyết định đến các giá trị nội hàm và

ảnh hưởng đến quãng đường phanh, ổn định phanh và ổn định dẫn hướng Để thực hiện được mục tiêu trên nhiệm vụ của đề tài cần giải quyết các vấn đề sau đây:

1 Phân tích chọn mô hình lốp thích hợp vì đây là khâu quyết định ảnh hưởng đến

động lực học khi phanh ôtô

2 Xây dựng mô hình phẳng 1/2 khảo sát ảnh hưởng hệ thống chống hóm cứng bỏnh xe ABS

10

1.2 Hiệu quả phanh ôtô

Quá trình phanh ôtô là quá trình tính từ khi người lái phát hiện thấy chướng ngại vật và quyết định đạp phanh đến khi tốc xe giảm xuống một giá trị xác định theo yêu cầu của người lái

Khi phanh 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 phần động năng phải

được tiêu tán trong cơ cấu phanh dưới dạng nhiệt; tức là cơ cấu phanh không bị bó cứng Bản chất truyền lực giữa bỏnh xe và đường là ô truyền khớp-truyền đàn hồi đàn hồi-truyền ma sỏt ằ

Sơ đồ nguyên lý phanh được thể hiện trong hình 1.1

Hình 1.1 Nguyên lý phanh

Khi phanh, lỏi xe đạp phanh, tạo ra mụ men phanh cho bỏnh xe Mb Khi đú cú hai thụng số vận tốc là vận tốc dài và vận tộc quay; hai vận tốc này khụng bằng nhau,

11

một phần do lốp biến dạng, một phần do trượt tương đối giữa lốp đường Trượt xẩy

ra khi quỏ trỡnh đàn hồi kết thỳc Đặc trưng cho sự tổn hao vận tốc là hệ số trượt Hỡnh () cỏc thụng số động lực học của bỏnh xe khi phanh; hỡnh (1.3) là đặc tớnh lốp Đặc tớnh lốp là hàm phụ thuộc giữa hệ số bỏm dọc, hệ số bỏm ngang với hệ số trượt

dọc

Hinh 1.2 Động lực học bỏnh xe khi phanh

Hỡnh 1.3 Lực tương tỏc bỏnh xe phụ thuộc hệ số trượt Hiệu quả phanh được xác định bởi hai yếu tố:

+ Quãng đường phanh s P Các thông số tương đương đánh giá quá trình phanh

là gia tốc phanh x&&, thời gian phanh t p, lực phanh riêng F x

G

Các yếu tố ảnh hưởng:

+ 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 bámϕ ϕx, y và phản lựcF Z :

F X =F Zϕx (1.1)

F Y =F Zϕy (1.2)Như vậy các lực tương tác khi phanh phụ thuộc hai yếu tố:

+FZ: thông số này phụ thuộc động lực học phương thẳng đứng, phụ 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

+ϕ ϕx, 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

F F F ϕ ϕ rất 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

Việc xác định các quan hệ động lực học của quá trình phanh để khảo sát các yếu

tố ảnh hưởng đến hiệu quả phanh là một việc làm cần thiết theo hai góc độ:

13

+ Có kỹ thuật phanh hợp lý cho lái xe

+ Có biện pháp kết cấu nâng cao hiệu quả phanh

Việc mô tả quá trình phanh 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;

Các hàm mục tiêu về hiệu quả phanh 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 phanh nhằm nâng cao hiệu quả phanh 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

+ Hiệu quả phanh là một hàm đa biến chỉ có thể khảo sát sự phụ thuộc bằng mô hình;

+ Hiệu quả phanh thực chất phụ thuộc vào phản lựcFZvà hệ số bámϕ ϕx, y Các

hệ số ϕ ϕx, 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 Hỡnh 1.4 là sơ đồ phanh thụng thường, khụng cú ABS Khi lỏi xe đạp pedal, ỏp suất dầu xy lanh chớnh tăng lờn; tương ứng ỏp trong xy lanh bỏnh xe cũng tăng theo một tỷ lệ nào đú, tạo ra mụ men phanh Đõy là mụ ma sỏt của cơ cấu, sẽ chuyển húa ra mụ men phanh: mụ men bỏm, xem hỡnh (1.1) Khi mụ men của cơ cấu vượt ngưỡng mụ men bỏm, bỏnh xe se trượt, làm giảm hiệu quả phanh:

14

ABS-ECU sẽ điều khiển van điện từ giảm áp, sao cho mô men tạo ra do xy lanh bánh xe không vượt quá mô men bám Xem hình (1.5)

Trong các xe có ABS thường có trang bị cảm biến gia tốc dọc để xác định vận tốc

dọc; cảm biến gia tốc ngang để xác định vận tốc ngang; tại các bánh xe có các cảm

biến đo vận tốc góc Do vây có thể xác định các hệ số trượt của bánh xe, là thông số điều khiển ABS Cơ cấu chấp hành là van điện từ ba cửa Van đó sẽ làm tăng, giữ

áp, giảm áp theo tín hiệu điều khiển của ABS-ECU Hình (1.6) chỉ ra quan hệ các

vận tộc, ngưỡng điều khiên, tín hiệu điều khiển và áp suât cấp từ xy lanh chính và

áp suất được điều khiển cho xy lanh bánh xe

Hình 1.4 Nguyên lý phanh thông thường

Hình 1.5 Nguyên lý phanh ABS

15

Hỡnh 1.6 Sơ đồ điều khiển

Xuất phát từ ý tưởng trên luận văn hướng tới “lập mô hình” nghiên cứu một số thông

số ảnh hưởng đến hiệu quả phanh ôtô

1.3 Phương pháp nghiên cứu, phương pháp lập mô hình

Ô tô là một hệ phức hợp bao gồm hệ nhiều vật và hệ liên tục Đối với việc nghiên cứu động lực học ta có thể coi ôtô có cấu trúc của hệ nhiều vật Hệ đơn giản nhất gồm 5 khối lượng: thân xe và 4 bánh xe (hình 1.7); thân xe tham gia 6 chuyển động, trong đó có 3 chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động góc; bánh xe cũng tham gia 6 chuyển động như thân xe và chuyển động quay quanh trục cầu xe Tuỳ vào phạm vi nghiên cứu ta có thể bỏ qua một số chuyển động Ta có thể xét mô hình phẳng như hình (1.8) Khi nghiên cứu hiệu quả phanh ta cần xác định phản lực từ đường lên bánh xe và xác định hệ số bám vì vậy ta cần thiết lập các mô hình sau đây:

+ Mô hình động lực học phương thẳng đứng;

+ Mô hình động lực học thân xe phương dọc;

+ Mô hình động lực học bánh xe;

+ Mô hình quay vòng một dãy

Phương pháp tính: sử dụng phần mềm Matlab-Simulink 6.5 để mô phỏng hệ thống Simulink là phần mềm dùng để mô phỏng các hệ thống tuyến tính và phi tuyến trong môi trường Matlab và cũng có thể trao đổi qua lại với môi trường của Matlab để tăng thêm khả năng mềm dẻo của nó Simulink có các đặc điểm sau đây:

+ Là công cụ được tích hợp, lập trình sẵn có ở dạng sơ đồ chức năng Cách lập trình bằng sơ đồ khối giúp người sử dụng thấy được trực quan, đơn giản dễ làm bởi vì để mô phỏng động học một hệ thống được mô tả dưới dạng toán học ở dạng phương trình vi phân, phương trình trạng thái, hàm truyền thì không cần phải xây dựng các chương trình phức tạp mà trong Simulink chỉ việc chọn các khối chức năng thích hợp rồi kết nối chúng lại theo cấu trúc của hệ thống cần khảo sát

+ Khi tiến hành mô phỏng, môi trường Simulink thực hiện việc giải các hệ phương trình vi phân mô tả động học hệ thống đó bằng các phương pháp như Euler, Runge-Kutta3, Runge-Kutta5…Việc lựa chọn các bước tính cho phù hợp được môi trường thực hiện một cách tự động trong khoảng giá trị min và max do người sử dụng khai báo

1.4 Giới hạn của đề tài

Như đã trình bày ở trên, phanh ôtô là một quá trình phức tạp, hiệu quả phanh là một hàm đa biến, trong thực tế nếu đo đạc thí nghiệm thì cũng chỉ có thể xác định được các giá trị như quãng đường phanh, gia tốc phanh, thời gian phanh hay lực phanh mà

ta không thể xác định được các quan hệ nội hàm của chúng Nghiên cứu về mô hình cho ta các quan hệ nội hàm (quy luật); quá trình phanh có thể được mô tả như một mô hình giả trắng (light –gray –box- modelle): quy luật vật lý là mô tả được nhưng tham số là chưa xác định được Với mô hình loại này ta có thể mô tả chúng bằng các phương trình (hệ) vi phân mà trong đó các tham số phải được xác định bằng thực nghiệm

1 1

2 2

Trong khuôn khổ của luận văn cao học tác giả trình bày mô hình 1 dãy với mục

đích là nghiên cứu ảnh hưởng của ABS đến hiệu quả phanh

Do tính phức tạp của vấn đề tác giả chưa khảo sát được quá trình phanh trên mô hình không gian tổng quát, nhưng với mô hình trong luận án có thể đánh giá được quá trình phanh theo hai chỉ tiêu của hiệu quả phanh là :

+ Gia tốc phanh, quãng đường phanh, lực phanh

+ Ổn định phanh thông qua sự bó cứng bánh xe được đỏnh giỏ giỏn tiếp

1,4

1,4 1,41,4

1,4

1,4 1,4

1,4

1,4

1,4 1,4

v

Hình 1.8.Sơ đồ cấu trúc dọc ôtô

19

Chương 2 Động lực học bánh xe đàn hồi

Bánh xe đàn hồi là phần tử chính liên kết lốp-đường Đặc tính chuyển 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 (2.1)

Hình 2.1 Cấu trúc lốp

2.1 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 (2.2) Góc nghiêng mặt phẳng bánh xe (Camber)γ 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

Fz Nếu biết độ cứng các phương ta có thể xác định các lực bánh xe theo biến dạng

Hình 2.2 Định nghĩa hệ tạo độ và lực bánh xe

Hình 2.3 Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe theo SAE

Hình 2.4 Biểu diễn sự phụ thuộc giữa phản lực F F F x, y, z và biến dạng của lốp

Hinh 2.4 Đặc tịnh biến dạng của lốp các phương

Hình 2.5 Biến dạng của lốp phương x và y

22

Hình 2.6 Áp lực đường-lốp Khi chuyển động lốp bị biến dạng hướng kính và tiếp tuyến Phản lực Fx đã bị dịch chuyển một khoảng ∆xvà do vậy tao ra mô men cản lăn Mr=Fz∆x.Ta định nghĩa lực cản lăn như sau:

r z

r r

R x

1

f = f + f v Với xe con fo=0,015, f1=7.10-6s2/m2

Mặt đường đá dăm rất tôt 0,013-0,016

Đường phủ nhựa trung bình 0,018

Đường bê tông đã xuống cấp 0,02

Mặt đường đá dăm trung bình 0,018-0,023

Đường phủ nhựa xuống cấp 0,023

Mặt đường đá dăm bẩn 0,023-0,028

Đường lát đá tốt 0,033-0,055

Mặt đường đá trong tình trạng xấu 0,085

25

Ảnh hưởng áp suất lốp và tải trọng đến hệ số cản lăn

Với một lốp cụ thể, ngoài vận tốc ô tô, hệ số cản lăn còn phụ thuốc áp suất lốp và tải trọng Ta có thể tính hệ số cản lăn theo công thức thực nghiệm:

Ảnh hưởng của góc lệch bên

Khi có lực Fy làm bánh xe lệch góc α, khi đó lực cản lăn se là:

Ảnh hưởng của góc nghiêng mặt phẳng bánh xe

Khi mặt phẳng bánh xe nghiêng một góc làm biến dạng thêm bề mặt lốp và hệ số cản lăn cũng ảnh hưởng, có thể tính theo các công thức sau:

26

Hình 2.10 Hệ số cản lăn phụ thuộc tải và vận tôc

Hình 2.11 Ảnh hưởng của áp suất đến bề mặt tiếp xuc

Lực truyền lốp đường Fx, Fy tương thích với biến dạng của lốp, đặc trưng bởi hệ số tổn hao vận tốc:

Khi phanh w

1

B x

R s v

v s

27

hoặc phanh ta phải tạo ra lực tương tác lốp-đường Lực tiếp tuyến Fx được tao ra khi

ta tạo ra mô men tại trục bánh xe Lực Fx tỷ lệ với phản lực Fz và hệ số bám dọc

μx(s): Fx= μx(s) Fz Hàm hệ số bám dọc μx(s) được trình bày trong hình (2.12),[7,9,10,11]

Hình 2.12 Đặc tính hệ số bám dọc Khi hệ số bám trong miền tuyến tính, /s/<0,1 , thì μx(s)=CS s Khi hệ số bám vượt qua cận cực đại, bánh xe bắt đầu trượt (lết hoặc quay) cho đến khi /s/=1, μx(s) đạt giá trị cực tiểu; mức độ giảm nhanh hay chậm sau cực đại phụ thuộc trạng thái đường Cơ chế truyền lực của bánh xe đàn hồi là truyền khớp, đàn hồi và ma sát

Bảng 2.2 Hệ số bám của lốp 215/65R15

Loại đường Giá trị cực đại μx(s)max Giá trị cực tiểu μx(s)min

Đường Asphalt khô 0,8-0,9 0,75

Đường bê tông khô 0,8-0,9 0,76

Đường Asphalt ướt 0,5-0,7 0,45-0,6

Hình 2.13 Biến dạng ngang của lốp

Vì lực ngang Fy dịch một khoảng axα nên tồn tại một mô men quay quanh trục z (hình 2.14):M z =F a y xα

Hình 2.14 Lốp biến dạng ngang

29

Ta cũng có thể tính lực Fy khi biết độ biến dang∆y và độ cứng bên ky: Fy=ky ∆y Nhìn vào đồ thị trong hình (2.15) ta thấy khi α<4,50 có thể coi Fytăng tuyến tính với

α, sau đó gần như không đổi Còn Mzcó dạng như trong hình (2.16) Lực ngang Fy

phụ thuộc tải trong Fz được thể hiện trong hình (2.17) Hình (2.19) biểu thị sự phụ thuộc vận tốc Khi ta biểu diễn sự phụ thuộc Fy với Mz theo tham số độ lệch ay, phản lực Fz, góc lệch α , ta có đồ thị Gough như hình (2.18)

Hình 2.15 Đặc tính ngang của lốp

Hình 2.16 Đặc tính mô men đàn hồi của lốp

30

Hình 2.17 Lực ngang phụ thuộc tải trọng Fz

Hình 2.18 Đồ thị Gough

Hình 2.19 Lực ngang phụ thuộc vận tốc

31

Khi bánh xe bị nghiêng như hình (2.20) làm biến dạng lốp gây ra lực Camber Nếu biết hệ số Cγ và góc nghiêng γ, ta có thể xác định lực Camber:F y = −Cγγ ,trong đó:γ góc Camber, Cγ Độ cứng góc Camber Cγ γ 0lim ( F y)

αγ

=

=

= −

= − (2.12)

34

Nghiên cứu tính chất của lốp vì vậy trở thành vấn đề cơ bản khi nghiên cứu động lực học ô tô Xác định các lực tương tác bánh xe là một công việc khó khăn, phức tạp và khó có kết quả mong muốn Có ba phương pháp xác định lực tương tác bánh

xe là i) Phương pháp vật lý, ii) Phương pháp thực nghiêm, iii) Phương pháp hỗn hợp Phương pháp thứ nhất là sử dụng các phương pháp cơ học biến dạng đàn hồi trong đó 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 phương hướng kính 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 3 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 là giai đoạn hai, khi vượt qua giai đoạn đàn hồi, lốp đường trượt tương đối với nhau (trượt trên bề mặt) là quá trình thứ 3 Sự trượt có thể được xác lập qua các yếu tố vận tốc (động học) Vì vậy các nhà động

35

lực học ô tô đã có ý tưởng là xác định các lực Fx, Fy, Fzthông 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

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 Rolt Isermann 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

2.6.1 Mô hình HSRI (Highway Safety Research Institut)

Khi sử dụng mô hình lốp HSRI ta cần rất nhiều tham số thực nghiệm, như các tham số tham khảo là của lốp 185/70 HR 14, pi = 2 bar

Fz,0 = 2500 N Tải trọng ban đầu (N),

f00 = 1,35 Hệ số truyền lực ban đầu (cơ sở),

f01 = 1,15 Hệ số truyền lực do ảnh hưởng của phản lực Fz,

kR0 = 0,1 Hệ số giảm khả năng truyền lực (giá trị cơ sở),

kR1 = 0,03 Hệ số giảm khả năng truyền lực khi tải Fzthay đổi

Cα1 = 25,6 1/rad Độ cứng góc (giá trị ban đầu), (1/rad),

Cα2 = -5,37 1/rad Độ cứng góc do ảnh hưởng của tải Fz (1/rad),

CL1 = 10 Độ cứng dọc (giá trị ban đầu),

CL2 = 20 Độ cứng dọc (ảnh hưởng của tải trọng),

v = 7 m/s Vận tốc xe,

lL0 = 0,14 m Vết tiếp xúc (giá trị ban đầu), m,

lL1 = 3 10-6 m Vết tiếp xúc (ảnh hưởng của tải trọng),

Cy = 150000 N/m Độ cứng bên,

r = 0,3 m Bán kính bánh xe (m)

Các biểu thức tính toán trung gian là:

Vận tốc (phương mặt phẳng bánh xe): x& =v cosα

Hệ số trượt khi tăng tốc w w

A

s R

ωω