NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC NGANG ĐẾN TÍNH CHẤT CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH 16 CHỖ. LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu 4.1 Thông sốkỹ thuật xe khảo sát 4.2 Thông số mô hình khảo sát 1.3 Ảnh hưởng của Ks đến quan hệ giữa góc quay thực tế và gia tốc hướng tâm với bán kính quay vò

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ VY THẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC NGANG ĐẾN TÍNH CHẤT CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH 16 CHỖ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng, Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học:

TS Lê Văn Tụy

Đà Nẵng, Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác!

Đà Nẵng, ngày 12 tháng 9 năm 2017

Tác giả

TÓM TẮT LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC NGANG ĐẾN TÍNH CHẤT CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô

TÔ KHÁCH 16 CHÔ Học viên: Nguyễn Thị Vy Thảo Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô – Máy kéo

Mã số: 60.52.35 Khóa: 30 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Khi ô tô chuyển động quay vòng sự mất ổn định ngang có thể xảy ra, điều này làm

cho ôtô có thể bị lật ngang hoặc trượt ngang Luận văn nghiên cứu lý thuyết các trường hợp khi xuất hiện lực ngang trêm mô hình động học 2 bánh xe cho chuyển động ngang bằng toán học của ô tô chuyên động Trên cơ sở mô hình toán học đã xây dựng, tác giả sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng động lực học quay vòng của ô tô khi xuất hiện lực ngang với các thông số của một xe cụ thể Ảnh hưởng của một số yếu tố kết cấu và vận hành đến quỹ đạo chuyển động khi quay vòng đã được mô phỏng bởi luận văn này Kết quả mô phỏng cho thấy tính quy luật và phù hợp của mô hình nghiên cứu Nó là cơ sở để quy định các điều kiện khai thác ô tô theo đặc điểm đường xá Việt nam để đảm bảo tính ổn định và an toàn giao thông

Từ khóa – động lực học và tính điều khiển xe; lực ngang;chuyển động quay vòng;tính ổn định

và an toàn giao thông; MATLAB / Simulink

RESEARCH ON THE IMPACT OF HORNS ON THE CHEMICAL PROPERTIES OF 16-BOOM

CAR

Abstract - The rotating of vehicle can creates possiblely horizontal instability, this can cause

the car to be horizontally or vertically flipped The thesis studies the case of the lateral motion of wheel kinematic model for the mathematical motion of a particular automobile Based on the built-in mathematical model, we uses MATLAB / Simulink software to simulate the automobile's revetment dynamics when it comes to the force of a single parameter We examines the effect of some structural factors and operate on the rotation trajectory of rotation has been simulated by this thesis The simulation results show the validity and relevance of the research model It is the basis for regulating the conditions of car exploitation according to road characteristics of Vietnam to ensure the stability and traffic safety

two-Key words - Vehicle Dynamics and Control; horizontal force;horizontal stiffness of the

wheel; braking force; MATLAB / Simulink

MỤC LỤC

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

1.1.Tổng quan về các tình huống khi xuất hiện lực ngang làm ô tô lệch khỏi phương

chuyển động lý thuyết 4

1.1.1 Tính điều khiển của ô tô 4

1.1.1.1.Lệch khỏi phương chuyển động do mất ổn định hướng khi quay vòng 5

1.1.1.2.Lệch khỏi phương chuyển động mất ổn định hướng do tác dụng của lực gió ngang: 8

1.1.1.3.Lệch khỏi phương chuyển động do mất ổn định hướng khi phanh 9

1.2 Tình hình nghiên cứu phân bố lực ngang trên xe đến ổn định chuyển động trong và ngoài nước 10

Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 13 2.1 Tính chất ổn định của ô tô 13

2.1.1 Tính ổn định dọc 13

2.1.1.1 Tính ổn định dọc tĩnh 13

2.1.1.2 Tính ổn định dọc động 14

2.1.2 Tính ổn định ngang của ô tô 14

2.1.2.1 Tính ổn định ngang của ô tô khi chuyển động thẳng trên đường nghiêng

ngang: 14

2.1.2.2 Tiêu chí đánh giá ổn định ngang ô tô 16

2.2 Động lực học điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô 16

2.2.1 Mô hình hệ thống điều khiển của ô tô 16

2.2.2 Vấn đề giao thông và quỹ đạo chuyển động 18

2.3.1 Ảnh hưởng của yếu tố kết cấu 19

2.3.1.1 Ảnh hưởng của bánh xe đàn hồi 19

2.3.1.3 Ảnh hưởng của hệ thống lái 23

2.3.2 Ảnh hưởng của yếu tố khai thác và môi trường 23

2.3.2.1 Ảnh hưởng của áp suất hơi lốp đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô 24

2.3.2.2 Ảnh hưởng của mặt đường đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô 26

2.3.2.3 Ảnh hưởng của gió đối với quỹ đạo chuyển động của ô tô 26

2.4 Kết luận chương 27

Chương 3 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ KHI CÓ LỰC NGANG 29 3.1 Mô hình động học ngang trong chuyển động trong chuyển động của ôtô 29

3.1.1 Mô hình quỹ đạo chuyển động tổng quát của ô tô 29

3.1.2 Mô hình hai vết trong mặt phẳng 31

3.1.3 Mô hình một vết 32

3.1.4 Mô hình một bánh: 33

3.1.5 Mô hình hệ thống lái 34

3.2 Xây dựng mô hình động lực học ô tô khi quay vòng 36

3.2.1 Giả thiết xây dựng mô hình 36

3.2.2 Xây dựng mô hình động lực học quay vòng ô tô một vết 37

3.2.3 Mô hình lực tương tác giữa bánh xe với mặt đường 41

3.3 Kết luận chương 47

Chương 4: MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ KẾT CẤU VÀ VẬN HÀNH ĐẾN TÍNH ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHI CÓ LỰC

4.1 Đối tượng khảo sát : Mercedes Benz MB 140 48

4.2 Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô 49

4.2.1 Giới thiệu phần mềm MATLAB/Simulink 49

4.2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm MATLAB/Simulink 51

4.2.3 Thông số đầu vào của đối tượng mô phỏng 52

4.2.4 Mô phỏng quỹ đạo chuyển động khi quay vòng với góc đánh lái không đổi 53

4.2.5 Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô khi đang vào cua 54

4.2.6 Mô phỏng quỹ đạo chuyển động khi quay vòng phải và quay vòng trái 56

4.2.7 Mô phỏng quỹ đạo chuyển động khi chịu tác động của gió ngang 57

4.3 Ảnh hưởng của kết cấu ô tô đến ổn định quỹ đạo chuyển động 59

4.3.1 Ảnh hưởng độ cứng ngang của lốp 59

4.3.2 Ảnh hưởng của hình đáng mặt cắt dọc của ô tô (điểm đặt lực gió ngang) 60

4.4 Ảnh hưởng của hệ số bám đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô 61

4.5.1 Hệ thống chống lắc ngang thân xe 63

4.5.2 Hệ thống cảnh báo sai lệch đường 63

4.5.3 Hệ thống giữ làn đường 64

4.5.4 Hệ thông điều khiển ổn định Yaw 64

4.5.5 Hệ thống kiểm soát độ bám đường – kiểm soát lực kéo (Traction control) 66

4.5.6 Hoạt động điều chỉnh khi xe quay vòng thừa hoặc quay vòng thiếu 67

4.5.6.1 Hoạt động điều chỉnh khi xe bị quay vòng thừa 67

4.5.6.2 Hoạt động điều chỉnh khi xe bị quay vòng thiếu 67

4.6 Kết luận chương 68

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

4.1 Thông sốkỹ thuật xe khảo sát

4.2 Thông số mô hình khảo sát

1.3 Ảnh hưởng của Ks đến quan hệ giữa góc quay thực tế và gia tốc hướng

tâm với bán kính quay vòng R = const

2.3 Mô hình “Ô tô – Con người – Môi trường” trong nghiên cứu quỹ đạo

chuyển động và tính điều khiển ô tô

18

2.4 Lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường 21 2.5 Đồ thị biểu thị lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường 22 2.6 Sự phụ thuộc lực bám dọc, ngang vào hệ số trượt dọc  và góc lăn

lệch 

22

2.7 Phương pháp xác định trọng tâm hình học của hình chiếu ô tô 23 2.8 Điểm đặt lực gió ngang so với trọng tâm của ô tô 24 2.9 Anh hưởng của áp suất lốp (tire inflation pressure) đến độ cứng theo

phương ngangC y (a), dọc C x(b) và theo phương hướng kính C z (c)

ảnh hưởng của mấp mô mặt đường

34

3.6 Mô hình thí nghiệm đặc tính bám dọc, ngang của lốp 35 3.7 Mô hình động lực học hệ thống lái 35 3.8 Mô hình quỹ đạo chuyển động của ô tô với hệ thống lái 36 3.9 Mô hình động lực học bánh xe chủ động 38 3.10 Mô hình động lực học bãnh xe chủ động 40 3.11 Sự lăn lệch bên của bánh xe 41

3.12 Sự phụ thuộc lực bám dọc, ngang vào hệ số trượt dọc  và góc lăn

lệch 

42

3.14 Đặc tính bám ngang của một số loại đường khác nhau 44

3.15 Sự phụ thuộc của độ cứng ngang

Ảnh hưởng của độ cứng ngang của bánh xe trên trục trước/ sau đến

tính ổn định của ô tô khi đổi hướng chuyển động

60

4.14 Ảnh hưởng của điểm đặt lực gió ngang đến tính ổn định của ô tô 62 4.15 Đặc tính bám ngang của lốp-đường trên một số loại đường khác 63

4.16 Ảnh hưởng của độ bám ngang đến độ ổn định của ô tô khi quay vòng 63 4.17 Hệ thống báo sai lệch đường dựa trên đánh dấu trên đường 64 4.18 Chức năng của hệ thống điều khiển Yaw 66

4.19 Hệ thống kiểm soát lực kéo chống trơn trượt giúp xe vận hành tăng tốc

ổn định

68

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong quá trình phát triển nền kinh tế quốc dân và phục vụ đời sống xã hội, nhu cầu vận chuyển hàng hóa và hành khách ngày một gia tăng Vận tải ô tô có khả năng đáp ứng tốt hơn nhiều mặt so với các phương tiện vận tải khác do tính đơn giản, cơ động Ô tô có thể đi đến những vùng mà các phương tiện khác không thể đến được bên cạnh đó giá thành vận chuyển ô tô tương đối thấp Ở nước ta, do địa hình phức tạp, sự

mở rộng và đô thị hóa tăng nhanh trong khi việc đầu tư và đáp ứng của các phương tiện khác còn hạn chế thì vận tải ô tô càng có nhiều ưu thế hơn Trong hoàn cảnh kinh

tế hiện nay, việc đi lại của nhân dân ta vẫn chủ yếu dựa vào vận tải hành khách đường

bộ do giá rẻ và tiện lợi

Việc nghiên cứu phân bố tải trọng tác dụng lên ô tô chuyển động trên đường giúp

ta có thể kiểm soát và điều khiển được khả năng bám của bánh xe với mặt đường Nhiều tình huống lái xe điển hình có thể trực tiếp hoặc gián tiếp dẫn đến tai nạn lật xe

do sự mất ổn định việc điều khiển không như mong muốn dẫn đến xay ra tai nạn Ví dụ: chạy quá tốc độ khi vào cua, khi chuyển làn hay tránh chướng ngại vật, hoặc do tác động của gió ngang các nguyên do trên có thể phân biệt ra hai nhóm tình huống dẫn đến lật xe:

 Lật xe trực tiếp, còn gọi là lật xe trên đường bằng, xảy ra khi xe vào cua quá gấp Khả năng này quyết định bởi tính ổn định của ô tô;

 Lật xe gián tiếp, hay lật xe do “vấp”, xảy ra sau khi xe bịtrượt khỏi quỹ đạo chuyển động và các bánh xe va phải chướng ngại vật trên đường Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do xe bị mất tính điều khiển

Với thực trang đó ôtô là phương tiện giao thông không thể thiếu trong cuộc sống con người Với tiến bộ khoa học kỹ thuật, ô tô ngày càng hiện đại, tốc độ càng lớn và yêu cầu về độ an toàn và tiện nghi chuyển động ngày càng tăng, trong đó độ ổn định quỹ đạo chuyển động là một tính chất rất quan trọng của ô tô, đặc biệt khi tốc độ chuyển động cao Trong quá trình chuyển động ô tô chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu

tố tác động đến làm mất ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô trong đó có yếu tố kết cấu, yếu tố khai thác và điều kiện môi trường giao thông Nếu không kiểm soát được

các yếu tố đó rất dễ làm mất kiểm soát quỹ đạo của ô tô gây tai nạn giao thông Sự chuyển động an toàn của ô tô phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái chuyển động của ô tô Trong đó có trạng thái chuyển động không ổn định xẩy ra khi ô tô không thể điều khiển hướng chuyển động theo quỹ đạo ổn định Tính ổn định ngang do chịu sự tác động của lực ngang có ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn chuyển động của ô tô

Khoa học công nghệ ô tô ngày nay không ngừng cải tiến, nâng cấp để đảm bảo cao nhất về độ an toàn chuyển động ô tô Đây cũng là đề tài cũng được rất nhiều người quan tâm

Xuất phát từ thực trạng trên và trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ tôi chọn đề tài

“Nghiên cứu ảnh hưởng của lực ngang đến tính chất chuyển động của ô tô khách

16 chỗ”

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu của đề tài là hướng đến việc nâng cao tính ổn định và tính an toàn quỹ đạo chuyển động cho ô tô khách dưới tác dụng của lực ngang

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Ôtô khách du lịch 16 chỗ Mercedes Benz MB 140

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Do phạm vi nghiên cứu và điều kiện có hạn đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu xây dựng mô hình lý thuyết và tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Matlab – Simulink, chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu của các hệ thống liên quan đến tính chất chuyển động của ôtô.

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Do thời gian và điều kiện có hạn Đề tài chọn phương pháp mô phỏng bằng Matlab-Simulink, để giải quyết bài toán kiểm nghiệm ổn định ngang ô tô khách 16 chỗ khi chịu tác động của lực ngang đến tính chất ổn định quỹ đạo chuyển động Thiết lập

mô hình toán học thích hợp từ đó xây dựng mô hình mô phỏng, luận văn sẽ phải sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Mô phỏng trên máy bằng phần mềm Matlab-Simulink sẽ giúp tiết kiệm được thời gian cho kết quả tin cậy và giảm giá thành nghiên cứu rất lớn so với việc tiến hành thí nghiệm

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài nghiên cứu mang tính lý thuyết chuyên sâu về tính ổn định của xekhách khi chịu tác động của lực ngang đến tính chất điều khiển quỹ đạo chuyển động của ô

tô, đề tài đưa ra các cơ sở lý thuyết nhằm nâng cao tính ổn định và có thểgóp phần vào

tư liệu cho cơ sở dữ liệu khoa học- công nghệ làm tiền đề cho các nghiên cứu thực nghiệm

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Việc nghiên cứu quỹ đạo chuyển động ổn định của ôtô ở Việt Nam hiện nay được rất nhiều tác giả quan tâm, là cơ sở cho việc thiết kế các hệ thống tự động điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tôđể đảm bảo an toàn giao thông

Nội dung nghiên cứu gồm

Chương 1:Tổng quan

Chương2:Cơ sở lý thuyết về ổn định của ô tô

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của lực ngang đến tính chất chuyển động của ôtô Chương 4:Kết quả mô phỏng và bàn luận

Chương 1- TỔNG QUAN 1.1.Tổng quan về các tình huống khi xuất hiện lực ngang làm ô tô lệch khỏi phương chuyển động lý thuyết

1.1.1 Tính điều khiển của ô tô

Khi ô tô chuyển động trên đường, ở các vị trí khung xe có liên kết với hệ thống treo có dịch chuyển khác nhau Sự khác biệt lớn giữa chuyển dịch của hai bên khung

xe sẽ dẫn đến hiện tượng xoắn, thậm chí gãy khung xe Mất ổn định ngang thường xảy

ra khi có lực ngang lớn tác dụng Thời điểm bắt đầu xảy ra trượt ngang ở các bánh xe

là khi lực bám ngang của bánh xe đó với đường đạt giá trị lớn nhất và cân bằng với lực ngang tác dụng Sự trượt ngang có thể xảy ra đồng thời ở tất cả các bánh xe hoặc trước tiên xảy ra ở các bánh xe của một cầu nào đó, sau đó mới dẫn đến sự trượt ngang của các bánh xe cầu khác Trong thực tế, hiện tượng trượt ngang của bánh xe các cầu là không đồng thời Bánh xe cầu chủ động dễ bị trượt ngang hơn cầu bị động vì trên các bánh xe cầu chủ động còn có các phản lực tiếp tuyến mà sự tác dụng của chúng làm giảm khả năng bám của bánh xe với đường Ô tô bị lật ngang khi véc tơ tổng hợp lực tác dụng lên ô tô có phương nằm ngoài mặt chân đế Sự lật ngang có thể xảy ra qua điểm tiếp xúc của các bánh xe bên phải (hoặc bên trái) với mặt đường Ở thời điểm ô

tô bắt đầu bị lật ngang, phản lực của đường tác dụng lên các bánh xe cùng bên (phải hoặc trái) sẽ bằng không

Mất ổn định ngang có thể xảy ra khi ô tô chuyển động trên đường nghiêng ngang Khi đó, thành phần song song với mặt đường của trọng lượng ô tô đóng vai trò lực ngang Giá trị của thành phần này phụ thuộc góc nghiêng ngang của đường Khi ô tô chuyển động trên đường bằng, nếu quay vòng gấp với vận tốc lớn cũng có khả năng xảy ra mất ổn định ngang Khi đó lực ly tâm đóng vai trò lực ngang Giá trị của lực ly tâm phụ thuộc vào vận tốc và bán kính quay vòng của ô tô Khi giá trị của lực ngang tác dụng lên ô tô đủ lớn thì ô tô xảy ra sự mất ổn định ngang Như vậy, ô tô có thể mất

ổn định ngang khi chuyển động quay vòng với vận tốc lớn, thậm chí ngay cả khi đi thẳng nếu chuyển động trên đường nghiêng ngang

Khi ô tô chuyển động trên đường, người lái điều khiển hướng chuyển động và tốc

độ chuyển động của ô tô Bằng cách thay đổi góc quay vành tay lái Ω, thông qua dẫn

động của hệ thống lái, người lái thay đổi được góc quay của các bánh xe dẫn hướng, qua đó điều khiển ô tô chuyển động thẳng hoặc quay vòng theo phương hướng mong muốn và đồng thời thay đổi bán kính quay vòng của ô tô Để thay đổi vận tốc chuyển động, người lái tác động trực tiếp vào các hệ thống của ô tô như chân ga để tăng giảm công suất động cơ, tác động vào hệ thống truyền lực bằng cách chuyển các tay số khác nhau hoặc điều khiển hệ thống phanh

Vì thế tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ôtô là khả năng ô tô giữ được hướng chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động, ôtô phải giữ được quỹ đạo chuyển động mong muốn theo tín hiệu điều khiển của người lái

1.1.1.1.Lệch khỏi phương chuyển động do mất ổn định hướng khi quay vòng

Khi ô tô quay vòng, do ảnh hưởng của sự biến dạng bên của lốp, bán kính quay vòng thực tế của ô tô có thể khác với bán kính quay vòng mong muốn của lái xe, dẫn đến mất ổn định quỹ đạo chuyển động gây nguy hiểm cho người và phương tiện

Trong trường hợp lốp xe không biến dạng (ô tô quay vòng với tốc độ thấp, không chịu ảnh hưởng của lực quán tính ly tâm), bán kính quay vòng thực tế của ô tô trùng với

bán kính quay vòng lý thuyết R và được xác định gần đúng theo góc quay của bánh xe dẫn hướng δ và chiều dài cơ sở L của ô tô theo công thức, (Hình 1.1a)

Trong trường hợp này, trạng thái quay vòng của ô tô được gọi là quay vòng đúng (neutral steering) Tuy nhiên trong thực tế, do đặc tính đàn hồi của lốp, các phản

lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xekhi ô tô quay vòng F yf , F yr sẽ khiến các bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau lăn lệch khỏi phương chuyển động ban đầu dưới

các góc lệch bên α f và α r , với các góc quay nhỏ δ, α f , α r<<1(Hình 1.1b)

Tùy thuộc vào giá trị của   f  rcó thể xác định ba trạng thái quay vòng của

ô tô khi lốp biến dạng như sau:

- Nếu α f = α r → R t = R : quay vòng đúng (neutral steering);

- Nếu α f <α r → R t <R: quay vòng thừa (over steering);

- Nếu α f >α r → R t >R: quay vòng thiếu (under steering)

Hiện tượng quay vòng thừa xảy ra khi bán kính quay vòng thực tế của xe nhỏ

hơn bán kính quay vòng mong muốn tính theo góc quay vành tay lái, nghĩa là Rt<R

Trong trường hợp này người lái phải kịp thời đánh trả tay lái để đưa ô tô trở về quỹ đạo chuyển động mong muốn Thao tác chậm trễ sẽ làm tăng đột biến giá trị lực quán tính ly tâm Do sự di chuyển tải trọng giữa các bánh xe phía trong và ngoài tâm quay vòng, phản lực thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe phía trong giảm, làm giảm khả năng bám ngang của ô tô khiến ô tô bị trượt ra khỏi quỹ đạo chuyển động ban đầu Nếu mặt đường có hệ số bám lớn ô tô có thể bị lật quanh vết tiếp xúc giữa các bánh xe phía ngoài với mặt đường

tay lái, nghĩa là Rt>R Khi quay vòng thiếu, các phản lực bên tác dụng lên bánh xe sau

có xu hướng làm cho phần đuôi xe lệch về phía trong Để ô tô chuyển động đúng quỹ đạo mong muốn, người lái phải đánh thêm tay lái một góc quay phù hợp

Như vậy trạng thái quay vòng của ô tô sẽ phụ thuộc vào độ cứng bên của lốp và

vị trí tọa độ trọng tâm C theo biểu thức C lf rC lr f  Hình (1.2) thể hiện ảnh hưởng

của vị trí tọa độ trọng tâm và độ cứng bên của lốp đến trạng thái quay vòng khi ô tô quay vòng với bán kính không đổi

Hình 1.2 Quan hệ giữa các trạng thái quay vòng với độ cứng bên của lốp và tọa độ

trọng tâm ô tô

Quan hệ giữa góc quay lý thuyết δ0(không kể đến biến dạng bên của lốp,

Ackermann steering angle) và góc quay thực tếδ(có kể đến biến dạng bên của lốp) của

bánh xe dẫn hướng với các góclệch bên của lốp

K s được gọi là hệ số quay vòng [Mitschke], giá trị của K s xác định trạng thái

quay vòng của ô tô Hình (1.3) biểu diễn ảnh hưởng của hệ số quay vòng K s đến mối

quan hệ giữa góc quay thực tế của các bánh xe dẫn hướng δvà gia tốc hướng tâm a y khi

ô tô quay vòng với bán kính không đổi

- Khi K s = 0: δ = δ0 , ô tôquay vòng đúng (neutral steering), góc quay thực tế của

bánh xe dẫn hướng luôn cân bằng với góc quay vòng Ackermann và không thay đổi theo sự tăng của gia tốc hướng tâm hay tốc độ chuyển động của ô tô, đảm bảo ô tô chuyển động theo đúng quỹ đạo mong muốn;

- Khi K s > 0: δ>δ0, ô tô quay vòng thiếu (under steering), góc quay thực tế của

bánh xe dẫn hướng tăng theo sự tăng của gia tốc hướng tâm hay tốc độ chuyển động của ô tô khiến ô tô chuyển động ra ngoài quỹ đạo mong muốn;

- Khi K s < 0: δ<δ0, ô tô quay vòng thừa (over steering), góc quay thực tế của bánh

xe dẫn hướng giảm khi gia tốc hướng tâm hay tốc độ chuyển động của ô tô tăng, khiến

ô tô chuyển động vào phía trong quỹ đạo mong muốn;

Hình 1.3Ảnh hưởng của Ks đến quan hệ giữa góc quay thực tế và gia tốc hướng tâm

với bán kính quay vòng R = const

1.1.1.2.Lệch khỏi phương chuyển động mất ổn định hướng do tác dụng của lực gió ngang:

Khi ô tô quay vòng, lực quán tính ly tâm sẽ gây ra các phản lực ngang từ mặt

đường tác dụng lên bánh xe làm xuất hiện các góc lệch bên α f và α r phụ thuộc vào giá

trị của các phản lực ngang F yf , F yrvà độ cứng bên của lốp Cαf , C αf theo công thức (1.2),

có thể dẫn đến trạng thái quay vòng thiếu hoặc thừa làm mất ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Khi ô tô đang chuyển động thẳng, giá trị lực gió ngang lớn sẽ làm các lốp xe bị biến dạng bên và lăn lệch khỏi hướng chuyển động thẳng Tùy theo giá trị độ lớn của các góc lệch bên bánh xe cầu trước và cầu sau có thể xảy ra các tình huống sau:

- Khi α f >α r xuất hiện lực quán tính ly tâm F lt ngược chiều với lực gió ngang F w

có xu hướng ổn định quỹ đạo chuyển động ban đầu của ô tô (Hình 1.4a)

- Nếu α f <α r lực quán tính ly tâm F lt cùng chiều với F w làm tăng giá trị lực ngang gây mất ổn định quỹ đạo chuyển động (Hình 1.4b)

Hình 1.4 Ảnh hưởng của gió ngang và biến dạng của lốp đến ổn định hướng chuyển

động

1.1.1.3.Lệch khỏi phương chuyển động do mất ổn định hướng khi phanh

Hiện tượng mất ổn định quỹ đạo chuyển động còn có thể xảy ra khi ô tô phanh gấp trên đường có hệ số bám không đều giữa hai bên bánh xe, hoặc khi bánh xe giữa các cầu bị bó cứng không đồng thời

Khi tổng lực phanh giữa các bánh xe bên phải và bên trái khác nhau (do khe hở giữa má phanh và trống phanh, do chất lượng bề mặt ma sát, hoặc do giá trị giớihạn bám không đều), ô tô sẽ chịu tác dụng của mô men xoay thân xe quanh trục thẳng

đứng đi qua trọng tâm M z, làm ô tô chuyển động lệch khỏi quỹ đạo ban đầu dưới một

góc β (Hình 1.5)

Hình 1.5: Mất ổn định hướng do lực phanh không đều

Trường hợp bánh xe giữa các cầu bị bó cứng không đồng thời khi phanh gấp cũng có thể dẫn đến sự mất ổn định hướng của ô tô Khi giá trị lực phanh lớn hơn giá trị

lực bám dọc cho phép, F x max ≥ F φ, các bánh xe sẽ bị trượt lết trên đường và không còn

khả năng bám ngang, F y = 0 Trong quá trình phanh, nếu ô tô chịu tác dụng của mô

men quay M z, có thể xảy ra các trường hợp sau:

- Khi cầu trước bị bó cứng trước, phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên

các bánh xe cầu sau F yr sẽ tạo ra mô men M zy ngược chiều với mô men làm xoay thân

xeM z, có xu hướng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô (Hình 1.6a)

- Khi cầu sau bị bó cứng trước, phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên các

bánh xe cầu trước F yf sẽ tạo ra mô men M zy cùng chiều với mô men làm xoay thân

xeM z, làm tăng xu hướng chuyển động lệch khỏi quỹ đạo ban đầu của ô tô (Hình 1.6b)

1.2 Tình hình nghiên cứu phân bố lực ngang trên xe đến ổn định chuyển động trong và ngoài nước

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của sự xuất hiện lực ngang đến quỹ đạo chuyển động của ô tô là một trong những vấn đề được các nhà thiết kế, khai thácô tô hết sức

quan tâm Quỹ đạo chuyển động của ô tô có ảnh hưởng tới chất lượng vận hành, tính linh hoạt, tính an toàn chuyển động của ô tô Ngoài ra còn có ảnh hưởng trực tiếp tới tính năng ổn định chuyển động và khả năng phanh của ô tô Trong thời gian vừa qua

đã có nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đề cập tới vấn đề nghiên cứu sự xuất hiện của lực ngang khi ô tô chuyển động và các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động của ô tô Tuy nhiên do tính chất phức tạp của vấn đề này, phần lớn các tác giả đều phải sử dụng tới các giả thiết đơn giản hóa để đưa quỹ đạo chuyển động thực tế về quỹ đạo chuyển động phẳng, dẫn tới kết quả nghiên cứu còn hạn chế

Vấn đề khi ô tô đi vào đường vòng và do gió hoặc khi phanh làm xuất hiện lực ngang ảnh hưởng đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô được các tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu quan tâm nghiên cứu Các hướng nghiên cứu bao gồm: nghiên cứu đặc tính bám của lốp; mô hình động lực học tương tác theo phương dọc, ngang của lốp; nghiên cứu mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô; nghiên cứu điều khiển quỹ đạo chuyển động của ô tô; nghiên cứu hệ thống lái tích cực đã được các tác giả tập trung vào nghiên cứu trong và ngoài nước cả bằng lý thuyết và thực nghiệm

Về hướng nghiên cứu đặc tính bám của lốp, xấp xỉ đường đặc tính bám của lốp bằng các hàm toán học như trong công trình nghiên cứu [2][4], tác giả đã đưa ra hàm lượng giác với 10 tham số để mô tả đường đặc tính bám dọc, ngang của lốp Mô hình vẫn phải dựa trên số Trong nghiên cứu [1][3], các tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của

áp suất hơi lốp đến độ cứng theo phương dọc, ngang và theo phương hướng kính Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sự ảnh hưởng đến độ cứng ngang của lốp phụ thuộc rất nhiều vào áp suất hơi lốp, phụ thuộc không đáng kể đến trạng thái bề mặt của lốp, của đường Trạng thái bề của lốp của đường ảnh hưởng đến giá trị lớn nhất của lực bám ngang Trong [3][4][5] các tác giả xây dựng mô hình động lực học của lốp kết hợp theo phương dọc và ngang

Về hướng nghiên cứu thiết kế các hệ thống điều khiển tự động ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô như hệ thống ESP (Electronic Stability Program), hay VDC (Vehicle Dynamics Control), được nhiều tác giả quan tâm như trong nghiên cứu [6], [8], [9],[10]

Về hướng xây dựng mô hình mô phỏng động lực học của ô tô được các tác giả trong nước quan tâm nhiều như các công trình [11], [12], [13], [14], [16] Trong các

nghiên cứu này tác giả chủ yếu tập trung xây dựng mô hình mô phỏng động lực học quay vòng của ô tô với vận tốc đều, không xét đến mô hình quay vòng có gia tốc, hay nói cách khác, động lực học theo phương dọc của ô tô được bỏ qua, coi ô tô chuyển động đều Mô hình lốp được xem xét là mô hình tuyến tính hoặc phi tuyến

Và một số nghiên cứu khác về hệ thống chống lắc ngang bị động và chủ động

đã được giới thiệu trong nhiều tài liệu quốc tế Ở trong nước, nhìn chung các nghiên cứu về hệ thống chống lắc ngang bị động và chủ động còn khá hạn chế Trong thời gian gần đây, hệ thống chống lắc ngang bị động của ô tô khách sản xuất lắp ráp ở Việt Nam đã được mô hình hóa và nghiên cứu một cách có hệ thống Các kết quả nghiên cứu và khảo sát giới thiệu trong tài liệu [9] đã cho thấy tác dụng của hệ thống chống lắc ngang bị động đến tính điều khiển và ổn định ngang của ô tô, với mục tiêu điều khiển là hệ số chống lật được xác định thông quá giá trị tải trọng động ở các bánh xe, điều này thực tế rất khó thực hiện do khả năng công nghệ và bố trí cảm biến

Phương pháp điều khiển thích ứng “gain-scheduling” dựa trên lý thuyết điều khiển tối ưu LQR (Linear Quadratic Regulator) ứng dụng cho hệ dao động tuyến tính chịu các kích động bên ngoài được giới thiệu trong tài liệu [10][11] với các thông số điều khiển phụ thuộc vào gia tốc ngang của thân xe Phương pháp này có hiệu quả cao nhưng đòi hỏi tất cả các thông số trạng thái của mô hình cũng như thông số kích thích đều phải được xác định, do đó đòi hỏi phải sử dụng nhiều cảm biến

Do đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của sự xuất hiện lực ngang đến tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô là giải pháp có ý nghĩa khoa học và thực tiễn đối với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam

Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ QUỸ ĐẠO CHUYỂN

ĐỘNG CỦA Ô TÔ 2.1 Tính chất ổn định của ô tô

Tính ổn định của ô tô là khả năng duy trì quỹ đạo chuyển động của xe theo mong muốn của người lái xe trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau, xe không bị

lậ t đõ, các bánh xe không bị trượt lết do phanh hay trượt quay do lực kéo lớn hơn lực bám

Tuỳ thuộc điều kiện chuyển động, ô tô có thể đứng yên, chuyển động trên đường dốc hoặc nghiêng (đường có góc nghiêng dọc hoặc nghiêng ngang), xe có thể được phanh hoặc quay vòng trên các loại đường khác nhau (đường xấu, đường tốt…)

Xe có thể mất ổn định theo phương ngang hoặc dọc, trong đó phương ngang có khả năng xảy ra nhiều hơn và nguy hiểm hơn

Các tác nhân gây mất ổn định là lực hình thành vượt quá giới hạn trong các điều kiện chuyển động không thuận lợi như đi vào đường vòng với tốc độ cao, chuyển động với tốc độ cao trên đường trơn trượt, phanh xe đột ngột.v.v… Trong các điều kiện chuyển động đó dễ làm cho xe bị trượt hoặc lật đỗ; trong đó đáng chú ý là lực quán tính ly tâm khi ô tô chuyển động qua đường vòng, hoặc xe bị trượt dẫn đến quay vòng lật đỗ bởi lực ly tâm; nhất là trong điều kiện xe chuyển động với tốc độ cao

Trong phần này, chúng ta nghiên cứu tính ổn định của ô tô để đảm bảo khả

năng không bị lật đổ hoặc bị trượt trong những điều kiện chuyển động khác nhau

2.1.1 Tính ổn định dọc

2.1.1.1 Tính ổn định dọc tĩnh

Tính ổn định dọc tĩnh của ô tô là khả năng đảm bảo cho xe không bị lật đổ hoặc

bị trượt khi đứng yên trên đường dốc dọc

- Góc dốc giới hạn lật đổ tĩnh chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe

Một số góc dốc giới hạn ở một số loại ô tô khi đứng trên dốc:

+ Đối với xe du lịch: ' o

t t

α = α = 60 + Xe tải khi đầy tải: o ' o

α = (35÷40) , α 60 + Xe tự đổ khi không tải: o ' o

α = (20÷35) , α > 60

- Góc giới hạn khi ô tô đứng trên dốc bị trượt hoặc bị lật đổ chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe và chất lượng mặt đường

a) b) Hình 2.1 Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ô tô khi đứng yên

a - Ô tô đứng quay đầu trên dốc

b- Ô tô đứng quay đầu xuống dốc

2.1.1.2 Tính ổn định dọc động

Khi ô tô chuyển động trên đường dốc có thể bị mất ổn định (lật đổ hoặc trượt) dưới tác dụng của các lực và mômen hoặc bị lật đổ khi ô tô chuyển động ở tốc độ cao trên đường bằng

2.1.2 Tính ổn định ngang của ô tô

2.1.2.1 Tính ổn định ngang của ô tô khi chuyển động thẳng trên đường nghiêng ngang:

* Xét ổn định theo điều kiện lật đổ:

Ôtô có xu hướng lật đổ quanh trục nằm trong mặt phẳng của đường và đi qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe bên trái với mặt đường (điểm B) như hình 2.4

Lấy mômen đối với điểm B và rút gọn ta được :

O2

a

t

Mf P

α

at

hg

hg

Thông thường giá trị Mjn nhỏ nên có thể coi Mjn0 , xe không kéo rơmóc nênPm = 0

Ta xác định được góc giới hạn lật đổ khi xe chuyển động trên đường nghiêngngang là:

tgβ đ =

g

c2h (2.2) Trong đó :

β đ - Góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ

Hình 2.2 Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ô tô khi chuyển động thẳngtrên đường

nghiêng ngang

Trong đó:

Y’ , Y” - Các phản lực ngang tác dụng lên các bánh xe bên phải và bên trái

β- Góc nghiêng ngang của đường

Z’ , Z” - Các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên các bánh xe bên

phải và bên trái

Mjn - Mômen của các lực quán tính tiếp tuyến tác dụng trong mặt phẳng

ngang khi ô tô chuyển động không ổn định

* Xét ổn định theo điều kiện trượt:

Khi chất lượng bám của bánh xe với đường kém thì xe có xu hướng trượt khi chuyển động trên đường nghiêng ngang

2

b

T

c/

2

Gcos



Để xác định góc giới hạn khi xe bị trượt, ta lập phương trình hình chiếu các lực lên mặt phẳng song song với mặt đường :

Gsin β = Y’ + Y” = φ φ (Z’+ Z”) = y φ Gcosβ y φ (2.3)

Cũng tương tự ta có góc giới hạn mà xe bị trượt là: tgβ = tφ φy

Điều kiện để xe trượt trước khi lật đổ là:

tgβ < tgtφ β t hay φ <y

g

c2h (2.7)

2.1.2.2 Tiêu chí đánh giá ổn định ngang ô tô

Tính ổn định của ô tô là một trong những tính chất khai thác quan trọng Trong trường hợp tổng quát nó được hiểu là khả năng đảm bảo ô tô chuyển động không bị trượt hoặc lật trong mọi điều kiện khai thác khi chuyển động quay vòng, khi phanh hoặc khi chuyển động trên đường dốc Tính ổn định của ô tô kém sẽ làm giảm tốc độ chuyển động và dễ gây ra các tai nạn Theo hướng trượt hoặc lật, tính ổn định của ô tô được chia thành ổn định dọc và ổn định ngang Trong thực tế hiện tượng mất ổn định ngang xảy ra nhiều hơn và nguy hiểm hơn so với mất ổn định dọc

2.2 Động lực học điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô

2.2.1 Mô hình hệ thống điều khiển của ô tô

Mô hình khảo sát tổng quát tính điều khiển chuyển động của ô tô được xem xét trong mối quan hệ “ô tô - môi trường- người lái” (hình 2.3) Trong thực tế quan hệ giữa trạng thái chuyển động của ô tô và sự điều khiển của người lái diễn ra theo mạch kín, người lái xe thông qua quan sát, âm thanh và cảm nhận từ môi trường để tác động điều khiển ô tô Các yếu tố của môi trường luôn luôn thay đổi, dẫn tới thay đổi mối tương quan chuyển động của ô tô trên nền đường Người lái luôn tác động điều khiển

để thu được quỹ đạo chuyển động theo mong muốn Đồng thời trạng thái chuyển động của ô tô được phản hồi trở lại người lái và người lái lại tác động điều khiển ô tô để đạt được quỹ đạo chuyển động của ô tô

Việc khảo sát hệ thống kín như hình 2.3 là đầy đủ, tuy nhiên mô hình nghiên cứu phức tạp Để đơn giản hóa ta có thể nghiên cứu từng phần trong hệ kín để đánh giá tác động của các yếu tố này đến các yếu tố kia trong hệ thống kín Ví dụ như để nghiên cứu tác động của môi trường chuyển động đến quỹ đạo chuyển động của ô tô thì yếu tố con người phải được loại bỏ, coi tác động điều khiển của con người đến ô tô là không

có hoặc không đổi, không có phản ứng liên hệ ngược với môi trường Sự chia cắt mô hình con để nghiên cứu là cần thiết, ngoài mục tiêu đơn giản hóa mô hình còn mục tiêu quan trọng đó là để xác định rõ yếu tố ảnh hưởng nghiên cứu đến đối tượng nghiên cứu (như ví dụ trên: môi trường tác động đến quỹ đạo chuyển động ô tô)

Mô hình hệ thống kín đầy đủ như hình 2.3 thường để mô phỏng hệ thống thực (đầy đủ) trong trường hợp tổng quát với các kết quả nghiên cứu hoàn thiện mô hình con, hoặc để đánh giá kết quả nghiên cứu với mô hình đơn giản hóa được áp dụng trên

mô hình đầy đủ

Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động của ô tô được hiểu là các đáp ứng chuyển vị của ô tô đối vớisự thay đổi góc quay vành tay lái (kể đến cả ảnh hưởng của động lực học hệ thống lái) khi ô tô chuyển động hay sự thay đổi góc quay của bánh xe dẫn (không kể đến ảnh hưởng của động lực học hệ thống lái) trong điều kiện chuyển động nhất định (vận tốc không đổi hoặc vận tốc thay đổi)

Khi phân tích tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô cần được xem xét ô tô là một hệ thống động lực học với các tác động đầu vào (như góc đánh lái, gió ngang, )

và sự ổn định của các thông số đầu ra Do đó nghiên cứu ổn định của ô tô liên quan Hình 2.3 Mô hình “Ô tô – Con người – Môi trường” trong nghiên cứu quỹ đạo

chuyển động và tính điều khiển ô tô

đến nghiên cứu ổn định hệ thống Một hệ thống được gọi là ổn định nếu quá trình quá

độ tắt dần theo thời gian, hệ thống không ổn định nếu quá trình quá độ tăng dần theo thời gian, hệ thống ở biên độ ổn định nếu quá trình quá độ không đổi hoặc dao động không tắt dần

Bản chất mô hình quỹ đạo chuyển động của ô tô với sự thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng (hay góc quay vành tay lái) là một hệ thống động lực học với tác động đầu vào là góc quay bánh xe dẫn hướng và đáp ứng đầu ra là quỹ đạo chuyển động của ô

tô Hệ thống được coi là ổn định nếu một tác động đầu vào (góc quay bánh xe dẫn hướng) thì đáp ứng đầu ra (quỹ đạo chuyển động của ô tô) phải dần đến ổn định ở một trạng thái xác lập Hay nói cách khác tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô là một đặc tính của ô tô giữ được hướng chuyển động theo góc quay vành tay lái khi chịu tác động của môi trường (tính ổn định bền vững)

2.2.2 Vấn đề giao thông và quỹ đạo chuyển động

Trong giao thông đường bộmặt đường bịgiới hạn, sự chuyển động của ô tô không thể cho phép là những mặt đường vô tận Mặt khác, ô tô chuyển động trong môi trường giao thông với sự chuyển động của các đối tượng tham gia giao thông khác Nếu ô tô mất ổn định điều khiển sẽ dẫn tới mất an toàn giao thông Vì vậy đảm bảo quỹ đạo chuyển động của ô tô là một yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo an toàn giao thông

Sự chuyển động của ô tô trên đường đòi hỏi phải thực hiện theo quỹ đạo phức tạp, người lái luôn luôn điều chỉnh góc quay vành tay lái Khi nâng cao tốc độ chuyển động cần thiết phải đảm bảo mối tương quan chặt chẽ giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái, trong nhiều trường hợp sự sai lầm nhỏ trong điều khiển sẽ dẫn tới mất quỹ đạo chuyển động và gây mất an toàn giao thông Ví dụ như khi đi trên đường vòng

ở tốc độ cao, gặp chướng ngại vật, phanh xe quá ngặt, dẫn đến các bánh xe bị bó cứng làm khả năng tiếp nhận lực ngang của bánh xe giảm, làm bánh xe bị trượt ngang, làm mất khả năng điều khiển dẫn đến lật đổ

Tai nạn của ô tô có thể do nhiều nguyên nhân, trong mô hình “Ô tô - môi trường- người lái” có thể chỉ ra nhóm nguyên nhân: ô tô; mô trường và người lái

+ Đối với người lái như: trình độ kỹ thuật thấp; ít kinh nghiệm; trạng thái của lái

xe (mệt mỏi, buồn ngủ, mất tập trung, chủ quan, …)

+ Đối với môi trường như: chất lượng đường;thiếu các hệ thống thông tin cảnh báo; che khuất tầm nhìn; địa hình, địa chất, mưa, gió, đường trơn trượt; …

+ Đối với ô tô như: tình trạng kỹ thuật không tốt, đặc biệt hệ thống lái, hệ thống phanh; các thông số khai thác không hợp lý như chở quá tải, áp suất lốp không đúng tiêu chuẩn, …

Để hạn chế tai nạn giao thông, các yếu tố trên đều được kiểm soát bằng các quy định pháp luật như: luật giao thông đường bộ; tiêu chuẩn thiết kế đường; tiêu chuẩn

thiết kế ô tô cũng như tiêu chuẩn về kiểm định chất lượng phương tiện đang lưu hành

và ô tô xuất xưởng

Sự liên quan của quỹ đạo chuyển động tới an toàn chuyển động là một trong các nguyên nhân nằm trong nhóm nguyên nhân do phương tiện gây ra Do đó kết cấu ô tô, đặc biệt hệ thống điều khiển chuyển động ô tô cần được hoàn thiện để giảm thiểu nguyên nhân tai nạn do yếu tố kỹ thuật phương tiện gây ra Việc khảo sát các yếu tố liên quan đến kỹ thuật phương tiện đến ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô là cần thiết Việc khảo sát giúp đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố về kỹ thuật phương tiện đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, cân nhắc, xem xét đưa các hệ thống tự động điều chỉnh, điều khiển tự động để nâng cao tính ổn định và điều khiển hướng của ô tô

2.3.Ảnh hưởng của các yếu tố đến quỷ đạo chuyển động của ô tô

2.3.1 Ảnh hưởng của yếu tố kết cấu

2.3.1.1 Ảnh hưởng của bánh xe đàn hồi

Sự chuyển động của ô tô trên nền đường phụ thuộc rất nhiều vào lực tương tác giữa bánh xe và nền đường Bánh xe sử dụng trên ô tô là bánh xe đàn hồi, các thành phần lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường gồm phản lực theo phương thẳng đứng, phản lực dọc trong mặt phẳng quay của bánh xe (lực phanh hoặc lực kéo), phản lực ngang (theo phương vuông góc với mặt phẳng quay của bánh xe) và mô men quay theo trục thẳng đứng (hình 2.4)

Hình 2.4 Lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường

Trong đó hai thành phần phản lực ngang và mô men quay theo trục thẳng đứng ảnh hưởng lớn đến tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Đường đặc tính phản lực ngang và mô men quay theo trục thẳng đứng phụ thuộc nhiều vào kết cấu của lốp, góc lăn lệch của bánh xe () và loại đường (hình 2.5)

Khi bánh xe chịu đồng thời lực dọc và lực ngang, phương chuyển động của bánh xe không trùng với mặt phẳng lăn của bánh xe mà lệch đi một góc  Khi góc lăn lệch  tăng làm giảm tính điều khiển của ô tô khi góc  đạt tới giới hạn, làm mất tính điều khiển

Khi bánh xe chịu đồng thời lực dọc và lực ngang thì lực ngang giới hạn trượt giảm làm giảm tính điều khiển, tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Trên ( hình 2.6) thể hiện mối quan hệ giữa lực bám dọc, ngang phụ thuộc vào hệ số trượt dọc  và góc lăn lệch 

Lực dọcFx bị giới hạn bởi lực bám dọc cực đại, giá trị lực dọc lớn nhất của bánh

xe có thể đạt được giá trị bằng giá trị lực bám dọc cực đại của bánh xe với mặt đường

b) c)

Hình 2.6 Sự phụ thuộc lực bám dọc, ngang vào hệ số trượt dọc  và góc lăn lệch 

Hình 2.5 Đồ thị biểu thị lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường

Khi có mặt lực bênFy (làm xuất hiện góc lăn lệch , hình 2.6 a) có khả năng truyền lực dọc của bánh xe bị giảm và khi lực kéo đạt giá trị lớn nhất thì lực bên rất nhỏ (hình 2.6c), tức là bánh xe ít có khả năng tiếp nhận lực bên (bánh xe dễ bị trượt bên) Ngược lại nếu lực bên đạt giá trị lớn nhất, khi đó bánh xe không còn khả năng tiếp nhận lực dọc (bánh xe dễ bị trượt dọc) (hình 2.6c)

2.3.1.2 Ảnh hưởng của hình dáng hình học của thân xe đến tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Hình dáng hình học của thân xe liên quan đến hai yếu tố có ảnh hưởng đến độ

ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô: giá trị và vị trí đặt lực gió ngang tổng hợp tác dụng lên ô tô; lực nâng thân xe làm giảm áp lực của bánh xe lên mặt đường dẫn đến khả năng bám ngang giảm Trong mục này tác giả đi phân tích xác định vị trí đặt lực gió ngang và ảnh hưởng của vị trí đặt lực gió ngang đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Tâm đặt lực cản gió ngang có thể xác định là trọng tâm của phần diện tích của mặt phẳng dọc đối xứng của xe Phần diện tích này tương đối phức tạp, việc xác định

có thể dựa trên cơ sở chia cắt phần diện tích đó thành các phần diện tích hình học cơ bản có thể dễ ràng xác định trọng tâm diện tích như hình chữ nhật, hình vuông, hình bình hành, hình tam giác, … Trọng tâm của hình chữ nhật, hình vuông, hình bình hành, hình thoi được xác định là giao điểm của hai đường chéo, trong tâm của tam giác được xác định là giao điểm của 3 đường trung tuyến Sau khi xác định được trọng tâm của các hình cơ bản có thể xác định trọng tâm hình học của mặt phẳng dọc của ô tô trên cơ sở cân bằng trọng tâm hình học của các hình cơ bản

Giả sử ta cần tìm tâm diện tích của hình chiếu đứng của ô tô như hình 2.7 Hình chiếu đứng được chia thành các diện tích cơ bản có diện tích S S1, 2, , Sn và có tọa độ trọng tâm tương ứng là ( , ),( , x y1 1 x y2 2),( , x y3 3), ( x yn, n)

Tọa độ trọng tâm của hình chiếu ( , ) x y được xác định như sau:

S y S y S y S y y



     (2.10)

Dấu ( )  tương ứng với phần diện tích đặc, dấu ( )  tương ứng với phần diện tích rỗng

Gọi khoảng cách từ điểm đặt lực gió ngang tổng hợp (điểm C) đến trọng tâm của ô tô (điểm T) là ethể hiện trên hình2.8

Tùy thuộc vào hình dáng diện tích mặt phẳng dọc ô tô, điểm đặt lực ngang này

có thể nằm trước, sau, hoặc trùng với trọng tâm T của ô tô Khi điểm đặt lực ngang nằm trước so với trọng tâm của ô tô (hình 2.8) thì khi xuất hiện lực gió ngang N sẽ sinh ra mô men quay thân xe quanh trọng tâm của ô tô MT  N e có chiều cùng chiều

với sự chuyển động lệch hướng của ô tô làm tăng thêm sự lệch hướng chuyển động của ô tô Khi điểm đặt lực gió ngang C nằm sau trọng tâm T của ô tô thì chiều mô men quay thân xe ngược chiều với chiều chuyển động lệch của thân xe làm giảm sự lệch hướng chuyển động của ô tô Độ lớn mô men quay thân xe do ảnh hưởng của gió ngang MTphụ thuộc vào khoảng cách e và diện tích cản ngang Sx

Hình 2.8 Điểm đặt lực gió ngang so với trọng tâm của ô tô

Hình 2.7 Phương pháp xác định trọng tâm hình học của hình chiếu ô tô

(x 3 ,y 3 ) S3

Xét về khía cạnh ổn định để ô tô không bị quay vòng thừa (hoặc góc bù vành lái nhỏ nhất) thì trọng tâm ô tô cần nằm giữa ô tô hoặc lệch về phía cầu trước, còn tâm áp lực của gió bên cần dịch sau trọng tâm một cách hợp lý nhờ cấu trúc vỏ ô tô Ô tô con

có cầu trước chủ động đáp ứng được yêu cầu trọng tâm ô tô dịch về phía trước, hình dáng vỏ được tạo nên thấp ở đầu xe, cao lên ở đuôi xe để không nhạy cảm với tác dụng của gió bên

2.3.1.3 Ảnh hưởng của hệ thống lái

Hệ thống lái giữ vai trò điều khiển hướng chuyển động của ô tô (thay đổi hay duy trì) theo tác động của người lái Hệ thống lái tham gia cùng với các hệ thống điều khiển khác thực hiện điều khiển ô tô và đóng góp vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông khi ô tô chuyển động Hệ thống lái bao gồm các cụm cơ cấu và chi tiết từ vành tay lái tới các bánh xe dẫn hướng

Hệ thống lái phải đảm bảo điều khiển hướng linh hoạt và an toàn của ô tô trên các loại đường khác nhau tùy thuộc vào vận tốc chuyển động Sự điều khiển linh hoạt

và an toàn phụ thuộc vào các yếu tố kết cấu: bán kính quay vòng nhỏ nhất, độ rơ tổng cộng của hệ thống lái, tỷ số truyền của hệ thống lái, hiệu suất truyền động ngược, khả năng tự ổn định của bánh xe dẫn hướng Trong các yếu tố trên, độ rơ của hệ thống lái ảnh hưởng nhiều đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, độ rơ của hệ thống lái lớn làm thời gian chậm tác dụng của hệ thống lái tăng Độ rơ vành tay lái không quá lớn: với xe có vận tốc tối đa lớn hơn 100km/h, độ rơ vành tay lái không được vượt quá 15

độ, với xe có vận tốc từ nhỏ hơn 100km/h, độ rơ vành tay lái không được vượt quá 27

độ Khả năng tự ổn định của bánh xe dẫn hướng đảm bảo ô tô khả năng ổn định hướng chuyển động, đặc biệt khi đi thẳng Hiệu suất truyền động ngược và tỷ số truyền của

hệ thống lái (tích của tỷ số truyền cơ cấu lái và tỷ số truyền dẫn động lái) cũng có ý nghĩa ổn định hướng chuyển động của ô tô Hiệu suất truyền động ngược nhỏ làm tăng

độ ổn định chuyển động thẳng của bánh xe dẫn hướng khi có ngoại lực ngang tác động lên bánh xe dẫn hướng và lên ô tô Trên một số ô tô hiện đại, tỷ số truyền của cơ cấu lái được điều khiển thay đổi theo tốc độ chuyển động của ô tô để đảm bảo độ ổn định hướng chuyển động thẳng của ô tô Khi tốc độ chuyển động tăng, tỷ số truyền cơ cấu lái tăng để tăng độ ổn định chuyển động thẳng của bánh xe dẫn hướng

2.3.2 Ảnh hưởng của yếu tố khai thác và môi trường

2.3.2.1 Ảnh hưởng của áp suất hơi lốp đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô

tô

Áp suất hơi lốp có ảnh hưởng lớn đến độ cứng theo phương ngang của lốp, ảnh hưởng đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Trên hình 2.9 thể hiện sự ảnh hưởng của áp xuất hơi lốp đến độ cứng theo phương ngang, dọc và theo phương thẳng đứng

Theo thống kê ở Mỹ cho thấy, 5% số phương tiện giao thông gặp nạn là do vấn

đề lốp Cơ quan an toàn giao thông quốc gia Mỹ (NHTSA) cũng chỉ ra nguy cơ gặp tai nạn cao gấp 3 lần đối với các phương tiện sử dụng lốp có áp suất thấp hơn 25% so với tiêu chuẩn Trong quá trình sử dụng do sự chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài lốp nên áp suất hơi lốp giảm theo thời gian Trong điều khiển bình thường, trung bình áp suất hơi giảm khoảng 0,068 atmosphere mỗi tháng, tốc độ này sẽ tăng lên nếu chạy xe trong điều kiện nắng nóng

Lốp xe là phần tử quan trọng và làm việc nặng nhọc nhất trong tương tác giữa bánh xe và đường Quá trình ô tô chuyển động lốp xe luôn luôn ở trong trạng kéo nén cục theo chu kỳ phụ thuộc vào tốc độ quay Lốp non hơi có độ cứng thấp, quá trình biến dạng xảy ra mạnh làm tăng tốc độ phá hủy lốp, ngoài ra còn làm giảm độ cứng của lốp theo phương ngang làm mất ổn định quỹ đạo chuyển động Việc duy trì áp suất lốp đúng theo tiêu chuẩn giúp cho các chức năng phanh, đổi hướng chuyển động, cách

ly dao động từ kích thích mặt đường… ở tình trạng tốt nhất Lốp non hơi cũng làm tăng lực cản lăn dẫn đến tổn hao công suất động cơ Việc sử dụng lốp theo đúng khuyến cáo giúp cải thiện 3,3% mức tiêu thụ nhiên liệu Tuy nhiên sử dụng lốp quá căng lại làm giảm diện tích tiếp xúc giữa lốp với mặt đường, lốp nhanh bị mòn ở giữa

và dễ gây nổ lốp

Bơm lốp đúng áp suất giúp xe lăn trên đường với toàn bộ mặt lốp Mặt tiếp xúc trải đều, tiếp xúc tối đa và mòn đều trên bề mặt lốp Trái lại, nếu bơm quá căng, chỉ có phần giữa lốp xe tiếp xúc mặt đường và do đó hao mòn nhanh ở phần giữa Mặt tiếp xúc lốp ít, dẫn đến quãng đường phanh dài, giảm ổn định khi vào cua, độ bám giảm, lốp xecăng và di chuyển không êm ái Hơn nữa sẽ làm giảm tuổi thọ lốp (giảm độ bền khung lốp)

Nếu để lốp non hơi, các tác hại là tương tự Chỉ khác lốp sẽ bị mòn 2 cạnh bên

do chỉ tiếp xúc với mặt đường bằng 2 cạnh lốp Trung bình, nếu áp suất lốp thấp hơn quy định 0,2 bar, lượng tiêu thụ nhiên liệu sẽ nhiều hơn 1% và tuổi thọ lốp giảm 10% Con số tương ứng lần lượt là 4% và 50% nếu thấp hơn quy định 0,6 bar

Hình 2.9 Anh hưởng của áp suất lốp (tire inflation pressure) đến độ cứng theo phương ngangC y (a), dọc C x(b) và theo phương hướng kính C z (c)

2.3.2.2 Ảnh hưởng của mặt đường đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Mặt đường không bằng phẳng, hệ số bám thấp là hai yếu tố ảnh hưởng đến độ

ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Lực bám dọc và ngang phụ thuộc vào áp lực của bánh xe xuống mặt đường và hệ số bám dọc, ngang Trong mục này tác giả phân tích ảnh hưởng của mặt đường không bằng phẳng đến tính điều khiển của ô tô Theo quan điểm về tính điều khiển và áp lực bánh xe tác dụng xuống nền đường là một trong những thông số quan trọng để đánh giá Khi ô tô chuyển động trên đường không bằng phẳng có tính ngẫu nhiên thì dáng điệu của áp lực bánh xe xuống mặt đường

2.3.2.3 Ảnh hưởng của gió đối với quỹ đạo chuyển động của ô tô

Hình 2.10 Sự thay đổi áp lực bánh xe xuống mặt đường khi chuyển động trên

đường không bằng phẳng

Sự chuyển động của ô tô trong gió bên là một trạng thái của chuyển động quay vòng động Trong thực tế khi ô tô đang chuyển động bất ngờ gặp gió bên đột biến (lực ngang tăng đột biến) có thể làm lệch quỹ đạo chuyển động của ô tô so với quỹ đạo mong muốn Đây là trường hợp có thể gây mất an toàn, hiện tượng này thường gặp khi

ô tô chuyển động qua các khe giữa của hẻm núi với tốc độ cao

Nghiên cứu ảnh hưởng của gió ngang đến ổn định quỹ đạo chuyển động thường khảo sát ở trạng thái chuyển động của ô tô khi không chịu tác động của lái xe, lúc đó

có thể coi ô tô có thể chuyển động thẳng trên đường, trong trường hợp này khi nghiên cứu động lực học thông thường xác định góc bù cần thiết của vành lái để ô tô vẫn giữ được hướng chuyển động thẳng, nghiên cứu phân tích, độ ổn định của gió bên khi có lực gió ngang kích thích Phân tích động lực học, phân tích ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có gió ngang kích thích làm cơ sở để thiết kế điều khiển các hệ thống lái có điều khiển tự động Trên( hình 2.12) thể hiện quỹ đạo chuyển động của ô tô khi

có gió ngang kích thích trong trường hợp giữ nguyên vành tay lái và trong trường hợp điều chỉnh vành tay lái theo hướng ngược lại để đảm bảo ô tô giữ được hướng chuyển động không bị lệch ra ngoài hành lang của đường

Tác giả đã đi phân tích định tính về tính ổn định và ảnh hưởng của một số yếu

tố kết cấu, khai thác và môi trường giao thông đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động Hình 2.11 Quy luật tác động của gió bên (a) và quỷ đạo chuyển động của trọng

tâm ô tô (b)

của ô tô Và nghiên cứu tài liệu tham khảo liên quan đến vấn đề mô hình hóa, mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô cũng như các nghiên cứu liên quan như mô hình lốp, nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô

Các nghiên cứu trong nước về mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô khi chịu tác động của nhiều yếu tố phần lớn chỉ dừng lại ở mô hình quỹ đạo chuyển động đều,

bỏ qua động lực học theo phương dọc ô tô coi ô tô chuyển động đều, mô hình lốp nghiên cứu chủ yếu là mô hình tuyến tính Có một vài nghiên cứu mô hình lốp là mô hình phi tuyếnnhưng chỉ nghiên cứu độc lập trên mô hình lốp [12], chưa nghiên cứu kết hợp mô hình lốp phi tuyến với mô hình quỹ đạo chuyển động của ô tô Các nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố kết cấu và yếu tố khai thác còn hạn chế và mang tính chất định tính.Trên cơ sở đó, tác giả tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố kết cấu, yếu tố khai thác đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có sự xuât hiện lực ngang, mô hình nghiên cứu có xét đến động lực học theo phương dọc của ô tô

Chương 3 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN

ĐỘNG Ô TÔ KHI CÓ LỰC NGANG 3.1 Mô hình động học ngang trong chuyển động trong chuyển động của ôtô

3.1.1 Mô hình quỹ đạo chuyển động tổng quát của ô tô

Mô hình quỹ đạo chuyển động của ô tô được sử dụng để mô tả chuyển động của

ô tô theo một quỹ đạo bất kỳ cho trước Ô tô được giả thiết chuyển động dọc theo một quỹ đạo nhất định và luôn giữ hướng chuyển động tiếp tuyến với quỹ đạo đó Phương pháp tương đối đơn giản để biểu diễn một quỹ đạo chuyển động bất kỳ là chia quỹ đạo

đó thành các phần khác nhau Hệ thống đường hiện nay có thể coi là tập hợp của ba

dạng cung đường: đường thẳng (straight-line segments), xoắn ốc (spiral segments), và cung tròn (circular-arc segments) như minh họa trên (Hình 3.1)

Quỹ đạo chuyển động của ô tô được mô tả bởi tọa độ s dọc theo quỹ đạo và độ cong của quỹ đạo ρ = ρ(s) là nghịch đảo của bán kính cong của quỹ đạo R(s), nghĩa là

|ρ(s)| = 1/R(s) Độ cong của quỹ đạo được quy ước ρ(s) > 0 khi ô tô quay vòng trái, và ngược lại ρ(s) < 0 khi ô tô quay vòng phải Độ cong của các loại cung đường có thể

được xác định như sau:

Hình 3.1: Các bộ phận cơ bản của quỹ đạo chuyển động