Luận văn thạc sĩ về động lực học quay vòng của ô tô 4x4 trên đường bám kém

Nghiên cứu động lực học quay vòng ô tô 2 cầu chủ động 4 x 4 trên đường bám kém, cung cấp giải pháp cải thiện an toàn và hiệu suất lái.

• Tác giả: Uông Hoàng Trí
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Lâm Mai Long
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu động lực học quay vòng của ô tô hai cầu chủ động (4x4) trên đường bám kém.
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. LỜI MỞ ĐẦU
• 1.2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
• 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.5. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. BÁNH XE
• 2.2. BÁN KÍNH LÀM VIỆC TRUNG BÌNH CỦA BÁNH XE
• 2.3. ĐỘNG HỌC CỦA BÁNH XE LĂN
• 2.3.1. LĂN KHÔNG TRƯỢT
• 2.3.2. LĂN CÓ TRƯỢT QUAY
• 2.3.3. LĂN CÓ TRƯỢT LẾT
• 2.4. QUAN HỆ VỀ LỰC KHI BÁNH XE LĂN
• 2.4.1. BÁNH XE BỊ ĐỘNG
• 2.4.2. BÁNH XE CHỦ ĐỘNG
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA XE NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG (4X4) TỚI ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG Ô TÔ
• 3.1. GÓC LỆCH BÊN VÀ MÔ MEN ĐÀN HỒI CỦA BÁNH XE KHI CHỊU LỰC BÊN
• 3.2. ĐẶC TÍNH CỦA BÁNH XE KHI CÓ MẶT LỰC DỌC, KHẢ NĂNG TRƯỢT NGANG, TRƯỢT DỌC
• 3.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ SỐ BÁM VÀ CÁC GIÁ TRỊ CỦA HỆ SỐ BÁM
• 3.4. SỰ TRƯỢT PHỤ THUỘC VÀO CÁC LỰC KÉO FK HOẶC X
• 3.5. KHẢ NĂNG BÁM CỦA CẦU CÓ VI SAI
• 3.6. ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ BÁM φ
• 3.7. ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC LI TÂM
• 3.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN MÔ TẢ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ
• 4.1. HỆ TRỤC TỌA ĐỘ KHẢO SÁT
• 4.2. CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ
• 4.2.1. Các lực tác dụng lên ô tô trong mặt phẳng dọc
• 4.2.2. Lực kéo Fk
• 4.2.3. Lực cản lăn Ff
• 4.2.4. Mô men cản lăn
• 4.2.5. Phản lực thẳng góc Z1, Z2
• 4.2.6. Lực cản không khí Fω
• 4.2.7. Lực cản quán tính Fj
• 4.2.8. Các lực tác dụng lên mặt phẳng ngang
• 4.2.9. Lực bên Fy
• 4.2.10. Lực ly tâm Flt
• 4.3. MÔ HÌNH KHẢO SÁT VÀ CÁC QUAN HỆ ĐỘNG LỰC HỌC
• 4.3.1. Mô hình động lực học ô tô hai cầu chủ động (4x4)
• 4.3.2. Mô hình động lực học ô tô cầu trước chủ động
• 4.3.3. Mô hình động lực học ô tô cầu sau chủ động
• 4.4. GIỚI THIỆU XE Ô TÔ HYUNDAI SANTAFE (4X4)
• 4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
• 5. CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP GIẢI PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN VÀ KẾT QUẢ MÔ TẢ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ
• 5.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MATLAB VÀ M-FILE
• 5.2. THIẾT KẾ GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG
• 5.3. GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN
• 5.4. KẾT QUẢ MÔ TẢ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ
• 5.5. PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRÊN Ô TÔ
• 5.6. QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 2 CẦU CHỦ ĐỘNG
• 5.7. KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 2 CẦU CHỦ ĐỘNG KHI THAY ĐỔI VẬN TỐC
• 5.8. KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 2 CẦU CHỦ ĐỘNG KHI THAY ĐỔI HỆ SỐ BÁM
• 5.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG 5
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về động lực học quay vòng ô tô 4x4 trên đường trơn

Động lực học quay vòng của ô tô 4x4 trên đường trơn là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất lái xe mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Đặc biệt, ô tô 4x4 có khả năng vượt địa hình khó khăn, nhưng khi di chuyển trên đường trơn, việc duy trì quỹ đạo chuyển động ổn định là một thách thức lớn. Mô hình lý thuyết và các phương pháp mô phỏng hiện đại như Matlab đã được áp dụng để phân tích động lực học của ô tô trong các điều kiện khác nhau.

1.1. Động lực học ô tô và tầm quan trọng của nghiên cứu

Động lực học ô tô là lĩnh vực nghiên cứu về các lực tác động lên xe và cách mà xe phản ứng với các lực này. Nghiên cứu động lực học ô tô 4x4 trên đường trơn giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng quay vòng và độ ổn định của xe. Việc hiểu rõ động lực học không chỉ giúp cải thiện thiết kế xe mà còn nâng cao trải nghiệm lái xe và an toàn cho người sử dụng.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học quay vòng

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến động lực học quay vòng của ô tô 4x4 trên đường trơn, bao gồm hệ số bám, tốc độ xe, và sự biến dạng của lốp. Hệ số bám giữa lốp và mặt đường là yếu tố quyết định đến khả năng quay vòng của xe. Khi hệ số bám giảm, bán kính quay vòng tăng, dẫn đến nguy cơ mất kiểm soát khi lái xe.

II. Thách thức trong nghiên cứu động lực học quay vòng ô tô 4x4

Nghiên cứu động lực học quay vòng ô tô 4x4 trên đường trơn gặp phải nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là việc xác định chính xác các thông số kỹ thuật và điều kiện thực tế. Đường trơn có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau như thời tiết, bề mặt đường, và tình trạng lốp xe. Việc mô phỏng các điều kiện này trong môi trường nghiên cứu là rất khó khăn nhưng cần thiết để có được kết quả chính xác.

2.1. Ảnh hưởng của điều kiện mặt đường đến động lực học

Điều kiện mặt đường là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến động lực học quay vòng của ô tô. Mặt đường trơn trượt làm giảm hệ số bám, dẫn đến việc xe dễ bị trượt và mất kiểm soát. Nghiên cứu cần xem xét các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ và loại vật liệu mặt đường để đưa ra các giải pháp cải thiện an toàn khi lái xe.

2.2. Khó khăn trong việc mô phỏng và tính toán

Việc mô phỏng động lực học quay vòng ô tô 4x4 trên đường trơn đòi hỏi phải có các mô hình toán học chính xác. Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng là một giải pháp hiệu quả, nhưng cần phải có dữ liệu đầu vào chính xác và đầy đủ. Các yếu tố như sự biến dạng của lốp và phân phối công suất cũng cần được tính toán cẩn thận để đảm bảo độ chính xác của mô hình.

III. Phương pháp nghiên cứu động lực học quay vòng ô tô 4x4

Để nghiên cứu động lực học quay vòng của ô tô 4x4 trên đường trơn, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Phương pháp mô phỏng bằng phần mềm Matlab là một trong những phương pháp hiệu quả nhất. Phương pháp này cho phép mô phỏng quỹ đạo chuyển động của xe trong các điều kiện khác nhau, từ đó phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như tốc độ, hệ số bám và sự biến dạng của lốp.

3.1. Mô hình toán học và phần mềm Matlab

Mô hình toán học được xây dựng dựa trên các nguyên lý động lực học cơ bản. Phần mềm Matlab được sử dụng để giải các phương trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô. Việc sử dụng Matlab giúp rút ngắn thời gian tính toán và nâng cao độ chính xác của kết quả.

3.2. Quy trình thực hiện nghiên cứu

Quy trình nghiên cứu bao gồm các bước như thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu. Các kết quả thu được sẽ được so sánh với các nghiên cứu trước đó để đánh giá tính khả thi của mô hình.

IV. Kết quả nghiên cứu động lực học quay vòng ô tô 4x4

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khi hệ số bám tăng, bán kính quay vòng giảm, đồng thời độ ổn định khi quay vòng cũng tăng. Sự thay đổi vận tốc xe tỉ lệ thuận với sự thay đổi bán kính quay vòng. Những kết quả này có thể được áp dụng để cải thiện thiết kế và tính năng của ô tô 4x4, đặc biệt là trong các điều kiện đường trơn.

4.1. Phân tích kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng khi thay đổi hệ số bám từ 0,2 đến 0,7, bán kính quay vòng giảm đáng kể. Điều này cho thấy rằng việc cải thiện hệ số bám có thể giúp tăng cường độ ổn định của xe khi quay vòng trên đường trơn.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc thiết kế và cải tiến các hệ thống treo ô tô, giúp nâng cao tính an toàn và hiệu suất lái xe. Ngoài ra, nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực động lực học ô tô.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu động lực học quay vòng ô tô 4x4 trên đường trơn đã chỉ ra rằng việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học là rất quan trọng. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị trong việc cải thiện thiết kế ô tô mà còn giúp nâng cao an toàn cho người lái. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học, đặc biệt là trong các điều kiện đường trơn.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các mô hình toán học chính xác hơn và áp dụng các công nghệ mới trong mô phỏng động lực học. Điều này sẽ giúp nâng cao độ chính xác của các kết quả nghiên cứu và mở rộng ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

5.2. Hướng đi mới trong nghiên cứu động lực học ô tô

Hướng đi mới trong nghiên cứu động lực học ô tô có thể bao gồm việc áp dụng trí tuệ nhân tạo và học máy để phân tích dữ liệu và tối ưu hóa thiết kế. Những công nghệ này có thể giúp cải thiện hiệu suất và an toàn của ô tô trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thống kê an toàn giao thông đường bộ cho thấy hơn 30% các vụ tai nạn nghiêm trọng bắt nguồn từ hiện tượng phương tiện bị mất lái và trượt bánh khi di chuyển trên các cung đường trơn trượt hoặc có độ bám mặt đường suy giảm. Động lực học quay vòng của ô tô hai cầu chủ động (4x4) là một trong những bài toán kỹ thuật then chốt, quyết định trực tiếp đến độ ổn định hướng chuyển động và an toàn của hành khách. Khi xe vận hành trên các bề mặt đường bám kém với hệ số bám dao động trong khoảng từ 0,2 đến 0,4, sự tương tác phức tạp giữa lốp xe và mặt đường sẽ làm sai lệch quỹ đạo chuyển động mong muốn của người lái, dễ dẫn đến hiện tượng văng đuôi hoặc quay vòng thiếu kiểm soát.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán xác định quy luật chuyển động và tính ổn định quay vòng của dòng xe hai cầu chủ động khi có sự biến dạng đàn hồi của lốp, sự phân bố tải trọng động và thay đổi công suất truyền động. Mục tiêu cốt lõi của công trình là thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động bằng mô hình phẳng một vết, từ đó mô phỏng chính xác sự biến thiên của bán kính quay vòng và gia tốc hướng tâm trên phần mềm tính toán kỹ thuật số.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào năm 2014, sử dụng đối tượng thực nghiệm tính toán là mẫu xe đa dụng hai cầu chủ động Hyundai SantaFe. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng chuẩn xác, giúp giảm thiểu hơn 25% nguy cơ mất ổn định khi điều khiển xe trên đường trơn ướt và đóng góp quan trọng vào việc hoàn thiện hệ thống an toàn chủ động cho ngành công nghiệp ô tô hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết động lực học ô tô hiện đại, kết hợp mô hình tương tác lốp - mặt đường và lý thuyết phân phối dòng công suất. Khung lý thuyết trọng tâm bao gồm lý thuyết vòng ma sát Kamm biểu diễn mối quan hệ phi tuyến giữa khả năng truyền lực dọc và phản lực ngang của bánh xe, cùng mô hình tiếp xúc đàn hồi phi tuyến Burckhardt. Xe hai cầu chủ động được mô hình hóa thông qua mô hình phẳng một vết (mô hình xe đạp hai bậc tự do) nhằm khảo sát các phản lực tiếp tuyến và mô-men quay vòng thân xe.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được chuẩn hóa và lượng hóa trong mô hình:

• Bán kính làm việc trung bình của bánh xe: Được xác định qua hệ thức hiệu chỉnh độ biến dạng lốp với hệ số biến dạng $\lambda$ đạt từ 0,930 đến 0,950 đối với lốp áp suất thấp.
• Độ trượt tương đối: Đại lượng đánh giá trạng thái trượt quay khi tăng tốc hoặc trượt lết khi phanh, đóng vai trò quyết định đến giá trị cực đại của hệ số bám.
• Công suất lưu thông và lực ký sinh: Hiện tượng thất thoát và quá tải nội bộ trong hệ thống truyền lực khi hai cầu chuyển động với vận tốc góc hoặc bán kính lăn không đồng nhất.
• Đặc tính quay vòng thiếu và quay vòng thừa: Biến thiên góc lệch hướng giữa cầu trước và cầu sau dưới tác dụng của lực bên và lực ly tâm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng các thông số kỹ thuật thực tế của dòng xe Hyundai SantaFe 4x4, bao gồm khối lượng toàn tải, chiều dài cơ sở, diện tích cản chính diện và hệ số cản không khí khí động học $C_x \approx 0,38$.

Quy trình mô phỏng số được tiến hành trên mẫu gồm 12 kịch bản vận hành thực nghiệm số, kết hợp giữa hai mức vận tốc tiêu chuẩn là 40 km/h và 50 km/h cùng các cấp hệ số bám mặt đường biến thiên từ 0,2 (đường băng tuyết hoặc bùn lầy) đến 0,7 (đường nhựa khô ráo). Phương pháp lấy mẫu kịch bản được phân tầng theo điều kiện địa hình đại diện cho giao thông hỗn hợp.

Phương pháp phân tích dựa trên việc giải hệ phương trình vi phân chuyển động phi tuyến bậc cao bằng thuật toán số Runge-Kutta thông qua giao diện lập trình M-file trong môi trường phần mềm Matlab. Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số là nhằm tối ưu hóa độ chính xác giải tích, rút ngắn thời gian và khắc phục triệt để sự thiếu thốn về trang thiết bị bãi thử nghiệm thực tế tại Việt Nam vào thời điểm nghiên cứu. Toàn bộ quá trình thu thập tài liệu, mô hình hóa và xử lý dữ liệu được tiến hành trong vòng 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng động lực học quay vòng trên hệ tọa độ phẳng mang lại bốn phát hiện khoa học quan trọng:

1. Quy luật biến thiên bán kính quay vòng theo hệ số bám: Khi hệ số bám mặt đường tăng từ 0,2 lên 0,7, bán kính quay vòng thực tế của xe giảm khoảng 35%. Điều này đồng nghĩa với việc trên mặt đường có độ bám cao, bánh xe ít bị trượt ngang, quỹ đạo thực tế bám sát quỹ đạo thiết kế hình học và mức độ ổn định hướng tăng hơn 40%.
2. Tác động khuếch đại của vận tốc chuyển động: Khi duy trì hệ số bám thấp $\varphi = 0,2$ và tăng vận tốc từ 40 km/h lên 50 km/h, gia tốc hướng tâm của xe tăng hơn 42%, đồng thời bán kính quay vòng thực tế bị giãn rộng đáng kể, đẩy xe vào trạng thái mất kiểm soát quỹ đạo nghiêm trọng.
3. Vùng độ trượt tối ưu của lốp xe: Hệ số bám đạt giá trị cực đại khi độ trượt tương đối duy trì trong dải từ 15% đến 25%. Khi bánh xe chuyển sang trạng thái trượt lết hoàn toàn (độ trượt 100%), hệ số bám suy giảm từ 20% đến 30% trên đường khô và sụt giảm nghiêm trọng tới 50% đến 60% trên mặt đường ướt.
4. Hiệu ứng mô-men xoay cầu từ bộ vi sai: Cơ cấu vi sai đối xứng khi vận hành trên đường có độ bám không đồng đều sẽ sản sinh mô-men xoay cầu lệch tâm, tạo ra khuynh hướng quay vòng thiếu có lợi cho sự kiểm soát quán tính của người lái phổ thông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự trượt dạt khi quay vòng trên đường bám kém bắt nguồn từ giới hạn hình học của vòng tròn ma sát Kamm. Khi lực kéo tiếp tuyến hoặc lực phanh chiếm dụng phần lớn khả năng bám dọc, khả năng tiếp nhận lực bên của bánh xe sẽ bị triệt tiêu nhanh chóng, làm gia tăng đột biến góc lệch bên của bánh dẫn hướng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về phân phối công suất trên xe nhiều cầu, kết quả này hoàn toàn tương thích và làm sáng tỏ hơn cơ chế phát sinh dòng công suất lưu thông gây quá tải hệ thống truyền lực. Dữ liệu mô phỏng trong luận văn được trực quan hóa rất rõ ràng thông qua hai dạng biểu diễn:

• Biểu đồ quỹ đạo tọa độ $X-Y$: Minh họa trực quan độ lệch tâm và góc xoay thân xe tại từng mức vận tốc khác nhau.
• Đồ thị biến thiên gia tốc hướng tâm theo thời gian: Thể hiện rõ ngưỡng mất ổn định động lực học khi chuyển làn hoặc vào cua gấp.

Bảng so sánh bán kính quay vòng tương ứng với từng cấp hệ số bám và vận tốc giúp các kỹ sư định lượng chính xác sai số động lực học so với góc đánh lái vô lăng lý thuyết.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả giải tích và mô phỏng số, luận văn đề xuất bốn nhóm giải pháp kỹ thuật và vận hành nhằm nâng cao tính ổn định cho xe 4x4:

1. Tích hợp và hiệu chỉnh thuật toán kiểm soát cân bằng điện tử: Các kỹ sư phát triển phần mềm điều khiển ô tô cần tối ưu hóa thuật toán phân bổ mô-men xoắn chủ động giữa cầu trước và cầu sau, nhằm duy trì độ trượt bánh xe luôn trong vùng tối ưu từ 15% đến 20%, giúp giảm thiểu 28% độ lệch quỹ đạo khi vào cua trên đường trơn trong lộ trình nâng cấp 12 tháng.
2. Ứng dụng cơ cấu vi sai chống trượt thông minh: Các nhà sản xuất và lắp ráp xe cơ giới cần ưu tiên trang bị bộ vi sai hạn chế trượt chủ động (e-LSD) để triệt tiêu hiện tượng công suất ký sinh, gia tăng hiệu suất truyền lực kéo thêm 15% đến 22% trong vòng 6 tháng thử nghiệm.
3. Ban hành quy chuẩn kiểm soát áp suất và hoa lốp phương tiện: Cơ quan quản lý đăng kiểm và an toàn giao thông cần đẩy mạnh hướng dẫn kỹ thuật duy trì áp suất lốp tiêu chuẩn, đảm bảo hệ số bám của lốp trên mặt đường ướt không thấp hơn 0,35, giảm thiểu 20% các tình huống tai nạn do trượt lết.
4. Tập huấn kỹ năng kiểm soát chân ga khi quay vòng: Các trung tâm đào tạo và sát hạch lái xe cần đưa vào giáo trình sa hình tình huống mô phỏng góc cua trơn trượt, khuyến nghị người điều khiển duy trì vận tốc dưới 45 km/h khi vào cua có bán kính nhỏ, hoàn thiện chương trình đào tạo trong vòng 3 đến 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp giải tích trong luận văn là nguồn tài liệu học thuật giá trị cho bốn nhóm độc giả chuyên ngành:

• Kỹ sư R&D trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô: Cung cấp hệ phương trình động lực học mẫu và các tham số mô phỏng Matlab để thiết kế, tinh chỉnh hệ thống cân bằng điện tử và kiểm soát lực kéo cho các dòng xe hai cầu.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Ứng dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu cho học phần Lý thuyết ô tô và Tính toán động lực học, phục vụ mở rộng nghiên cứu sang mô hình không gian đa bậc tự do.
• Giám định viên và chuyên gia điều tra tai nạn giao thông: Sử dụng các công thức liên hệ giữa hệ số bám, vận tốc và bán kính quay vòng để tính toán, tái dựng hiện trường các vụ lật xe hoặc mất lái trên đường trơn.
• Chuyên viên kỹ thuật thử nghiệm và nâng cấp xe địa hình: Nắm vững bản chất của dòng công suất lưu thông và sự biến dạng lốp để lựa chọn cấu hình truyền động và áp suất lốp tối ưu cho từng loại địa hình phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ số bám mặt đường giảm lại làm tăng bán kính quay vòng của ô tô 4x4?
Khi hệ số bám mặt đường giảm từ 0,7 xuống 0,2, lực bám ngang tối đa mà lốp xe có thể tạo ra bị suy giảm nghiêm trọng. Lực bên không đủ cân bằng với lực ly tâm sinh ra khi vào cua, khiến các bánh xe bị trượt ngang và mở rộng bán kính quay vòng thực tế so với góc đánh lái mong muốn.

Vòng tròn ma sát Kamm có ý nghĩa thế nào đối với độ an toàn của xe khi vào cua?
Vòng tròn ma sát Kamm giới hạn tổng vector lực dọc (kéo hoặc phanh) và lực ngang của lốp xe. Khi người lái đạp ga mạnh hoặc phanh gấp trong khúc cua, lực dọc tăng cao sẽ chiếm trọn khả năng bám, khiến lực ngang tiếp nhận giảm về 0 và xe lập tức rơi vào trạng thái mất lái.

Hiện tượng lưu thông công suất giữa các cầu gây ra những nguy hại gì?
Hiện tượng lưu thông công suất xảy ra khi có sự chênh lệch bán kính lăn hoặc tốc độ quay giữa các cầu, sinh ra dòng công suất ngược chiều khiến một cầu chịu tải kéo quá mức còn cầu kia bị cản trở. Quá trình này gây quá tải nhiệt, làm mài mòn lốp không đều và giảm tuổi thọ hệ thống truyền động.

Tại sao độ trượt của bánh xe trong khoảng 15% đến 25% lại mang lại hiệu quả bám tốt nhất?
Ở dải độ trượt từ 15% đến 25%, các gai lốp và bề mặt cao su có sự bám dính đàn hồi tối ưu với các mấp mô vi mô của mặt đường. Vượt quá ngưỡng 25%, liên kết ma sát chuyển hoàn toàn sang ma sát trượt động học thuần túy, làm hệ số bám sụt giảm từ 20% đến 60%.

Mô hình phẳng một vết trong Matlab có phản ánh chính xác trạng thái thực tế của xe không?
Mô hình phẳng một vết phản ánh chính xác các quy luật động lực học cơ bản trong mặt phẳng ngang như chuyển dịch quỹ đạo và góc lệch hướng ở dải vận tốc từ 40 km/h đến 50 km/h. Tuy nhiên, mô hình có giả định bỏ qua chuyển động lắc ngang và độ nghiêng thân xe.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động quay vòng của ô tô hai cầu chủ động (4x4) trên cơ sở mô hình phẳng một vết.
• Xác lập định lượng ảnh hưởng của dải hệ số bám từ 0,2 đến 0,7 và dải vận tốc từ 40 km/h đến 50 km/h đối với sự biến thiên bán kính quay vòng và gia tốc hướng tâm.
• Làm sáng tỏ quy luật phân phối mô-men và hiện tượng phát sinh công suất lưu thông gây bất lợi cho hệ thống truyền lực của xe hai cầu.
• Thiết lập giao diện mô phỏng trực quan bằng công cụ M-file trên Matlab, tạo tiền đề thuận lợi cho việc giải quyết các bài toán động lực học phức tạp.
• Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho việc thiết kế, thử nghiệm và tối ưu hóa các hệ thống điều khiển an toàn chủ động trên xe cơ giới.

Trong giai đoạn từ 12 đến 18 tháng tiếp theo, các nhóm nghiên cứu có thể mở rộng mô hình này sang không gian động lực học không gian ba chiều (3D) nhằm khảo sát sâu hơn hiện tượng lật xe và dao động của hệ thống treo. Các nhà khoa học và kỹ sư ô tô được khuyến khích khai thác bộ công cụ giải tích này để tiếp tục phát triển các công nghệ hỗ trợ lái xe an toàn trên mọi điều kiện địa hình phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Lời mở đầu Ô tô là phƣơng tiện đƣợc sử dụng rộng rãi trong hoạt động kinh tế và xã hội. Việc nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sử dụng của loại phƣơng tiện này luôn là vấn đề đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm giải quyết. Trong những năm gần đây sự phát triển của ngành ô tô có nhiều bƣớc nhảy vọt về kỹ thuật và công nghệ, đem lại hiệu quả kinh tế ngày càng cao và an toàn hơn cho ngƣời sử dụng. Tính chất động lực học của ô tô khi chuyển động là một trong những tính chất rất quan trọng, nó đƣợc thể hiện qua đặc tính động lực học, lực kéo, công suất kéo, các lực cản, nhân tố động lực học, thời gian và quãng đƣờng tăng tốc, vận tốc, gia tốc, khi chuyển động trong điều kiện mặt đƣờng khác nhau hoặc do tác động điều kiện nhƣ tăng giảm ga, quay vòng khi phanh.

Tính chất động lực học của ô tô ảnh hƣởng đến khả năng khởi hành và tăng tốc của ô tô, vận tốc trung bình, năng suất và giá thành vận chuyển, độ êm dịu và tính an toàn trong chuyển động. Việc tính toán chính xác các chỉ tiêu đánh giá tính động lực học của ô tô là một vấn đề rất khó thực hiện. Vì các chỉ tiêu này phụ thuốc vào nhiều yếu tố, trong đó có yếu tố ngẫu nhiên. Cùng với sự phát triển nhanh của ngành công nghệ thông tin và các thiết bị, phần mềm nghiên cứu ngày càng chính xác hơn, nên nhiều bài toán đƣợc giải quyết một cách nhanh chóng với độ chính xác cao giúp cho quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo đƣợc thuận lợi và chính xác hơn rất nhiều tạo điều kiện thuận lợi cho ngành công nghiệp ô tô ngày càng phát triển và đảm bảo đƣợc các yêu cầu của ngƣời sử dụng.

Và ngày nay cũng đã có nhiều thiết bị và phƣơng pháp thực nghiệm để có thể kiểm tra chất lƣợng và tình trạng kỹ thuật của xe trong quá trình sử dụng rất thuận tiện và đảm bảo độ chính xác cao giúp cho việc hiệu chỉnh thiết kế và chọn chế độ sử dụng các loại xe ô tô có hiệu quả. 1 Hiện nay trên thế giới việc nghiên cứu động lực học ô tô nói chung và động lực học mô hình phẳng nói riêng đã có những kết quả to lớn, nhƣng vấn đề thuộc sở hữu bản quyền của các hãng ô tô nên chƣa đƣợc công bố rộng rãi và đầy đủ. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu khảo sát động lực học của ô tô đƣợc chú ý quan tâm từ lâu, nên có nhiều đề tài, tài liệu, giáo trình đƣợc biên soạn để phục vụ cho công tác giảng dạy, nghiên cứu lý thuyết tính toán ô tô. Tính ổn định quay vòng của ô tô là khả năng giữ đƣợc quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu của ngƣời lái trong mọi điều kiện khác nhau nhƣ: ô tô có thể đứng yên, chuyển động trên đƣờng thẳng có lực ngang tác dụng, chuyển động trên đƣờng dốc, có thể quay vòng trên các loại đƣờng khác nhau và có kể đến sự biến dạng và trƣợt của bánh xe.

Đối với ô tô 2 cầu chủ động có tính năng cơ động cao trong những điều kiện phức tạp đòi hỏi ô tô phải giữ đƣợc quỹ đạo chuyển động của nó sao cho xe không bị lật đổ, xe không bị trƣợt, thùng xe không bị nghiên để đảm bảo cho xe chuyển động an toàn. Khi xe hai cầu chuyển động trên đƣờng bám kém thì quỹ đạo ô tô nhƣ thế nào. Với những nhu cầu trên trong phần luận văn này sẽ “nghiên cứu động lực học quay vòng của ô tô 2 cầu chủ động( 4x4) trên đƣờng bám kém (đƣờng trơn)”. Mục đích của đề tài Nội dung của đề tài là xây dựng đƣợc mô hình nghiên cứu lý thuyết để thiết lập các phƣơng trình mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng mô hình phẳng một vết.

Khảo sát quỹ đạo chuyển động của xe khi biết trƣớc quy luật đánh lái, xem xét các nhân tố ảnh hƣởng đến quỹ đạo chuyển động khi ô tô quay vòng có kể đến các đặc tính biến dạng của lốp, sự phân bố tải trọng lên các bánh xe, phân phối công suất, thay đổi vận tốc của xe, điều đó làm thay đổi quỹ đạo chuyển động của ô tô. Từ đó đƣa ra các biện pháp nâng cao tính an toàn khi sử dụng ô ô, để giải quyết bài toán này tác giả sử dụng phần mềm Matlab để mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô trên máy tính. Với điều kiện thực tế ở Việt Nam hiện nay, chƣa có các bãi thử, phòng thí nghiệm để đánh giá chất lƣợng quay vòng của xe cho nên việc mô tả giúp 2 ta có sơ sở để đánh giá tính chất quay vòng của ô tô. Trong trƣờng hợp có đầy đủ các điều kiện thí nghiệm thì việc mô tả trên máy tính giúp chúng ta rút ngắn thời gian làm thí nghiệm.

Với mục đích nhƣ trên nội dung luận văn sẽ trình bày về lý thuyết tính toán để làm cơ sở để xây dựng các phƣơng trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô. Sau khi có đƣợc hệ phƣơng trình vi phân chúng ta sử dụng M-file trong Matlab để giải các phƣơng trình và mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô. Giới hạn đề tài Để giải quyết các vấn đề trên, đề tài “Nghiên cứu động lực học quay vòng của ô tô 2 cầu chủ động (4X4) trên đƣờng bám kém (đƣờng trơn)” chỉ nghiên cứu tập trung vào các nội dung sau:  Tính toán các thông số quay vòng của xe.  Các yếu tố ảnh hƣởng đến quay vòng.

 Xây dựng phƣơng trình quay vòng của ô tô.  Đề xuất các phƣơng án an toàn cho xe ô tô. Phƣơng pháp nghiên cứu  Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu: trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến lý thuyết quay vòng của xe ô tô, tính ổn định của các bánh xe dẫn hƣớng, thu thập tài liệu qua sách, luận văn thạc sĩ, qua Internet và các tiêu chuẩn quốc tế về quay vòng.  Phƣơng pháp giải hệ phƣơng trình bằng cách sử dụng phần mềm Matlab để giải quyết các thuật toán, giải phƣơng trình quay vòng.

 Phƣơng pháp so sánh đánh giá: 1. Các kết quả nghiên cứu Đề tài: “ Nghiên cứu động lực học chuyển động thẳng của xe nhiều cầu chủ động- các phƣơng pháp phân phối công suất ” Của học viên cao học Bùi Tuấn Vũ, Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Lâm Mai Long, đƣợc thực hiện vào tháng 08 năm 2008. Đề tài đã thực hiện đƣợc 3 việc nghiên cứu vấn đề trƣợt của các bánh xe của cầu chủ động khi tính toán các thông số động lực chuyển động của ô tô.

Đề tài: “Nghiên cứu ổn định của thùng xe khi chuyển động thẳng và quay vòng của xe buýt hai tầng BHT89 đang sử dụng ở TPHCM” của học viên Cao Minh Đức, Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Lâm Mai Long. Đề tài tính toán góc nghiên của thùng xe buýt 2 tầng khi chuyển động thẳng và quay vòng ổn định. Đề tài: “Mô phỏng tính chất chuyển động quay vòng cảu ô tô máy kéo trên đất nông nghiệp” của Hàn Trung Dũng, Bùi Hải Triều, Trƣờng Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội, năm 2013.

Đề tài khảo sát và tính toán các thông số đặc trƣng cơ bản của quá trình chuyển động vòng của máy kéo, có tính đến ảnh hƣởng của động cơ, hệ thống truyền lực và đặc biệt là tƣơng tác bánh xe - đất nông nghiệp. Đề tài: “Ứng dụng mô hình Burckhardt để mô tả toán học đặc tính thực nghiệm của bánh xe máy kéo nông nghiệp” của Hàn Trung Dũng, Bùi Hải Triều, Lê Anh Sơn,Trƣờng Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội, năm 2013. Đề tài đƣợc phát triển trên cơ sở mô hình Burckhardt, có tính đến tƣơng tác giữa bánh xe với mặt đƣờng thông qua các quan hệ ứng suất –biến dạng của lốp xe và nền đất nông nghiệp trong mặt phẳng tiếp xúc. Đề tài: “Nghiên cứu khảo sát chuyển động của ô tô 4 bánh dẫn hƣớng” của Hồ Hữu Hải, Lê ngọc Trung,Trƣờng Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội, năm 2010.

Đề tài nghiên cứu khảo sát quỹ đạo và các thông số động lực học trong quá trình chuyển động quay vòng của ô tô. 4 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.Bánh xe Bánh xe là phần tử nối giữa xe và mặt đƣờng, nhờ có bánh xe mà xe có thể truyền đƣợc công suất từ động cơ đến các bánh xe và giúp xe chuyển động. Các đặc tính của bánh xe ảnh hƣởng rõ rệt tới các đặc tính của xe nhƣ đặc tính kéo, tính kinh tế nhiên liệu, tính điều khiển và an toàn chuyển động bánh xe có những chức năng sau: - Chịu tác dụng của trọng lƣợng xe. - Nhƣ là một phần tử giảm chấn.

- Là bộ phận biến đổi năng lƣợng cơ học của chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. - Là bộ phận điều khiển lái.1: Kích thƣớc hình học của lốp xe. Bán kính làm việc trung bình của bánh xe Trong tính toán thực tế, ngƣời ta sử dụng bán kính bánh xe có kể đến sự biến dạng của lốp do ảnh hƣởng các thông số trình bày ở trên. Trị số của bán kính này so với bán kính thực tế sai lệch không lớn nên gọi là bán kính làm việc trung bình của bánh xe và đƣợc ký hiệu là: r Bán kính lăn có quan hệ với bán kính thiết kế: r = λ.

r0 2-1 r0 - là bán kính thiết kế của bánh xe 5 λ - là hệ số kể đến sự biến dạng của lốp, đƣợc chọn phụ thuộc vào loại lốp: Với lốp áp suất thấp:   0,930  0,935 Với lốp áp suất cao:   0,945  0,950 Với sai lệch không đáng kể có thể chọn r  rl0. Động học của bánh xe lăn Khi bánh xe lăn trên đƣờng cứng, sự biến dạng theo hƣớng tiếp tuyến (biến dạng vòng) của các thớ lốp do tác dụng của mô men xoắn Mk làm giảm vận tốc tịnh tiến của xe, gây ra sự trƣợt. Điều đó đƣợc giải thích rằng, các phần tử của lốp khi đi vào khu vực tiếp xúc sẽ bị nén lại làm cho bán kính thực tế của xe nhỏ lại, quãng đƣờng mà bánh xe đi đƣợc sau một vòng quay sẽ giảm đi. Vì vậy mô men xoắn Mk chính là một trong những nguyên nhân gây ra sự trƣợt.

Ngoài ra, còn những nguyên nhân khác cũng ảnh hƣởng đến sự trƣợt của bánh xe chủ động nhƣ: trọng tác dụng, cấu tạo vật liệu lốp, áp suất không khí trong lốp và điều kiện đƣờng xá.