Nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học ô tô con có thanh ổn định tích cực

Để nâng cao tính năng an toàn và ổn định khi chuyển động, có rất nhiều các giải pháp được đưa ra, một trong số đó chính là việc trang bị thanh ổn định trên xe.. Trạng thái lật ngang của

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

-

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

CON CÓ THANH ỔN ĐỊNH TÍCH CỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2019

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

-

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Những nội dung trình bày trong luận văn này do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Hoàng Thăng Bình và các thầy cô trong bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Đại học Bách Khoa Hà Nội Nếu tôi có bất cứ hành vi gian lận nào, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường

Hà Nội, ngày 28 tháng 2 năm 2019 Tác giả

Nguyễn Tuấn Anh

LỜI CẢM ƠN

Để có được công trình nghiên cứu như ngày hôm nay, tác giả đã nhận được rất nhiều sự đóng góp, chỉ bảo và giúp đỡ từ các thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè

Lời cảm ơn đầu tiên tác giả xin được gửi tới nhà trường cùng tập thể các thầy cô

giáo trong bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng đã tạo điều kiện và truyền đạt những kiến

thức cơ sở để tác giả có thể hoàn thành luận văn này

Tiếp đến, tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo

Hoàng Thăng Bình đã dành rất nhiều thời gian và sự tận tâm để hướng dẫn, chỉ bảo

cho tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu

Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè cùng những người đồng nghiệp đã ở bên động viên, giúp đỡ tác giả rất nhiều trong khoảng thời gian vừa qua Tác giả xin chân thành cảm ơn!

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu thế hội nhập toàn cầu 4.0, nhu cầu về đi lại và giao thương hàng hóa đặc biệt được coi trọng Cùng với sự phát triển về kinh tế và kỹ thuật, điều kiện về cơ

sở hạ tầng cũng luôn được quan tâm hàng đầu Ngày nay, chất lượng đường xá và tốc

độ chuyển động của xe đã được cải thiện một cách đáng kể để đáp ứng được các yêu cầu ngày một gia tăng của xã hội Đồng nghĩa với việc đó cũng chính là các vấn đề

về an toàn và tai nạn giao thông đang ngày một tăng lên rất nhiều Để hạn chế được những hiện trạng nói trên, ngoài việc nâng cao ý thức của mỗi người khi tham gia giao thông thì cũng cần phải bảo đảm được tình trạng kỹ thuật của phương tiện Một trong những tai nạn điển hình thường để lại hậu quả vô cùng nghiêm trọng chính là các vụ lật xe Để nâng cao tính năng an toàn và ổn định khi chuyển động, có rất nhiều các giải pháp được đưa ra, một trong số đó chính là việc trang bị thanh ổn

định trên xe Đề tài với tiêu đề “Nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học ô tô

con có thanh ổn định tích cực” dưới sự hướng dẫn của TS Hoàng Thăng Bình và

tập thể các thầy cô giáo trong bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Đại học Bách Khoa

Hà Nội sẽ tập trung phân tích và giải quyết vấn đề mất ổn định của xe khi quay vòng

Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của bản thân vẫn còn hạn chế, đề tài không thể tránh khỏi được sai sót, kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè để có thể chỉnh sửa và hoàn thiện tốt hơn

Cuối cùng, tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS Hoàng Thăng

Bình – giáo viên hướng dẫn đề tài cùng toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn Ô tô

và xe chuyên dụng – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình chỉ dạy, góp ý để tác

giả có thể hoàn thành nghiên cứu và đề xuất được các giải pháp hữu ích cho tương lai

Hà Nội, ngày 28 tháng 2 năm 2019 Người thực hiện

Nguyễn Tuấn Anh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

DANH MỤC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN 7

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 11

1.1 Các trạng thái chuyển động của ô tô 11

1.1.1 Chuyển động tịnh tiến 11

1.1.2 Chuyển động quay 12

1.2 Hiện tượng lật ngang của thân xe 12

1.2.1 Trạng thái lật ngang của thân xe 12

1.2.2 Hậu quả của hiện tượng lật ngang 14

1.2.3 Nguyên nhân gây ra hiện tượng lật ngang 15

1.2.4 Các thông số ảnh hưởng đến hiện tượng lật ngang 17

1.2.5 Giải pháp hạn chế hiện tượng lật ngang 18

1.3 Sử dụng thanh ổn định trên xe 19

1.3.1 Cấu tạo của thanh ổn định 19

1.3.2 Nguyên lý làm việc của thanh ổn định 20

1.3.3 Yêu cầu khi thiết kế thanh ổn định 22

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 22

1.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước 22

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước 23

1.5 Đề tài nghiên cứu 23

1.5.1 Mục tiêu của đề tài 23

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 24

1.5.3 Nội dung nghiên cứu 24

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE KHI QUAY VÒNG 26

2.1 Xác định hệ quy chiếu chuyển động 26

2.2 Mô hình động lực học ô tô khi quay vòng 27

2.2.1 Động lực học trong mặt phẳng không gian 27

2.2.2 Xác định các lực thành phần 29

2.2.3 Động lực học trong mặt phẳng Oxy 30

2.2.4 Xác định các phản lực tại lốp xe 32

2.2.5 Hệ số ổn định của xe 35

2.2.6 Ma trận trạng thái dao động 36

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT TRẠNG THÁI DAO ĐỘNG CỦA XE KHI QUAY VÒNG 38

3.1 Điều kiện khảo sát của xe 38

3.1.1 Thông số kỹ thuật của xe 38

3.1.2 Các phương án khảo sát 39

3.2 Khảo sát góc nghiêng ngang thân xe 39

3.2.1 Sự phụ thuộc của góc nghiêng ngang vào vận tốc chuyển động 39

3.2.2 Sự phụ thuộc của góc nghiêng ngang vào chiều cao trọng tâm 41

3.2.3 Sự phụ thuộc của góc nghiêng ngang vào quy luật đánh lái 42

3.3 Khảo sát các yếu tố khác 44

3.3.1 Phản lực tại bánh xe 44

3.3.2 Hệ số ổn định của xe 47

3.3.3 Moment chống lật của thanh ổn định 49

3.4 Khảo sát dao động của xe bằng phần mềm Carsim 50

3.4.1 Khảo sát góc nghiêng ngang thân xe 51

3.4.2 Khảo sát phản lực tại lốp xe 52

3.4.3 Khảo sát moment chống lật của thanh ổn định 53

3.4.4 Nhận xét 54

CHƯƠNG 4 TRANG BỊ THANH ỔN ĐỊNH TÍCH CỰC TRÊN Ô TÔ 55

4.1 Tổng quan về thanh ổn định tích cực 55

4.1.1 Công dụng và yêu cầu của thanh ổn định tích cực 55

4.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thanh ổn định tích cực 55

4.2 Khảo sát dao động của ô tô có trang bị thanh ổn định tích cực 57

4.2.1 Quy luật điều khiển thanh ổn định tích cực 57

4.2.2 Khảo sát góc nghiêng ngang của ô tô trang bị thanh tích cực 58

4.2.3 Kết luận 60

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

phương thẳng đứng

24 hij m Kích thích mặt đường

trục x

trục z

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các lực và moment tác dụng lên ô tô 11

Hình 1.2 Hiện tượng lật dọc của ô tô 13

Hình 1.3 Hiện tượng lật ngang của ô tô 13

Hình 1.4 Vụ tai nạn xảy ra trên đèo Khánh Lê 14

Hình 1.5 Tai nạn xe trên cao tốc Hà Nội 15

Hình 1.6 Nguyên nhân gây ra hiện tượng lật ngang 16

Hình 1.7 Xác định vị trí tâm lật 18

Hình 1.8 Thanh ổn định bố trí trên cầu phụ thuộc của xe 19

Hình 1.9 Cấu tạo của thanh ổn định 20

Hình 1.10 Một số kiểu dáng của thanh ổn định 20

Hình 1.11 Sự chênh lệch tải trọng hai bên bánh xe 21

Hình 2.1 Sơ đồ động lực học 7 bậc tự do trong mặt phẳng không gian 27

Hình 2.2 Sơ đồ động lực học ngang của xe 28

Hình 2.3 Sơ đồ động lực học của xe khi quay vòng 31

Hình 2.4 Góc trượt và góc bơi tại bánh xe 33

Hình 2.5 Góc quay bánh xe dẫn hướng 34

Hình 3.1 Quy luật đánh lái I 40

Hình 3.2 Góc nghiêng ngang phụ thuộc vận tốc 40

Hình 3.3 Góc nghiêng ngang phụ thuộc chiều cao 41

Hình 3.4 Quy luật đánh lái II 42

Hình 3.5 Góc nghiêng ngang ở vận tốc v1 43

Hình 3.6 Góc nghiêng ngang ở vận tốc v2 44

Hình 3.7 Tải trọng FZ tại các bánh xe không trang bị thanh ổn định 45

Hình 3.8 Tải trọng FZ tại các bánh xe có trang bị thanh ổn định 45

Hình 3.9 Tải trọng FZ tại các bánh xe không trang bị thanh ổn định 46

Hình 3.10 Tải trọng FZ tại các bánh xe có trang bị thanh ổn định 46

Hình 3.11 Sự phụ thuộc của hệ số ổn định vào vận tốc chuyển động 47

Hình 3.12 Hệ số ổn định trong điều kiện chuyển động phức tạp 48

Hình 3.13 Moment của thanh ổn định ở vận tốc v1 49

Hình 3.14 Moment của thanh ổn định ở vận tốc v2 50

Hình 3.15 Mô hình xe khảo sát bằng phần mềm Carsim 50

Hình 3.16 Góc nghiêng ngang thân xe ở vận tốc v1 51

Hình 3.17 Góc nghiêng ngang thân xe ở vận tốc v2 52

Hình 3.18 Phản lực FZ tại bánh xe ứng với v1 52

Hình 3.19 Phản lực FZ tại bánh xe ứng với v2 53

Hình 3.20 Moment của thanh ổn định ở vận tốc v1 53

Hình 3.21 Moment của thanh ổn định ở vận tốc v2 54

Hình 4.1 Thanh ổn định tích cực điều khiển thủy lực trên xe BMW 56

Hình 4.2 Góc nghiêng ngang thân xe ở tốc độ thấp 58

Hình 4.3 Góc nghiêng ngang ở tốc độ cao 59

Hình 4.4 Góc nghiêng ngang thân xe ở tốc độ rất cao 60

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Ô tô di chuyển trên đường sẽ thực hiện đồng thời cả 6 chuyển động bao gồm:

- Chuyển động tịnh tiến theo phương dọc (x)

- Chuyển động tịnh tiến theo phương ngang (y)

- Chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng (z)

- Chuyển động lắc dọc thân xe (φy)

- Chuyển động lắc ngang thân xe (φx)

- Chuyển động quay quanh trục đứng (φz)

Hình 1.1 Các lực và moment tác dụng lên ô tô

Các chuyển động này có mối liên hệ ràng buộc và tác động qua lại lẫn nhau, chỉ cần một thông số bị tác động sẽ gây ra sự ảnh hưởng tới các thông số còn lại, từ đó gây nên sự mất ổn định của xe

1.1.1 Chuyển động tịnh tiến

Có thể hiểu một cách đơn giản chuyển động tịnh tiến của ô tô chính là chuyển động của khối lượng ô tô theo phương song song với hệ trục đã xác định (x, y, z)

Chuyển động theo phương x luôn được thực hiện vì người lái có xu hướng tiến hoặc lùi xe, lúc này thân xe sẽ di chuyển dọc theo hướng chuyển động thẳng Khi người lái quay vô lăng (hoặc có sự tác động từ các ngoại lực bên ngoài theo phương ngang)

sẽ làm xuất hiện các lực ngang tại bánh xe, từ đó xe sẽ thực hiện đồng thời cả chuyển động theo phương ngang Trong trường hợp xe đi vào đường mấp mô, lúc này thân

xe sẽ bị dao động tạo nên chuyển vị theo phương thẳng đứng Với điều kiện mặt đường thực tế thường không bằng phẳng hay thậm chí có xu hướng nghiêng cộng thêm các yếu tố tác động từ người lái hoặc bên ngoài sẽ khiến cho ô tô chuyển động tịnh tiến theo cả 3 phương

3 góc nêu trên đều có ảnh hưởng rất lớn tới việc đảm bảo an toàn và ổn định của xe khi di chuyển, đồng thời vị trí của các trục cũng thay đổi liên tục theo chuyển động của xe, do vậy để xác định được chính xác các giá trị này là một điều không hề đơn giản

1.2.1 Trạng thái lật ngang của thân xe

Khi xe chạy trên đường có rất nhiều các yếu tố tác động đến quỹ đạo chuyển động

và độ ổn định của xe như mấp mô mặt đường, gió ngang, quay vòng gấp, Nếu các ảnh hưởng này vượt quá giới hạn vật lý sẽ gây ra sự mất ổn định chuyển động và dẫn

tới tình trạng lật xe, tùy vào từng trường hợp cụ thể mà xe có thể bị lật theo phương dọc hoặc theo phương ngang (lật bên)

Hiện tượng lật dọc thường xuất hiện khi xe chạy trên đường có độ dốc quá lớn hoặc người lái đột ngột đâm vào chướng ngại vật với tốc độ cao (Hình 1.2), lúc này phần bụng và bốn bánh xe sẽ hướng lên trên Tuy nhiên, trên thực tế vấn đề này thường ít xảy ra

Một trong những hiện tượng thường xuất hiện phổ biến chính là hiện tượng lật ngang của xe Hiện nay xe bị lật ngang xảy ra chủ yếu khi xe chạy ở tốc độ cao mà người lái đánh lái đột ngột hoặc khi xe chạy vào đường vòng với vận tốc lớn Khi đó lực quán tính ly tâm sẽ xuất hiện trong thời gian rất ngắn có chiều hướng ra bên ngoài khiến xe có xu hướng bị lật ngang (Hình 1.3)

1.2.2 Hậu quả của hiện tượng lật ngang

Tai nạn lật ngang thân xe là một trong những vụ tai nạn xuất hiện với tần suất lớn

và để lại hậu quả vô cùng nghiêm trọng Đa phần các tai nạn lật xe xảy ra đều có tỉ lệ

tử vong rất cao và mức thiệt hại về tài sản hết sức nặng nề, quá trình trục vớt xe tai nạn cũng rất khó khăn

Ngay cả ở các nước phát triển trên thế giới với điều kiện cơ sở hạ tầng rất tốt cũng không thể tránh khỏi các tai nạn này Điển hình ở Mỹ mỗi năm có hơn 200.000 vụ tai nạn lật xe, còn tại Đức người ta đã ước tính 90% số vụ tai nạn lật xe đều dẫn đến tử vong hoặc thương tích nghiêm trọng

Tại Việt Nam số vụ tai nạn do lật xe gây ra cũng ngày một tăng, ví dụ như vụ tai nạn ngày 12/5/2018 trên quốc lộ 27C qua đèo Khánh Lê (thuộc tỉnh Khánh Hòa) đã làm 3 người thiệt mạng và 20 người khác bị thương phải đưa đi cấp cứu

Hay vụ tai nạn sau đó vào tối ngày 26/10 tại km 34 + 800 trên cao tốc Hà Nội – Hải Phòng, xe khách Hoàng Long 45 chỗ đã bị lật ngang do tài xế bất ngờ đánh lái gấp, toàn bộ hành khách phải đưa đi cấp cứu và việc trục vớt phương tiện tai nạn là hết sức khó khăn

Vì các lý do trên, ngày nay giới khoa học và các nhà sản xuất thường tập trung nghiên cứu để tìm ra những giải pháp nhằm nâng cao tính năng ổn định của xe khi di chuyển trên đường

Hình 1.5 Tai nạn xe trên cao tốc Hà Nội

1.2.3 Nguyên nhân gây ra hiện tượng lật ngang

Như đã đề cập ở trên, hiện tượng lật ngang thân xe thường xảy ra do các nguyên nhân sau:

- Xe có khối lượng và chiều cao trọng tâm lớn

- Xe chuyển động với tốc độ rất cao, đánh lái gấp

- Mặt đường có độ nghiêng ngang lớn, thân xe chịu tác động bởi lực gió bên,

Trường hợp thường xảy ra và mang tính chủ quan đó chính là tài xế đột ngột đánh lái, lúc này lực quán tính ly tâm sẽ xuất hiện trong một khoảng thời gian ngắn có chiều hướng ra ngoài tâm quay vòng

Flt= may = m v

2

r (1.1) Lực quán tính ly tâm có độ lớn tỉ lệ với bình phương của vận tốc và tỉ lệ nghịch với bán kính quay vòng Để hạn chế được hiện tượng lật ngang cần giảm được lực ly tâm, hay nói cách khác chính là giảm tốc độ chuyển động và tăng bán kính quay vòng Tuy nhiên, hai giá trị này phụ thuộc chủ yếu vào cách điều khiển phương tiện của tài

xế và tình hình cụ thể khi chuyển động, do vậy rất khó có thể tác động được

Lực ly tâm xuất hiện khiến thân xe bị nghiêng đi một góc φx dẫn đến trọng tâm của phần khối lượng được treo thay đổi, từ đây cũng sẽ sinh ra một moment khiến thân xe bị nghiêng đi kí hiệu là M1

M1 = MF+ MP (1.2)

Trong đó:

MF: Moment của lực ly tâm

MP: Moment của trọng lực

Gọi M2 là moment chống lật của xe, moment này do hệ thống treo sinh ra Nếu:

M2 < M1 ≤ M2max: Thân xe bị nghiêng góc φx

M1 > M2max: Xe bị lật ngang

1.2.4 Các thông số ảnh hưởng đến hiện tượng lật ngang

Bên cạnh nguyên nhân chính gây ra hiện tượng lật ngang như đã nêu ở phần trên, các thông số sau đây cũng góp phần không nhỏ vào việc mất ổn định chuyển động của xe

Hệ thống treo

Phần lớn xe con sử dụng hệ thống treo độc lập với bộ phận đàn hồi là lò xo (lò xo trụ, lò xo côn, ) Khi gặp mấp mô, một bên bánh xe có thể bị tác động còn bên kia vẫn ở trạng thái bình thường, do vậy có thể đảm bảo độ êm dịu khi chuyển động Tuy nhiên, nhược điểm lớn của loại hình này đó là độ cứng của hệ treo khá nhỏ, do vậy khi đi vào đường vòng với vận tốc lớn thì giá trị moment chống lật sinh ra thường không nhiều, khó có thể đảm bảo độ ổn định chuyển động của xe

Để xác định chính xác được vị trí của tâm lật là một điều không hề đơn giản và vẫn còn đang gây nhiều tranh cãi trong giới khoa học, hình vẽ dưới đây mô tả một trong những phương pháp xác định vị trí tâm lật thường được sử dụng

- Kẻ đường vuông góc với đỉnh trục Kingpin của hệ thống treo, đường này cắt đường tâm trục bánh xe tại IC

- Nối đường thẳng từ tâm IC đến vị trí tận cùng của bánh xe đối diện

- Hai đường thẳng vừa nối cắt nhau tại RC, đây chính là vị trí của tâm lật ngang

1.2.5 Giải pháp hạn chế hiện tượng lật ngang

Để hạn chế được hiện tượng lật ngang của thân xe thì cần tăng giá trị của moment chống lật M2 Một số giải pháp được đưa ra như là trang bị thêm bộ phận đàn hồi phụ (cao su tăng cứng, thanh ổn định ngang), sử dụng hệ thống treo tích cực, trang bị hệ thống cân bằng điện tử ESP, Một trong những phương pháp thường gặp ngày nay chính là trang bị thêm thanh ổn định cho xe để hạn chế góc nghiêng ngang khi chuyển động

Phương pháp trang bị thanh ổn định cho xe (cả cầu trước và cầu sau) có ưu điểm đơn giản, kích thước của thanh thường nhỏ nên không làm ảnh hưởng lớn tới kết cấu của xe So với các hệ thống điện – điện tử hiện đại khác, việc trang bị thanh ổn định thường ít tốn kém đồng thời độ tin cậy cũng như tuổi thọ của thanh rất cao, phù hợp cho đa dạng các dòng xe ngày nay

Hình 1.8 Thanh ổn định bố trí trên cầu phụ thuộc của xe

Tuy nhiên, giải pháp này cũng gặp phải một số khó khăn như sau:

- Nếu thanh ổn định có kích thước quá nhỏ thì sẽ không thể tạo ra được moment chống lật có giá trị lớn, do vậy không thể hạn chế được hiện tượng nghiêng ngang của thân xe

- Nếu thanh ổn định có kích thước quá lớn sẽ làm tăng khối lượng của thanh, mặc

dù thanh ổn định là một phần của hệ thống treo nhưng thực tế thanh lại được bố trí bên dưới khu vực càng xe, do vậy sẽ làm tăng khối lượng của phần không được

treo dẫn đến việc mất êm dịu khi chuyển động

1.3.1 Cấu tạo của thanh ổn định

Cấu tạo cơ bản của một thanh ổn định (bị động) được trình bày như trên Hình 1.9 Thanh ổn định trên ô tô thường có dạng chữ U đối xứng hoặc không đối xứng, hình dáng của thanh phụ thuộc vào vị trí đặt chúng, vật liệu chế tạo thanh là thép có tính năng đàn hồi cao Hai đầu thanh được nối với càng xe thông qua khớp nối, phần lưng của thanh được gắn lên thân vỏ thông qua ổ đỡ cao su Nhìn chung, cấu tạo của một thanh ổn định bị động thường khá đơn giản và cấu tạo của nó sẽ tùy thuộc vào từng dòng xe khác nhau [8]

Hình 1.9 Cấu tạo của thanh ổn định

1 Ổ đỡ 2 Phần chính (phần lưng) 3 Phần tay đòn 4 Khớp nối

Đường kính của thanh sẽ phụ thuộc vào điều kiện làm việc, đối với những xe có tải trọng lớn thì đường kính cũng sẽ lớn hơn Đa phần các thanh ổn định đều có đường kính không đổi dọc theo chiều dài, một số thanh đặc biệt hơn có thể có đường kính thay đổi tại các vị trí tiết diện khác nhau

Hình 1.10 Một số kiểu dáng của thanh ổn định

1.3.2 Nguyên lý làm việc của thanh ổn định

Đối với các thanh ổn định bị động, nguyên lý làm việc của thanh trải qua 2 giai đoạn sau:

- Khi xe đi thẳng và mặt đường không có mấp mô lớn, lúc này sự chênh lệch tải trọng giữa hai bên bánh xe không đáng kể, thanh ổn định chỉ xoay quanh ổ đỡ cao

su

- Khi xe đi vào đường vòng hoặc đường có mấp mô rất lớn sẽ sinh ra sự chênh lệch tải trọng giữa hai bên bánh xe, tải trọng này sẽ tác động vào phần tay đòn nằm về hai phía của thanh Dưới tác dụng của tải trọng, phần lưng của thanh sẽ bị xoắn (theo hai chiều khác nhau) và làm triệt tiêu bớt moment gây nghiêng thân xe, giúp

xe san bớt tải trọng từ bên nhiều hơn sang bên ít hơn đảm bảo tính năng ổn định chuyển động của xe

Hình 1.11 Sự chênh lệch tải trọng hai bên bánh xe

Giả sử thanh ổn định có độ cứng là C, khi thanh bị xoắn đi một góc φ thì sẽ sinh

ra moment đàn hồi được xác định bởi biểu thức:

T = Cφ (1.3) Moment đàn hồi này sẽ chống lại sự thay đổi tải trọng tại hai bên bánh xe khi chạy trên đường vòng, một bên được tăng thêm một lượng tải trọng là F1 còn bên kia được giảm bớt một lượng tải trọng là F2 = F1 Nhờ sự phân bố đều tải trọng giữa các bánh xe mà khả năng bám dọc, bám ngang của xe cũng như độ ổn định chuyển động

sẽ được tăng lên

1.3.3 Yêu cầu khi thiết kế thanh ổn định

Với công dụng giảm thiểu góc nghiêng ngang thân xe khi đi vào đường vòng, thanh ổn định bị động cần phải đáp ứng được các yêu cầu như:

- Tạo ra moment đủ lớn để hạn chế hiện tượng lật ngang cho phần khối lượng được treo của xe đặc biệt là đối với những xe có chiều cao trọng tâm và tải trọng lớn

- Ít làm ảnh hưởng tới độ êm dịu của xe khi chuyển động

Cũng giống như các chi tiết cơ khí khác, khi thiết kế thanh ổn định cần phải đảm bảo các tiêu chí sau:

- Kích thước hình học của thanh phù hợp với cách bố trí trên xe

- Thanh đảm bảo điều kiện bền uốn và bền xoắn trong quá trình sử dụng

- Chuyển vị của thanh nằm trong phạm vi thích hợp

- Quá trình chế tạo dễ dàng, giá thành hợp lý

- Tuổi thọ cao, ít phải bảo dưỡng sửa chữa

1.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Những năm trở lại đây đã có nhiều công trình nghiên cứu về độ ổn định của xe khi quay vòng cũng như phương pháp tính toán thiết kế thanh ổn định Điển hình trong số đó là công trình nghiên cứu về điều khiển thanh ổn định tích cực của nhóm tác giả V Muniandy đã công bố vào năm 2016, bài báo đã minh chứng những ưu điểm vượt trội của thanh ổn định tích cực so với thanh bị động thông thường [13] Trong cuốn “A study of the properties vehicle rollover propensity”, tác giả Randall John Whitehead đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng quay vòng của xe con và đưa ra kết luận rằng thanh ổn định giúp xe chạy ổn định hơn khi đi vào đường vòng

Bài báo của nhóm tác giả Adam – Markus xuất bản năm 2014 đã thể hiện phương thức tính toán thanh ổn định bằng phương pháp phần tử hữu hạn [1] hay nghiên cứu

của nhóm tác giả Pravin Bharane về việc thiết kế cũng như tối ưu hóa thanh ổn định bằng việc sử dụng phần mềm Ansys [10]

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Trong những năm gần đây lĩnh vực nghiên cứu về động lực học ô tô trong nước

đã có sự phát triển mạnh cả về chất và lượng Dưới đây là một số các công trình nghiên cứu điển hình mà tác giả đã tìm hiểu

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài “Xây dựng mô hình nghiên cứu trạng thái lật bên của xe FAW 29 chỗ sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam” của tác giả Phạm Huy Đông

đã khảo sát mô hình một vết kết hợp với 1/2 ngang khi quay vòng Khảo sát được tiến hành trong trường hợp có thanh ổn định và không có thanh ổn định, kết quả cho thấy góc nghiêng ngang thân xe có xu hướng giảm dần khi trang bị thanh ổn định [11] Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Quý Minh có đề tài “Nghiên cứu thiết kế thanh ổn định xe tải nâng cao tính ổn định khi quay vòng” cũng đã khảo sát

mô hình dao động của xe khi trang bị thanh ổn định tại các vận tốc khác nhau đồng thời tiến hành xây dựng phương pháp tính toán thiết kế thanh [7]

Luận văn thạc sĩ khoa học của tác giả Đào Đức Thụ với đề tài “Xây dựng mô hình điều khiển kết hợp với sự làm việc của thanh ổn định ngang và hệ thống phanh để tăng cường khả năng chống lật bên của xe tải” cũng đã trình bày về tính năng ổn định của xe tải khi đi trên đường vòng [3]

Nhiều công trình của các tác giả khác như Tạ Tuấn Hưng, Đỗ Ngọc Thịnh, Đào Đắc Tài, đã tiến hành xây dựng mô hình động lực học của xe khi quay vòng đồng thời kết hợp với một số giải pháp để tăng tính năng ổn định của xe

1.5.1 Mục tiêu của đề tài

Với những ưu điểm cũng như hạn chế của thanh ổn định đã phân tích ở trên, để cải thiện chất lượng cũng như nâng cao tính năng ổn định khi quay vòng cần phải

trang bị thanh ổn định trên xe, đặc biệt là thanh ổn định tích cực Đề tài nghiên cứu

với nội dung là “Nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học ô tô con trang bị

thanh ổn định tích cực” mang tính chất kế thừa, đổi mới và phát triển từ các mô

hình trước, đồng thời kết hợp với quy luật điều khiển cho thanh ổn định tích cực khi

đi vào đường vòng

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu

Do giới hạn về mặt thời gian và điều kiện nên đề tài chỉ tập trung vào việc nghiên cứu lý thuyết mô hình động lực học của xe Đề tài áp dụng phương pháp tách cấu trúc của vật, xây dựng mô hình động lực học không gian của ô tô và ứng dụng phần mềm Matlab – Simulink để khảo sát dao động trong những điều kiện đã xác định Thêm vào đó để minh chứng cho kết quả, đề tài kết hợp sử dụng phần mềm Carsim để khảo sát xe con trong điều kiện tương đương để so sánh kết quả với nhau và đưa ra kết luận cũng như các giải pháp để nâng cao tính năng ổn định của xe khi đi trên đường vòng

1.5.3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung của luận văn bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương mở đầu với nội dung là phân tích các trạng thái chuyển động, hiện tượng lật ngang của xe và đề xuất một số phương pháp giúp tăng tính năng ổn định khi đi trên đường vòng

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của xe khi quay vòng

Ở chương này, tác giả tập trung vào việc phân tích các lực và moment tác dụng lên xe khi quay vòng đồng thời thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả trạng thái dao động của xe để chuẩn bị cho việc khảo sát

Chương 3: Khảo sát trạng thái dao động của xe khi quay vòng

Nội dung chính của chương này là các kết quả khảo sát dao độngcủa xe ứng với các trường hợp đã đặt ra đồng thời so sánh sự chênh lệch kết quả trong việc khảo sát bằng phần mềm Matlab – Simulink và phần mềm Carsim

Chương 4: Trang bị thanh ổn định tích cực trên ô tô

Trong chương này sẽ giới thiệu về thanh ổn định tích cực cũng như tiến hành khảo sát dao động của ô tô khi trang bị thanh tích cực

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC

CỦA XE KHI QUAY VÒNG

Mô hình động lực học giúp xác định quỹ đạo chuyển động của xe khi quay vòng, phanh hay chuyển hướng, Để có thể thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của xe cần sử dụng kết hợp nhiều phương pháp, trong nghiên cứu này tác giả

sử dụng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật kết hợp với phương trình Lagrange

và các định luật Newton

Kết cấu tổng thành của ô tô rất phức tạp với các liên kết phi tuyến cả về hình học lẫn tính chất vật lý, do đó để mô tả chính xác mối quan hệ giữa các cơ cấu là điều vô cùng khó khăn Mô hình xe con đề cập trong nghiên cứu có dạng vỏ chịu lực, thân xe chia thành các khoang riêng biệt, hệ treo độc lập được bố trí ở cả hai cầu Giả sử vỏ

xe cứng theo chiều uốn và có khả năng biến dạng đàn hồi theo chiều xoắn, các khối lượng được treo được mô tả chi tiết hơn bên dưới Từ những điều trên, mô hình động lực học của xe khi quay vòng có thể được chia thành các phần tương ứng như sau:

Mô hình chuyển động trên mặt đường (Oxy): Xét trên mặt đường nằm ngang, phần khối lượng được treo và không được treo của xe thực hiện 3 chuyển động bao gồm chuyển động dọc, chuyển động ngang và chuyển động xoay quanh trục quay đứng

Mô hình dao động trong không gian: Xét trên tổng thể các phương, phần khối lượng được treo sẽ thực hiện 3 dao động bao gồm dao động theo phương thẳng đứng, dao động lắc dọc và dao động lắc ngang thân xe, phần khối lượng không được treo ứng với các bánh xe chỉ thực hiện dao động theo phương thẳng đứng

Chuyển động của ô tô được thiết lập dựa trên chuyển động tịnh tiến theo phương

x, chuyển động ngang theo phương y và chuyển động quay quanh trục z Ngoài các

yếu tố tác động từ bên trong, những phản lực sinh ra tại bánh xe cũng gây nên ảnh hưởng vô cùng lớn tới sự ổn định chuyển động của ô tô Do đó cần phải lựa chọn được mô hình lốp và giả thiết các nhân tố gây ảnh hưởng trong quá trình chuyển động

2.2.1 Động lực học trong mặt phẳng không gian

Trong mục này, các dao động được xét đến bao gồm dao động theo phương thẳng đứng (z) và góc lắc ngang (φx) của phần khối lượng được treo, do xe quay vòng với vận tốc ổn định và mặt đường coi như bằng phẳng nên có thể bỏ qua dao động lắc dọc thân xe (φy)

Hình 2.1 Sơ đồ động lực học 7 bậc tự do trong mặt phẳng không gian

Tách phần khối lượng được treo, phương trình mô tả chuyển động theo phương

thẳng đứng trong hệ tọa độ không gian:

Hình 2.2 Sơ đồ động lực học ngang của xe

Tách phần khối lượng không được treo, phương trình mô tả chuyển động theo

phương thẳng đứng trong hệ tọa độ không gian ứng với từng bánh xe:

m ξ̈ = F − F − F (2.3)

Khi tách vật, hệ thống treo sẽ xuất hiện các nội lực tương ứng với lực đàn hồi của

lò xo và lực cản của giảm chấn tác dụng lên phần khối lượng được treo và khối lượng không được treo Giá trị của các cặp lực và phản lực này được tính toán như sau: Lực đàn hồi của lò xo hệ treo:

FC11 = C11(ξ11− z − bφx) (2.7)

FC12 = C12(ξ12− z + bφx) (2.8)

FC21 = C21(ξ21− z − bφx) (2.9)

FC22 = C22(ξ22− z + bφx) (2.10) Lực cản giảm chấn hệ treo:

Dưới tác dụng của tải trọng, lốp xe cũng sinh ra các lực đàn hồi tương tự như của

hệ thống treo Các lực này phụ thuộc vào điều kiện ban đầu của mặt đường khi đặt giả thiết bài toán

chuyển động ngang (y) và chuyển động xoay quanh trục quay đứng (φz) Ứng với

mỗi ẩn số trên sẽ có một phương trình tương ứng

Phương trình mô tả chuyển động theo phương dọc của xe trong hệ quy chiếu