Nghiên cứu giới hạn ổn định lật ngang của đoàn xe sơ mi rơ moóc khi quay vòng ổn định

vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT C1C1x1y1z1 Hệ tọa độ tại trọng tâm khối lượng được treo XĐK C2C2x2y2z2 Hệ tọa độ tại trọng tâm khối lượng được treo SMRM AiAixAiyAizAi Hệ tọa độ

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TẠ TUẤN HƯNG

NGHIÊN CỨU GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH LẬT NGANG CỦA

ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC KHI QUAY VÒNG ỔN ĐỊNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - 2017

Trang 2

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS DƯƠNG NGỌC KHÁNH

2 PGS TS VÕ VĂN HƯỜNG

Hà Nội - 2017

Trang 3

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Dương Ngọc Khánh và PGS.TS Võ Văn Hường Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được bảo vệ ở bất kỳ học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm

ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Người hướng dẫn khoa học 1 Người hướng dẫn khoa học 2 Nghiên cứu sinh

TS Dương Ngọc Khánh PGS.TS Võ Văn Hường Tạ Tuấn Hưng

Trang 4

ii

LỜI CẢM ƠN

NCS xin trân trọng cảm ơn Trường Ðại học Bách khoa Hà Nội, Viện Ðào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí Ðộng lực, Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng đã tạo điều kiện cho NCS thực hiện luận án tại Trường Ðại học Bách khoa Hà Nội

NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tập thể hướng dẫn là TS Dương Ngọc Khánh và PGS.TS Võ Văn Hường – Những người hướng dẫn khoa học, đã tận tình giúp đỡ hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và phương pháp giải quyết các vấn đề cụ thể đặt ra giúp thực hiện và hoàn thành luận án

NCS vô cùng biết ơn quý Thầy, Cô trong bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Viện

Cơ khí Ðộng lực Trường Ðại học Bách khoa Hà Nội, luôn giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất để hoàn thành luận án này

Xin cảm ơn Ban Giám hiệu và quý Thầy, Cô trường Ðại học Công nghệ Giao thông vận tải đã ủng hộ động viên giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và nghiên cứu

Xin cảm ơn Ban Giám hiệu và quý Thầy, Cô trường Ðại học Công nghiệp Hà Nội đã ủng hộ và giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Xin cảm ơn Trung tâm Kiểm định xe cơ giới, Cục Đăng kiểm Việt Nam đã ủng

hộ và giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Xin cảm ơn quý Thầy, Cô trong và ngoài trường đã ủng hộ và giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Cuối cùng NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè những người đã luôn động viên khuyến khích giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu

và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Tạ Tuấn Hưng

Trang 5

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU xviii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Xu thế phát triển và vấn đề mất ổn định ĐXSMRM 5

1.1.1 Xu thế phát triển ĐXSMRM 5

1.1.2 Phân loại mất ổn định ĐXSMRM 8

1.2 Những nghiên cứu liên quan đến luận án 12

1.2.1 Những nghiên cứu trên thế giới về mô hình ĐXSMRM 12

1.2.2 Những nghiên cứu trên thế giới về mất ổn định lật ngang ĐXSMRM 13

1.2.3 Những nghiên cứu trên thế giới về cảnh báo và điều khiển chống lật ngang 23 1.2.4 Những nghiên cứu trong nước 24

1.3 Lựa chọn chỉ tiêu, thông số đánh giá mất ổn định lật ngang ĐXSMRM 25

1.4 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 27

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu 27

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu 28

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu 28

1.4.4 Phạm vi nghiên cứu 29

1.4.5 Nội dung luận án 29

1.5 Kết luận chương 1 29

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC KHÔNG GIAN XÁC ĐỊNH MẤT ỔN ĐỊNH LẬT NGANG ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC 31

2.1 Mô hình động lực học ĐXSMRM 31

2.1.1 Phân tích cấu trúc và các giả thiết xây dựng mô hình 31

2.1.2 Phương trình động lực học các khối lượng được treo 38

Trang 6

iv

2.1.3 Phương trình động lực học các cầu xe 44

2.1.4 Phương trình động lực học các bánh xe 46

2.2 Xác định lực tương tác bánh xe-mặt đường 48

2.3 Xác định lực và mô men liên kết của hệ thống treo 50

2.3.1 Các lực liên kết phương thẳng đứng 50

2.3.2 Các lực liên kết theo phương dọc 54

2.3.3 Các lực liên kết theo phương ngang và mô men thanh ổn định 54

2.4 Xác định liên kết tại khớp nối 56

2.5 Xác định các lực cản khí động 59

2.6 Điều kiện đầu của các phương trình vi phân 60

2.7 Cấu trúc mô hình động lực học đoàn xe sơ mi rơ moóc 61

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT XÁC ĐỊNH MẤT ỔN ĐỊNH LẬT NGANG ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC KHI QUAY VÒNG 63

3.1 Mô tả điều kiện đầu vào và các chỉ tiêu đánh giá 63

3.1.1 Mô tả điều kiện đầu vào 63

3.1.2 Các chỉ tiêu, thông số được sử dụng để đánh giá 66

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của chiều cao trọng tâm đến mất ổn định lật ngang ĐXSMRM 67

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc xe đến mất ổn định lật ngang ĐXSMRM 73

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của góc lái đến mất ổn định lật ngang ĐXSMRM 76

3.5 Đề xuất phương pháp xác định ngưỡng mất ổn định lật ngang và ngưỡng an toàn của ĐXSMRM khi quay vòng 82

3.5.1 Phương pháp xác định ngưỡng mất ổn định lật ngang của ĐXSMRM khi quay vòng 82

3.5.2 Phương pháp xác định ngưỡng chuyển động an toàn của ĐXSMRM khi quay vòng 90

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 98

4.1 Mục đích, đối tượng và các thông số thí nghiệm 99

4.1.1 Mục đích thí nghiệm 99

Trang 7

v

4.1.2 Đối tượng thí nghiệm 99

4.1.3 Các thông số thí nghiệm 99

4.2 Thiết bị thí nghiệm 100

4.2.1 Cảm biến 6 bậc tự do MPU 6050 101

4.2.2 Cảm biến SHARP Rotary Encoder 101

4.2.3 Bộ xử lý tín hiệu 103

4.2.4 Sơ đồ thí nghiệm 104

4.3 Các phương án thí nghiệm 104

4.3.1 Mô tả thí nghiệm 104

4.3.2 Các phương án thí nghiệm 105

4.4 Kết quả thí nghiệm và so sánh với mô phỏng 106

4.4.1 Kết quả thí nghiệm 106

4.4.2 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả mô phỏng 111

KẾT LUẬN 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 127

Trang 8

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

C1(C1x1y1z1) Hệ tọa độ tại trọng tâm khối lượng được treo XĐK C2(C2x2y2z2) Hệ tọa độ tại trọng tâm khối lượng được treo SMRM Ai(AixAiyAizAi) Hệ tọa độ tại trọng tâm cầu xe thứ i (i=1(1)6)

Bij(BijxBijyBijzBij) Hệ tọa độ tại tâm bánh xe ij (i=1(1)6, j=1(1)2)

1 1 1

O

C1A(  , , ) Ma trận côsin chỉ hướng của hệ quy chiếu C1 so với hệ

quy chiếu cố định theo 3 góc Euler (β1, φ1, ψ1)

2 2 2

O

C2B(  , , ) Ma trận côsin chỉ hướng của hệ quy chiếu C2 so với hệ

quy chiếu cố định theo 3 góc Euler (β2, φ2, ψ2) ĐXSMRM Đoàn xe sơ mi rơ moóc (Tractor Semi-Trailer)

SMRM Sơ mi rơ moóc (Semi-Trailer)

DRT Ngưỡng lật ngang động (Dynamic Rollover Threshold)

IIR Bộ lọc đáp ứng tần số vô hạn (Infinite Impulse

Response) LSB Bit có trọng số nhỏ nhất (Least Significant Bit)

LLT Hệ số phân tải ngang (Lateral Load Transfer Ratio) LTR Hệ số phân bố tải trọng (Load Transfer Ratio)

MBS Hệ nhiều vật MBS (Multibody Systems)

NHTSA Cơ quan an toàn giao thông Mỹ (National Highway

Traffic Safety Adminitration) RAR Hệ số gia tốc ngang (Rearward Amplication Ratio)

Trang 9

vii

RPER Năng lượng chống lật ngang (Rollover Prevention

Energy Reverse) RPM Hệ số chống lật ngang (Rollover Prevention Metric) RSF Hệ số an toàn lắc ngang (Roll Safety Factor)

SRT Ngưỡng lật ngang tĩnh (Static Rollover Threshold) SSF Hệ số ổn định tĩnh (Static Stability Factor)

TTR Hệ số bàn nghiêng ngang (Tilt Table Ratio)

2bi m Chiều rộng cơ sở của cầu xe thứ i (i=1(1)6)

2wi m Khoảng cách hai hệ thống treo cầu thứ i (i=1(1)6) axi m/s2 Gia tốc dọc của vật rắn i

ayi m/s2 Gia tốc ngang của vật rắn i

azi m/s2 Gia tốc thẳng đứng của vật rắn i

Trang 10

m2 kg Khối lượng được treo SMRM

mAi kg Khối lượng cầu xe i (i=1(1)6)

h1 m Chiều cao trọng tâm khối lượng được treo XĐK

h2 m Chiều cao trọng tâm khối lượng được treo SMRM

hH1, hH2 m Chiều cao tâm chốt và mâm xoay

exij m Khoảng dịch phản lực Fzij theo phương dọc tại bánh xe ij hRi m Chiều cao tâm quay tức thời Ri của cầu i (i=1(1)6)

r0ij m Bán kính tự do của bánh xe thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2) ftij m Độ võng tĩnh lốp thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2)

sij Hệ số trượt bánh xe thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2)

αij độ Góc lệch bên bánh xe thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2)

W1 m Chiều rộng toàn bộ XĐK

Trang 11

ix

Cij N/m Độ cứng hệ thống treo (i=1(1)6; j=1(1)2)

Kij N/(m/s) Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo ij (i=1(1)6; j=1(1)2) CLij N/m Độ cứng hướng kính lốp thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2)

KLij N/(m/s) Hệ số cản hướng kính lốp thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2)

Jxx1 kgm2 Mô men quán tính quanh trục C1x1 của khối lượng được

JByij kgm2 Mô men quán tính trục BijyBij của bánh xe thứ ij (i=1(1)6;

j=1(1)2) MAij Nm Mô men chủ động bánh xe thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2) MBij Nm Mô men phanh bánh xe thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2)

Mij Nm Mô men quay bánh xe thứ ij quanh trục BijyBij (i=1(1)6;

j=1(1)2) Fxij N Lực dọc bánh xe thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2)

Fyij N Lực ngang bánh xe thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2)

Fzij N Phản lực bánh xe thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2)

Trang 12

x

FGij N Tải trọng tĩnh ứng với bánh xe thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2) FCij N Lực đàn hồi của hệ thống treo thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2) FKij N Lực cản giảm chấn hệ thống treo thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2) FCLij N Lực đàn hồi lốp bánh xe thứ ij ((i=1(1)6; j=1(1)2)

F'xij N Lực dọc từ cầu xe tác dụng lên khối lượng được treo ứng

với hệ thống treo thứ ij (i=1(1)6; j=1(1)2)

F’Ri N Lực liên kết ngang tại tâm quay Ri (i=1(1)6) tác động từ

cầu xe thứ i lên khối lượng được treo

FRi N Lực liên kết ngang tại tâm quay Ri (i=1(1)6) tác động từ

khối lượng được treo lên cầu xe thứ i

FX1 N Tổng ngoại lực tác dụng lên khối lượng được treo XĐK

chiếu lên phương C1x1 của hệ quy chiếu C1

FY1 N Tổng ngoại lực tác dụng lên khối lượng được treo XĐK

chiếu lên phương C1y1 của hệ quy chiếu C1

FZ1 N Tổng ngoại lực tác dụng lên khối lượng được treo XĐK

chiếu lên phương C1z1 của hệ quy chiếu C1

MX1 Nm Tổng mô men ngoại lực tác dụng lên khối lượng được

treo XĐK theo trục C1x1 của hệ quy chiếu C1

MY1 Nm Tổng mô men ngoại lực tác dụng lên khối lượng được

treo XĐK theo trục C1y1 của hệ quy chiếu C1

MZ1 Nm Tổng mô men ngoại lực tác dụng lên khối lượng được

treo XĐK theo trục C1z1 của hệ quy chiếu C1

FX2 N Tổng ngoại lực tác dụng lên khối lượng được treo

SMRM chiếu lên phương C2x2 của hệ quy chiếu C2

FY2 N Tổng ngoại lực tác dụng lên khối lượng được treo

SMRM chiếu lên phương C2y2 của hệ quy chiếu C2 FZ2 N Tổng ngoại lực tác dụng lên khối lượng được treo

SMRM chiếu lên phương C2z2 của hệ quy chiếu C2

Trang 13

xi

MX2 Nm Tổng mô men ngoại lực tác dụng lên khối lượng được

treo SMRM theo trục C2x2 của hệ quy chiếu C2

MY2 Nm Tổng mô men ngoại lực tác dụng lên khối lượng được

treo SMRM theo trục C2y2 của hệ quy chiếu C2

MZ2 Nm Tổng mô men ngoại lực tác dụng lên khối lượng được

treo SMRM theo trục C2z2 của hệ quy chiếu C2

r1 Véc tơ định vị trọng tâm khối lượng được treo XĐK

trong hệ quy chiếu OXYZ

r2 Véc tơ định vị trọng tâm khối lượng được treo SMRM

trong hệ quy chiếu OXYZ

v1 Véc tơ vận tốc suy rộng của khối lượng được treo XĐK

trong hệ quy chiếu C1x1y1z1

vx1 m/s Vận tốc tịnh tiến tức thời của khối lượng được treo XĐK

theo phương x1 trong hệ quy chiếu C1x1y1z1

vy1 m/s Vận tốc tịnh tiến tức thời của khối lượng được treo XĐK

theo phương y1 trong hệ quy chiếu C1x1y1z1

vz1 m/s Vận tốc tịnh tiến tức thời của khối lượng được treo XĐK

theo phương z1 trong hệ quy chiếu C1x1y1z1

ωx1 0/s Vận tốc góc quay tức thời của khối lượng được treo

XĐK quanh trục C1x1 trong hệ quy chiếu C1x1y1z1

ωy1 0/s Vận tốc góc quay tức thời của khối lượng được treo

XĐK quanh trục C1y1 trong hệ quy chiếu C1x1y1z1

ωz1 0/s Vận tốc góc quay tức thời của khối lượng được treo

XĐK quanh trục C1z1 trong hệ quy chiếu C1x1y1z1

v2 Véc tơ vận tốc suy rộng của khối lượng được treo

SMRM trong hệ quy chiếu C2x2y2z2

vx2 m/s Vận tốc tịnh tiến tức thời của khối lượng được treo

SMRM theo phương x2 trong hệ quy chiếu C2x2y2z2 vy2 m/s Vận tốc tịnh tiến tức thời của khối lượng được treo

SMRM theo phương y2 trong hệ quy chiếu C2x2y2z2

Trang 14

xii

vz2 m/s Vận tốc tịnh tiến tức thời của khối lượng được treo

SMRM theo phương z2 trong hệ quy chiếu C2x2y2z2

ωx2 0/s Vận tốc góc quay tức thời của khối lượng được treo

SMRM quanh trục C2x2 trong hệ quy chiếu C2x2y2z2

ωy2 0/s Vận tốc góc quay tức thời của khối lượng được treo

SMRM quanh trục C2y2 trong hệ quy chiếu C2x2y2z2

ωz2 0/s Vận tốc góc quay tức thời của khối lượng được treo

SMRM quanh trục C2z2 trong hệ quy chiếu C2x2y2z2

vAi Véc tơ vận tốc suy rộng của cầu xe thứ i trong hệ quy

chiếu AixAiyAizAi (i=1(1)6)

vxAi m/s Vận tốc tịnh tiến tức thời của cầu xe thứ i theo phương

xAi trong hệ quy chiếu AixAiyAizAi (i=1(1)6)

vyAi m/s Vận tốc tịnh tiến tức thời của cầu xe thứ i theo phương

yAi trong hệ quy chiếu AixAiyAizAi (i=1(1)6)

vzAi m/s Vận tốc tịnh tiến tức thời của cầu xe thứ i theo phương

zAi trong hệ quy chiếu AixAiyAizAi (i=1(1)6)

ωxAi 0/s Vận tốc góc quay tức thời của cầu xe thứ i trong hệ quy

chiếu AixAiyAizAi (i=1(1)6)

Vận tốc góc quay tức thời quanh trục AiyAi của cầu xe thứ i quanh trục AixAi trong hệ quy chiếu AixAiyAizAi (i=1(1)6)

ωzAi 0/s Vận tốc góc quay tức thời của cầu xe thứ i quanh trục

AizAi trong hệ quy chiếu AixAiyAizAi (i=1(1)6)

β1, β2 0 Các góc lắc ngang của các khối lượng được treo XĐK và

Trang 15

xiii

X01, Y01, Z01 m Vị trí ban đầu của khối lượng được treo XĐK trong hệ

quy chiếu cố định OXYZ

X02, Y02, Z02 m Vị trí ban đầu của khối lượng được treo SMRM trong hệ

quy chiếu cố định OXYZ β01, φ01, ψ01 0 Các góc ban đầu của các khối lượng được treo XĐK β02, φ02, ψ02 0 Các góc ban đầu của các khối lượng được treo SMRM aC1 Véc tơ gia tốc trọng tâm khối lượng được treo XĐK aC2 Véc tơ gia tốc trọng tâm khối lượng được treo SMRM

ax1, ay1, az1 m/s2 Gia tốc theo 3 phương của trọng tâm khối lượng được

τxk Véc tơ các ngoại lực và mô men ngoại lực quy về trọng

tâm C1 khối lượng được treo XĐK τxm Véc tơ các ngoại lực và mô men ngoại lực quy về trọng

tâm C2 khối lượng được treo SMRM

Trang 16

xiv

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Phân loại đoàn xe 6

Hình 1.2 Sơ đồ điều khiển ĐXSMRM 8

Hình 1.3 Sơ đồ các dạng mất ổn định ngang ĐXSMRM 9

Hình 1.4 Các dạng mất ổn định hướng ĐXSMRM 10

Hình 1.5 Sơ đồ bàn thử nghiêng ngang 13

Hình 1.6 Một số thiết bị bàn thử nghiêng ngang trên thế giới 14

Hình 1.7 Mô hình lật ngang 1 vật 16

Hình 1.8 Sơ đồ các cụm cầu của ĐXSMRM 6 cầu 17

Hình 1.9 Đồ thị quan hệ góc lắc ngang, gia tốc ngang và mô men chống lật 18

Hình 1.10 Mô hình lắc ngang ½ 22

Hình 1.11 ĐXSMRM nghiên cứu 28

Hình 2.1 Cấu trúc ĐXSMRM 33

Hình 2.2 Hệ quy chiếu ĐXSMRM 36

Hình 2.3 Sơ đồ các lực tác dụng lên khối lượng được treo XĐK 41

Hình 2.4 Sơ đồ các lực tác dụng lên khối lượng được treo SMRM 43

Hình 2.5 Sơ đồ lực tác dụng lên cầu 1 trong mặt phẳng ngang 45

Hình 2.6 Sơ đồ lực tác dụng lên cầu 2, 3 trong mặt phẳng ngang 45

Hình 2.7 Sơ đồ lực tác dụng lên cầu 4,5,6 trong mặt phẳng ngang 46

Hình 2.8 Sơ đồ động lực học bánh xe đàn hồi 47

Hình 2.9 Sơ đồ vị trí các điểm liên kết của hệ thống treo của XĐK 50

Hình 2.10 Sơ đồ tính lực tại cầu cân bằng XĐK 51

Hình 2.11 Sơ đồ vị trí các điểm liên kết của hệ thống treo liên tiếp SMRM 53

Hình 2.12 Sơ đồ xác định các lực ngang tại tâm quay tức thời 55

Hình 2.13 Dạng mâm xoay mô phỏng 58

Hình 2.14 Sơ đồ tính góc lắc ngang tương đối tại khớp nối 59

Hình 2.15 Đồ thị quan hệ giữa góc lắc tương đối và mô men xoắn tại khớp nối 59

Hình 2.16 Cấu trúc mô hình động lực học ĐXSMRM 61

Hình 3.1 Quy luật đánh lái RSM 64

Hình 3.2 Đồ thị góc lái bánh xe 11 67

Trang 17

xv

Hình 3.4 Đồ thị các hệ số phân bố tải trọng 68

Hình 3.5 Đồ thị hệ số LTR6 69

Hình 3.7 Đồ thị hệ số RSF 70

Hình 3.8 Đồ thị hệ số LTR 70

Hình 3.9 Đồ thị gia tốc ngang ay1 71

Hình 3.11 Đồ thị góc lắc ngang β1 72

Hình 3.33 Đồ thị hệ số RSFmax 83

Trang 18

xvi

Hình 3.34 Đồ thị hệ số LTRmax 84

Hình 3.35 Đồ thị gia tốc ngang ay1max 85

Hình 3.36 Đồ thị gia tốc ngang ay2max 86

Hình 3.37 Đồ thị giá trị góc lắc ngang β1 khi ay2max 87

Hình 3.38 Đồ thị giá trị góc lắc ngang β2 khi ay2max 88

Hình 3.39 Sơ đồ phương pháp xác định ngưỡngchuyển động an toàn động lực học ĐXSMRM 92

Hình 3.40 Phương pháp xác định ngưỡng chuyển động an toàn theo mức LTRin là 0,75 và 0,9 93

Hình 3.41 Sơ đồ xác định thời điểm khi các ay2 đạt ngưỡng đề xuất 96

Hình 4.1 Một thí nghiệm xác định ngưỡng mất ổn định lật ngang ĐXSMRM 98

Hình 4.2 ĐXSMRM thí nghiệm 99

Hình 4.3 Sơ đồ vị trí gắn cảm biến 100

Hình 4.4 Sơ đồ cảm biến MPU6050 101

Hình 4.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cảm biến SHARP Rotary Encoder 102 Hình 4.6 Đồ gá cảm biến Encoder đo số vòng quay bánh xe 102

Hình 4.7 Bộ thu thập dữ liệu NI USB-6210 103

Hình 4.8 Sơ đồ thí nghiệm quay vòng ĐXSMRM 104

Hình 4.9 Sơ đồ vị trí thí nghiệm 105

Hình 4.10 Đồ thị kết quả thí nghiệm vận tốc xe vx 106

Hình 4.11 Đồ thị kết quả thí nghiệm góc quay vô lăng δVL 106

Hình 4.12 Đồ thị kết quả thí nghiệm gia tốc ay1 107

Hình 4.14 Đồ thị kết quả thí nghiệm vận tốc góc quay ωz1 107

Trang 19

xvii

Hình 4.28 Đồ thị góc lái bên trái δ11 giữa thí nghiệm và mô phỏng 111

Hình 4.29 Đồ thị vận tốc xe vx giữa thí nghiệm và mô phỏng 111

Hình 4.30 Đồ thị gia tốc ay1 giữa thí nghiệm và mô phỏng 111

Hình 4.32 Đồ thị vận tốc góc quay ωz1 giữa thí nghiệm và mô phỏng 112

Hình 4.35 Đồ thị vận tốc dọc xe vx giữa thí nghiệm và mô phỏng 113

Hình 4.41 Đồ thị vận tốc xe vx giữa thí nghiệm và mô phỏng 115

Trang 20

xviii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các phương án khảo sát 66

Bảng 3.2 Thời điểm các hệ số phân bố tải trọng bằng 1 70

Bảng 3.3 Giá trị RSFmax phụ thuộc vào δ11 và h2 72

Bảng 3.4 Thời điểm một số thông số đạt ngưỡng 80

Bảng 3.5 Các giá trị ngưỡng tại biên mất ổn định 89

Bảng 3.6 Giá trị các ngưỡng xác định từ mức LTR đề xuất 0,75 94

Bảng 3.7 Giá trị các ngưỡng xác định từ mức LTR đề xuất 0,9 95

Bảng 4.1 Các thông số thí nghiệm 100

Bảng 4.2 Bảng các phương án thí nghiệm 106

Bảng 4.3 Kết quả sai số của các thông số giữa mô phỏng và thí nghiệm 117

Trang 21

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của luận án

Hiện nay, phát triển đoàn xe để vận chuyển hàng hóa với mục tiêu nâng cao năng suất vận chuyển, giảm lượng khí thải ra môi trường, giảm ùn tắc giao thông Với kích thước và khối lượng lớn, đoàn xe đã cho thấy hiệu quả của việc vận chuyển các loại hàng hóa, đặc biệt là đối với hàng hóa chuyên dùng Tuy nhiên, điều đó có nghĩa khi xe chuyển động sẽ chiếm một hành lang di chuyển lớn hơn các phương tiện khác Ngoài sự mất ổn định theo phương dọc thì đoàn xe còn dễ mất ổn định ngang khi quay vòng hoặc chịu các tác động như gió ngang, va chạm với các phương tiện khác Ở Việt Nam, đoàn xe sơ mi rơ moóc (gọi tắt là ĐXSMRM) là loại đoàn xe được

sử dụng tương đối phổ biến Khi quay vòng, ĐXSMRM thường bị mất ổn định ngang Mất ổn định ngang gồm hai quá trình kế tiếp nhau: (i) mất ổn định hướng (Yaw Instability), (ii) mất ổn định lật ngang (Roll Instability) Quá trình mất ổn định hướng (trượt) xảy ra trước, nếu kết thúc trượt thì có thể dẫn đến mất ổn định lật ngang Lật ngang là dạng tai nạn rất nguy hiểm không chỉ cho bản thân ĐXSMRM mà còn các thành phần tham gia giao thông khác Vì vậy, nghiên cứu xác định mất ổn định lật ngang là rất cần thiết khi mà hệ thống giao thông chưa hoàn chỉnh, còn nhiều đoạn giao cắt và mật độ giao thông lớn Kết quả nghiên cứu có thể làm tín hiệu cảnh báo cho người lái hoặc làm đầu vào cho các hệ thống điều khiển ổn định ngang

Mục tiêu nghiên cứu

ĐXSMRM với kích thước lớn, tải trọng lớn và kết cấu hai thân gồm xe đầu kéo (XĐK) liên kết với sơ mi rơ moóc (SMRM) qua khớp yên ngựa (fifth wheel hitch) Mất ổn định lật ngang thường xảy ra khi xe đầy tải với chiều cao trọng tâm lớn, quay vòng ở vận tốc lớn trên đường có hệ số bám cao Khi bị mất ổn định lật ngang, người lái khó cảm nhận được sự mất ổn định và không có các phản ứng điều khiển kịp thời

để giảm sự mất ổn định Dấu hiệu mất ổn định lật ngang là sự tách các bánh xe Tuy nhiên, người lái lại không dễ xác định được dấu hiệu này Vì vậy, mục tiêu của luận

án là nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận tốc xe, góc lái, chiều cao trọng tâm đến khả năng mất ổn định lật ngang của ĐXSMRM Từ đó đề xuất phương pháp xác định ngưỡng mất ổn định lật ngang và ngưỡng chuyển động an toàn qua các thông số

dễ xác định và tích hợp trên ĐXSMRM

Trang 22

Đối tượng nghiên cứu

ĐXSMRM 6 cầu gồm XĐK 3 cầu nhãn hiệu CNHTC HOWO A7-375 [2] và SMRM 3 cầu nhãn hiệu CIMC 40FT [3] được chọn làm đối tượng nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu xác định trạng thái mất ổn định lật ngang ĐXSMRM luận án tiến hành kết hợp hai phương pháp:

- Nghiên cứu lý thuyết: mô hình hóa đoàn xe theo phương pháp hệ nhiều vật;

sử dụng mô hình mô phỏng nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến mất ổn định lật ngang ĐXSMRM; đề xuất phương pháp xác định ngưỡng mất ổn định lật ngang và giới hạn chuyển động an toàn của ĐXSMRM khi quay vòng;

- Nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm động lực học đoàn xe trên đường dựa theo tiêu chuẩn ISO14792 [39] để kiểm chứng mô hình động lực học ĐXSMRM đã xây dựng

Phạm vi nghiên cứu

Khi ĐXSMRM chuyển động, dưới tác động của người lái như tăng tốc, phanh

và quay vô lăng, đoàn xe có thể có phản ứng (i) trượt ngang, (ii) lật ngang do gia tốc ngang, đường nghiêng hoặc gió ngang Trượt ngang bao gồm trượt đàn hồi và trượt lết, thứ tự các cầu trượt lết là khác nhau Khi trượt lết kết thúc do bị vấp hoặc hệ số bám cao, ĐXSMRM rơi vào vùng lật ngang (điều kiện cần); khi gia tốc ngang gây ra

mô men lật lớn hơn mô men chống lật thì ĐXSMRM có thể lật (điều kiện đủ) Giới hạn của luận án là nghiên cứu pha lật của ĐXSMRM, từ khi bắt đầu tách bánh cho đến giới hạn lật

Luận án nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao trọng tâm, vận tốc xe và góc quay bánh xe dẫn hướng đến mất ổn định lật ngang của ĐXSMRM khi đầy tải trên đường phẳng có hệ số bám cao Xác định ngưỡng trước lật ngang là một yêu cầu trong vấn

đề cảnh báo điện tử và các giải pháp chống lật ngang Từ đó đề xuất nghiên cứu phương pháp xác định ngưỡng mất ổn định lật ngang và ngưỡng chuyển động an toàn của ĐXSMRM khi quay vòng

Nội dung luận án

Nội dung luận án gồm các phần chính như sau:

Chương 1: Tổng quan

Trang 23

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học không gian xác định mất ổn định lật ngang đoàn xe sơ mi rơ moóc

Chương 3: Khảo sát xác định mất ổn định lật ngang đoàn xe sơ mi rơ moóc khi quay vòng

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Những kết quả mới của luận án

1 Luận án đã xây dựng được mô hình động lực học đoàn xe sơ mi rơ moóc (ĐXSMRM) 46 bậc tự do Mô hình có thể khảo sát được các trạng thái động lực học đoàn xe khác nhau;

2 Luận án đã khảo sát được ảnh hưởng của các thông số như chiều cao trọng tâm, góc quay bánh xe dẫn hướng (góc lái) và vận tốc khi quay vòng đến sự mất ổn định lật ngang ĐXSMRM;

3 Luận án đã xây dựng được các đồ thị 3D của các thông số đánh giá mất ổn định lật ngang như LTR, RSF và các thông số như gia tốc ngang, góc lắc ngang theo vận tốc xe và góc lái;

4 Luận án đã đề xuất được phương pháp xác định vùng mất ổn định lật ngang của ĐXSMRM khi quay vòng với quy luật đánh lái Ramp Steer Maneuver (RSM)

Đã đề xuất được phương pháp xác định ngưỡng chuyển động an toàn theo vận tốc xe

và góc lái bằng mô hình động lực học Kết quả của nghiên cứu có thể được làm cơ sở

để thiết kế các hệ thống cảnh báo và điều khiển chống lật ngang sau này;

5 Luận án đã lựa chọn được phương pháp và xây dựng hệ thống thí nghiệm để kiểm chứng mô hình động lực học ĐXSMRM khi quay vòng

Ý nghĩa thực tiễn của luận án

Mất ổn định lật ngang là dạng tai nạn rất nguy hiểm không chỉ cho bản thân ĐXSMRM mà còn các thành phần tham gia giao thông khác Luận án đã xây dựng được mô hình động lực học ĐXSMRM để nghiên cứu các quá trình mất ổn định Mô hình có thể ứng dụng để nghiên cứu động lực học quay vòng tới hạn của ĐXSMRM

Đã sử dụng mô hình để khảo sát được một số trạng thái lật ngang đặc trưng Luận án

đã phân tích, lựa chọn, đề xuất thông số đặc trưng cho cảnh báo và chống lật ngang

Ý nghĩa khoa học của luận án

Trang 24

- Phương pháp xây dựng mô hình và mô hình động lực học ĐXSMRM được xây dựng trong luận án có ứng dụng để khảo sát động lực học ĐXSMRM Phương pháp xác định ngưỡng mất ổn định lật ngang theo gia tốc ngang có ý nghĩa thực tiễn

và khoa học trong nghiên cứu cảnh báo và điều khiển chống lật ngang

- Luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất trong quá trình nghiên cứu cải tiến hoặc thiết kế mới nhằm tăng tính ổn định chuyển động của ĐXSMRM

Trang 25

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Hiện nay, vận chuyển hàng hóa bằng đoàn xe là một trong những phương thức vận chuyển quan trọng của các nền kinh tế phát triển Vận chuyển bằng đoàn xe được phát triển ở các quốc gia có mạng lưới giao thông liên lục địa Lợi thế của mạng lưới giao thông này là mặt đường rộng, thoáng, chất lượng mặt đường tốt, vận hành an toàn, tốc độ đoàn xe có thể đạt đến 120 km/h Với kích thước và khối lượng lớn, đoàn

xe đã cho thấy hiệu quả của việc vận chuyển các loại hàng hóa, đặc biệt là đối với hàng hóa chuyên dùng Có thể giảm 25% lượng nhiên liệu tiêu hao cho vận chuyển

100 tấn/km hàng hóa khi nâng tải trọng ĐXSMRM từ 16 lên 32 tấn [12] Ở Việt Nam, ĐXSMRM được sử dụng tương đối phổ biến Khi chuyển động đoàn xe chiếm một hành lang di chuyển lớn hơn các phương tiện khác Thêm nữa do kích thước, tải trọng lớn và kết cấu hai thân liên kết qua khớp nối, ĐXSMRM dễ bị mất ổn định hơn các

xe đơn Ngoài sự mất ổn định trên đường thẳng (phanh, tăng tốc), thì ĐXSMRM còn rất dễ mất ổn định ngang khi quay vòng hoặc chịu các tác động ngang như gió ngang hoặc va chạm với các phương tiện khác Khi quay vòng, ĐXSMRM có thể bị mất ổn định hướng và mất ổn định lật ngang Đây là dạng tai nạn nguy hiểm không chỉ cho bản thân ĐXSMRM mà cả các thành phần tham gia giao thông khác Vì vậy, nghiên cứu xác định mất ổn định lật ngang là cần thiết trong thời điểm khi hệ thống giao thông chưa hoàn chỉnh do còn nhiều đoạn giao cắt và mật độ giao thông lớn Kết quả nghiên cứu hướng đến làm đầu vào cho các hệ thống điều khiển ổn định lật ngang hoặc làm tín hiệu cảnh báo cho người lái Để làm được việc đó, cần phải xác định được các trạng thái mất ổn định lật ngang căn cứ vào các tiêu chí đánh giá Đánh giá lật ngang là vấn đề khó khăn; hiện nay trên thế giới chưa có tiêu chuẩn hoặc tiêu chí

cụ thể để đánh giá Nội dung chương này trình bày về xu thế phát triển và các dạng mất ổn định ĐXSMRM khi quay vòng Bên cạnh đó, cơ sở lý thuyết về lật ngang ĐXSMRM và các tiêu chí đánh giá mất ổn định lật ngang được phân tích để từ đó đề xuất các chỉ tiêu đánh giá sử dụng trong luận án

1.1 Xu thế phát triển và vấn đề mất ổn định ĐXSMRM

1.1.1 Xu thế phát triển ĐXSMRM

Hiện nay, trên thế giới vận tải bằng đoàn xe đang được phát triển nhằm nâng cao năng suất vận chuyển, giảm ùn tắc giao thông, giảm lượng khí thải, giảm ô nhiễm

Trang 26

môi trường Nghị quyết 96/53EC của Liên minh Châu Âu [63] xác định trọng lượng

và kích thước xe tải nặng, cho phép xe tải có tải trọng lớn hơn và dài hơn nhằm phục

vụ cho vận tải liên vận quốc tế Điều đó cho phép tăng khả năng vận chuyển, giảm

ùn tắc giao thông và giảm lượng khí thải Tuy nhiên, phát triển đoàn xe cũng kéo theo một số vấn đề như tăng áp lực đối với đường, làm giảm tuổi thọ của đường, đồng thời cũng gia tăng tai nạn giao thông

Hình 1.1 Phân loại đoàn xe

Khái niệm đoàn xe là tổ hợp các xe đơn: (i) XĐK kéo một hay nhiều SMRM đơn; (ii) XĐK, kéo SMRM và kéo theo một số rơ moóc (RM) độc lập [46] Trong khuôn khổ luận án này, như đã trình bày trong phần đối tượng nghiên cứu đoàn xe sơ

mi rơ moóc gồm một xe đầu kéo (XĐK) kéo theo một sơ mi rơ moóc (SMRM) được chọn để nghiên cứu, sau này gọi tắt là đoàn xe sơ mi rơ moóc (ĐXSMRM)

Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về vận chuyển hàng hóa, các nước trên thế giới đã sử dụng rất nhiều ĐXSMRM Theo thống kê ở Mỹ năm 2013 có khoảng 5,6 triệu ĐXSMRM [14] Tình hình sử dụng ĐXSMRM ở Châu Âu trong những năm gần đây cũng phát triển rất mạnh Theo thống kê của Eurostat [32] đoàn

xe vận chuyển khoảng 50% tổng lượng hàng hóa chuyên chở của các nước như ở Phần Lan chiếm 57%, Thụy Điển chiếm 52% Hà Lan cho phép chiều dài tối đa 25,25m, khối lượng tối đa 60000kg (các nước Bắc Âu tương ứng 18,75m và 50000kg) [54] Đến năm 2012 số lượng ĐXSMRM ở các nước Châu Âu như: Pháp

Trang 27

khoảng 310 ngàn xe, Đức gần 290 ngàn xe, Phần Lan hơn 270 ngàn xe, Tây Ban Nha hơn 250 ngàn xe, Thổ Nhĩ Kỳ hơn 200 ngàn xe, Hà Lan hơn 130 ngàn xe, Ý khoảng

100 ngàn xe, Rumani gần 80 ngàn xe, Cộng hòa Séc khoảng 50 ngàn xe

Ở Việt Nam số lượng ĐXSMRM cũng phát triển rất nhanh, theo số liệu chưa đầy đủ hiện nay cả nước có gần 70 ngàn xe [14] Số lượng ĐXSMRM tăng mạnh ở các địa phương có nhiều bến cảng, khu công nghiệp, cửa khẩu Tại thành phố Hải Phòng tính đến tháng 7 năm 2013 có khoảng 7.100 ĐXSMRM [1] Tại thành phố Hồ Chí Minh đến cuối năm 2015 có gần 11.500 ĐXSMRM [7] Tuy nhiên, do ĐXSMRM có kích thước, khối lượng lớn và kết cấu hai thân nên dễ mất ổn định chuyển động và gây tai nạn giao thông

Theo báo cáo thường niên về tình hình tai nạn giao thông của hãng Volvo [65],

ở 27 nước châu Âu năm 2009 có khoảng 35.000 nạn nhân chết vì tai nạn giao thông, năm 2010 là 31.000 vụ Trong báo cáo này cũng đưa ra các loại xe tải có tải trọng lớn hơn 3,5 tấn gây ra 7.200 vụ tai nạn chiếm 17% số vụ tai nạn nghiêm trọng và 7% thương vong là do xe tải hạng nặng gây ra theo số liệu trung bình từ năm 2005 đến

2008 Theo thống kê của Cơ quan giao thông Mỹ [31] thì năm 2011 có 3.341 người chết vì tai nạn giao thông có liên quan đến các loại xe tải hạng nặng; số người chết lại có xu hướng tăng theo từng năm Các tác giả Sogol và Thomson [61] có phân tích

dữ liệu thống kê số vụ tai nạn từ tháng 04 năm 2001 đến hết tháng 12 năm 2003 tại

Mỹ cho thấy: dạng tai nạn do mất điều khiển chiếm 18,7% số vụ tai nạn liên quan đến xe tải lớn Trong đó có 54,6% là do lật ngang, 30,8% là do mất ổn định hướng và 14,6% là cả hai dạng mất ổn định trên Hãng Volvo [65] có chỉ ra một số nguyên nhân gây ra tai nạn giao thông do ô tô Trong đó khoảng 90% nguyên nhân xuất phát từ con người Có thể kể đến sự mất tập trung, quá tốc độ, khả năng nhận thức nguy hiểm

Có khoảng 30% số trường hợp là do yếu tố môi trường gây nên ví dụ như: chất lượng đường xấu, xuống cấp sau thời gian sử dụng, kết cấu đường không phù hợp

Theo Cục Đăng kiểm Việt Nam, trong năm 2014 toàn quốc xảy ra 9 vụ TNGT liên quan đến ĐXSMRM Nhưng chỉ riêng năm tháng đầu năm 2015, cả nước đã xảy

ra 22 vụ TNGT liên quan đến ĐXSMRM, tập trung ở các địa bàn Hải Phòng, TP.HCM, Bình Dương, Đồng Nai Trong đó TP.HCM xảy ra 11 vụ (chiếm 50% cả nước) làm chết 8 người, bị thương 5 người Các vụ tai nạn giao thông liên quan đến

Trang 28

ĐXSMRM đều từ nghiêm trọng đến đặc biệt nghiêm trọng với số người chết và bị thương rất cao [19]

1.1.2 Phân loại mất ổn định ĐXSMRM

So với xe đơn, ĐXSMRM có cấu tạo gồm 3 phần cơ bản là XĐK, SMRM và khớp nối Khi đoàn xe chuyển động chịu các tác động từ người lái, đường, ngoại cảnh (hình 1.2) bao gồm:

+ Tác động của người lái: ga (MAij), phanh (MBij), và quay vòng (δij) Khi ĐXSMRM chuyển động, XĐK có thể chịu cả 3 tác động Còn SMRM chịu tác động của tác động phanh;

+ Tác động của đường: Liên kết lốp đường thể hiện qua hệ số bám đường (φijmax, φijmin) và biên dạng đường (hij) Trong nhiều nghiên cứu về ổn định chuyển động ĐXSMRM thường giả thiết xe đi trên đường phẳng khi đó có thể coi hij bằng 0; + Tác động ngoại cảnh: Đối với XĐK thì tác động lực cản khí động theo phương dọc được chú ý nhiều Còn đối với SMRM, đặc biệt trong các bài toán ổn định ngang thì lực gió ngang lại là thành phần ảnh hưởng rất lớn do diện tích cản lớn;

Hình 1.2 Sơ đồ điều khiển ĐXSMRM

+ Tác động hệ thống điều khiển tích cực (nếu có): Hiện nay không chỉ có trên các loại xe đơn, mà ngay trên các loại xe lớn cũng đang nghiên cứu, lắp đặt các hệ thống tích cực như: ABS/TCS, thanh ổn định tích cực

Trang 29

Hình 1.3 Sơ đồ các dạng mất ổn định ngang ĐXSMRM

Với các tác động như vậy, ĐXSMRM thường bị mất ổn định ngang (Lateral Instability) Có hai dạng mất ổn định ngang là: (1) Mất ổn định hướng (Yaw Instability); (2) Mất ổn định lật ngang (Roll Instability) như hình 1.3 Do kết cấu liên kết bởi khớp nối nên sự mất ổn định của ĐXSMRM phức tạp hơn xe đơn rất nhiều Khối lượng của SMRM có một phần đặt lên XĐK qua khớp nối Điều đó ảnh hưởng lớn đến ổn định cả đoàn xe trong một số trường hợp tải trọng thẳng đứng đặt tại khớp nối tăng nhanh khi đi trên đường trơn, phanh ngặt, đi trên đường vòng hoặc do sự thay đổi tải trọng

Khi quay vòng, người lái quay vô lăng tạo ra gia tốc ngang cho XĐK và SMRM Các giá trị gia tốc ngang này phụ thuộc vào (i) người lái (góc quay vô lăng, mức độ phanh/ga); (ii) cấu trúc xe (khối lượng, kích thước, cấu trúc lốp ), (iii) ngoại cảnh (hệ số bám đường, mấp mô đường) Khi đó gia tốc ngang tạo ra lực quán tính ly tâm tác dụng vào 3 cụm cầu trước, giữa và sau khác nhau, làm cho các bánh xe bị trượt ngang, đầu tiên là trượt đàn hồi, sau đó trượt lết (trượt bề mặt) Mức độ trượt lết là khác nhau ở 3 cụm cầu như hình 1.4 Trượt đàn hồi do đàn hồi ngang của lốp, trượt lết bắt đầu sau khi đàn hồi ngang kết thúc, chuyển sang trượt lết Khi bánh xe trượt ngang, nếu bị chặn bởi các vỉa hè hoặc mấp mô thì xe có thể bị lật vấp Còn khi hệ số bám cao cho dù gia tốc đã lớn nhưng các bánh xe cũng không trượt lết Quá trình

Trang 30

trượt lết không xảy ra (điều kiện cần) mà mô men lật đặc trưng bởi gia tốc ngang lớn hơn mô men chống lật đặc trưng bởi sự phân bố tải trọng (điều kiện đủ) khi đó ĐXSMRM có thể lật ngang

Mất ổn định hướng được tác giả Bouteldja [26] phân loại thành 3 dạng: (a) Dao

động ngang của SMRM; (b) Lệch đuôi của SMRM; (c) Gập hai thân xe như hình 1.4 Nguyên nhân gây ra mất ổn định hướng của ĐXSMRM là do các bánh xe bị trượt ngang khi phanh quá ngặt hoặc gia tốc lớn khi đi trên đường có hệ số bám thấp Trạng thái SMRM bị dao động ngang quanh chốt của khớp nối làm tăng hành lang chuyển động và rất dễ làm mất hướng chuyển động của XĐK (hình 1.4a)

Hình 1.4 Các dạng mất ổn định hướng ĐXSMRM

Khi các bánh xe trên cầu sau của SMRM bị bó cứng và trượt trong quá trình phanh làm phần này bị lệch một bên (hình 1.4b) Khi phanh trên đường có hệ số bám thấp các bánh xe cầu sau XĐK có thể bị khoá cứng và mất khả năng truyền lực ngang

Sự tăng góc lệch hai thân xe làm cho các bánh xe sau XĐK bị trượt ngang hoàn toàn dẫn đến ĐXSMRM bị gập thân xe (hình 1.4c) Khi bị trượt, XĐK có thể bị SMRM đẩy sang bên làm xuất hiện hiện tượng mất ổn định hướng chuyển động Khi bị mất

ổn định hướng người lái khó có thể điều khiển hướng chuyển động của xe theo mong muốn Đối với xe đơn và mô hình một dãy, khi còn trong vùng tuyến tính (góc lệch bên α≤40) thì có thể dùng công thức Olley (α1-α2) để đánh giá khả năng ổn định hướng theo tính chất quay vòng: α1-α2>0 quay vòng thừa, xe mất ổn định; α1-α2<0 xe quay vòng thiếu, xem trong Mitschke [24] Khi lốp trượt ngang lớn, biểu thức Olley không

Trang 31

dùng được nữa, khi đó thường sử dụng gia tốc ngang để đánh giá ổn định hướng thông qua hệ số gia tốc ngang (Rearward Amplication Ratio) [25, 28, 53, 60]

Mất ổn định lật ngang có hai dạng là "lật vấp" (Tripped Rollover) và "lật quán

tính" (Maneuver Rollover) Lật vấp xảy ra khi xe va chạm với lề đường, các phương tiện, chướng ngại vật khác hoặc do thay đổi đột ngột một bên mặt đường (ổ trâu, ổ gà) Sự va chạm với các đối tượng này cùng với các chuyển động của xe sẽ tạo ra một trục lật Kích thước và tải trọng lớn tạo ra mô men gây lật ngang lớn quanh trục lật làm xe mất ổn định lật ngang rất nhanh Va chạm xảy ra do nhiều nguyên nhân, trong

đó chủ yếu là các phương tiện vi phạm làn đường di chuyển Sự vi phạm làn đường lại do sự mất ổn định hướng gây ra Nếu đường có hệ số bám thấp, dù gia tốc ngang không lớn, xe bị trượt ngang và có thể vấp phải lề đường, ĐXSMRM có thể bị lật ngang Khi phanh, khi tăng tốc, nhất là trên đường vòng, các bánh xe có thể bị bó cứng và lực ngang có thể giảm mạnh, xe có thể bị trượt Khi trượt ngang, xe có thể chạm lề đường và gây lật Như vậy, mất ổn định hướng là một trong các nguyên nhân gây ra lật vấp

Nếu đường có hệ số bám cao, khi xe quay vòng ở vận tốc lớn, khi đó gia tốc ngang sẽ lớn và do khả năng bám ngang tốt nên xe không bị trượt ngang (như bị vấp)

mà chỉ có thể bị lật quán tính Trạng thái mất ổn định lật ngang này là do chuyển hướng khi xe chuyển động với gia tốc ngang lớn, chiều cao trọng tâm lớn trên đường

có hệ số bám cao Với điều kiện đó, chuyển động của xe sinh ra mô men lật lớn hơn

mô men chống lật làm xe mất ổn định lật ngang

Sự mất ổn định lật ngang được thể hiện rõ ràng nhất qua dấu hiệu tách bánh

xe (Sự tách bánh xe xảy ra khi có sự giảm tải trọng động về 0 của bánh xe) Khi quay vòng sự tách bánh xe thường bắt đầu từ các bánh xe sau SMRM Trong khi khoảng cách từ người lái đến cuối xe là lớn do ĐXSMRM có kích thước lớn nên người lái khó có thể cảm nhận được các dấu hiệu này

Mất ổn định lật ngang ảnh hưởng đến chuyển động quay thân xe qua tính chất làm việc của hệ thống treo khi quay vòng Các dạng mất ổn định quay thân xe như gập thân xe hay dao động ngang phần SMRM là một trong những nguyên nhân gây

ra lật vấp khi có sự va chạm với các đối tượng khác

Mất ổn định lật ngang của ĐXSMRM là một quá trình động lực học, phụ thuộc

Trang 32

vào cấu trúc đoàn xe, phụ thuộc điều kiện đường và phụ thuộc phản ứng của người lái Ngoài ra, giữa XĐK và SMRM có quan hệ liên kết động lực học thông qua khớp nối yên ngựa (fifth wheel hitch) Với khoảng cách lớn giữa người lái và cầu xe sau của SMRM, người lái khó nhận biết trạng thái của SMRM nên khó có thể phản ứng kịp thời khi xe bị mất ổn định lật ngang Vì vậy, nghiên cứu mất ổn định lật ngang để cảnh báo cho người lái hoặc làm thông số đầu vào cho hệ thống điều khiển động lực học nhằm làm giảm sự mất ổn định ĐXSMRM là cần thiết

1.2 Những nghiên cứu liên quan đến luận án

1.2.1 Những nghiên cứu trên thế giới về mô hình ĐXSMRM

Năm 2000, các tác giả Jeng-Yu Wang và Masayoshi Tomizuka [42] đã trình bày phương pháp phân tích động lực học ngang cho các loại xe tải hạng nặng trong cả miền thời gian và miền tần số Những phân tích này đánh giá phản ứng của các loại

xe tải lớn khi góc đánh lái khác nhau Các kết quả đưa ra là các thông số động lực học của xe khi chịu tác động lái gấp Dựa trên các kết quả này tác giả đưa ra các hướng điều khiển trong trường hợp đánh lái gấp và góc lái lớn Năm 2001, các tác giả Magnus Gäfvert và Olof Lindgärde [50] đã đưa ra hướng nghiên cứu về động lực học đoàn xe bằng việc xây dựng mô hình động lực học 9 bậc tự do cho ĐXSMRM Nhóm tác giả đã sử dụng hệ phương trình Newton-Euler để mô hình hóa từng cụm tổng thành, hệ thống con (Sub System) trên đoàn xe như: mô hình lốp, hệ thống treo

và khảo sát một số trường hợp chuyển động cơ bản như: Chuyển làn đường, đánh lái quá độ, đánh lái tự do Các kết quả đưa ra là phù hợp với việc phi tuyến hóa nhiều hệ thống con Từ đó đưa ra một số hướng điều khiển để tăng tính ổn định của ĐXSMRM Năm 2003, tác giả Ashley Liston Dunn [25] đã nghiên cứu ổn định của đoàn xe khi tác dụng mô men phanh lớn hơn tiêu chuẩn trong điều kiện đường có hệ số bám thấp bằng phương trình Lagrange tích hợp bộ lọc Kalman mở rộng và thí nghiệm động lực học đoàn xe Điều khiển chống bó cứng bánh xe có tác dụng rất lớn cho việc

ổn định ô tô khi chuyển động Năm 2004, Các tác giả Kienhöfer và Cebon [43] đã sử dụng thuật toán điều khiển ABS cho ĐXSMRM Các tác giả đưa ra việc điều khiển trượt bánh xe làm giảm quãng đường phanh 25% Hiện nay các loại ĐXSMRM ở phương Tây đều trang bị hệ thống phanh có ABS để tăng tính ổn định khi chuyển động

Trang 33

Năm 2009, Li Mai, Pu Xie và Changfu Zong [47] đã đưa ra thuật toán nghiên cứu ổn định ĐXSMRM Vấn đề mà các tác giả nghiên cứu là ảnh hưởng của quá trình phanh đến ổn định của ĐXSMRM Nghiên cứu đã khảo sát đánh giá phản ứng của ĐXSMRM khi phanh ở các cầu khác nhau nhằm tăng tính ổn định cho ĐXSMRM Một hướng nghiên cứu các tác giả đưa ra là mô phỏng động lực học bằng ADAMS

và điều khiển bằng MATLAB đáp ứng được yêu cầu bài toán điều khiển

1.2.2 Những nghiên cứu trên thế giới về mất ổn định lật ngang ĐXSMRM

Những báo cáo về khả năng lật của xe tải nặng làm quan ngại những người làm chính sách và sản xuất ô tô Năm 2003, các tác giả Jamie Gertsch và Oliver Eichelhard [40] đã mô phỏng động lực học đoàn xe để xác định giới hạn ổn định ngang Nghiên cứu này đã đưa ra các kết quả phù hợp với trạng thái lật ngang đoàn xe có khớp nối Những nghiên cứu về ổn định lật có thể phân làm các nhóm: (i) nghiên cứu ổn định lật ngang tĩnh và (ii) nghiên cứu ổn định lật ngang động bằng phương pháp cân bằng năng lượng (iii) nghiên cứu ổn định lật ngang bằng các hệ số phân bố tải trọng

a Những nghiên cứu về ổn định lật ngang tĩnh

Hình 1.5 Sơ đồ bàn thử nghiêng ngang

Cách thông thường khi nghiên cứu ổn định lật ngang tĩnh là sử dụng các thiết

bị xác định các tiêu chí tĩnh như bàn thử nghiêng ngang (Tilt Table Test) Bàn thử nghiêng ngang [28] bao gồm một sàn có thể thay đổi góc nghiêng Góc nghiêng của sàn được xác định qua cảm biến đo góc Trên sàn có lắp thanh chống trượt ngang một bên Một cảm biến xác định góc lật ngang của khối lượng được treo xe thí nghiệm Một cảm biến xác định trạng thái tách bánh xe như hình 1.5 Bàn thử nghiêng tạo ra

Trang 34

một mức gia tốc ngang tương ứng khi quay vòng ổn định Xác định trên bàn nghiêng khá đơn giản và có tính lặp lại cao

Kết quả của thiết bị xác định góc lật tĩnh ngang là giá trị góc β (được xác định thông qua cảm biến đo góc nghiêng ngang đặt trên sàn) khi một bánh xe bắt đầu tách khỏi mặt sàn Để xác định thời điểm đó hệ thống đo có cảm biến xác định tiếp xúc bánh xe Xe được chặn ngang để không bị trượt Từ đó tính được hệ số TTR (Tilt Table Ratio) theo công thức sau:

Hình 1.6 Một số thiết bị bàn thử nghiêng ngang trên thế giới

Góc lắc ngang tĩnh là một trong các thông số quan trọng đánh giá sự mất ổn định lật ngang của ô tô Góc lắc ngang tĩnh càng lớn thì khả năng ổn định lắc ngang càng cao Hiện nay, phương pháp thử nghiêng ngang bằng thiết bị nghiêng ngang được các trung tâm kiểm định, các hãng xe sử dụng cho nhiều loại phương tiện như hình 1.6 Đây là các thiết bị xác định góc nghiêng ngang tĩnh cho ĐXSMRM (hình a) và xe buýt 2 tầng (hình b)

Tác giả Peijun [53] định nghĩa hệ số SRT là giá trị gia tốc ngang lớn nhất của

xe khi quay vòng mà xe còn ổn định được theo công thức sau:

Trang 35

chỉ ra rằng, toàn bộ việc lật ô tô có quan hệ chặt chẽ với hệ số SRT Những xe có SRT thấp thường không an toàn so với các xe có SRT cao Hệ số SRT phụ thuộc vào kích thước hình học của xe, hệ thống treo, thuộc tính lốp, có thể xác định bằng lý thuyết hoặc thực nghiệm Thực nghiệm trên đường, trên băng thử nghiêng sẽ tốn kém khi xác định SRT cho xe tải lớn Preston và Gindy [55] nghiên cứu giới hạn lật ngang của một số loại xe tải lớn bằng thiết bị bàn thử nghiêng ngang Theo nghiên cứu này,

hệ số SRT của đoàn xe 3÷4 cầu nằm trong khoảng 0,45g đến 0,5g Khi góc nghiêng ngang tăng làm thay đổi tải trọng lên bánh xe, làm thay đổi trọng tâm xe và do đó ảnh hưởng đến SRT Nghiên cứu của các tác giả Fancher và Mathew [30] chỉ ra hệ số SRT là 0,38g cho một loại ĐXSMRM ở Mỹ; tác giả El-Gindy [29] lại đề cập hệ số SRT là 0,4g Hệ thống treo và lốp cứng dẫn đến hệ số SRT thấp hơn Hệ thống treo các cầu của SMRM có độ cứng tương đối lớn hơn so với hệ thống treo của XĐK Sự phân tải trọng lớn ra cầu sau của đoàn xe và tính tuyến tính của góc quay vô lăng dẫn đến dấu hiệu lật ít nhận biết được của người lái Các nghiên cứu thống kê của Klein [45] xác định giới hạn lật bằng ba phương pháp khác nhau, kết quả chỉ ra quan hệ giữa thông số ổn định lật ngang và giới hạn lật ngang

Miller và Barter [49] đã phân tích lý thuyết lật ngang ĐXSMRM bỏ qua tất cả lực động và coi sự lật là khi tất cả các bánh xe cùng một dãy tách khỏi mặt đường Điều đó chỉ ra rằng, ĐXSMRM có chiều cao trọng tâm lớn dễ gây lật ngang, nghiên cứu có ý nghĩa cho hệ thống điều khiển chống lật ngang Các nghiên cứu chỉ ra rằng, các mức vận tốc mà người lái cho là an toàn thường gần với giới hạn lật ngang Phần lớn người lái đều bị sốc khi xe rơi vào trạng thái mất ổn định lật ngang Điều đó cho thấy thiếu một sự cảnh báo trước Nghiên cứu lý thuyết về lật của xe nhiều cầu được tiến hành bởi Winkler [67] Ngưỡng lật ngang tĩnh của xe (khi giả thiết hệ thống treo

là cứng) là một nửa chiều rộng hiệu dụng chia cho chiều cao trọng tâm, được gọi là

hệ số ổn định tĩnh SSF (Static Stability Factor) Hệ số ổn định tĩnh SSF được tính như sau:

Trang 36

tâm thay đổi theo loại tải trọng Khi mô hình hóa đã quy các nhóm cầu về một cầu tương đương và việc coi hệ thống treo và lốp không đàn hồi sẽ chỉ ra SSF không sát kết cấu thực tế Tuy nhiên đây cũng có thể là một thông số tham khảo để đánh giá khả năng mất ổn định lật ngang của ô tô

b Những nghiên cứu về ổn định lật ngang động bằng phương pháp cân bằng năng lượng

Hình 1.7 Mô hình lật ngang 1 vật

Khi đánh giá ổn định lật vấp của xe tải nặng cần 3 thông số động lực học dựa theo nguyên lý cân bằng năng lượng của vật bị lật là một vật cứng như hình 1.7 Dahlberg [28] có phân tích trạng thái thay đổi động năng và thế năng của một vật bị lật ngang Với quy ước toàn bộ khối lượng của vật được quy về trọng tâm của vật m cách mặt đất một khoảng h Vật bị lật quanh một điểm gọi là tâm lật R Trong trường hợp vật đang chịu một gia tốc quán tính ngang ay vật bị lắc một góc β Vật này chịu tác động của các ngoại lực lực tác dụng như gió, lực mặt đường Đối với các vật có liên kết đàn hồi với vật phía dưới (Với ô tô là cầu xe) có thể quy đổi liên kết đàn hồi này thành một hệ số độ cứng góc Cβ Thế năng của vật bị lật ngang được viết như sau:

Trang 37

Nalecz [51] đưa ra hàm RPER (Rollover Prevention Energy Reserve) là một hàm dựa trên cân bằng thế năng Ucrit và động năng Tk như sau:

Hinch [35] đưa ra hệ số chống lật RPM (Rollover Prevention Metric) phụ thuộc vào hệ số SSF, khối lượng xe m và mô men quán tính Jx của xe sau khi xảy ra va chạm được tính theo công thức như sau:

Quá trình lật ngang ô tô nói chung và ĐXSMRM nói riêng là một quá trình động

lực học phức tạp Các tiêu chí về lật ngang RPER và RPM không thể hiện được các

quá trình động lực học của ĐXSMRM do loại xe nhiều cầu này không phải dạng vật cứng khi lật ngang Để có thể đánh giá được quá trình lật ngang của ĐXSMRM cần

có các tiêu chí đánh giá trực quan tương thích với quá trình lật ngang của loại xe này

Hình 1.8 Sơ đồ các cụm cầu của ĐXSMRM 6 cầu

Phân tích cơ chế lật ngang cho ĐXSMRM với 3 cụm cầu: cầu trước XĐK, hai cầu sau của XĐK được nhóm lại thành cụm cầu số 2, còn 3 cầu của SMRM nhóm lại

Trang 38

thành cụm cầu số 3 như hình 1.8 được Peijun [53], Sampson [60] và Wrinkle [67] trình bày chi tiết Giả thiết tổng khối lượng của ĐXSMRM là M đặt tại trọng tâm của

xe có chiều cao h từ mặt đường Thiết lập phương trình cân bằng mô men quanh trục giữa các vết tiếp xúc như sau:

Trong đó các Fzi2 và Fzi1 là các tải trọng bên phải và bên trái của từng cụm cầu

xe thứ i bi là một nửa vết tiếp xúc của từng cầu xe i Tùy thuộc vào độ cứng góc của từng cầu mà sự tách bánh xe ở mỗi cầu là khác nhau theo từng góc lắc ngang như hình 1.9

Hình 1.9 Đồ thị quan hệ góc lắc ngang, gia tốc ngang và mô men chống lật

Đối với ĐXSMRM khi quay vòng sự tách bánh thường xảy ra từ các cầu phía sau SMRM ở góc lắc ngang β3 nhỏ tiếp theo là sự tách bánh của cụm cầu số 2 ở góc lắc ngang β2 Cụm cầu trước XĐK bị tách bánh chậm nhất và ở góc lắc ngang β1 do cầu trước thường có độ cứng nhỏ Mô men gây lật ngang do sự lệch trọng tâm của xe khi quay vòng được thể hiện là một đường thẳng có độ dốc âm như hình 1.9

Tổng mô men phía bên trái của công thức 1.8 được thể hiện là đường màu xanh

Từ đồ thị hình 1.9 có thể rút ra một số nhận xét như sau:

Trang 39

- Các điểm A, B, C thể hiện điểm tách bánh của các cụm cầu 3,2,1 Tổng mô men phía trái của công thức đạt giá trị lớn nhất ở điểm B ứng với thời điểm tách xe của cụm cầu số 2 (cụm cầu sau XĐK);

- Mô men gây ra do gia tốc ngang được thể hiện phía bên trái của đồ thị với đường thẳng tỷ lệ với gia tốc ngang ay Ngưỡng mất ổn định lật ngang được thể hiện

là gia tốc ngang ứng với điểm B là ayB;

- Nếu coi như sự tách bánh của cả 3 cụm bánh xe là như nhau thì tổng mô men bên trái của công thức là đường OED tương ứng với trạng thái tách bánh xe của mô hình ½ Khi đó ngưỡng mất ổn định lật ngang là ayD có giá trị lớn hơn ayB Điều đó cho thấy ngưỡng mất ổn định khi tính theo mô hình một cầu cao hơn khi tính theo mô hình nhiều cầu

Từ những phân tích cơ chế lật ngang của ĐXSMRM, có thể nhận thấy trạng thái mất ổn định lật ngang chia thành 3 giai đoạn:

- Giai đoạn trước khi tách bánh xe cầu sau XĐK: ở giai đoạn này, khi gia tốc ngang tăng thì mô men chống lật ngang cũng tăng lên đến một giá trị lớn nhất; giá trị gia tốc ngang ứng với thời điểm này thường được gọi là ngưỡng lật ngang (Rollover Threshold) của ĐXSMRM Trong giai đoạn này, với những trạng thái quay vòng có gia tốc ngang không lớn hơn giá trị ngưỡng này thì xe vẫn còn ổn định;

- Giai đoạn trước lật hoàn toàn: đây là giai đoạn tính từ khi có sự tách bánh xe cầu sau XĐK đến khi trọng tâm của xe nằm ra phía ngoài của vết bánh xe Ở giai đoạn này, sự tăng nhanh góc lắc ngang làm tăng mô men gây ra do sự lệch trọng tâm trong khi mô men chống lật do sự phân bố tải trọng không tăng từ khi bánh xe cầu 1

bị tách khỏi mặt đường làm tổng mô men bên trái bị giảm nhanh;

- Giai đoạn lật hoàn toàn: là khi trọng tâm nằm ngoài vết tiếp xúc Khi đó mô men quanh vết tiếp xúc do trọng lượng của xe làm xe bị lật rất nhanh qua trục lật ngang là vết tiếp xúc của bánh xe bên phải với mặt đường

Hiện nay, đối với các nghiên cứu động lực học quay vòng ĐXSMRM, vấn đề được tập trung nghiên cứu là xác định ngưỡng mất ổn định lật ngang nằm trong giai đoạn 1 hơn là nghiên cứu chuyên sâu cho giai đoạn 2 và 3 Vì xác định được ngưỡng lật ngang có thể đề xuất các giải pháp cảnh báo hoặc điều khiển tích cực để xe không tiến đến giai đoạn 2 và 3 là rất quan trọng

Trang 40

Qua phân tích cơ chế lật ngang của ĐXSMRM có nhận xét như sau: Sự lật ngang

là phức tạp đặc biệt đối với các xe nhiều cầu có kết cấu nhiều thân như ĐXSMRM Trong thực tế cả quá trình lật ngang xảy ra rất nhanh đặc biệt ở tốc độ cao Sự tách bánh xe chỉ là dấu hiệu rõ ràng để xác định trạng thái mất ổn định Nhưng sự tách bánh xe lại không dễ quan sát hoặc xác định đặc biệt là các bánh xe cầu sau khi người lái ở xa và khó có khả năng quan sát

Để đánh giá sự tách bánh xe trên một cầu xe có thể sử dụng hệ số phân bố tải trọng trên một cầu xe LTRi (Load Transfer Ratio) được tính theo công thức sau:

zi2 zi1 i

Đối với một số nghiên cứu xe đơn có sử dụng hệ số LTR để xác định trạng thái mất ổn định lật ngang (khi đã gộp xe nhiều cầu thành 1 cầu ứng với mô hình lắc ngang

½) Hệ số này cần xác định các thành phần tải trọng thẳng đứng bên trái Fz1 và bên phải Fz2 Hệ số LTR được tính như sau:

z2 z1 z2 z1

Rajesh [57, 58] sử dụng hệ số lật R (Rollover Index) để xác định trạng thái mất

ổn định lật ngang của xe con thông qua các tải trọng bên phải Fzr và bên trái Fzl Trong thực tế thì các tải trọng động là không dễ xác định trực tiếp nên các tác giả tính gián tiếp gần đúng từ các thông số có thể đo được như gia tốc ngang hay góc lắc ngang như sau:

Định dạng
Số trang	176
Dung lượng	4,5 MB