I. Tổng Quan Nghiên Cứu Động Lực Học Ô Tô Tại Bách Khoa
Ngày nay, khi ô tô trở thành phương tiện di chuyển phổ biến, yêu cầu về an toàn và thuận tiện khi điều khiển ngày càng cao. Xe chịu tác động từ người lái (ga, phanh, lái) và yếu tố khách quan (mặt đường, gió). Các yếu tố bất ngờ ảnh hưởng lớn đến an toàn. Nghiên cứu động lực học ô tô là cần thiết để nhà sản xuất tìm giải pháp nâng cao an toàn. Một ô tô thông minh là hệ thống cơ điện tử. Nghiên cứu giúp thiết kế bộ điều khiển tự động, tăng tiện nghi cho người dùng. Số lượng xe tăng kéo theo tai nạn. Hiểu động lực học giúp nhà quản lý đưa ra yêu cầu kỹ thuật, tốc độ phù hợp. Luận văn "Lập mô hình nghiên cứu động lực học ngang ô tô" ra đời để mô phỏng, lấy thông số động lực học. Tác giả nỗ lực học hỏi, áp dụng kiến thức, tìm hiểu kiến thức mới. Nhờ sự hướng dẫn của PGS-TS Võ Văn Hường 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 hoàn thành mục tiêu.
1.1. Yêu cầu thực tế về động lực học ô tô hiện nay
Vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển ô tô rất quan trọng. Ô tô chịu tác động của nhiều yếu tố như người điều khiển, ngoại cảnh, và các yếu tố ngẫu nhiên. Người lái thực hiện các thao tác như ga, phanh, lái. Ngoại cảnh tác động khác nhau tùy thuộc vào cung độ đường. Hệ số bám của lốp xe và đường cũng thay đổi. Gió cũng là yếu tố ngoại cảnh. Tác động ngẫu nhiên bất ngờ gây mất an toàn. Các yếu tố này ảnh hưởng lớn đến trạng thái chuyển động của xe và mức độ an toàn. Do đó, việc nghiên cứu quy luật chuyển động của ô tô nhằm xác định khả năng chuyển động ổn định là rất cần thiết.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu động lực học ô tô tại ĐHBK Hà Nội
Nghiên cứu động lực học ô tô là tìm ra quy luật chuyển động, xác định giới hạn an toàn, tìm sự tương thích giữa lái xe và xe, mở rộng khả năng điều khiển. Quỹ đạo chuyển động được xác định bởi vận tốc, gia tốc, quỹ đạo bởi các thông số (x, y, ψ). Quỹ đạo được khái quát thành 3 trạng thái: Quay vòng đủ, Quay vòng thiếu, Quay vòng thừa. Quay vòng đủ có tính chất lý tưởng, bán kính thực tế bằng yêu cầu, xe chạy ổn định. Quay vòng thiếu cần lái xe quay vô lăng nhiều hơn để vào cua, có thể mất lái. Quay vòng thừa khiến bán kính quay vòng nhỏ hơn yêu cầu, xe mất ổn định nguy hiểm.
1.3. Tầm quan trọng của mô hình động lực học xe Bách Khoa
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. Các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học gồm: Điều kiện đường (độ bám, độ nghiêng), phản ứng lái xe (tốc độ ga, phanh, quay vô lăng) và cấu trúc ô tô (phân bố khối lượng, kết cấu lốp). Việc thiết lập một mô hình động lực học ô tô là cần thiết nhằm xác định 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.
II. Xây Dựng Mô Hình Động Lực Học Ô Tô Nghiên Cứu
Động lực học ô tô tích hợp giữa động lực ngang, thẳng đứng và dọc; thân xe có 3 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. Động lực học ô tô là một mô hình tích hợp, là động lực học của một hệ cơ học nhiều vật, liên kết đàn hồi, ma sát, khớp. Động lực học được mô tả trong hệ cố định G(OXYZ). Để mô tả hệ con cần hệ cục bộ B(oxyz), liên hệ qua ma trận xoay. Định nghĩa hệ tọa độ xe B (Cxyz) với trọng tâm C. Trục x hướng chuyển động, trục y sang trái của lái xe, trục z lên vuông góc. Giả thiết đường phẳng. Góc φ chỉ hướng lắc ngang, ψ chỉ hướng quay quanh trục z. Ba đại lượng x,y,ψ đặc trưng chuyển động ô tô. Thân xe có 3 chuyển động tịnh tiến x,y,z và 3 góc φ, ψ, φ. Xét tổng quát 6 bậc tự do rất phức tạp; chưa tính 6 bậc tự do của 4 bánh xe. Vì vậy xét động lực học trong mặt phẳng nền (XY) để thiết lập phương trình chuyển động.
2.1. Phương trình chuyển động tổng quát cho mô hình ô tô
Các thông số của mô hình được biểu diễn trong hình 2. Gd: là véc tơ vị trí từ gốc của G đến trọng tâm C của xe B(Cxyz). Phương trình chuyển động viết trong hệ vật B: B F = B RGGF = B RG ( m G aB ) (2.1) = m GB aB = m B vB + m GBωB × B vB. B M= L dt = GB LB (2.2) = L + ωB × L B B G B = B I GBωB + GBωB × ( B I GBωB ). Véc tơ vận tốc của trọng tâm xe C trong hệ B: [vx] [ ] B vC = [ vy ] (2.3) [vz] Trong đó vx là thành phần tịnh tiến, vy là vận tốc ngang của xe.
2.2. Mô hình động lực học một dãy cho xe 4 bánh
Hình 2.2 biểu diễn các lực bánh xe tại điểm đặt lực Fz trong mặt tiếp xúc lốp- đường trong mặt phẳng nền của xe 4 bánh, cầu trước dẫn hướng. Trước hết ta chỉ xét chuyển động của ô tô với hai chuyển động tịnh tiến và quay trong mặt phẳng (C XY). Như vậy ta có thể đưa nó về mô hình 1 dãy như trong hình 2. Mô hình một dãy không giống mô hình xe máy vì xe máy có góc nghiêng ngang lớn.
2.3. Ứng dụng phương trình chuyển động cho bài toán thực tế
Các phương trình (2.22), được sủ dụng để khảo sát quay vòng ổn đinh, vx = const. Khi khảo sát chuyển động bất kỳ, có thể vận tốc vx thay đổi, ta có các phương trình tổng quát được biến đổi từ (2.19) nhưng bỏ qua mô men M zi của các bánh xe: Fx = Fx 1 cos δ 1 + Fx 2 cos δ 2 - Fy1 sin δ 1 - Fy 2 sin δ 2 = Fxf cos δ + Fxr - Fyf sin δ. Fy = Fy1 cos δ 1 + Fy 2 cos δ 2 + Fx 1 sin δ 1 + Fx 2 sin δ 2 (2.25) = Fyf cos δ + Fyr + Fxf sin δ. Mz = a1 Fyf - a2 Fyr. Nếu góc δ là bé:
III. Phương Pháp Khảo Sát Động Lực Học Ngang Ô Tô Bách Khoa
Để khảo sát động lực học ngang một cách hiệu quả, cần kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Việc xây dựng mô hình phải dựa trên cơ sở lý thuyết vững chắc về động lực học ô tô. Các phương pháp tính toán và mô phỏng cần được lựa chọn phù hợp với mục tiêu nghiên cứu và khả năng tính toán. Song song với đó, cần tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình. Các thí nghiệm có thể được thực hiện trên xe thực tế hoặc trên các thiết bị mô phỏng. Kết quả thực nghiệm sẽ giúp đánh giá độ chính xác của mô hình và đưa ra các điều chỉnh cần thiết.
3.1. Lựa chọn hệ phương trình phù hợp cho mô hình
Việc lựa chọn hệ phương trình phù hợp là rất quan trọng. Hệ phương trình cần phải mô tả đầy đủ các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến động lực học ngang của xe, đồng thời phải đủ đơn giản để có thể giải được. Có nhiều hệ phương trình khác nhau có thể được sử dụng, tùy thuộc vào mức độ chi tiết mong muốn của mô hình. Các hệ phương trình thường được sử dụng bao gồm hệ phương trình vi phân thường, hệ phương trình đại số, và hệ phương trình hỗn hợp.
3.2. Xác định lực tương tác bánh xe ảnh hưởng đến chuyển động
Lực tương tác bánh xe là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến động lực học ngang của xe. Lực này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ bám của lốp xe, góc trượt của bánh xe, và tải trọng tác dụng lên bánh xe. Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định lực tương tác bánh xe, bao gồm phương pháp thực nghiệm và phương pháp lý thuyết. Phương pháp thực nghiệm thường được sử dụng để xác định đặc tính bám của lốp xe. Phương pháp lý thuyết thường dựa trên các mô hình toán học để mô tả lực tương tác bánh xe.
3.3. Các thông số đầu vào cần thiết cho mô hình động lực học
Để xây dựng và mô phỏng mô hình động lực học ngang, cần xác định chính xác các thông số đầu vào. Các thông số này bao gồm thông số hình học của xe (chiều dài cơ sở, chiều rộng cơ sở), thông số khối lượng của xe (khối lượng, mô men quán tính), thông số lốp xe (độ cứng, hệ số bám), và thông số hệ thống treo (độ cứng, hệ số giảm chấn). Độ chính xác của các thông số đầu vào ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của mô hình.
IV. Ứng Dụng Nghiên Cứu Động Lực Học Ô Tô Từ Đề Tài
Nghiên cứu động lực học ô tô có nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế hệ thống điều khiển ổn định xe, giúp xe duy trì quỹ đạo và tránh bị lật khi di chuyển trên đường trơn trượt hoặc khi vào cua với tốc độ cao. Ngoài ra, nghiên cứu cũng có thể được sử dụng để phát triển hệ thống phanh ABS, giúp xe phanh an toàn và hiệu quả hơn. Kết quả này cũng có thể giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu của xe và nâng cao an toàn giao thông.
4.1. Nâng cao an toàn và hiệu suất hệ thống phanh ABS
Hệ thống phanh ABS là một trong những hệ thống an toàn quan trọng nhất trên xe ô tô hiện đại. Nghiên cứu động lực học ô tô có thể giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống ABS bằng cách tối ưu hóa thuật toán điều khiển phanh. Điều này giúp xe phanh an toàn hơn và giảm thiểu nguy cơ tai nạn.
4.2. Thiết kế hệ thống treo chủ động để cải thiện độ êm ái
Hệ thống treo chủ động là một công nghệ tiên tiến có thể điều chỉnh độ cứng của hệ thống treo để phù hợp với điều kiện đường xá. Nghiên cứu động lực học ô tô có thể giúp thiết kế hệ thống treo chủ động hiệu quả hơn, giúp xe di chuyển êm ái hơn và cải thiện an toàn khi lái xe.
4.3. Phát triển hệ thống điều khiển ổn định điện tử ESP
Hệ thống ESP là một hệ thống an toàn chủ động giúp xe duy trì quỹ đạo và tránh bị lật khi di chuyển trên đường trơn trượt hoặc khi vào cua với tốc độ cao. Nghiên cứu động lực học ô tô có thể giúp phát triển hệ thống ESP hiệu quả hơn, giúp xe an toàn hơn trong nhiều điều kiện lái xe khác nhau.
V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Mô Hình Nghiên Cứu
Luận văn đã trình bày quá trình xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học ngang ô tô. Mô hình này có thể được sử dụng để mô phỏng và phân tích các quá trình động lực học của xe. Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian và nguồn lực, mô hình vẫn còn một số hạn chế. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện mô hình, bổ sung các yếu tố ảnh hưởng khác, và áp dụng mô hình vào giải quyết các bài toán thực tế.
5.1. Đánh giá những thành công và hạn chế của mô hình
Những thành công đạt được bao gồm xây dựng được mô hình động lực học ngang, xác định các thông số ảnh hưởng đến chuyển động, và có khả năng mô phỏng các tình huống thực tế. Tuy nhiên, hạn chế là chưa xét đến các yếu tố như khí động học, biến dạng lốp, và sự ảnh hưởng của hệ thống lái.
5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện mô hình
Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc bổ sung các yếu tố còn thiếu, như khí động học, biến dạng lốp, và sự ảnh hưởng của hệ thống lái. Đồng thời, cần tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình, đảm bảo độ chính xác cao.
5.3. Áp dụng mô hình vào giải quyết bài toán thực tế ngành ô tô
Mục tiêu cuối cùng là áp dụng mô hình vào giải quyết các bài toán thực tế trong ngành ô tô, như thiết kế hệ thống treo, hệ thống lái, và hệ thống phanh. Mô hình cũng có thể được sử dụng để đào tạo lái xe và đánh giá an toàn của xe.
