Nâng cao độ ổn định ngang cho ô tô khách 2 tầng

Bài viết Nâng cao độ ổn định ngang cho ô tô khách 2 tầng trình bày thiết kế của một bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống ổn định ngang chủ động trên cả hai trục. Góc lắc ngang thân xe, gia tốc ngang và hệ số chuyển tải ở hai trục đều được coi là tín hiệu tối ưu.

NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH NGANG CHO Ô TÔ KHÁCH TẦNG KS Nguyễn Duy Hưng Viện nghiên cứu ô tô công nghệ cao, Hà Nội, Việt Nam TS Vũ Văn Tấn Bộ mơn Cơ khí tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao Thơng Vận Tải Trần Văn Đà Phạm Huy Hồng Hội tơ thành phố Hà Nội TĨM TẮT: Trong vận tải hàng khơng du lịch giới, xe khách hai tầng ngày trở nên phổ biến Nhiều xe khách hai tầng trang bị hệ thống ổn định ngang bị động, tải trọng lớn, trọng tâm lớn nên tai nạn lật xe loại phương tiện để lại hậu nặng nề Để tăng độ ổn định chuyển động xe khách hai tầng, báo trình bày thiết kế điều khiển tối ưu cho hệ thống ổn định ngang chủ động hai trục Góc lắc ngang thân xe, gia tốc ngang hệ số chuyển tải hai trục coi tín hiệu tối ưu So với xe khách sử dụng hệ thống ổn định ngang bị động, kết mô miền thời gian tần số cho thấy rõ hiệu điều khiển đề xuất, với tín hiệu đánh giá giảm từ 30 đến 45% Từ khóa: Động lực học ô tô, Hệ thống ổn định ngang chủ động, Điều khiển tối ưu LQR, Tai nạn lật ngang, Ô tơ khách tầng GIỚI THIỆU Ơ tơ khách tầng ô tô chở hành khách với số lượng lớn thường sử dụng để vận chuyển đoạn đường dài Bên cạnh đó, chúng biểu tượng quốc gia Anh, Đức, Nhật, chúng dần trở thành phương tiện giao thông công cộng phổ biến đạt hiệu vận tải cao thành phố đông đúc Ở Việt Nam, mức độ sử dụng xe khách tầng dần phổ biến khác với nước xe khách tầng Việt Nam chủ yếu dùng để vận chuyển tuyến đường dài từ Bắc vào Nam, từ Hà Nội lên Lào Cai Ơ tơ khách tầng tơ có tải trọng lớn, tọa độ trọng tâm cao bề rộng hai bên bánh xe bị giới hạn không vượt 2,5 m, khả chống lật tơ Điều dẫn đến nhiều vụ tai nạn giao thông liên quan đến lật ngang ô tô khách tầng, ví dụ vụ tai nạn giao thơng tô khách tầng Sapa-Lào Cai năm 2014 làm chết 12 người Hình 213 Hình Tai nạn giao thông ô tô khách tầng tuyến Lào Cai-SaPa năm 2014 Tai nạn giao thông liên quan đến lật ngang tơ chia thành bốn nhóm sau [1], [2]: + Phịng ngừa được: người điều khiển tơ phịng ngừa tai nạn hỗ trợ thiết bị lắp đặt xe, cách cảnh báo nguy hiểm xảy Với nhóm này, giảm số vụ tai nạn liên quan đến tượng lật, khoảng 3,3% + Có khả phịng ngừa: tai nạn điều khó tránh Tuy nhiên nhiều trường hợp người điều khiển phương tiện tránh nó, phụ thuộc vào kỹ điều khiển độ tin cậy phương tiện khả làm việc thiết bị cảnh báo Với nhóm này, giảm nhiều tai nạn, khoảng 38,4% + Khơng thể phịng ngừa: kỹ lái xe hay khả làm việc thiết bị cảnh báo, tượng lật luôn xảy Nhóm chiếm lớn tổng số tai nạn lật ngang ô tô, chiếm khoảng 49,7% + Khả lật khơng thể xác định: nhóm chiếm khoảng 8,6% tổng số vụ tai nạn lật ngang ô tô Việc người lái xe cảm nhận dấu hiệu tượng lật nhiệm vụ khó khăn thường diễn tình khẩn cấp nhanh Nguyên nhân tai nạn lật ngang ổn định xe lực tiếp xúc lốp với đường bên bánh xe 0, tức bánh xe bị nhấc khỏi mặt đường ảnh hưởng lực quán tính ngang [3], [4] Hầu hết ô tô thường trang bị hệ thống ổn định ngang bị động, hệ thống không cung cấp đủ moment chống lật trường hợp khẩn cấp ví dụ Hình Việc nghiên cứu lý thuyết hệ thống ổn định ngang chủ động nghiên 214 cứu từ năm 1998-2010 trường Đại học Cambrigle-Vương Quốc Anh, sau nhà nghiên cứu Đại học bách khoa Budapest-Hungary phát triển cấp độ cao Các phương pháp điều khiển cho hệ thống ổn định ngang chủ động tơ kể đến: PID, mờ (Fuzzy), H∞, LPV, [2], [3], [5] Trong nghiên cứu tác giả đề xuất mơ hình tơ khách tầng sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu LQR cho hệ thống ổn định ngang chủ động, với mục tiêu tối ưu gia tốc ngang, góc lắc ngang thân xe hệ số chuyển tải cầu Do báo có kết cấu sau: Phần giới thiệu tổng quan tượng lật ngang ô tô khách tầng Phần giới thiệu mơ hình tơ khách tầng sử dụng để nghiên cứu Bộ điều khiển tối ưu LQR trình bày phần Phần kết mô miền thời gian miền tần số Kết hướng nghiên cứu trình bày phần MƠ HÌNH Ơ TƠ KHÁCH TẦNG 2.1 Xây dựng mơ hình tơ Mơ hình tơ khách tầng thể Hình 2, với tơ chế độ đầy tải có tọa độ trọng tâm điểm O Mơ hình Roll thiết lập nhìn trực diện tơ phía trước, mơ hình Yaw thiết lập nhìn từ xuống Các thơng số mơ hình tơ trình bày [4] Hình Mơ hình Roll - Yaw tơ khách tầng Phương trình động lực học bao gồm: 215     ( I zz + ms h ).φ − I = xz ψ ms g.h.φ + ms v.h.( β +ψ ) − k f (φ −φtf )   (1)   −b f (φ −φtf ) + u f − kr (φ −φtr ) −b f (φ −φtr ) + u r + M ARf +T f + M ARt +Tr   − I xz φ + I zzψ = Fyf a − Fyr b   (2)  m.v.(β +ψ ) − ms h.φ = Fyf + Fyr  (3)  −r.Fyr= mur v.(r − hur ).(β −ψ ) + mur g.hur φtr − ktr φtr   (4) +kr (φ −φtr ) + br (φ −φtr ) + ur + M ARr +Tr   −r.= Fyf muf v.(r − huf ).(β −ψ ) + muf g.huf φtf − ktf φtf  (5)  +k f (φ −φtf ) + b f (φ −φtf ) + u f + M ARf +T f Trong đó, lực bên lốp hai cầu trước xác định sau:   a.ψ F = µ.C f (−β +δ f − )  yf v    b.ψ )  F= yr µ.Cr (−β + v  Phương trình (1) đến phương trình (5) hệ phương trình động lực học tô, viết thành dạng không gian trạng thái sau:    x =A.x + B1.w + B2 u  C.x + D1.w + D2 u   y=   Trong vector trạng thái: x = [β ψ φ φ φtf φtr ]T ; Kích thích bên ngồi (góc đánh lái): w=δf; Vector điều khiển: u = [Tf Tr]T ; Do thông số cần quan tâm góc lắc ngang thân xe, gia tốc ngang, hệ số chuyển tải hai cầu nên vector thông số đầu lựa chọn: y = [x ay Rf Rr]T A, B1, B2, C, D1, D2 ma trận hệ thống 2.2 Các tiêu đánh giá Để đánh giá ổn định lật ngang ô tô, ba tiêu sau thường sử dụng [5], [6], [7]: - Góc nghiêng ngang thân xe: |ϕ| ≤ 6o ÷ 8o - Gia tốc ngang thân xe ay ay ≤ 0,5.g (g gia tốc trọng trường) - Hệ số chuyển tải hai cầu Rf, Rr: 216 R = f k φ tf tf F l ; R = r zf k φ F l tr tr zr Trong đó: Fzf Fzr tải trọng tĩnh cầu trước cầu sau; ktf, ktr độ cứng góc lốp trước sau; ϕtf , ϕtr góc lắc ngang cầu trước cầu sau; l ½ chiều rộng vết bánh xe Khi |Rf,r|