Nghiên cứu khảo sát động lực học chuyển động của xe tải lớn bằng phần mềm chuyên dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu khảo sát động lực học chuyển động xe tải lớn phần mềm chuyên dụng NGUYỄN HỮU THÀNH Thanh.NH202614M@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật ô tô Giảng viên hướng dẫn: TS Tạ Tuấn Hưng PGS.TS Dương Ngọc Khánh Khoa: Cơ khí động lực Trường: Cơ khí HÀ NỘI, 4/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu khảo sát động lực học chuyển động xe tải lớn phần mềm chuyên dụng NGUYỄN HỮU THÀNH Thanh.NH202614M@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật ô tô Giảng viên hướng dẫn: TS Tạ Tuấn Hưng PGS.TS Dương Ngọc Khánh Khoa: Cơ khí động lực Trường: Cơ khí HÀ NỘI, 4/2022 MỤC LỤC MỤC LỤC - LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - 1.1 Tình hình tai nạn giao thơng xe tải gây 1.2 Các dạng ổn định chuyển động ô tô - 1.2.1.Vấn đề ổn định lật ngang - 1.2.2 Mất ổn định hướng quỹ đạo chuyển động 13 1.3 Mơ hình hóa mơ máy tính - 15 1.4 Mục tiêu, phương pháp, phạm vi vấn đề nghiên cứu - 18 1.4.1 Mục tiêu vấn đề nghiên cứu - 18 1.4.2 Phương pháp nghiên cứu - 19 1.4.3 Phạm vi nghiên cứu - 19 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC XE TẢI BẰNG PHẦN MỀM TRUCKSIM 21 2.1 Giới thiệu phần mềm mô TruckSim 21 2.1.1 Giới thiệu chung - 21 2.1.2 Ứng dụng TruckSim - 22 2.1.3 Phương pháp hệ nhiều vật phương trình Kane 24 2.2 Một số Modun thiết lập TruckSim 29 2.2.1 Thân xe (Vehicle body) 29 2.2.2 Hệ thống truyền lực, hệ thống lái hệ thống phanh 30 2.2.3 Các cầu xe 31 2.2.4 Mơ hình Lốp - 32 2.3 Xây dựng quy trình mơ - 36 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG ÁN MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 45 3.1 Các thông số kỹ thuật xe - 45 3.2 Các phương án mô 46 3.3 Kết mô đánh giá 46 3.3.1 Kết mơ xe quay vịng - 46 3.3.2 Kết mơ xe quay vịng Fishhook 53 3.3.3 Kết mô xe chuyển đường - 59 KẾT LUẬN - 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 67 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần ngành công nghiệp ô tô ngày phát triển, thể rõ tầm quan trọng phát triển chung cơng nghiệp nước Với kích thước khối lượng lớn, xe tải lớn đáp ứng tốt nhu cầu vận chuyển khối lượng lớn loại hàng hóa, đặc biệt hàng hóa chun dùng Tuy nhiên, có kích cỡ tải trọng lớn dẫn đến trình chuyển động khó giữ tính ổn định cho tồn xe Có dạng ổn định ổn định hướng ổn định lật ngang Tuy nhiên, để xác định xác trạng thái ổn định sử dụng phương pháp thực nghiệm đo thử đường khó khăn Chính vậy, việc triển khai thực đề tài: “Nghiên cứu khảo sát động lực học chuyển động xe tải lớn phần mềm chuyên dụng” cần thiết, từ đưa kết đánh giá có kiến nghị phù hợp để cải thiện tính an toàn phương tiện giảm thiểu tai nạn giao thơng xảy q trình chuyển động Em xin chân thành cảm ơn TS Tạ Tuấn Hưng PGS.TS Dương Ngọc Khánh tận tình hướng dẫn bảo cho em trình thực đề tài Do tiếp cận phần mềm nên nội dung luận văn cịn nhiều điều chưa hồn chỉnh Kính mong thầy hội đồng đóng góp để nội dung đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày tháng năm 2022 Sinh viên thực Nguyễn Hữu Thành CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình tai nạn giao thơng xe tải gây Theo Văn phịng Ủy ban An tồn giao thông Quốc gia vừa tổng hợp, báo cáo tai nạn giao thơng tháng 02 (tính từ ngày 15/01/2022 đến ngày 14/02/2022) tháng đầu năm 2022 (tính từ ngày 15/12/2021 đến 14/02/2022) sau: Hình 1.1 Hiện trường vụ TNGT xảy tháng 2/2022 Trong tháng 2, toàn quốc xảy 1011 vụ, làm chết 620 người làm bị thương 661 người So với tháng kỳ năm 2021 giảm 184 vụ (-15,4%), giảm 24 người chết (-3,73%), giảm 225 người bị thương (-25,4%) Trong đó: - Đường bộ: Xảy 1000 vụ, làm chết 614 người, bị thương 657 người So với kỳ năm trước giảm 178 vụ (-15,11%), giảm 17 người chết (-2,69%), giảm 226 người bị thương (-25,59%) - Đường sắt: Xảy vụ, làm chết người, bị thương người So với kỳ năm trước giảm vụ (-36,36%), giảm người chết (-50%), số người bị thương không thay đổi (3/3) - Đường thuỷ: Xảy vụ, làm chết người, bị thương người So với kỳ năm trước giảm vụ (-20%), giảm người chết (-50%), tăng người bị thương (1/0) - Hàng hải: Trong tháng 02 không xảy tai nạn So với kỳ năm trước giảm vụ (-100%), giảm người chết (-100%), số người bị thương không thay đổi (0/0) Tai nạn giao thông tháng đầu năm 2022, toàn quốc xảy 1.974 vụ tai nạn giao thông, làm chết 1.185 người, bị thương 1.260 người So với tháng đầu năm 2021, số vụ TNGT giảm 541 vụ (-21,51%), giảm 90 người người chết (-7,06%), số người bị thương giảm 563 người (-30,88%) [1] Trong đó: - Đường bộ: Xảy 1.953 vụ, làm chết 1.172 người, bị thương 1.255 người So với kỳ năm trước giảm 534 vụ (-21,47%), giảm 78 người chết (-6,24%), giảm 564 người bị thương (-31,01%) - Đường sắt: Xảy 14 vụ, làm chết người, bị thương người So với kỳ năm trước giảm vụ (-12,5%), giảm người chết (-30,77%), số người bị thương không thay đổi (4/4) - Đường thuỷ: Xảy vụ, làm chết người, bị thương người So với kỳ năm trước giảm vụ (-30%), giảm người chết (-42,86%), tăng người bị thương (1/0) - Hàng hải: Trong tháng không xảy tai nạn So với kỳ giảm vụ (100%), giảm người chết tích (-100%), số người bị thương không thay đổi (0/0) Đặc biệt, tính đến ngày 8/2/2022 Cục Cảnh sát giao thơng (C08, Bộ Công am) thông báo, ngày nghỉ Tết Nguyên đán Nhâm Dần 2022, toàn quốc xảy 216 vụ tai nạn giao thông, làm chết 121 người, bị thương 138 người [2] Từ kết trên, thấy vấn nạn tai nạn giao thông xảy tất tuyến đường thường xuyên tuyến đường Đặc biệt, số vụ tai nạn xảy xe tải lớn gây nhiều nghiêm trọng Sau hình ảnh số vụ tai nạn giao thơng điển hình xe tải lớn gây thời gian qua Hình 1.2 Hình ảnh Chiếc xe tải chở củ, lật ngửa cao tốc Trung Lương - Mỹ Thuận ngày mồng Tết Nhâm dần [3] Hình 1.3 Tai nạn xe tải làm người tử vong Thanh Hóa [4] Hình 1.4 Hình ảnh xe tải đới đầu xe ở Hưng Yên khiến 03 người tử vong [5] Hình 3.14 biểu diễn góc quay vơ lăng điều kiện đầu vào trường hợp khảo sat Giai đoạn từ 0-1s xe thẳng sau đánh lái trái nhanh để đạt mức 2900 trì mức khoảng 0,8s sau trả lái nhanh để vô lăng quay ngược đạt mức -2900 trì góc hết q trình khảo sát 50 km/h 40 km/h Hình 3.15 Đồ thị vận tớc dọc của xe quay vịng 40 km/h 50 km/h Hình 3.16 Quỹ đạo chuyển động của xe ở vận tớc Trên hình 3.16 đồ thị biểu diễn quỹ đạo quay vòng xe vận tốc 40 50 km/h cho ta thấy thay đổi quỹ đạo chuyển động khác Trong trường hợp quay vòng vận tốc 40 km/h, xe khơng bị lật ngang quỹ đạo chuyển động giữ gần đảm bảo điều kiện quay vòng ổn định theo mong muốn người lái Còn trường hợp xe quay vòng vận tốc 50 km/h, 54 xe bị quỹ đạo quay vòng từ thời điểm độ lần giai đoạn sau quỹ đạo chuyển động xe không đảm bảo dẫn đến xe bị văng khỏi vịng quay, xe bị lật ngang 40 km/h 50 km/h Hình 3.17 Đồ thị góc lắc ngang Trên đồ thị 3.17 thể góc lắc ngang xe thấy trường hợp xe quay vòng với vận tốc 40 km/h bắt đầu đánh lái góc lắc ngang thay đổi không đáng kể khoảng thời gian 2s sau ổn định hết thời gian khảo sát Xe chuyển động ổn định Trạng thái ổn định lật ngang thể rõ ràng đồ thị góc lắc ngang, nên nhìn vào đồ thị 3.17 ta thấy trạng thái quay vòng với vận tốc 50 km/h góc lắc ngang thay đổi nhanh chóng mà khơng ổn định từ bắt đầu đánh lái bị lật khoảng 5s Hình 3.18 Đồ thị gia tớc ngang 55 Hình 3.19 Đồ thị so sánh góc lắc ngang gia tốc ngang Xét quy luật gia tốc ngang (Hình 3.18) cho thấy xe chuyển động vận tốc 50km/h gia tốc ngang đạt max mức 0,38g Sau biến đổi theo quy luật góc quay vơ lăng đạt đến 0,55g tiến tương ứng với tăng giá trị góc lắc ngang đạt đến tức xe bị ổn định lật ngang hoàn toàn Điều thể rõ đồ thị mối quan hệ góc lắc ngang gia tốc ngang Hình 3.20 Đồ thị biểu diễn góc quay thân xe Xét chuyển động hướng xe quay vịng xe bị lật ngang góc quay thân xe có xu hướng nhỏ lại, điều giải thích xe bị lật ngang trọng lượng xe có xu hướng bẻ ngược lại làm giảm góc quay thân xe 56 Hình 3.21 Tải trọng thẳng đứng bánh xe bên trái Hình 3.22 Tải trọng thẳng đứng bánh xe bên phải Trên hình 3.21 3.22 đồ thị biểu diễn lực dọc tác dụng lên bánh xe bên trái bên phải Ta thấy trường hợp xe chưa bị lật ngang tức xe quay vịng fishhook vận tốc 40 km/h xe chưa bị ổn định lật ngang, tải trọng bánh xe có xu hướng thay đổi tương ứng Tải trọng bánh xe bên trái có xu hướng giảm xuống, bên phải có xu hướng tăng lên Điều xảy lẽ lúc trọng tâm xe bị thay đổi, lực tác dụng lên bánh xe bên phải tăng nhanh trọng tải xe quán tính tạo gia tốc ngang xe thay đổi nhanh Lúc bánh xe bên trái có xu hướng nhấc dần lên khỏi mặt đất nên lực tác dụng từ mặt đường lên lốp xe có xu hướng giảm, đồng thời nghiêng thân xe quay vòng dẫn tới đồng thời thay đổi giá trị phản lực 57 thẳng đứng, góc nghiêng ngang bánh xe bên phụ thay đổi góc điều khiển bánh xe, dẫn đến phản lực tác dụng lên bánh xe bên phụ tăng nhanh Do ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển động ô tô Trường hợp xe quay vịng fishhook vận tốc 50 km/h mức tải trọng thay đổi nhanh bắt đầu quay vòng, lúc lật ngang xảy nhanh tương ứng với trạng thái tách bánh xe xảy nhanh bánh xe bên trái tăng nhanh tải trọng bánh xe bên phải Góc lắc ngang gia tốc ngang tăng, đồng thời với tải trọng xe khiến cho xe lệch khỏi quỹ đạo quay vòng bị lật Hình 3.23 Đồ thị góc trượt Hình 3.24 Đồ thị tỷ lệ trượt Sự tương tác lốp với đường trạng thái khảo sát thể rõ hình 3.24 Xét góc trượt ngang cho thấy bắt đầu quay vịng 58 có tăng giá trị tương ứng với trạng thái biến dạng đàn hồi Tuy nhiên, có tách bánh xe khơng cịn tương tác lốp hệ số trượt dọc ngang 3.3.3 Khảo sát xe chuyển đường Chuyển đường trường hợp thường gặp điều kiện di chuyển hệ thống giao thông có mật độ cao Trong khảo sát học viên xác định trường hợp khảo sát vận tốc cao:  Trường hợp 1: Xe chuyển đường tốc độ 100 km/h  Trường hợp 2: Xe chuyển đường tốc độ 110 km/h Giả sử xe di chuyển với tốc độ cao mà phía trước lại xuất chướng ngại vật cách bất ngờ Và đương nhiên phản xạ người lái đánh lái, chuyển đường cách đột ngột Khi ứng với mức vận tốc khác điều khiển góc vơ lăng khác TruckSim có đề xuất quy luật góc quay vơ lăng hình… Để làm điều kiện đầu vào cho khảo sát Đối với góc quay lớn kết cấu hệ thống lái TruckSim giới hạn góc quay vơ lăng 10000 Hình 3.25 Đồ thị biểu diễn góc quay vơ lăng Trong trường hợp khảo sát mức vận tốc khác góc quay vơ lăng phải khác Điều lực tương tác lốp mặt đường trường hợp khác dẫn đến khả chuyển động khác 59 Trong trường hợp xe chuyển đường tốc độ 100 km/h, bắt đầu đánh lái 1,5s góc quay vơ lăng khoảng 1800 (Hình 3.25) Ta thấy kỳ đánh lái sau góc quay vơ lăng bắt đầu thay đổi khơng ổn định góc quay vơ lăng có xu hướng tăng nhanh, nhiên trường hợp giữ đc quỹ đạo chuyển động đưa xe trở trạng thái ổn định cuối thời gian khảo sát (Hình 3.27) Hình 3.26 Đồ thị biểu diễn góc bánh xe Hình 3.27 Quỹ đạo chuyển động của xe ở vận tớc khác 60 Hình 3.28 Đồ thị biểu diễn góc quay thân xe Cịn trường hợp xe chuyển đường tốc độ 110 km/h rõ ràng xe bị lật Bắt đầu đánh lái 1,5s đến 5,1s góc quay vơ lăng tăng nhanh nhanh lên đến 4000 (Hình 3.25) chu kỳ đánh lái sau góc quay vô lăng tăng vọt lên đến gần 10000, tức tăng gần gấp lần so với chu kỳ đầu Ở Hình 3.28 thấy rõ thay đổi góc quay thân xe chu kỳ sau trình chuyển đường Hình 3.29 Đồ thị biểu diễn gia tớc ngang 61 Hình 3.30 Đồ thị so sánh góc lắc ngang gia tớc ngang Góc lắc ngang thơng số quan trọng rõ ràng để đánh giá trạng thái ổn định lật ngang Sự lật ngang xảy nhanh với việc góc lắc ngang bị tăng nhanh mà gia tốc ngang góc quay vơ lăng lại có xu hướng thay đổi ngược lại gia tốc trọng trường tác động kéo khiến xe lật nhanh Trạng thái bị lật ngang tương ứng với trạng thái bánh xe tách khỏi mặt đường, dẫn đến tải trọng động bánh xe bị giảm nhanh Hình 3.31 Đồ thị biểu diễn lực ngang tác động lên bánh xe bên phải 62 Hình 3.32 Đồ thị biểu diễn lực dọc tác động lên lốp bên trái Hình 3.33 Đồ thị biểu diễn lực dọc tác động lên lốp bên phải Các kết khảo sát cho thấy, động lực học xe chuyển đường phức tạp với nhiều trình thay đổi liên tục vô lăng đảo chiều liên tục Khi quay vòng, thân xe bị nghiêng đồng thời dẫn tới nghiêng ngang bánh xe Do ảnh hưởng nghiêng ngang bánh xe, vết tiếp xúc với mặt đường có thêm phản lực bên tác dụng vào bánh xe Chính trọng tải xe khiến qn tính quay vịng xe tăng nhanh, dẫn đến xe bị lật 63 64 KẾT LUẬN Để đáp ứng nhu cầu cấp thiết ngành công nghiệp ô tô nay, xe tải lớn số loại xe đáp ứng tốt nhu cầu vận chuyển loại hàng hóa, đặc biệt hàng hóa chuyên dùng Với mục tiêu nghiên cứu đề tài, qua phần mềm TruckSim phương diện tổng quan ứng dụng mà phần mềm thực thân em thực việc mô với trường hợp khảo sát “Khảo sát xe quay vịng góc vơ lăng 2700 với vận tốc 65 km/h 75 km/h; Khảo sát xe quay vòng Fishhook vận tốc 40 50km/h; Khảo sát xe chuyển đường vận tốc 100 110 km/h” Trong luận văn giới thiệu phần mềm TruckSim phương diện tổng quan ứng dụng mà phần mềm thực Từ đề xuất quy trình thực việc mô với thông số nhập từ bên Các bước thực với phần mềm trực quan dễ thao tác Qua đó, nhận kết phù hợp so với với thực tế, nhiên kết nghiên cứu bước khởi đầu cho việc sử dụng phần mềm thương mại kiểm chứng tính đắn để nghiên cứu, khảo sát động lực học chuyển động xe tải lớn, xác định ngưỡng ổn định lật ngang xe tải lớn Với phần mềm này, thực nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển chống lật ngang tương lai Em xin chân thành cảm ơn hỗ trợ, dậy, góp ý thầy hướng dẫn suốt trình thực nghiên cứu Do tiếp cận với phần mềm nên nội dung nhiều vấn đề chưa hồn thiện mong hội đồng đóng góp để đề tài ý nghĩa Em xin chân thành cảm ơn./ 65 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://mt.gov.vn/vn/tin-tuc/78987/tinh-hinh-tngt-thang-02-va-2-thang-dau-nam2022 [2] https://laodong.vn/infographic/216-vu-tai-nan-giao-thong-trong-ky-nghi-tet-nhamdan-2022 [3] https://www.atgt.vn/o-to-tai-cho-cu-qua-lat-ngua-tren-cao-toc-trung-luong-mythuan-d541340.html [4] https://vov.vn/xa-hoi/tin-24h/vu-tngt-nghiem-trong-lam-7-nguoi-chet-o-thanh-hoaxe-tai-cho-qua-5-nguoi-845178.vov [5] https://vov.vn/xa-hoi/tin-24h/vu-tai-nan-3-nguoi-chet-o-hung-yen-xe-con-dangkiem-lai-xe-khong-co-nong-do-con-ma-tuy-866033.vov [6] https://thanhnien.vn/hoa-binh-xe-khach-dau-dau-xe-tai-3-nguoi-chet-1-nguoi-bithuong-post1046539.html [7] PGS.TS.Nguyễn Khắc Trai, Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô, Nhà xuất Giao thông vận tải (1997) [8] Võ Văn Hường, Nguyễn Tiến Dũng, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc (2014) Động lực học ô tô, NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội [9] Nguyễn Hữu Cẩn, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Dư Quốc Thịnh, Lê Thị Vàng, Lý thuyết ô tô, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật (2000) [10] Van-Tan Vu, Oliver Sename, Luc Dugard, Peter Gasar, H∞ active anti-roll bar control to prevent rollover of heavy vehicles: a robustness analysis, Univ Grenoble Alpes, GIPSA-lab, F-38402 Grenoble Cedex, france [11] Peijun Liu (1999) Analysis, Detection and Early Warning Control of Dynamic Rollover of Heavy Freight Vehicles, Concordia University, Canada [12] Sampson David John Matthew (2000) Active Roll Control of Articulated Heavy Vehicles, Cambridge University, England [13] Schramm D, Hiller M, and Bardini R (2014) Vehicle Dynamics Modeling and Simulation 1st edn Springer-Verlag Berlin Heidelberg [14] Li Mai, Pu Xie, Changfu Zong Research on Algorithm of Stability Control for Tractor Semi-trailer International Conference on Mechatronics and Automation 08/2009, Changchun, China 67 [15] ZHANG Yi, XIA Min-min,QIN Jin-yi,ZHANG Hu Research on Cosimulation Using ADAMS and MAT LAB for Automobile Active Suspension System International Conference on Computer Application and System Modeling 2010 [16] https://www.carsim.com/ [17] Li L, Guo T and Xu S (2021) Simulation Analysis of Vehicle Handling Stability Based on Trucksim, Journal of Physics: Conference Series, ICAMMT 2021 doi:10.1088/1742-6596/1885/3/032043 [18] TruckSim Math Models-Mechanical Simulation, Nguồn: https://www.carsim.com/downloads/pdf/TruckSim_Math_Models.pdf [19] Zhang Y, Li X, Zhou J, Yin X, Yuan S, Liu S (2018) Modeling and Dynamics Analysis for Intelligent Skid-Steering Vehicle Based on TrucksimSimulink, International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering Vol:12, No:6, 2018 [20] Nguyễn Văn Khang (2017) Động lực học hệ nhiều vật, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [21] T.D.Gillespie, Fundamentals of vehicle dynamics, Society of Automotive Enginerrs, Warrendale, PA (1992) [22] Yubiao Zhang, Amir Khajepour, Yanjun Huang*, Multi-axle/Articulated Bus Dynamics Modeling: A Reconfigurable Approach, Article in Vehicle System Dynamics January 2018 [23] Nurzaki Ikhsan 1,2*, A hmad Saifizul 1, * and Rahizar Ramli 1,3, The Effect of Vehicle and Road Conditions on Rollover of Commercial Heavy Vehicles during Cornering: A Simulation Approach, http://doi.org/10.3390/su13116337 [24] Rajesh Rajamani (2012) Vehicle Dynamics and Control, Springer New York [25] Jazar Reza N (2005) Vehicle Dynamics Theory and Application, Springer New York, USA 68 ... xây dựng phát triển phần mềm để mô động lực học xe Một số phần mềm mô cơng ty kể đến bao gồm: Phần mềm CarSim: Mô động lực học loại xe ô tô bánh, xe tải nhẹ, xe tải nhỏ, xe ô tô đua; với phiên... thực Phần mềm TruckSim: Mô động lực học xe tải nặng xe tổ hợp, dùng lốp đơn lốp kép Phần mềm BikeSim: Mô động lực học xe máy, phát hành lần đầu năm 2006 Phần mềm SuspensionSim: Mô động lực học. .. chuyên dụng để đánh giá ổn định chuyển động xe tải lớn Học viên lựa chọn loại xe tải cầu để làm đối tượng nghiên cứu 19 20 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC XE TẢI BẰNG PHẦN MỀM