Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu hệ thống truyền lực đến động lực học theo phương dọc của ô tô 2 cầu

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------------------------- NGUYỄN VĂN DUY NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG DỌC CỦA Ô TÔ 2 CẦU LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Thái Nguyên - Năm 2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN DUY NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG DỌC CỦA Ô TÔ 2 CẦU LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 80520116 KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Lê Văn Quỳnh TS. Nguyễn Khắc Tuân PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Họ và tên : Nguyễn Văn Duy Học viên : Lớp cao học K19- Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệpĐại học Thái Nguyên. Nơi công tác : Công ty TNHH MTV đăng kiểm Lào Cai Tên đề tài luận văn thạc sỹ : Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu hệ thống truyền lực đến động lực học theo phương dọc của ô tô 2 cầu Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số : 80520116 Sau gần hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, em lựa chọn thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp : Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu hệ thống truyền lực đến động lực học theo phương dọc của ô tô 2 cầu. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Khắc Tuân và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành đáp được nội dung đề tài thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực. Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân em. Các số liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác trừ công bố của chính tác giả. Thái Nguyên, ngày….. tháng….. năm 2018 HỌC VIÊN Nguyễn Văn Duy ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu làm đề tài luận văn thạc sĩ, em đã tiếp nhận được sự truyền đạt trao đổi phương pháp tư duy, lý luận của quý thầy cô trong Nhà trường, sự quan tâm giúp đỡ tận tình của tập thể giảng viên Nhà trường, khoa Kỹ thuật Ô tô & MĐL, quý thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp –Đại học Thái Nguyên, gia đình và các đồng nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường, Tổ đào tạo Sau đại học - Phòng đào tạo, quý thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này. Em cũng xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Nguyễn Khắc Tuân và tập thể cán bộ giáo viên khoa Kỹ thuật Ô tô & MĐL, hội đồng bảo vệ đề cương đã hướng dẫn cho em hoàn thành luận văn theo đúng kế hoạch và nội dung đề ra. Trong quá trình, thời gian thực hiện mặc dù đã có nhiều cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm chuyên môn còn hạn chế nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu sót, rất mong được sự đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp tiếp tục trao đổi đóng góp giúp em để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn ! HỌC VIÊN Nguyễn Văn Duy iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii MỤC LỤC ....................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ ............................................... v CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ......................... 4 1.1. Tổng quan về động lực học ô tô.............................................................. 4 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển động của ô tô .................... 8 1.2.1. Các lực cản chuyển động ..................................................................... 8 1.2.2. Kết cấu của hệ thống truyền lực ........................................................ 15 1.2.2.1 Các sơ đồ hệ thống truyền lực trên ô tô ........................................... 15 1.2.2.2. Vi sai trên ô tô ................................................................................. 17 1.4. Tổng quan về các công trình công bố liên quan ................................... 23 1.5. Kết luận chương 1 ................................................................................. 25 CHƯƠNG 2.................................................................................................... 26 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG DỌC CỦA Ô TÔ ................................................................................................................... 26 2.1. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống truyền lực đến động lực học ô tô ................................................................................................... 26 2.1.1 Phương pháp mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương trình vi phân liên kết giữa các vật trong hệ .............................................................................. 27 2.1.2. Phương pháp mô phỏng thông qua mô tả các vật và liên kết ............ 29 2.2. Phương pháp mô phỏng ảnh hưởng của hệ thống truyền lực đến động lực học ô tô thông qua thiết lập hệ phương trình vi phân của hệ....................... 30 2.2.1. Xây dựng mô hình toán học ............................................................... 30 2.2.2. Giải hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống .................................... 34 2.3. Giới thiệu một số phần mềm mô phỏng................................................ 36 iv 2.3.3.2 Một số khối chức năng trong Simscape ........................................... 42 2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................. 48 CHƯƠNG 3.................................................................................................... 49 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG DỌC CỦA Ô TÔ BẰNG CÔNG CỤ SIMULINK SIMSCAPE .............................................................................. 49 3.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu.............................................................. 49 3.2.2. Các thông số đầu vào của mô hình thân xe: ...................................... 54 3.2.3. Các thông số khác .............................................................................. 55 3.3. Mô phỏng và phân tích kết quả ............................................................. 56 3.3.1. Trường hợp ô tô sử dụng dẫn động 4 bánh, vi sai giữa các bánh xe kiểu bánh răng côn thông thường, vi sai trung tâm kiểu Viscous. ...................... 56 3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của vi sai giữa các bánh xe đến khả năng động học và động lực học của ô tô........................................................................ 61 3.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của vi sai trung tâm đến khả năng động học và động lực học của ô tô ................................................................................... 64 3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................. 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 68 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô ................................................... 5 Hình 1.2 Hệ tọa độ và các thông số động lực học ô tô cơ bản.......................... 6 Hình 1.3. Mô đun động lực học trong mặt phẳng xy ....................................... 7 Hình 1.4 Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải) .......................... 7 Hình 1.5 Mô đun động lực học ngang cầu xe và hệ thống treo ........................ 7 Hình 1.6 Mô hình động lựec học phẳng............................................................ 8 Hình 1.7 Ảnh hưởng của vận tốc xe đến hệ số cản lăn ..................................... 9 Hình 1.8 Ảnh hưởng của áp suất lốp đến hệ số cản lăn .................................... 9 Hình 1.9 Ảnh hưởng của phản lực đường đến hệ số cản lăn .......................... 10 Hình 1.10. Ảnh hưởng biến dạng đường đến hệ số cản lăn ............................ 10 Hình 1.11 Sơ đồ xác định lực cản lăn khi góc lệch bên  do lực ngang gây ra ......................................................................................................................... 10 Hình 1.12 Hệ số khí động C x [-] và diện tích cản A [--] .................................. 12 Hình 1.13 Hệ số khí động Cwz1[], Cwz 2 [ ] ........................................................ 12 Hình 1.14 Tương quan hệ số khói động và diện tích cản của ô tô................. 13 Hình 1.15 Tương quan diện tích cản và hệ số khí động của ô tô................... 13 Hình 1.16 Sơ đồ hệ truyền lực ........................................................................ 14 Hình 1.17 Hệ số  phụ thuộc tỷ số truyền chung ig xe con........................... 14 Hình 1.18 Hệ số  phụ thuộc tỷ số truyền chung ig xe tải ............................. 14 Hình 1.19 Sơ đồ hệ thống truyền lực ô tô ....................................................... 15 Hình 1.20: Xe FF với hộp số thường .............................................................. 16 Hình 1.21: Xe FR với hộp số thường .............................................................. 16 Hình 1.22. Xe 4WD thường xuyên loại FR .................................................... 17 Hình 1.23 - Vi sai côn đối xứng (vi sai mở ) giữa các bánh xe) ..................... 18 Hình 1.24 - Khớp nối dính .............................................................................. 18 Hình 1.25 - Vi sai trung tâm kiểu Viscous trang bị trên xe Subaru ................ 19 vi Hình 1.26 - Vi sai khóa điều khiển bằng tay................................................... 20 Hình 1.27 - Cấu tạo của vi sai Torsen ............................................................. 20 Hình 1.28.- Vi sai torsen giữa các cầu trang bị trên Audi A4......................... 21 Hình 1.29 - Đặc tính kéo của ô tô với 5 cấp số ............................................... 22 Hình 2.1. Sơ đồ các phương pháp mô phỏng .................................................. 27 Hình 2.2 – Sơ đồ hệ thống truyền lực ô tô kiểu 4x4 ....................................... 31 Hình 2.3 - Lực cản chuyển động theo phương dọc của ô tô ........................... 32 Hình 2.4 – Sơ đồ hệ thống truyền lực dẫn động cầu trước ô tô 4x2 ............... 33 Hình 2.5 - Giao diện (a) và thư viện các khối chức năng dùng cho mô phỏng ......................................................................................................................... 37 hệ thống truyền lực ô tô trong phần mềm Modelica ....................................... 37 Hình 2.6 - Mô phỏng xe dẫn động 4 bánh trên AVL-Cruise .......................... 38 Hình 2.7 Giao diện làm việc trên Simulink Simscape .................................... 40 Hình 2.8 Các khối ứng dụng trong simmulink simscape ................................ 40 Hình 2.9 - Mô hình hệ thống truyền lực ô tô trong Simdriveline ................... 42 Hình 2.10 - Bảng nhập thông số đầu vào động cơ .......................................... 42 Hình 2.11 - Khối biến mô thủy lực và bảng nhập thông số kỹ thuật của biến mô ......................................................................................................................... 43 Hình 2.12 - Khối hộp số ................................................................................. 43 Hình 2.13 - Khối vi sai và các phần tử của khối vi sai bánh răng côn ........... 44 Hình 2.14 - Bảng nhập thông số đầu vào vi sai .............................................. 44 Hình 2.16 - Cơ sở lý thuyết của khối mô hình thân xe ................................... 45 Hình 2.17 - Khối mô hình thân xe .................................................................. 46 Hình 2.18- Mô hình nghiên cứu động lực học ô tô 4x2 cầu trước chủ động . 47 Hình 3.1 – Sơ đồ tổng thể mô phỏng hoạt động của ô tô với HTTL 4WD vi sai bánh xe loại thông thường ............................................................................... 50 Hình 3.2 - Sơ đồ tổng thể mô phỏng hoạt động của ô tô với HTTL 4WD vi sai bánh xe kiểu trục vít (torsen) .......................................................................... 50 vii Hình 3.3. Sơ đồ sử dụng vi sai giữa các bánh xe kiểu mở .............................. 51 Hình 3.4 – Sơ đồ sử dụng vi sai giữa các bánh xe kiểu mơ liên kết giữa cầu trước với cầu sau sử dụng kết nối trục trực tiếp.............................................. 51 Hình 3.5 – Sơ đồ sử dụng vi sai các bánh xe kiểu mở, vi sai trung tâm kiểu Vicous.............................................................................................................. 52 Hình 3.6 – Sơ đồ sử dụng vi sai các bánh xe kiểu trục vít Torsen, vi sai trung tâm kết nối trục trực tiếp ................................................................................. 52 Hình 3.7 – Sơ đồ sử dụng vi sai giữa các bánh xe kiểu trục vít, vi sai trung tâm kiểu viscous ..................................................................................................... 52 Hình 3.8 – Sơ đồ sử dụng vi sai giữa các bánh xe kiểu trục vít, vi sai trung tâm mở .................................................................................................................... 53 Hình 3.9 – Sự thay đổi của các thông số động cơ theo thời gian ................... 54 Hình 3.10 – Modul thân xe với các thông số đầu vào .................................... 54 Hình 3.11 – Các thông số đưa vào mô hình khối thân xe ............................... 55 Hình 3.12 – Đặc tính của biến mô men trong hệ thống truyền lực ................. 56 Hình 3.13 – Mô men trên các bánh công tác của biến mô thủy lực ............... 56 Hình 3.14 - Tốc độ trên trục bánh bơm và bánh tua bin biến mô ................... 57 Hình 3.15 - Mô men trên trục sơ cấp và trục thứ cấp của hộp số ................... 57 Hình 3.16 - Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe cầu sau ..................... 58 Hình 3.17 - Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe cầu trước .................. 58 Hình 3.18 - Biến thiên vận tốc của ô tô theo thời gian ................................... 58 Hình 3.19- Qui luật thay đổi độ mở bướm ga động cơ ................................... 59 Hình 3.20 - Biến thiên vận tốc của ô tô theo thời gian với độ mở bướm ga khác nhau ................................................................................................................. 59 Hình 3.21 - Kết quả tính toán phản lực ở cầu trước và sau khi độ mở bướm ga thmax=0.8 ........................................................................................................ 60 Hình 3.22 - So sánh kết quả tính toán phản lực ở cầu trước khi độ mở bướm ga khác nhau......................................................................................................... 61 viii Hình 3.23 - So sánh kết quả tính toán phản lực ở cầu sau khi độ mở bướm ga khác nhau ......................................................................................... 61 Hình 3.24 - Sự phụ thuộc của vận tốc và gia tốc theo thời gian ..................... 62 Hình 3.25- Lực quán tính chuyển động tịnh tiến của ô tô khi sử dụng vi sai bánh xe khác nhau .................................................................................................... 62 Hình 3.26Biến thiên tốc độ theo thời gian khi sử dụng vi sai bánh xe khác nhau ......................................................................................................................... 63 Hình 3.27 - Quan hệ giữa lực cản không khí Pw theo thời gian khi sử dụng các loại vi sai trung tâm khác nhau ....................................................................... 64 Hình 3.28 - Sự thay đổi của lực cản quán tính theo thời gian khi sử dụng vi sai bánh xe loại Torsen vi sai trung tâm khác nhau.............................................. 64 Hình 3.29 - Quan hệ giữa vận tốc chuyển động tịnh tiến của ô tô theo thời gian khi sử dụng vi sai trung tâm kiểu khác nhau................................................... 65 ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Diễn giải 1 cX Hệ số khí động 2 A(m2 ) Diện tích cản chính diện 3  (kg / m3 ) Mật độ không khí 4 v(m / s) Vận tốc tuyệt đối của ô tô 5 Fwx Gió là lực cản chính diện 6 Fz1 , Fz 2 Phản lực đường lên các bánh xe trước,sau 7 Fx1 , Fx 2 Lực tiếp tuyến bánh xe (dương khi tăng tốc và âm khi phanh) 8 mx Lực quán tính phương dọc 9 J y Mô men quán tính khối lượng được treo trục y 10 J Ay1 A1 , J Ay 2 A 2 Mô mem quan tính bánh xe trục y 1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, ở nước ta ô tô đã trở thành phương tiện giao thông phổ biến và phát triển mạnh về số lượng trong những năm gần đây. Với mật độ phương tiện lớn, tốc độ ô tô ngày càng tăng cao thì yêu cầu về độ an toàn cũng như sự thuận tiện khi điều khiển ô tô ngày càng trở lên khắt khe hơn. Trong quá trình chuyển động, ô tô ngoài việc chịu tác động từ phía người lái như phanh, quay vô lăng , ga… ô tô còn chịu tác động của các yếu tố khách quan từ ngoại cảnh như chất lượng mặt đường, gió, các yếu tố phát sinh khi tham gia giao thông… gây ảnh hưởng rất lớn đến an toàn khi xe lưu thông. Để nâng cao tính an toàn, độ êm dịu chuyển động, chất lượng động lực học của ô tô việc nghiên cứu động lực học ô tô là rất cần thiết. Khi nghiên cứu động lực học của ô tô người ta thường chia thành việc nghiên cứu theo các phương chuyển động: động lực học phương dọc, động lực học phương thẳng đứng và động lực học theo phương ngang. Trong đó, động lực học phương dọc (longitudinal dynamic) của ô tô là một phần rất quan trọng trong nghiên cứu động lực học tổng quát của ô tô. Khi ô tô chuyển động dọc sẽ chịu tác động của rất nhiều yếu tố trong đó tác động từ người lái bao gồm việc phanh, ga, quay vòng vì vậy, việc nghiên cứu chuyển động theo phương dọc bao gồm các trường hợp tăng tốc, giảm tốc và lên dốc với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ. Nghiên cứu các công bố liên quan đến động lực học theo phương dọc cho thấy, các công bố này chủ yếu tập trung vào ảnh hưởng của yếu tố động cơ và ảnh hưởng điều kiện chuyển động như đường xá, tác động điều khiển của người lái… đến động lực học dọc của ô tô. Cho đến nay, chưa có một nghiên cứu nào thực hiện một cách đầy đủ việc nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu hệ thống truyền lực đến động học dọc của ô tô. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu hệ thống truyền lực đến động lực học theo phương dọc của ô tô 2 cầu” là cần thiết trong tình hình hiện nay. Việc nghiên cứu động lực học 2 theo phương dọc với các yếu tố kể trên sẽ cung cấp cơ sở ban đầu cho việc thiết kế ô tô, thiết kế hệ thống truyền lực và là nghiên cứu cần thiết trong tình hình hiện nay. Mục tiêu nghiên cứu: mục tiêu của đề tài là phân tích cơ sở lý thuyết và xây dựng được mô hình nghiên cứu để đánh giá ảnh hưởng của hệ thống truyền lực đến động lực học dọc của ô tô 2 cầu. Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu ảnh hưởng của việc bố trí vi sai giữa các bánh xe và vi sai cầu xe đến động lực học của ô tô Đối tượng: Ô tô hai cầu Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết: mô phỏng, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của hệ thống truyền lực đến động lực học dọc của ô tô. Nội dung nghiên cứu: Nội dung chính của luận văn như sau: Chương 1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu; Chương 2. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống truyền lực đến động lực học dọc của ô tô; Chương 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống truyền lực đến động lực học dọc của ô tô. Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Luận văn đã xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm Matlab - Simmulink cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của các phương án bố trí vi sai khác nhau đến động lực học theo phương dọc của ô tô mà không cần đến mô hình thực. Mô hình có thể áp dụng trong việc nghiên cứu, lựa chọn phương án và kết cấu hệ thống truyền lực ở giai đoạn thiết kế ban đầu. Qua đây cho phép em được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Nguyễn Khắc Tuân người hướng dẫn khoa học trực tiếp em trong suốt thời gian làm luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Kỹ thuật Ô tô-MĐL, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp- Đại học Thái Nguyên. 3 Do điều kiện vừa nghiên cứu vừa công tác cũng như hạn chế về mặt thời gian và kiến thức, chắc chắn luận văn không tránh khỏi sự thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý bổ sung thêm của quý thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn. ! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018. HỌC VIÊN Nguyễn Văn Duy 4 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về động lực học ô tô Động lực học ô tô là tổng hợp của động lực học phương ngang, động lực học theo phương thẳng đứng và động lực học phương dọc [1]:  Động lực học dọc/Longitudinal Dynamics  Động lực học phương thẳng đứng/Vertical Dynamics  Động lực học ngang/Lateral Dynamics Khối thân xe được liên kết với các bánh xe thông qua hệ thống treo và các cầu xe; động lực học bánh xe được xem như một mô hình con. Khối thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động quay. Như vậy, động lực học ô tô là một mô hình tích hợp: động lực học của hệ cơ học nhiều vật, liên kết đàn hồi, 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 thong qua các ma trận xoay. 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 (MultiBody System). Trong sơ đồ hình 1.1 [] trình bày 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 mentương tác bánh xe Fxj , Fyj , M zj mà thông số ra là các đại lượng x, y, ; mx, my, J z . (ii) Mô đun “mô hình lốp” xác định lực/mô men tương tác bánh xe Fxj , Fyj , M zj . 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 động lực học “bánh xe” với thông số ra là vận tốc góc  . Các thông số động học bánh xe “vận tốc dọc, vận tốc ngang xwj , ywj ” được xác định qua ma trận xoay giữa hai hệ tọa độ cố định và cục bộ. 5 Hình 1.1 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô (iii) Mô đun bánh xe “R” mô tả động lực học (quay) của bánh xe trong mặt phẳng thẳng đứng. (iv) Mô đun “Động lực học ô tô phương thẳng đứng z” nhằm xác định các phản lực Fzj bao gồm các mô đun con: (i) mô đun dao động dọc, (ii) mô đun dao động ngang, (iii) mô đun dao động ngang cầu xe, (iv) mô đun hệ thống treo. Trong mô đun bánh xe “lốp” có thông số vào Fzj , 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”. 6 Hình 1.2 Hệ tọa độ và các thông số động lực học ô tô cơ bản Trong hình 1.2 xác định hệ toạ độ xe B (Cxyz) với trọng tâm C. Trục x đi qua C là trục biểu thị 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 ở phần sau. Góc  chỉ hướng lắc ngang quang trục x và  chỉ hướng quay quanh trục z. Ba đại lượng x,y, đặc trưng cho chuyển động của ô tô. Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến x,y,z và 3 chuyển động góc  (lắc ngang),  (quay đứng), lắc dọc  . Xét tổng quát 6 bậc tự do là rất phức 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. (i) Mô đun động lực học trong mặt phẳng nền “ xy ”: Thông số vào là lực gió ngang Fwx , Fwy và mô men gió M wx , M wy ; các lực/mô men tương tác bánh xe Fyij , Fxij , M zij ; Thông số ra cơ bản là x, y, ; mx, my, ... sơ đồ cấu trúc như hình 1.3. 7 Hình 1.3. Mô đun động lực học trong mặt phẳng xy (ii) Mô đun động lực học bánh xe và mô hình lốp: Mô đun động lực học bánh xe có thông số vào là M ij , Fzij , Fxij , thông số ra là  ; mô hình lốp có thông số vào là Fzij , xij , yij ,ij , thông số ra là các lực tương tác bánh xe Fxij , Fyij ,M zij (hình 2.3, trái). (iii) Mô đun dao động lắc ngang: thông số vào M wy , M wx , FCij , Fkij ; thông số ra là J x  ,  ; mô đun lắc dọc: thông số vào M wy , M wx , FCij , Fkij ; thông số ra J y , mz , z, z , , hình 1.4. Hình 1.4 Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải) Hình 1.5 Mô đun động lực học ngang cầu xe và hệ thống treo 8 (iv) Mô hình dao động ngang cầu xe và hệ thống treo: thông số vào hệ thống treo là chuyển vị và vận tốc chuyển vị cầu xe và chuyển vị, vận tốc chuyển vị đầu trên hệ thống treo zij ; thông số ra của mô đun này là Fzij, A , A , A , A (xem hình 1.5). 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển động của ô tô 1.2.1. Các lực cản chuyển động 1.2.1.1. Lực cản lăn Lực cản lăn sinh ra do mô men cản lăn M R  Fz ex . Lực cản lăn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Hình 1.6 thể hiện sơ đồ xác định lực cản lăn. Phản lực đường Fz làm cho lốp biến dạng hướng kính; ngoài ra còn có lực FX , do khung tác động vào thân bánh xe làm cho tâm áp lực lốp - đường bị đẩy đi một khoảng ex (hình 1.6). Hình 1.6 Mô hình động lực học phẳng Như vậy, có thể thấy lực cản lăn sinh ra là do có sự biến dạng của lốp và mặt đường, do ma sát ở bề mặt tiếp xúc giữa lốp và đường. Dựa vào hình 1.6, 9 ta xác định lực cản lăn từ mô men cản lăn. Về bản chất, lực cản lăn là đại lượng dẫn xuất của mô men, quyết định bởi khoảng dịch chuyển e: Do đó lực cản lăn sẽ là: FR   Ta gọi f  ex rd MR   Fz ex / rd   fFz rd là hệ số cản lăn (1.1) (1.2) Hệ số cản lăn f phụ thuộc nhiều tham số, trong đó có thể kể đến là: - Vận tốc xe (v) như hình 1.7 - Áp suất lốp pi như hình 1.8 - Tải trọng theo phương thẳng đứng, hình 1.9 - Biến dạng của đường như hình 1.10 - Góc lệch bên bánh xe hình 1.11 Hình 1.7 Ảnh hưởng của vận tốc xe đến hệ số cản lăn Hình 1.8 Ảnh hưởng của áp suất lốp đến hệ số cản lăn