Nghiên cứu hệ thống quay vòng bốn bánh và hệ thống ổn định hướng trên xe du lịch bmw

Là sinh viên ô tô sắp ra trường, chúng em chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống quay vòng bốn bánh và hệ thống ổn định hướng trên xe du lịch BMW” làm đề tài tốt nghiệp.. Trang 10 LỜI CÁM ƠN

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Trên thế giới hiện nay phần lớn các vụ tai nạn giao thông xảy ra trên ô tô là do hệ thống lái Nguyên nhân xảy ra tai nạn là do hiện tượng thiếu lái và thừa lái gây ra Và để giảm các hiện tương như trên các nhà khoa học đã phát triển và thiết kế ra hệ thống lái bốn bánh – 4WS (Four wheels steering) cho các hãng xe Hệ thống này sẽ hỗ trợ lái đồng thời cả bốn bánh thay vì hai bánh như bình thường Ở Việt Nam, các nghiên cứu về hệ thống lái bốn bánh chỉ mới bắt đầu trong những năm gần đây và còn rất nhiều vấn đề cần phát triển và nghiên cứu Cho nên, đây là một nghiên cứu mới của hệ thống lái bốn bánh để làm rõ các cơ sở lý luận và thực tiễn của hệ thống Chính vì thế, nhóm chúng em đã chọn nghiên cứu về đề tài “ Nghiên cứu hệ thống quay vòng bốn bánh và hệ thống ổn định hướng trên ô tô du lịch” để phục vụ cho luận văn tốt nghiệp của mình.

Mục tiêu đề tài

 Tìm hiểu động học, động lực học quay vòng của hệ thống lái 2WS và 4WS

 So sánh được ưu và nhược điểm của hệ thống lái hai bánh dẫn hướng (2WS) và hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS)

 Nghiên cứu hệ thống lái 4WS, nguyên lý quay vòng, ứng dụng của từng hệ thống khác nhau trong việc ổn định chuyển động khi quay vòng của ô tô.

Nhiệm vụ đề tài

 Tìm các nguồn tài liệu chuyên ngành ô tô liên quan đến đề tài

 Tìm hiểu các khái niệm về sự trượt, đặc tính trượt, đặc tính hướng

 Giới thiệu về hệ thống phanh ABS và kiểm soát lực kéo ASR

 Động lực học quay vòng hai bánh và bốn bánh, ổn định chuyển động khi quay vòng

 Nguyên lý quay vòng bốn bánh, kiểm soát ổn định hướng của ô tô khi quay vòng.

Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài này, nhóm em đã đưa ra các vấn đề và các phương pháp để giải quyết:

 Suy luận, phân tích, theo hướng lí thuyết ổn định quay vòng trong mô hình phẳng thông qua các nội dung, kiến thức đã được trang bị trong quá trình học.

 đánh giá ưu, nhược điểm của các hệ thống lái.

 Bên cạnh đó, tìm và đọc những tài liệu, đề tài nghiên cứu khoa học có liên quan, các nguồn tài liệu trong và ngoài nước, mạng internet và thường xuyên trao đổi với giáo viên hướng dẫn để đề tài được đi đúng hướng nghiên cứu.

Các kết quả đạt được của đề tài

 Hiểu được nguyên lý quay vòng

 Hệ thống lái bốn bánh sẽ làm giảm thiểu các tai nạn xảy ra do hiện tượng thừa lái và thiếu lái gây ra.

Kết cấu đề tài

Nội dung của đề tài bao gồm 4 chương:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Nguyên lý quay vòng bốn bánh của xe BMW

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Động lực học của bánh xe khi lăn

Bán kính lăn được xác định: b l r V

Như vậy bán kính của một bánh xe ảo được gọi là bán kính lăn, nó là thông số động học, do vận tốc chuyển động tịnh tiến tương đương với bánh xe thực tế nên nó chuyển động không trượt

Giá trị của rl phụ thuộc vào các thông số sau:

 Tải trọng tác dụng lên bánh xe

 Áp suất không khí trong lốp

 Độ đàn hồi của vật liệu chế tạo lốp

 Khả năng bám của bánh xe với đường

 Giá trị momen chủ động Mk hoặc momen phanh Mp

2.1.2 Tốc độ chuyển động lý thuyết V o

Vo là tốc độ chuyển động hoàn toàn không có trượt b b b b l o r t

Sl– Quãng đường lý thuyết mà bánh xe đã lăn t– Thời gian bánh xe đã lăn rb– Bán kính tính toán của bánh xe

Nb – Tổng số vòng quay của bánh xe ɷb – Vận tốc góc của bánh xe

2.1.3 Tốc độ chuyển động thực tế V

V là tốc độ chuyển động thực tế của xe khi có tính đến ảnh hưởng của sự trượt của bánh xe với mặt đường l b b l t r t

St – quãng đường thực tế mà bánh xe đã lăn

5 t– thời gian mà bánh xe đã lăn rl– bán kính lăn của bánh xe

2.1.4 Hệ số trượt và độ trượt

Khi xe chuyển động có sự trượt giữa bánh xe với mặt đường thì vận tốc thực tế của xe và vận tốc lý thuyết sẽ khác nhau Sự chênh lệch giữa hai loại vận tốc vừa nêu trên chính là vận tốc trượt:

V s = V − V 0 =  b r l −  b r b (2.4) Tốc độ trượt có thể dương hoặc âm tùy theo hiện tượng trượt là trượt lết hay trượt quay

 Hệ số trượt (độ trượt):

 Hệ số trượt - độ trượt trong trường hợp kéo:

Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt sk: sk = −v s v 0 = v 0 −𝑣 v 0 = 1 - 𝑟 l r b (2.5)

 Hệ số trượt - độ trượt trong trường hợp phanh:

Trong trường hợp phanh, ta có hệ số trượt như sau: sp = −v s v = v 0 −𝑣 v = 𝑟 b r l – 1 (2.6)

Trong đó: v – vận tốc thực tế của ô tô v 0 – vận tốc lý thuyết của ô tô

𝑟 l – bán kính lăn của bánh xe

2.1.5 Các trường hợp khi lăn

Có ba trạng thái lăn như sau:

- Lăn có trượt quay ở bánh xe chủ động và đang có lực kéo

- Lăn không trượt ở bánh xe bị động và không phanh

- Lăn có trượt lết ở bánh xe đang phanh

2.1.5.1 Trạng thái lăn không trượt

Trong kiểu lăn này thì tốc độ thực tế v bằng tốc độ lý thuyết vo, ta có: v = v 0 =  b r b (2.7)

Hình 2.1 Bánh xe lăn không trượt

Bán kính lăn bằng bán kính tính toán do tâm quay tức thời (cực P) của bánh xe nằm trên vòng bánh xe r l = r b (2.8) Trạng thái này chỉ có được ở bánh xe bị động với Mp = 0, lúc đó vận tốc trượt v s = 0

2.1.5.2 Trạng thái lăn của bánh xe bị trượt quay Ở trạng thái lăn này bánh xe sẽ có lực kéo, khi đó tốc độ thực tế v nhỏ hơn tốc độ lý thuyết vo, do vậy cực P nằm trong vòng bánh xe và rl

< rb Trong vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường, sẽ xuất hiện một vận tốc trượt vs ngược hướng với trục x

Ta có: v = vo + vs = ωb rb +vs= ωb rl (2.9) v s  Ở trạng thái trượt quay hoàn toàn (bánh xe chủ động quay, xe đứng yên) ta có: v = 0, ωb > 0 ⇒ v = ωb rl = 0 ⇒ rl= 0 vs= v -vo= 0 -vo = - v0 ; suy ra trượt quay hoàn toàns k = 1

2.1.5.3 Trạng thái lăn của bánh xe bị trượt lết Ở trạng thái lăn này bánh xe đang có lực phanh Tốc độ thực tế v lớn hơn tốc độ lý thuyết vo, cực P nằm bên ngoài bánh xe và rl > rb Tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường cũng xuất hiện tốc độ trượt vs nhưng hướng theo hướng trục x

Ta có: v = vo + vs = ωb rb +vs= ωb rl (2.11)

Theo công thức (2.6) ta có hệ số trượt khi xe phanh được viết như sau: sp = −v s v = v 0 −𝑣 v = 𝑟 b r l – 1

Do v s >  nên sp < 0 Ở trạng thái trượt lết hoàn toàn (bánh xe bị hãm cứng không quay, xe và bánh xe vẫn chuyển động tịnh tiến), ta có: v  0, ωb= 0 => r l = v

 b   vo = ωb rb = 0 => v s = v - v 0 = v suy ra trượt lết hoàn toàn sp = -1

2.1.6 Bánh xe bị động chịu tác dụng của các lực và momen Để một bánh xe có tải trọng Gb có thể chuyển động được với vận tốc v ( hay b ) thì phải có lực Fx hướng theo chiều của vận tốc v tại ổ trục của nó Hợp lực của Fx và Gb đi

Hình 2.3 Bánh xe lăn có trượt lết

8 qua ổ trục và nghiêng một góc  cắt mặt đường ở khoảng cách a Tại điểm này có tác dụng của tất cả các phản lực của bánh xe với mặt đường X và Z

Hình 2.4 Bánh xe bị động khi lăn chịu tác dụng của các lực và momen

Phản lực Z ngược hướng với tải trọng thẳng đứng (Gb ) trên bánh xe và bằng nó về độ lớn:

Phản lực dọc X sẽ ngược chiều chuyển động của xe, tức là ngược chiều trục x và được coi là lực cản, đó chính là lực cản lăn, ký hiệu là Ff Lực cản lăn được khắc phục bởi lực Fxvì thế ta có phương trình:

Ff = Z.f (2.15) Trong đó f là hệ số cản lăn

Nếu viết phương trình cân bằng mômen tại tâm bánh xe, ta có:

Z.a = Ff rđ= f.Z.rđ = Mf (2.16) Với momen cản lăn là Mf

Ta có quan hệ sau: tg = a r d = F f

2.1.7 Bánh xe chủ động chịu tác dụng của các lực và momen

Giả sử đặt trên bánh xe bị động một mômen chủ động Mk (cùng chiều b và cân bằng với nó một cặp lực Fk: một điểm đặt tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường (gọi là lực tiếp

9 tuyến) còn một điểm đặt tại tâm bánh xe (là thành phần đẩy vào khung gây ra mô men chủ động Mk) Ta sẽ có quan hệ:

Tải trọng thẳng đứng Gb vẫn bằng phản lực thẳng đứng Z:

Hình 2.5 Bánh xe chủ động khi lăn chịu tác dụng của các lực và momen

Fk được tính như sau: Fk = M k r d (2.19)

X gọi là phản lực tiếp tuyến của bánh xe với mặt đường, khi kéo nó cùng chiều chuyển động

Lực truyền từ khung xe không phải là lực Fk mà là phản lực tiếp tuyến X = Fx Theo quan điểm truyền cơ năng chúng ta quan tâm tới quan hệ giữa Mk và X, quan hệ này được rút ra từ công thức (2.21) và (2.22) là:

Thực nghiệm chứng tỏ rằng lực cản lăn Ff không phụ thuộc vào mô men xoắn Mk Ở đồ thị (hình 2.6) ta thấy bánh xe có các trạng thái chuyển động khác nhau Theo qui ước về chiều Mf < 0; Ff < 0; Mk>0; Fk >0

Hình 2.6 Trạng thái chuyển động khác nhau của bánh xe

Trạng thái bị động: Mk = 0, Fk = 0, |X |= - Ff

Trạng thái trung tính: 0 < Mk < Mf , 0 < Fk < Ff , - Ff < X < 0

Trạng thái tự do: Mk = Mf , Fk = Ff , X = 0

Trạng thái kéo: Mk > Mf , Fk > Ff , X = Fk - Ff >0

2.1.8 Hệ số bám, các yếu tố ảnh hướng đến hệ số bám Để xe di chuyển được trên đường thì tại bề mặt tiếp giáp giữa bánh xe và mặt đường phải có độ bám nhất định được đặc trưng bởi hệ số bám Nếu độ bám nhỏ thì bánh xe sẽ bị trượt quay (hoặc bị trượt lết) khi ở bánh xe có mômen chủ động lớn (hoặc có mômen phanh lớn)

Dựa vào hướng mà phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe mà hệ số bám sẽ có tên gọi khác nhau Nếu xét khả năng bám theo chiều dọc (khi dưới bánh xe chỉ có phản lực dọc: lực kéo hoặc lực phanh), thì hệ số bám được gọi là hệ số bám dọc φx và được định nghĩa như sau:

Fkmax – Lực kéo tiếp tuyến cực đại giữa bánh xe với mặt đường

Gb – Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe(được gọi là trọng lượng bám)

Nếu xét khả năng bám theo chiều ngang (khi dưới bánh xe chỉ có phản lực ngang Yb), thì hệ số bám được gọi là hệ số bám ngang φy và được định nghĩa như sau:

Ta có,  là phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động, và Z = G b

Lực bám F  được xác định như sau:

F  = .Z (2.24) Điều kiện để không bị trượt quay ở bánh xe chủ động là khi ô tô chuyển động thì lực kéo tiếp tuyến cực đại F kmax phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám F  nghĩa là thỏa mãn điều kiện:

F kmax  F   M kmax r  Z  (2.25) Trong đó: M kmax là momen xoắn lớn nhất truyền tới bánh xe chủ động

Giới thiệu về hệ thống phanh ABS và kiểm soát lực kéo ASR

Sự mất cân bằng của xe ô tô trong quá trình vận hành trên đường có thể dẫn đến sự mất kiểm soát xe hoặc tệ hại hơn là lật xe Vì vậy, hệ thống cân bằng điện tử ESC phát triễn nhằm đảm bảo sự cân bằng cho xe hơi và giải quyết vấn đề trên ESC là viết tắt tiếng Anh của cụm từ “electronic stability control”, nghĩa là hệ thống cân bằng điện tử Ngoài ra, ESC còn có nhiều tên gọi khác nhau tùy theo cách đặt của các hãng sản xuất xe

Khi quay vòng ở tốc độ cao hoặc tốc độ thấp, lực ly tâm sinh ra có xu hướng làm cho ô tô di chuyển không còn ổn định nữa đồng thời là nguyên nhân khiến lốp bị trượt ngang trên mặt đường Tốc độ xe và tình trạng kỹ thuật của mặt đường khi xe quay vòng quyết định đến độ trượt của bánh xe Nếu độ trượt ngang quá mức, xe có thể quay vòng khiến người điều khiển ô tô mất lái Chính vì vậy hệ thống ESC trên xe sẽ can thiệp bằng các cảm biến điện tử và đảm bảo cho tài xế kiểm soát tay lái được tốt hơn, ngăn chặn và hạn chế các trường hợp xấu xảy ra khi ô tô vận hành trên đường

Như chúng ta đã biết ESC là một hệ thống an toàn trên xe ô tô, giúp xe ổn định, cải thiện tốc độ và giảm thiểu tối đa nguy cơ xe bị mất lái, thừa lái hay thiếu lái Hệ thống thường hoạt động kết hợp với nhiều hệ thống an toàn khác của xe hơi như hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống kiểm soát lực kéo (ASR) hay hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD) Ở góc độ nhất định, có thể nói, ESC đóng vai trò là hệ thống tổng, sử dụng chung cơ cấu chấp hành với các hệ thống an toàn khác Muốn xe đạt được điều kiện tốt nhất khi vận hành đòi hỏi các hệ thống này phải phối hợp mượt mà và hoàn hảo nhất Đó là cơ sở để chúng ta tìm hiểu về các hệ thống con như ABS, ASR

Hệ thống ABS được gọi theo chữ viết tắt của tiếng Anh: “ Anti-Lock Brake System” và được hiểu là thiết bị chống trượt lết bánh xe khi phanh Hệ thống phanh ABS là hệ thống phanh điều khiển điện tử có tính năng ngăn ngừa hãm cứng bánh xe trong những tình huống

18 khẩn cấp cần giảm tốc Với ô tô bố trí ABS khi phanh ô tô sẽ chuyển động ổn định đến khi nào dừng lại, kể cả khi hoạt động trên đường cong, hoặc trên nền đường có hệ số bám khác nhau (hình 2.12) Điều này sẽ tránh được hiện tượng văng trượt đồng thời giúp người lái kiểm soát hướng lái dễ dàng hơn Đảm bảo ổn định cho thân xe ô tô Đối với ô tô không bố trí ABS các bánh xe có thể bị khoá cứng và gây xoay thân xe Rất dễ rơi vào tình trạng trượt, do độ bám đường giảm thấp hơn mức cho phép của bánh xe, lực truyền cho bánh xe không giúp ô tô tiến lên và ngược lại dễ gây mất kiểm soát Chính nhờ những ưu điểm đó mà kể từ thời điểm ra mắt vào năm 1971, hệ thống chống bó cứng phanh ABS rất được ưa chuộng Góp phần giảm thiểu đáng kể số vụ tai nạn xe hơi trên thế giới

Hình 2.12 Phanh ở các trường hợp khác nhau

2.2.1.1 Nguyên lý chung của hệ thống ABS

3 Van thủy lực-điện từ

5 Bộ điều khiển (ECU-ABS)

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển phanh ABS

Cấu tạo của hệ thống phanh ABS bao gồm: xy lanh bánh xe, xy lanh chính, cơ cấu phanh (giống như mạch bố trí phanh thông thường), và bố trí thêm: bộ điều khiển điện tử (ECU), cảm biến đo tốc độ góc (Sensor), van thủy lực điện từ điều chỉnh áp lực dầu phanh (Actuator)

- Chức năng cơ bản của cảm biến tốc độ bánh xe là xác định tốc độ quay của bánh xe, làm việc như một bộ đếm số vòng quay, tín hiệu của bộ cảm biến tốc độ được đưa về bộ điều khiển điện tử (tín hiệu vào ECU- ABS) Trên xe bộ cảm biến có thể đặt tại: đĩa phanh, bán trục, tang trống, bánh răng bị động của cầu xe (hay ở bán trục bánh xe ở cầu chủ động)

- ECU-ABS (Bộ điều khiển) làm việc như một máy tính nhỏ theo chương trình định sẵn Tín hiệu điều khiển van điện từ (output signal) phụ thuộc vào tín hiệu của cảm biến (input signal) và chương trình vi xử lý, xác định chế độ làm việc của bánh xe (theo độ trượt), đưa ra tín hiệu điều khiển van điều khiển, thiết lập chế độ điều chỉnh áp suất dầu phanh ở bánh xe

- Bộ phận được đặt giữa xy lanh chính và xy lanh bánh xe là van điều chỉnh áp suất trong hệ thống dẫn động phanh Có chức năng đóng, mở mạch dầu từ xy lanh chính đến xy lanh bánh xe tuỳ thuộc vào tín hiệu điều khiển của ECU - ABS Cấu tạo của van điều chỉnh áp suất là van con trượt thủy lực được điều khiển bằng điện tử Sự thay đổi áp suất trong xy lanh bánh xe, tạo nên sự thay đổi mômen phanh bánh xe tiến hành phanh hay nhả phanh Ngoài ra còn có bình dự trữ dầu áp suất thấp, bơm dầu, các van an toàn hệ thống

2.2.1.2 Nguyên lý điều khiển của ABS

Khi mới bắt đầu phanh, bánh xe quay với tốc độ quay giảm dần, nếu bánh xe đạt tới giá trị gần giới hạn của độ trượt (bánh xe chuẩn bị khóa cứng), tín hiệu nhận được từ cảm biến sẽ đưa về bộ điều khiển ECU- ABS lựa chọn chế độ, tiến hành điều khiển van điều chỉnh áp suất (giữ hay cắt đường dầu từ xy lanh chính tới xy lanh bánh xe) Khi ở chế độ giữ cơ cấu phanh tăng thêm lực phanh để bánh xe lại bị phanh và giảm tốc độ quay tới khi gần bó cứng Hệ thống sẽ điều khiển cắt đường dầu lực phanh không tăng nữa, bánh xe có xu hướng lăn với tốc độ cao lên Nếu vận tốc góc của bánh xe tăng cao, cảm biến lại gửi

20 thông tin về bộ điều khiển và lại tăng áp lực phanh lên Quá trình xảy ra được lặp lại theo chu kỳ cho tới khi bánh xe dừng hẳn

Một chu kỳ điều khiển bằng 1/10 s, nhờ có các bộ tích dầu áp suất thấp, cao, van một chiều và bơm dầu độ mà chậm trễ quá trình điều khiển chỉ nhỏ hơn (1/1000 s) Do vậy ABS, tránh được hiện tượng bánh xe bó cứng, giúp cho bánh xe luôn nằm trong trạng thái phanh với độ trượt tối ưu

2.2.1.3 Độ trượt của bánh xe khi phanh Để tính toán sự trượt của bánh xe qua độ trượt (s), trong tính toán độ trượt được định nghĩa với trường hợp bánh xe bị phanh: s = v− r d  v 100% = (1 − r d v  )100% (2.28)

Trong đó:  là tốc độ thực tế của bánh xe tại vết tiếp xúc r d  là vận tốc lý thuyết của bánh xe do bánh xe bị quay gây nên tại vết tiếp xúc.

Trượt quay sẽ diễn ra trong phạm vi độ trượt từ (-15% ; -40%) trên đường trơn và trong phạm vi từ (-10%  -30%) trên đường tốt Giá trị lớn nhất của hệ số bám trong bài toán trượt quay thực hiện với giá trị bám dọc tối đa, tức là xử lý công thức tính toán theo gia tốc bánh xe

Lý thuyết về quay vòng của ô tô

2.3.1 Quay vòng lý thuyết Ở phần này chúng ta sẽ nghiên cứu khảo sát quá trình chuyển động quay vòng, thiết lập các mối quan hệ động học và động lực học của ô tô con gồm bốn bánh xe, dẫn hướng cầu trước và dẫn hướng hai cầu Các yếu tố liên quan đến tính chất quay vòng của ô tô mà chưa tính đến biến dạng của lốp xe, giữa bánh xe và mặt đường không có hiện tượng trượt Đặc biệt là khi xe chuyển động quay vòng với sự góp mặt của các lực: lực ly tâm, lực quán tính, lực gió bên, khi tăng tốc hoặc khi giảm tốc đột ngột thì khả năng điều khiển, tính ổn định của xe sẽ có những thay đổi nhất định

Giả thiết rằng khi ô tô quay vòng thì bánh xe không bị biến dạng ngang và không bị trượt ngang Khi đó giữa các thông số chỉ có mối liên hệ qua các quan hệ đơn thuần về mặt hình học Như vậy quay vòng lý thuyết chỉ đúng trong trường hợp ô tô chuyển động quay vòng với tốc độ rất chậm và bán kính quay vòng lớn và chưa có sự liên quan đến lực ly tâm

2.3.1.1 Quay vòng lý thuyết của ô tô hai bánh dẫn hướng

Hình 2.19 Quan hệ hình học của ô tô

Trong hình bên có: αn; αt : góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm quay vòng O

R là bán kính quay vòng của xe.

B: Khoảng cách giữa hai đường tâm trụ quay đứng

L: Chiều dài cơ sở của xe Để các bánh xe không bị trượt, Khi ô tô quay thì đường vuông góc với các véctơ vận tốc chuyển động của các bánh xe phải gặp nhau tại một điểm O, đó là tâm quay vòng tức thời của xe

Các góc quay của bánh xe dẫn hướng trong, ngoài được xác định như sau: cotg 𝛼 𝑛 = R+

L (2.29) Để cho bánh xe không bị trượt khi quay ta có mối liên quan đến các góc quay của hai bánh xe dẫn hướng như sau : cotg 𝛼 𝑛 - cotg 𝛼 𝑡 = B

Trong trường hợp đơn giản ta có thể coi sự khác biệt của n và t là không lớn và n

=t= ( là góc xoay vô lăng của người lái) Khi đó ta có thể sử dụng model một vết v 4 v

Từ hình (2.20) bán kính quay vòng của ô tô là:

Qua đó, ta có nhận xét rằng bán kính quay vòng lý thuyết của ô tô chỉ phụ thuộc vào góc quay  khi người lái đánh vô lăng, quỹ đạo chuyển động của ô tô lúc này là rất dễ điều khiển và không bị ảnh hưởng bới các yếu tố khác Điều này chỉ đúng trong trường hợp ô tô quay vòng với bán kính lớn và tốc độ rất chậm khi chưa có sự tác dụng của các lực li tâm, lực quán tính, góc lệch hướng,

 Các lực tác dụng lên bánh xe dẫn hướng khi quay vòng

Trong quá trình chuyển động của ô tô, bánh xe dẫn hướng chịu tác dụng của các lực sau: Tải trọng thẳng đứng G

Khi xe quay vòng, lực đẩy của xe lúc này là

Lực ngang Y = F.sin  (2.35) Để đảm bảo xe chạy ổn định thì:

Hình 2.21 Các lực tác dụng

Từ (2.36),(2.37) G.f cos   F  G  y sin  => sin  cos    y f

Ta có   artg  y f f,  y là hệ số cản lăn và hệ số bám ngang

Do đó để xe chuyển hướng được ổn định thì góc chuyển hướng  nhỏ hay lớn phụ thuộc vào chất lượng của mặt đường Biểu thị qua hệ số bám ngang  y của bánh xe dẫn hướng và hệ số cản lăn f của bánh xe với mặt đường

 Các lực tác dụng lên ô tô khi ô tô quay vòng

Khi xe quay vòng sẽ tạo ra lực quán tính ly tâm F jl , và lực ly tâm này sẽ có thành phần F jly vuông góc với khung xe và gây mất ổn định khi xe quay vòng

Hình 2.22 Các lực tác dụng khi ô tô quay vòng

Fjl – Lực quán tính ly tâm tác dụng tại trọng tâm T của xe

Fjlx; Fjly – Hai thành phần của lực Fjl theo trục dọc và trục ngang của xe

Ybi – Các phản lực ngang tác dụng dưới các bánh xe

Fki – Các lực kéo ở các bánh xe

Ffi – Các lực cản lăn

Fi – Lực cản lên dốc

F – Lực cản của không khí

Fj – Lực cản quán tính

Jzε – Mômen quán tính tác dụng lên xe xung quanh trục đứng Tz

jx – Gia tốc hướng theo trục dọc xe của trọng tâm T jy – Gia tốc hướng theo trục ngang xe của trọng tâm T

Khi ô tô thực hiện quay vòng, lực chủ yếu làm cho xe chuyển động không ổn định chính là lực ly tâm và là nguyên nhân chính gây nên sự nghiêng ngang của thùng xe và làm lật đổ xe

Ta có công thức Fjl = √F jlx 2 + F jly 2 (2.38)

Trong trường hợp ô tô chuyển động đều ( dv dt = 0) theo một quỹ đạo đường tròn, góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sẽ không đổi α = const ( d dt = 0) nên ta có:

Trong các thành phần lực của lực ly tâm Fjl, thì thành phần lực ngang Fjly là lực chủ yếu làm cho xe chuyển động không ổn định, là nguyên nhân chính gây nên sự nghiêng ngang của thùng xe và làm cho xe lật đổ Bởi vậy chúng ta phải giảm tối đa giá trị Fjly khi ô tô quay vòng Để giảm Fjl chúng ta phải giảm vận tốc của xe và giảm khối lượng (không được chở quá tải), đồng thời phải tăng bán kính quay vòng của xe

2.3.1.2 Quay vòng lý thuyết của ô tô bốn bánh dẫn hướng

T - Trọng tâm của xe a – Chiều dài tính tại trọng tâm xe tới cầu trước b - Chiều dài tính tại trọng tâm xe tới cầu sau

R – Bán kính lý thuyết tính từ tâm quay tức thời I tới trục dọc của xe c1 - Chiều dài tính từ tâm quay tức thời I tới cầu trước c2 - Chiều dài tính từ tâm quay tức thời I tới cầu sau

 tt,  nt - góc quay bánh xe trước phía trong và phía ngoài

 ts,  ns - góc quay bánh sau phía trong và phía ngoài a Khi bánh xe sau quay ngược chiều với bánh xe trước :

Hình 2.23 Bánh xe cầu trước và cầu sau quay ngược chiều b Khi bánh xe cầu trước và cầu sau quay cùng chiều:

Hình 2.24 Bánh xe cầu sau và cầu trước quay cùng chiều

Trong trường hợp đơn giản ta có thể coi sự khác biệt của (nt, tt) và (ns, ts) là không lớn và nt =tt=t , ns =ts=s Khi đó ta có thể sử dụng model một vết

Mô hình của xe một vết được qui ước như sau: Điểm E (tâm của bánh xe trước) tương ứng với điểm giữa của cầu trước ở mô hình của xe hai vết Điểm F (tâm của bánh xe sau) tương ứng với điểm giữa của cầu sau ở mô hình của xe hai vết

Khoảng cách EF đúng bằng chiều dài cơ sở ở mô hình của xe hai vết

t , s góc quay vòng dẫn hướng của các bánh xe cầu trước và cầu sau

 Quỹ đạo chuyển động của ô tô có có bánh trước và bánh sau quay ngược chiều:

Hình 2.25 Khi bánh xe trước và sau quay ngược chiều

Nếu như ta coi góc xoay của các bánh xe dẫn hướng cầu trước (t) trong hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS) và hệ thống lái hai bánh dẫn hướng (2WS) là như nhau và cùng bằng góc quay vô lăng của người lái Ta có mối quan hệ sau:

Với  = t ,  là góc quay vô lăng người lái

Như vậy, ta thấy rằng trong trường hợp ô tô quay vòng bốn bánh dẫn hướng có bánh trước và bánh sau quay ngược chiều thì bán kính quay vòng của ô tô sẽ giảm đi so với khi quay vòng có hai bánh dẫn hướng R 4ws chỉ phụ thuộc vào góc quay  và s khi người lái đánh vô lăng, quỹ đạo chuyển động của ô tô lúc này rất dễ điều khiển và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác Song, điều này chỉ đúng trong trường hợp ô tô quay vòng với tốc độ chậm khi chưa có sự tác dụng của các lực li tâm, góc lệch hướng.

* Quỹ đạo chuyển động của ô tô có có bánh trước và bánh sau quay cùng chiều:

Hình 2.26 Khi các bánh xe quay cùng chiều

Nếu như ta coi góc quay của các bánh xe dẫn hướng cầu trước (t) trong hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS) và hệ thống lái hai bánh dẫn hướng (2WS) là như nhau và cùng bằng góc quay vô lăng của người lái Ta có mối quan hệ sau:

Với  = t ,  là góc quay vô lăng của người lái

So sánh hệ thống lái 2WS và 4WS

 Xét trong cùng một điều kiện quay vòng của xe 2WS và 4WS có: góc quay cầu trước (  ) như nhau, cùng khối lượng, cùng tốc độ Xe mất ổn định do trường hợp quay vòng thiếu gây ra

Hình 2.42 Hệ thống lái 2WS

Hình 2.43 Hệ thống lái 4WS các bánh xe quay ngược chiều theo công thức (2.60) ta có bán kính quay vòng thực tế trong hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng (4WS) và hệ thống lái 2 bánh dẫn hướng (2WS) là:

2 Theo đặc tính hướng cầu trước sẽ bị trượt ngang nhiều hơn cầu sau, nên tác dụng của lực ngang Y lên bánh xe cầu sau sẽ nhỏ hơn cầu trước

Khi quay vòng thiếu xảy ra, 4WS điều khiển bánh sau quay ngược chiều tạo ra lực ngang ở cầu trước và cầu sau theo hướng ngược lại (hình 2.43) Đồng thời bán kính quay vòng nhỏ làm cho lực li tâm sinh ra lớn, lực ngang ở cầu sau cũng tăng theo Lúc này đuôi xe có xu hướng quay vòng sẽ giúp cho việc chuyển động thẳng ở cầu sau bị hạn chế và lực ngang tác động lên bánh trước cầu trước giúp cho ô tô giữ được sự ổn định Kết quả là khả năng lái nhanh nhẹn hơn, đặc biệt là ở dải vận tốc thấp.

Hệ thống lái 2WS muốn giữ được sự ổn định của xe cần phải có tác động của người lái đó là phải đánh thêm vô lăng để duy trì quỷ đạo chuyển động (với điều kiện quay vòng thiếu diễn ra không quá mức, không quá nhanh, người lái có đủ thời gian để phản ứng)

 Xét trong cùng một điều kiện quay vòng của xe 2WS và 4WS có: góc quay cầu trước (  ) như nhau, cùng khối lượng, cùng tốc độ Xe mất ổn định do trường hợp quay vòng thừa gây ra

Hình 2.44 Hệ thống lái 2WS

Hình 2.45 Hệ thống 4WS các bánh xe quay cùng chiều

Theo công thức (2.65) bán kính quay vòng thực tế trong hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng (4WS) và hệ thống lái 2 bánh dẫn hướng (2WS) là:

1 Theo đặc tính hướng bánh xe sau sẽ bị trượt ngang nhiều hơn ở bánh xe cầu trước, nên tác dụng của lực ngang Y lên bánh xe cầu sau sẽ lớn hơn cầu trước

Khi quay vòng thừa xảy ra, 4WS điều khiển bánh sau quay cùng chiều tạo ra lực ngang ở cầu trước và cầu sau theo cùng một hướng Đồng thời bán kính quay vòng lớn làm cho lực li tâm sinh ra nhỏ hơn, lực ngang ở cầu sau cũng giảm Đầu và đuôi xe cùng một hướng chuyển động Điều này làm giảm phản ứng lệch hướng của xe xuống mức tối thiểu, giúp cho xe có được độ ổn định cao nhất Kết quả là cải thiện khả năng lái xe, chủ yếu là ở dải vận tốc cao.

Hệ thống lái 2WS muốn giữ được sự ổn định của xe cần phải có tác động của người lái đó là phải nhanh chống giảm tốc độ và đánh vô lăng theo hướng ngược lại với chiều xe bị lệch để duy trì quỷ đạo chuyển động ( với điều kiện quay vòng thừa diễn ra không quá mức, không bất ngờ, người lái có đủ thời gian để phản ứng)

 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

- Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng giúp xe tăng độ ổn định khi vào cua

- Bán kính quay vòng nhỏ và linh hoạt ở vận tốc thấp

- Giúp xe ổn định hơn khi di chuyển làn ở tốc độ cao

- Hệ thống lái 4WS có thể do điện tử hoặc thủy lực điều khiển

- Ở tốc độ chậm, bánh sau di chuyển ngược chiều với các bánh trước Điều này giúp cho việc đậu xe dễ dàng hơn

Nhược điểm hệ thống lái bốn bánh

- Hệ thống lái bốn bánh bằng cơ khí có cơ cấu phức tạp, nhiều khâu khớp

- Hệ thống lái bốn bánh khá đắt tiền do chúng có nhiều thành phần cấu tạo hơn so với hệ thống lái hai bánh

- Khả năng hư hỏng lớn do hệ thống được cấu tạo từ nhiều thành phần, đặc biệt là các thành phần điện tử Nếu như một thành phần nhỏ bị hư thì toàn bộ hệ thống sẽ không hoạt động được

- Mất nhiều thời gian và chi phí sửa chữa nếu như hệ thống bị hỏng

Kết luận

Trong thực tế bánh xe là phần tử đàn hồi, khi quay vòng lại có lực ly tâm Flt cho nên bánh xe sẽ bị biến dạng ngang, lực ngang Y tạo ra góc lệch hướng 

2 ở hai cầu xe làm cho cả tâm quay và bán kính quay vòng đều thay đổi Sự lăn lệch của bánh xe sẽ làm thay đổi quỹ đạo chuyển động của ô tô Ở hệ thống lái 2WS khi ô tô mang tích chất quay vòng thiếu, mặc dù điều khiển có nặng nề hơn nhưng khả năng tự quay vòng của ô tô ở vận tốc lớn ít hơn nên điều khiển xe sẽ an toàn hơn Khi mang tính chất quay vòng thừa người lái khó có thể điều khiển, nếu như sự ảnh hưởng của góc lệch hướng tới bán kính quay vòng một cách quá mức, quá đột ngột sẽ dẫn tới hiện tượng mất lái hay tai nạn xảy ra

Hệ thống lái 4WS cho phép dẫn hướng tất cả các bánh xe, có thể cải thiện trường hợp quay vòng thiếu hay khắc phục tình trạng quay vòng thừa của ô tô mà hệ thống lái 2WS không thể tự thực hiện được Hệ thống lái 4WS giúp giảm thao tác người lái, giảm bán kính quay vòng ở tốc độ thấp, ngoài ra hệ thống này còn có những ưu điểm như đã nêu ở trên Tuy nhiên, hệ thống lái 4WS có cơ cấu phức tạp nhiều khâu khớp, đặc biệt giá thành đắt hơn hệ thống lái thông thường Do đó, việc kết hợp hệ thống lái 4WS với một số hệ thống an toàn điện tử khác trên xe đã khắc phục được phần nào những hạn chế mà thống lái 4WS sinh ra Điều này sẽ được giới thiệu ở chương sau

NGUYÊN LÝ QUAY VÒNG 4 BÁNH CỦA XE BMW

Cơ sở quay vòng 4 bánh trên xe BMW

Ở chương 2, ta đã tìm hiểu động lực học của quay vòng bốn bánh Thì ở chương 3 này chúng ta sẽ cùng đi tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của hệ thống quay vòng bốn bánh, mà ở đây là nguyên lý quay vòng bốn bánh của xe BMW, những ưu điểm mà hệ thống này mang lại

Hệ thống 4WS là cơ cấu điều khiển bánh xe cầu sau quay theo hướng song song hoặc ngược lại với bánh trước khi người dùng đánh lái tùy theo từng điều kiện tốc độ, giúp cho xe tăng độ linh hoạt ở cả tốc độ thấp và tốc độ cao Bằng cách kiểm soát góc lái của cả bốn bánh xe, hệ thống lái chủ động này giúp cải thiện độ ổn định và phản ứng ở tốc độ cao, đồng thời giúp giảm thao tác của người lái, giảm bán kính quay vòng ở tốc độ thấp Hệ thống này có ưu điểm sau:

 Xe di chuyển êm ái, dễ lái cả trong thành phố và những cung đường cong.

 Tính ổn định được trang bị trên xe ô tô giúp người lái xe điều khiển phương tiện một cách an toàn trên đường cao tốc và khi chuyển làn.

 Hệ thống điều khiển nhanh và nhạy sẽ cho phép thao tác lái nhẹ nhàng.

Mỗi hệ thống của mỗi hãng là khác nhau tuy có những đặc điểm riêng biệt nhưng đều có điểm chung trong chuyển động của bánh sau Khi đánh lái xe ở tốc độ thấp, bánh xe trước và bánh xe sau quay ngược hướng (hình a) làm giảm bán kính quay vòng của xe, giúp cho việc đánh lái diễn ra nhanh chóng và dễ dàng hơn Khi đánh lái xe ở tốc độ cao, bánh xe trước và bánh xe sau quay cùng hướng (hình b) làm cho xe ổn định hơn khi chuyển hướng ở tốc độ cao.

Hình 3.1 Hướng của hai bánh sau ở các dải vận tốc thấp và cao

Có hai kiểu điều khiển chính của hệ thống 4WS:

 Hệ thống thuần cơ khí gồm: HICAS (High-Capacity Actively Controlled Steering) của Nissan; 4WS trên Honda Prelude Si

 Hệ thống cơ điện tử thông minh như: Dynamic All-Wheel Steering System của Audi, Rear Axle’s Steering của Porsche, Active Kinematics Control được cung cấp bởi ZF cho các nhà sản xuất Ferrari và Cadillac, Integral Active Steering của BMW

So với hệ thống kiểu thuần cơ khí, công nghệ đánh lái bốn bánh xe kiểu cơ điện tử tiên tiến hơn và được sử dụng phổ biến hơn ở thời điểm hiện tại Hệ thống này được điều khiển bằng ECU và rất nhiều cảm biến được bố trí dọc theo đường truyền động, làm cho khả năng điều khiển các góc, vị trí của bánh xe có độ chính xác cao hơn rất nhiều so với hệ thống cơ khí Góc đánh lái bánh sau thường được thiết kế nằm trong khoảng 1 – 15 độ

*Cơ sở điều khiển của 4WS trên xe BMW a) TH1: ở tốc độ cao( >60km/h) a b

Hình 3.2 TH xe quay vòng ở tốc độ cao a Xe có 4WS b Xe có không 4WS

Khi xe di chuyển ở dải tốc độ trên 60km/h đây là mức tốc độ cao Lúc này xe cần có sự ổn định khi di chuyển, những thao tác như đánh vô lăng gấp sẽ làm cho xe mất cân bằng ngang thân xe Hệ thống 4WS hay còn gọi là Integral Active Steering trên BMW sẽ can thiệp điều khiển hai bánh phía sau của xe quay cùng chiều với hai bánh lái phía trước Kết hợp cơ sở lý thuyết về ổn định quay vòng ở chương 2 ta có thể thấy xe sử dụng hệ thống 4WS có góc α lớn hơn so với xe không sử dụng 4WS, từ đó lực ngang do lực ly tâm

Fjl sinh ra của xe có 4WS nhỏ hơn so với xe không có 2WS Từ cơ sở đó giúp cho xe khi thực hiện các thao tác đánh lái chuyển làn ở dải tốc độ cao sẽ ổn định và an toàn hơn b) TH2: ở tốc độ thấp(