Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tọa độ trọng tâm tới ổn định trượt ngang của ô tô tải khi đi trên đường vòng

Khi phanh với cường độ cực đại thì tất cả các bánh xe phải đồng thời được hãm cứng và xe trượt lết trên đường, khi đó cả hai cầu đều đạt giới hạn bám, do trọng lượng của xe phân bố không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

*****

TRẦN QUỐC BÌNH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỌA

ĐỘ TRỌNG TÂM TỚI ỔN ĐỊNH TRƯỢT NGANG CỦA Ô TÔ TẢI KHI ĐI TRÊN ĐƯỜNG VÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – Năm 2017

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỌA ĐỘ

TẢI KHI ĐI TRÊN ĐƯỜNG VÒNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS ĐÀM HOÀNG PHÚC

Hà N ội – Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS

Đàm Hoàng Phúc Đề tài được thực hiện tại Bộ Môn Ô Tô và Xe Chuyên Dụng,

Viện Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các nội dung trình bày trong đề tài là hoàn toàn trung thực và chính xác

Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2017

Tác giả

Trần Quốc Bình

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến

TS Đàm Hoàng Phúc, Thầy hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi hoàn

thành luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy trong Bộ Môn Ô tô và

Xe Chuyên Dụng và các bạn bè đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt trong thời gian tôi học

và làm luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Gia đình, Cơ quan và Bạn

bè những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi học và làm luận văn

Tác giả

Trần Quốc Bình

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, BẢNG BIỂU 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 10

1.1 Tổng quan về an toàn giao thông đường bộ Việt Nam 10

1.1.1 An toàn chuyển động 10

1.1.2 Tai nạn giao thông 11

1.2 Đánh giá ảnh hưởng của tọa độ trọng tâm để điều chỉnh phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh 15

1.3 Các hệ thống phanh trên ô tô hiện nay 18

1.3.1 Hệ thống phanh trang bị ABS 18

1.3.2 ABS loại cơ - thuỷ lực 19

1.3.3 ABS điều khiển điện cho xe con (BOSCH) 21

1.3.4 ABS điều khiển điện-khí nén cho xe tải (WABCO) 23

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH - CHỌN BỘ SỐ LIỆU TÍNH TOÁN 26

2.1 Mô hình cơ học về quỹ đạo chuyển động của ôtô 26

2.2 Quan hệ động lực học trong mô hình toàn xe, xây dựng các phương trình cân bằng 28

2.3 Mô hình hệ thống lái 31

2.4 Sự nghiêng thân xe và sự thay đổi tải trọng thẳng đứng khi phanh 38

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM TỚI TẢI TRỌNG BÁNH XE KHI Ô TÔ VÀO ĐƯỜNG VÒNG 49

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

a Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm xe m

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, BẢNG BIỂU

Hình 1.7 Cơ cấu chống hãm cứng cho cầu trước chủ động 20

Hình 2.5 Xác định vị trí trọng tâm ôtô tại một thời điểm 33

Hình 2.11 Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng trên một cầu xe 40 Hình 2.12 Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng của các bánh 41

Bảng 3.2 Giá trị tải trọng (N) bánh thứ 1 khi thay đổi tọa độ trọng tâm

Hình 3.11 Đồ thị độ trượt của các bánh xe khi hoạt động ở phương án 1 60

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, trong những năm gần đây nền công nghiệp ô tô đã có sự phát triển rất mạnh mẽ Đặc biệt các nhà sản xuất ô tô rất quan tâm đến các tính năng động lực học của ô tô, khả năng an toàn chuyển động, nhất là tính ổn định của ô tô khi phanh

Khi người lái tác dụng lên bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ phát sinh một mômen phanh Mp nhằm hãm bánh xe lại, làm cho vận tốc xe giảm xuống Khi đó ở bánh xe sẽ xuất hiện lực tiếp tuyến Fp gọi là lực phanh Lực phanh này ngược chiều chuyển động và bị giới hạn bởi giới hạn bám Lực phanh từ cơ cấu phanh sẽ được truyền tới tất cả các bánh xe Khi phanh với cường độ cực đại thì tất cả các bánh xe phải đồng thời được hãm cứng và xe trượt lết trên đường, khi đó cả hai cầu đều đạt giới hạn bám, do trọng lượng của xe phân bố không đồng đều, lực phanh thì phụ thuộc vào giới hạn bám nên lực phanh trên các cầu không bằng nhau mà nó có tỉ lệ với nhau, tỉ lệ này cũng thay đổi trong quá trình phanh do khi phanh thì có sự biến dạng trong hệ thống treo, đồng thời do ảnh hưởng của tình trạng mặt đường

Một yêu cầu của hệ thống phanh khi phanh là hiệu quả phanh lớn nhất, tức là phải có quãng đường phanh ngắn nhất, thời gian phanh ngắn nhất và gia tốc phanh

là lớn nhất Tuy nhiên do xuất hiện sự trượt làm tăng nhanh độ mòn của lốp, làm hiệu quả phanh sẽ bị giảm Khi có sự trượt xe cũng không thể có lực phanh tối đa được vì một phần lực phanh từ cơ cấu phanh truyền xuống các bánh xe đã bị tiêu hao do trượt, phần còn lại mới dùng để sinh ra lực hãm lại chuyển động của xe, đồng thời do xuất hiện của sự trượt nên sẽ làm mất đi tính ổn định khi phanh Tính

ổn định phanh của ô tô được hiểu là khi phanh ô tô không bị trượt ngang, trượt lết hoặc bị lật, đảm bảo tính điều khiển lái và chuyển động an toàn của ô tô Điều này đặc biệt quan trọng khi ô tô chạy trên đường trơn với tốc độ cao Ô tô mất tính ổn định khi phanh rất nguy hiểm vì không kiểm soát được hướng chuyển động của ô

tô Tính ổn định của ô tô khi phanh được phân tích ở hai trường hợp: Tính ổn định hướng và tính ổn định quay vòng của ô tô khi phanh Tính ổn định hướng và tính

ổn định quay vòng của ô tô khi phanh là khả năng ô tô giữ được quỹ đạo chuyển

động như ý muốn ban đầu của người lái trong quá trình phanh, và hai yếu tố này lại chịu ảnh hưởng rất lớn bởi sự trượt

Ô tô di chuyển trên rất nhiều điều kiện hoạt động rất khác nhau, tùy vào điều kiện chuyển động có thể là đứng yên, lên dốc, xuống dốc, chuyển động trên đường nghiêng ngang, quay vòng, phanh hoặc có sự kết hợp của nhiều điều kiện kể trên trên các loại đường khác nhau, vì điều kiện chuyển động rất phức tạp như vậy nên đòi hỏi ô tô phải giữ được quỹ đạo chuyển động theo như sự điều khiển của người lái Tuy nhiên khi có trượt thì khả năng ổn định chuyển động của ô tô sẽ giảm đáng

kể, ô tô có thể sẽ chuyển động theo những quỹ đạo không mong muốn của người lái, và khi người lái không kiểm soát được quỹ đạo chuyển động thì sẽ rất nguy hiểm

Vì những lý do trên, việc Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tọa độ

trọng tâm tới quá trình phanh ô tô tải để tìm ra các giải pháp khắc phục nhược

điểm nêu trên là một vấn đề rất cần thiết

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về an toàn giao thông đường bộ Việt Nam

1.1.1 An toàn chuyển động

Ô tô là một phương tiện giao thông phổ biến hiện nay trên toàn thế giới Ô tô

đã ra đời từ nửa cuối thế kỷ 18, ngay sau khi động cơ hơi nước ra đời Những “thế hệ” ô tô đầu tiên ấy có số lượng không lớn và vận tốc ô tô không cao Hơn 200 năm đã trôi qua, ngày nay ô tô tràn ngập khắp thế giới, đi cả vào “hang cùng ngõ hẻm” và đặc biệt vận tốc ô tô đã tăng lên vượt bậc Ngày nay trên đường bình thường, ô tô có thể chạy đến 100 km/h, đường cao tốc vận tốc cho phép có thể lên đến 150 km/h hoặc hơn nữa, còn đối với xe đua chạy trên đường đặc biệt vận tốc

sẽ gây hư hại cho vật thể đó Nếu đối tượng là người thì đối tượng sẽ bị thương hoặc chết

Đối với ô tô va chạm, vùng va chạm bị hư hỏng, ngoài ra vận tốc ô tô sẽ đột ngột giảm xuống (đến một vận tốc nào đó hoặc dừng lại), ô tô sẽ chịu một gia tốc rất lớn Hậu quả là ô tô bị hư hỏng, người và hàng hóa trên ô tô bị va đập gây hư hỏng hàng hóa, gây thương tích hoặc chết người

Khi va chạm, ô tô có thể bị đổ, bị văng ra khỏi đường, lao xuống ruộng, sông, vực, gây nên hậu quả khôn lường

Do vậy “an toàn" luôn luôn đồng hành với sự vận hành ô tô

Ô tô là một phương tiện giao thông đường bộ, cùng tham gia giao thông với ô

tô còn có các phương tiện khác Ngoài đường bộ ra còn có các loại hình giao thông khác như đường sắt, đường thủy, đường không Vì thế có khái niệm chung nhất là

an toàn giao thông

An toàn giao thông được hình thành trong mối quan hệ giữa người tham gia giao thông, phương tiện giao thông và môi trường giao thông

An toàn giao thông có thể được chia thành: an toàn của người tham gia giao thông, an toàn của phương tiện tham gia giao thông, an toàn của kết cấu hạ tầng giao thông và an toàn môi trường

An toàn giao thông đường bộ có phạm vi hẹp hơn đó là: an toàn của người tham gia giao thông đường bộ (người lái, hành khách và người đi bộ), an toàn của phương tiện tham gia giao thông đường bộ, an toàn của kết cấu hạ tầng giao thông đường bộ và an toàn môi trường

Đối với lĩnh vực nghiên cứu về ô tô, có khái niệm an toàn chuyển động của ô tô

1.1.2 Tai nạn giao thông

Va chạm của ô tô như đã nói ở trên là một “tai nạn giao thông” Tai nạn giao thông đã có từ rất lâu trong lịch sử dưới nhiều hình thức khác nhau Tuy nhiên,

sản

- Chủ thể trực tiếp thực hiện hành vi cuối cùng trong vụ tai nạn giao thông cụ

- Xét về lỗi, chỉ có thể là lỗi vô ý hoặc là không có lỗi, không thể là lỗi cố ý

Có thể tham khảo một vài định nghĩa sau đây:

- Tai nạn giao thông là sự việc bất ngờ xảy ra ngoài ý muốn chủ quan của

xuất không kịp phòng tránh, gây nên thiệt hại nhất định về người và tài sản

- Tai nạn giao thông được hiểu là một biến cố, trong đó có sự sai khác giữa quá trình xe chạy và thực tiễn thực hiện quá trình ấy Sự sai khác này thông thường

là sự vượt quá một giới hạn cho phép hoặc không tuân thủ luật lệ giao thông Do vậy kết quả trực tiếp của tai nạn sẽ là mức độ thiệt hại trong quá trình xung đột và mức độ chấn thương liên quan đến người tham gia giao thông

Ngày nay tai nạn giao thông được xem như là một hiểm họa của loài người Một vài con số sau đây nói lên điều đó

Có tài liệu ghi nhận rằng bà Bridget Driscoll 44 tuổi, người Anh, là người đầu tiên chết vì tai nạn ô tô Bà bị một chiếc xe hơi đâm phải trước dinh thự Crystal ở Luân Đôn ngày 17/8/1896 Đáng chú ý là chiếc xe lúc đó đang chạy với vận tốc 12 km/giờ Tại phiên họp công bố kết quả cuộc điều tra về nguyên nhân

tử vong của bà Bridget, nhân viên điều tra tuyên bố “sự việc sẽ không bao giờ tái diễn” Thế nhưng, cùng với cuộc cách mạng công nghiệp và sự phát triển vượt bậc của công nghệ chế tạo ô tô mà ngày nay mỗi ngày trên toàn thế giới có đến hơn

3000 nạn nhân như bà Bridget Driscoll

Theo báo cáo của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và Ngân hàng thế giới (WB) thì mỗi năm, thế giới có khoảng 1,2 triệu người chết vì tai nạn giao thông đường bộ Thống kê còn cho thấy, khoảng 50 triệu người khác bị thương trong các tai nạn đó Hai cơ quan này cảnh báo, nếu chính phủ các nước không có biện pháp ngăn chặn tình trạng này thì đến năm 2020, tai nạn giao thông sẽ đứng thứ ba trong các nguyên nhân gây tử vong ở người

Năm 2000, tai nạn giao thông là nguyên nhân thứ 9 gây tử vong, chiếm 2,8% trong tổng số các trường hợp tử vong trên thế giới Ở Tây Âu, nơi có tỷ lệ người chết vì tai nạn giao thông ít hơn cả là 11 người/100.000 cư dân Trong khi ở Châu Phi và các quốc gia phía Đông Địa Trung Hải có tỷ lệ trung bình là 28,3 và 26,3 người/100.000 dân WHO cho biết mỗi năm ở châu Mỹ có đến 134.000 người thiệt mạng vì tai nạn giao thông, chiếm hơn 10% của cả thế giới, trong đó Mỹ đứng đầu

với 44.000 người, tiếp đến là Brazil, Mexico và Venezuela Tại Nga, trong năm

2003 có tới 35.600 người thiệt mạng, 244.000 người bị thương do tai nạn giao thông, gây thiệt hại kinh tế hơn 11 tỉ USD Theo Bộ Công an Trung Quốc trong năm 2006, đã có 89.455 người chết vì tai nạn giao thông đường bộ

Ở Việt Nam theo số liệu thống kê của Ủy ban an toàn giao thông quốc gia diễn biến tai nạn giao thông trong khoảng thời gian từ năm 1990 đến năm 2012 được thể hiện trên đồ thị hình 1.1 và có thể chia làm 3 giai đoạn như sau:

Từ năm 1990 đến năm 2002: Số vụ tai nạn, số người chết và bị thương liên quan đến tai nạn giao thông có gia tăng mạnh Thời kỳ này số người chết tăng 5,8 lần (từ 2268 lên 13186 người) và số người bị thương tăng 6,2 lần (từ 4956 người lên

31000 người) Đây là thời kỳ bùng nổ về số lượng các phương tiện giao thông nhưng ý thức người tham gia giao thông cũng như cơ sở hạ tầng giao thông, các quy định để đảm bảo an toàn giao thông, đang rất thấp kém

Từ năm 2002 đến năm 2005: Số vụ tai nạn, người bị thương giảm rõ rệt: Số tai nạn giảm 47% (từ 27993 vụ xuống 14177 vụ), số người bị thương giảm 61% (từ

31000 người xuống 12013 người) Thời kỳ này chính phủ, các cơ quan chức năng với sự tham gia của toàn dân đã quyết liệt thực thi các chính sách, giải pháp nhằm giảm thiểu tai nạn giao thông

Từ năm 2005 đến năm 2012: Số vụ tai nạn, số người chết giảm nhẹ và có sự dao động lên xuống

Hình 1.1 Tình hình tai nạn giao thông ở Việt Nam

Theo các số liệu trên biểu đồ hình 1.1 thì số người chết năm 2012 vì tai nạn giao thông ở nước ta khoảng 9 người/100.000 dân, đứng vào khoảng trung bình của thế giới Tuy nhiên đây là một con số đáng suy ngẫm vì ở nước ta phương tiện giao thông cơ giới chưa nhiều Nếu kinh tế phát triển, phương tiện giao thông cơ giới gia tăng mà hạ tầng cơ sở giao thông không được cải thiện, ý thức người tham gia giao thông không được nâng lên thì tình hình tai nạn giao thông ở nước ta sẽ còn diễn biến phức tạp

Trong số các tai nạn kể trên tai nạn trên đường bộ do ô tô (ở Việt Nam là ô tô

và xe máy) chiếm phần lớn Tai nạn do đường sắt, đường không và đường thủy chiếm phần ít hơn

Hình 1.2 Mối quan hệ Người lái - Đường- Xe Khi vận hành trên đường mối quan hệ giữa người lái - đường - xe được thể hiện trên hình 1.2 Khi nghiên cứu mối quan hệ này người ta thấy rằng phần lớn các tai nạn giao thông đều có nguyên nhân chủ quan từ con người Người ta dùng cụm từ “ý thức người tham gia giao thông” để chỉ nguyên nhân từ con người Vì thế nâng cao ý thức của người tham gia giao thông là nhiệm vụ trọng tâm của việc giảm thiểu tai nạn giao thông Chính phủ các nước trong đó có Việt Nam đã đề ra rất nhiều giải pháp cho vấn đề này: tuyên truyền, giáo dục, nâng cao chất lượng các

cơ sở đào tạo lái xe, phạt nặng các hành vi vi phạm luật giao thông thậm chí kỷ luật cả lãnh đạo địa phương để xảy ra nhiều tai nạn giao thông, … Tuy nhiên ý thức con người không phải một sớm một chiều mà thay đổi được, cho nên có thể coi đây là một “cuộc chiến” lâu dài

Ngoài nguyên nhân chủ quan từ con người như đã nói ở trên, còn có nguyên nhân khách quan từ ô tô, đường và môi trường Tai nạn do các nguyên nhân này có thể giảm bằng các giải pháp kỹ thuật Một trong những giải pháp kỹ thuật được quan tâm là đánh giá ảnh hưởng của tọa độ trọng tâm tới quá trình phanh ô tô tải nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh

1.2 Đánh giá ảnh hưởng của tọa độ trọng tâm để điều chỉnh phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh

Như đã trình bày ở trên trong các nguyên nhân tai nạn giao thông xuất phát từ các lỗi của các hệ thống trên ô tô Theo các thống kê trong các nguyên nhân gây tai nạn do máy móc thì hệ thống phanh chiếm tỉ lệ cao nhất Mặt khác hệ thống phanh

là hệ thống làm giảm vận tốc xe Vận tốc xe giảm càng nhanh xe càng ít xảy ra tai nạn

Chúng ta sẽ xem xét quá trình phanh ô tô

Khi xe chuyển từ v1 đến v2 (v2 < v1) xe thực hiện một chuyển động chậm dần, nghĩa là phải tạo cho xe một gia tốc jp ngược chiều với chiều chuyển động Mà ta biết rằng muốn tạo cho một vật thể có khối lượng m một gia tốc jp thì ta phải tác dụng vào vật thể một ngoại lực F = mjp Như vậy để làm giảm vận tốc của xe ta phải tạo ra một lực, cản lại sự chuyển động của xe Lực này được gọi là lực phanh Tuy nhiên trên ô tô ngoài khối lượng chuyển động tịnh tiến còn có các khối lượng chuyển động quay bao gồm bánh xe và các chi tiết liên quan động học đến bánh xe

Do vậy lực tác dụng vào xe để tạo ra gia tốc jp phải là: F mj p (1.1) Trong đó δ là hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng quay khi phanh xe

Xe có khối lượng m chạy với vận tốc v sẽ có động năng:

2

2

mv

LMặt khác giả sử xe đang chạy với vận tốc v1 và có nhu cầu giảm vận tốc xuống v2 Khi đó cần phải tiêu phí đi một lượng năng lượng:

)(v12 v22m

Vậy quá trình làm giảm vận tốc của xe phải giải quyết song song hai vấn đề:

- Tạo ra lực cản ngược chiều chuyển động của ô tô;

- Tiêu tán đi một lượng động năng của xe

Trong quá trình chuyển động, xe chỉ tiếp xúc với không khí và mặt đường Như vậy để tạo ra một ngoại lực tác dụng vào xe thì chỉ có thể tạo ra từ không khí

và đường

Đối với ô tô lực cản do không khí tạo ra không đủ để phanh xe có hiệu quả

Như vậy lực cản lại sự chuyển động của xe (tức lực phanh) chỉ có thể là lực

ma sát giữa bánh xe và mặt đường Khi bánh xe lăn tự do trên mặt đường, lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường chính là lực cản lăn Ff

Gf

F f Trong đó G là trọng lượng xe: f là hệ số cản lăn

Lực cản này rất nhỏ (trên đường tốt hệ số cản lăn f chỉ bằng khoảng 0,02) đương nhiên không thể dùng để phanh được Nhưng nếu ta giữ bánh xe lại không cho bánh xe quay thì ma sát giữa bánh xe và mặt đường chuyển thành ma sát trượt

và lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường lúc này là:

F ms G

Như vậy để tạo ra lực ma sát lớn giữa bánh xe và mặt đường đủ để phanh xe

có hiệu quả phải tạo ra mô men cản, cản lại chuyển động quay của bánh xe để ma sát giữa bánh xe và mặt đường chuyển từ “ma sát lăn” sang “ma sát trượt” Có nghĩa là thực chất khi phanh, hệ thống phanh phải sinh ra một mô men cản lại chuyển động quay của bánh xe Mô men này được gọi là mô men phanh, ta ký hiệu

là Mp Lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường là lực cản lại sự chuyển động của xe

chính là lực phanh

Ta có sơ đồ các lực trên bánh xe khi phanh thể hiện trên hình 1.3

Hệ số ma sát µ giữa bánh xe và mặt đường lúc này chính là hệ số bám φ Mà trên trên đường tốt φ = 0,6 ÷ 0,8 hoặc hơn nữa cho nên lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường có giá trị lớn và do đó có thể dùng để phanh xe

Hình 1.3: Động lực bánh xe Lực phanh Fp được tính như sau:

b

p p

Nhìn vào biểu thức 1.4 ta thấy lực phanh cực đại phụ thuộc vào hai thông số:

- Fz: Phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe hay trọng lượng xe phân

bố lên bánh xe đó,

- φ: Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường

Trọng lượng của xe phân bố lên bánh xe được quyết định bởi sự bố trí tọa độ trọng tâm của ô tô đó Do vậy tọa độ trọng tâm ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của quá trình phanh

1.3 Các hệ thống phanh trên ô tô hiện nay

1.3.1 Hệ thống phanh trang bị ABS

Hình 1.4: Đặc tính phanh

Hình 1.5: Nguyên lý ABS Trên thực tế, nhiều khi bánh xe bị phanh đã dừng mà xe vẫn chuyển động Trong trường hợp đó, lực phanh giảm nhanh và lực bám ngang bị triệt tiêu làm mất

ổn định khi phanh Hình (1.4) chỉ ra rằng, lực phanh cực đại đạt được trong khoảng

hệ số trượt lớn hơn 0,06 và bé hơn 0,2 Khi phanh, lái xe vẫn giữ bàn đạp phanh ngay cả khi bánh xe vượt khỏi vùng tối ưu của lực bám mà vẫn không biết Vì vậy người ta thiết kế cơ cấu chống hãm cứng bánh xe ABS (Anti-locking Brake System) như hình (1.5) để điều khiển lực phanh tự động (triệt tiêu áp suất phanh)

1.3.2 ABS loại cơ - thuỷ lực

Sơ đồ bố trí hệ phanh ABS cơ-thuỷ lực như hình (1.6), (1.7) gồm van tỷ lệ (1), tổng van (2), đai truyền lực (3) và cụm ABS cơ Bộ ABS gồm cảm biến gia tốc góc bánh đà, bơm dầu kiểu piston truyền động bằng cam và các van áp suất Cảm biến gia tốc bánh đà xác định gia tốc định mức cho trước Khi đạt gia tốc ngưỡng các van được giảm áp suất Nếu tốc độ lại tăng, bơm dầu sẽ tăng áp suất để lực phanh đạt giá trị cực đại trở lại Hệ thống này có thể tăng giảm áp suất 5 lần/giây để hạn chế bánh xe hãm cứng, nâng cao hiệu quả phanh

Hình 1.6: Bố trí ABS Khi phanh bình thường (hình 1.7 a): Ở điều kiện phanh thường, van cắt (7)

mở, dầu từ tổng van đi qua van cắt vào các xylanh phanh bánh sau Van điều khiển (5) đóng, piston bơm (12) không tiếp xúc với cam lệch tâm (13) do lò xo hồi vị Khi giảm lực phanh (hình 1.7 b): Khi gia tốc bánh trước giảm, tức trục chủ động (14), các bánh xe bắt đầu hãm cứng, tạo quán tính cho quả văng (1) quay tương đối với ly hợp (2), bi ly hợp lăn khỏi rãnh, đẩy quả văng dịch sang trái, làm cho cần mở (4) mở van điều khiển (5) Áp suất trong hệ thống phanh sau khá cao

mà van (5) lại mở nên piston (6) bị đẩy lên trên, van cắt (7) đóng lại, do đó áp từ xy lanh chính đẩy piston (12) lên trên tiếp xúc với cam (13), dầu được bơm trở lại qua van điều khiển (5) Do van cắt đóng nên dòng dầu từ xylanh chính và dòng dầu phía

hệ thống phanh sau bị ngăn cách, áp suất dầu trong xylanh bánh xe giảm nhanh

Hình 1.7: Cơ cấu chống hãm cứng cho cầu trước chủ động

1 Quả văng quán tính; 2 Ly hợp; 3 Bi mở ly hợp; 4 Cần mở van điều khiển; 5 Van điều khiển; 7 Van cắt; 8 Ra bánh sau; 9 Từ xylanh chính; 10,11 Van 1 chiều;

12 Bơm piston

Khi tăng lực phanh (hình 1.7c): Do việc giảm lực phanh ở trường hợp

vừa nêu, má phanh được nhả ra, cho phép bánh xe tăng tốc đến tốc độ của quả văng giảm tốc Khi trục chủ động và quả văng có cùng tốc độ, bi (3) lăn về đúng rãnh của nó, quả văng quán tính dịch chuyển sang phải, cho phép lò xo hồi vị của đòn (4) mở van điều khiển (5) Cùng thời gian, piston bơm (12) tạo

áp suất trên piston (6) bởi van một chiều (10, 11) Áp suất vào xylanh bánh xe được khôi phục khi van cắt (7) mở, piston bơm bị ngắt khỏi cam (13), áp suất trong xylanh bánh xe tăng dần theo áp suất tổng phanh

1.3.3 ABS điều khiển điện cho xe con (BOSCH)

Sơ đồ phanh ABS điện tử như hình (1.8), gồm bốn van thuỷ lực-điện từ (2, 3) cho bốn xylanh bánh xe (8), hai van giảm áp (6) cho hai dòng, một bơm hồi (9) với hai van xả (4) và hai van nạp (5) và bộ xử lý (6) Cảm biến số vòng quay (1) xác định số vòng quay của các bánh xe; tín hiệu điện áp được gửi cho bộ xử lý (6) nhằm xác định hệ số trượt để xác định lực điện từ tại các van điện từ (3) nhằm đóng mở các van thuỷ lực (2) để giảm, giữ, tăng áp suất vàp xylanh bánh xe (8) Nguyên lý của hệ được trình bày trong hình (1.8)

Phanh trong điều kiện bình thường (hình 1.8 a): Trong điều kiện phanh

bình thường, các van điện từ (3) không làm việc; các piston van thuỷ lực (2) nằm ở vị trí thấp nhất do lò xo đẩy chúng Khi đạp chân phanh, xylanh chính cấp dầu độc lập cho hai dòng qua các van thuỷ lực mà không bị cản trở gì; áp suất dầu trong xylanh bánh xe tỷ lệ mức độ đạp phanh

Trạng thái giữ (hình 1.8b): Khi bánh xe giảm tốc độ đến một ngưỡng định lượng trước, cảm biến tốc độ (1) gửi tín hiệu cho bộ xử lý (6) về sự trạng thái bánh xe sắp bị bó cứng Đồng thời máy tính (6) gửi dòng điện điều khiển đến van điện từ (3), dòng điện sẽ kích hoạt cuộn cảm, lực điện từ kéo piston điều khiển lên cao đóng các đường dầu đến các xylanh bánh xe và bây giờ áp suất dầu trong các xylanh bánh xe là ổn định (hình 1.9)

Hình 1.8: ABS cho xe ôtô

1 Cảm biến tốc độ; 2 Piston van điều khiển; 3 Van điện từ; 4 Van xả; 5 Van nạp;

6 ECU; 7 Van giảm áp suất; 8 Chân phanh; 9 Bơm hồi; 10 Xylanh chính Trạng thái giảm áp suất (hình 1.8c): Nếu cảm biến gửi đến máy tính một tín

hiệu giảm tốc độ đột ngột không bình thường như là nguyên nhân hãm cứng bánh

xe, máy tính tăng dòng điện vào van điện từ, kéo piston van thuỷ lực lên cao hơn nữa, tại vị trí đó không có dầu vào từ xylanh chính và làm thông cửa sang van giảm

áp (7), cùng với bơm hồi, dầu trong xylanh bánh xe giảm nhanh chóng Kết quả là bánh xe có khả năng tăng tốc và hệ số bám được thiết lập trở lại

Hình 1.9: Đặc tính hệ phanh ABS điển hình

Trạng thái tăng áp suất (hình 1.8a): Một khi chuyển từ trạng thái

giảm tốc sang tăng tốc, máy tính đặt chế độ off cho van điện từ, lò xo trong van điện từ đẩy piston thuỷ lực xuống vị trí thấp nhất, áp suất phanh lại tăng trở lại trong xylanh bánh xe Độ nhạy của hệ thống khoảng 10 lần/giây

1.3.4 ABS điều khiển điện-khí nén cho xe tải (WABCO)

ABS điều khiển điện khí nén có sơ đồ như trong hình (1.10) Cảm biến tốc độ (1) xác định gia tốc bánh xe bằng tín hiệu điện theo tần số và chuyển cho ECU (2) Khi có dấu hiệu bánh xe bị hãm cứng, ECU gửi tín hiệu đến van điện từ (1,10) để thực hiện giảm, giữ, tăng áp suất trong hệ thống phanh theo chế độ tối ưu lực phanh theo hệ số trượt Mỗi bánh được điều khiển độc lập, lực phanh cấp phù hợp với khoảng hệ số trượt tối ưu, quãng đường phanh là ngắn nhất, không bị tổn hao về ổn định và dẫn hướng

* Nguyên lý làm việc:

Với chế độ tăng mô men phanh, ECU không cấp điện cho các van

điện từ I, II (1,8) do vậy, các lõi từ được giữ bởi các lò xo: Ở van điện từ I,

cửa vào đóng (5), cửa ra (4) mở; ngược lại, ở van điện từ II (10), cửa vào (11) mở còn cửa thoát (14) đóng Khi đạp phanh, khí nén đi vào dưới màng

I (9) mở thông ra bầu phanh Tại thời điểm đó, áp suất trong buồng điều khiển I (8) có thể thoát ra khí quyển bằng cửa thoát (4); ở thời điểm ban đầu đạp phanh, một phần khí nén đi vào của vào II (11) của van thuỷ lực vào phía dưới của màng II (12), ngăn các hệ thống với khí quyển Khi đó khí nén chỉ đi vào bầu phanh (15), áp suất được cấp tỷ lệ với áp suất của tổng van Khi cảm biến xác định được hệ số trượt lớn hơn ngưỡng đặt, ECU gửi tín hiệu điện để hoạt hoá van điện từ I, II nhằm giảm áp suất trong bầu phanh (15) để tránh bó cứng (hình 1.10 b) Khi các van điện từ I, II bị kích hoạt, lõi từ của van từ I đi xuống dưới đóng cửa thoát (4) và mở cửa vào (5), khí nén không thể ra ngoài theo van I mà đi vào buồng điều khiển I (8) đóng màng I (9) không cho khí nén vào bầu phanh (15) Tại thời điểm đó van điện từ II cũng bị kích hoạt, đóng cửa vào (11) và mở cửa xả (14), khí nén dưới màng II (12) được thoát ra ngoài, khí nén trong bầu phanh (15) đẩy màng II xuống và thoát ra khí quyển, giảm áp trong bầu phanh

Khi đó bánh xe có thể tăng tốc, khi hệ số trượt nhỏ hơn ngưỡng đặt,

ECU chỉ thị thực hiện chế độ giữ Ở chế độ này, van điện từ I vẫn bị kích

hoạt; cửa thoát (4) vẫn đóng không cho khí nén ra ngoài, cửa vào thì mở, khí nén từ tổng van đi qua van điện từ I vào buồng điều khiển I (8) để đóng đường khí nén ra bầu phanh; cũng tại thời điểm đó van điện từ II (11) không bị kích hoạt, nó đóng cửa xả (14) và mở cửa vào (11), khí nén đi qua van điện từ II vào buồng điều khiển II, ngăn không cho khí nén từ bầu phanh (15) ra ngoài khí quyển thực hiện chế độ giữ Khi thực hiện chế độ giữ, bánh xe có thể tăng tốc trở lại, ECU lại phát tín hiệu tăng mô men phanh bằng cách thôi kích hoạt van điện từ I

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH - CHỌN BỘ SỐ LIỆU TÍNH TOÁN 2.1 Mô hình cơ học về quỹ đạo chuyển động của ôtô

Vấn đề nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ôtô cần thiết phải đặt ra trong hệ toạ độ không gian ba chiều, tức là phải xem xét các điều kiện không gian đầy đủ Khi nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ôtô khi phanh chúng ta quan niệm ôtô là một hệ thống cơ học biến dạng Nếu gắn vào thân xe một hệ toạ độ đi qua trọng tâm ôtô, chúng ta có thể biểu thị sự biến dạng của hệ thống theo cả ba phương x, y, z Đặc trưng cho sự biến dạng đó là biến dạng của các phần tử đàn hồi, giảm chấn, bánh xe, khâu khớp đòn giằng, khung vỏ Với biến dạng đó có thể coi như ôtô đặt trên một hệ đàn hồi

Ôtô là một cơ hệ đàn hồi chuyển động trên đường trong hệ toạ độ cố định Các dịch chuyển của ôtô theo các trục toạ độ gây nên các chuyển vị dọc theo 3 trục và quay quanh 3 trục Do đó có thể coi hệ toạ độ không gian 3 chiều với chuyển động của ôtô được xem xét bởi sáu chuyển vị Tuỳ theo mục đích từng bài toán mà có thể xem xét các chuyển vị này là đồng thời hay độc lập

Mô phỏng chuyển động ô tô khi phanh quan trọng hơn cả là quan tâm chuyển

vị theo toạ độ mặt đường (toạ độ cố định) Ox0y0z0 biểu diễn bằng toạ độ x0, y0 và

góc quay thân xe ε Tại mỗi thời điểm, vị trí của ôtô trong quỹ đạo chuyển động

hoàn toàn được xác định thông qua bộ giá trị này Hay nói cách khác, tập hợp các điểm này theo thời gian tạo nên đường cong trong không gian gọi là quỹ đạo chuyển động Như vậy, việc xác định quỹ đạo chuyển động của ôtô là phải xác định

toạ độ x, y, góc lệch bên α, góc quay thân xe ε và vận tốc chuyển động tức thời v có

nghĩa là phải xác định cả vận tốc góc quay thân xe , vận tốc biến đổi góc lệch bên, gia tốc hướng tâm y , tức là đạo hàm của các chuyển vị: ε, α, x, y đó là hàm

mục tiêu của bài toán quỹ đạo và được gọi chung là các thông số quỹ đạo

Hệ thống cơ học ở đây có tính chất đàn hồi, do vậy quy luật của chúng cũng rất phức tạp Ở mức độ đơn giản ta có thể biểu thị mối quan hệ hệ thống cơ học của ôtô như trên hình sau:

Hình 2.1: Mô hình cơ học ôtô Trong quá trình mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô khi phanh trên đường cong ở trạng thái đã kích hoạt ABS, bao giờ cũng phải khảo sát mối quan hệ với góc điều khiển vành lái, như vậy vấn đề đặt ra ở dạng chuyển động quay vòng tổng quát, trong đó chuyển động thẳng chỉ là một trường hợp đặc biệt Do mối liên quan của quỹ đạo chuyển động với góc điều khiển vành lái nên vấn đề đặt ra thuộc lĩnh vực điều khiển quỹ đạo chuyển động và phương pháp nghiên cứu ở dạng các bài toán trong lý thuyết điều khiển tổng quát

Với mục tiêu mô phỏng quá trình chuyển động của ô tô khi phanh đồng thời, thiết lập các phương trình quan hệ động học và động lực học của ôtô tải gồm 4 bánh xe (trong đó sử dụng các bánh kép cho cầu sau), dẫn động cầu sau,

đồ án khảo sát trên mô hình không gian phi tuyến từng phần với bài toán quỹ đạo chuyển động bao gồm việc xác định toạ độ của trọng tâm, góc lệch hướng chuyển động α, góc quay thân xe ε, vận tốc chuyển động tức thời v, mômen vành lái MVL Các lực kích động tác động lên ôtô là rất phức tạp, trong các bài toán về tính điều khiển và ổn định hướng tập trung xem xét các tác động ở hàm tiền định của góc quay vành lái Trên cơ sở đó đi đến tiến hành điều chỉnh hệ thống nhằm đảm bảo ổn định quỹ đạo chuyển động của ôtô

2.2 Quan hệ động lực học trong mô hình toàn xe, xây dựng các phương trình cân bằng

Mô hình không gian của ôtô:

Để xây dựng mô hình động lực học của ôtô, ta sử dụng một số giả thuyết sau:

- Ôtô chuyển động trên mặt đường bằng phẳng

- Bỏ qua dao động theo phương thẳng đứng

- Bỏ qua lực cản của không khí theo phương dọc x là Pω

- Bỏ qua lực gió bên theo phương ngang y là N

- Các lực dọc và ngang của bánh xe được khảo sát trong quan hệ với biến dạng bánh xe

- Ảnh hưởng của chiều cao gây nên các lực và mômen được biểu thị bằng các tải trọng đặt trên các bánh xe

- Các bánh xe quay xung quanh trục đứng với các góc dẫn hướng như nhau (Xem hình 2.2)

Các thành phần lực và mômen trong mô hình bao gồm:

- Các lực dọc theo phương x và mômen Mx quanh trục Ox

- Các lực ngang theo phương y và mômen My quanh trục Oy

- Các lực thẳng đứng theo phương z và mômen Mz quanh trục Oz

Các thành phần lực và mômen trong quá trình ôtô chuyển động theo các phương, bao gồm:

- Các lực tác dụng đặt tại trọng tâm xe: Trọng tâm ôtô T đặt cách tâm trục cầu trước, sau lần lượt là a,b và cách đường với chiều cao trọng tâm là hg

- Lực cản lăn P fi

- Các phản lực bên S i

- Phản lực thẳng đứng Z i tại vết bánh xe

- Các góc quay của bánh xe dẫn hướng ti khi chuyển động

- Chỉ số i có giá trị 1, 2, 3, 4 tuỳ thuộc vào cách đánh số thứ tự của các bánh

xe

- Khi thân xe quay, xuất hiện mômen quán tính xung quanh trục T Zđi qua trọng tâm Tvà có giá trị J Z (J Z là mômen quán tính của ôtô đối với trục T Z đi qua trọng tâm T;  là gia tốc góc quay thân xe)

Các thông số hình học trên mô hình:

- Chiều dài cơ sở lab

- Các kích thước chiều rộng vết lốp cầu trước là t t, của cầu sau t S

- Góc lệch bên của thân xe so với trục dọc của ô tô là 

- Góc quay của thân xe so với hệ trục tọa độ cố định 

Hình 2.2: Mô hình động lực học của ôtô

Khi chiếu lên mặt của đường có thể nhìn được hình vẽ trên:

Hình 2.3: ô hình tính toán cho ôtô

Xây dựng phương trình quay vòng ôtô

Theo nguyên lý Đalambe ta viết các phương trình cân bằng lực và mômen như sau:

Phương trình cân bằng lực theo phương dọc ôtô: 4 X

) (

sin ) (

sin ) ( cos    1 2  1 2 1 2   3 4 3 4 

mvcos  mv(    )sin   (S1S2)sin t (X1X2P f1P f2)cos t P X3X4P f3P f4 0

PT cân bằng mômen đối với trọng tâm T của ôtô: 4 Z

cos ) (

Từ mô hình và các phương trình cân bằng lực và mômen đã trình bày ở trên (chú ý

2.3 Mô hình hệ thống lái

Hệ thống lái trên ôtô tải là hệ thống cơ học đàn hồi, ở mô hình này góc quay bánh xe dẫn hướng t được coi là như nhau (trong thực tế góc quay này là khác nhau) Sự sai khác này không kể tới vì quan trọng hơn cả là xác định quan hệ của góc quay vành lái vvà góc quay bánh xe dẫn hướng t

Ta sử dụng mô hình tính toán với công thức sau: v

t l

i



 Khi sử dụng phương trình này, đề tài có chấp nhận giả thiết sau:

- Góc quay các bánh xe dẫn hướng là như nhau

- Các tác động của hệ thống treo đến bánh xe dẫn hướng được bỏ qua

Quan hệ động học của ôtô trong mô hình phẳng

Dưới tác dụng của sự thay đổi các phản lực thảng đứng, ôtô chuyển động trên

(2.6)

4 bánh xe Các quan hệ động học được mô tả trên hình 2.4

Hình 2.4 : Quan hệ động học của ôtô trong mô hình

Trên hình 2.4 chỉ ra quỹ đạo chuyển động của ôtô là một đường cong và được xác định bởi các vị trí liên tiếp của trọng tâm ôtô T gắn với hệ tọa độ di động Txyz so với hệ tọa độ cố định gắn với mặt đường Ox y z0 0 0 Như vậy, vận tốc tức thời của ôtô

là v đặt tại trọng tâm, tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động và nghiêng đi so với trục

dọc ôtô là α (gọi là góc lệch hướng chuyển động của ôtô) Góc quay tương đối giữa hai hệ tọa độ là ε và cũng chính là góc quay của trục dọc ôtô khi chuyển động

Chiếu vận tốc v lên hai trục Ox0 và Oy0 ta có tốc độ của trọng tâm xe:

vx

t

0

t

0 xo

Hình 2.5: Xác định vị trí trọng tâm ôtô tại một thời điểm

Nếu có hệ tọa độ mặt đường, biết x y0, 0, và các góc  , ε tại một thời điểm

nhất định thì ta hoàn toàn có thể xác định được vị trí của ôtô trên mặt đường Do vậy, mục tiêu của bài toán là xác định các góc , ε, tọa độ x y0, 0 nhằm xác định quỹ đạo chuyển động của ôtô Các thông số này là hàm mục tiêu của đề tài Thực tế

khi ôtô chuyển động, góc α chỉ cho biết góc lệch trục dọc thân xe với vận tốc tức

thời, tạo nên cảm giác lệch hướng của xe với đường, người lái cảm nhận và có thể tiến hành điều chỉnh hướng chuyển động này Còn đối với góc quay ε nói lên góc quay của thân xe trên mặt đường (quay quanh trục thẳng đứng Oz) Thông số này rất quan trọng, nó đóng vai trò chính trong việc khảo sát tính ổn định chuyển động của ôtô