Lập mô hình động lực học ô tô một dãy tuyến tính

Một chiếc ô tô thông minh ngày nay là một hệ thống cơ điện tử vì vậy việc cần nghiên cứu các thông số về động lực học giúp các nhà thiết kế có thể thiết kế các bộ điều khiển tự động giúp

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 9

LỜI NÓI ĐẦU 11

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 12

1.1 Yêu cầu thực tế 12

1.2 Mục tiêu nghiên cứu động lực học ô tô 13

Chương 2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 17

2.1 Các mô hình động lực học ô tô 17

2.2 Phương trình chuyển động tổng quát 23

2.3 Phương pháp xác định lực tương tác bánh xe 31

2.4 Phương pháp xây dựng mô hình 37

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TUYẾN TÍNH Ô TÔ 38

3.1 Mô hình 1 dãy và các lực tác dụng lên thân xe 39

3.2 Động lực học ô tô một dãy tuyến tính 46

3.3 Quay vòng ổn định 48

3.4 Khảo sát động lực học ô tô bằng mô hình tuyến tính trong miền thời gian 55

3.5 Các thông số và chương trình mô phỏng 58

3.6 Phương án khảo sát 61

(i) Phương án 1 61

(ii) Phương án 2 66

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

- A m 2 : Diện tích, thiết diện

- C L R1N m/  : Độ cứng hướng kính lốp trước dãy phải

- C L L1N m/  : Độ cứng hướng kính lốp trước dãy trái

- C1RN m/  : Độ cứng treo trước dãy phải

- C1LN m/  : Độ cứng treo trước dãy trái

- C2RN m/  : Độ cứng treo sau dãy phải

- C2LN m/  : Độ cứng treo sau dãy trái

- K Ns m /  : Hệ số cản hệ thống treo

- K Ns m1 /  : Hệ số cản hệ thống treo trước

- K2Ns m/  : Hệ số cản hệ thống treo sau

- K1RNs m/  : Hệ số cản hệ thống treo trước dãy phải

- K1LNs m/  : Hệ số cản hệ thống treo trước dãy trái

- K2RNs m/  : Hệ số cản hệ thống treo sau dãy phải

- K2LNs m/  : Hệ số cản hệ thống treo sau dãy trái

- a m  : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước

- b m  : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau

J kgm : Mômen quán tính trục y của lốp sau dãy trái

- h m  : Chiều cao mấp mô của đường

- h m1  : Chiều cao mấp mô của đường phía trước

- h m2  : Chiều cao mấp mô của đường phía sau

- F Z N : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe

- F Z1 N : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước

- F Z2 N : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau

- F Z t1,  N : Tải trọng tĩnh bánh xe phía trước

- F Z2,t N : Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau

- F  N : Tải trọng động bánh xe

- F Z d1,  N : Tải trọng động bánh xe phía trước

- F Z2,d N : Tải trọng động bánh xe phía sau

- F C N : Lực đàn hồi hệ thống treo

- F C1 N : Lực đàn hồi hệ thống treo trước

- F C2 N : Lực đàn hồi hệ thống treo sau

- F CL1 N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước

- F CL2 N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau

F N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau dãy trái

- M kg  : Khối lượng toàn xe

- m kg  : Khối lượng được treo

- m kg1  : Khối lượng được treo trước

- m kg2  : Khối lượng được treo sau

- m A1 kg : Khối lượng không được treo trước

- m A2 kg : Khối lượng không được treo sau

-  m : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu xe

-  1 m : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước

-  2 m : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau

-  2m s/  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau

-  1Rm s/  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy phải

-  1Lm s/  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước dãy trái

-  2Rm s/  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy phải

-  2Lm s/  : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau dãy trái

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ điều khiển ô tô 14

Hình 1.2 Quan hệ động lực học ô tô: j = 1,2,3,4 15

Hình 2.1 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô 18

Hình 2.2 Mô đun động lực học trong mặt phẳng xy 20

Hình 2.3 Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải) 21

Hình 2.4a Mô đun động lực học ngang cầu xe và hệ thống treo 21

Hình 2.4b Động lực học bánh xe khi phanh 22

Hình 2.4c Động lực học bánh xe khi tăng tốc 22

Hình 2.5 Mô hình chuyển động ô tô 23

Hình 2.6 Mô hình động lực học 3D 27

Hình 2.7 Mặt chiếu bằng 28

Hình 2.8 Mặt chiếu đứng 28

Hình 2.9 Cấu trúc lốp 35

Hình 2.10 Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe 36

Hình 2.11 Định nghĩa hệ tọa độ và lực bánh xe theo SAE 36

Hình 2.12 Đặc tính lực Fx(s) tham số 36

Hình 2.13 Đặc tính lực bên Fy(s) tham số  36

Hình 3.1 Mô hình động lực học ô tô một dãy tuyến tính 38

Hình 3.2 Lực và mô men tác dụng lên ô tô cầu trước dẫn hướng 39

Hình 3.3 Mô hình một dãy không lắc ngang 40

Hình 3.4 Mô hình động lực học một dãy tuyến tính 55

Hình 3.5 Sơ đồ xác định tâm quay vòng 58

Hình 3.6.1 Hàm góc quay bánh xe 61

Hình 3.6.2 Vận tốc ngang 62

Hình 3.6.3 Gia tốc góc quay thân xe 63

Hình 3.6.4 Vận tốc góc quay thân xe 63

Hình 3.6.6 Góc bơi 65

Hình 3.6.7 Gia tốc ngang 65

Hình 3.6.7 Hàm góc quay bánh xe 66

Hình 3.6.8 Vận tốc ngang 66

Hình 3.6.9 Gia tốc góc quay thân xe 67

Hình 3.6.10 Vận tốc góc quay thân xe 67

Hình 3.6.11 Góc quay thân xe 68

Hình 3.6.12 Góc bơi 68

Hình 3.6.13 Gia tốc ngang 69

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự phát triển chung của xã hội, ô tô ngày càng đóng vai trò quan

trọng trong nền kinh tế, đi kèm với đó là vấn đề an toàn khi di chuyển Ngoài

những tác động của người lái thì các yếu khách quan từ ngoại cảnh như chất

lượng mặt đường khác nhau, gió…rồi các yếu tố bất ngờ tất cả sẽ ảnh hưởng rất

lớn đến an toàn khi xe lưu thông Do vậy việc nghiên cứu về các thông số động

lực học của ô tô là rất cần thiết Bởi từ các thông số động lực học đó các nhà sản

xuất sẽ tìm ra các giải pháp để làm cho chiếc xe trở lên an toàn hơn Một chiếc

ô tô thông minh ngày nay là một hệ thống cơ điện tử vì vậy việc cần nghiên cứu

các thông số về động lực học giúp các nhà thiết kế có thể thiết kế các bộ điều

khiển tự động giúp cho việc điều khiển chiếc xe thuận tiện hơn với người sử

dụng

Vì thế việc biết các thông số về động lực học của ô tô để các nhà quản lí

đưa ra các yêu cầu về thông số kĩ thuật của ô tô khi nhập về, các yêu cầu về kĩ

thuật, tốc độ của các ô tô khi lưu thông là rất cần thiết Trước nhu cầu thực tế

trên, đề tài đã được chọn nghiên cứu là “Lập mô hình động lực học ô tô một

dãy tuyến tính” để mô phỏng các quá trình động lực học của ô tô trong thực tế

và lấy ra các thông số về động lực học ô tô

Dưới sự hướng dẫn trực tiếp PGS-TS Lưu Văn Tuấn và các thầy trong Bộ

môn ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội, đề tài đã được hoàn thành các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra Mặc dù hết

sức cố gắng nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên luận văn này khó tránh

khỏi một vài sai sót, em mong nhận được sự chỉ bảo thêm của các thầy

Hà Nội, ngày 26 / 09 /2013

Ngô Văn Hoa

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 1.1 Yêu cầu thực tế

Ngày nay khi mà ôtô đã trở thành phương tiện chính dùng để đi lại và chuyên trở hàng hoá ở nước ta thì vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển của ô tô là rất quan trọng Khi ô tô chuyển động nó sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố như người điều khiển, tác động của ngoại cảnh, các yếu tố ngẫu nhiên xảy

xe chuyển động

Một yếu tố ảnh hưởng khá nhiều đến xe và thường gây mất an toàn đó là các tác động ngẫu nhiên bất ngờ xảy ra trên đường như sự xuất hiện bất ngờ của các chướng ngại vật Tất cả các yếu tố trên sẽ ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái chuyển động của xe và nó cũng ảnh hưởng tới mức độ an toàn của xe Vì vậy việc nghiên cứu quy luật chuyển động của ô tô nhằm xác định khả năng chuyển động ổn định của ôtô rà rất cần thiết

Động lực học ô tô là một hệ nhiều vật, liên kết bới các yếu tố phi tuyến Yếu tố phi tuyến xuất phát từ 2 góc độ:

(i) Phi tuyến hình học, gây ra do các góc hình học thay đổi theo các hàm

lượng giác; thông thường có thể bỏ qua khi các góc lương giác là bé

(ii) Phi tuyến vật lý, sinh ra do các thuộc tính và kết cấu vật liệu như cao

su, giảm chấn thủ lực, tương tác ma sát giữa các bề mặt Yêu tố này trong ô tô không bỏ qua được Ví dụ quan trọng: tương tác lốp đường chỉ tuyến tính trong miền đàn hồi, sau đó trượt đàn hồi và trượt lết phi tuyến

Trong khuôn khổ luận văn này, một mô hình tuyến tính được xây dựng và khảo sát Mô hình động lực học tuyến tính chấp nhận độ cứng lốp các phương là hằng số; bỏ qua các ảnh hưởng của tác động mặt đường phương thẳng đứng, nghĩa là phản lực Fz là không đổi Một mô hình tuyến tính có ý nghĩa giải thích các khái niệm ban đầu của động lực học ô tô, không dùng để nghiên cứu các quá trình cận vật lý

1.2 Mục tiêu nghiên cứu động lực học ô tô

Nghiên cứu động lực học ôtô là tìm ra qui luật chuyển động của ôtô từ đó xác định giới hạn an toàn, tìm sự tương thích giữa lái xe và xe, mở rộng khả năng điều khiển xe của lái xe Quỹ đạo chuyển động của ô tô được xác đinh bởi

đạo chuyển động của nó được khái quát 3 trạng thái:

- Quay vòng đủ: ở trạng thái này ôtô có tính chất quay vòng lý tưởng, ở

trường hợp này bán kính quay vòng thực tế của xe bằng với bán kính quay vòng yêu cầu Xe chạy ổn định

- Quay vòng thiếu: Là trạng thái mà lái xe quay vô lăng nhiều hơn để vào

cua Trường hợp giới hạn xe có thể chuyển động theo phương tiếp tuyến Trong

trường hợp này xe có thể rơi vào trạng thái nguy hiểm–mất lái

- Quay vòng thừa: ôtô có tính năng quay vòng thừa tức là bán kính quay

vòng của xe nhỏ hơn bán kính yêu cầu, ở trạng thái này xe bị mất ổn định nguy

hiểm

Hình 1.1: Sơ đồ điều khiển ô tô

Nhìn vào hình 1.1 chúng ta thấy lái xe có ba tác động: Ga để thay đổi

δ Dưới điều kiện ngoại cảnh như gió, đường nghiêng, lực quán tính, có thể làm

( , , )x y Vì vậy việc nghiên cứu thiết lập một mô hình động lực học ô tô để xác ịnh các giới hạn nguy hiểm là điều cần thiết, chúng ta có thể thiết lập quan hệ như hình 1.2

đạo chuyển động của ô tô cũng như trạng thái quay vòng của ô tô Chính vì vậy việc thiết lập một mô hình động lực học ô tô là cần thiết nhằm xác định các yếu

tố cấu trúc của ô tô, phản ứng của lái xe và các yếu tố ngoại cảnh là mục tiêu của

nội dung nghiên cứu

Các yếu tố ảnh hưởng:

1 Điều kiện đường:

- Độ bám, tính chất mặt đường, đặc trưng bới

- Độ nghiêng, độ dốc của đường

- Các lực quán tính dọc, ngang

2 Phản ứng lái xe:

3 Cấu trúc của ô tô:

- Phân bố khối lượng (tọa độ trọng tâm)

3 Cấu trúc của ô tô:

- Phân bố khối lượng (tọa độ trọng tâm)

- Kết cấu lốp (Liên quan đến độ cứng dọc, độ cứng ngang, hướng kính)

Mục tiêu nghiên cứu động lực học ô tô là:

(i) Xác định các giới hạn mất ổn định và lái của xe với các điều

kiện sử dụng khác nhau nhằm định hướng an toàn xe;

(ii) Nghiên cứu tối ưu quá trình động lực học trong bài toán thiết

kế;

(iii) Thiết lập quan hệ điều khiển trong bài toán điều khiển ổn định ô

tô

Trong khuôn khổ luận văn, tác giả được giao nhiệm vụ :”Lập mô hình động lực

học ô tô một dãy tuyến tính” Luận văn có 3 phần chính như sau:

(i) Tổng quan về động lực học ô tô;

(ii) Lý thuyết mô hình động lực học;

(iii) Lập mô hình một dãy tuyến tính và khảo sát động lực học ô tô

(i) Động lực học phương dọc/Longitudinal Dynamics

(ii) Động lực học phương thẳng đứng/Vertical Dynamics

(iii) Động lực học phương ngang/Lateral Dynamics

Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động góc Thân xe liên kết với 4 bánh xe; động lực học bánh xe như m ột mô hình con Như vậy động lực học ô tô là một mô hình tích hợp: là động lực học của một hệ cơ học nhiều vật, liên kết đàn hồi và liên kết ma sát, liên kết khớp Động lực học của ô tô được mô tả trong hệ cố định G(OXYZ) Nhưng để mô tả các hệ con ta phải xác lập các hệ cục bộ B(oxyz) Giữa chúng liên hệ với nhau qua các ma trận xoay

Hình 2.1 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô

Về phương pháp nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học, thuận tiện nhất là tách cấu trúc theo nguyên lý hệ nhiều vật MBS Trong sơ đồ hình 2.1 là cấu trúc hệ động lực học ô tô

(i) Mô đun chính “XY” là mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng

nền XOY, mô tả chuyển động tịnh tiến phương x, phương ngang y và chuyển động quay thân xe; thông số đầu vào là các lực/mô men

tương tác bánh xe F F M xj, yj, zj mà thông số ra là các đại lượngx y, , ;  mx my J, , z

yj

, ,

xj zj

F F M Thông số đầu vào cho mô hình lốp là hệ số trượt dọc và hệ

số lệch bên bánh xe Để xác định các hệ số trượt dọc ta cần mô đun

qua ma trận xoay giũa hai hệ tọa độ cố định và cục bộ

mặt phanh thẳng đứng

mô đun dao động ngang, (3) mô đun dao động ngang cầu xe, (4) mô

vì vậy ta cần thiết lập mô hình động lực học phương thẳng đứng z Trong mô đun này có mô đun “động lực học thẳng đứng thân xe dọc

và ngang, cầu xe, mô đun “Hệ thống treo”

Hình 2.2 định nghĩa hệ toạ độ xe B (Cxyz) với trọng tâm C Trục x đi qua

C là trục hướng chuyển động của ô tô; trục y đi qua C sang trái của lái xe là hướng chuyển động ngang; trục z chuyển động đi lên vuông góc với mặt xy theo quy tắc bàn tay phải Ở đây ta giả thiết đường phẳng, đường mấp mô sẽ được xét

lắc dọc  Xét tổng quát 6 bậc tự do là rất phực tạp; chưa tính đến 6 bậc tự do của 4 bánh xe Vì vậy ta xét động lực học trong mặt phẳng nền (XY) để thiết lập phương trình chuyển động; các động lực khác được xét như các mô hình con

ngang Fwx,Fwy và mô men gió M wx,M wy; các lực/mô men tương tác bánh

xe F yij,F xij,M zij; Thông số ra cơ bản là x y, , ;  mx my, ,  / sơ đồ cấu trúc như hình 2.2

Hình 2.2 Mô đun động lực học trong mặt phẳng xy

(ii) Mô đun động lực học bánh xe và mô hình lôp: Mô đun động lực học

bánh xe có thông sô vào là Mij,F zij,F xij, thông số ra là ; mô hình lốp có thông số vào là F zij ,x yij , ij ,  ij, thông số ra là các lực tương tác bánh

xeF xij ,F yij,M zij (hình 2.2, trái)

(iii) Mô đun dao động lắc ngang: thông số vào Mw ,y Mwx,F Cij,F kij; thông số ra

làJ x  , ; mô đun lắc dọc: thông số váoMw ,y Mwx,F Cij,F kij; thông số ra

y

J  mz z z, hình (2.3)

Hình 2.3 Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải)

Hình 2.4a Mô đun động lực học ngang cầu xe và hệ thống treo

(iv) Mô hình dao động ngang cầu xe và hệ thống treo: thông số vào hệ

thống treo là chuyến vị và vận tốc chuyển vị cầu xe và chuyển vị, vận

ij, , , ,

z A A A A

F     (xem hình 2.4a)

Hình 2.4b Động lực học bánh xe khi phanh

Hình 2.4c Động lực học bánh xe khi tăng tốc

2.2 Phương trình chuyển động tổng quát

Các thông số của mô hình được biểu diễn trong hình 2.5:

G (XYZ) là hệ toạ độ cố định;

B (Cxyz) là hệ toạ độ xe (vật)

Hình 2.5 Mô hình chuyển động ô tô

Phương trình chuyển động viết trong hệ vật B:

B T

C x y z

v   v v v   (2.3) Trong đó vx là thành phần tịnh tiến, vy là vận tốc ngang của xe

Véc tơ gia tốc tương ứng:

B

GB   x y z      (2.6)

Ma trận quán tính chính:

1 2 3

T B

c x y z

v   v v v   (2.11)

T B

c x y z

v   v v v   (2.12)

T B

GB     x y z  (2.13)

T B

0 0

x z y x

v v F

Hình 2.6 là mô hình động lực học ô tô Phương trình chuyển động trong mặt phẳng B (Cxyz) là:



1 11 1

1 1

2 2 2

2

2 2

2 1

Hình 2.6 Mô hình động lực học 3D

x

F F

F2,3C

f

M 2,3

1,4

1,4 1,4

1,4 1,4

1,4 1,4 1,4

1,4

1,4 1,4

1,4

1,4

1,4 1,4

v

Hình 2.8 Mặt chiếu đứng

Để xác định các phản lực Fz,ji ta có hệ phương trình “động lực học phương thẳng đứng” (2.21), gồm 3 phương trình dao động thân xe, 4 phương trình chuyển động tịnh tiến phương thẳng đứng của các bánh xe:

( )( ) ( cos cos sin cos )

( cos cos sin cos )

( cos cos sin cos )

( ) ( ) ( sin cos sin cos )

( sin sin cos

( )

( )

( ) ( )

(

L K

Nếu giải được hệ các phương trình động lực học (2.21) phương z, ta xác định

vận tốc dài x, ngang y từ đó tính các vận tộc dọc, ngang x yij, ij tại các tâm vết tiếp xúc bánh xe và nếu giải (2.25) ta có vận tốc gócij Từ xij, ij ta tính các

hệ số trượt dọcsBij, sAij; Với x yij, ij ta tính được góc lệch bánh xe

ij

Hệ phương trình vi phân cấp 2 (2.26) mô tả động lực học phanh ô tô hoàn toàn giải được theo phương pháp số Thông dụng nhất hiện nay là giải hệ đó bằng phần mền MatLab-Simulink

2.3 Phương pháp xác định lực tương tác bánh xe

Cần nhấn mạnh là khả năng chuyển động của ô tô (như tăng tốc, khả năng phanh, khả năng ổn định quỹ đạo) phụ thuộc hoàn toàn vào các lực Fx, Fy, Fz Như vậy việc xác định các quan hệ nội hàm của nó là việc làm cần thiết trong nghiên cứu động lực học ô tô hiện đại Nghiên cứu tính chất của lốp vì vậy trở thành vấn đề cơ bản khi nghiên cứu động lực học ô tô Xác định các lực tương tác bánh xe là một công việc khó khăn, phức tạp và khó có kết quả mong muốn

Có ba phương pháp xác định lực tương tác bánh xe là i) Phương pháp vật lý, ii) Phương pháp thực nghiêm, iii) Phương pháp hỗn hợp Phương pháp thứ nhất là

sử dụng các phương pháp cơ học biến dạng đàn hồi trong đó có phân tử hữu hạn FEM Phương pháp này phức tạp mà không phù hợp cho nghiên cứu động lực học ô tô Phương pháp thứ hai là thí nghiệm xác định các thuộc tính của lốp, trên đường hoặc trên bệ thử sau đó dùng phương pháp nội suy để xác định tương quan Phương pháp này đòi hỏi thời gian tính lớn và cũng ít phù hợp cho nghiên cứu động lực học ô tô Phương pháp thứ ba là dựa vào các đặc tính của lốp đưa

ra các hàm toán học mô tả các thuộc tính vật lý và xác định các giá trị đặt biệt qua thực nghiệm để tăng cao độ chính xác của mô hình Phương pháp này đã thể hiện tính mền dẻo và hữu hiệu khi nghiên cứu đông lực học ô tô Có hai phạm trù cần phải quan tâm nghiên cứu:

- Lốp đàn hồi trên nền cứng,

- Lốp đàn hồi trên nền đường không có kết cấu bền vững,

Vấn đề thứ nhất có ý nghĩa cho nghiên cứu ô tô trên đường giao thông, còn vấn đề thứ hai có ý nghĩa cho xe quân sự, công trường, vùng mỏ, nông nghiệp

Trong phạm vi luận văn này chúng ta chỉ xét bánh xe đàn hồi tương tác trên nền

cứng Có thể hiểu sự truyền lực bánh xe-đường là một quá trình hợp giữa truyền

lực khớp (kiểu bánh răng) giữa các mấp mô tế vi của đường với các biến dạng tế

vi của lốp và mặt khác là quá trình truyền lực ma sát Culông Dạng truyền lực thứ nhất phụ thuộc sự biến dạng của lốp và mấp mô tế vi của đường Như vậy hệ

số truyền ở đây có thể lớn vô cùng (như kiểu khớp) và lớn hơn hay bằng 0 (truyền ma sát) Ta dễ dàng chấp nhận có 2 quá trình xảy ra kế tiếp nhau: Ban đầu giữa hai bề mặt lốp - đường ăn khớp với nhau (bám), trục xe và đường trượt tương đối do cao su biến dạng, ta gọi đó là trượt đàn hồi; giai đoạn hai, khi vượt qua giai đoạn đàn hồi, lốp đường trượt tương đối với nhau (trượt trên bề mặt)

Sự trượt có thể được xác lập qua các yếu tố vận tốc (động học) Vì vậy các nhà động lực học ô tô đã có ý tưởng là xác định các lực Fx, Fy, Fz thông qua các thông số động học (các thông số động học là các thông số quan sát được, đo được) Đó là ý tưởng của các mô hình lốp mà ta sẽ xét kỹ ở phần sau Nếu nói về tính chất của mô hình ta có ba dạng tương ứng là:

Mô hình lốp (thuần) vật lý là dạng mô hình được mô tả bằng hệ phương trình vi phân chuyển động (của các phần tử trong lốp) Về nguyên tắc hệ phương trình vi phân đó mô tả chuyển động của các phần tử trong lốp và tương quan của

nó với mặt đường, các mô tả đó phải đi đôi với mô tả thuộc tính của vật liệu Đó

là phương pháp phần tử hữu hạn, mô tả lốp như một hệ liên tục với hàng ngàn

bậc tự do Phương pháp này rất bị hạn chế vì tính cồng kềnh của chương trình,

khó có thể kết nối với một chương động lực học ô tô nhỏ hơn nhiều Ngoài ra

việc mô tả tính chất phi tuyến của vật liệu làm lốp là một vấn đề khó khăn vì lốp

được hình thành bởi nhiều loại vật liệu khác nhau Một vấn đề không đơn giản

nữa là mô tả quan hệ hệ số bám lốp - đường Với lý do trên, mô hình vật lý

không thể hiện liên kết với mô hình động lực học ô tô Mô hình lốp (thuần) số

có một khó khăn là khó chuyển đổi cho các loại lốp khác nhau (không có tính

tổng quát) Ngoài ra với mô hình này, quá trình mô phỏng không được mềm dẻo

vì quan hệ lốp đường luôn thay đổi

Đến nay mô hình dùng trong nghiên cứu động lực học là mô hình hỗn hợp

Mô hình được đưa ra dưới dạng các hàm toán học và dùng các biến quan sát

(đo) được để hiệu chỉnh

Theo phân loại của Rolt Isermann [1] mô hình lốp thuộc loại mô hình gần

đen “Dark - Gray - box – modell” Đặc điểm của mô hình dạng này là biết quy

luật vật lý, không biết cấu trúc mô hình (không đưa ra được hệ phương trình vi

phân mô tả và cuối cùng là không biết các tham số Ta coi mô hình lốp như một

hộp đen, quan sát các thông số vào và ra để xác định quy luật Thông qua các tài

liệu hiện có ở Việt Nam, chúng ta có các mô hình hỗn hợp sau:

2 0

Bánh xe đàn hồi là phần tử chính liên kết lốp-đường Đặc tính chuyển động ô tô

phụ thuộc vào thuộc tính của lốp: nó có ảnh hưởng đến đặc tính lái, đặc tính kéo

và phanh, đặc tính êm dịu chuyển động và tiêu hao nhiên liệu Để hiểu được

thuộc tính của bánh xe đàn hồi ta coi chuyển động của ô tô trong các phương

dọc, ngang và thẳng đứng là độc lập Cấu trúc của lốp như hình (2.6)

Hình 2.9 Cấu trúc lốp

Tọa độ vết tiếp xúc bánh xe và các lực tương tác lốp-đường:

Để nghiên cứu đặc tính bánh xe ta định nghĩa hệ tọa độ cục bộ như hình

bánh xe với mặt phẳng chứa trục xz; góc lệch bên bánh xe α là góc hợp giữa trục bánh xe x và trục vận tốc v Lực Fx là lực tiếp tuyển nằm trên trục x, nếu Fx>0 xe

phản lực thẳng đứng từ đường tác động lên bánh xe Fy là lực ngang bánh xe,

y Mx là mô men quay quanh trục dọc xe, mô men này xuất hiện khi có gió

quanh trục z, nó quyết định đến đặc tính dẫn hướng của ô tô Cần lưu ý bánh xe

ô tô là bánh xe đàn hồi, chịu biện dạng ở 3 phương x,y,z Biến dạng đàn hồi tương quan với các lực tương tác bánh xe Fx, Fy, Fz Nếu biết độ cứng các phương ta có thể xác định các lực bánh xe theo biến dạng