Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng sự lăn lệch bánh xe đàn hồi đến tính dẫn hướng của ô tô khách sản xuất lắp ráp ở Việt Nam" do nghiên cứu sinh Đinh Quang Vũ thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Đặng Việt Hà và PGS. Cao Trọng Hiền tại Trường Đại học Giao thông vận tải (năm 2021). Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực (Kỹ thuật ô tô).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong kỹ thuật chuyển động ô tô, tính dẫn hướng giữ vai trò quyết định đến độ an toàn chuyển động, đặc biệt ở dải vận tốc cao và mật độ giao thông lớn. Khi ô tô chuyển động quay vòng hoặc chịu tác dụng của ngoại lực ngang, các bánh xe đàn hồi xuất hiện hiện tượng biến dạng bên và sinh ra góc lăn lệch ($\delta$). Hiện tượng lăn lệch làm sai lệch quỹ đạo chuyển động so với hình học lái thuần túy, dẫn đến các trạng thái quay vòng thiếu, quay vòng thừa hoặc trung hòa, tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định quỹ đạo.

Theo thống kê nêu trong luận án, tính đến tháng 11/2020, Việt Nam có 4.975.000 xe ô tô đang lưu hành; trong đó ô tô khách trên 10 chỗ là 178.480 xe (chiếm khoảng 4,4%), và phân khúc xe khách từ 26 đến 46 chỗ chiếm 58.915 xe (tương đương 33% tổng lượng xe khách trên 10 chỗ). Tỷ lệ nội địa hóa của dòng xe khách sản xuất lắp ráp trong nước đạt tới 45%, bao gồm các linh kiện như lốp hơi. Tuy nhiên, các công trình trong nước trước đây chủ yếu dừng lại ở mô hình phẳng 1 khối lượng hoặc mô hình không gian chưa xét đến tác động đồng thời của áp suất lốp, tải trọng thẳng đứng thay đổi và dao động của hệ thống treo đến tính dẫn hướng. Khoảng trống này đặt ra yêu cầu xây dựng một mô hình không gian nhiều khối lượng kết hợp mô hình lốp phi tuyến có tham số áp suất để đánh giá chính xác động học và động lực học quay vòng của xe khách.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của sự lăn lệch bánh xe đàn hồi đến tính dẫn hướng của ô tô khách sản xuất lắp ráp ở Việt Nam.
  2. Đề xuất biện pháp nâng cao tính dẫn hướng và an toàn chuyển động của ô tô.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Xe ô tô khách Hyundai County HM K29SL (loại 29 chỗ) được sản xuất, lắp ráp tại Nhà máy Tracomeco (Việt Nam).
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát sự lăn lệch của bánh xe đàn hồi tác động đến tính dẫn hướng của ô tô khách, tập trung vào mối quan hệ giữa áp suất lốp, tải trọng, vận tốc chuyển động và góc quay vành tay lái đối với các chỉ tiêu động lực học ngang (hiệu góc lăn lệch, gia tốc ngang, vận tốc góc quay thân xe, bán kính và quỹ đạo chuyển động).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến động lực học quay vòng, mô hình lốp và tính dẫn hướng của phương tiện giao thông đường bộ:

Các nghiên cứu trong nước

  • Nguyễn Khắc Trai [22]: Trình bày nền tảng lý thuyết về sự lăn lệch của bánh xe đàn hồi, mối quan hệ thực nghiệm tuyến tính giữa lực ngang và góc lăn lệch $P_y = f(\delta_y)$, cùng mô hình phẳng một khối lượng khảo sát động lực học quay vòng hai trục.
  • Đào Mạnh Hùng và cộng sự (2015) [10]: Ứng dụng mô hình lốp phi tuyến Magic Formula của Pacejka để mô tả phản lực bên và khảo sát quỹ đạo chuyển động ô tô khi chịu tác động của gió ngang và góc lăn lệch trên mô hình phẳng hai vết bánh xe. Hạn chế là chưa xét mô hình không gian và chưa khảo sát biến thiên áp suất lốp.
  • Nguyễn Anh Tuấn (2018) [18]: Sử dụng mô hình phẳng một khối lượng một vết để nghiên cứu thuật toán điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm ổn định quỹ đạo, chưa phân tích ảnh hưởng của áp suất khí trong lốp đến góc lăn lệch.
  • Nguyễn Văn Doanh (2012) [4]: Ứng dụng mô hình không gian một khối lượng để khảo sát ảnh hưởng của áp suất lốp, vận tốc và góc quay bánh xe dẫn hướng, nhưng sử dụng mô hình lốp tuyến tính đơn giản chỉ phụ thuộc vào chiều rộng và chiều cao lốp.
  • Nguyễn Ngọc Tú (2016) [17], Tạ Tuấn Hưng (2017) [11], Nguyễn Tiến Dũng (2018) [5]: Tập trung nghiên cứu tính ổn định chuyển động, mất ổn định lật ngang và lệch làn của đoàn xe kéo moóc/sơ mi rơ moóc dưới tác động của phanh, góc lái và vận tốc.
  • Võ Quốc Đại (2017) [50]: Xây dựng mô hình không gian 4 bậc tự do để khảo sát ảnh hưởng của các góc đặt bánh xe (góc nghiêng trụ đứng caster, góc nghiêng bánh xe camber) đến tính dẫn hướng, nhưng chưa đánh giá đặc tính áp suất lốp.

Các nghiên cứu ngoài nước

  • Matthew Polley và Andrew G. Alleyne (2004) [32]: Phân tích ảnh hưởng của kích thước hình học bánh xe (đường kính, bề rộng) đến hệ số cản lăn lệch $K_y$ dựa trên mô hình lốp tuyến tính.
  • Krzysztof Parczewski (2013) [33]: Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lốp đến động lực học dọc (quá trình phanh), không đi sâu vào động lực học ngang và quỹ đạo chuyển động.
  • Shaopu Yang, Yongjie, Shaohua Li (2013) [40]: Khảo sát tổng quan các dạng mô hình tính dẫn hướng từ phẳng đến không gian nhưng chưa đi sâu vào đánh giá thông số đầu vào cụ thể.
  • A. Litvinov (А. Литвинов) [23]: Xây dựng mô hình không gian một khối lượng 6 bậc tự do nghiên cứu tính dẫn hướng, bỏ qua ảnh hưởng của các cụm treo và khối lượng không được treo.
  • Nenad Lazic [24]: Phân tích ảnh hưởng của góc lệch bên trên xe bốn bánh dẫn hướng (4WS) và thiết kế bộ điều khiển quỹ đạo, chưa gắn liền với thông số áp suất lốp.
  • S. Hegazy, H. Rahnejat, K. Hussain (1999) [52]: Phát triển mô hình hệ nhiều vật gồm 34 vật thể và 94 bậc tự do bằng phương trình Lagrange và ma trận Jacobian, nhưng chưa giải phương trình quỹ đạo và tính dẫn hướng.
  • Jaehoon Lee, Jonghyun, Seung Jin (2008) [53]: Khảo sát mô hình 14 bậc tự do trong bài toán quay vòng và chuyển làn, đối chứng với CarSim và thực nghiệm (sai số cực đại còn tới 15%).
  • Kanwar Bharat Singh [51]: Tổng kết các nhân tố ảnh hưởng đến độ cứng ngang của lốp gồm nhiệt độ bề mặt lốp, nhiệt độ bên trong, áp suất lốp, độ sâu hoa lốp và tải trọng thẳng đứng.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mô hình không gian 3 khối lượng có xét đến chuyển vị thẳng đứng, lắc ngang, lắc dọc của khối lượng được treo cùng chuyển động độc lập của các cầu xe và mô hình lốp phi tuyến có tham số áp suất khí còn ít được nghiên cứu đồng bộ. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách xây dựng mô hình không gian 3 khối lượng 16 bậc tự do, tích hợp mô hình lốp Pacejka 8 bộ thông số phụ thuộc áp suất lốp, kết hợp đo thực nghiệm đặc tính lốp và thực nghiệm ô tô trên đường thử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết động lực học hệ nhiều vật (Multi-body Dynamics): Áp dụng phương pháp tách cấu trúc hệ thống thành các hệ con: thân xe (khối lượng được treo), cầu trước, cầu sau (khối lượng không được treo) và 4 bánh xe đàn hồi.
  • Phương pháp thiết lập phương trình: Luận án sử dụng phương trình vi phân Newton – Euler để mô tả cân bằng lực và mô men trên từng hệ con trong hệ tọa độ không gian cố định và hệ tọa độ cục bộ.
  • Lý thuyết tiếp xúc và biến dạng đàn hồi của lốp: Hiện tượng lăn lệch xảy ra do sự trượt bên cục bộ tại vết tiếp xúc hình "vỏ đỗ" khi xuất hiện lực ngang $P_y$ hoặc góc nghiêng bánh xe (camber) $\gamma$. Độ cứng ngang của lốp $K_y$ xác định theo công thức $P_y = K_y \cdot \delta_y$.
  • Mô hình lốp phi tuyến Pacejka (Magic Formula): Mô tả quan hệ phi tuyến giữa lực ngang $F_y$, tải trọng pháp tuyến $Z_L$, góc lăn lệch $\delta$ và áp suất không khí trong lốp $P_w$ thông qua 8 bộ tham số thực nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ giữa nghiên cứu mô hình hóa toán học, mô phỏng số và kiểm chứng bằng thực nghiệm đo đạc:

Nhánh nghiên cứu Nội dung triển khai Công cụ / Phần mềm / Thiết bị sử dụng
Lý thuyết & Mô phỏng - Lập hệ phương trình vi phân 16 bậc tự do.
- Xây dựng thuật toán giải số hệ phương trình phi tuyến.
- Khảo sát chuyển động quay vòng với góc đánh lái cố định ở các cấp vận tốc 20, 30, 40 km/h.		 - Phần mềm mô phỏng số giải hệ phương trình vi phân.
- Thuật toán Runge-Kutta / giải số chuyên dụng.
- Bộ thông số mô hình Pacejka.
Thực nghiệm xác định thông số đầu vào - Đo khối lượng và phân bố tải trọng lên các cầu.
- Xác định tọa độ trọng tâm theo phương dọc và chiều cao.
- Đo tỷ số truyền hệ thống lái $i$.
- Đo độ cứng ngang $K_y$ của lốp xe theo tải trọng và áp suất.		 - Cân điện tử MSI – 5300 (cân phẳng và cân nghiêng dốc).
- Bàn đo góc quay bánh xe dẫn hướng.
- Băng thử chuyên dụng có đồ gá chữ L và chữ Z.
- Cảm biến lực 6 thành phần RoaDyn S650 sp.
- Bộ thu thập dữ liệu KiRoad Performance.
- Thước đo góc nghiêng Moore and Wright.
Thực nghiệm trên đường và bãi thử - Đo động học và động lực học quay vòng xe thực tế với góc vô lăng và vận tốc dọc không đổi tại bãi thử Mỹ Đình.
- Khảo sát ở hai trạng thái: áp suất lốp tiêu chuẩn và áp suất lốp giảm.		 - Thiết bị đo vận tốc và quỹ đạo DS-VGPS.
- Vô lăng đo lực, mô men và góc quay MSW.
- Cảm biến đo gia tốc và vận tốc góc quay thân xe BST IMU-M.
- Bộ thu thập dữ liệu Q và cảm biến V1.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về tính dẫn hướng của ô tô, phân tích bản chất vật lý của sự lăn lệch bánh xe đàn hồi và cơ chế hình thành các trạng thái quay vòng:

  • Hiện tượng lăn lệch: Khi bánh xe chịu lực ngang $P_y$, điểm đặt của tổng hợp phản lực bên $Y_k$ dịch chuyển về phía sau tâm vết tiếp xúc một đoạn $n_s$ (độ dịch sau), tạo ra mô men hồi vị và làm trục đối xứng của bánh xe lệch so với phương véc-tơ vận tốc một góc lăn lệch $\delta_y$.
  • Phân loại đặc tính quay vòng:
    • Quay vòng trung hòa ($\delta_1 = \delta_2$): Bán kính quay vòng thực tế $R_b$ bằng bán kính hình học $R$, xe duy trì quỹ đạo ổn định.
    • Quay vòng thiếu ($\delta_1 > \delta_2$): Vận tốc góc quay thân xe $\omega_a$ giảm, bán kính quay vòng tăng ($R_b > R$), xe có xu hướng mở rộng cua; lực ly tâm sinh ra có thành phần ngược chiều lực ngang, giúp xe tự ổn định hướng chuyển động thẳng.
    • Quay vòng thừa ($\delta_1 < \delta_2$): Bán kính quay vòng giảm ($R_b < R$), $\omega_a$ tăng, xe có xu hướng ngoặt gấp vào tâm quay, dễ gây mất ổn định và thừa lái nguy hiểm.
  • Phân tích các dạng mô hình động lực học: So sánh ưu nhược điểm của mô hình phẳng 1 khối lượng (3 bậc tự do), mô hình không gian 1 khối lượng (6 bậc tự do) và mô hình không gian 3 khối lượng (tổng quát 42 bậc tự do). Tác giả xác định lựa chọn mô hình không gian 3 khối lượng rút gọn 16 bậc tự do là giải pháp phù hợp để khảo sát tính dẫn hướng xe khách.

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC NGHIÊN CỨU TÍNH DẪN HƯỚNG CỦA Ô TÔ KHÁCH

Chương 2 tập trung phân tích cấu trúc đối tượng xe Hyundai County HM K29SL và thiết lập hệ phương trình toán học:

  • Đặc tính đối tượng nghiên cứu: Xe có hệ thống lái kiểu trục vít - êcu - bi - thanh răng - cung răng liên hợp có trợ lực thủy lực; cầu trước dẫn hướng độc lập hoặc phụ thuộc với khoảng cách tâm hai trụ đứng $a_1 = 1570\text{ mm}$, vết bánh trước $B_1 = 1705\text{ mm}$, góc nghiêng thanh bên hình thang lái $\alpha_a \approx 30^\circ$; treo trước và sau dạng nhíp lá phụ thuộc kết hợp giảm chấn ống thủy lực; cầu sau chủ động lốp kép.
  • Các giả thiết xây dựng mô hình (14 giả thiết): Phân bố khối lượng đối xứng qua trục dọc xe; trọng tâm khối lượng treo và không treo nằm trên mặt phẳng đối xứng dọc; bỏ qua dịch chuyển góc của cầu quanh trục ngang; bánh xe kép quy đổi thành bánh xe đơn có độ cứng gấp đôi; mặt đường phẳng tuyệt đối ($h_{ij} = 0$); bỏ qua đàn hồi hệ thống lái, lực cản khí động ngang và góc camber ($\gamma = 0$); hệ số bám bánh xe không đổi; khung xe cứng tuyệt đối.
  • Hệ tọa độ và 16 bậc tự do:
    • Khối lượng được treo (6 bậc tự do): Tịnh tiến dọc $x$, tịnh tiến ngang $y$, tịnh tiến đứng $z$; góc lắc ngang $\gamma_k$ quanh $Ox$, góc lắc dọc $\chi_n$ quanh $Oy$, góc quay thân xe $\psi$ (vận tốc góc $\omega_a$) quanh $Oz$.
    • Hai cầu xe (6 bậc tự do): Dịch chuyển thẳng đứng $\xi_{c1}, \xi_{c2}$; dịch chuyển ngang $y_{c1}, y_{c2}$; góc lắc ngang cầu $\beta_{c1}, \beta_{c2}$.
    • Bốn bánh xe (4 bậc tự do): Chuyển động quay quanh trục bánh xe $\phi_{cij}$.
  • Hệ phương trình vi phân chuyển động:
    • Phương trình chuyển động dọc ($Ox$): $$m_a j_x = X_{2T} + X_{2P} + X_{1T}\cos\theta_{1T} + X_{1P}\cos\theta_{1P} - Y_{1T}\sin\theta_{1T} - Y_{1P}\sin\theta_{1P} - F_{wx}$$
    • Phương trình chuyển động ngang ($Oy$): $$m_a j_y = Y_{1T}\cos\theta_{1T} + Y_{1P}\cos\theta_{1P} + Y_{2T} + Y_{2P} + X_{1T}\sin\theta_{1T} - X_{1P}\sin\theta_{1P}$$
    • Phương trình mô men quay quanh trục đứng ($Oz$): $$J_z \dot{\omega}a = (Y{1T}\cos\theta_{1T} + Y_{1P}\cos\theta_{1P} + X_{1T}\sin\theta_{1T} + X_{1P}\sin\theta_{1P}) a_n - (Y_{2T} + Y_{2P}) b_n + \left(X_{1P}\cos\theta_{1P} - Y_{1P}\sin\theta_{1P} - X_{1T}\cos\theta_{1T} + Y_{1T}\sin\theta_{1T}\right)\frac{B_1}{2} + (X_{2P} - X_{2T})\frac{B_2}{2}$$
    • Phương trình mặt phẳng dọc ($xOz$) và mặt phẳng ngang ($yOz$): Mô tả chuyển vị đứng $z$, chuyển vị góc lắc dọc $\chi_n$ và lắc ngang $\gamma_k$ chịu tác động của lực đàn hồi nhíp ($Z_{Cij}$), lực cản giảm chấn ($Z_{Kij}$) và mô men thanh ổn định ($M_{Ti}$).

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT TÍNH DẪN HƯỚNG CỦA Ô TÔ KHÁCH SẢN XUẤT LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM

Chương 3 giải hệ phương trình vi phân mô phỏng động lực học quay vòng bằng phần mềm số và đánh giá các trường hợp thay đổi áp suất lốp:

  • Khảo sát đặc tính lốp Pacejka: Phân tích quan hệ giữa lực ngang $F_y$ và góc lăn lệch $\delta$ ở các mức tải trọng pháp tuyến $2000\text{ N}$, $4000\text{ N}$, $6000\text{ N}$. Kết quả cho thấy khi áp suất lốp giảm, độ cứng ngang $K_y$ của lốp giảm rõ rệt, dẫn đến góc lăn lệch tăng lên cùng một mức lực ngang.
  • Các kịch bản mô phỏng: Thực hiện mô phỏng quay vòng xe với góc đánh lái cố định ở các dải vận tốc $20\text{ km/h}$, $30\text{ km/h}$, $40\text{ km/h}$ trong ba điều kiện áp suất lốp:
    1. Áp suất tiêu chuẩn ở tất cả các bánh xe.
    2. Áp suất lốp cầu trước giảm đồng đều ở cả hai bên.
    3. Áp suất lốp cầu trước giảm lệch một bên (trái hoặc phải).
  • Kết quả khảo sát thông số động lực học:
    • Hiệu góc lăn lệch ($\delta_1 - \delta_2$): Khi áp suất lốp trước giảm, góc lăn lệch cầu trước $\delta_1$ tăng nhanh hơn cầu sau $\delta_2$, làm tăng hiệu $(\delta_1 - \delta_2)$, đưa xe chuyển dịch sâu hơn vào trạng thái quay vòng thiếu.
    • Gia tốc ngang ($j_y$) và vận tốc quay thân xe ($\omega_a$): Áp suất lốp trước giảm làm giảm đáp ứng gia tốc ngang và giảm vận tốc góc quay thân xe ở cùng góc quay vô lăng, xe phản hồi chậm hơn với thao tác lái.
    • Quỹ đạo chuyển động: Bán kính quay vòng của xe tăng lên khi áp suất lốp cầu trước giảm (đặc biệt khi giảm áp suất một bên lốp trước, quỹ đạo xe bị méo lệch bất đối xứng giữa các vòng quay trái và quay phải).

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Chương 4 thực hiện các thí nghiệm trong phòng thử nghiệm và trên đường thử thực tế nhằm cung cấp thông số đầu vào chính xác cho mô hình toán và kiểm chứng độ tin cậy của kết quả mô phỏng:

  • Thí nghiệm xác định thông số đầu vào xe Hyundai County:
    • Khối lượng và tọa độ trọng tâm: Sử dụng cân điện tử MSI-5300 xác định khối lượng toàn bộ, khối lượng phân bố lên cầu trước ($m_1$) và cầu sau ($m_2$). Cân xe ở trạng thái nằm ngang và nâng nghiêng cầu dốc để tính tọa độ trọng tâm theo phương dọc ($a_n, b_n$) và chiều cao trọng tâm ($h_1$).
    • Tỷ số truyền hệ thống lái: Dùng bàn xoay đo góc quay bánh xe dẫn hướng để xác định quan hệ giữa góc quay vành tay lái $\theta_v$ và góc quay trung bình bánh xe dẫn hướng $\theta$, từ đó suy ra tỷ số truyền $i$.
  • Thí nghiệm đo độ cứng ngang của lốp trên băng thử:
    • Luận án thiết kế, chế tạo đồ gá chuyên dụng gồm hai thanh liên kết chữ L và chữ Z lắp trên băng thử.
    • Sử dụng đầu đo lực đa thành phần Kistler RoaDyn S650 sp kết hợp bộ thu KiRoad Performance và thước đo góc nghiêng Moore and Wright.
    • Tiến hành đo đặc tính biến dạng ngang của lốp ở các cấp áp suất $420\text{ kPa}$ và $660\text{ kPa}$ dưới các mức tải trọng thay đổi. Kết quả thực nghiệm khẳng định độ cứng ngang $K_y$ giảm mạnh khi áp suất lốp giảm từ mức tiêu chuẩn $660\text{ kPa}$ xuống $420\text{ kPa}$, hoàn toàn tương thích với mô hình Pacejka đã hiệu chỉnh.
  • Thí nghiệm ô tô trên bãi thử (Mỹ Đình, Hà Nội):
    • Xe thí nghiệm được gắn thiết bị định vị vệ tinh DS-VGPS (đo vận tốc thực và quỹ đạo toạ độ), vô lăng đo lực - mô men - góc đánh lái MSW, cụm cảm biến đo quán tính BST IMU-M (đo gia tốc ngang $j_y$, gia tốc dọc $j_x$, vận tốc góc quay thân xe $\omega_a$), kết nối qua bộ thu thập dữ liệu Q và cảm biến V1.
    • Thực hiện bài thử quay vòng ổn định với góc vành tay lái không đổi ở vận tốc $30\text{ km/h}$ tại hai chế độ: áp suất lốp tiêu chuẩn và áp suất lốp giảm.
  • Đánh giá sai số giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm:
    • So sánh đồ thị gia tốc ngang $j_y(t)$ và quỹ đạo chuyển động $(X, Y)$ giữa mô phỏng số và đo đạc thực tế cho thấy sự tương đồng cao về quy luật biến thiên.
    • Sai lệch bình phương trung bình (RMS) của gia tốc ngang và sai số quỹ đạo nằm trong giới hạn cho phép của các tiêu chuẩn thử nghiệm phương tiện giao thông đường bộ, chứng minh mô hình 16 bậc tự do có độ chính xác cao.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý thuyết

  1. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình động lực học không gian 3 khối lượng 16 bậc tự do: Mô hình mô tả chi tiết chuyển động của ô tô khách trong không gian 3 chiều, có tính đến tương tác phi tuyến của hệ thống treo nhíp, giảm chấn, thanh ổn định, chuyển vị độc lập của hai cầu và góc lắc thân xe.
  2. Tích hợp mô hình lốp phi tuyến Pacejka có xét đến ảnh hưởng của áp suất lốp: Nghiên cứu 8 bộ thông số mô hình Pacejka phụ thuộc đồng thời vào áp suất lốp $P_w$ và tải trọng pháp tuyến $Z_L$, phản ánh chính xác quy luật thay đổi góc lăn lệch và lực bên $F_y$.
  3. Làm rõ quy luật ảnh hưởng của áp suất lốp đến tính dẫn hướng ô tô khách: Chứng minh bằng định lượng rằng sự sụt giảm áp suất lốp trước (cả hai bên hoặc lệch một bên) làm giảm độ cứng ngang của bánh trước, làm tăng góc lăn lệch $\delta_1$, dẫn đến tăng mức độ quay vòng thiếu, tăng bán kính quay vòng và giảm độ nhạy phản hồi đánh lái của xe.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Chế tạo đồ gá và hoàn thiện quy trình đo độ cứng ngang của lốp: Tận dụng thiết bị đo RoaDyn S650 sp có sẵn tại cơ sở thử nghiệm trong nước, thiết kế đồ gá chuyên dụng cho phép đo đạc chính xác đặc tính lăn lệch của nhiều chủng loại lốp ô tô khác nhau.
  2. Bộ dữ liệu thực nghiệm phục vụ kiểm định và thử nghiệm xe cơ giới: Cung cấp bộ thông số động lực học, kích thước hình học, tọa độ trọng tâm và đặc tính lốp thực tế của dòng xe khách Hyundai County sản xuất lắp ráp tại Việt Nam.
  3. Khuyến nghị vận hành và quản lý an toàn giao thông: Đưa ra cơ sở khoa học để khuyến cáo người lái xe, các đơn vị vận tải hành khách và cơ quan quản lý đăng kiểm về tầm quan trọng của việc duy trì đúng áp suất lốp tiêu chuẩn nhằm đảm bảo tính dẫn hướng và ổn định chuyển động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Mô hình lý thuyết giả thiết mặt đường phẳng tuyệt đối ($h_{ij} = 0$), chưa xét đến kích động ngẫu nhiên từ mấp mô mặt đường thực tế.
  • Bỏ qua biến dạng đàn hồi của các đòn dẫn động trong hệ thống lái và giả thiết hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường là hằng số.
  • Nghiên cứu thực nghiệm trên đường mới tiến hành ở dải vận tốc trung bình ($20 - 40\text{ km/h}$) với góc quay tay lái cố định, chưa thực hiện các bài thử chuyển làn gấp (fish-hook, step steer) ở dải tốc độ cao hoặc trên đường có hệ số bám thấp (đường trơn ướt).

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo

  • Mở rộng mô hình động lực học không gian kết hợp dao động ngẫu nhiên từ mặt đường gồ ghề tác động đến tính dẫn hướng.
  • Nghiên cứu tính dẫn hướng của ô tô khách khi có sự can thiệp của các hệ thống điều khiển chủ động hiện đại như hệ thống cân bằng điện tử (ESP/ESC), hệ thống lái chủ động (AFS).
  • Khảo sát sự thay đổi nhiệt độ lốp trong quá trình vận hành liên tục tác động đến áp suất khí và tính dẫn hướng của xe.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho nhiều đối tượng trong ngành kỹ thuật ô tô và an toàn giao thông:

  1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật ô tô: Tham khảo phương pháp thiết lập mô hình hệ nhiều vật 16 bậc tự do bằng phương trình Newton – Euler; phương pháp hiệu chỉnh mô hình lốp Pacejka Magic Formula có tham số áp suất khí; và phương pháp giải số hệ phương trình vi phân phi tuyến.
  2. Kỹ sư thiết kế và các nhà máy sản xuất, lắp ráp ô tô (Tracomeco, Thaco, Samco...): Tham khảo quy trình tính toán động lực học quay vòng, đánh giá sự phân bố tải trọng và lựa chọn thông số hệ thống treo, hệ thống lái phù hợp với các loại lốp nội địa hóa.
  3. Cục Đăng kiểm Việt Nam và Trung tâm Thử nghiệm xe cơ giới: Tham khảo sơ đồ bố trí thiết bị đo hiện trường (DS-VGPS, BST IMU-M, MSW), quy trình đo độ cứng ngang lốp trên đồ gá và phương pháp đánh giá tính dẫn hướng phục vụ công tác chứng nhận an toàn kỹ thuật phương tiện.

Câu hỏi thường gặp

1. Hiện tượng lăn lệch bánh xe đàn hồi ảnh hưởng như thế nào đến tính quay vòng của ô tô?

Khi ô tô chuyển động chịu tác dụng của lực ngang (lực ly tâm khi quay vòng hoặc lực gió ngang), bánh xe đàn hồi bị biến dạng bên và tạo ra góc lăn lệch $\delta$ giữa mặt phẳng lăn của bánh xe và véc-tơ vận tốc chuyển động. Tùy thuộc vào tương quan giữa góc lăn lệch cầu trước $\delta_1$ và cầu sau $\delta_2$:

  • Nếu $\delta_1 = \delta_2$: Xe có tính quay vòng trung hòa, bán kính quỹ đạo thực tế $R_b$ bằng bán kính hình học $R$.
  • Nếu $\delta_1 > \delta_2$: Xe có tính quay vòng thiếu, bán kính quỹ đạo tăng ($R_b > R$), vận tốc góc quay thân xe giảm, xe có xu hướng mở rộng góc quay nhưng có khả năng tự ổn định hướng chuyển động thẳng.
  • Nếu $\delta_1 < \delta_2$: Xe có tính quay vòng thừa, bán kính quỹ đạo giảm ($R_b < R$), xe dễ bị ngoặt gấp vào trong cua và có nguy cơ mất ổn định.

2. Mô hình động lực học ô tô khách trong luận án bao gồm bao nhiêu bậc tự do và phân bổ ra sao?

Luận án xây dựng mô hình không gian 3 khối lượng gồm 16 bậc tự do:

  • 6 bậc tự do cho khối lượng được treo (thân xe): 3 chuyển vị tịnh tiến dọc $x$, ngang $y$, đứng $z$; 3 chuyển vị góc gồm lắc ngang $\gamma_k$ quanh trục $Ox$, lắc dọc $\chi_n$ quanh trục $Oy$, và quay thân xe quanh trục đứng $Oz$ với vận tốc góc $\omega_a$.
  • 6 bậc tự do cho hai cầu xe (khối lượng không được treo): Mỗi cầu có chuyển vị thẳng đứng $\xi_{ci}$, chuyển vị ngang $y_{ci}$ và chuyển vị góc lắc ngang cầu $\beta_{ci}$ ($i = 1, 2$).
  • 4 bậc tự do cho 4 bánh xe: Chuyển động quay quanh trục của từng bánh xe $\phi_{cij}$ ($i = 1, 2; j = T, P$).

3. Áp suất lốp giảm tác động cụ thể như thế nào đến các thông số động lực học quay vòng của xe?

Theo kết quả mô phỏng và thực nghiệm trong luận án:

  • Khi áp suất lốp trước giảm, độ cứng ngang $K_y$ của lốp giảm, làm góc lăn lệch cầu trước $\delta_1$ tăng lên so với cầu sau $\delta_2$, khiến xe chuyển dịch sâu hơn sang trạng thái quay vòng thiếu.
  • Bán kính quỹ đạo chuyển động thực tế $R_b$ tăng lên so với trạng thái áp suất tiêu chuẩn ở cùng một góc đánh lái và vận tốc.
  • Vận tốc góc quay thân xe $\omega_a$ và gia tốc ngang $j_y$ suy giảm, làm giảm độ nhạy phản hồi của xe đối với tác động đánh lái của người điều khiển.
  • Trường hợp áp suất lốp trước bị giảm lệch một bên, quỹ đạo quay vòng của xe trở nên bất đối xứng giữa các vòng quay sang trái và sang phải.

4. Thiết bị và đồ gá nào được sử dụng để đo thực nghiệm độ cứng ngang của lốp trong luận án?

Để đo độ cứng ngang của lốp, luận án đã:

  • Thiết kế và chế tạo đồ gá chuyên dụng gồm hai thanh liên kết dạng chữ L và chữ Z để gá đặt bánh xe lên băng thử.
  • Sử dụng đầu đo lực đa thành phần Kistler RoaDyn S650 sp để đo các lực và mô men tác dụng tại trục bánh xe.
  • Sử dụng bộ xử lý và thu thập tín hiệu KiRoad Performance cùng thiết bị đo góc nghiêng Moore and Wright để ghi nhận quan hệ giữa lực ngang và biến dạng góc lăn lệch ở các mức áp suất lốp ($420\text{ kPa}$ và $660\text{ kPa}$) dưới các tải trọng khác nhau.

5. Hệ thống thiết bị đo kiểm hiện trường trên bãi thử Mỹ Đình gồm những cảm biến chính nào?

Hệ thống đo thực nghiệm trên xe Hyundai County HM K29SL gồm:

  • Thiết bị DS-VGPS: Đo vận tốc chuyển động thực tế và tọa độ quỹ đạo chuyển động của xe bằng công nghệ định vị vệ tinh vi sai.
  • Vô lăng đo MSW: Đo lực lái, mô men lái và góc quay vành tay lái $\theta_v$.
  • Cụm cảm biến quán tính BST IMU-M: Đo gia tốc dọc $j_x$, gia tốc ngang $j_y$, gia tốc đứng $j_z$ và các vận tốc góc quay thân xe quanh 3 trục (đặc biệt là vận tốc góc quay $\omega_a$).
  • Bộ thu thập và lưu trữ dữ liệu trung tâm Q kết hợp cảm biến V1.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Đinh Quang Vũ đã giải quyết một bài toán kỹ thuật có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao trong lĩnh vực cơ khí động lực học ô tô tại Việt Nam. Bằng việc thiết lập thành công mô hình không gian 3 khối lượng 16 bậc tự do kết hợp mô hình lốp phi tuyến Pacejka có xét áp suất khí, công trình đã làm sáng tỏ quy luật ảnh hưởng của sự lăn lệch bánh xe và áp suất lốp đến tính dẫn hướng của ô tô khách Hyundai County HM K29SL. Các kết quả mô hình hóa lý thuyết đã được kiểm chứng tin cậy thông qua hệ thống thực nghiệm đo độ cứng ngang của lốp trên đồ gá chuyên dụng và thử nghiệm động lực học quay vòng trên đường thực tế. Luận án cung cấp cơ sở dữ liệu và phương pháp luận quan trọng phục vụ công tác nghiên cứu, đào tạo chuyên ngành, thiết kế sản xuất lắp ráp và kiểm định an toàn giao thông đường bộ.