BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
UÔNG HOÀNG TRÍ

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG
CỦA Ô TÔ 2 CẦU CHỦ ĐỘNG 4X4
TRÊN ĐƯỜNG BÁM KÉM (ĐƯỜNG TRƠN)

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 605246

S K C0 0 4 3 1 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
UÔNG HOÀNG TRÍ

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG
CỦA Ô TÔ 2 CẦU CHỦ ĐỘNG 4X4 TRÊN
ĐƯỜNG BÁM KÉM (ĐƯỜNG TRƠN)

NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 605246
Hướng dẫn khoa học:

Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ …/… đến …/ ……

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy

Thời gian đào tạo từ 09/2006 đến 08/2008

Nơi học (trường, thành phố): ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngành học: Cơ Khí Động Lực
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Chuyên đề về hệ thống điều khiển
động cơ trên xe Huyndai Santa Fe
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 7/2008, trường ĐH Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Văn Long Giang
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
9/2009 ÷ 72014

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Trường CĐ Kinh Tế Kỹ Thuật Phú Lâm

i


iii


TÓM TẮT
Luận văn nghiên cứu về động lực học quay vòng của ô tô hai cầu chủ động
(4x4) trên đường bám kém. Đề tài thực hiện nghiên cứu quỹ đạo chuyển động ô tô
bằng mô hình phẳng một vết, sử dụng phần mềm Matlab, dựa trên mô hình lý
thuyết. Trong đề tài này quỹ đạo chuyển động của xe được khảo sát khi biết trước
quy luật đánh lái nhằm mục đích xác định sự ảnh hưởng của các yếu tố: sự biến
dạng của lốp, phân phối công suất và sự thay đổi vận tốc của xe đến quỹ đạo chuyển
động khi ô tô quay vòng. Kết quả thu được cho thấy, khi thay đổi hệ số bám từ 0,2
đến 0,7 thì bán kính quay vòng giảm. Khi hệ số bám tăng, thì bán kính quay vòng
giảm, độ ổn định khi quay vòng tăng.Sự thay đổi vận tốc xe tỉ lệ thuận với sự thay
đổi bán kính quay vòng của xe.

ABSTRACT
The thesis research spin dynamics of automobile two axles (4x4) on the low friction
road. Base on theoretical model and describle equations, the simplified model of
vehicle dynamics of the transitional trajectory simulated by using MATLAB
software. In this thesis, the transitional trajectory of the vehicle was simulated in
case the wheel steering angle is knew due to evaluate the effect of the deformation
of the tire, power distribution, changing of velocity of the car to the transitional
trajectory of the car while rotating. The obtain result show that when tire-road
friction coefficient change from 0.2 to 0.7, the radius of road decrease. While the
friction coefficient grow up, radius of road reduce, due to the vehicle is more stable.
The result aslo show that changing of velocity of the car is proportional to the turn
radius of vehicle.

iv

2.5.2. Phân phối công suất dùng vi sai ................................................................ 14

v


2.5.2.1. Động học của cơ cấu vi sai .................................................................... 14
2.5.2.2. Quan hệ động học .................................................................................. 15
2.5.2.3. Quan hệ mô men .................................................................................... 17
2.5.2.4. Quan hệ về lực của cầu có vi sai ............................................................ 18
2.5.2.4. Quan hệ về lực của cầu có vi sai ............................................................ 19
2.5.3. Phân phối công suất không vi sai ............................................................ 21
2.5.3.1. Các quan hệ động học và môment ......................................................... 22
2.5.3.2. Nghiên cứu quá trình chuyển động thẳng (trường hợp thứ nhất) ......... 24
2.5.3.3. Trạng thái lăn của cầu– hiện tượng lưu thông công suất ....................... 26
2.5.3.4. Chuyển động thẳng- trường hợp thứ hai ............................................... 29
2.6. Lực bám và hệ số bám giữa bánh xe chủ động với mặt đường ................... 30
2.7. Động học quay vòng của ô tô ....................................................................... 31
2.9. Góc lệch hướng ............................................................................................ 33
Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của xe nhiều cầu chủ động (4x4) tới động lực
học quay vòng ô tô .............................................................................................. 36
3.1.Góc lệch bên và mô men đàn hồi của bánh xe khi chịu lực bên ................... 37
3.2. Đặc tính của bánh xe khi có mặt lực dọc, khả năng trượt ngang, trượt dọc . 37
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám và các giá trị của hệ số bám .............. 39
3.4. Sự trượt phụ thuộc vào các lực kéo Fk hoặc X............................................. 41
3.5. Khả năng bám của cầu có vi sai .................................................................. 43
3.5.1. Ảnh hưởng của hệ số bám  ..................................................................... 44
3.5.2. Ảnh hưởng của lực li tâm ......................................................................... 46
3.6. Kết luận chương 3 ........................................................................................ 47
Chương 4: Xây dựng phương trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô 48
4.1. Hệ trục tọa độ khảo sát ................................................................................. 48

5.4.2.2. Khảo sát chuyển động của ô tô 2 cầu chủ động khi thay đổi hệ số bám. 77
5.5. Kết luận chương 5 ........................................................................................ 78
Chương 6 : Kết luận và kiến nghị . ..................................................................... 79
6.1. Kết luận ........................................................................................................ 79
6.2. Đề nghị ........................................................................................................ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO . .................................................................................. 81
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 82

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Kích thước hình học của lốp xe ............................................................ 4
Hình 2.2: Lăn không trượt .................................................................................... 6
Hình 2.3: Lăn có trượt quay ở bánh xe kéo .......................................................... 7
Hình 2.4: Lăn có trượt lết ở bánh xe phanh ......................................................... 8

Hình 2.5: Các lực và moment tác dụng lên bánh xe bị động khi lăn ........... 9
Hình 2.6: Các lực và moment tác dụng lên bánh xe chủ động khi lăn ............ 10
Hình 2.7: Các lực và mômen tác dụng lên bánh xe phanh . ............................... 11

Hình 2.8: Các trạng thái chuyển động của bánh ....................................... 11
Hình 2.9: Dòng công suất trên bánh xe chủ động ..................................... 12
Hình 2.10: Sơ đồ truyền lực xe nhiều cầu chủ động ................................. 14
Hình 2.11: Sơ đồ động vi sai bánh răng nón ............................................. 15
Hình 2.12: Sơ đồ quay vòng của cầu chủ động ......................................... 16
Hình 2.13: Quan hệ về lực của cầu khi vi sai làm việc ............................. 20
Hình 2.14: Các sơ đồ phân phối công suất không vi sai ........................... 22
Hình 2.15: Đặc tính lực của bán kính lăn . ......................................................... 24
Hình 2.16: Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính lực của bán kính lăn .................. 24

Hình 4.4: Sơ đồ xác định diện tích cản chính diện của ô tô .............................. 55
Hình 4.5: Đồ thị quan hệ giửa lực bên và góc lệch bên . ................................... 57
Hình 4.6: Mô hình động lực học quay vòng của ô tô 4x4 ................................. 60
Hình 4.7: Mô hình động lực học quay vòng của ô tô cầu trước chủ động ......... 61
Hình 4.8: Mô hình động lực học quay vòng của ô tô cầu sau chủ động ............ 62
Hình 5.1 : Giao diện người dùng trước khi chạy chương trình . ......................... 68
Hình 5.2 : Giao diện người dùng khi chạy chương trình ................................... 69
Hình 5.3 : Quỹ đạo chuyển động của ô tô với hệ số bám φ=0,2 ......................... 73
Hình 5.4: Quỹ đạo chuyển động của ô tô thay đổi hệ số bám φ=0,4 ................. 74
Hình 5.5: Quỹ đạo chuyển động của ô tô thay đổi vận tốc với hệ số φ=0,2 ...... 75
Hình 5.6: Quỹ đạo chuyển động của ô tô thay đổi vận tốc với hệ số φ=0,4 ...... 75
Hình 5.7 : Đồ thị gia tốc hướng tâm ................................................................... 76
Hình 5.8: Quỹ đạo của ô tô thay đổi hệ số bám với vận tốc v=40Km/h ............ 77
Hình 5.9: Quỹ đạo của ô tô thay đổi hệ số bám với vận tốc v=50Km/h ............ 77

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng qui ước về dấu của mô men và tốc độ góc ................................ 18
Bảng 3.1: Giá trị của hệ số bám trung bình ........................................................ 41

Bảng 4.1: Giá trị của hệ số cản lăn f0 ........................................................ 53
Bảng 4.2: Giá trị của hệ số cản không khí Cx và diện tích cản chính diện . ........ 55

x


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)”.
1.2. 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,

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

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 .
2.3. 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.
2.3.1. Lăn không trƣợt
Trong trƣờng hợp này, tốc độ của bánh xe (cũng là tốc độ của xe) bằng với tốc
độ vòng. Nói cách khác tốc độ thực tế V bằng tốc độ lý thuyết V0 , ta có:
V = V0 = ω k . r

(2-2)

Do vậy, tâm quay tức thời (cực P) của bánh xe nằm trên vành bánh xe và bán
kính lăn bằng bán kính tính toán:

rl = r , Mk = 0



k

r

V
rl

Vo

P
V

X

Hình 2.3: Lăn có trƣợt quay ở bánh xe kéo
Để kể tới ảnh hƣởng của sự trƣợt khi kéo, ngƣời ta đƣa ra khái niệm gọi là độ
trƣợt khi kéo, kí hiệu là  k và nó đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
δk = -

Vδ
r V -V
=1- l = 0
>0
V0
r
V0

(2-5)


V= r.ωk +Vδ =rl .ωk

(2-6)

Vδ =V-rωk =V-V0 >0

(2-7)

Vδ r
= 0
V rl

(2-8)

δ p =-

V -V
 0
V

Ở trạng thái trƣợt lết hoàn toàn, tức là bánh xe hãm cứng hoàn toàn ta có quan
hệ sau:
V  V ; k  0
rl 

 p  1

2.4. Quan hệ về lực khi bánh xe lăn
2.4.1. Bánh xe bị động
Để cho bánh xe có tải trọng Fε có thể chuyển động với vận tốc V (hoặc ωk) thì