Khảo sát độ cứng ngang của lốp ô tô 4 bánh khi quay vòng

• Tác giả: Phạm Việt Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Khắc Huân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Độ Cứng Ngang Lốp Ô Tô 4 Bánh Khi Quay Vòng
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tính điều khiển và an toàn giao thông
• 1.1.1. Tính điều khiển của ô tô
• 1.2. An toàn giao thông và quỹ đạo chuyển động
• 1.2.1. Khái quát về an toàn chuyển động
• 1.3. Bánh xe dẫn hướng
• 1.4. Các giải pháp ổn định hướng chuyển động trên ô tô
• 1.4.1. Hệ thống lái tích cực

I. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Nghiên cứu độ cứng ngang của lốp ô tô là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là đối với ô tô 4 bánh. Độ cứng ngang của lốp xe ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điều khiển và an toàn khi quay vòng ô tô. Việc khảo sát này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của lốp xe mà còn nâng cao tính ổn định trong các tình huống giao thông phức tạp. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng độ cứng của lốp xe có thể thay đổi theo điều kiện đường xá và tốc độ di chuyển, từ đó ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động của xe. Đặc biệt, trong các tình huống quay vòng, độ cứng ngang của lốp có thể quyết định khả năng bám đường và khả năng điều khiển của xe. Do đó, việc nghiên cứu và khảo sát độ cứng ngang của lốp ô tô là cần thiết để đảm bảo an toàn giao thông và nâng cao hiệu suất của phương tiện.

1.1. Tính điều khiển và an toàn giao thông

Tính điều khiển của ô tô được xác định bởi khả năng phản ứng của xe trước các tác động từ môi trường và người lái. Hệ thống lái là một trong những yếu tố quyết định đến tính điều khiển của ô tô. Khi ô tô di chuyển, các lực tác động từ mặt đường, gió và các yếu tố khác có thể làm thay đổi quỹ đạo chuyển động. Đặc biệt, trong các tình huống quay vòng, việc điều chỉnh góc quay vành lái là rất quan trọng để duy trì ổn định. An toàn giao thông không chỉ phụ thuộc vào kỹ năng của người lái mà còn vào thiết kế và chất lượng của lốp xe. Việc nghiên cứu độ cứng ngang của lốp sẽ giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng bám đường và khả năng điều khiển của xe, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện an toàn giao thông.

1.2. Hệ thống lái và độ cứng lốp

Hệ thống lái tích cực và độ cứng lốp có mối liên hệ chặt chẽ trong việc đảm bảo an toàn và hiệu suất của ô tô. Hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng (4WS) cho phép điều chỉnh quỹ đạo chuyển động của xe một cách linh hoạt hơn. Khi ô tô quay vòng, độ cứng ngang của lốp sẽ ảnh hưởng đến lực tác động lên bánh xe, từ đó ảnh hưởng đến khả năng điều khiển. Nghiên cứu cho thấy rằng độ cứng ngang lốp cao có thể cải thiện khả năng bám đường, nhưng cũng có thể làm giảm tính linh hoạt trong việc điều khiển. Ngược lại, độ cứng thấp có thể tạo ra cảm giác lái thoải mái hơn nhưng lại tiềm ẩn nguy cơ mất kiểm soát khi quay vòng. Do đó, việc tối ưu hóa độ cứng của lốp xe là rất cần thiết để đạt được sự cân bằng giữa an toàn và hiệu suất.

II. Xây dựng mô hình toán học đổi hướng chuyển động của ô tô

Mô hình toán học là công cụ quan trọng trong việc phân tích và dự đoán hành vi của ô tô khi quay vòng. Mô hình này dựa trên các phương trình động lực học, cho phép xác định các lực tác động lên lốp xe và quỹ đạo chuyển động của xe. Việc xây dựng mô hình cần xem xét các yếu tố như độ cứng ngang của lốp, góc quay vành lái, và các lực tác động từ mặt đường. Mô hình một vết và hai vết là hai phương pháp phổ biến trong nghiên cứu động lực học của ô tô. Mô hình một vết đơn giản hóa các yếu tố tác động, trong khi mô hình hai vết cung cấp cái nhìn chi tiết hơn về hành vi của lốp xe trong các tình huống khác nhau. Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô giúp đánh giá hiệu quả của các thiết kế và cải tiến kỹ thuật.

2.1. Các phương trình động lực học

Các phương trình động lực học được sử dụng để mô tả chuyển động của ô tô trong không gian. Những phương trình này bao gồm các yếu tố như lực quán tính, lực cản gió, và lực tác động từ mặt đường lên lốp xe. Đặc biệt, khi ô tô quay vòng, các lực này sẽ thay đổi theo góc quay và tốc độ di chuyển. Việc phân tích các phương trình này giúp xác định được mối quan hệ giữa độ cứng ngang của lốp và quỹ đạo chuyển động của xe. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số trong phương trình có thể cải thiện đáng kể khả năng điều khiển và an toàn của ô tô.

2.2. Mô hình một vết và hai vết

Mô hình một vết và hai vết là hai phương pháp chính trong nghiên cứu động lực học của ô tô. Mô hình một vết đơn giản hóa các yếu tố tác động và chỉ xem xét quỹ đạo chuyển động của trọng tâm xe. Trong khi đó, mô hình hai vết xem xét cả hai bánh xe trước và sau, cho phép phân tích chi tiết hơn về hành vi của lốp xe. Việc áp dụng mô hình hai vết giúp xác định rõ hơn ảnh hưởng của độ cứng ngang của lốp đến khả năng bám đường và khả năng điều khiển khi quay vòng. Sự kết hợp giữa hai mô hình này sẽ cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về động lực học của ô tô.

III. Khảo sát động lực học đổi hướng chuyển động của ô tô 4 bánh dẫn hướng

Khảo sát động lực học của ô tô 4 bánh dẫn hướng là bước quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và an toàn khi quay vòng. Mục tiêu của khảo sát này là xác định ảnh hưởng của độ cứng ngang của lốp đến quỹ đạo chuyển động trong các tình huống khác nhau. Việc sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để mô phỏng quỹ đạo chuyển động giúp phân tích các yếu tố như tốc độ, bán kính quay vòng và độ cứng của lốp xe. Kết quả khảo sát cho thấy rằng độ cứng ngang của lốp có ảnh hưởng lớn đến khả năng bám đường và khả năng điều khiển của xe. Khi độ cứng tăng, khả năng bám đường cũng tăng, nhưng đồng thời cũng làm giảm tính linh hoạt trong việc điều khiển.

3.1. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động

Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô là một phần quan trọng trong nghiên cứu động lực học. Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, các mô hình toán học được áp dụng để dự đoán hành vi của ô tô trong các tình huống khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng quỹ đạo chuyển động của ô tô phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ cứng ngang của lốp, góc quay vành lái, và tốc độ di chuyển. Việc phân tích các kết quả mô phỏng giúp xác định các thông số tối ưu cho thiết kế và cải tiến kỹ thuật của ô tô.

3.2. Khảo sát ổn định quỹ đạo chuyển động

Khảo sát ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông. Các yếu tố như bán kính quay vòng và tốc độ di chuyển có thể ảnh hưởng đến khả năng bám đường và khả năng điều khiển của xe. Nghiên cứu cho thấy rằng khi ô tô quay vòng với bán kính nhỏ, độ cứng ngang của lốp sẽ quyết định khả năng giữ ổn định quỹ đạo. Việc khảo sát này không chỉ giúp cải thiện thiết kế của lốp xe mà còn nâng cao tính an toàn trong các tình huống giao thông phức tạp.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô và nhu cầu ngày càng cao về an toàn giao thông, việc nghiên cứu ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô trở thành một vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, tai nạn giao thông do mất ổn định hướng chuyển động chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số vụ tai nạn, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Đặc biệt, với ô tô bốn bánh dẫn hướng (4WS), việc kiểm soát quỹ đạo chuyển động khi quay vòng là yếu tố quyết định đến tính an toàn và hiệu suất vận hành của xe.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng ngang của lốp đến quỹ đạo chuyển động của ô tô 4WS trong các trường hợp điển hình như quay vòng với bán kính không đổi, quay vòng gấp và chuyển làn. Nghiên cứu được thực hiện trên xe HONDA Prelude, sử dụng mô hình toán học và mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink, trong phạm vi thời gian từ năm 2018 đến 2019 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu cụ thể là khảo sát và đánh giá tác động của độ cứng ngang lốp đến sự ổn định quỹ đạo, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao tính ổn định và an toàn chuyển động của ô tô.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống lái hiện đại, đặc biệt là hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng, góp phần giảm thiểu tai nạn giao thông do mất kiểm soát xe, đồng thời hỗ trợ các nhà sản xuất ô tô trong việc thiết kế và tối ưu hóa hệ thống lái và lốp xe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình động lực học chuyển động của ô tô, trong đó nổi bật là:

• Phương trình Lagrange loại II: Được sử dụng để xây dựng phương trình động lực học của hệ thống ô tô với các bậc tự do liên quan đến chuyển động quay và dịch chuyển của xe và bánh xe. Phương trình này giúp mô tả chính xác các lực và mô men tác động lên hệ thống trong quá trình chuyển động.

• Nguyên lý Dalambe: Chuyển bài toán động lực học thành bài toán tĩnh học bằng cách đưa vào các mô men quán tính và lực tác dụng, giúp đơn giản hóa việc phân tích chuyển động của ô tô.

• Mô hình chuyển động tổng quát và mô hình hai vết bánh xe: Mô hình tổng quát gồm 9 bậc tự do mô tả chuyển động trong không gian, trong khi mô hình hai vết bánh xe đơn giản hóa chuyển động trên mặt phẳng, tập trung vào các lực dọc, lực ngang và mô men tác động lên bánh xe và thân xe.

• Mô hình động lực học bánh xe chủ động và mô hình hệ thống lái: Phân tích chi tiết lực tác động giữa lốp và mặt đường, bao gồm lực dọc, lực ngang và mô men, cũng như mối quan hệ giữa góc quay vành lái và góc quay bánh xe dẫn hướng.

Các khái niệm chính bao gồm: độ cứng ngang của lốp (C_Fα), góc lệch bên bánh xe (α), lực quán tính ly tâm (F_lt), và góc quay bánh xe dẫn hướng (δ).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng:

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng thông số kỹ thuật của xe HONDA Prelude làm đối tượng khảo sát, bao gồm các thông số về khối lượng, mô men quán tính, kích thước cơ sở, và đặc tính lốp.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học động lực học ô tô 4WS dựa trên phương trình Lagrange loại II và nguyên lý Dalambe. Mô hình được triển khai và mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink để khảo sát quỹ đạo chuyển động trong các trường hợp điển hình như quay vòng bán kính không đổi, quay vòng gấp và chuyển làn.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được áp dụng cho xe HONDA Prelude với các thông số tiêu chuẩn, đại diện cho nhóm xe con có hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng. Việc lựa chọn xe này nhằm đảm bảo tính thực tiễn và khả năng áp dụng rộng rãi.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ việc thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, đến mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác ảnh hưởng của độ cứng ngang lốp đến quỹ đạo chuyển động và ổn định của xe trong các tình huống vận hành khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của độ cứng ngang lốp đến quỹ đạo chuyển động: Kết quả mô phỏng cho thấy khi độ cứng ngang của lốp phía sau giảm 20% so với giá trị tiêu chuẩn, quỹ đạo chuyển động của xe có sự lệch hướng rõ rệt, đặc biệt trong trường hợp quay vòng gấp. Tỷ lệ lệch quỹ đạo tăng khoảng 15% so với trường hợp lốp có độ cứng chuẩn.

2. Ổn định quỹ đạo khi quay vòng với bán kính không đổi: Ở vận tốc 40 km/h, xe với hệ thống lái 4WS và lốp có độ cứng ngang tiêu chuẩn duy trì quỹ đạo ổn định với sai số góc lệch dưới 2 độ. Khi giảm độ cứng ngang lốp trước 10%, sai số này tăng lên khoảng 5 độ, làm giảm tính ổn định chuyển động.

3. Hiệu quả của hệ thống lái 4WS trong chuyển làn: Mô phỏng cho thấy hệ thống lái 4WS giúp giảm bán kính quay vòng khoảng 12% so với xe chỉ có hệ thống lái cầu trước, đồng thời cải thiện khả năng kiểm soát quỹ đạo khi chuyển làn ở tốc độ 60 km/h.

4. Tác động của lực gió ngang: Khi chịu tác động của lực gió ngang đột ngột tương đương 500 N, xe với lốp có độ cứng ngang tiêu chuẩn duy trì quỹ đạo ổn định hơn 30% so với xe có lốp giảm độ cứng ngang 15%, thể hiện qua các biểu đồ quỹ đạo chuyển động mô phỏng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng trên là do độ cứng ngang của lốp ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sinh lực ngang và góc lệch bên của bánh xe, từ đó tác động đến lực quán tính ly tâm và mô men quay thân xe. Khi độ cứng giảm, bánh xe dễ bị trượt bên, làm mất ổn định quỹ đạo chuyển động.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành công nghiệp ô tô về tầm quan trọng của độ cứng ngang lốp trong việc đảm bảo an toàn chuyển động. Đồng thời, nghiên cứu cũng khẳng định ưu điểm vượt trội của hệ thống lái 4WS trong việc cải thiện tính ổn định và khả năng điều khiển xe ở tốc độ cao và trong các tình huống phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ quỹ đạo chuyển động, đồ thị góc quay bánh xe và bảng so sánh sai số góc lệch trong các trường hợp khác nhau, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật đến ổn định chuyển động.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường kiểm soát và duy trì độ cứng ngang lốp: Các nhà sản xuất và người sử dụng nên chú trọng đến việc kiểm tra, bảo dưỡng và lựa chọn lốp có độ cứng ngang phù hợp nhằm đảm bảo quỹ đạo chuyển động ổn định, đặc biệt trong điều kiện vận hành ở tốc độ cao. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình sử dụng xe.

2. Phát triển và ứng dụng hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS): Khuyến khích các hãng ô tô tích hợp hệ thống lái 4WS trên các dòng xe con để nâng cao tính ổn định và an toàn khi vận hành, đặc biệt trong các tình huống quay vòng gấp và chuyển làn. Thời gian thực hiện: trong vòng 2-3 năm tới.

3. Nâng cấp phần mềm mô phỏng và điều khiển hệ thống lái: Sử dụng các công cụ mô phỏng hiện đại như Matlab-Simulink để thiết kế và tối ưu hóa thuật toán điều khiển hệ thống lái 4WS, giúp phản ứng nhanh và chính xác hơn với các thay đổi về độ cứng lốp và điều kiện vận hành. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ ô tô.

4. Tổ chức đào tạo và nâng cao nhận thức người lái xe: Cung cấp kiến thức về ảnh hưởng của độ cứng lốp và cách vận hành xe có hệ thống lái 4WS để người lái có thể tận dụng tối đa các tính năng an toàn, giảm thiểu rủi ro tai nạn. Thời gian thực hiện: liên tục, phối hợp với các cơ quan đào tạo lái xe.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà sản xuất ô tô và lốp xe: Giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của đặc tính kỹ thuật lốp đến quỹ đạo chuyển động, từ đó cải tiến thiết kế và lựa chọn vật liệu phù hợp nhằm nâng cao an toàn và hiệu suất xe.

2. Các kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống lái: Cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình toán học để phát triển các hệ thống lái hiện đại, đặc biệt là hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng, tối ưu hóa thuật toán điều khiển.

3. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực cơ khí động lực và kỹ thuật ô tô: Là tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy, nghiên cứu sâu về động lực học chuyển động ô tô và các hệ thống điều khiển liên quan.

4. Người lái xe và các trung tâm đào tạo lái xe: Nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của độ cứng lốp và hệ thống lái 4WS trong việc đảm bảo an toàn khi vận hành, từ đó cải thiện kỹ năng lái xe an toàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Độ cứng ngang của lốp ảnh hưởng như thế nào đến an toàn khi quay vòng?
   Độ cứng ngang lốp quyết định khả năng sinh lực ngang và góc lệch bên của bánh xe. Lốp có độ cứng thấp dễ gây trượt bên, làm mất ổn định quỹ đạo, tăng nguy cơ tai nạn khi quay vòng, đặc biệt ở tốc độ cao.

2. Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS) có ưu điểm gì so với hệ thống lái truyền thống?
   4WS giúp giảm bán kính quay vòng khoảng 12%, tăng tính ổn định khi chuyển làn và quay vòng gấp, nhờ điều khiển đồng thời bánh trước và bánh sau theo tốc độ xe, cải thiện khả năng kiểm soát quỹ đạo.

3. Phần mềm Matlab-Simulink được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Matlab-Simulink được dùng để xây dựng mô hình toán học và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô 4WS trong các tình huống khác nhau, giúp phân tích ảnh hưởng của độ cứng lốp và điều kiện vận hành đến ổn định chuyển động.

4. Làm thế nào để duy trì độ cứng ngang lốp ở mức tối ưu?
   Bảo dưỡng định kỳ, kiểm tra áp suất lốp, thay thế lốp khi mòn hoặc hư hỏng, và lựa chọn lốp phù hợp với điều kiện vận hành là các biện pháp quan trọng để duy trì độ cứng ngang lốp.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các loại xe khác ngoài HONDA Prelude không?
   Mô hình và kết quả nghiên cứu có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các loại xe con khác có hệ thống lái 4WS, tuy nhiên cần hiệu chỉnh thông số kỹ thuật phù hợp với từng loại xe cụ thể.

Kết luận

• Độ cứng ngang của lốp có ảnh hưởng trực tiếp và rõ rệt đến sự ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô 4WS, đặc biệt trong các tình huống quay vòng gấp và chuyển làn.
• Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng giúp cải thiện đáng kể khả năng kiểm soát và giảm bán kính quay vòng, nâng cao an toàn vận hành.
• Mô hình toán học và mô phỏng Matlab-Simulink là công cụ hiệu quả để phân tích và dự báo hành vi chuyển động của ô tô trong các điều kiện vận hành khác nhau.
• Các giải pháp kỹ thuật và đào tạo người lái được đề xuất nhằm nâng cao tính ổn định và an toàn giao thông.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình cho các loại xe khác và tích hợp thêm các yếu tố môi trường thực tế sẽ là bước tiếp theo quan trọng.

Đề nghị các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà sản xuất ô tô áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các hệ thống lái và lốp xe an toàn hơn, đồng thời nâng cao nhận thức người lái về tầm quan trọng của các yếu tố kỹ thuật trong vận hành xe.