Đồ án tốt nghiệp: Ổn định quay vòng xe nhiều cầu chủ động 4x4

Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật ô tô: Nghiên cứu ổn định xe 4x4. Giải pháp cải thiện độ bám đường, chống lật xe địa hình, an toàn vượt trội.

• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Ổn định (quay vòng và chuyển động thẳng) chuyển động xe nhiều cầu chủ động (4x4)
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
• Lời mở đầu
• Mục đích của đề tài
• Giới hạn của đề tài
• Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ HỌC LĂN – GÓC LỆCH HƯỚNG – ĐẶC TÍNH HƯỚNG
• 2.1. Bán kính thiết kế r0
• 2.2. Bán kính tự do rtd
• 2.3. Bán kính tĩnh rt
• 2.4. Bán kính động lực học rd
• 2.5. Bán kính tính toán (bán kính làm việc trung bình) r
• 2.6. Động học lăn của bánh xe không biến dạng
• 2.7. Các quan hệ động học khi bánh xe lăn
• 2.8. Động lực học chuyển động bánh xe
• 2.9. Bánh xe bị động không phanh (Mk = 0, MP = 0)
• 2.10. Bánh xe chủ động (Mk ≠ 0, Mp = 0)
• 2.11. Bánh xe chủ động hoặc bị động bị phanh (Mp ≠ 0, Mk = 0)
• 2.12. Sự bám và đặc tính trượt của bánh xe
• 2.13. Đặc tính trượt
• 2.14. Góc lệch hướng và đặc tính hướng
• 2.15. Khái niệm góc lệch hướng
• 2.16. Đặc tính hướng
• 3. CHƯƠNG 3: SỰ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG TRÊN XE NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG
• 3.1. Quá trình truyền năng lượng từ động cơ tới bánh xe chủ động
• 3.2. Sự truyền và biến đổi năng lượng trong hệ thống truyền lực
• 3.3. Quá trình biến đổi năng lượng trong hệ thống chuyển động
• 3.4. Phân phối công suất trên ô tô
• 3.5. Sự phân phối công suất của vi sai ở cầu chủ động
• 3.6. Động học của cơ cấu vi sai
• 3.7. Động học và mô men của vi sai bánh xe
• 3.8. Quan hệ mô men
• 3.9. Quan hệ về lực của cầu có vi sai
• 3.10. Phân phối công suất không vi sai
• 3.11. Các quan hệ động học và moment.Nghiên cứu quá trình chuyển động thẳng
• 3.12. Trạng thái lăn của cầu – Hiện tượng lưu thông công suất
• 4. CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG
• 4.1. Xây dựng hệ trục tọa độ khảo sát
• 4.2. Các lực tác dụng lên ô tô
• 4.3. Trong mặt phẳng dọc
• 4.4. Lực kéo Fk
• 4.5. Lực cản lăn Ff
• 4.6. Mô men cản lăn Mf
• 4.7. Phản lực pháp tuyến Z1, Z2
• 4.8. Lực cản không khí Fω
• 4.9. Lực cản quán tính Fj
• 4.10. Trong mặt phẳng ngang
• 4.11. Lực bên (lực ngang) Fy
• 4.12. Mô men đàn hồi Mz:
• 4.13. Lực ly tâm Flt
• 4.14. Mô hình khảo sát và các quan hệ động học, động lực học ô tô 1 cầu và 2 cầu chủ động
• 4.15. Động lực học ô tô 1 cầu chủ động
• 4.16. Cầu trước chủ động
• 4.17. Cầu sau chủ động
• 4.18. Động lực học ô tô 2 cầu chủ động
• 4.19. Ảnh hưởng của góc lệch hướng đến động lực học quay vòng của ô tô
• 5. CHƯƠNG 5: LẬP MÔ HÌNH VÀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE Ô TÔ DU LỊCH 4X4
• 5.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản Toyota Fortuner 2
• 5.2. Các thông số tính toán
• 5.3. Tính toán ổn đinh quay vòng
• 5.4. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động quay vòng trên labview
• 5.5. Mô tả quỹ đạo ổn định chuyển động thẳng.Tính toán bán kính R(Yw)
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án tốt nghiệp về ổn định xe 4x4 toàn diện

Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật ô tô về ổn định xe 4x4 là một công trình nghiên cứu chuyên sâu, tập trung vào việc phân tích và đánh giá khả năng duy trì quỹ đạo chuyển động của xe nhiều cầu chủ động trong các điều kiện vận hành đa dạng. Tính ổn định chuyển động được định nghĩa là khả năng xe giữ vững hướng đi thẳng mong muốn mà không bị lệch quỹ đạo khi không có tác động từ người lái, đồng thời phản ứng chính xác khi thực hiện các thao tác quay vòng. Đề tài này có vai trò cực kỳ quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô, bởi lẽ ổn định xe 4x4 không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn của người sử dụng mà còn quyết định đến hiệu suất vận hành và cảm giác lái. Mục đích chính của nghiên cứu là xây dựng một mô hình lý thuyết vững chắc, cụ thể là mô hình phẳng một vết, để thiết lập các phương trình toán học mô tả chính xác quỹ đạo chuyển động của xe. Thông qua mô hình này, đề tài tiến hành khảo sát các yếu tố then chốt ảnh hưởng đến quỹ đạo, bao gồm đặc tính biến dạng của lốp, sự phân bố tải trọng, phương thức phân phối công suất và sự thay đổi vận tốc. Một điểm nhấn quan trọng của đồ án là việc so sánh tính ổn định giữa xe hai cầu chủ động (4x4) và xe một cầu chủ động (4x2), làm rõ những ưu và nhược điểm của từng hệ thống. Nguyên nhân sâu xa gây mất ổn định, đặc biệt là góc lệch hướng tại các bánh xe, được xem xét kỹ lưỡng. Góc này không chỉ phụ thuộc vào lực ngang mà còn chịu ảnh hưởng lớn từ việc bố trí cầu chủ động và độ lớn của lực kéo. Do đó, việc nghiên cứu cách lực kéo được phân bố sẽ làm sáng tỏ sự khác biệt về độ trượt và tính ổn định giữa các loại xe. Đề tài đặt ra một nền tảng vững chắc cho việc cải tiến thiết kế hệ thống treo, hệ thống lái và các hệ thống an toàn điện tử trong tương lai.

1.1. Mục tiêu và giới hạn nghiên cứu ổn định chuyển động ô tô

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng thành công mô hình toán học cho phép mô phỏng và phân tích quỹ đạo chuyển động của xe. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào việc thiết lập các phương trình mô tả chuyển động quay vòng và chuyển động thẳng, có tính đến các yếu tố động lực học phức tạp. Các yếu tố này bao gồm đặc tính hướng của lốp, sự phân bố lại tải trọng khi xe tăng tốc, phanh hoặc vào cua, và đặc biệt là cách phân phối công suất đến các cầu xe. Đồ án đặt ra câu hỏi: xe hai cầu chủ động (4x4) khác biệt như thế nào so với xe một cầu chủ động về mặt ổn định? Để trả lời, đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu trong việc tính toán các thông số quay vòng, phân tích các yếu tố ảnh hưởng và xây dựng phương trình chuyển động dựa trên mô hình phẳng một vết. Giới hạn này giúp đơn giản hóa bài toán mà vẫn giữ được các đặc tính động lực học cốt lõi, cho phép tập trung vào ảnh hưởng của góc lệch hướng và lực kéo.

1.2. Phương pháp luận và công cụ sử dụng trong đồ án kỹ thuật

Để đạt được các mục tiêu đề ra, đồ án áp dụng một phương pháp nghiên cứu đa dạng và có hệ thống. Phương pháp chính là nghiên cứu tài liệu, trong đó các lý thuyết về quay vòng, lý thuyết ổn định chuyển động, và cơ học bánh xe được tổng hợp từ sách chuyên ngành, các luận văn uy tín và tiêu chuẩn quốc tế. Nguồn tài liệu phong phú này cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc cho việc xây dựng mô hình. Tiếp theo, phương pháp giải hệ phương trình được triển khai bằng cách sử dụng phần mềm LabVIEW. Công cụ này đóng vai trò then chốt trong việc giải các thuật toán phức tạp và các phương trình vi phân mô tả chuyển động quay vòng của xe. LabVIEW cho phép mô phỏng quỹ đạo chuyển động của xe dưới các điều kiện vận tốc và quy luật đánh lái khác nhau, tạo ra các kết quả trực quan. Cuối cùng, phương pháp so sánh và đánh giá được sử dụng để đối chiếu kết quả mô phỏng giữa các trường hợp xe một cầu và hai cầu chủ động, từ đó rút ra những kết luận khoa học về tính ổn định xe 4x4.

II. Thách thức cốt lõi Góc lệch hướng và cơ học lăn bánh xe

Một trong những thách thức lớn nhất đối với việc đảm bảo ổn định xe 4x4 là kiểm soát góc lệch hướng của bánh xe. Đây là một hiện tượng động lực học phức tạp, là nguyên nhân chính dẫn đến các trạng thái quay vòng không mong muốn như quay vòng thừa hoặc quay vòng thiếu. Góc lệch hướng được định nghĩa là góc tạo bởi mặt phẳng dọc của bánh xe và hướng di chuyển thực tế của nó. Khi xe chịu tác động của một lực ngang, ví dụ như lực ly tâm khi vào cua hoặc lực gió tạt ngang, lốp xe sẽ bị biến dạng đàn hồi. Sự biến dạng này làm cho vết tiếp xúc của lốp trên mặt đường bị lệch đi, khiến xe di chuyển theo một quỹ đạo hơi khác so với hướng mà bánh xe đang chỉ. Độ lớn của góc lệch hướng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: lực ngang tác dụng, tải trọng thẳng đứng lên bánh xe, áp suất lốp, kết cấu lốp và đặc biệt là lực kéo hoặc lực phanh tác dụng lên bánh xe đó. Theo tài liệu nghiên cứu, mối quan hệ giữa lực ngang (Fy) và góc lệch (α) có thể được mô tả qua công thức Fy = Cα.qT, trong đó Cα là hệ số chống lệch bên. Điều này cho thấy, khi lực ngang tăng, góc lệch hướng cũng tăng theo, làm gia tăng nguy cơ mất ổn định. Hơn nữa, sự hiện diện của lực kéo (lực dọc) sẽ làm giảm khả năng tiếp nhận lực bên của lốp, một khái niệm được minh họa rõ qua đồ thị Kamm. Khi lực kéo đạt đến giới hạn bám, khả năng chống lại lực ngang của lốp gần như bằng không, dẫn đến hiện tượng trượt ngang và mất kiểm soát. Việc hiểu rõ và mô hình hóa chính xác hiện tượng này là chìa khóa để phân tích và cải thiện ổn định xe 4x4.

2.1. Phân tích các loại bán kính và động học lăn của bánh xe

Cơ học lăn của bánh xe là nền tảng để hiểu về chuyển động của ô tô. Bánh xe không chỉ chịu trọng lượng xe mà còn chuyển đổi năng lượng quay từ động cơ thành chuyển động tịnh tiến. Để phân tích chính xác, cần phân biệt các loại bán kính bánh xe: bán kính thiết kế (r0), bán kính tĩnh (rt), và quan trọng nhất là bán kính lăn (rl). Bán kính lăn không phải là một thông số hình học cố định mà là một thông số động học, được định nghĩa là tỷ lệ giữa vận tốc tịnh tiến và vận tốc góc của bánh xe (rl = v/ωk). Giá trị của nó thay đổi tùy thuộc vào tải trọng, áp suất lốp, và đặc biệt là mô-men xoắn (lực kéo hoặc lực phanh) tác dụng lên bánh xe. Khi lực kéo tăng, hiện tượng trượt quay xuất hiện, làm giảm bán kính lăn. Ngược lại, khi phanh, hiện tượng trượt lết làm tăng bán kính lăn. Sự thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc thực tế của xe và là một yếu tố quan trọng trong các bài toán về phân phối công suất và ổn định.

2.2. Đặc tính hướng và sự ảnh hưởng của lực dọc lên lốp xe

Đặc tính hướng mô tả mối quan hệ tổng hợp giữa góc lệch hướng, lực ngang, lực dọc và các yếu tố khác. Một trong những khái niệm quan trọng nhất trong đặc tính hướng là giới hạn bám của lốp, được biểu diễn qua đồ thị Kamm (hay còn gọi là vòng tròn ma sát). Đồ thị này cho thấy khả năng của lốp trong việc tạo ra lực dọc (lực kéo/phanh) và lực ngang (lực vào cua) là có giới hạn. Hợp lực của hai lực này không thể vượt ra ngoài một đường tròn hoặc elip nhất định. Điều này có nghĩa là khi tài xế sử dụng tối đa lực kéo để tăng tốc, khả năng tạo ra lực ngang để vào cua của lốp sẽ bị giảm đi đáng kể, và ngược lại. Khi một chiếc xe vào cua ở tốc độ cao, lực ly tâm tạo ra một lực ngang lớn. Đồng thời, lực kéo cần thiết để duy trì tốc độ cũng tác động lên bánh xe. Sự kết hợp này có thể đẩy lốp đến giới hạn bám, làm tăng đột ngột góc lệch hướng và gây ra hiện tượng trượt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến ổn định xe 4x4.

III. Phương pháp phân phối công suất tối ưu cho ổn định xe 4x4

Việc phân phối công suất từ động cơ đến các bánh xe chủ động là một trong những yếu tố quyết định đến ổn định xe 4x4. Trong một chiếc xe nhiều cầu chủ động, dòng năng lượng không chỉ được truyền đến hai bánh xe trên một cầu mà còn được phân chia giữa cầu trước và cầu sau. Quá trình này được thực hiện bởi các cơ cấu cơ khí phức tạp như hộp phân phối và các bộ vi sai. Mục tiêu của việc phân phối này là đảm bảo mỗi bánh xe nhận được một lượng mô-men xoắn phù hợp với điều kiện bám tại thời điểm đó, nhằm tối ưu hóa lực kéo và duy trì sự ổn định, đặc biệt là khi quay vòng. Bộ vi sai đặt ở mỗi cầu cho phép hai bánh xe trái và phải quay với tốc độ khác nhau khi xe vào cua, ngăn ngừa hiện tượng trượt và mòn lốp. Tuy nhiên, một bộ vi sai thông thường (vi sai mở) có nhược điểm là sẽ truyền mô-men xoắn bằng nhau cho cả hai bánh. Nếu một bánh xe bị mất độ bám (ví dụ, đi vào vũng bùn), nó sẽ quay tít trong khi bánh xe còn lại có độ bám tốt lại không nhận được đủ mô-men để đẩy xe đi. Điều này không chỉ làm giảm khả năng vượt địa hình mà còn có thể gây mất ổn định đột ngột. Để giải quyết vấn đề này, các hệ thống 4x4 hiện đại thường sử dụng vi sai hạn chế trượt hoặc khóa vi sai, giúp truyền nhiều mô-men hơn đến bánh xe có độ bám tốt hơn. Việc phân tích dòng công suất, bao gồm cả những tổn hao do ma sát trong hệ thống truyền lực, là rất cần thiết để hiểu rõ cách mô-men được phân chia và ảnh hưởng của nó đến đặc tính hướng của xe.

3.1. Vai trò của bộ vi sai trong hệ thống truyền lực 4x4

Bộ vi sai là một cơ cấu hành tinh có ít nhất hai bậc tự do, đóng vai trò trung tâm trong việc phân phối công suất. Trong đồ án này, vi sai bánh răng nón đối xứng được nghiên cứu chi tiết. Về mặt động học, khi xe đi thẳng, vỏ vi sai và hai bán trục quay cùng một tốc độ. Khi xe quay vòng, bánh xe phía ngoài cần đi một quãng đường dài hơn và do đó phải quay nhanh hơn bánh xe phía trong. Bộ vi sai cho phép sự chênh lệch tốc độ này xảy ra một cách trơn tru. Về mặt mô-men, một bộ vi sai lý tưởng (không có ma sát) sẽ phân chia mô-men xoắn từ trục truyền động chính ra hai bán trục bằng nhau (Me = Mi = 0.5Mr). Tuy nhiên, trong thực tế, ma sát bên trong vi sai (hiệu suất riêng ηr < 1) làm cho mô-men phân bổ đến bánh xe quay chậm hơn (bánh trong) sẽ lớn hơn một chút so với bánh xe quay nhanh hơn (bánh ngoài). Sự chênh lệch nhỏ này tạo ra một mô-men xoay cầu, có xu hướng gây ra hiện tượng quay vòng thiếu, góp phần vào tính ổn định tự nhiên của xe.

3.2. Hiện tượng lưu thông công suất và tác động tiêu cực

Trong một số hệ thống 4x4 không sử dụng vi sai trung tâm mà dùng liên kết cứng giữa hai cầu, một hiện tượng tiêu cực gọi là lưu thông công suất có thể xảy ra. Hiện tượng này xuất hiện khi có sự chênh lệch nhỏ về bán kính lăn hiệu dụng giữa các bánh xe (do độ mòn lốp, áp suất hơi khác nhau). Khi đó, mặc dù xe đang đi thẳng, các bánh xe bị buộc phải quay cùng tốc độ góc, nhưng do bán kính lăn khác nhau, một số bánh xe sẽ có xu hướng bị trượt quay trong khi số khác lại bị trượt lết. Điều này tạo ra một dòng công suất ký sinh, vô ích, lưu thông trong một vòng khép kín: từ bánh xe bị trượt qua hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động khác, rồi lại qua khung xe quay trở lại. Dòng công suất này không tạo ra lực đẩy cho xe mà chỉ gây thêm tải trọng phụ lên các chi tiết truyền động, làm tăng mài mòn và tiêu hao nhiên liệu. Đây là lý do tại sao các xe 4x4 bán thời gian được khuyến cáo không nên gài chế độ 4WD trên đường khô, bằng phẳng.

IV. Lý thuyết ổn định chuyển động và mô hình động lực học ô tô

Để phân tích ổn định xe 4x4, việc xây dựng một mô hình động lực học chính xác là bước đi nền tảng. Lý thuyết ổn định chuyển động cung cấp các công cụ toán học để mô tả cách một chiếc xe phản ứng với các lực và mô-men tác động lên nó. Đồ án này sử dụng một hệ quy chiếu tương đối (Cxyz) gắn với trọng tâm của xe và một hệ quy chiếu tuyệt đối (Ox0y0z0) gắn với mặt đường để theo dõi quỹ đạo chuyển động. Mô hình khảo sát tập trung vào các lực chính tác động lên ô tô trong hai mặt phẳng: dọc và ngang. Trong mặt phẳng dọc, các lực bao gồm lực kéo (Fk) từ động cơ, lực cản lăn (Ff) do biến dạng của lốp, lực cản không khí (Fω) tỷ lệ với bình phương vận tốc, và lực cản quán tính (Fj) khi xe tăng/giảm tốc. Trong mặt phẳng ngang, các lực quyết định đến sự ổn định khi quay vòng là lực bên (Fy) sinh ra do góc lệch hướng của lốp, và lực ly tâm (Flt) luôn hướng ra ngoài tâm quay vòng. Sự cân bằng (hoặc mất cân bằng) giữa các lực và mô-men này sẽ quyết định trạng thái chuyển động của xe. Bằng cách thiết lập các phương trình động lực học dựa trên các định luật Newton, mô hình có thể dự đoán được quỹ đạo của xe, góc trượt thân xe, và quan trọng nhất là xác định các điều kiện dẫn đến mất ổn định. Việc so sánh mô hình động lực học của xe 1 cầu và 2 cầu chủ động cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong cách phân bố lực kéo và lực bên, từ đó ảnh hưởng đến hành vi quay vòng thừa hay quay vòng thiếu.

4.1. So sánh động lực học giữa xe 1 cầu và xe 2 cầu chủ động

Mô hình động lực học cho thấy sự khác biệt cơ bản giữa xe một cầu (FWD/RWD) và xe hai cầu chủ động (AWD/4x4). Đối với xe cầu trước chủ động (FWD), các bánh trước vừa phải thực hiện nhiệm vụ dẫn hướng vừa phải truyền lực kéo. Điều này làm tăng tải trọng công việc lên lốp trước, khiến chúng dễ đạt đến giới hạn bám và gây ra hiện tượng quay vòng thiếu (understeer) tự nhiên. Ngược lại, ở xe cầu sau chủ động (RWD), nhiệm vụ dẫn hướng và kéo được tách biệt, cho phép phân bổ tải trọng cân bằng hơn. Tuy nhiên, nếu lực kéo từ bánh sau quá lớn, nó có thể gây ra hiện tượng quay vòng thừa (oversteer). Xe hai cầu chủ động có lợi thế là phân bố lực kéo lên cả bốn bánh, giúp mỗi bánh xe hoạt động trong vùng bám tối ưu. Điều này không chỉ tăng cường lực kéo tổng thể mà còn cải thiện đáng kể sự ổn định khi vào cua, giảm thiểu cả xu hướng quay vòng thừa và thiếu, mang lại hành vi trung tính hơn.

4.2. Đánh giá các trạng thái quay vòng Thừa Thiếu và Trung tính

Tính ổn định khi quay vòng của ô tô được đánh giá qua ba trạng thái cơ bản. Quay vòng thiếu (understeer) xảy ra khi góc lệch hướng của bánh trước lớn hơn bánh sau (α1 > α2), khiến xe có xu hướng đi thẳng ra ngoài vòng cua so với ý muốn của người lái. Đây là trạng thái an toàn tương đối vì người lái chỉ cần giảm ga hoặc giảm góc lái để xe quay lại quỹ đạo. Quay vòng thừa (oversteer) xảy ra khi góc lệch hướng bánh sau lớn hơn bánh trước (α2 > α1), làm phần đuôi xe bị văng ra ngoài, khiến xe quay vào trong vòng cua nhiều hơn dự tính. Trạng thái này nguy hiểm hơn và đòi hỏi kỹ năng xử lý cao. Cuối cùng, quay vòng trung tính (neutral steer) là trạng thái lý tưởng khi α1 = α2, xe di chuyển chính xác theo quỹ đạo mà người lái mong muốn. Việc phân tích các trạng thái này là cốt lõi của lý thuyết ổn định chuyển động.

V. Mô phỏng quỹ đạo và kết quả nghiên cứu trên Toyota Fortuner

Để kiểm chứng các mô hình lý thuyết về ổn định xe 4x4, đồ án đã tiến hành lập mô hình và tính toán mô phỏng trên một trường hợp cụ thể: xe ô tô du lịch Toyota Fortuner. Việc lựa chọn một mẫu xe phổ biến giúp kết quả nghiên cứu có tính ứng dụng thực tiễn cao. Các thông số kỹ thuật cơ bản của xe như khối lượng, chiều dài cơ sở, vị trí trọng tâm, và các đặc tính của lốp được thu thập để làm dữ liệu đầu vào cho mô hình. Phần mềm LabVIEW được sử dụng làm công cụ chính để mô phỏng quỹ đạo chuyển động của xe trong các kịch bản khác nhau. Một trong những phân tích quan trọng nhất là khảo sát sự thay đổi quỹ đạo khi xe quay vòng với các vận tốc khác nhau (ví dụ: 20 m/s, 25 m/s, 30 m/s). Kết quả mô phỏng được trình bày dưới dạng các đồ thị quỹ đạo, so sánh trực quan hành vi của xe khi được cấu hình là cầu trước chủ động, cầu sau chủ động và hai cầu chủ động. Các đồ thị này cho thấy rõ ràng rằng ở vận tốc cao, lực ly tâm tăng mạnh, khiến xe một cầu có xu hướng lệch khỏi quỹ đạo mong muốn (hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa trở nên rõ rệt). Ngược lại, xe hai cầu chủ động duy trì được quỹ đạo ổn định hơn nhiều trong cùng điều kiện. Những kết quả này cung cấp bằng chứng thực nghiệm vững chắc, xác nhận hiệu quả của hệ thống dẫn động 4x4 trong việc cải thiện ổn định xe 4x4 khi vận hành ở giới hạn.

5.1. Phân tích quỹ đạo chuyển động khi thay đổi vận tốc xe

Các kết quả mô phỏng trên LabVIEW cho thấy vận tốc là một yếu tố quyết định đến sự ổn định. Khi xe quay vòng ở vận tốc thấp, sự khác biệt về quỹ đạo giữa các cấu hình dẫn động (FWD, RWD, 4WD) là không đáng kể. Tuy nhiên, khi vận tốc tăng lên, lực ly tâm (Flt = m*v²/R) tăng theo hàm bậc hai. Ở vận tốc 30 m/s, mô phỏng cho thấy xe cầu trước chủ động bị quay vòng thiếu nghiêm trọng, bán kính quay vòng thực tế lớn hơn nhiều so với tính toán. Xe cầu sau chủ động có xu hướng quay vòng thừa, đặc biệt nếu có sự gia tăng lực kéo đột ngột. Trong khi đó, xe hai cầu chủ động, nhờ khả năng phân phối công suất hợp lý, giữ được quỹ đạo gần với đường cong lý tưởng nhất. Điều này chứng minh vai trò không thể thiếu của hệ dẫn động 4x4 trong việc duy trì kiểm soát ở tốc độ cao.

5.2. Tính toán bán kính quay vòng thực tế và các thông số

Ngoài việc mô phỏng quỹ đạo, đồ án còn tập trung vào việc tính toán bán kính quay vòng thực tế R(Yw). Bán kính này không phải là một hằng số mà phụ thuộc vào các lực ngang và góc lệch hướng của các bánh xe. Kết quả tính toán cho thấy bán kính quay vòng thực tế luôn có sự sai khác so với bán kính quay vòng lý thuyết (Ackermann). Sự sai khác này chính là thước đo cho mức độ quay vòng thừa hoặc thiếu. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của bán kính quay vòng thực tế theo các thông số đầu vào (vận tốc, góc đánh lái) là một công cụ hữu hiệu để các kỹ sư đánh giá và hiệu chỉnh đặc tính hướng của xe, nhằm đạt được trạng thái quay vòng trung tính mong muốn, góp phần nâng cao tính ổn định xe 4x4.

VI. Kết luận và hướng phát triển cho công nghệ ổn định xe 4x4

Thông qua quá trình nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình và mô phỏng tính toán, đồ án tốt nghiệp kỹ thuật ô tô về ổn định xe 4x4 đã đạt được những kết luận quan trọng. Nghiên cứu đã xây dựng thành công một mô hình phẳng một vết, cho phép mô tả chính xác và trực quan quỹ đạo chuyển động của ô tô khi chịu ảnh hưởng của các yếu tố động lực học phức tạp. Kết quả đã khẳng định rằng góc lệch hướng là nhân tố then chốt gây ra sự mất ổn định khi quay vòng, và độ lớn của nó chịu ảnh hưởng trực tiếp từ lực ngang, lực dọc và đặc tính của lốp. Phân tích so sánh đã làm nổi bật ưu thế vượt trội của hệ thống dẫn động hai cầu (4x4) so với hệ thống một cầu trong việc duy trì sự ổn định ở tốc độ cao. Khả năng phân phối công suất đến cả bốn bánh xe giúp tối ưu hóa độ bám, giảm thiểu các hiện tượng quay vòng thừa và quay vòng thiếu, mang lại khả năng kiểm soát tốt hơn cho người lái. Các kết quả mô phỏng trên mẫu xe Toyota Fortuner đã cung cấp bằng chứng thực nghiệm, củng cố cho các lập luận lý thuyết. Hướng phát triển trong tương lai cho lĩnh vực này là vô cùng rộng mở. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc xây dựng các mô hình phức tạp hơn, có tính đến chuyển động trong không gian ba chiều và ảnh hưởng của hệ thống treo. Đặc biệt, việc tích hợp các hệ thống điều khiển điện tử chủ động như ESC (Electronic Stability Control), Torque Vectoring (Điều hướng mô-men xoắn) vào mô hình sẽ là một bước tiến lớn, cho phép mô phỏng và tối ưu hóa các giải pháp công nghệ hiện đại nhằm nâng cao hơn nữa tính ổn định xe 4x4, hướng tới mục tiêu an toàn và hiệu suất vận hành tối đa.

6.1. Tổng kết các kết quả nghiên cứu chính từ đồ án tốt nghiệp

Đồ án đã thành công trong việc: (1) Thiết lập các phương trình toán học mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô dựa trên mô hình phẳng một vết. (2) Phân tích sâu sắc ảnh hưởng của góc lệch hướng, lực ly tâm, và phân phối công suất đến sự ổn định. (3) Chứng minh bằng mô phỏng rằng xe 4x4 có tính ổn định cao hơn đáng kể so với xe một cầu khi vào cua ở vận tốc cao. (4) Cung cấp một bộ công cụ (mô hình trên LabVIEW) có khả năng phân tích và đánh giá các đặc tính động lực học của xe, làm cơ sở cho các cải tiến thiết kế trong tương lai. Những kết quả này không chỉ có giá trị học thuật mà còn mang tính ứng dụng cao trong ngành công nghiệp ô tô.

6.2. Đề xuất cải tiến và các hướng nghiên cứu sâu hơn

Để phát triển nghiên cứu, một số hướng đi được đề xuất. Thứ nhất, có thể mở rộng mô hình để bao gồm cả chuyển động lật của thân xe (roll motion), cung cấp một cái nhìn toàn diện hơn về động lực học. Thứ hai, cần nghiên cứu sâu hơn về tương tác giữa hệ thống truyền động và các hệ thống an toàn chủ động. Việc mô phỏng cách hệ thống kiểm soát ổn định điện tử (ESC) can thiệp bằng cách phanh độc lập các bánh xe để điều chỉnh góc lệch hướng sẽ mang lại những hiểu biết quý giá. Cuối cùng, nghiên cứu về các thuật toán phân phối công suất thông minh (intelligent torque distribution) trong các hệ dẫn động 4x4 hiện đại sẽ là một lĩnh vực đầy hứa hẹn, giúp tối ưu hóa đồng thời cả hiệu suất và sự ổn định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Lời mở đầu Tính ổn định của ô tô là khả năng đảm bảo giữ cho quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau. Tùy thuộc điều kiện sử dụng, ô tô có thể đứng yên, chuyển động trên đường dốc (đường có gốc nghiêng dọc hoặc nghiêng ngang) có thể phanh hoặc quay vòng ở các loại đường khác nhau (đường xấu hoặc đường tốt…). Ổn định chuyển động của ô tô là một yêu cầu rất quan trọng. Khái niệm chuyển động ổn định của ô tô là khi ô tô chuyển động thẳng, thì nó phải duy trì được hướng chuyển động thẳng và không bị lệch, nếu như người lái không đánh vô lăng hay không lý do gì đánh vô lăng thì ô tô phải duy trì được hướng chuyển động thẳng của nó.

Nhưng thực tế ô tô cũng khó giữ được quỹ đạo chuyển động thẳng, nó sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố làm cho sự ổn định chuyển động thẳng của ô tô bị ảnh hưởng. Còn khái niệm chuyển động khi quay vòng là khi người lái đánh vô lăng để điều khiển hướng chuyển động mong muốn, nhưng khi đánh vô lăng như vậy thì trạng thái quay vòng của ô tô nó sẽ chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, trong lý thuyết ô tô thì người có phân ra làm ba trạng thái quay vòng: quay vòng thiếu, quay vòng thừa, quay vòng trung tính. Và chúng ta sẽ phân tích ba trạng thái quay vòng này để đánh giá tính ổn định chuyển động của ô tô.Mục đích của đề tài Nội dung của đề tài là xây dựng được mô hình nghiên cứu lý thuyết để thiết lập các phương 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 trước quy luật đánh lái, xem xét các nhân tố ảnh hưởng 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.

Ta đặc biệt quan tâm đến xe có cầu chủ động là bởi vì nguyên nhân chủ yếu khiến 1 cho ô tô bị mất ổn định khi chuyển động thẳng và quay vòng là do góc lệch hướng tại các bánh xe, mà góc lệch hướng của ô tô của cầu trước, cầu sau không chỉ phụ thuộc vào lực ngang mà còn phụ thuộc chủ yếu vào việc bố trí cầu chủ động, lực kéo có hay không có, lực kéo lớn hay lực kéo nhỏ, như vậy việc phân bố lực kéo ở các cầu chủ động sẽ làm ảnh hưởng đến sự trượt của cầu đó. Vì vậy, ta sẽ nghiên cứu về ổn định chuyển động thẳng và quay vòng giữa ô tô có hai cầu chủ động xem nó khác với ô tô một cầu chủ động như thế nào.Giới hạn của đề tài Để giải quyết các vấn đề trên, đề tài “Ổn định (quay vòng và chuyển động thẳng) chuyển động xe nhiều cầu chủ động (4x4)” chỉ nghiên cứu tập trung vào các nội dung sau:  Tính toán các thông số quay vòng của xe.  Các yếu tố ảnh hưởng đến quay vòng.  Xây dựng phương trình quay vòng của ô tô.Phương pháp nghiên cứu  Phương 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 hướng, thu thập tài liệu qua sách, luận văn thạc sĩ, qua Internet và các tiêu chuẩn quốc tế về quay vòng.

 Phương pháp giải hệ phương trình bằng cách sử dụng phần mềm Labview để giải quyết các thuật toán, giải phương trình quay vòng.  So sánh đánh giá. 2 CHƯƠNG 2 CƠ HỌC LĂN – GÓC LỆCH HƯỚNG – ĐẶC TÍNH HƯỚNG 2.Bánh xe Chức năng chính của bánh xe: - Chịu tác dụng của trọng lượng xe. - Một phần tử giảm chấn.

- Là một bộ phận chuyển đổi năng lương cơ học của chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. - Là bộ phận điều khiển lái. Bánh xe là phần tử nối giữa xe và mặt đường, nhờ có bánh xe mà công suất từ động cơ được truyền xuống đến mặt đường và giúp cho xe chuyển động. Các đặc tính của bánh xe sẽ gây ảnh hưởng rõ rệt đến các đặc tính của xe như đặc tính kéo, tính kinh tế nhiên liệu, tính điều khiển và ổn định chuyển động của xe.

Vì vậy, nghiên cứu cơ học lăn của bánh xe là phần tất yếu khi muốn nghiên cứu về tính ổn định chuyển động của xe. Trước tiên, chúng ta đi vào khái niệm các loại bán kính bánh xe. Bán kính bánh xe là một thông số quan trọng, có nhiều liên hệ trong việc nghiên cứu về các đặc tính của bánh xe cũng như ổn định chuyển động của ô tô.Bán kính thiết kế r0 r0 là bán kính của bánh xe không quay, không chịu tải, áp suất trong lốp ở mức danh định. Bán kính này được xác định theo kích thước tiêu chuẩn trên lớp, được cho bởi nhà chế tạo.

Ví dụ: một lốp có ký hiệu B-d Trong đó: B – Bề rộng của lốp (mm) d – Đường kính vành bánh xe (inch) Lúc đó r0 được xác định như sau: d r0 = (B + ) 25,4 (mm) (2.Bán kính tự do rtd rtd là bán kính của bánh xe không chịu tải. Bán kính này sẽ thay đổi do ảnh hưởng của dung sai chế tạo, lực ly tâm và áp suất khí trong lốp. Giá trị rtd sẽ tăng nếu ωb tăng lên.Bán kính tĩnh rt Bán kính tĩnh rt là khoảng cách từ tâm bánh xe tới mặt đường khi bánh xe đứng yên và chịu lực tác dụng theo chiều thẳng đứng. Giá trị của rt phụ thuộc vào các lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe và áp suất không khí trong lốp.Bán kính động lực học rd Bán kính động lực học rd là khoảng cách từ tâm bánh xe đến mặt đường khi bánh xe đang lăn và chịu các lực tác dụng theo cả 3 chiều dọc, đứng và ngang Giá trị rd phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe - Lực ly tâm khi bánh xe quay - Mômen chủ động Mk hoặc mômen phanh Mp - Áp suất không khí trong lốp 2.5 Bán kính lăn rl Bán kính lăn rl không phải là thông số hình học mà là thông số động học, nó tỷ lệ giữa vận tốc tịnh tiến thực tế v và vận tốc góc ωk của bánh xe.

Bán kính lăn được xác định: v rl = (2.2) ωk Như vậy, bán kính lăn là bán kính của một bánh xe ảo, nó chuyển động không có trượt với vận tốc tịnh tiến tương đương với bánh xe thực tế. rl có thể coi là khoảng cách từ tâm bánh xe tới cực P của chuyển động tương đối giữa bánh xe với mặt đường. Giá trị rl phụ thuộc vào các thông số sau: 4 - Tải trong tác dụng lên bánh xe. - Áp suất không khí trong lốp.

- Độ đàn hồi của vật liệu chế tạo lốp. - Khả năng bám của bánh xe với đường. - Giá trị mô men chủ động Mk hoặc mô men phanh Mp. Sự phụ thuộc giữa bán kính lăn rl vào lực kéo Fk hoặc mô men chủ động Mk hoặc lực phanh Fp hoặc mô men phanh Mp được sử dụng phù hợp khi khảo sát sự phân phối công suất cho nhiều cầu chủ động qua hợp phân phối mà không sử dụng vi sai.

1: Đặc tính quan hệ giữa bán kính lăn và lực kéo rl(Fk) Để đơn giản hóa thì mối quan hệ rl(Fk) thường được tuyến tính hóa trong toàn bộ vùng tác dụng của mô men theo công thức: rl = rl0 − λM .3) Hoặc: rl = rl0 − λM .m) là các hệ số thay đổi bán kính lăn (hoặc hệ số biến dạng vòng). 5 Giá trị của chúng thay đổi theo phạm vi khá rộng, phụ thuộc vào loại lốp. Bán kính rlo là bán kính lăn của bánh xe bị động, mà trên nó không có tác dụng bất kỳ mô men nào (Mk = Mp = 0). Khi giá trị lực kéo (hoặc mô men chủ động Mk) tác dụng lên bánh xe tăng dần và xuất hiện sự trượt quay giữa bánh xe với mặt đường thì rl giảm xuống.

Khi bánh xe bị trượt quay hoàn toàn (Fk = Fkmax = Fφ: lực bám) thì rl = 0. Khi giá trị lực phanh (hoặc mô men phanh Mp) tác dụng lên bánh xe tăng dần và xuất hiện sự trượt lết giữa bánh xe với mặt đường thì rl sẽ tăng lên. Khi bánh xe bị trượt lết hoàn toàn (Fp = Fpmax = Fφ) thì rl → ∞.Bán kính tính toán (bán kính làm việc trung bình) r Trong tính toán thực tế, người ta thường sử dụng bán kính của bánh xe có kể đến sự biến dạng của lốp do ảnh hưởng của nhiều tố tố khác nhau.Giá trị của bán kính này so với bán kính thực tế có sai lệch không nhiều.Động học lăn của bánh xe không biến dạng 2.Các khái niệm  Vận tốc chuyển động lý thuyết v0: - v0 là vận tốc của ô tô chuyển động hoàn toàn không có trượt.6) t t Với: Sl – Quãng đường lý thuyết mà bánh xe đã lăn. t – Thời gian bánh xe đã lăn.

r – Bán kính tính toán của bánh xe. Nb – Tổng số vòng quay của bánh xe. ωk – Vận tốc góc của bánh xe. 6  Vận tốc chuyển động thực tế v: - v là vận tốc chuyển động của xe khi có tính đến ảnh hưởng của sự trượt của bánh xe với mặt đường.7) t t Với: St – Quãng đường thực tế mà bánh xe đã lăn.

rl – Bán kính lăn của bánh xe.  Vận tốc trượt vδ: Khi xe chuyển động, xuất hiện sự trượt giữa bánh xe và mặt đường thì vận tốc thực tế của xe và vận tốc lý thuyết sẽ khác nhau. Sự chênh lệch của 2 vận tốc này chính là vận tốc trượt: vδ = v − v0 = ωk .8)  Hệ số trượt và độ trượt:  Hệ số trượt và độ trượt khi kéo: Sự trượt của bánh xe thể hiện qua thông số trượt δk: v v −v r δk = − δ = 0 =1− l (2.9) v0 v0 r  Hệ số trượt và độ trượt khi phanh: Trong trường hợp phanh, ta có hệ số trượt và độ trượt như sau: v v −v r δp = − δ = 0 = −1 (2.Các quan hệ động học khi bánh xe lăn Khi bánh xe lăn có thể xảy ra hiện tượng trượt (trượt quay khi kéo hoặc trượt lết khi phanh), điều này sẽ làm ảnh hưởng đến vận tốc thực tế của xe.