Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của lực ngang đến tính chất chuyển động của ô tô khách 16 chổ

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 twowheel 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. Key words - Vehicle Dynamics and Control; horizontal force;horizontal stiffness of the wheel; braking force; MATLAB / Simulink MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 3 Chương 1- TỔNG QUAN 4 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 NGANG 48 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng 4.1 Thông sốkỹ thuật xe khảo sát 4.2 Thông số mô hình khảo sát Trang DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình vẽ hình Trang vẽ 1.1 Mô hình ô tô một vết 6 1.2 Quan hệ giữa các trạng thái quay vòng với độ cứng bên của lốp và tọa 7 độ trọng tâm ô tô 1.3 Ảnh hưởng của Ks đến quan hệ giữa góc quay thực tế và gia tốc hướng 8 tâm với bán kính quay vòng R = const 1.4 Ảnh hưởng của gió ngang và biến dạng của lốp đến ổn định hướng 9 chuyển động 1.5 Mất ổn định hướng do lực phanh không đều 1.6 Ảnh hưởng của sự bó cứng bánh xe các cầu đến ổn định hướng chuyển 9 10 động 2.1 Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ô tô khi đứng yên 14 2.2 Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ô tô khi chuyển động thẳngtrên 15 đường nghiêng ngang 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 22 lệch  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 26 phương ngang C y (a), dọc Cx (b) và theo phương hướng kính Cz (c) 2.10 Sự thay đổi áp lực bánh xe xuống mặt đường khi chuyển động trên 27 đường không bằng phẳng 2.11 Quy luật tác động của gió bên (a) và quỷ đạo chuyển động của trọng 28 tâm ô tô (b) 3.1 Mô hình chuyển động tổng quát của ô tô 29 3.2 Chuyển hệ trục tọa độ trong mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô 30 3.3 Mô hình hai vết trong mặt phẳng đường 31 3.4 Mô hình một vết trong mặt phẳng đường 32 3.5 Mô hình quỹ đạo chuyển động của bánh xe (mô hình 1/4) có kể đến 34 ảnh hưởng của mấp mô mặt đường 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 42 lệch  3.13 Mô hình lốp Pacejka 43 3.14 Đặc tính bám ngang của một số loại đường khác nhau 44 3.15 Sự phụ thuộc của độ cứng ngang CF và giá trị lực ngang cực đại 45 Fy , peak vào tải trọn của một số loại lốp 4.1 Mô hình khối động lực học bánh xe chủ động dẫn hướng phía trước 52 4.2 Mô hình động lực học quay vòng của ô tô 53 4.3 Góc quay bánh xe dẫn hướng không đổi 53 4.4 Quỹ đạo chuyển động của ô tô khi giữ góc quay bánh xe không đổi 54 4.5 Góc quay bánh xe dẫn hướng khi vào – ra cua 55 4.6 Quỹ đạo chuyển động của ô tô khi vào-ra cua 56 4.7 Góc quay thân xe khi vào-ra cua 56 4.8 Góc quay bánh xe dẫn hướng khi vào cua phải // trái 57 4.9 Quỹ đạo chuyển động khi quay vòng phải –quay vòng trái 57 4.10 Gió ngang Pay tác động vào ô tô trong quá trình mô phỏng 58 4.11 Quỹ đạo chuyển động của ô tô khi chịu tác động của gió ngang 59 Góc quay thân xe khi ô tô chuyển động thẳng chịu tác động của gió 59 4.12 ngang đột ngột Ảnh hưởng của độ cứng ngang của bánh xe trên trục trước/ sau đến 4.13 60 tính ổn định của ô tô khi đổi hướng chuyển động 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 Hệ thống kiểm soát lực kéo chống trơn trượt giúp xe vận hành tăng tốc 68 4.19 ổn định.. 1 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 2 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 Mẫu xe khách 16 chỗ Mercedes Benz MB 140 3.2. Phạm vi nghiên cứu. 3 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 4 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 5 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 Fyf, Fyr 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 αf và αr, với các góc quay nhỏ δ, αf, αr<<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 αf = αr → Rt = R : quay vòng đúng (neutral steering); - Nếu αf<αr → Rtαr → Rt>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 RtR. 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 f lr  C r l f . Hình (1.2) thể hiện ảnh hưởng 7 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. Ks được gọi là hệ số quay vòng [Mitschke], giá trị của Ks xác định trạng thái quay vòng của ô tô. Hình (1.3) biểu diễn ảnh hưởng của hệ số quay vòng Ks đến mối quan hệ giữa góc quay thực tế của các bánh xe dẫn hướng δvà gia tốc hướng tâm ay khi ô tô quay vòng với bán kính không đổi. - Khi Ks = 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 Ks> 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 Ks< 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; 8 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 αf và αr phụ thuộc vào giá trị của các phản lực ngang Fyf, Fyrvà độ cứng bên của lốp Cαf, Cαf 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 αf>αr xuất hiện lực quán tính ly tâm Flt ngược chiều với lực gió ngang Fw có xu hướng ổn định quỹ đạo chuyển động ban đầu của ô tô (Hình 1.4a). - Nếu αf<αr lực quán tính ly tâm Flt cùng chiều với Fw làm tăng giá trị lực ngang gây mất ổn định quỹ đạo chuyển động (Hình 1.4b). 9 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 Mz, 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 10 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, Fx max ≥ Fφ, các bánh xe sẽ bị trượt lết trên đường và không còn khả năng bám ngang, Fy = 0. Trong quá trình phanh, nếu ô tô chịu tác dụng của mô men quay Mz, 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 Fyr sẽ tạo ra mô men Mzy ngược chiều với mô men làm xoay thân xeMz, 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 Fyf sẽ tạo ra mô men Mzy cùng chiều với mô men làm xoay thân xeMz, 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 11 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 12 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.