TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ngày nay, nhiều vụ tai nạn giao thông xảy ra chủ yếu do mất lái Tính ổn định của ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu của người lái trong mọi điều kiện Tùy thuộc vào điều kiện sử dụng, ô tô có thể đứng yên, di chuyển trên đường nghiêng dọc hoặc ngang, phanh, hoặc quay vòng trên các loại đường khác nhau.
Nguyên nhân làm mất ổn định hướng khi quay vòng là:
- Sự lệch hướng của các bánh xe
- Trạng thái mặt đường (đường xấu, tốt, khô, ướt,…)
- Yếu tố khác như: cấu tạo hệ thống treo, vi sai cầu chủ động,…
Sự lệch hướng mà người lái xe cảm nhận có thể dẫn đến hiện tượng đâm xiên và đâm xỉa, gây ra tai nạn giao thông nguy hiểm Khi ô tô không tuân theo ý muốn của người lái, đây là một trong những nguyên nhân chính gây mất lái Tính chất thay đổi hướng chuyển động do các yếu tố khách quan, ngoại trừ việc quay vô lăng, được gọi là đặc tính hướng.
Mục tiêu của đề tài
Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng cơ sở lý thuyết về đặc tính hướng và ảnh hưởng của nó đến ô tô Mục tiêu chính là bổ sung tư liệu nghiên cứu và làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế ô tô phù hợp với điều kiện thực tế Qua đó, nghiên cứu sẽ mô phỏng ảnh hưởng của đặc tính hướng đến khả năng quay vòng của ô tô.
Nhiệm vụ của đề tài
- Nghiên cứu đặc tính hướng
- Mô tả đại số về đặc tính hướng
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như chất lượng mặt đường, lực kéo và lực phanh đến sự ổn định trong chuyển động của ô tô Qua việc mô phỏng chuyển động quay vòng, chúng tôi đánh giá cách những yếu tố này tác động đến khả năng kiểm soát và an toàn của xe trong các tình huống khác nhau.
1.4 Đối tƣợng nghiên cứu và giới hạn của đề tài
+ Ổn định quay vòng của ô tô
+ Quay vòng ổn định V = Var
+ Sử dụng model phẳng hai vết Bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố như: hệ thống treo
Phương pháp tra cứu tài liệu hiệu quả bao gồm việc tìm kiếm và đọc các tài liệu nghiên cứu khoa học, luận văn thạc sĩ liên quan từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm tạp chí, sách báo và internet Đồng thời, việc thường xuyên trao đổi với Giảng viên hướng dẫn sẽ giúp định hướng đúng cho đề tài nghiên cứu.
Phương pháp phân tích lý luận là quá trình phân tích và suy luận dựa trên lý thuyết ổn định quay vòng, sử dụng kiến thức nền tảng đã được trang bị trong quá trình học đại học và cao học.
+ Phương pháp ứng dụng phần mềm Matlab để tính toán mô phỏng
1.6 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Đề tài nghiên cứu động lực học quay vòng ô tô 2 cầu chủ động 4x4 trên đường bám kém của học viên Uông Hoàng Trí tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, dưới sự hướng dẫn của TS Lâm Mai Long, tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động, bao gồm phân bố tải trọng lên bánh xe, phân phối công suất và thay đổi vận tốc Bên cạnh đó, đề tài nghiên cứu ổn định của thùng xe buýt hai tầng BHT89 do học viên Cao Minh Đức thực hiện cũng dưới sự hướng dẫn của TS Lâm Mai Long, tính toán góc nghiêng của thùng xe khi xe chuyển động thẳng và quay vòng ổn định tại TPHCM.
Yoshimi FURUKAWA, Naohiro YUHARA, Shoichi Sano, Hideo TAKEDA và Yoshinobu MATSUSHITA đã nghiên cứu kỹ thuật và hoạt động của hệ thống lái bốn bánh (4WS - 4 wheel steering) Nghiên cứu cho thấy rằng ô tô được trang bị hệ thống 4WS có khả năng quay vòng với bán kính nhỏ hơn so với ô tô không có hệ thống này Kết quả nghiên cứu đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất, dẫn đến việc ô tô trang bị 4WS được ra mắt thị trường vào năm 2007.
Jilin Huang từ Đại học Doshisha, Kyoto, Nhật Bản đã đề xuất một phương pháp sử dụng lập trình di truyền (GP) để phát triển tự động chương trình ổn định điện tử (ESP) cho ô tô ESP giúp cải thiện khả năng kiểm soát ô tô trong điều kiện đường trơn trượt bằng cách điều chỉnh lực phanh không đối xứng giữa các bánh xe Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, so với các ô tô không trang bị ESP, hệ thống ESP được phát triển mang lại khả năng kiểm soát quỹ đạo chuyển động tốt hơn, đặc biệt khi ô tô vào cua.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tra cứu tài liệu hiệu quả bao gồm việc tìm kiếm và đọc các tài liệu nghiên cứu khoa học, luận văn thạc sĩ liên quan từ nhiều nguồn khác nhau như tạp chí, sách báo và internet Đồng thời, việc thường xuyên trao đổi với Giảng viên hướng dẫn sẽ giúp đề tài nghiên cứu đi đúng hướng và đạt được kết quả tốt nhất.
Phương pháp phân tích lý luận là quá trình phân tích và suy luận theo hướng lý thuyết ổn định quay vòng, dựa trên kiến thức nền tảng đã được trang bị trong quá trình học đại học và cao học.
+ Phương pháp ứng dụng phần mềm Matlab để tính toán mô phỏng.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Bài viết giới thiệu hai đề tài nghiên cứu nổi bật từ học viên Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM dưới sự hướng dẫn của TS Lâm Mai Long Đề tài đầu tiên, “Nghiên cứu động lực học quay vòng của ô tô 2 cầu chủ động 4x4 trên đường bám kém”, của học viên Uông Hoàng Trí, tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động của ô tô, bao gồm phân bố tải trọng lên các bánh xe, phân phối công suất và thay đổi vận tốc trên đường trơn Đề tài thứ hai, “Nghiên cứu ổn định của thùng xe khi chuyển động thẳng và quay vòng của xe buýt hai tầng BHT89”, của học viên Cao Minh Đức, phân tích góc nghiêng của thùng xe buýt trong quá trình di chuyển để đảm bảo sự ổn định khi hoạt động.
Yoshimi FURUKAWA, Naohiro YUHARA, Shoichi Sano, Hideo TAKEDA và Yoshinobu MATSUSHITA đã tiến hành nghiên cứu về kỹ thuật và hoạt động của hệ thống lái bốn bánh (4WS - 4 wheel steering) Nghiên cứu cho thấy rằng ô tô được trang bị hệ thống 4WS có khả năng quay vòng với bán kính nhỏ hơn so với những chiếc ô tô không có hệ thống này Kết quả nghiên cứu đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất, dẫn đến việc ô tô trang bị 4WS chính thức ra mắt thị trường vào năm 2007.
Jilin Huang từ Đại học Doshisha, Kyoto, Nhật Bản đã đề xuất một phương pháp sử dụng lập trình di truyền (GP) để tự động phát triển chương trình ổn định điện tử (ESP) cho ô tô ESP giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe trong điều kiện đường trơn trượt bằng cách điều chỉnh lực phanh không đối xứng giữa các bánh xe Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, so với những chiếc ô tô không được trang bị ESP, hệ thống ESP được phát triển mang lại khả năng kiểm soát quỹ đạo chuyển động tốt hơn, đặc biệt khi xe vào cua.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sự lăn của bánh xe đàn hồi dưới tác dụng của lực ngang Góc lệch hướng
Hình 2.1 minh họa sự lăn của bánh xe đàn hồi trong hai tình huống: không có lực ngang tác dụng (hình 2.1a) và có lực ngang tác dụng (hình 2.1b) Khi xe di chuyển, bánh xe có thể chịu ảnh hưởng của lực ngang, đặc biệt là lực ly tâm khi thực hiện các vòng quay.
Hình 2.1 minh họa quá trình lăn của bánh xe đàn hồi, bao gồm ba trường hợp: a khi không có lực ngang tác động, b khi có lực ngang tác động, và c biểu đồ phân bố lực ngang tại vết bánh xe.
Khi bánh xe lăn mà không có lực ngang R y tác dụng, bánh xe chỉ chịu tác động của lực R z, lực đẩy R x và lực cản lăn 0 f Điểm B của lốp tiếp xúc với mặt đường tại điểm B 1, trong khi điểm C tiếp xúc tại C 1 Quỹ đạo của mặt phẳng quay của bánh xe trùng với đường thẳng AA 1, và vết tiếp xúc của bánh xe nằm trên đường đối xứng qua mặt phẳng dọc của bánh xe, tương ứng với phần diện tích gạch chéo trong hình 2.1.a.
Khi lực ngang tác dụng lên bánh xe (lực Ry), bánh xe bị biến dạng, làm cho các thớ lốp uốn cong và mặt phẳng giữa của bánh xe dịch chuyển so với tâm vết tiếp xúc một đoạn b1 Khi bánh xe lăn, các điểm trên lốp lần lượt tiếp xúc với mặt đường, dẫn đến hiện tượng bánh xe lăn lệch theo phương AA2 Mặc dù mặt phẳng quay của bánh xe giữ nguyên vị trí, nhưng nó tạo ra một góc δ với hướng chuyển động Do đó, đường tâm của vết tiếp xúc cũng tạo một góc δ với mặt phẳng quay, hiện tượng này được gọi là sự lăn lệch và góc δ được gọi là góc lệch hướng.
Đặc tính hướng
Tập hợp các mối quan hệ giữa δ (góc lăn lệch), δ (độ trượt), Rx (lực vòng), Ry
Đặc tính hướng đầy đủ của lốp bao gồm lực ngang (Rz), lực thẳng đứng (Rz) và moment trả (Mz), thường được xác định thông qua thực nghiệm Các đặc tính này có nhiều dạng biểu thị khác nhau trong các tài liệu Một trong những mối quan hệ quan trọng nhất là Ry(Rx) và Mz(Rx) liên quan đến góc lăn lệch, như được minh họa trong hình 2.2 và 2.3.
Hình 2.2: Đặc tính hướng của lốp diagonal
Hình 2.3: Đặc tính hướng của lốp radial
Diễn giải đại số hiện tượng lệch hướng bánh xe ô tô đàn hồi
Lệch hướng bánh xe đàn hồi được nghiên cứu chủ yếu theo hai hướng: lý thuyết và thực nghiệm
Sự phụ thuộc lực bên Ry và góc lệch δ được thể hiện bằng phương trình Ry = Ky δ (ở đây Ky – độ cứng hướng)
Lý thuyết lệch hướng bánh xe tuyến tính, mặc dù có những hạn chế nhất định do giả định rằng hệ số Ky không đổi chỉ áp dụng khi lực tác động bên rất nhỏ, vẫn được sử dụng để giải quyết nhiều bài toán Một điểm yếu của lý thuyết này là hệ số Ky không đồng nhất với các giá trị tải trọng chuẩn khác nhau tác động lên bánh xe Do đó, để áp dụng hiệu quả lý thuyết, cần phải có một bộ giá trị K y tương ứng với các tải trọng chuẩn khác nhau, vì khi xe nghiêng ngang, tải trọng trên các bánh xe sẽ thay đổi liên tục từ tải trọng tĩnh đến 0 khi dỡ tải và lên gấp đôi khi chất tải.
Mỗi trị giá Ky tương ứng với một nhóm vô số giá trị, thay đổi theo lực tiếp tuyến tác động lên bánh xe từ 0 đến giới hạn bám φRz Cần có các tập con chứa nhiều giá trị Ky, liên quan đến áp suất khí trong lốp, góc nghiêng của mặt phẳng quay bánh xe so với mặt đường, tính chất bề mặt bám của bánh xe với mặt đường φ, trị số mấp mô của mặt đường, và điều kiện biến dạng của đất nền.
Các nhà nghiên cứu gặp khó khăn trong việc thu thập các tính năng thực nghiệm trên dải điều kiện rộng, dẫn đến việc giới hạn số lượng giá trị thực nghiệm Ky Để khắc phục vấn đề này, họ đã cố gắng tính toán tất cả các đặc điểm và tính chất phi tuyến tính của đối tượng khi thiết lập các phương trình vi phân chuyển động.
Các nghiên cứu cho thấy việc thiết lập phương trình mô tả hoạt động của ô tô với các tính chất phi tuyến tính cần thiết, nhưng khi áp dụng lý thuyết tuyến tính đơn giản hóa lệch hướng bánh xe, kết quả không tương thích tốt với số liệu thực nghiệm Ngược lại, khi sử dụng lý thuyết phi tuyến tính cho lệch hướng bánh xe, kết quả lý thuyết và thực nghiệm gần nhau hơn Hơn nữa, việc áp dụng mô hình toán đơn giản hóa ô tô cùng lý thuyết phi tuyến tính lệch hướng bánh xe cho thấy kết quả sát với số liệu thực nghiệm hơn so với mô hình toán phức tạp Do đó, việc sử dụng hàm phi tuyến tính và tính đến sự trượt tại điểm tiếp xúc của bánh xe là cần thiết.
Antonov [7] đề xuất áp dụng lý thuyết phi tuyến tính để mô tả sự lệch hướng của bánh xe Lý thuyết này thể hiện mối quan hệ giữa lực bên tại điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đất và góc lệch hướng thông qua một phương trình cụ thể.
Hệ số hiệu chỉnh chung q là tích của các hệ số hiệu chỉnh riêng, tính đến các điều kiện hoạt động khác nhau của bánh xe đàn hồi:
- Sự phân bổ lại theo các bánh tải trọng vuông góc với mặt đường Rz được tính bằng hệ số qN
- Tải trọng tiếp tuyến (kéo và phanh) Rx bằng hệ số qT
Sự phi tuyến tính giữa lực bên và góc lệch hướng bánh xe được xác định bởi sự biến đổi tính bám đường của bánh xe với mặt đường, được thể hiện qua hệ số q φ.
- Sự tăng góc lệch hướng trong thời gian chuyển động trên nền đường không phẳng và có sự nảy bằng hệ số q ~
Nếu góc lệch hướng nhỏ (δ ≈ 0), thì Ry = K y δ = K y0 δ , ở đây tức là Ky0 = ∂Ry/∂δ , K y0 -tg của góc dốc đường cong R Υ = K y δ ở gốc của toạ độ
Dưới đây sẽ giới thiệu về các thông số qi
2.3.1 Ảnh hưởng của chất lượng mặt đường lên sự lệch hướng của bánh xe ô tô
Chất lượng mặt đường (độ phẳng và hệ số bám) ảnh hưởng nhiều đến tính chất chuyển động
Bánh xe di chuyển trên đường gồ ghề gây ra dao động thẳng đứng, dẫn đến sự thay đổi trọng lực lên bánh xe Rz Hệ số độ cứng hướng Ky giảm khi có tải thấp hoặc quá tải, do đó giá trị trung bình Ky cũng giảm khi có dao động Để xác định mức độ giảm sút này, cần áp dụng phương pháp thực nghiệm vì hàm số giải tích có dạng phức tạp, bao gồm hàm harmonic và hàm ngẫu nhiên mô tả mấp mô mặt đường.
Khi di chuyển trên đường lát gạch đá kém chất lượng, hiện tượng lệch hướng bánh xe theo chiều ngang gia tăng, dẫn đến hệ số chống lệch hướng bánh xe giảm xuống còn khoảng 80%, tức là q~= 0.8 Kết quả thử nghiệm trên băng thử dạng trống với bề mặt có sóng hình sin (chiều dài sóng mấp mô là 1075 mm, biên độ nửa bước sóng mấp mô là 10 mm) cho thấy những biến đổi này như trong hình 2.4.
Hình 2.4 cho thấy đại lượng q~ giảm khi có cộng hưởng tần thấp và tần cao, tương ứng với sự gia tăng biên độ trong hàm biên độ - tần số.
Hình 2.4: Hàm q~ do các dao động cưỡng bức:
1 và 2 – các chế độ tương ứng với cộng hưởng tần thấp và tần cao
Hàm Ry = f(δ) thể hiện mối quan hệ giữa độ biến dạng và áp suất của lốp mod И-247A kích cỡ 1200 x 500 – 508 Thí nghiệm được thực hiện trên trống chạy bằng sắt khô có đường kính 2m với áp suất lốp Pш = 3,5 kgf/cm², cho thấy ảnh hưởng của các giá trị khác nhau của Rz đến hiệu suất lốp.
Hình 2.6: Hàm Ry = f(δ) khi áp suất lốp Pш = 2,2 kgf/cm 2 , thử nghiệm trên trống chạy bằng sắt khô đường kính 1500mm: a- lốp 6.00 -16; b- lốp 6.50 -16 mod Я-13
Hình 2.7: Hàm R y = f(δ) cho lốp 10.00 -18 mod Я-42 với áp suất lốp Pш = 4 kgf/cm 2 khi thử nghiệm trên trống chạy bằng sắt đường kính 1500mm: a - đổ nước nhiều; b – khô
Hình 2.8: Hàm Ry =f(δ) cho lốp 12.00 -18 mod И-111 với áp suất lốp Pш = 3 kgf/cm 2 và thử nghiệm trên trống chạy bằng sắt khô đường kính 1500mm
Dựa vào đồ thị hình 2.4, có thể thấy sự tương đồng rõ rệt với số liệu thử nghiệm Do tính phức tạp của hàm số liên quan đến hệ số q~ và tần số dao động, việc bỏ qua ảnh hưởng của dao động lên sự lệch hướng bánh xe là khả thi, với giả định q~ = 1 Tuy nhiên, trong trường hợp bánh xe hoạt động ở chế độ cộng hưởng cao tần, khi bánh thường xuyên tách khỏi mặt đường, giá trị q~ min sẽ đạt khoảng 0,784, gần bằng 0,8.
Như vậy độ phẳng đường và ảnh hưởng của nó lên việc lệch hướng bánh xe có thể được tính đến bằng giá trị q~ trên và dưới:
Ta đánh giá ảnh hưởng lên lệch hướng bánh xe hệ số bám của bánh xe với mặt đường
Phân tích các hàm phụ thuộc từ hình 2.5 đến 2.9 cho thấy, khi lực bên tăng và tiến gần đến giá trị giới hạn bám, đường cong trở nên phẳng hơn Điều này là do sự trượt cơ bản gia tăng mạnh mẽ tại điểm tiếp xúc phía sau.
Hàm Ry = f(δ) cho lốp 12.00 -20 mod И-42 với áp suất lốp Pш = 3 kgf/cm² khi thử nghiệm trên trống có đường kính 1500mm cho thấy sự khác biệt giữa điều kiện khô và ướt Đường cong này có thể được xấp xỉ bằng nhiều hàm, trong đó hàm Arctangent là gần nhất.
Biến đổi tọa độ để xác định tangent góc nghiêng tại gốc tọa độ tương ứng với qy0, trong khi tung độ lớn nhất của đường cong tại các điểm có hoành độ lớn có thể đạt giá trị φR2 Phương trình của đường cong sẽ có dạng: với a và b là các hệ số.
Nếu x→∞, thì ay→π/2 y→φRz Như vậy aφRz = π/2 , từ đó a = π/(2φRz)
Hệ số b ta sẽ tính trên cơ sở điều kiện dy/dx→Ky0 khi x→0:
Thay y và x bằng biến số nghịch đảo, tức là bằng lực bên và góc lệch ta nhận được:
Việc kiểm tra mức độ trùng lặp kết quả được tính bằng công thức (2.4), so với thử nghiệm buộc ta đưa ra điều chỉnh
Nếu biết trị giá, chúng ta có thể xác định trị giá khi chuyển động trên đường với hệ số bám đường đã cho, dựa vào lực bên Điều này đồng thời đặt ra câu hỏi về hàm phụ thuộc liên quan.
Tiêu chuẩn ổn định của chuyển động
Tiêu chuẩn ổn định của chuyển động được thiết lập của ô tô đa trục với số lượng trục là n :
( / ) cos n n yi i i yi i i i n yi i i i a n yi i i i
Để áp dụng các tiêu chuẩn chuyển động, cần xác định thông số chuyển động và thông số góc vận hành trục bánh xe bằng phương pháp hiện có, sau đó đánh giá tính ổn định của chuyển động Tiêu chuẩn ổn định này có thể được xem xét theo công thức (2.33).
Tiêu chuẩn (2.34) nhận được đối với ô tô có lốp giống nhau, khi đó đại lượng
Tiêu chuẩn cho những chuyển động đơn giản nhất cung cấp nhiều phân tích về ảnh hưởng của các yếu tố cấu trúc đến sự ổn định của chuyển động, cả về số lượng lẫn chất lượng Để đánh giá tác động của các yếu tố kết cấu khác nhau, có thể đơn giản hóa công thức bằng cách giả định rằng tất cả các q i là giống nhau.
có những số hạng dương (đối với trục nằm ở trước trọng tâm) và số hạng âm (đối với trục nằm ở sau trung tâm của trọng lực), nên
Và như vậy hạng thức đầu tiên được coi là số hạng xác định của tử số
Sự phụ thuộc của tốc độ V KP của các bánh xe trong bố trí xe cho thấy rằng việc thay đổi trạng thái trọng tâm, chẳng hạn như di chuyển nó lên phía trước, sẽ có tác động hạn chế đến sự thay đổi của số hạng 2.
, nhưng ảnh hưởng chủ yếu đến đại lượng
ở mẫu số chung Cho nên nếu đưa trọng tâm lên phía trước sẽ làm giảm số hạng dương trong
và làm tăng số hạng âm, theo đó sẽ làm giảm tổng
Sự dịch chuyển trọng tâm về phía trước và gia tăng khoảng cách tới trục phía sau trọng tâm sẽ làm giảm trọng tải bình thường của bánh xe trên các trục, dẫn đến việc giảm trọng tải pháp tuyến Rz Sự giảm này tạo ra mối liên quan giữa Rx và Rz, từ đó làm giảm qT.
Việc giảm q N và q T có thể dẫn đến việc giảm q, mặc dù l i và tổng số hạng âm trong
sẽ giảm, số hạng dương trong tổng số này bắt đầu tăng, và tổng thể tổng
Trong công thức (2.34), mẫu số không chỉ không giảm khi trọng tâm dịch chuyển về phía trước, mà còn có xu hướng tăng lên, dẫn đến việc giảm vận tốc tới hạn.
Khi di chuyển trọng tâm về phía trước, vận tốc tới hạn sẽ tăng lên trong một giới hạn xác định, được mô tả trong công thức (2.34) Nếu trọng tâm được nâng cao hơn giới hạn này, vận tốc tới hạn sẽ không chỉ không tăng mà còn giảm Hơn nữa, khi số mũ tăng lên, tải trọng tiếp tuyến của bánh xe sau cũng sẽ cao hơn.
Từ công thức (2.33) và (2.34) ta thấy rằng khoảng cách trục L của ô tô càng lớn thì 2
càng to và vận tốc tới hạn càng lớn Ô tô nhiều trục có càng nhiều bánh thì tổng số hạng trong tổng 2
càng lớn , tổng số hạng càng lớn thì vận tốc tới hạn càng lớn Nếu ô tô nhiều trục có số trục bánh xe giống nhau thì tổng 2
Ô tô có trục ở phía trước và phía sau sẽ có kích thước lớn hơn so với ô tô có trục phân bố đều khắp xe, trong khi ô tô chỉ có trục ở giữa sẽ nhỏ hơn cả Theo hình (2.20), bánh xe có trục bên trong gần trọng tâm có vận tốc tới hạn thấp hơn 70% so với khi lắp bánh xe ở vị trí xa nhất theo độ dài của trục.
Từ công thức (2.35) ta có thể thấy được khi lắp bánh xe kép tính ổn định chuyển động sẽ tăng lên, vì lắp như vậy làm tăng 2
Lắp bánh xe kép tương tự như việc kết hợp hai trục trong cùng một khoảng cách từ trọng tâm Đặc biệt, khi lắp bánh xe sau kép, vận tốc tới hạn sẽ được tăng lên, mang lại hiệu suất cao hơn cho phương tiện.
giảm vì tổng số hạng âm tăng lên mà còn có thể làm cho tổng số
về âm, còn vận tốc tới hạn sẽ trở thành ảo
Tử số trong công thức (2.33) và (2.34) là những số hạng dương, có khả năng thay đổi khi các thông số khác nhau biến động trong giới hạn nhỏ, có thể lên đến hàng chục phần trăm Đồng thời, số hạng chính cũng sẽ được điều chỉnh tương ứng trong quá trình này.
Để phân tích ảnh hưởng của các thông số khác nhau lên vận tốc tới hạn кр, cần giới hạn số hạng, bao gồm cả số hạng dương và âm Sự thay đổi của những thông số này có thể dẫn đến sự biến động hàng chục, hàng trăm, thậm chí hàng nghìn lần.
Chia những số hạng liên quan đến các trục nằm ở trước và các trục nằm sau trọng tâm thành các tổng riêng:
пк – số bánh xe trước
Theo công thức (2.34) và (2.36), số hạng càng nhỏ thì tính ổn định càng cao và lượng trữ ổn định càng gia tăng Để giảm số hạng này, có thể thiết kế để giảm tích q l i i cho trục trước và tăng tích này cho trục sau, tức là tăng sự trượt của trục trước và giảm sự trượt của trục sau.
Tăng khoảng cáchl i cho trục phía trước có nghĩa là di chuyển trọng tâm của ô tô từ phía trước đến một vài giá trị;
Để tăng hệ số q Ni cho tất cả các trục, cần giảm moment lật nghiêng sườn và phân bố trọng tải pháp tuyến giữa bánh bên phải và bánh bên trái Điều này có thể đạt được bằng cách giảm tối đa độ cao của trọng tâm và đưa trung tâm trọng lực gần với trục nghiêng.
Giảm q Ni cho các trục phía trước trọng tâm có thể thực hiện bằng cách phân bố trọng tải pháp tuyến giữa bánh trái và bánh phải thông qua việc lắp bộ giảm xóc ngang và điều chỉnh vị trí bánh trước theo chiều rộng của đường ray Việc sắp xếp moment nghiêng lên khối lượng lò xo giúp tập trung phần lớn moment nghiêng vào các trục trước, từ đó tăng cường tính chắc chắn của góc lắp bánh trước và đảm bảo lò xo trước được lắp ở vị trí xa nhau nhất.
Lắp bộ giảm xóc vào bánh trước với lực cản lớn như khi nén hoặc giật lùi;
Giảm hệ số q Ti cho tất cả các bánh trước và tăng hệ số q Ti cho tất cả các bánh sau bằng cách chuyển đổi từ sơ đồ trục chuyển động với truyền động phía sau sang sơ đồ truyền động đầy đủ hoặc sơ đồ truyền động phía trước.
Để tăng hệ số q Ti cho tất cả các bánh, cần giảm tải trọng tiếp tuyến lên lốp bằng cách áp dụng sơ đồ trục chủ động và không bỏ qua sự tuần hoàn của moment xoay trong chu tuyến trục chuyển động và trên bề mặt trụ.
Sử dụng bộ giảm xóc cho bánh sau với lực cản lớn khi lùi để bánh sau tự chuyển động và tăng đại lượng cho bánh sau
Lắp những thiết bị để phanh bánh sau trong điều kiện:
Phanh ở bánh trước sẽ hiệu quả lớn ở bánh sau;
KHẢO SÁT TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ KHI CHUYỂN ĐỘNG QUAY VÒNG
Quan hệ động học của mô hình phẳng
Hình 3.1: Quan hệ động học của ô tô trong mô hình phẳng tổng quát
Mô hình ô tô được trình bày dưới dạng phẳng, với trọng tâm của xe nằm trên mặt đường Trong phân tích này, chúng ta bỏ qua tác động của lực ly tâm và sự lật nghiêng của thân xe, cùng với hệ thống treo Xe ô tô di chuyển trên bốn bánh, đảm bảo sự ổn định trong quá trình vận hành.
Quỹ đạo chuyển động của ô tô được biểu diễn bằng một đường cong, với các vị trí liên tiếp của trọng tâm ô tô T Vận tốc tức thời của ô tô, ký hiệu là ν, được xác định tại trọng tâm Hệ tọa độ cố định (hệ tọa độ mặt đường) được ký hiệu là Ox0y0z0, trong khi hệ tọa độ di động (gắn với trọng tâm ô tô) được ký hiệu là Txyz Vận tốc ν là tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động và tạo với trục dọc ụ tụ một góc lệch hướng chuyển động, gọi là ổΣ Góc quay tương đối giữa hai hệ tọa độ là ε, đồng thời cũng là góc quay của trục dọc ô tô trong quá trình di chuyển.
Chiếu vận tốc ν lên hai trục Ox0 và Oy0 ta có:
Vị trí của ô tô tại một thời điểm nào đó (sau khoảng thời gian từ 0 đến t) được xác định nhờ hình (3.2)
Hình 3.2: Xác định vị trí trọng tâm ô tô tại một thời điểm nhất định
Vị trí tọa độ trọng tâm được tính bằng tích phân:
Nếu có hệ tọa độ mặt đường cùng với các thông số x0, y0, góc ổΣ và ε, chúng ta có thể xác định chính xác vị trí của ô tô trên đường tại một thời điểm nhất định.
Mục tiêu của bài toán là xác định các góc ổΣ và ε, cùng với tọa độ x0, y0, để xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô Các thông số này được coi là hàm mục tiêu của đề bài Trong thực tế, góc ổΣ chỉ ra góc lệch của trục dọc thân xe so với vận tốc tức thời Khi ô tô di chuyển, góc ổΣ tạo cảm giác lệch hướng của xe so với đường, giúp người lái nhận biết và điều chỉnh hướng di chuyển một cách phù hợp.
Góc quay ε biểu thị góc quay của thân xe trên mặt đường quanh trục thẳng đứng Oz, là thông số quan trọng trong việc khảo sát tính ổn định chuyển động của ô tô Việc cảm nhận và điều chỉnh khi giá trị ε thay đổi lớn là một thách thức đối với lái xe, và chỉ những tài xế có kinh nghiệm mới có khả năng thực hiện điều này một cách chính xác.
Chuyển động quay vòng ổn định
3.2.1 Những quan hệ cơ bản Ô tô quay vòng trên đường bằng phẳng với tốc độ không đổi
Toàn bộ xe quay xung quanh trục quay O với tốc độ
Vectơ tốc độ V j của điểm j bất kỳ nào đó trên xe nằm trong mặt phẳng song song với mặt đường (X, Y), vuông góc với vectơ hướng tâm
Nếu như j là một chất điểm có khối lượng mj thì nó sẽ chịu một lực tác dụng quán tính j j j j j j m V V m
Tại trọng tâm thùng xe, lực li tâm Dv xuất hiện, trong khi tại trọng tâm bánh xe và hệ thống treo TKi có tác dụng lực li tâm DKi Trọng tâm thùng xe còn chịu tác động của lực khí động A và moment khí động học MA.
Các lực kể trên phải cân bằng với các lực tác dụng từ mặt đường RXKHi , RYKHi ,
RZKHi với Hi là các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đứng
Các lốp xe quay so với thân xe một góc i ( i = 1, 2, 3, 4) và khi đó xuất hiện các moment ngược MZPi
Lực ngang RYKi và moment ngược MZPi chịu ảnh hưởng bởi góc lệch hướng δ i, tải hướng kính R ZHi, cũng như lực kéo R XKHi.
Góc lệch hướng δ i là góc tạo thành giữa vectơ tốc độ của điểm tiếp xúc lý thuyết E i của lốp và trục dọc của bánh xe XKi, với trục này được xác định bởi góc quay θ i.
Góc quay θ i của các bánh xe không điều khiển phụ thuộc vào độ chụm bánh xe, độ xê dịch của bánh xe so với thùng xe và độ biến dạng của hệ thống treo Đối với bánh xe có điều khiển, góc quay phụ thuộc vào góc quay volant và độ đàn hồi của hệ thống lái Tất cả các giá trị này đều liên quan đến sự ổn định của thùng xe (ψv, Δhv, ϕv) và các lực tác động như RXKHi và RYKHi.
Lực chủ động RXKHi do người lái xác định nhằm đạt sự ổn định chuyển động (v = const), và giá trị này trên từng bánh xe phụ thuộc vào sự phân phối trong vi sai hoặc hộp phân phối Ổn định thùng xe được xác định bởi các lực tác động lên hệ thống treo và đặc tính động học của giá treo, bao gồm các yếu tố như ϕv, ψv và Δhv.
Phản lực thẳng đứng từ mặt đường RZHi phụ thuộc vào giá trị và phương của lực li tâm, chiều cao trọng tâm, cùng với đặc tính động học và đàn hồi của hai cầu trong hệ thống treo.
Tóm lại, việc tổng hợp tất cả các yếu tố trong bài toán tổng thể là một quá trình phức tạp Do đó, chúng ta thường tiến hành giải quyết bài toán này thông qua các bước đơn giản hóa.
Hình 3.3: Model mặt phẳng quay vòng ổn định – Các quan hệ hình học và lực
3.2.2 Những phương trình đã đơn giản hóa
Khi thiết lập phương trình tính toán lực dọc và lực ngang trên bánh xe trong mặt phẳng đường, có thể sử dụng mô hình phẳng gần đúng của xe với các đặc điểm như thùng xe không nghiêng, trụ quay thẳng đứng và đi qua tâm bánh xe Ngoài ra, toàn bộ trọng lượng xe có thể được coi là tập trung tại trọng tâm TΣ.
Bán kính quay vòng của trọng tâm ρ và gia tốc hướng tâm
2 được coi như những thông số đầu vào (đã biết) khi xây dựng các phương trình lực
Các vectơ tốc độ VEi tại các điểm Ei nghiêng so với các trục Xv với các góc ổi, trong khi VTi nghiêng với góc ổΣ Hướng dương của các góc này được thể hiện trong hình 3.1 Giữa các góc ổ và bán kính ρ tồn tại những mối quan hệ quan trọng.
Bởi vỡ tất cả cỏc gúc ổ đều rất nhỏ nờn ta cú thể viết cỏc quan hệ :
Tất cả các góc ổi đều có thể xác định nếu biết một giá trị trong số chúng, ví dụ như ổ Σ Các bánh xe sẽ quay các góc θ i theo các hướng như hình vẽ, và góc lệch hướng của chúng được xác định bằng các công thức: δ1 = θ1 – ổ1; δ2 = θ2 – ổ2; δ3 = θ3 + ổ3; δ4 = θ4 + ổ4.
Có thể viết các phương trình cân bằng như sau:
Phương trình moment đối với trục Z V đi qua trọng tâm TΣ :
(3.8) Trong các phương trình trên thì:
Trong trạng thái quay vòng ổn định, ô tô cần được dẫn động để duy trì chuyển động Giả định rằng chỉ có một cầu chủ động, có thể là cầu trước hoặc cầu sau, và vi sai là đối xứng không ma sát, điều này đảm bảo rằng lực kéo được phân bổ đều giữa các bánh xe.
1.R XKE34 ) Nhờ thế chỉ có một ẩn số là lực kéo RXKE12 (hoặc RXKE34)
- Giả thiết θ 3 = θ 4 = 0 (bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống treo cầu sau, góc đặt bánh xe, thông số góc xoay của bánh 3,4) Như vậy chỉ còn hai ẩn θ 1 , θ 2
- Góc quay ngõng quay θ m và θ 1 , θ 2 quan hệ động học lái Giả sử coi θ 1 = θ 2 = θ
- 0 fi ( i = 1- 4) là lực cản lăn tại các bánh xe 0 fi = R zi f (f: hệ số cản lăn )
+ K y độ cứng hướng phải chọn dựa vào lý thuyết ban đầu + δi = θi ± ổi , mà ổi = f(ổΣ)
- DΣ lực ly tõm tại trọng tõm, (ổ )
- AX , AY là lực cản không khí theo hướng X và Y
Cx : Hệ số cản không khí
S = 0,8.B0.H , diện tích cản chính diện
B0 : chiều rộng lớn nhất của ô tô
H : chiều cao lớn nhất của ô tô
V : vận tốc chuyển động của ô tô
- MZPi là moment trả của lốp i nào đó Ta có:
Mzpi = Cz δi (Nm) δi : góc lệch hướng của bánh xe thứ i (rad)
Cz – độ cứng trả của lốp quay (Nm/rad)
Độ cứng trả của lốp đứng yên (Czo) dao động từ 2000 đến 3000 Nm/rad Trong khi đó, độ cứng trả của lốp quay (Cz) thấp hơn so với lốp đứng yên, với tỷ lệ chênh lệch khoảng 1,5 đến 2 lần (Czo/Cz).
- M ZA là moment cản khí động khi xe quay vòng Nó phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay , ở đây có thể coi
CZA : hệ số cản khí động của xe trong chuyển động quay xung quanh trục z
Như vậy hệ các phương trình (3.6), (3.7), (3.8) là hệ phương trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô
3.2.3 Trường hợp ô tô dẫn động cầu trước
Theo các giả thiết trên ta có:
Phương trình moment đối với trục Z V đi qua trọng tâm TΣ :
Cộng hai phương trình (3.9) và (3.10) theo phương x và theo phương y, xét trường hợp ô tô chuyển động đều (v = const) do đó ̇
Từ phương trình (3.11) và (3.12) ta viết lại như sau: ̇ * ( ) ( ( ) ( )( )
(3.14) Phương trình (3.13) và (3.14) là phương trình quay vòng của ô tô cầu trước chủ động
3.2.4 Trường hợp ô tô dẫn động cầu sau
Theo các giả thiết trên ta có:
Phương trình moment đối với trục ZV đi qua trọng tâm TΣ :
Cộng hai phương trình (3.15) và (3.16) theo phương x và theo phương y, xét trường hợp ô tô chuyển động đều (v = const) do đó ̇
Từ phương trình (3.17) và (3.18) ta viết lại như sau: ̇ [ ( ) [
Phương trình (3.19) và (3.20) là phương trình quay vòng của ô tô cầu sau chủ động
Qua nội dung đã trình bày ở trên ta thấy:
Trong nghiên cứu trạng thái ổn định của ô tô khi chuyển động quay vòng, mô hình hai vết cho phép phân tích chi tiết ảnh hưởng của góc lệch hướng tới từng bánh xe, từ đó tác động đến ổn định chuyển động quay vòng của ô tô Việc sử dụng mô hình hai vết mang lại sự đầy đủ và chính xác hơn so với mô hình một vết.
Hệ phương trình vi phân dựa trên mô hình hai vết giúp khảo sát trạng thái quay vòng của ô tô một cách chi tiết, nhưng quá trình này khá phức tạp Để đơn giản hóa, các phương trình vi phân đã được điều chỉnh, cho phép xác định góc lệch thân xe ổΣ và gúc quay thân xe ε Từ đó, chúng ta có thể đánh giá trạng thái ổn định quay vòng của ô tô khi chịu ảnh hưởng của góc lệch hướng cùng với các thông số kết cấu và điều kiện chuyển động thay đổi.
