Nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô khi phanh trên đường vòng

Nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô khi phanh trên đường vòng Nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô khi phanh trên đường vòng Nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô khi phanh trên đường vòng luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

NGUY ỄN QUỐC QUANG

NGHIÊN C ỨU QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHI PHANH

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

-

NGUY ỄN QUỐC QUANG

NGHIÊN C ỨU QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHI PHANH TRÊN

ĐƯỜNG VÒNG

CHUYÊN NGÀNH: K Ỹ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

LU ẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

K Ỹ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS PH ẠM HỮU NAM

HÀ NỘI - NĂM 2011

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

NGUY ỄN QUỐC QUANG

NGHIÊN C ỨU QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHI

PHANH TRÊN ĐƯỜNG VÒNG

CHUYÊN NGÀNH: K Ỹ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

LU ẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

K Ỹ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS PH ẠM HỮU NAM

HÀ NỘI - NĂM 2011

- 1 -

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-

LỜI CAM ĐOAN

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

Thầy giáo PGS.TS Phạm Hữu Nam 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 số liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Hà nội, ngày 22 tháng 11 năm 2011

Tác giả

Nguyễn Quốc Quang

Chương 4 SỬ DỤNG CÔNG CỤ SIMULINK MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHANH

Ô TÔ TRÊN ĐƯỜNG VÒNG2 44

- 4 -

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình: 1.2 Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất 12

Hình 1.4: Sơ đồ minh họa sự lăn lệch của bánh xe đàn hồi 16

Hình 2.1 Các lực, momen tác dụng lên bánh xe khi phanh 23 Hình 2.2: Bán kính cong của các bánh xe khi vào đường vòng 26

Hình 3.2: Mô hình một vết của ô tô khi chuyển động trên đường vòng 35

Hình 3.5 Mô hình một vết của ô tô khi phanh trên đường vòng 39

Hình 4.2 Chương trình tính toán quy luật góc quay bánh xe dẫn hướng 45

Hình 4.4 Chương trình tính toán các lực FR x1 Rvà FR y1 Rbằng Simulink 47 Hình 4.5 Chương trình tính toán các lực FR x2 Rvà FR y2 Rbằng Simulink 48

Hình 4.7 Chương trình tính toán góc lệch bên thân xe 50 Hình 4.8 Chương trình tính toán quỹ đạo chuyển động của ô tô 51 Hình 4.9 Chương trình tính toán momen các bánh xe khi phanh trên

Hình 4.10 Chương trình tính toán tải trọng thẳng đứng của các bánh xe

Hình 4.11 Chương trình tính toán góc lệch bên các bánh xe khi phanh trên 54

Hình 4.16 Chương trình tính toán lực dọc FR x1 R, lực ngang FR y1 R theo mô hình

Hình 4.17 Chương trình tính toán lực dọc FR x2 R, lực ngang FR y2 R theo mô hình

Hình 5.2 Gia tốc, vận tốc góc xoay thân xe khi chuyển động ổn định trên

- 6 -

CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG TRONG LUẬN VĂN

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

b m Khoảng cách từ tâm cầu sau đến trọng tâm T

GR 1 N Trọng lượng phân ra cầu trước

GR 2 N Trọng lượng phân ra cầu sau

2 Mô men quán tính của ô tô quay quang trục x

CR 1 N/rad Độ cứng góc của lốp trước

CR 2 N/rad Độ cứng góc của lốp sau

αR 1 rad Góc lệch bên bánh xe trước

αR 2 rad Góc lệch bên bánh xe sau

- 7 -

ZR 1 N Phản lực từ mặt đường lên bánh xe trước

ZR 2 N Phản lực từ mặt đường lên bánh xe sau

- 8 -

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nền kinh tế của Việt Nam đang trên đà tăng trưởng mạnh, đời sống của người dân tăng cao, nhu cầu đi lại, mua sắm các phương tiện cá nhân cũng tăng Tuy nhiên trong điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông đã từng bước được cải thiện do đó tốc độ của các phương tiện tham gia giao thông từng bước được nâng lên làm cho thời gian tham gia giao thông ngắn lại, mạng lại nhiều lợic ích về kinh

tế Song khi tăng vận tốc của phương tiện tham gia giao thông lên cao lại liên quan đến vấn đề an toàn giao thông đây là một vấn đề nổi cộm mang tính thời sự nóng bỏng Để cải thiện vấn nạn giao thông cần phải nâng cao ý thức của người tham gia giao thông, người điều khiển các loại phương tiện cơ giới đường bộ như ô tô, xe máy

Trong thời gian thực hiện khóa học và thời gian làm luận văn tôi luôn nhận

được sự giúp đỡ tận tình của Thầy giáo hướng dẫn khoa học: PGS TS Phạm Hữu Nam cùng các thầy giáo trong bộ môn Ô tô và xe máy chuyên dụng - Viện Cơ khí

động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cám ơn PGS TS Phạm Hữu Nam cùng các thầy giáo trong bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng cùng các

đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Để đưa ra được những kết luận liên quan đến ảnh hưởng của quá trình phanh khi ô tô đi trên đường vòng, từ đó chỉ ra những yếu tố tác động tích cực cũng như những tác động tiêu cực ảnh hưởng đến tính ổn định quỹ đạo chuyển động của

ô tô cần xem xét những yếu tố lên quan đến quá trình chuyển động của ô tô Từ các

phân tích và lý do nêu trên tôi đã đề xuất đề tài "Nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ôtô khi phanh trên đường vòng"

Nội dung của luận văn này được trình bầy qua các chương:

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Xây dựng Mô hình tính toán bánh xe

Chương 3 Xây dựng mô hình một vết khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô

tô khi phanh trên đường vòng

- 9 -

Chương 4 Sử dụng công cụ Simulink mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô

tô khi phanh trên đường vòng

Chương 5 Khảo sát, phân tích, đánh giá các chỉ tiêu ảnh hưởng đến quỹ đạo của ô tô khi phanh trên đường vòng

Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài không tránh khỏi những sai sót Tôi mong nhận được sự đóng góp, tham gia ý kiến bổ sung

Tôi cũng chân thành xin cám ơn Viện Đào tạo Sau đại học - Đại học Bách khoa Hà Nội; Trường Trung cấp nghề Sơn La đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

Sơn la, ngày 22 tháng 11 năm 2011

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Quốc Quang

- 10 -

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Nhi ệm vụ, tầm quan trọng của hệ thống phanh ô tô đối với tính năng phanh c ủa ô tô và an toàn chuyển động của xe:

Hệ thống phanh được bố trí trên ô tô bao gồm: Phanh chính (phanh chân); Phanh phụ (phanh tay) và một số loại phanh khác nhằm mục đích giảm vận tốc hoặc

dừng hẳn khi cần thiết Nhờ có hệ thống phanh mà người lái xe có thể nâng cao vận

tốc chuyển động trung bình của ô tô và đảm bảo an toàn khi chuyển động (ổn định hướng chuyển động của ô tô)

Hệ thống phanh chính được bố trí tại các bánh xe để hãm trực tiếp tốc độ góc

của các bánh xe hoặc một trục nào đấy thông qua hệ thống truyền lực và truyền động phanh để dẫn động các cơ cấu phanh;

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh của ô tô

Để đảm bảo an toàn cho ô tô trong quá trình phanh qua các công trình nghiêm cứu đã chỉ ra các yếu tố quyết định đến chất lượng quá trình phanh ô tô được đánh giá qua những chỉ tiêu về tính hiệu quả và tính ổn định hướng như sau:

1.2.1 Chỉ tiêu hiệu quả:

Là đánh giá khả năng dừng xe một cách nhanh chóng, hay nói cách khác là khả năng tạo ra PR P R lớn nhất tại điểm tiếp xúc giữa các bánh xe với mặt đường để tạo ra được Thông thường việc đánh giá chỉ tiêu hiệu quả khi phanh được đánh giá qua các thông số:

- Gia tốc chậm dần khi phanh:

PR J R= PR P R+ PR f R + PR ω R + PR η R ± PR i

ở đây

PR J R - Lực quán tính sinh ra khi phanh ô tô;

PR P R - Lực phanh sinh ra ở các bánh xe;

PR f R - Lực cản lăn

PR ω R - Lực cản không khí

Pη - Lực để thắng tiêu hao cho ma sát cơ khí (Ma sát ở ổ bi v.v.v)

- 11 -

PR i R - Lực cản lên dốc Khi phanh trên đường bằng thì lực cản lên dốc Pi = 0;

Thực nghiệm chứng tỏ rằng các lực PR f R; PR ω R; PR η R cản lại sự chuyển động của ô

tô có giá trị rất bé so với lực phanh PR P R Lực phanh PR P Rchiếm đến 98% của tổng các

lực có xu hướng cản lại sự chuyển động của ô tô, vì thế có thể bỏ qua các lực FRfR;

P ω; P η trong phương trình và khi phanh ô tô trên đường bằng (Pi = 0) ta sẽ có

phương trình lực phanh ô tô như sau:

Lực phanh lớn nhất PR Pmax Rsinh ra tại bánh xe được xác định theo biểu thức:

PR Pmax R = PR jmax R Theo điều kiện bám PR pmax R≤ Pφ ≤ ϕ .G (1.2)

Hình: 1.1 Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt

Thông qua đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt cho thấy với giá trị

phanh phát huy được hiệu quả cao nhất Khi độ trượt φR x R có giá trị thấp lực đó lực phanh PR Pmax R> P φ các bánh xe sẽ sảy ra hiện trượng trượt dọc Khi giới hạn bám

ngang φR y Rnhỏ nếu có lực ngang tác động vào xe sẽ làm cho xe bị trượt ngang

- 12 -

Hình: 1.2 Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất

theo tốc độ bắt đầu phanh νR1 Rvà hệ số bám

Ở vận tốc bắt đầu phanh νR 1 Rcàng cao thì quãng đường phanh S càng lớn vì quãng đường phanh phụ thuộc bậc 2 vào νR 1 R.R R

Hệ số bám φ càng cao thì lực phanh càng lớn do đó quãng đường phanh S càng ngắn

Mặt khác trong quá trình phanh ô tô còn sảy ra hiện tượng phân bố lại tải trọng của ô tô do vậy ta cần phải xem xét đến yếu tố phân bố lực phanh ở cầu trước

và sau của ô tô như sau:

Trong quá trình ô tô làm việc, thường phanh với gia tốc chậm dần thấp hơn nhiều, phanh đột ngột chỉ sảy ra trong những lúc cần thiết

- Điều kiện phân bố lực phanh cầu trước và sau:

Trong quá trình phanh có sảy ra hiện tượng phân bố lại trọng lượng của xe

trên cầu trước và cầu sau nên trong quá trình xem xét ta cần xét đến khả năng này Điều kiện đảm bảo phanh tối ưu (phanh có hiệu quả nhất) thông qua sơ đồ trình bày các lực tác dụng lên ô tô khi phanh như sau:

Trọng lượng G của ô tô đặt tại trọng tâm O, lực cản lăn PR f1 R; PR f2 Rở các bánh xe trước và sau, phản lực thẳng góc ZR 1 R; ZR 2 R lên các bánh xe trước và sau Lực phanh ở

- 13 -

các bánh xe trước và sau PR p1 R; PR p2 R và lực cản không khí PR ω R; lực quán tính PR j R sinh ra

do khí phanh sẽ có gia tốc chậm dần (hình 1.3)

Hình 1.3: Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh

Lực phanh PR p1 R và PR p2 R đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường và

ngược chiều chuyển động của ô tô, còn lực quán tính PR j R đặt tại trọng tâm và cùng chiều chuyển động của ô tô khi đó lực quán tính PR j R được xác định theo biểu thức sau:

JR p R – Gia tốc chậm dần khi phanh

δR i R– Hệ số tính đến ảnh hưởng của các chi tiết chuyển động quay

Khi phanh thì lực cản không khí PR ω R và lực cản lăn PR f1 Rvà PR f2 R không đánh kể nên có thể bỏ qua, sự bỏ qua này chỉ gây sai số khoảng 1,5 – 2%

Bằng cách lập các phương trình cân bằng mô men của các lực tác dụng lên ô

tô khi phanh đối với các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường tại các điểm A

- 14 -

Ở đây a, b, hR g Rlà tọa độ trọng tâm của ô tô

L – Chiều dài cơ sở của ô tô

Thay giá trị PR j Rta được:

Trong quá trình phanh thì lực cản lăn FR f1 R và FR f2 Rkhông đáng kể nên ta có thể

bỏ qua do đó có thể viết như sau: PR j R = PR p1 R + PR p2 R và

+

=

Biểu thức này chính là điều kiện để đảm bảo sự phanh có hiệu quả nhất Từ

biểu thức này cho thấy rằng, trong điều kiện sử dụng của ô tô thì tọa độ trọng tâm luôn thay đổi do thay đổi tải trọng khác nhau và hệ số bám φ cũng luôn thuôn thay đổi do ô tô có thể chạy trên các loại đường khác nhau do vậy tỷ số PR p1 R/PR p2 R luôn thay đổi trong điều kiện sử dụng Nghĩa là để đảm bảo hiệu quả phanh tốt cần phải có lực

và xem xét trong nội dung luận này

1.2.2 Chỉ tiêu ổn định hướng chuyển động:

Tính ổn định hướng của ô tô là khả năng đảm bảo giữ được quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau Khi phanh ô tô do

có tác động của lực phanh sinh ra các lực ngang tác động lên các bánh xe khi đó sẽ làm cho ô tô bị lệch hướng chuyển động dẫn đến việc chiếm các vị trí, làn đường khác hoặc vượt khỏi làn đường được phép chạy gây ra các tai nạn ngoài ý muốn

Các lực ngang sinh ra trong quá trình ô tô chuyển động do các nguyên nhân sau:

- Lực gió tác dụng theo phương ngang vào ô tô, do đường nghiêng dẫn đến làm cho ô tô bị thay đổi trọng tâm hoặc khi ô tô đi vào đường vòng do có lực ly tâm nên sinh ra lực ngang;

- Do phân bố lực phanh hoặc quá trình phát triển lực phanh của các bánh xe không đều;

- Do điều kiệm bám của các bánh xe không đều nhau

Khi lực ngang có giá trị nhỏ (PR y R< G.φR y R) thì sự thay đổi hướng chuyển động của bánh xe là do sự biến dạng đàn hồi của lốp (hình 1.4) Nhưng khi lực ngang PR y

Rtăng dần tới giá trị của lực bám ngang thì lốp bắt đầu bị trượt Nếu lực ngang lớn hơn (PR y R≥ G.φR y R) thì lốp xe sẽ bị trượt ngang hoàn toàn, ảnh hưởng trực tiếp đến tính

năng dẫn hướng và tính năng ổn định hướng của xe

- 16 -

Hình 1.4: Sơ đồ minh họa sự lăn lệch của bánh xe đàn hồi

a Khi không có lực ngang tác dụng

b Khi có lực ngang tác động

c Biểu đồ phân bố lực ngang ở vết bánh xe

- Khi ở chế độ quay vòng ổn định lực ngang PR y R tác động vào sẽ sinh ra hiện tượng xoay thân xe

- Khi phanh xe trên đường vòng lực ly tâm sẽ làm thay đổi tải trọng phân bố nên sẽ làm thay đổi giới hạn bám của các bánh xe phía trong và phía ngoài Trong quá trình phanh ô tô thì trục dọc của ô tô có thể bị nghiêng đi một góc β nào đó so với hướng của quỹ đạo đang chuyển động Sở dĩ như vậy do tổng các lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên phải khác với tổng các lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên trái và tạo thành mô men quay vòng MR q Rquanh trục thẳng đứng Z đi qua trọng tâm A của ô tô Giả sử ô tô đang chuyển động theo hướng của trục X nhưng sau khi

phanh ô tô bị lệch đi một góc β Trong khi phanh thì ở các bánh xe bên phải có lực phanh PR p.ph1 Rở trục trước và PR p.ph2 Rở trục sau còn ở các bánh xe bên trái có các lực phanh PR ptr Rở trục trước và PR ptr2 Rở trục sau (Xem hình 1.5)

- 17 -

Hình 1.5: Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh

Tổng các lực phanh ở các bánh xe bên phải là:

Tổng các lực phanh ở các bánh xe bên trái là:

Giả sử tổng các lực phanh bên phải PR p.ph R lớn hơn tổng các lực phanh bên trái

Phương trình chuyển động của ô tô đối với trọng tâm A được viết dưới dạng như sau:

- 18 -

Vì ô tô xoay đi một góc β nghĩa là momen quay vòng MR q Rlớn hơn rất nhiều

so với mômen do các lực RR y1 R và RR y2 R sinh ra cho nên để đơn giản cho tính toán có thể bỏ qua các lực RR y1 Rvà RR y2 Rlúc đó phương trình có dạng:

Ở đây:

IR z R - Mômen quán tính của ô tô quanh trục Z đi qua trọng tâm A

Lấy tích phân hai lần phương trình (1.16) ta được

Trong đó t là thời gian phanh

Để tìm giá trị của C ta sử dụng điều kiện ban đầu khi t = 0 thì β =0 và lắp vào phương trình (1.17) ta có C = 0, từ đó rút ra được biểu thức cuối cùng để xác định góc lệch β do mômen quay vòng MR q R gây nên mà mômen MR q Rlà do sự không đồng đều lực phanh ở các bánh xe phái bên phải và phái bên trái của ô tô tạo ra:

Từ biểu thức (I.18) thấy rằng góc lệch β tỷ lệ thuận với MR q R, với bình phương của thời gian phanh t và tỷ lệ nghịch với momen quán tính IR z Rcủa ô tô quanh trục Z đi qua trọng tâm của nó Nhằm đảm bảo tính ổn định khi phanh độ chênh lệch tối đa giữa các lực phanh ở các bánh xe trên cùng 1 trục không được vượt quá 15% so với giá trị lực phanh cực đại ở các bánh xe của trục này

Trong trường hợp các bánh xe có lực phanh lớn nhất PR pmax R theo điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường thì lực phanh thấp nhất của các bánh xe ớ phía bên trái cho phép là:

P m

Z

BP

t I

Vậy khi phanh mà ô tô bị quay đi một góc quá mức quy định sẽ ảnh hưởng đến an toàn chuyển động trên đường Do đó tính ổn định khi phanh chính là khả năng giữ được quỹ đạo chuyển động như ý muốn của người lái xe trong quá trình phanh

1.3 Các nguyên nhân gây mất ổn định hướng của xe:

Trong quá trình phanh ô tô có rất nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng làm tính ổn định hướng chuyển động của ô tô như:

- Do bánh xe bị hãm cứng: Trong quá trình phanh ô tô khi một trong các bánh xe bị hãm cứng, nếu bánh xe cầu trước bị hãm cứng sẽ gây ra hiện tượng mất tính dẫn hướng của ô tô; Khi một trong các bánh xe cầu sau bị hãm cứng gây ra hiện tượng trượt lết của xe và gây ra hiện tượng trượt ngang

1 4 Phanh xe trên đường vòng và khả năng gây mất ổn định hướng:

Khi xe chuyển động đều, ổn định trên đường vòng luôn có lực ly tâm sinh

ra đây chính là nguyên nhân hình thành nên thành phần lực ngang tác dụng lên xe

Khi đó lực ly tâm được tính theo công thức sau:

Trong đó:

m là trọng lượng của ô tô

v là vận tốc của ô tô khi quay vòng

r là bán kính quay vòng

Quan sát công thức cho thấy lực ly tâm FR lt Rtỷ lệ thuận với trọng lượng của xe; với bình phương vận tốc và tỷ lệ nghịch bán kính quay vòng Với công thức này thì khi trọng lượng và vận tốc của ô tô càng lớn, bán kính quay vòng càng nhỏ thì lực

ly tâm sinh ra càng lớn

Khi quay vòng do có lực ly tâm nên ô tô sẽ chịu tác động lực ngang Thành phần lực ngang này là nguyên nhân gây nên mất ổn định hướng của xe khi phanh đặc biệt khi các bánh xe bị hãm cứng

Qua những nội dung đã đề cập trong chương này cho thấy, thực chất của việc nghiên cứu quá trình phanh là nghiên cứu ảnh hưởng của các lực tác tác động vào bánh xe ô tô trong quá trình phanh với trường hợp bánh xe đàn hồi sẽ được xem xét trong Chương 3 của đề tài này

1.5 Một số công trình đã nghiên cứu về phanh và quỹ đạo chuyển động của ô

tô trên đường vòng:

Ở nước ta đã có nhiều công trình nghiên cứu về chất lượng và hiệu quả phanh ô tô cũng như hiệu quả của hệ thống phanh như:

- 21 -

Tác giả Phạm Hữu Nam với đề tài “Xây dựng các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả

phanh ô tô ở Việt Nam”; GS-TSKH Nguyễn Hữu Cẩn với đề tài "Kết quả nghiên cứu về hiệu quả phanh ô tô khi cơ cấu phanh ướt" Các đề tài này có ý nghĩa rất lớn

đối với phân tích lựa chọn các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh ô tô đang sử dụng ở Việt Nam

Tác giả Nguyễn Quang Tuyến; Nguyễn Mạnh Cường (Đại học Bách khoa Hà

nội) với đề tài "Nghiên cứu về các nhân tố ảnh hưởng đến tính ổn định hướng của ô

tô khi phanh trên đường thẳng"; Trong đề tài này tác giả đã tập trung nghiên cứu

những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng phanh ô tô khi chuyển động trên đường thẳng, không chịu tác động của lực ngang Tác giả chỉ ra được nguyên nhân chủ yếu gây ra mất tính ổn định hướng chuyển động khi phanh ô tô trên đường thẳng là hiện tượng các bánh xe bị hãm cứng (hiện tượng trượt lết khi phanh) Nếu bánh trước bị hãm cứng xe bị mất khả năng dẫn hướng; khi bãnh sau bị hãm cứng sẽ sinh

ra hiện tượng trượt ngang gây ra mất tính ổn định hướng của ô tô

Tác giả Lê Đức Hiếu với đề tài nghiên cứu về "Đặc tính quay vòng của xe

du lịch" Tác giả đã chỉ ra được các yếu tố tác động vào quỹ đạo chuyển động của

xe du lịch khi chuyển động ổn định trên đường vòng Trong quá trình nghiên cứu tác giả đã chỉ ra được ảnh hưởng của lực ngang đến quỹ đạo chuyển động của ô tô Tuy nhiên quá trình ô tô chuyển động trên đường vòng lực tác động vào ô tô (lực kéo) có giá trị ổn định và không có hiện tượng phân bố lại tải trọng của ô tô Do vậy trong đề tài tác giả đã chưa xem xét đến các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình chuyển động của ô tô khi có sự thay đổi các lực tác dụng vào nó (sự tăng dần của lực phanh; ảnh hưởng của sự phân bố lại tải trọng, sự thay đổi khả năng bám của ô

tô )

Phanh xe trên đường vòng là một trong những trạng thái chuyển động nguy hiểm Do quá trình phanh trên đường vòng có lực ly tâm nên đã sinh ra lực ngang; mặt khác trong quá trình phanh trên đường vòng còn có sự chênh lệch lực phanh giữa các bánh xe cầu trước - cầu sau, các bánh xe phía trong - phía ngoài vòng cua (do sự phân bố lại tải trọng của xe trong quá trình phanh) nó có tác động, ảnh hưởng

- 22 -

không nhỏ đến tính chất ổn định hướng chuyển động của ô tô Tuy nhiên với những

xe hiện đại các nhà thiết kế đã bố trí bộ điều hòa lực phanh; bộ chống hãm cứng bánh xe (hệ thống ABS), song ở nước ta hiện nay và đặc biệt là trên địa bàn tỉnh Sơn La vẫn còn đang sử dụng các thế hệ xe cũ (chưa được bố trí hệ thống ABS) Để khảo sát về quỹ đạo chuyển động từ đó đề xuất những biện pháp để đảm bảo tính năng an toàn trong quá trình phanh trên đường vòng Vì vậy tôi đã lựa chọn đề tài

"Nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ôtô khi phanh trên đường vòng"

Với đề tài này tôi tập trung nghiên cứu, phân tích quỹ đạo chuyển động của ô

tô không có ABS khi phanh trên đường vòng nhằm mục tiêu:

- Xây dựng mô hình nghiên cứu quá trình phanh ôtô trên đường vòng

- Khảo sát quỹ đạo chuyển động của xe ứng với các trạng thái phanh khác nhau

- Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến tính ổn định chuyển động của ô tô như: lực phanh, vận tốc ban đầu khi phanh, bán kính quay vòng khi phanh của ô tô khi phanh ô tô trên đường vòng;

- Đề xuất các biện pháp sử dụng phanh xe trên đường vòng nhằm tăng tính năng an toàn giao thông

Tuy nhiên do khả năng và trình độ của bản thân, nên với đề tài này tôi chỉ tập trung nghiên cứu về quỹ đạo chuyển động của ô tô khi phanh trên đường vòng với

mô hình một vết

Nội dung của luận văn này được trình bầy qua các chương:

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Xây dựng Mô hình tính toán bánh xe

Chương 3 Xây dựng mô hình một vết khảo sát quỹ đạo của ô tô khi phanh trên đường vòng

Chương 4 Sử dụng công cụ Simulink mô phỏng quá trình phanh ô tô trên đường vòng

Chương 5 Khảo sát, phân tích, đánh giá các chỉ tiêu ảnh hưởng đến quỹ đạo của ô tô khi phanh trên đường vòng

- 23 -

Chương 2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BÁNH XE

Lực tác dụng vào bánh xe tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường là yếu tố có ý nghĩa quan trọng quyết định đến tính năng động lực học hướng chuyển động của ô tô

Trong quá trình chuyển động của bánh xe đàn hồi trên nền cứng chịu các lực tác dụng gồm: tải trọng thẳng đứng GR b R khi đó bánh xe bi biến dạng theo phương thẳng đứng gây ra hiện tượng thay đổi bán kính của bánh xe trong quá trình chuyển động, ngoài ra các lực kéo, lực phanh, lực cản lăn đây là các lực gây ra hiện tượng biến dạng dọc của lốp, dưới tác của lực ngang bánh xe sẽ bị biến dạng ngang là nguyên nhân làm lệch hướng chuyển động của ô tô

2.1 Các lực và momen tác dụng lên bánh xe

Việc xây dựng mô hình tính toán bánh xe nhằm mục đích phân tích, xác định các lực tác dụng vào bánh xe, thông qua đó tính toán được quỹ đạo chuyển động của bánh xe dưới tác dụng của lực dọc và lực ngang Các thành phần lực và mô men tác dụng lên bánh xe được thể hiện trong hình 2.1

Hình 2.1 Các lực, momen tác dụng lên bánh xe khi phanh

+ Lực pháp tuyến là thành phần lực thẳng góc với mặt đường kí hiệu là FR Z R

được quyết định bởi tải trọng thẳng đứng Gb;

- 24 -

+ Phản lực tiếp tuyến tác dụng trong mặt phẳng bánh xe và có chiều ngược chiều chuyển động của bánh xe

+ Lực dọc FR x R Trong trường hợp xe chuyển động thẳng lực dọc FR x R = PR x R- FR f R -

FR ω R; Trong trường hợp phanh thì lực dọc FR x R= PR P R + FR f R + FR ω

+ Lực ngang nằm trong mặt phẳng của đường và vuông góc với mặt phẳng bánh xe kí hiệu là FR y R;

Khi phanh xe ô tô Momen phanh là giá trị thay đổi tăng dần từ MR P R = 0 đến

MR Pmax Rdẫn đến lực phanh tại các bánh xe cũng được thay đổi tăng dần từ giá trị PR P R=

0 đến PR Pmax R do vậy lực dọc PR X Rtác dụng lên các bánh xe cũng biến thiên theo chiều tăng dần từ 0 - max và được phân bố trên cả cầu trước và cầu sau Trong trường hợp phanh ô tô thì tất cả các bánh xe đều là bánh xe chủ động khi đó các lực tác dụng được tính như sau:

Các lực dọc và lực bên tác dụng lên bánh xe

+ Lực theo phương dọc của bánh xe:

Fx = F os +F sinx c α α (2.1) + Lực tác dụng theo phương ngang của bánh xe:

Đối với xe một cầu chủ động phía trước, các bánh xe phía trước là các bánh

xe dẫn hướng thì: Fxi = F os -F sinx c δ y δ và Fyi =F osy c δ +F sinx δ (2.4)

Đối với lực ngang có thể tính theo góc lăn lệch của lốp như sau:

yi

F = Ci αi Trong đó: + CR i Rlà độ cứng góc của lốp thứ i

+ αR i Rlà góc lăn lệch của bánh thứ i

2.2 Tính toán các thông số làm việc của bánh xe:

Trong quá trình chuyển động bánh xe chịu các lực và mô men tác dụng theo phương thẳng đứng và phương ngang Dưới tác dụng của các lực này làm cho bánh

xe bị biến dạng Lực thẳng đứng làm cho bánh xe bị biến dạng theo phương hướng kính do đó bán kính lăn thực tế của bánh xe nhỏ hơn bán kính tĩnh Dưới tác dụng của lực dọc và mo men quay hoặc mo men phanh làm cho bánh xe bị trượt dọc Dưới tác dụng của lực ngang làm cho bánh xe bị biến dạng ngang sinh ra góc lăn lẹch làm ảnh hưởng tỉnh ổn định hướng chuyển động của xe

Tính toán các thông số làm việc của bánh xe báo gồm tính vận tốc chuyển động của bánh xe (tốc độ chuyển động tịnh tiến của trục bánh xe và tốc độ góc của bánh xe), tính độ trượt dọc, trượt ngang của bánh xe, tính các lực theo phương X và phương Y, phương Z ở vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường

Việc tính toán đầy đủ các thông số trên rất phức tạp và cần có các thông sốriêng cho từng loại lốp Trong thực tế để đơn giản việc tính toán nhiều tác giả đã

đề xuất các mô hình tính toán lốp trên sự tổng kết các số liệu thực nghiệm, kết hợp với tính toán hình học để xác định các thông số làm việc của bánh xe

2.2.1 Phương pháp tính vận tốc của các bánh xe theo bán kính quay vòng

Phương pháp này được dựa vào độ chênh lệch ΔR ij R giữa khoảng cách từ tâm các bánh xe đến trục dọc của xe để vận tốc tại các bánh xe

Hình 2.2: Bán kính cong của các bánh xe khi vào đường vòng

Với các giá trị của ∆Rij ta có thể xác định được vận tốc của các bánh xe theo công thức sau:

- a, b là khoảng cách từ trọng tâm của xe đến cầu trước và sau

- v Vận tốc chuyển động của thân xe

2.2.2 Xác định độ trượt của bánh xe

Hình 2.3: Mô hình tính toán trượt của bánh xe

Trên hình 2.3 là sơ đồ tính toán độ trượt của bánh xe khi chuyển động trên đường vòng với góc đánh lái δ so với trục dọc và góc lệch bên α

Trong đó các ký hiệu

υR R R: Vận tốc tức thời của trục bánh xe

υw: Vận tốc của trục bánh xe (khi xét đên góc lệch bên α)

R n

Ở đây giá trị λR d Rluôn luôn nằm trong khoảng từ 0 đến 1 trong trường hợp kéo

và 0 đến - 1 trong trường hợp phanh Độ trượt tổng cộng của bánh xe là:

os r os

t t

mô hình tính lốp thường sử dụng là mô hình Pajeka, mô hình Amonn; mô hình Dugoff…

2.3 Mô hình tính toán bánh xe

Mô hình Dugoff thường được sử dụng để tính toán các thông số làm việc của

bánh xe ở chế độ phanh dựa trên các thong số đầu vào:

- Góc lệch bên của các bánh xe, α

- Vận tốc thân xe, v

- Độ trượt dọc của bánh xe, λ

- Độ cứng dọc, CR x R và độ cứng bên của lốp, CR y

- Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe, FR Z

Các công thức tính bánh xe theo mô hình Dugoff gồm có:

- Vận tốc của bánh xe khi có mặt cả độ trượt dọc và độ trượt ngang

x x z x

s i z y

x x i x

- 32 -

2.4 Kết luận:

Trong quá trình chuyển động các bánh xe chịu tác dụng của các lực, các mô men theo phương dọc, ngang và thẳng đứng Bánh xe bị biến dạng theo phương tưng ứng ảnh hưởng đến chuyển động của bánh xe Sử dụng các kết quả tính toán trong chương 3 cho phép xác định được các thông sô làm việc của lốp (ở cả chế dộ kéo và chế độ phanh)

Các công thức ở trong chương 3 là được sử dụng để tính toán các thông số của ô tô trong mô hình phanh trên đường vòng

- 33 -

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MỘT VẾT KHẢO SÁT QUỸ ĐẠO CỦA Ô TÔ KHI PHANH TRÊN ĐƯỜNG VÒNG

3.1 Đặc điểm quá trình phanh ô tô:

Đối với hệ thống phanh một dòng, dựa trên cơ sở đặc trưng chuyển động của các bánh xe ô tô trong quá trình phanh có thể phân chia quá trình phanh ô tô thành

ra ba giai đoạn để nghiên cứu như sau:

Giai đoạn 1: Tính từ thời điểm bắt đầu xuất hiện mô men phanh ở các bánh

xe cho tới khi các bánh xe ở một trục nào đó bị hãm cứng (với trường hợp này ta thừa nhận giả thiết về sự đồng đều của mô men phanh ở các bánh xe trên cùng một trục) Trong giai đoạn này, các bánh xe của cùng một trục đều chuyển động lăn và

có kèm theo cả hiện tượng trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của lốp xe với mặt đường

Độ trượt (λ) của các bánh xe tăng tỷ lệ với trị số mô men phanh tác dụng lên chúng

Hệ số bám của bánh xe với bề mặt đường biến đổi theo thời gian theo quan hệ φ = f(λ,v)

Giai đoạn 2: Tính từ sau khi các bánh xe của một trục nào đó bị hãm cứng đến khi các bánh xe của trục còn lại bị hãm cứng Trong giai đoạn này, đối với các bánh xe của trục đã bị hãm cứng từ cuối giai đoạn 1, hệ số bám của bánh xe đó với mặt đường biến đổi chỉ phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của xe theo quan hệ φ = f(v) Đối với các bánh xe của trục còn quay trong giai đoạn này, hệ số bám biến đổi theo quan hệ φ = f(λ,v) như đã nêu ở trên

Giai đoạn 3: Tính từ thời điểm mà tất các các bánh xe trên các trục đều bị hãm cứng hoàn toàn, sẽ tiếp tục bị trượt lết trên mặt đường (do tác dụng của lực quán tính) cho đến khi xe dừng lại hẳn kết thúc quá trình phanh

Trong giai đoạn này hệ số bám của các bánh xe với bề mặt đường biến đổi chỉ phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của ô tô φ = f(v)

Việc phân chia quá trình phanh ô tô thành 3 giai đoạn như trên cho thấy rõ tính chất chuyển động của các bánh xe khi phanh Trong quá trình phanh, các bánh

xe chuyển từ trạng thái lăn trơn (khi phanh tách động cơ khảo hệ thống truyền lực

- 34 -

bằng cách ngắt ly hợp) sang trạng thái lăn có kèm trượt cục bộ rồi tới trạng thái bị hãm cứng (trượt hoàn toàn) Hệ số bám φ (bám dọc và bám ngang) của bánh xe với mặt đường luôn biến đổi và khi chuyển từ trạng thái trượt cục bộ sang trượt hoàn toàn thì trị số của hệ số bám đặc biệt là trị số của hệ số bám ngang rất nhỏ làm ảnh hưởng xấu không những đến hiệu quả phanh của xe mà còn làm mất tính ổn định hướng của xe khi phanh

Các đặc trưng động học của ô tô trong quá trình phanh được trình bầy như sau:

i bx

v r

Ký hiệu I, k là chỉ số bánh xe bên trái và bên phải ở cầu trước và cầu sau

3.2 Sự biến đổi của hệ số bám φ trong quá trình phanh

Sự tác động tương hỗ giữa bánh xe với mặt đường có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng động học và tính ổn định hướng của ô tô trong quá trình chuyển động Đặc trưng cho tác động này được mô tả bằng quan hệ φ =f(λ,v) giữa hệ số bám (φ)

- 35 -

với độ trượt (λ) của bánh xe với mặt đường và vận tốc chuyển động của ô tô (v) trị

số các thành phần của hệ số bám (hệ số bám dọc và hệ số bám ngang) thường được

sử dụng trong các công thức tính toán ổn định chuyển động và tính năng động lực, tính an toàn trong quá trình phanh xe ô tô Trong quá trình chuyển động quay vòng của ô tô, lực ngang tác dụng lên các bánh xe dẫn hướng làm biến dạng lốp cao su, gây ảnh hưởng tới tính ổn định chuyển động của xe Khi trị số lực ngang vượt quá giới hạn bám ngang giữa bánh xe và mặt đường sẽ làm cho xe mất tính dẫn hướng Trong quá trình phanh mối quan hệ φ =f(λ,v) giữ vai trò quyết định đến các thông

số như giảm tốc cực đại, quãng đường phanh ngắn nhất, thời gian phanh ngắn nhất

Vì vậy việc nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến sự bám giữa bánh xe với mặt đường có ý nghĩa làm cơ sở cho việc tính toán các chỉ tiêu động lực ô tô khi phanh

3.3 Mô hình khảo sát chuyển động của ô tô khi phanh trên đường vòng

3.3.1.Mô hình một vết của ô tô

Để khảo sát đầy đủ chuyển động của ô tô phải xây dựng mô hình không gian phải sử dụng mô hình hai vết Tuy nhiên để nghiên cứu các đặc tính động lực học chung nhất của ô tô khi phanh trên đường vòng có thể sử dụng mô hình một vết để xác định các lực tác dụng và quỹ đạo chuyển động của xe

Hình 3.2 trình bầy mô hình một vết của ô tô Trong hệ tọa độ tuyệt đối OXY các bánh xe cầu trước (cầu sau) được quy về một bánh chung (bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau) được liên kết với nhau bằng thanh cứng không biến dạng Khi bánh xe dẫn hướng quay đi một góc δ thì các lực và mô men tác dụng lên xe gồm có: lực dọc FR x R, lực ngang FR y R, lực quán tính FR z R, lực ly tâm FR lt R, tải trọng thẳng đứng

FR z R lực cản lăn FR f R, lực cản không khí FR ω R Góc lệch bên các bánh xe cầu trước và sau

là αR 1 R, αR 2 R, góc lệch thân xe β, góc xoay thân xe ψ Các thông số về tọa độ trọng tâm

l, a, b, khối lượng của xe là M Khoảng cách giữa các điểm đặt lực ở vùng tiếp xúc của bánh xe cầu trước và sau với trục bánh xe nR 1 R và nR 2 R nhỏ hơn rát nhiều so với khoảng các a, b nên trong tính toán đã bỏ qua trị số này Trong quá trình phanh các

- 36 -

lực cản lăn và lực cản gió nhỏ nên bỏ qua (với giả thiết khi khảo sát không có gió ngang)

Hình 3.2: Mô hình một vết của ô tô khi chuyển động trên đường vòng

3.3.2 Mô hình một vết tính toán chuyển động ổn định của ô tô trên đường vòng

Trong trường hợp xe chuyển động ổn định trên đường vòng các lực và mô men tác dụng lên xe gồm có:

- Các lực có phương cùng chiều với chiều chuyển động của ô tô theo phương

X gồm FR x1 R.Cocδ; FR x2 Rcác lực này tạo nên chuyển động tịnh tiến của ô tô

- Các lực có phương ngược chiều với chiều chuyển động của ô tô theo phương X gồm FR f1 R; FR f2 R; FR ω R; mvcác lực này cản lại chuyển động của ô tô

R R- CácR Rlực vuông góc với chiều chuyển động của ô tô theo phương X gồm

FR y1 R; FR y2 R; FR x R.sin; FR lt Rcác lực này sinh ra hiện tượng làm xoay thân xe và hiện tượng trượt ngang trong quá trình chuyển động của ô tô

Trong quá trình chuyển động ổn định trên đường vòng chỉ có mô men kéo tác dụng lên bánh xe chủ động Trị số mô men này nhỏ Gia tốc góc của bánh xe bằng 0, vận tốc góc của bánh xe không đổi, vận tốc chuyển động của ô tô trên đường vòng là không đổi Trên cơ sở đó ta xây dựng các phương trình vi phân xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô trên đường vòng

Các q uan hệ động học của mô hình

Trong thực tế ô tô sử dụng lốp đàn hồi cho nên quỹ đạo chuyển động của ô tô không còn đúng như lý tưởng do có góc lệch bên của các bánh xe, khi đó xuất hiện

- 37 -

lực ngang, dưới tác dụng của lực ngang nó làm thay đổi quỹ đạo chuyển động của ô

tô lúc này tâm quay O sẽ bị dịch đi một đoạn c Quan hệ động học của ô tô như sau:

Hình 3.3 Quan hệ động học của mô hình

Thông qua quan hệ hình học như hình 3.3 cần xác định bánh kính quay vòng tại trọng tâm O của ô tô

AD = RR 0 RtgαR 2 R = c (3.1)

DC = RR 0 Rtg (δ - αR 1 R) (3.2) Cộng vế với vế của hai công thức 3.1 và 3.2 có