Mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm matlab – simulink và carsim

Trong nội dung nghiên cứu này được thực hiện bằng phần mềm Matlab-CarSim đối với loại xe ô tô du lịch, trình bày về nội dung xây dựng mô hình mô phỏng động lực học ô tô có ba bậc tự do k

Trang 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN CÔNG VINH

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK VÀ CARSIM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng- Năm 2017

Trang 2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN CÔNG VINH

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB - SINULINK VÀ CARSIM

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 60.52.01.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:

TS Nguyễn Văn Đông

Đà Nẵng – Năm 2017

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo

vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như ở nước ngoài và cho đến nay vẫn chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây

Tác giả

Nguyễn Công Vinh

Trang 4

MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG

MỞ DẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 2

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

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

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ TRÊN THẾ GIỚI 4

1.2 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ TẠI VIỆT NAM 6

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 10

2.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 10

2.1.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình mô phỏng động lực học ô tô 10

2.1.2 Hệ tọa độ 11

2.1.2.1 Hệ tọa độ cố định 11

2.1.2.2 Hệ tọa độ thân xe 12

2.1.3 Các lực tác dụng lên ô tô 13

2.1.3.1 Lực tác dụng trong mặt phẳng dọc 13

2.1.3.2 Lực tác dụng trong mặt phẳng ngang 14

2.2 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 15

2.2.1 Mô hình tính toán lốp xe 17

2.2.1.1 Góc lệch hướng chuyển động bánh xe 18

2.2.1.2 Góc lệch bên của các bánh xe 19

2.2.1.3 Lực tác dụng lên bánh xe 20

2.2.2 Mô hình một vết bánh xe 21

2.2.2.1 Xây dựng mô hình 21

Trang 5

2.2.2.2 Xây dựng hệ phương trình vi phân 23

2.2.3 Mô hình hai vết bánh xe 24

2.2.3.1 Xây dựng mô hình 24

2.2.3.2 Xây dựng hệ phương trình vi phân 26

2.2.4 Phương trình mô tả động lực học chuyển động của ô tô 29

2.2.4.1 Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của ô tô 29

2.2.4.2 Phương trình không gian trạng thái mô tả chuyển động của ô tô 34

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK VÀ CARSIM 37

3.1 PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK VÀ CARSIM ỨNG DỤNG TRONG BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 37

3.1.1 Các công cụ giải hệ phương trình vi phân động lực học ô tô 37

3.1.2 Giới thiệu về phần mềm Matlab-Simulink ứng dụng trong bài toán động lực học ô tô 37

3.1.2.1 Giới thiệu về Matlab 37

3.1.2.2 Giới thiệu về Simulink 38

3.1.3 Giới thiệu phần mềm CarSim trong mô phỏng động lực học ô tô 41

3.2 THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK VÀ CARSIM 42

3.2.1 Sơ đồ thuật toán mô phỏng động lực học ô tô 42

3.2.2 Xây dựng mô hình ô tô mô phỏng động lực học bằng phần mềm CarSim 44

3.2.3 Kết nối CarSim với Simulink 45

3.2.4 Sơ đồ mô hình mô phỏng động lực học ô tô bằng Matlab-Simulink 46

3.2.5 Sơ đồ tổng thể mô phỏng động lực học ô tô bằng Matlab-Simulink và CarSim 46 3.3 MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB– SIMULINK VÀ CARSIM 47

3.3.1 Thông số mô phỏng 47

3.3.2 Mô hình không gian trạng thái động lực học của ô tô 48

3.3.3 Nhập thông số đầu vào cho mô hình mô phỏng 48

3.3.4 Mô phỏng động lực ô tô bằng phần mềm Matlab-Simulink và CarSim 49

3.3.4.1 Điều kiện mô phỏng 49

3.3.4.2 Mô phỏng động lực học ô tô trên phần mềm Simulink 50

3.3.4.3 Kết quả mô phỏng 51

3.4 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK VÀ CARSIM 53

Trang 6

3.4.1 Sử dụng công cụ Parameter Estimation trong Simulink xác định các thông số

của mô hình 53

3.4.2 Kết quả nhận dạng thông số 55

3.5 THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI THEO PHƯƠNG PHÁP GÁN ĐIỂM CỰC 56

3.5.1 Xét các tính chất của mô hình trong không gian trạng thái 56

3.5.1.1 Tính ổn định của hệ thống 56

3.5.1.2 Tính điều khiển được 57

3.5.1.3 Tính quan sát được 57

3.5.2 Thiết kế bộ quan sát trạng thái 57

3.5.2.1 Xác định ma trận quan sát trạng thái 57

3.5.2.2 Thiết kế bộ quan sát trạng thái trên phần mềm Matlab-Simulink 59

3.6 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ỨNG VỚI BỘ THÔNG SỐ MỚI 60

3.6.1 Mô phỏng với bộ tham số mới 60

3.6.2 Đánh giá kết quả mô phỏng 63

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 64

4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 64

4.1.1 Mô phỏng ở vận tốc 35 km/h 64

4.2 BÀN LUẬN 76

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 77

1 KẾT LUẬN 77

2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 78

3 KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

Trang 7

TÓM TẮT Tên đề tài: “Mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm Matlab-Simulink và CarSim”

Học viên: Nguyễn Công Vinh Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 60.52.01.16 Khóa: K30 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Nghiên cứu động lực học ô tô hiện nay đã và đang phát triển Tuy nhiên, với phương pháp thí nghiệm đo đạc tuy có độ chính xác cao nhưng đòi hỏi đầu tư nhiều chi phí và thời gian Hiện nay phương pháp mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô

tô được thực hiện rộng rải nhờ vào khả năng ứng dụng các phần mềm trên máy tính giảm chi phí và giảm thời gian nghiên cứu Trong nội dung nghiên cứu này được thực hiện bằng phần mềm Matlab-CarSim đối với loại xe ô tô du lịch, trình bày về nội dung xây dựng mô hình mô phỏng động lực học ô tô có ba bậc tự do kết hợp với các chuyển động nghiêng, chuyển động quay và chuyển động ngang Mô hình mô phỏng cho phép khảo sát và tính toán, mô phỏng các thông số động lực học của quá trình chuyển động của xe ô tô thông qua bốn thông số cơ bản Các thông số của mô hình được xác định bằng công cụ Parameter Estimation trong Simulink Tính tương thích và mức độ chính xác của mô hình mô phỏng được kiểm chứng bằng thực nghiệm với kết quả của xe trên CarSim Nghiên cứu này góp phần rút ngắn thời gian và kinh phí, kết quả nghiên cứu làm cơ sở để thiết kế, cải tiến, chế tạo

Từ khóa: Mô hình hóa, mô phỏng động lực học, nhận dạng thông số, CarSim, Matlab

ABSTRACT Abstract: Automobile dynamics research is now developing However, with the method of measurement experiments with high accuracy but requires much investment time and cost Automobile modeling and simulation is now widely available due to the ability to use software on a computer to reduce costs and reduce study time This study was conducted using the Matlab-CarSim software for passenger car models, describing the content of the automotive dynamics simulator model with three degrees of freedom combined with transitions Tilt, rotary motion and horizontal motion The simulation model allows for surveying and calculating, simulating the dynamic parameters of the movement of cars through four basic parameters Parameters of the model are determined by Parameter Estimation tool in Simulink The compatibility and accuracy

of the simulation model is experimentally verified with the results of the car on CarSim This research contributes to shorten time and funding, research results as a basis for design, improvement and fabrication

Key word: Modeling, Dynamic Simulation, Parameter Identification, CarSim, Matlab

Trang 8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

𝛼 Góc lệch bên của bánh xe, (rad)

𝛼 Góc lệch bên trung bình của hai bánh xe cầu trước, (rad)

𝛼 Góc lệch bên trung bình của hai bánh xe cầu sau, (rad)

𝛽 Góc lệch hướng chuyển động tại vị trí trọng tâm xe, (rad)

𝛽 Góc lệch hướng chuyển động của bánh xe cầu trước, (rad)

𝛽 Góc lệch hướng chuyển động của bánh xe cầu sau, (rad)

𝛿 Góc quay của bánh xe dẫn hướng quanh trục z trong hệ tọa độ thân

xe, (rad)

𝛿 Góc lái của bánh xe cầu trước, (rad)

𝛿 Góc lái của bánh xe cầu sau, (rad)

𝑙 Chiều dài cơ sở của ô tô, (m)

𝐵 Chiều rộng cơ sở của ô tô, (m)

𝑎 Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu trước, (m)

𝑎 Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu sau, (m)

ℎ Khoảng cách từ tâm lắc đến trọng tâm khối lượng được treo, (m)

𝑚 Khối lượng của ô tô, (kg)

𝐶 Độ cứng khi quay vòng của bánh xe trước, (N/rad)

𝐶 Độ cứng khi quay vòng của bánh xe sau, (N/rad)

𝐶 Độ cứng khi quay vòng của bánh xe trước bên trái, (N/rad)

𝐶 Độ cứng khi quay vòng của bánh xe trước bên phải, (N/rad)

𝑐 Hệ số giảm chấn tương đương đối với chuyển động lắc ngang,

(Ns/rad)

𝐶 Hệ số ảnh hưởng lực đẩy nghiêng bánh xe trước

𝐶 Hệ số ảnh hưởng lực đẩy nghiêng bánh xe sau

Trang 9

𝑘 Độ cứng tương đương đối với chuyển động lắc ngang, (N/rad)

𝐹 Lực dọc, (N)

𝐹 Lực ngang, (N)

𝐹 Lực dọc tại bánh xe cầu trước, (N)

𝐹 Lực ngang tại bánh xe cầu trước, (N)

𝐹 Lực dọc tại bánh xe cầu sau, (N)

𝐹 Lực ngang tại bánh xe cầu sau, (N)

𝐼 Mô men quán tính của ô tô quanh trục x, (kg.m2)

𝐼 Mô men quán tính của ô tô quanh trục z, (kg.m2)

𝑀 Mô men quay của bánh xe trước theo phương ox, (Nm)

𝑀 Mô men quay của bánh xe sau theo phương ox, (Nm)

𝑀 Mô men cản của giảm chấn tương đương đối với chuyển động lắc

ngang, (Nm)

𝑀 Mô men cản của hệ thống treo tương đương đối với chuyển động lắc

ngang, (Nm)

v Vận tốc chuyển động của ô tô, (km/h)

𝑣 Vận tốc dọc của thân xe trong hệ tọa độ thân xe, (m/s)

𝑣 Vận tốc ngang của thân xe trong hệ tọa độ thân xe, (m/s)

𝑎 Gia tốc ngang của thân xe trong hệ tọa độ thân xe, (m/s2)

𝜔 = 𝐴𝑉 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x, (rad/s)

𝜔 = 𝐴𝑉 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z, (rad/s)

𝜔 ̇ Gia tốc góc, (rad/s2)

𝜓 Góc quay thân xe quanh trục z, (rad)

𝜓̇ Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z, (rad/s)

𝜑 Góc quay thân xe quanh trục x, (rad)

𝜑̇ Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x, (rad/s)

u Véc tơ thông số đầu vào

Trang 10

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2 1 Hệ trục tọa độ cố định 12

Hình 2 2 Hệ trục tọa độ thân xe 12

Hình 2 3 Hệ trục tọa độ không gian ba chiều 13

Hình 2 4 Góc lệch hướng chuyển động của ô tô 16

Hình 2 5 Mô hình tính toán lốp xe 17

Hình 2 6 Mô hình một vết của ô tô 22

Hình 2 7 Mô hình một vết của ô tô 23

Hình 2 8 Mô hình hai vết bánh xe 25

Hình 2 9 Mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng ngang 26

Hình 2 10 Mô hình một vết tương đương có xét đến sự nghiêng ngang 29

Hình 2 11 Mô hình trạng thái động lực học của ô tô 35

Hình 3 1 Giao diện màn hình Matlab 39

Hình 3 2 Giao diện màn hình xây dựng sơ đồ khối 39

Hình 3 3 Hệ thống thư viện trong Simulink 40

Hình 3 4 Thư viện của CarSim S-Function 41

Hình 3 5 Màn hình CarSim 42

Hình 3 6 Sơ đồ thuật toán mô phỏng động lực học ô tô 43

Hình 3 7 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng đường 43

Hình 3 8 Mô hình ô tô mô phỏng thiết lập bằng phần mềm CarSim 2016.1 44

Hình 3 9 Thiết lập thông số kỹ thuật của mô hình ô tô 44

Hình 3 10 Hoạt hình mô phỏng ô tô trên CarSim 45

Hình 3 11 Kết quả kết nối CarSim-Simulink 45

Hình 3 12 Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô trong Simulink 46

Hình 3 13 Sơ đồ tổng thể mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm Matlab-Simulink và CarSim 47

Hình 3 14 Nhập thông số đầu vào cho mô hình mô phỏng 49

Hình 3 15 Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô trong Simulink 50

Hình 3 16 Vận tốc ngang (Vy, (m/s)) 51

Hình 3 17 Gia tốc ngang (Ay, (m/s2)) 51

Hình 3 18 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz, (rad/s)) 52

Hình 3 19 Góc quay thân xe quanh trục x (Phi, (rad)) 52

Hình 3 20 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx, (rad/s)) 53

Hình 3 21 Mô hình động lực học ô tô xây dựng trong môi trường Simulink 54

Hình 3 22 Quá trình nhận dạng thông số bằng công cụ Parameter Estimation 54

Hình 3 23 Cửa sổ màn hình kết thúc quá trình nhận dạng thông số 55

Hình 3 24 Bộ quan sát trạng thái 58

Hình 3 25 Mô hình hệ thống sử dụng bộ quan sát trạng thái 59

Trang 11

Hình 3 26 Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô trong Simulink sử dụng bộ quan

sát trạng thái 60

Hình 3 30 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz, (rad/s)) 62

Hình 3 31 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx, (rad/s)) 63

Hình 4.4 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục z (AVz, (rad/s)) 66

Hình 4.5 Tốc độ góc quay thân xe quanh trục x (AVx, (rad/s)) 66

Hình 4.6 Vận tốc ngang (Vy, (m/s)) 67

Hình 4.7 Gia tốc ngang (Ay, (m/s2)) 68

Hình 4.8 Góc quay thân xe quanh trục x (Phi, (rad)) 68

Trang 12

DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật xe C-Class Hatchback 2012 45Bảng 3.2 Thông số chọn cho mô hình toán 47Bảng 3.3 Giá trị góc quay bánh xe dẫn hướng do tác động của góc quay vành lái δ(0) theo thời gian của ô tô mô phỏng trên CarSim 49Bảng 3.4: Kết quả nhận dạng thông số 56

Trang 13

MỞ DẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay đất nước ta đang trên đà phát triển mạnh, nền kinh tế tăng trưởng, hội nhập và phát triển, ô tô đã và đang trở thành phương tiện vận tải chủ yếu để vận chuyển hàng hóa, hành khách góp phần phục vụ sự phát triển kinh tế, an ninh, quốc phòng và đáp ứng các nhu cầu đi lại của con người Nhằm đáp ứng nhu cầu trên, ngành công nghiệp ô tô trong nước cũng đã có những bước đổi mới như: có sự đầu tư lớn, tăng số lượng ô tô nhập khẩu, số lượng ô tô lắp ráp trong nước với đủ loại dòng xe như xe con, xe du lịch, xe bus… là một đất nước có nền kinh tế đang phát triển, vì vậy Việt Nam được coi là thị trường rất tiềm năng để phát triển ô tô, cụ thể nhu cầu sử dụng cao, sức mua lớn

Số lượng ô tô tăng nhanh sẽ dẫn đến mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn Bên cạnh đó đường bộ ngày được nâng cao, ô tô được thiết kế với công suất lớn, tốc độ di chuyển cao Như vậy, khi ô tô chuyển động trên đường đòi hỏi phải có tính

ổn định và an toàn chuyển động cao là điều tất yếu

Trong thực tế khi ô tô tham gia lưu thông trên đường sẽ có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định và an toàn chuyển động cụ thể như: kích thước xe, kết cấu của

hệ thống treo, … và những tác động từ người lái như phanh, ga, quay vô lăng lái … đặc biệt có những trường hợp ô tô mất ổn định động học trong quá trình chuyển động như khi tăng tốc hay quay vòng, rồi đến các yếu tố tác động bất ngờ bên ngoài khác, như vậy sẽ ảnh hưởng rất lớn đến an toàn chuyển động Vì vậy, nghiên cứu các biện pháp để nâng cao tính năng ổn định và đảm bảo an toàn chuyển động là một nhu cầu cấp thiết, giải quyết vấn đề này về cơ bản cần phải nghiên cứu về động lực học chuyển động ô tô, mà cụ thể là các thông số động lực học Tính hiệu quả của kiểm soát ổn định xe chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác của các thông số trạng thái xe, đây là các thông số rất cần thiết phục vụ thiết kế các hệ thống điều khiển điện tử trên ô tô

Nghiên cứu xác định các thông số động lực học nhằm mục đích phục vụ công tác đào tạo, nghiên cứu khoa học và chế tạo, có thể thực hiện theo hai hướng: Thứ nhất

là nghiên cứu trên hệ thực (xe thực) và thứ hai là nghiên cứu trên mô hình thay thế của

nó Khi thực hiện nghiên cứu trên hệ thực cho ta kết quả trung thực và khách quan Tuy nhiên trong nhiều trường hợp tiến hành nghiên cứu trên hệ thực gặp nhiều khó khăn do thiếu các thiết bị thí nghiệm động lực học chuyên dụng, kinh phí đầu tư lớn, quá trình thực hành, thí nghiệm rất phức tạp, mất nhiều thời gian và không có khả năng lặp lại Từ hạn chế trên nên phương pháp tốt nhất và thuận tiện nhất là nghiên cứu trên mô hình của nó, đây là phương pháp rất được chú ý nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rộng rãi, đóng vai trò quan trọng trong sự nghiệp phát triển khoa học - kỹ thuật nói chung và trong ngành công nghệ ô tô nói riêng Phương pháp này cho phép

Trang 14

đưa vào mô hình nhiều yếu tố gần sát với thực tế và sau đó giải trên máy tính, do đó các kết quả thuđược có độ chính xác cao

Chính vì vậy, mô hình hoá và mô phỏng trong nghiên cứu động lực học ô tô là một nhu cầu tất yếu, đặc biệt khi các cơ cấu, hệ thống trên ô tô ngày càng trở nên phức tạp Khác với mô phỏng thuần tuý toán học, việc mô phỏng động lực học chuyển động của ô tô thường phức tạp hơn rất nhiều do đồng thời phải đáp ứng được các yêu cầu về tính linh hoạt và khả năng sử dụng thuận tiện, tương tác và trực quan, … Quan sát được quá trình chuyển động, xác định được các thông số động lực học chuyển động của ô tô là mong muốn của những người thiết kế, chế tạo

Cùng với sự hỗ trợ của máy tính thông qua các phần mềm mô phỏng chuyên dụng như Matlab, CarSim với một khối lượng thư viện khá phong phú và đầy đủ có thể đáp ứng tốt các yêu cầu về mô phỏng động lực học ô tô Với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu, học tập… và nhằm xây dựng cơ sở khoa học cho tính toán, thiết kế, lựa chọn các thông số hợp lý trên ô tô

Từ những lý do trên tác giả tiến hành nghiên cứu với đề tài: “Mô hình hóa và

mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm Matlab – Simulink và CarSim”

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Mục đích nghiên cứu là mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô góp phần đánh giá tính ổn định và an toàn chuyển động của ô tô

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: ô tô du lịch

- Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng đánh giá các thông số động lực học ô tô du lịch chuyển động trên đường với gia tốc ngang không vượt quá 40% gia tốc trọng trường bằng phần mềm Matlab-Simulink và CarSim

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình động lực học của ô tô dựa vào các phương trình toán học

Phương pháp mô phỏng số: Thiết kế, mô phỏng bằng phần mềm Matlab – Simulink và CarSim để giải quyết bài toán xác định các thông số động lực học ô tô

Nghiên cứu động lực học ô tô theo hướng mô hình hóa, ứng dụng phần mềm Matlab – Simulink và CarSim để mô phỏng số chạy trên máy tính sẽ giúp tiết kiệm được thời gian, cho kết quả tin cậy và giảm giá thành nghiên cứu so với việc tiến hành thí nghiệm

Trang 15

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu của đề tài khi thành công, sẽ tạo điều kiện khảo sát, kiểm tra dễ dàng các thông số động lực học ô tô, cũng như đánh giá về tính ổn định và an toàn chuyển động của ô tô du lịch

Thông qua đề tài có thêm cơ sở trong tính toán, thiết kế để nâng cao tính hợp lý

về kết cấu của các bộ phận, chi tiết liên quan ứng với các trạng thái chuyển động, góp phần nâng cao tính ổn định và bảo đảm an toàn hơn khi lưu thông trên đường

Vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng mô hình, mô phỏng động lực học ô tô là việc làm đúng hướng, tính khả thi cao, tiết kiệm được thời gian và chi phí

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo nội dung của luận văn gồm 4 chương:

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Mô hình hóa động lực học ô tô

Chương 3 Mô phỏng động lực học ô tô bằng phần mềm Matlab - Simulink và CarSim

Chương 4 Kết quả và bàn luận

Trang 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ TRÊN THẾ GIỚI

Vào khoảng năm 1885 – 1886 chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới ra đời và đến nay

đã được 132 năm, những sản phẩm của nó ngày càng chứa hàm lượng công nghệ cao hơn, số lượng sản xuất ngày càng nhiều, tốc độ lưu thông trên đường lớn hơn Những yếu tố phát triển đột biến đó đã đưa đến những áp lực mới cho xã hội những vấn đề ngày càng nghiêm trọng như: tai nạn giao thông, mức độ phá hủy đường sá do đó, khi chạy ở tốc độ cao đòi hỏi tính năng ổn định và an toàn chuyển động của nó cũng phải cao Vì vậy, vấn đề nghiên cứu động lực học chuyển động ô tô để hoàn thiện trong kết cấu của ô tô nhằm nâng cao an toàn chuyển động và nâng cao tính ổn định, giảm ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người và các công trình giao thông là một nhu cầu cấp thiết của nhiều Quốc gia

Quá trình chuyển động của ô tô phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tác động điều khiển của người lái, sự tương tác giữa các bánh xe với mặt đường, lực tác động của không khí Các tương tác lực từ môi trường bên ngoài vào ô tô trong quá trình chuyển động rất phức tạp, đòi hỏi mô hình tính toán thích hợp để khảo sát động lực học của ô tô Nghiên cứu về các cơ, hệ trên ô tô nói riêng và động lực học ô tô nói chung ngày càng được quan tâm đúng mức Nghiên cứu với những mô hình đơn giản thông thường như

mô hình phẳng thường cho kết quả nghiên cứu động lực không chính xác cao Mô hình gần thực với ô tô thì cần đáp ứng các yêu cầu sau: Không hạn chế chuyển động, không gian của toàn ô tô; xác lập được động học, động lực học phi tuyến của hệ thống treo; xác lập được động lực học phi tuyến của bánh xe

Khi ô tô chuyển động thì tính ổn định và an toàn chuyển động ô tô là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng ô tô Chính vì vậy, đây là vấn đề được các nhà khoa học, các chuyên gia sản xuất ô tô trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu, cùng với

sự phối hợp nghiên cứu của các chuyên gia thuộc nhiều lĩnh vực như: Công nghệ ô tô, bảo hộ lao động, y tế tập trung chủ yếu ở các vấn đề: Nghiên cứu ổn định trong chuyển động và tìm ra các vùng thông số ổn định của chuyển động như vận tốc ngang, gia tốc ngang, góc quay vòng thân xe

Trong những giai đoạn phát triển đầu tiên của ngành công nghiệp ô tô, người ta tiến hành nghiên cứu chủ yếu trên các mô hình phẳng do điều kiện và khả năng tính toán còn hạn chế Còn hiện nay trên thế giới việc nghiên cứu động lực học ô tô nói chung và động lực học mô hình phẳng ô tô nói riêng đã có những kết quả to lớn Song đây là vấn đề thuộc sở hữu bản quyền của các hãng chế tạo ô tô nên chưa được công

bố rộng rãi hoặc không đầy đủ Nghiên cứu về động lực học ô tô tiêu biểu có một số nghiên cứu sau:

Trang 17

Takama Suzuki và Masaki Takahashi nghiên cứu “Semi Active Suspension Control Considering Lateral Vehicle Dynamics Due to Road Input” ở Đại học Keio, Nhật Bản Nội dung trình bày kiểm soát hệ thống treo bán chủ động bằng việc xây dựng mô hình ô tô kết hợp với bộ điều khiển, xem xét mô hình ô tô để giảm bớt sự rung ô tô và chuyển động ngang của ô tô do ảnh hưởng của mặt đường Mô hình xây dựng có xét đến yếu tố là sự thay đổi gây ra bởi hệ thống treo và lực bên của lốp Kiểm chứng sự đúng đắn của phương pháp bằng cách thực hiện các mô phỏng số Kết quả nghiên cứu khẳng định hệ thống điều khiển đề xuất có hiệu quả không chỉ giảm độ rung theo phương thẳng đứng mà còn cả sự chuyển động ngang của ô tô do mấp mô mặt đường so với phương pháp điều khiển mà không tính đến đặc tính treo [20]

Nghiên cứu mô phỏng lái của Jorge Gómez Fernández tại trường Đại Học Công Nghệ Chalmers - Thụy Điển, năm 2012 Nội dung trình bày xây dựng mô hình với mười bậc tự do, mô hình được thiết kế cho các ứng dụng thời gian thực trong mô phỏng lái, tính toán chuyển động của ô tô chở khách khi lái xe trong điều kiện bình thường Đồng thời dựa trên một số giả thiết đưa ra để trình bày hành vi thực tế của ô tô

và có thể đoán trước được các hành vi của ô tô trong một số điều kiện lái như điều khiển tránh va chạm Quá trình thu thập dữ liệu được thí nghiệm trên mẫu cùng với các trang thiết bị trong các điều kiện đã đưa ra Kết quả được kiểm chứng trên mô hình mới với mô hình phân bản cũ [21]

Rajesh Rajamani nghiên cứu xây dựng các mô hình động lực học dùng để phát triển hệ thống kiểm soát ô tô toàn diện Các ứng dụng hệ thống điều khiển bao gồm kiểm soát hành trình, điều khiển hành trình thích ứng, hệ thống ABS, giữ hướng đường tự động, kiểm soát ổn định góc nghiêng, kiểm soát động cơ … Trong phát triển

mô hình cho mỗi ứng dụng, mô hình xây dựng ở dạng đơn giản đủ để thiết kế hệ thống điều khiển nhưng vẫn đảm bảo được các tính năng động lực học thiết yếu [22]

Shu-en Zhao, Yu-ling Li and Xian Qu đã nghiên cứu về kiểm soát ổn định ô tô, trong thực tế chuyển động của ô tô có một số thông số trạng thái của ô tô không thể đo được trực tiếp do vậy việc kiểm soát ổn định xe rất khó Do đó nghiên cứu đề xuất thuật toán ước lượng tối ưu trạng thái của đa cảm biến tuyến tính kết hợp dựa trên bộ lọc STF (Strong Tracking Filter) và xây dựng mô hình động lực học ô tô bốn bậc tự

do, các ước tính là kết hợp thông tin đa cảm biến và lý thuyết bộ lọc, xử lý ước lượng trạng thái động lực thông qua mô phỏng và phân tích đánh giá Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ lọc có hiệu suất xử lý cao, có thể xác định được giá trị ước lượng trạng thái khác với các trạng thái hệ thống thực do các sai số của mô hình [23]

Trang 18

1.2 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ TẠI VIỆT NAM

Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang trong quá trình hình thành và phát triển, những năm vừa qua đã đạt được nhiều kết quả khả quan Bước đầu đang trên đà hội nhập với khu vực và thế giới Chủ trương của chính phủ đối với ngành công nghiệp ô tô theo “Quyết định số 177/2004/QĐ-TTg của Chính phủ: Về việc phê duyệt Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn đến năm 2020” với mục tiêu tổng quát là xây dựng và phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam để đến năm 2020 trở thành một ngành công nghiệp quan trọng của đất nước,

có khả năng đáp ứng ở mức cao nhất nhu cầu thị trường trong nước và tham gia vào thị trường khu vực và thế giới

Với chủ trương này trong thời gian vừa qua chúng ta cũng đã thực hiện được các sản phẩm nội địa hóa như: dập khung, vỏ xe và tiến hành lắp ráp trong nước, hạn chế được số lượng ô tô nhập khẩu nguyên chiếc với số lượng bán ra các dòng xe nội địa hóa Đó cũng là thắng lợi đầu tiên của nền công nghiệp ô tô còn non trẻ Đây là động lực khích lệ các nhà nghiên cứu và sản xuất ô tô trong nước đầu tư chất xám, tài chính vào ngành công nghiệp ô tô Để đạt được những mục tiêu này cần quan tâm nghiên cứu sâu hơn về các cụm chi tiết, các hệ thống cũng như điều kiện làm việc của

ô tô để có những giải pháp kỹ thuật can thiệp sâu hơn vào trong các cụm, hệ thống nhằm phát huy được các đặc tính tối ưu nhất

Nghiên cứu động lực học ô tô là bài toán cơ bản của lý thuyết ô tô nhằm đánh giá cũng như xác định chất lượng khai thác ô tô trong những điều kiện khác nhau Trong đó vấn đề tính ổn định và an toàn chuyển động của ô tô là không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu, nhất là trong thời gian gần đây chất lượng ô tô cũng như điều kiện đường sá tăng lên rõ rệt, vận tốc trung bình của ô tô có thể đạt 60 km/h, đây là tín hiệu mừng cho lĩnh vực giao thông nước ta nhưng bên cạnh đó thì vấn đề đáng ngại là

an toàn giao thông Để giảm thiểu tai nạn giao thông do ô tô gây ra ngoài việc nâng cao trình độ kỹ thuật, ý thức của người điều khiển thì cần phải giảm thiểu các yếu tố xảy ra tai nạn do kỹ thuật như: kết cấu toàn bộ ô tô, tính điều khiển, các thiết bị an toàn Với sự phát triển khoa học kỹ thuật ngay nay để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật thiết kế, chế tạo, kiểm nghiệm các cụm tổng thành, hệ thống thì cần phải có càng nhiều thông số kỹ thuật, thông số trạng thái thì tính chính xác càng cao, sản phẩm tạo ra càng hoàn thiện hơn

Trong thực tế chúng ta gặp một tính toán thiết kế theo các yêu cầu hoặc là bài toán kiểm nghiệm lại các thiết kế có sẵn xem có phù hợp với yêu cầu (tính bền, tính tối

ưu, tính chuyên nghiệp hay thỏa TCVN) Trong khi đó ngành công nghiệp ô tô nước ta chủ yếu mang tính chất sử dụng và sửa chữa là chính, nên cần chú tâm nhiều vào việc

Trang 19

tính toán kiểm nghiệm chủ yếu Những năm gần đây, ngành ô tô Việt Nam đã có những bước phát triển đột biến như nhập khẩu dây chuyển và công nghệ lắp ráp ô tô Tuy vậy vấn đề nghiên cứu động lực học ô tô vẫn còn ở mức chưa tập trung, công việc thiết kế và kiểm nghiệm đang phụ thuộc nhiều vào các băng thử, các trạm đăng kiểm dẫn đến mất nhiều thời gian công sức và tiền của Để việc tính toán kiểm nghiệm được nhanh chóng và hiệu quả chúng ta cần sự trợ giúp của máy tính thông qua các phần mềm chuyên nghiệp

Một số nghiên cứu về mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô được công

bố phần nhiều là các luận án tốt nghiệp đại học, thạc sỹ và tiến sỹ cụ thể như sau:

- Lê Đức Hiếu đã nghiên cứu đặc tính quay vòng của ô tô du lịch tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2007

Nội dung thực hiện xây dựng mô hình động lực học của ô tô du lịch nghiên cứu đặc tính quay vòng dưới ảnh hưởng của góc lệch và sự biến dạng của lốp, xây dựng phương trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô và sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô trên máy tính Sau đó

sử dụng bộ thông số của xe cụ thể để tính toán, khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động, tính quay vòng của ô tô, kết quả tính toán phù hợp với các quy luật đã nghiên cứu trong lý thuyết, kết quả nghiên cứu cũng đã cho thấy ảnh hưởng của các thông số kết cấu, chế độ tải trọng, điều kiện chuyển động đến quỹ đạo chuyển động của ô tô [1]

- Lê Ngọc Trung đã nghiên cứu mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2008

Nội dung trình bày mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô 4 bánh dẫn hướng cho phép khảo sát các thông số động lực học của ô tô trong quá trình chuyển động chịu tác dụng của lực gió ngang, khi quay vòng, chuyển làn đường xe chạy, mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink Kết quả khảo sát dựa trên mô hình để đưa ra các khuyến cáo đối với việc điều khiển ô tô để hạn chế sự mất ổn định và an toàn chuyển động trong điều kiện thời tiết xấu hoặc khi chuyển làn đường Mô hình được xây dựng có thể sử dụng trong quá trình nghiên cứu thiết kế các hệ thống hỗ trợ điều khiển quá trình chuyển động ổn định của ô tô như hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng, hệ thống lái tích cực, hệ thống phanh tích cực … để nghiên cứu động lực học của ô tô và tìm ra quy luật điều khiển thích hợp cho các hệ thống đó [2]

- Vũ Thế Truyền đã nghiên cứu mô phỏng chuyển động của ô tô con khi phanh trên đường vòng, là luận văn thạc sỹ kỹ thuật, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, năm

2014

Trang 20

Nội dung trình bày mô hình toán học mô tả động lực học ô tô, mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink, tìm ra mối quan hệ giữa vận tốc chuyển động, lực tác dụng vào bàn đạp phanh, góc quay vòng của vô lăng lái đến quỹ đạo và ổn định của ô

tô để tăng tính an toàn khi phanh xe Kết quả nghiên cứu cũng hạn chế chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu mô phỏng trên lý thuyết chuyển động của ô tô con khi phanh trên đường vòng với quỹ đạo là những cung đường cong không quá một phần tư đường tròn với vận tốc không lớn

- Tạ Tuấn Hưng đã nghiên cứu động lực học quay vòng xe bán moóc, đăng trên tạp chí Tạp chí Giao thông Vận tải, số tháng 9/2014 [3]

Trong đề tài tác giả sử dụng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật để xây dựng mô hình động lực học xe bán moóc với mô hình lốp phi tuyến Mô hình xây dựng được tính toán bằng phần mềm máy tính và chương trình mô phỏng bằng Matlab-Simulink Với mô hình này tác giả khảo sát về quy luật đánh lái, các kết quả đưa ra đã đánh giá được ảnh hưởng của độ lớn góc lái và tốc độ góc lái đến chuyển động của xe bán kéo moóc khi quay vòng Tuy nhiên, mô hình chỉ mới khảo sát một trường hợp đánh lái, cần có các nghiên cứu sâu hơn cho các quy luật đánh lái phức tạp hơn như Sin, chuyển làn kép

- Võ Văn Hường nghiên cứu đề xuất mô hình động lực học ô tô, viện cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội

Nội dung trình bày các mô hình tích hợp trong nội dung nghiên cứu là liên kết giữa các mô hình động lực học dọc, ngang, thẳng đứng có sử dụng mô hình bánh xe Ammon [4] là kết quả nghiên cứu của các tác giả và các cộng sự [5], [6], [7], [8], [9], [10] trong vòng 6 năm tại bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng, Đại học Bách khoa Hà Nội Các mô hình trên có thể sử dụng vào các mục đích:

+ Dùng mô hình động lực học tổng quát để khảo sát các quá trình sử dụng hay xảy ra tai nạn nhằm giúp quá trình vận hành xe ít tai nạn hơn

+ Những mô hình trên sẽ giúp các học sinh cao học, nghiên cứu sinh sử dụng trong các đề tài nghiên cứu quá trình phanh ô tô, quay vòng hoặc xét ảnh hưởng của gió, hệ số bám để tăng khả năng ổn định động lực và dẫn hướng

+ Những nghiên cứu ở trên, một phần lý giải các tai nạn giao thông đang gia tăng ở Viêt Nam để giảm thiểu tai nạn giao thông, một phần hỗ trợ học viên cao học và nghiên cứu sinh giải quyết các bài toán cụ thể của mình trong lĩnh vực động lực học và động lực học điều khiển, an toàn giao thông, an toàn động lực học

+ Các mô hình trên là cơ sở cho thiết kế điều khiển sau này

- Nguyễn Thanh Quang nghiên cứu động học, động lực học và độ bền hệ thống lái trên xe MeKong tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2001

Trang 21

Nội dung trình bày xây dựng và nghiên cứu mô hình cơ học đúng với mô hình thực tế bằng phương pháp mô phỏng động học hệ nhiều vật Sau đó phần mềm Alaska 2.3 để giải cho mô hình hệ thống lái của ô tô Mekong Star chịu ảnh hưởng lực tác động của người lái lên vành tay lái và các mô men cản quay vòng từ mặt đường Các thí nghiệm kiểm tra kết quả được tiến hành bằng cách sử dụng các thiết bị Dewentron

3000, Datron 286 của cộng hòa liên bang Đức, Cộng hòa Áo, phần mềm chuyên dụng DASYLab của Hãng Microsoft và phần mềm Excell để xử lý kết quả Kết quả nghiên cứu đã xác định được các thông số: động học các khớp liên kết gồm vị trí, vận tốc, gia tốc; lực quay vành vô lăng trong hai trường hợp có và không có trợ lực thủy lực; phản lực tại các khớp liên kết [11]

- Trần Văn Như (Trường Đại học Giao thông vận tải), ThS Đinh Quang Vũ, Đặng Việt Hà (Cục Đăng Kiểm Việt Nam), Nguyễn Hữu Mạnh (Trường Cao Đẳng Lý

Tự Trọng) đăng trên tạp chí Khoa học-Công nghệ

Nội dung đã trình bày mô hình động lực học tương tác giữa bánh xe với mặt đường trên cơ sở mô hình hóa sự tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường theo phương dọc và có ý nghĩa quan trọng cho việc nghiên cứu phát triển các hệ thống điều khiển động lực học ô tô theo phương dọc như hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh, hệ thống điều khiển kéo [12]

Kết luận chương 1 Như đã trình bày ở trên, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về động lực học của ô

tô ở trong và ngoài nước, nhưng đa phần những nghiên cứu này tập trung về các cơ

hệ để phát triển nâng cao tính điều khiển hoặc tính ổn định và an toàn chuyển động của ô tô, những nghiên cứu sâu về thông số động lực học lại chưa được nghiên cứu thấu đáo, hoặc chỉ dừng lại ở mức đánh giá sơ bộ các thông số ảnh hưởng đến kết cấu sử dụng cho hoạt động cải tiến, tối ưu hóa Trong quá trình nghiên cứu phần lớn phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng khá nhiều, trong khi đó ứng dụng các phần mềm hỗ trợ chuyên dụng hiện đại để thực hiện nghiên cứu thì còn rất ít

Nhằm giải quyết những vấn đề nêu trên, luận án góp phần xử lý 3 vấn đề quan trọng, đó là: (1) Mô hình hóa động lực học ô tô bằng việc xây dựng mô hình toán có xét đến yếu tố nghiêng ngang của ô tô trong mặt phẳng; (2) Tính toán mô phỏng động lực học ô tô và tối ưu hóa các thông số động lực học ô tô bằng công cụ Parameter Simulation trong Simulink, thiết kế bộ quan sát trạng thái động lực học ô tô; (3) Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng động lực học ô tô và so sánh các thông số động lực học của mô hình lý thuyết với kết quả trên phần mềm CarSim

Trang 22

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 2.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Mô hình hóa các đối tượng nghiên cứu là một phương pháp nghiên cứu khoa học có tính bao quát rộng Các mô hình là sản phẩm của quá trình mô hình hóa, đây là công cụ để nhận thức và nghiên cứu các đối tượng trong thực tế Tuy nhiên, theo mục đích nghiên cứu khác nhau sẽ dẫn đến các mô hình khác nhau

Trong mô hình toán học bản chất vật lý của quá trình thực được thay thế bằng các quan hệ toán học, được biểu diễn bởi các hệ phương trình toán học với các giả thiết phù hợp làm đơn giản hóa quá trình tính toán Các mô hình toán học được xây dựng xuất phát từ thực tiễn, người nghiên cứu có nhiệm vụ quan sát để xây dựng được

mô hình phù hợp nhất Một số mô hình toán học trong nhiều trường hợp có thể mô tả tốt bài toán đặt ra nhưng không giải được vì quá phức tạp, nếu đưa thêm nhiều giả thiết vào để đơn giản hóa thì lại không phản ánh đúng thực tế khách quan Để giải các mô hình toán học và đưa các mô hình toán học vào ứng dụng thực tế thì máy tính là phương tiện đặc biệt hiệu quả

Đối với ô tô, để xây dựng mô hình toán học chuyển động của ô tô việc đầu tiên cần thực hiện là phải mô hình hóa ô tô, mà thực chất đây là quá trình thiết lập mô hình vật lý cho ô tô Các mô hình đơn giản thường được sử dụng hiện nay như: Mô hình không gian, mô hình phẳng một vết, mô hình phẳng hai vết Thông thường khi xây dựng mô hình không gian để nghiên cứu động lực học ô tô đòi hỏi cần phải có nhiều thời gian, công sức và chi phí Do vậy trong thực tế đơn giản hơn cả là dùng mô hình phẳng, đưa ra các giả thiết tương ứng để thành lập các mô hình động lực học phẳng để tính toán, nghiên cứu

Như được đề cập ở phần tổng quan, nhiều đề tài đã thành lập được các phương trình yêu cầu để phát triển một mô hình ô tô hoàn chỉnh và nghiên cứu các đặc điểm chính về động lực ô tô Chọn hướng nghiên cứu phụ thuộc vào mục đích cuối cùng của nghiên cứu Do đó, người ta không nhất thiết cần phải mô hình hóa hệ thống vật lý hoàn chỉnh, mà chỉ là một phần của nó Trong nghiên cứu này tác giả chọn xây dựng một mô hình đơn giản, nhằm đưa ra một tầm nhìn hoàn chỉnh về các đặc điểm chính của hành vi ngang của ô tô

2.1.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình mô phỏng động lực học ô tô

Tính chất động lực học chuyển động là tính chất của ô tô thay đổi quỹ đạo chuyển động tương ứng với việc quay vô lăng Để nghiên cứu động lực học chuyển động của ô tô một cách tổng quát nhất, thường lập sơ đồ tính toán động lực học ô tô có hai cầu với các bánh xe dẫn hướng trên cầu trước

Trang 23

Với quan điểm xây dựng mô hình sao cho số bậc tự do ít nhất có thể và tập trung nghiên cứu về động lực học chuyển động, do đó cần phải đưa ra một số giả thiết Những giả thiết này làm cho quá trình nghiên cứu tính toán đơn giản hơn, song không làm mất đi tính tổng quát của bài toán và vẫn đảm bảo có thể mô tả nhiều đặc tính động lực học của ô tô Các giả thiết chính đặt ra để xây dựng mô hình như sau:

1) Ô tô chuyển động phẳng với quỹ đạo chuyển động theo một đường cong, ô

tô được coi như là một khối cứng, chuyển động của thân xe như một chất điểm, có khối lượng quy về trọng tâm của ô tô Trọng lượng của trục và bánh xe không đáng kể

so với trọng lượng khung, coi như không ảnh hưởng đến trọng lượng của ô tô nên có thể bỏ qua trọng lượng này

2) Lốp tiếp xúc điểm với mặt đường, biến dạng của lốp theo phương dọc và phương ngang là tuyến tính

3) Ô tô chuyển động song phẳng, bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đường, phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe bằng tải trọng của ô tô phân bố lên các bánh xe (không xuất hiện thay đổi tải trọng trên bánh xe) Cấu trúc vật lý của ô

tô đối xứng qua mặt phẳng dọc qua trọng tâm ô tô

4) Bỏ qua dao động thẳng đứng, bỏ qua chuyển động vặn và chuyển động lật thân xe dưới ảnh hưởng của lực ly tâm và hệ thống treo

5) Quy ước góc quay trung bình của các bánh xe dẫn hướng là 𝛿 Coi hệ thống lái của ô tô là cứng, bỏ qua các góc đặt bánh xe dẫn hướng Ô tô chuyển động với vận tốc ổn định không thay đổi theo thời gian

6) Các lực tác dụng trong mặt phẳng song song với mặt đường không dốc Bỏ qua ảnh hưởng các lực ngẫu nhiên tác dụng theo phương ngang

Trang 24

Hình 2 1 Hệ trục tọa độ cố định 2.1.2.2 Hệ tọa độ thân xe

Đặt hệ tọa độ oxyz gắn liền với trọng tâm C của ô tô hay còn gọi là hệ tọa độ thân xe, mặt phẳng chứa ox và oy song song với mặt phẳng đường, trục ox hướng về phía trước gọi là trục dọc, trục oy hướng bên gọi là trục ngang và oz hướng vuông góc với mặt đường gọi là trục thẳng đứng, (hình 2.2)

Hình 2 2 Hệ trục tọa độ thân xe Các dịch chuyển của ô tô theo các trục tọa độ gồm có:

+ Dịch chuyển dọc theo trục x, trục y, trục z;

Trang 25

+ Quay quanh trục ox: Đặc trưng bởi góc quay φ; vận tốc góc 𝜔

+ Quay quanh trục oy: Đặc trưng bởi góc quay θ; vận tốc góc 𝜔

+ Quay quanh trục oz: Đặc trưng bởi góc quay 𝜓; vận tốc góc 𝜔

Như vậy, xem như chuyển động của ô tô là chuyển động trong hệ trục tọa độ không gian ba chiều (hình 2.3) Tùy theo mục đích nghiên cứu mà có thể xét các chuyển vị trên là độc lập hay đồng thời

Hình 2 3 Hệ trục tọa độ không gian ba chiều 2.1.3 Các lực tác dụng lên ô tô

2.1.3.1 Lực tác dụng trong mặt phẳng dọc

Chuyển động của ô tô ở trên đường thường xuất hiện các lực tác dụng lên bao gồm: lực kéo, lực cản lăn, phản lực mặt đường, lực quán tính, lực cản không khí Các lực trong mặt phẳng dọc được xét đến như sau:

Lực kéo:

Là phản lực của mặt đường lên bánh xe chủ động, được đặt tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường, lực kéo xuất hiện khi có mô men xoắn truyền từ động cơ qua các cơ cấu trung gian đến bánh xe chủ động, nhờ sự tiếp xúc giữa các bánh xe với mặt đường nên tại vùng tiếp xúc này sẽ phát sinh lực kéo tiếp tuyến theo chiều chuyển động Như vậy, khi ô tô chuyển động lực kéo tiếp tuyến tại các bánh xe chủ động đóng vai trò là lực dọc

Đối với bánh xe chủ động dẫn hướng thì lực kéo được đặt tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe và đường có phương nằm trên đường tâm bánh xe

Lực kéo được dùng hết hay không phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe chủ động với mặt đường Để ô tô chuyển động không bị trượt thì lực kéo tiếp tuyến lớn nhất tại bánh xe chủ động phải nhỏ hơn lực bám

Trang 26

Phản lực thẳng góc:

Phản lực thẳng góc sinh ra do phản lực từ mặt đường lên các bánh xe, được đặt tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, nó có phương trùng với phương trục Trong quá trình ô tô chuyển động, các phản lực thẳng góc tác dụng từ đường lên bánh

xe luôn thay đổi theo các ngoại lực và mô men tác dụng lên chúng Trị số của các phản lực này ảnh hưởng đến một số chỉ tiêu kỹ thuật của ô tô như: chất lượng kéo và bám, chất lượng phanh, tính ổn định của ô tô cũng như tuổi thọ của các chi tiết và cụm chi tiết

Trong thực tế điều kiện làm việc của ô tô rất khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện đường sá và sự điều khiển của người lái, vì vậy trị số của phản lực này cũng bị thay đổi theo một quy luật nào đó sao cho tổng các phản lực tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau vẫn bằng trọng lượng ô tô Do đó, khi ô tô chuyển động tiến trọng lượng phân ra cầu trước giảm, còn phần trọng lượng phân ra cầu sau tăng lên Ngược lại, khi phanh thì phần trọng lượng phân ra cầu sau giảm còn phần trọng lượng phân ra cầu sau sẽ tăng lên Khi ô tô chuyển động đều thì phản lực tại cầu trước và cầu sau bằng chính trọng lượng của ô tô

Trong mặt phẳng ngang khi ô tô chuyển động chịu các lực sau: lực ngang, lực

ly tâm khi xe chuyển động trên đường cong

Lực ngang:

Là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe, có phương vuông góc với mặt phẳng dọc của bánh xe, đặt tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường Khi ô tô chuyển động lực ngang có thể xuất hiện ở các trường hợp sau:

+ Do ô tô chuyển động trên đường mấp mô hoặc mặt đường bị nghiêng ngang; + Do biến dạng của lốp;

+ Do tác dụng của gió ngang;

+ Do phanh xe trên đường trơn;

…

Trang 27

Tại vùng tiếp xúc của lốp với mặt đường sẽ bị lệch đi một góc so với mặt phẳng quay của bánh xe, góc này được gọi là góc lệch bên bánh xe

Đối với các loại ô tô du lịch sử dụng lốp cao su đàn hồi, cho nên khi ô tô chuyển động dưới tác dụng của tải trọng, phản lực từ mặt đường làm cho lốp bị biến dạng tức là các thông số hình học của bánh xe bị thay đổi như bán kính của bánh xe, góc lệch bên do đó giá trị của lực ngang cũng bị thay đổi theo

Khi chuyển động trên đường hiện tượng lệch bên của lốp ảnh hưởng đến tính năng điều khiển và tính an toàn chuyển động của ô tô, đặc biệt là đối với ô tô có vận tốc cao Trong quá trình chuyển động nhất là khi vào đường vòng, do có góc lệch bên của lốp sẽ gây ra hiện tượng quay vòng thiếu, quay vòng thừa, những hiện tượng này ảnh hưởng xấu đến tính điều khiển của ô tô

Lực ly tâm:

Lực ly tâm xuất hiện khi ô tô chuyển động trên đường cong, quy ước đặt tại trọng tâm của ô tô Lực ly tâm phụ thuộc vào vận tốc và bán kính quay vòng Khi ô tô chuyển động ở vận tốc cao trên đường vòng, lực ly tâm sẽ tăng lên và đóng vai trò là lực ngang, nếu lực ly tâm cứ tăng lên đến một giá trị nào đó lớn hơn giới hạn bám ngang của bánh xe với mặt đường sẽ gây ra hiện tượng trượt ngang làm mất tính ổn định hoặc tính dẫn hướng của ô tô

2.2 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ Nghiên cứu về động lực học chuyển động của ô tô cần thiết phải đưa ra mô hình

mô tả chuyển động của ô tô Với mô hình đơn giản thì chưa đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu của đề tài, do đó tác giả đưa ra một số mô hình nghiên cứu như sau: Mô hình bánh xe, mô hình một vết bánh xe (hai bậc tự do), mô hình hai vết bánh xe (ba bậc tự do) để làm cơ sở cho việc xây dựng các phương trình vi phân mô tả chuyển động của ô tô

Trên cơ sở các giả thuyết đưa ra, khi chyển động do trọng tâm của ô tô không thay đổi trong hệ tọa độ, nên vận tốc tuyệt đối của ô tô đặt tại trọng tâm C được xác định bởi (2.1) chỉ mô tả hai thành phần vận tốc theo hai hướng

Ở đây:

𝑉 là thành phần vận tốc theo chiều dọc

𝑉 là thành phần vận tốc theo chiều ngang

i, j là các véc tơ đơn vị theo trục x, y

Trang 28

Gia tốc tại trọng tâm của ô tô tại cùng một thời điểm có thể xác định được từ phương trình (2.1) [26]

đó, góc quay tương ứng giữa hai hệ trục tọa độ là 𝜓 hay là góc quay của trục dọc ô tô

Thông thường 𝛽 được tính theo tỷ lệ giữa vận tốc ngang (𝑉 ) và vận tốc dọc (𝑉 ) của ô tô

Trang 29

𝛽 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 ≈ (2.4)

Để xây dựng mô hình động lực học đầy đủ, cần phải xác định các hành vi của lốp với các lực tác dụng: lực ngang 𝐹 là một hàm của góc lệch bên bánh xe (𝛼) và góc nghiêng bánh xe (𝛾); lực dọc 𝐹 và phản lực thẳng đứng 𝐹 Trong đó, thì cụ thể chỉ có sự thay đổi các biến số là góc lệch bên và góc nghiêng bánh xe Do đó việc xây dựng các mô hình lốp xe có thể kết hợp các phương trình chuyển động

2.2.1 Mô hình tính toán lốp xe

Chuyển động của ô tô trên nền đường phụ thuộc rất nhiều vào mối quan hệ của bánh xe trên nền đường Do đang xét trong trường hợp bánh xe lăn trên đường cứng, đường không bị biến dạng, vì vậy khi bánh xe lăn, chỉ có các phần tử của lốp bị biến dạng, trong nội dung nghiên cứu này chỉ tính cho trường hợp bánh xe đàn hồi

Để xác định các lực tác dụng lên bánh xe, ta gắn vào bánh xe một hệ tọa độ không gian ba chiều đặt tại vị trí trọng tâm bánh xe (gọi là hệ tọa độ bánh xe) (hình 2.5) Hướng các trục của hệ tọa độ tâm bánh xe tương đương với hệ tọa độ trọng tâm của ô tô, khi chuyển động bánh xe sẽ chịu các lực dọc (theo phương x), lực ngang (theo phương y), lực thẳng đứng (theo phương z), đồng thời chịu mô men Mx (quanh trục x), mô men My (quanh trục y) và mô men Mz (quanh trục z) Các lực và mô men này luôn biến đổi và phụ thuộc tốc độ quay và khả năng biến dạng của bánh xe Xét trong khoảng thời gian ngắn bánh xe có thể được coi là lăn đều, tâm quay bánh xe là tâm trục

Hình 2 5 Mô hình tính toán lốp xe

Trang 30

v : véc tơ vận tốc của ô tô tại trọng tâm C

𝜔 : Vận tốc góc quay thân xe trong hệ tọa độ thân xe

𝜔0𝜔

𝑥𝑦𝑧

Ở đây, góc lệch hướng chuyển động bánh xe thứ 𝑖 là 𝛽 , đó là góc giữa trục tọa

độ thân xe (x) và phương véc tơ vận tốc 𝑣 được tính như sau:

hệ số ảnh hưởng của chuyển động lắc ngang đến góc lệch bên của bánh xe và xác định

hệ số 𝐶 , 𝐶 để biểu thị sự thay đổi 𝛽 theo tốc độ góc quay quanh trục x (𝜔 )

Góc lệch hướng chuyển động tại bánh xe trước và bánh xe sau, ký hiệu 𝛽 và 𝛽 là:

Trang 31

Sự chuyển động lệch của các bánh xe làm thay đổi đặc tính chuyển động khi thay đổi góc lái, bởi khi lăn lệch thì véc tơ vận tốc ở các bánh xe không còn trùng với mặt phẳng quay của chúng: véc tơ vận tốc của cầu sau hợp với trục dọc của xe một góc

𝛼 và véc tơ vận tốc của cầu trước có góc lệch tương ứng là 𝛼

Giả sử các góc lệch hướng chuyển động 𝛽 , 𝛽 và 𝛽 nhỏ khi đó góc lệch bên bánh xe trước và bánh xe sau xấp xỉ bằng:

Trong đó:

𝛽 , 𝛽 : góc lệch hướng chuyển động của bánh xe trước và bánh xe sau;

𝛿 : góc quay vòng thực tế của bánh xe

Góc quay vòng thực tế của bánh xe, được xác định gồm hai thành phần đó là góc tạo ra bởi cơ cấu lái gọi là 𝛿 và khi xe quay vòng dưới ảnh hưởng của hệ thống treo xe sẽ bị nghiêng đi một góc 𝜑 dẫn đến góc lái tại các bánh xe lệch thêm một góc

là 𝛿 Như vậy:

𝛿: góc quay của bánh xe dẫn hướng do hệ thống lái tạo ra;

𝛿 : góc quay bánh xe do ảnh hưởng của hệ thống treo trước khi xe bị nghiêng, [24];

Trang 32

𝐶 : hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng đến góc quay bánh xe;

𝐶 : hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng đến góc quay bánh xe trước;

𝐶 : hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng đến góc quay bánh xe sau;

Giả sử góc 𝛽 , 𝛽 và 𝛽 nhỏ Góc lệch bên của bánh xe trước 𝛼 và bánh xe sau

Lực dọc và lực ngang tác dụng lên bánh xe được xác định như sau:

- Lực theo phương dọc của bánh xe:

Trang 33

Như vậy, lực ngang tác dụng lên bánh xe này có thể tính như sau:

Trong đó:

𝐶 : Độ cứng khi quay vòng của bánh xe thứ i

𝛼 : góc lệch bên của bánh xe thứ i

𝐶 : Hệ số ảnh hưởng lực đẩy nghiêng bánh xe thứ i

𝜑: góc quay thân xe quanh trục x

Lực ngang tại bánh xe cầu trước:

𝑎 ; cách tâm trục cầu sau là 𝑎

Trên cơ sở một số giả thiết đã đặt ra: Không xét đến ảnh hưởng lật nghiêng thân

xe do lực ly tâm và hệ thống treo tạo ra Bỏ qua các chuyển động theo phương thẳng đứng Mô hình ô tô được xây dựng trên cơ sở ô tô chuyển động song phẳng, mặt phẳng

Trang 34

xy vẫn song song với mặt phẳng XY Khi lập phương trình chuyển động có kể đến ảnh hưởng của góc lệch bên của các bánh xe

Sơ đồ mô hình động lực học một vệt bánh xe trong chuyển động phẳng có thể thay thế cho cả ô tô được trình bày (hình 2.6)

Hình 2 6 Mô hình một vết của ô tô Trong trường hợp tổng quát xét đến sự biến dạng của lốp xe, khi đó các điểm đặt lực tại điểm tiếp xúc của bánh xe trước, bánh xe sau với mặt đường bị lệch so với tâm trục bánh xe một khoảng là n1 và n2, (hình 2.6) Do 𝑛 ≪ 𝑎 , 𝑛 ≪ 𝑎 nên khi viết các phương trình chuyển động của ô tô ta có thể bỏ qua Do vậy, mô hình một vết của

ô tô khi bỏ qua biến dạng của lốp, (hình 2.7)

Trang 35

Hình 2 7 Mô hình một vết của ô tô Khi ô tô chuyển động đều (v=const) các lực tác dụng lên bánh xe bao gồm: lực dọc 𝐹 , lực ngang 𝐹 , lực ly tâm 𝐹

2.2.2.2 Xây dựng hệ phương trình vi phân

Khi ô tô chuyển động đều (v=const) để mô tả hành vi của ô tô và đánh giá tính

ổn định, an toàn chuyển động của ô tô ta sẽ không xét đến các phương trình chuyển động của ô tô theo phương dọc

*/ Phương trình cân bằng lực theo phương y:

Trong đó:

𝛿 : góc quay của bánh xe dẫn hướng;

m : khối lượng của ô tô;

𝑎 : gia tốc ngang của ô tô;

𝐹 , 𝐹 : lực dọc và lực ngang tại bánh xe trước;

𝐹 , 𝐹 : lực dọc và lực ngang tại bánh xe sau

*/ Phương trình cân bằng mô men quay đối với trọng tâm C của ô tô:

−𝐼 𝜔̇ + 𝑎 𝐹 cos 𝛿 + 𝑎 𝐹 sin 𝛿 − 𝑎 𝐹 = 0 (2.32) Trong đó:

Trang 36

𝐼 : Mô men quán tính của ô tô quanh trục z;

𝜔̇ : Gia tốc góc quay thân xe quanh trục z;

Lực ngang 𝐹 đã được xác định tương đương sau:

𝐶 và 𝐶 : Độ cứng khi quay vòng của bánh xe trước và bánh xe sau;

𝐶 và 𝐶 : Hệ số ảnh hưởng lực đẩy nghiêng bánh xe trước và bánh xe sau;

𝛼 và 𝛼 : góc lệch bên của bánh xe trước và bánh xe sau;

𝜑: góc quay thân xe quanh trục x

Các phương trình cân bằng lực và mô men (2.31) và (2.32) mô tả chuyển động của ô tô, tuy nhiên mô hình một vết chưa mô tả hết tính chất chuyển động, cụ thể chưa xét được sự phân bố lực giữa các bánh xe bên trái, bánh xe bên phải trong quá trình chuyển động

2.2.3 Mô hình hai vết bánh xe

2.2.3.1 Xây dựng mô hình

Xây dựng mô hình hai vết bánh xe (hình 2.8): Trên mô hình có một dầm cứng nối giữa hai bánh xe cầu trước và hai bánh xe cầu sau, bánh xe cầu trước dẫn hướng, bánh xe cầu sau chủ động, do đó trên mô hình chỉ có góc quay của bánh xe trước được thiết lập (𝛿 ≠ 0 ) và lấy bằng giá trị trung bình của góc quay của hai bánh xe trước bên trái và bên phải, xác định bởi công thức (2.35):

𝛿 = 𝛿 + 𝛿

2 (2.35) Trong đó :

𝛿 - là góc quay của bánh xe trước bên trái

𝛿 - là góc quay của bánh xe trước bên phải

Khi xây dựng mô hình có các giả thiết sau: ô tô chuyển động với vận tốc không đổi 𝑣 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, 𝑣̇ = 0 tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường có các lực sau: lực

Trang 37

dọc 𝐹 , lực ngang 𝐹 , lực ly tâm 𝐹 khi đi vào cua vòng và khi quay thân xe xuất hiện mô men quán tính xung quanh trục thẳng đứng 𝑀 Trọng tâm ô tô C cách tâm trục cầu trước một đoạn là 𝑎 , cách tâm trục cầu sau một đoạn là 𝑎 , 𝑙 = 𝑎 + 𝑎 là chiều dài cơ sở và B là chiều rộng vết lốp cầu trước và cầu sau (hình 2.8) Lực ngang tại các bánh xe nằm trong giới hạn bám ngang của mỗi bánh xe

Hình 2 8 Mô hình hai vết bánh xe

Xét mô hình trong hệ tọa độ phẳng, thân xe được đặt trên hệ thống treo đàn hồi, khi thay đổi quỹ đạo chuyển động của ô tô dưới tác dụng của lực ly tâm sự nghiêng ngang của ô tô xảy ra, tâm nghiêng ngang là đường trục nối giữa tâm nghiêng ngang cầu trước và tâm nghiêng ngang cầu sau Thân xe bị nghiêng đi một góc 𝜑 so với trục thẳng đứng z, khi đó vị trí trọng tâm của ô tô sẽ thay đổi và có sự phân bố lại các lực tại các bánh xe, do vậy ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động của ô tô

Mô men quay do lực ly tâm (𝑀 ) đặt cách trục nghiêng thân xe một khoảng

ℎ được xác định theo công thức (2.36):

Trong đó:

𝑚 – khối lượng của ô tô quy về trọng tâm C

ℎ – Khoảng cách từ tâm lắc đến trọng tâm khối lượng được treo;

𝑎 – gia tốc ngang của thân xe trong hệ tọa độ thân xe

Khi xuất hiện lực ly tâm, trọng tâm ô tô sẽ thay đổi vị trí và tạo ra một góc 𝜑 so với trục thẳng đứng (hình 2.9)

Trang 38

Hình 2 9 Mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng ngang

Trọng lực của xe tác dụng không còn thẳng góc với đường nối tâm nghiêng ngang, do vậy bản thân lực này cũng sẽ tạo ra một mô men làm quay thân xe được xác định như sau:

Trong đó: g – là gia tốc trọng trường

Khi thân xe xảy ra nghiêng ngang, sự phân bố tải trọng tác dụng lên bánh xe bên trái và bên phải có sự thay đổi Để chống hiện tượng lật do nghiêng ngang này thì

hệ thống treo sinh ra mô men cản có chiều ngược lại với chiều nghiêng ngang, mô men này tỷ lệ với góc quay thân xe 𝜑 quanh trục x

Trong đó:

k – Độ cứng tương đương với chuyển động lắc ngang;

𝑐 – Hệ số giảm chấn tương đương với chuyển động lắc ngang;

𝑀 - Mô men cản của hệ thống treo tương đương đối với chuyển động lắc ngang;

𝑀 - Mô men cản của giảm chấn tương đương đối với chuyển động lắc ngang 2.2.3.2 Xây dựng hệ phương trình vi phân

*/ Phương trình cân bằng các lực theo phương y:

Trang 39

− 𝑚𝑎 + 𝐹 + 𝐹 cos 𝛿 + 𝐹 + 𝐹 sin 𝛿 + (𝐹 + 𝐹 ) = 0 (2.40) Trong đó:

𝐹 , 𝐹 - lực ngang tại bánh xe phía trước bên trái và bên phải;

𝐹 , 𝐹 - lực ngang tại bánh xe phía sau bên trái và bên phải;

𝐹 , 𝐹 - lực dọc tại bánh xe phía sau bên trái và bên phải.;

𝑚- khối lượng của ô tô;

ay : gia tốc ngang của thân xe trong hệ tọa độ thân xe

*/ Phương trình cân bằng mô men quay thân xe quanh trục thẳng đứng:

Theo giả thiết xe đối xứng qua trục ox, khi đó mô men quay thân xe xung quanh trục Cz và có giá trị:

Trong đó:

𝑀 : là mô men quay bánh xe dẫn hướng bên trái

𝑀 : là mô men quay bánh xe dẫn hướng bên phải

𝐹 : là lực dọc tại bánh xe phía trước bên trái

𝐹 : là lực dọc tại bánh xe phía trước bên phải

Các mô men 𝑀 , 𝑀 không ảnh hưởng tác động qua lại với chuyển động lăn của ô tô, do vậy có thể bỏ qua các mô men 𝑀 , 𝑀 Giả sử lực kéo để ô tô chuyển động về phía trước trên các bánh xe trước bên trái và bên phải, cũng như lực kéo trên các bánh xe sau bên trái và bên phải là bằng nhau, do đó chúng triệt tiêu lẫn nhau Khi đó mô men quay thân xe quanh trục thẳng đứng Cz được xác định như sau:

Trang 40

𝑀 - Mô men quay do trọng lực gây ra;

𝑀 - Mô men cản của hệ thống treo tương đương đối với chuyển động lắc ngang;

𝑀 - Mô men cản của giảm chấn tương đương đối với chuyển động lắc ngang Thế các giá trị đã xác định vào (2.44) ta có:

𝐼 𝜔̇ = 𝑚 𝑎 ℎ cos 𝜑 + 𝑚 𝑔ℎ sin 𝜑 − 𝑘𝜑 − 𝑐𝜑̇ (2.45)

Trong đó:

k : Độ cứng tương đương đối với chuyển động lắc ngang;

c : Hệ số giảm chấn tương đương đối với chuyển động lắc ngang;

hs : Khoảng cách từ tâm lắc đến trọng tâm khối lượng được treo;

g : Gia tốc trọng trường

Giả sử góc 𝜑 ≈ 0, khi đó cos 𝜑 = 1, sin 𝜑 ≈ 𝜑 phương trình (2.45) viết lại như sau:

*/ Phương trình mô tả chuyển động lắc ngang của ô tô

Quỹ đạo chuyển động của ô tô là thay đổi (𝛿 ≠ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡) khi chuyển động có xét đến sự nghiêng ngang, do đó để mô tả động lực học chuyển động và đánh giá tính ổn định của ô tô cần phải xét đến chuyển động lắc ngang của ô tô trong không gian, mô tả chuyển động này được biểu diễn bởi mối quan hệ theo phương trình (2.47)

Mô hình một vết bánh xe đã khảo sát có các phương trình vi phân đã xây dựng hoàn toàn thõa mãn việc mô tả động lực học ô tô, khi xét thêm sự nghiêng ngang của thân xe nó trở thành mô hình có 3 bậc tự do Do đó, để thuận tiện cho việc khảo sát, chuyển mô hình hai vết bánh xe về phương trình một vết tương đương, tức ta chuyển các bánh xe cầu trước, cầu sau về tâm cầu trước và cầu sau mà không bị ảnh hưởng đế kết quả khảo sát (hình 2.10)

Định dạng
Số trang	105
Dung lượng	22,4 MB