Luận văn, nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô tô

MỤC LỤCMỤC LỤC1DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT3DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ6LỜI NÓI ĐẦU9Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ111.1. Tổng quan về động lực ô tô111.2. Mục tiêu đề tài161.3. Nội dung của luận văn19Chương 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG Ô TÔ202.1. Tổng quan về động lực học ô tô202.2 Phương trình chuyển động tổng quát ô tô242.3 Mô hình động lực học phương dọc282.4 Phương trình động lực học phương dọc không trượt322.4.1 Phương trình tổng quát322.4.2 Các lực cản chuyển động342.5 Giới hạn chuyển động422.5.1. Tải trọng thẳng đứng422.5.2. Khả năng truyền lực xe một cầu chủ động432.5.3. Khả năng truyền lực bốn bánh chủ động 4WD462.6 Khả năng truyền lực khi phanh482.7 Động lực học ô tô một dãy có trượt63Chương 3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ663.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động ô tô663.2 Điều khiển động lực học673.2.1 Điều khiển động lực học dọc693.2.2 Điều khiển động lực học ngang703.2.3 Điều khiển động lực học phương thẳng đứng743.2.4 Điều khiển động lực tích hợp753.3 Hệ thống điều khiển ABSTCS783.4 Vi sai điện tử và điều khiển động lực học ô tô83KẾT LUẬN88TÀI LIỆU THAM KHẢO89

1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6 LỜI NÓI ĐẦU 9 Chương 1 11 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 11 1.1. Tổng quan về động lực ô tô 11 1.2. Mục tiêu đề tài 16 1.3. Nội dung của luận văn 19 Chương 2 19 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG Ô TÔ 19 2.1. Tổng quan về động lực học ô tô 19 2.2 Phương trình chuyển động tổng quát ô tô 24 2.3 Mô hình động lực học phương dọc 28 2.4 Phương trình động lực học phương dọc không trượt 32 2.4.1 Phương trình tổng quát 32 2.4.2 Các lực cản chuyển động 34 2.5 Giới hạn chuyển động 42 2.5.1. Tải trọng thẳng đứng 42 2.5.2. Khả năng truyền lực xe một cầu chủ động 43 2.5.3. Khả năng truyền lực bốn bánh chủ động 4WD 46 2 2.6 Khả năng truyền lực khi phanh 48 2.7 Động lực học ô tô một dãy có trượt 63 Chương 3 66 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 66 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động ô tô 66 3.2 Điều khiển động lực học 67 3.2.1 Điều khiển động lực học dọc 69 3.2.2 Điều khiển động lực học ngang 70 3.2.3 Điều khiển động lực học phương thẳng đứng 73 3.2.4 Điều khiển động lực tích hợp 75 3.3 Hệ thống điều khiển ABS/TCS 78 3.4 Vi sai điện tử và điều khiển động lực học ô tô 83 KẾT LUẬN 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - ABS : Hệ thống chống hãm cứng bánh xe - ADC : Điều khiển giảm chấn - ESP : Ổn định điện tử - CDC : Giảm chẩn thay đổi theo tải - ABC : Điều khiển hệ gầm tích cực - Activer Stabilisator: Thanh ổn định tích cực - Torque-on-demand Allradverteilung: Vi sai điện tử cho 4WD - ( ) 2 A m : Diện tích, thiết diện - ( ) 3 /kg cm ρ : Mật độ không khí - ( ) / L C N m : Độ cứng hướng kính lốp - ( ) 1 / L C N m : Độ cứng hướng kính lốp trước - ( ) 2 / L C N m : Độ cứng hướng kính lốp sau - ( ) /C N m : Độ cứng hệ thống treo - ( ) 1 /C N m : Độ cứng treo trước - ( ) 2 /C N m : Độ cứng treo sau - ( ) /K Ns m : Hệ số cản hệ thống treo - ( ) 1 /K Ns m : Hệ số cản hệ thống treo trước - ( ) 2 /K Ns m : Hệ số cản hệ thống treo sau - ( ) a m : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước - ( ) b m : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau - r : Bán kính tự do lốp - ( ) 2 J kgm : Mômen quán tính trục y của xe 4 - ( ) 2 1yA J kgm : Mômen quán tính trục y của cầu trước - ( ) 2 2yA J kgm : Mômen quán tính trục y của cầu sau - ( ) h m : Chiều cao mấp mô của đường - ( ) 1 h m : Chiều cao mấp mô của đường phía trước - ( ) 2 h m : Chiều cao mấp mô của đường phía sau - ( ) Z F N : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe - ( ) 1Z F N : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước - ( ) 2Z F N : Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau - ( ) Zt F N : Tải trọng tĩnh của bánh xe - ( ) 1,Z t F N : Tải trọng tĩnh bánh xe phía trước - ( ) 2,Z t F N : Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau - ( ) Zd F N : Tải trọng động bánh xe - ( ) C F N : Lực đàn hồi hệ thống treo - ( ) 1C F N : Lực đàn hồi hệ thống treo trước - ( ) 2C F N : Lực đàn hồi hệ thống treo sau - ( ) K F N : Lực cản hệ thống treo - ( ) 1K F N : Lực cản hệ thống treo trước - ( ) 2K F N : Lực cản hệ thống treo sau - ( ) CL F N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe - ( ) 1CL F N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước - ( ) 2CL F N : Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau - ( ) m N : Khối lượng được treo - ( ) 1 m N : Khối lượng được treo trước 5 - ( ) 2 m N : Khối lượng được treo sau - ( ) 1A m N : Khối lượng không được treo trước - ( ) 2A m N : Khối lượng không được treo sau - b ϕ : Hệ số bám đường - ( ) t f m : Độ võng tĩnh - ( ) 1t f m : Độ võng tĩnh phía trước - ( ) 2t f m : Độ võng tĩnh phía sau - ( ) rad ϕ : Góc lắc thân xe - ( ) m ξ : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu xe - ( ) 1 m ξ : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước - ( ) 2 m ξ : Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau - ( ) /m s ξ & : Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe - ( ) 1 /m s ξ & : Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước - ( ) 2 /m s ξ & : Vận tốc phương thẳng đứng cầu sau - ( ) 2 /m s ξ && : Gia tốc phương thẳng đứng cầu xe - ( ) 2 1 /m s ξ && : Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước - ( ) 2 2 /m s ξ && : Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau - ( ) 2 , , , / , /z z z m m s m s & && : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng được treo - ( ) 2 1 1 1 , , , / , /z z z m m s m s & && : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng được treo trước - ( ) 2 2 2 2 , , , / , /z z z m m s m s & && : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng được treo sau 6 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Nguyên lý phanh 11 Hình 1.2. Động lực học bánh xe khi phanh 12 Hình 1.3. Động lực học bánh xe khi tăng tốc 12 Hình 1.4. Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt 14 Hình 1.5. Sơ đồ điều khiển ô tô 17 Hình 1.6. Quan hệ động lực học ô tô 18 Hình 2.1. Cấu trúc mô hình động lực học ô tô 21 Hình 2.2. Hệ tọa độ và các thông số động lực học ô tô cơ bản 22 Hình 2.3. Mô đun động lực học trong mặt phẳng xy 23 Hình 2.4. Mô đun dao động lắc ngang (trái) và lắc dọc (phải) 23 Hình 2.5. Mô đun động lực học ngang cầu xe và hệ thống treo 24 Hình 2.6 Mô hình động lực học phẳng ô tô 30 Hình 2.7 Mô hình động lực học phẳng (tách cấu) 32 Hình 2.8 Ảnh hưởng của vận tốc xe đến hệ số cản lăn 35 Hình 2.9 Ảnh hưởng của áp suất lốp đến hệ số cản lăn 36 Hình 2.10 Ảnh hưởng của phản lực đường đến hệ số cản lăn 36 Hình 2. 11. Ảnh hưởng biến dạng đường đến hệ số cản lăn 36 Hình 2.12 Ảnh hưởng của nêm nước đến lực cản lăn 37 Hình 2.13. Sơ đồ xác định lực cản lăn khi góc lệch bên do lực ngang gây ra 37 Hình 2.14 Hệ số khí động [-] và diện tích cản[ ] 39 Hình 2.15 Hệ số khí động 39 7 Hình 2.16 Tương quan hệ số khói động và diện tích cản của ô tô 40 Hình 2.17 Tương quan diện tích cản và hệ số khí động của ô tô 40 Hình 2.18 Sơ đồ hệ truyền lực 41 Hình 2.19 Hệ số phụ thuộc tỷ số truyền chung ig xe con 41 Hình 2.20 Hệ số phụ thuộc tỷ số truyền chung ig xe tải 42 Hình 2.21 Quan hệ hệ số truyền lực (f1=fV;f2=fH) và gia tốc 46 Hình 2.22 Lực phanh riêng phụ thuộc gia tốc phanh 49 Hình 2.23 Hệ số khuếch cơ cấu phanh và cấp mô men phanh khác nhau 50 Hình 2.24 Đồ thị phanh 51 Hình 2.25. Đồ thị lực tiếp tuyến 53 Hình 2.26 Đồ thi lực tiếp tuyến khi tăng tốc 56 Hình 2.27 Đặc tính tăng tốc 57 Hình 2.28 Hệ truyền lực AUDI QUATTRO 59 Hình 2.29 Hệ truyền lực Mercedes-Benz 59 Hình 2.30 Đồ thị phân bố mô men phanh 60 Hình 2.31 Phân bố mô men phanh có điều hòa lực phanh 61 Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển động lực ô tô 68 Hình 3.2 Trạng thái điều khiển khi quay vòng thiếu và thừa 69 Hình 3.3 Các thông số đặc trưng đặc tính quay vòng 70 Hình 3.4 Nguyên lý lái tích cực 71 Hình 3.5 Hệ thống lái tích cực 71 Hình 3.6 Sơ đồ lái 4 bánh 4WS 72 Hình 3.7Hệ thống lái 4 bánh 72 8 Hình 3.8 Hệ thống lái 4 bánh 73 Hình 3.9 Hệ thống lái “Steer-by-Wire” 73 Hình 3.10 Hệ thống treo điều khiển mức (độ cao) 74 Hình 3.11 Lịch sử phát triển cơ điện tử trong ô tô 74 Hình 3.12 Điều khiển tích hợp dọc ngang 76 Hình 3.13 Hệ điều khiển tích hợp GCC 76 Hình 3.14 Quan hệ về điều khiển 77 Hình 3.15. Hệ thống điều khiển lực kéo TCS 80 Hình 3.16. Hệ thống điều khiển lực kéo TCS 81 Hình 3.17 Hệ tích hợp điều khiển ABS/TCS khi phanh 82 Hình 3.18. Cầu vi sai hạn chế trượt 83 Hình 3.19 Vi sai giữa của Hãng Volvo 85 Hình 3.20 Ly hợp đĩa nam châm điện 85 Hình 3.21 Sơ đồ điều khiển vi sai giữa 86 Hình 3.22 Sơ đồ điều khiển vi sai giữa 86 Hình 3.23 Sơ đồ cụm vi sai-truyền lực cạnh 87 Hình 3.24 Sơ đồ phân mô men 87 9 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khi mà ô tô đã trở thành phương tiện đi lại ngày càng phổ biến, 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 yêu cầu phải cao hơn. Khi ô tô chuyển động nó sẽ chịu rất nhiều tác động từ phía người lái như phanh, quay vô lăng, hay ga… Ngoài những tác động của người lái thì các yếu khách quan từ ngoại cảnh…rồi các yếu tố bất ngờ tất cả sẽ ảnh hưởng rất lớn đến an toàn khi xe lưu thông. Lái xe có 3 phản ứng khi điều khiển là (i) quay vô lăng, (ii) ga hoặc (iii) phanh. Phản ứng của xe có thể đặc trưng bởi vận tốc dọc, vận tốc ngang và góc quay thân xe quqng trục z. Ban đầu người ta giả thiết bánh xe quay không trượt thì phản ưng của xe là tuyến tính. Trong thực tế xe phản ứng không tuyến tính vì bánh xe quay có trượt. Trong khuôn khổ của đề tài, tác giả đã thiết lập mô hình động lực học một dãy. Với mô hình động lực một dãy, ta cần xét hai trường hợp khi chuyển động thẳng gồm tăng tốc và phanh: (i) Xe chuyển động không trượt: với nội dung này, ta có thể xét điều kiện cân bằng lực kéo và công suất, cơ sở thiết kế hệ truyền lực; (ii) Xe chuyển động có trượt: Mô hình động lực học có trượt gầm với thực tế, là cơ sở đánh giá các quá trình chuyển động sát thực tế hơn và là cơ sở lý luận cho thiết kế các hệ cơ điện tử. Khi mà số lượng ô tô lưu thông trên đường tăng cũng kéo theo các vấn đề về tai nạn giao thông do ô tô có thể gây ra. Trước nhu cầu thực tế trên, đề tài đã được chọn là ‘Nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô tô” để hiểu về bản chất chuyển động và cơ sở thiết kế các cụm cơ điện tử ô tô. Trong thời gian làm luận văn, tác giả đã có nhiều cố gắng tích cực và chủ động học hỏi, vận dụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu các kiến thức mới. Dưới sự hướng 10 dẫn trực tiếp của TS. Dương Ngọc Khánh và các thầy trong Bộ môn ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đề tài đã được hoàn thành các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra. Mặc dù hết sức cố gắng nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên luận văn này khó tránh khỏi một vài sai sót, em mong nhận được sự chỉ bảo thêm của các thầy. Hà Nội, ngày 26 11/2013 Học viên Hoàng Ngọc Huy [...]... 19 (ii) Tổng quan các hệ điều khiển ô tô 1.3 Nội dung của luận văn Cấu trúc của luận văn: Nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô tô ” có 3 phần chính như sau: (i) Tổng quan về động lực học ô tô; (ii) Mô hình động lực học phẳng một dãy; (iii)Điều khiển động lực học Chương 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG Ô TÔ 2.1 Tổng quan về động lực học ô tô Động lực học ô tô là tích hợp giữa động lực học phương... thẳng đứng và động lực học phương dọc: (i) Động lực học dọc/ Longitudinal Dynamics 20 (ii) Động lực học phương thẳng đứng/Vertical Dynamics (iii) Động lực học ngang/Lateral Dynamics Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động góc Thân xe liên kết với 4 bánh xe; động lực học bánh xe như một mô hình con Như vậy động lực học ô tô là một mô hình tích hợp: là động lực học của một hệ cơ học nhiều vật,... đa biến, trước hết phải được nghiên cứu dưới dạng quy luật và sau đó tuỳ vào điều kiện cụ thể của xe và đường mà xác định các trị số (tham số) để mô tả chính xác các quá trình phanh cụ thể 1.2 Mục tiêu đề tài Xuất phát từ ý tưởng trên, luận văn hướng tới: Nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô tô ” Nghiên cứu động lực học tô là tìm ra quy luật chuyển động của tô từ đó xác định giới hạn an... Động lực học của ô tô được mô tả trong hệ cố định G(OXYZ) Nhưng để mô tả các hệ con ta phải xác lập các hệ cục bộ B(oxyz) Giữa chúng liên hệ với nhau qua các ma trận xoay .Về phương pháp nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học, thuận tiện nhất là tách cấu trúc theo nguyên lý hệ nhiều vật MBS Trong sơ đồ hình 2.1 là cấu trúc hệ động lực học ô tô (i) Mô đun chính “XY” là mô hình động lực học ô tô. .. số trượt dọc ta cần mô đun động lực học “bánh & xe” với thông số ra là vận tốc góc ϕ 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 21 Hình 2.1 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... tâm); - Kết cấu lốp (liên quan đến độ cứng dọc, độ cứng ngang, hướng kính) Mục tiêu nghiên cứu động lực học phương dọc ô tô là: (i) Xác định các giới hạn chuyển động của ô tô (a) với mô hình không trượt xác định điều kiện cân bằng công suất /lực kéo; giới hạn chuyển động; (b) với mô hình một dãy phẳng có trượt ta nghiên cứu chuyển động ô tô gần với thực tế hơn, thiết lập các quan hệ điều khiển ABS/TCS,... x, y ,ψ ) Vì vậy việc nghiên cứu thiết lập một mô hình động lực học ô tô để xác định các giới hạn nguy hiểm là điều cần thiết, chúng ta có thể thiết lập quan hệ như hình 1.5 Các thông số & & & ( x, y,ψ) là đặc trưng cho phản ứng của xe, được xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô cũng như trạng thái quay vòng của ô tô Chính vì vậy, việc thiết lập một mô hình động lực học ô tô là cần thiết nhằm xác... chia mô đun điều khiển và mô phỏng Phương trình thư nhất là phương trình chuyển động tính tiến, hai phương kế tiếp là động lực học bánh xe, 4 phương trình còn lại là động lực học ô tô phương thẳng đứng Hệ này là hệ phi tuyến Với hệ (2.20) ta có thể nghiên cứu động lực học ô tô phảng theo hai trạng thái trượt và không trượt Hình 2.7 Mô hình động lực học phẳng (tách cấu) 2.4 Phương trình động lực học phương... Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 1.1 Tổng quan về động lực ô tô Tăng tốc và phanh là 2 quá trình truyền lực giống nhau trong chuyển động thẳng, chỉ khác mô men cấp cho bánh xe là mô men dương Phanh là quá trình tính từ khi người lái phát hiện thấy có nhu cầu tăng vận tốc đến một giá trị xác định theo yêu cầu của người lái Tăng tốc là các quá trình tăng ga, xảy ra thường xuyên khi ô tô di chuyển... các yếu tố cấu trúc của ô tô, phản ứng của lái xe và các yếu tố ngoại cảnh là mục tiêu của nội dung nghiên cứu Hình 1.6 Quan hệ động lực học ô tô Các yếu tố ảnh hưởng: 1 Điều kiện đường: - Độ bám, tính chất mặt đường; - Độ nghiêng, độ dốc của đường; - Các lực quán tính dọc, ngang 2 Phản ứng lái xe: - Tốc độ ga, phanh, quay vô lăng và giá trị cực đại của MA, MB, δ 3 Cấu trúc của ô tô: - Phân bố khối lượng . động lực học. Chương 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG Ô TÔ 2.1. Tổng quan về động lực học ô tô Động lực học ô tô là tích hợp giữa động lực học phương ngang, thẳng đứng và động lực học phương dọc: (i). Nội dung của luận văn Cấu trúc của luận văn: Nghiên cứu tổng quan về động lực học dọc của ô tô ” có 3 phần chính như sau: (i) Tổng quan về động lực học ô tô; (ii) Mô hình động lực học phẳng. 11 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 11 1.1. Tổng quan về động lực ô tô 11 1.2. Mục tiêu đề tài 16 1.3. Nội dung của luận văn 19 Chương 2 19 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHẲNG Ô TÔ 19 2.1. Tổng quan về động