NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẦN SỐ ĐÁNH LÁI ĐẾN ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC

SCIENCE TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẦN SỐ ĐÁNH LÁI ĐẾN ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC A STUDY ON EFFECTS OF STEERING FREQUENCY ON STABILITY OF TRACTOR SEMI TRAILER Nguyễn Tiến Dũng1,*, Nguyễn Đức Nam2, Nguyễn Minh Tú3 TĨM TẮT Đồn xe sơ mi rơ mc có kích thước lớn, kết cấu hai thân có khớp nối nên tính chất chuyển động phức tạp Chuyển đường trình di chuyển thường gặp điều kiện mật độ phương tiện di chuyển cao Việt Nam Bài báo trình bày phương pháp thiết lập mơ hình động lực học đồn xe sơ mi rơ moóc theo phương pháp hệ nhiều vật hệ phương trình Newton-Euler Trong mặt phẳng đường, vật tách cấu trúc mô tả với bậc tự do: dọc, ngang, quay thân xe Sử dụng mơ hình động lực xây dựng để khảo sát ảnh hưởng tần số đánh lái đến ổn định chuyển động đồn xe sơ mi rơ mc chuyển đường Từ khóa: Đồn xe sơ mi rơ moóc, mật độ phương tiện cao, chuyển đường đơn, động lực học hệ nhiều vật, tần số đánh lái ABSTRACT It is difficult to predict exactly the lateral stability of tractor semi-trailer since the complicated structure of the vehicle with a fifth wheel especially in the case of several motion Lane change is a common motion process in the high density of vehicles in Vietnam This paper presents a dynamic model of tractor semi-trailer is developed based on Multi-body System and Newton-Euler Equations In yaw plane, the bodies of tractor semitrailer are described by degrees of freedom as longitudinal, lateral, yaw The established model is applied to evaluate the effects of steering frequency of on stability of tractor semi-trailer while single lane change process Keywords: Tractor semi-trailer, high density of vehicle, single lane change, dynamics of Multi-body Systems, steering frequency Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Cao đẳng Cơ khí nơng nghiệp Trường Cao đẳng nghề số 4, Bộ Quốc phòng * Email: dung.nguyentien@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 12/01/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 15/5/2019 Ngày chấp nhận đăng: 10/6/2019 ĐẶT VẤN ĐỀ Ở Việt Nam số lượng đoàn xe chủ yếu đồn xe sơ mi rơ mc (ĐXSMRM) phát triển nhanh, đặc biệt địa phương có nhiều bến cảng, khu cơng nghiệp Tính đến tháng năm 2012 thành phố Hồ Chí Minh có 9.000 ĐXSMRM [1] Đến tháng năm 2014 Hải Phịng có gần 6.000 ĐXSMRM [2] Ở Việt Nam, theo thống kê Ủy ban An tồn giao thơng quốc gia năm 2016 nước xảy 21.589 vụ tai nạn giao thông, làm 8.685 người chết 19.280 người bị thương [3] Tai nạn giao thông xảy ĐXSMRM nhiều nguyên nhân, chủ yếu đoàn xe ổn định chuyển động đường tăng tốc, phanh, vượt xe, tránh chướng ngại vật, chạy đường có hệ số bám thấp đoàn xe chuyển hướng Hành lang chuyển động đoàn xe yếu tố quan trọng thiết kế đường Mỗi đường thường quy định độ rộng theo tiêu chuẩn hệ thống giao thông tiêu chuẩn đường ô tô Sự quy định đường mật độ phương tiện giao thông ngày tăng dẫn đến người lái điều khiển xe thường phải điều khiển để xe nằm đường an toàn Tuy nhiên, với điều kiện chuyển động thực tế có bị vi phạm đường (chuyển sang đường khác khỏi đường) đặc biệt loại xe có kích thước lớn ĐXSMRM ĐXSMRM chuyển đường tức kết thúc trình chuyển đường xe nằm vùng đường mong muốn Chuyển đường không đảm bảo xe bị vi phạm (một phần xe nằm đường ban đầu), vi phạm ngồi (vẫn cịn phần xe nằm đường mong muốn) Cả hai dạng vi phạm đường nguyên nhân gây tượng va chạm với phương tiện khác thành lề đường Điều dẫn đến xe bị lật vấp (Tripped Rollover) bị lệch hướng chuyển động gập thân xe (Jackknife) Hình Sơ đồ tương tác Đường - ĐXSMRM - Người lái Số 52.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 59 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Trong điều kiện đường Việt Nam, người lái thường xuyên phải điều khiển tích hợp (phanh, ga, lái) để xe mong muốn Ngoài yếu tố tác động từ đường, cản khí động phản ứng người lái ảnh hưởng lớn đến ổn định chuyển động ĐXSMRM sơ đồ hình Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng tần số đánh lái quy luật đánh lái sin đơn đến chuyển đường điều kiện đường có hệ số bám thấp mơ hình động lực học ĐXSMRM MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐỒN XE SƠ MI RƠ MOÓC   Fx11 cosδ11  Fy11 sinδ11  Fx12 cosδ12  Fy12 sinδ12 M1x1  M1y 1ψ  Fx21  Fx22  Fkx1  Fwx1  M y  M x ψ  1  Fy11 sinδ11  Fy11 cosδ11  Fx12 sinδ12  Fy12 sinδ12  1  Fy21  Fy22  Fwy1  Fky1  1  Fx12 cosδ12  Fy12 sinδ12    Fx11 cosδ11  Fy11 sinδ11   b1 Jz1ψ       Fx11 sinδ11  Fy11 cosδ11   Fx12 sinδ12  Fy12 sinδ12   l1    Fx22  Fx21  b2  Fy21  Fy22  l2  Fky1lk1  Fwy1lw1  (1) Hệ phương trình mơ tả chuyển động SMRM: x  M2 y ψ  Fkx2  Fx 31  Fx 32  Fx 41  Fx 42  Fwx M2   y1  M x 1ψ  Fky  Fy31  Fy 32  Fy 41  Fy 42  Fwy M2  J ψ   z2   Fx 32  Fx31  b3  Fx 42  Fx 41  b  Fky2 lk   Fy 31  Fy32  l3   Fy 41  Fy 42  l4  Fwy2 lw2  (2) Các ngoại lực mô men bên trái bao gồm: Fkx1, Fky1, Fkx2, Fky2 lực liên kết khớp nối tính từ giả thiết khớp nối dạng lý tưởng [5]; Fxij, Fyij lực từ đường tác dụng lên bánh xe đàn hồi xác định qua mơ hình lốp phi tuyến sử dụng hàm mẫu Ammon [6]; Fwx1, Fwy1, Fwx2, Fwy2 lực cản khí động b1, b2, b3, b4 vết tiếp xúc cầu xe; li, lk1, lk2 khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu xe i khớp nối tương ứng lw1, lw2 khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm đặt lực khí động tương ứng Khi giải hệ phương trình (1) (2) xác định vị trí trọng tâm Cm(Xm,Ym) xe (m = 1: XĐK; m = 2: SMRM), tọa độ điểm giới hạn Pij (Xij,Yij) (như hình 2) xe hệ quy chiếu cố định sau:  Xm  (x m cosψm  y m sinψm )dt    Y  (x sinψ  y cosψ )dt m  m m m m   Xij  X m  ( 1)i1 L ij cosψm  (  1) j Bij sinψm  i1 j  Yij  Ym  ( 1) L ij sinψm  (  1) Bij cosψ m Hình Mơ hình động lực học ĐXSMRM mặt phẳng đường Phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật thực việc tách phần cấu trúc riêng thông qua điểm liên kết Tại liên kết tách cấu trúc ta thay lực mô men có trị số, khác chiều phương, hướng dương hướng chuyển động Với phần tách cấu trúc dùng phương trình Newton-Euler [4] thiết lập phương trình mơ tả chuyển động ĐXSMRM tách thành hai phần tương ứng với hai hệ quy chiếu cục C1x1y1 ứng với xe đầu kéo (XĐK) C2x2y2 ứng với sơ mi rơ moóc (SMRM) đặt trọng tâm hình Từ thành lập hệ phương trình mơ tả chuyển động ĐXSMRM mặt phẳng đường viết riêng cho phần Hệ phương trình mơ tả chuyển động XĐK: 60 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 52.2019 (3) Trong đó: i = 1; 2: Các vị trí giới hạn trước sau XĐK; i = 3; 4: Các vị trí giới hạn trước sau SMRM; j = 1; 2: Các vị trí giới hạn trái phải vị trí i; Lij: Khoảng cách từ trọng tâm Cm đến điểm Pij theo phương dọc xe, m; Bij: Khoảng cách từ trọng tâm Cm đến điểm Pij theo phương ngang xe, m KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink thiết lập khối mơ mơ hình động lực học ĐXSMRM Các thông số kết cấu xác định từ ĐXSMRM gồm XĐK cầu MAZ 543203-220 SMRM cầu DV-CSKS-400NA [7] Nghiên cứu khảo sát trạng thái chuyển đường đơn với vận tốc 50km/h góc lái dạng Sin đơn dạng mở [8] biên độ góc lái 40 với tần số đánh lái f từ 0,455 đến 0,370Hz (thời gian đánh lái chu kỳ Δt 2,2 ÷ 2,7s) hình Lựa chọn đường phẳng cấp thiết kế III với bề rộng đường 3,5m theo TCVN4054:2005 [9] với hệ số bám φxmax 0,5; Đánh giá vi phạm đường thông qua tọa độ ngang Yij điểm giới hạn phải trái trước sau Pij xe biểu diễn hình ÷ 11 SCIENCE TECHNOLOGY Hình Quy luật đánh lái sin đơn cho góc quay bánh xe dẫn hướng bên trái Hình Tọa độ ngang Y11 điểm P11 Hình Tọa độ ngang Y21 điểm P21 Hình Tọa độ ngang Y31 điểm P31 Hình Tọa độ ngang Y41 điểm P41 Hình Tọa độ ngang Y22 điểm P22 Hình 10 Tọa độ ngang Y32 điểm P32 Hình 11 Tọa độ ngang Y42 điểm P42 Bảng Các tiêu đánh giá vi phạm đường ĐXSMRM theo tần số đánh lái f(Hz) Chỉ tiêu 0,455 0,435 0,417 0,4 0,385 0,37 Δt(s) 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 maxY11(m) 4,009 4,261 4,525 4,801 5,088 5,387 maxY21(m) 3,913 4,168 4,435 4,713 5,003 5,304 maxY31(m) 3,950 4,207 4,475 4,755 5,047 5,349 maxY41(m) 3,822 4,074 4,337 4,612 4,898 5,196 maxY12(m) 1,515 1,768 2,032 2,307 2,594 2,892 maxY22(m) 1,413 1,668 1,935 2,213 2,503 2,804 maxY32(m) 1,477 1,735 2,004 2,285 2,576 2,880 maxY42(m) 1,342 1,594 1,857 2,132 2,418 2,716 maxY1(m) 2,656 2,911 3,178 3,456 3,745 4,046 maxY2(m) 2,582 3,783 (P12) Vi phạm 2,834 4,552 (P22) Vi phạm 3,098 3,373 3,659 x x x Đạt Đạt Đạt 3,956 3,981 (P11) Vi phạm Thời điểm vi phạm (s) Kết luận Hình Tọa độ ngang Y12 điểm P12 Nhận xét: Căn vào vị trí điểm giới hạn ngang Yij so với đường tiêu chuẩn cho thấy khả xe bị vi phạm đường chuyển đường với tần số Số 52.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 61 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ đánh lái 0,455 0,435Hz (Các điểm vi phạm sớm tương ứng P12 P22 bảng 1) Điều dẫn đến xe bị va chạm với phương tiện tham gia giao thông khác Khi chuyển đường tần số đánh lái 0,37Hz xe bị vi pham đường ngồi điểm P11 (như bảng 2) Khi đó, điểm giới hạn trái bị vượt khỏi đường ngồi, điều dẫn đến ĐXSMRM bị va chạm với thành, lề đường Cả hai dạng vi phạm dẫn đến xe bị lật vập Khảo sát mức tần số đánh lái (0,417; 0,4; 0,385Hz) ĐXSMRM nằm đường mong muốn chuyển đường (bảng 1) KẾT LUẬN Khi chuyển đường người lái cần có điều khiển tùy theo trạng thái thực tế xe Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả chuyển đường ĐXSMRM Bài báo trình bày mơ hình động lực học hai dãy ĐXSMRM phương pháp hệ nhiều vật hệ phương trình Newton - Euler; Khảo sát với quy luật đánh lái Sin đơn cho trạng thái chuyển đường đơn Khi chuyển đường đơn với tần số đánh lái cao, ĐXSMRM có khả bị vi phạm Ở các tần số đánh lái thấp, ĐXSMRM bị vi phạm đường ngồi; Với phương pháp khảo sát trên, khảo sát xác định vùng điều khiển nhiều thông số để xe chuyển đường mà khơng bị va chạm với lề đường phương tiện khác Làm sở cho hệ thống lái tự động chuyển đường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Năm 2015: Lượng xe container TPHCM tăng gần 50% (2016) Nguồn: http://www.thesaigontimes.vn/142839/Nam-2015-Luong-xecontainer-tai TPHCM tang-gan-50.html [2] 90% xe container Hải Phòng chưa cấp phép (2013) Nguồn:http://vnexpress.net/tin-tuc/thoi-su/90-xe-container-o-hai-phongchua-duoc-cap-phep-2848248.html [3] 8.685 người chết tai nạn giao thơng năm 2016 (2017) Nguồn:http://nld.com.vn/thoi-su-trong-nuoc/8685-nguoi-chet-vi-tai-nan-giaothong-trong-nam-2016-20170104101534277.htm [4] Michael Blundell and Damian Harty, 2014 Multibody Systems Approach to Vehicle Dynamics Elsevier’s Science anh Technology Right Department, Oxford, UK [5] Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini, 2014 Vehicle Dynamic-Modeling and Simulation Springer, USA [6] Dieter Ammon, 2013 Modellbildung und Systementwicklung in der Fahrzeugtechink BG Teubner [7] Nguyễn Tiến Dũng, Võ Văn Hường, 2017 Xây dựng mơ hình động lực học nghiên cứu ổn định hướng xe bán moóc quay vịng Tạp chí Cơ khí Việt Nam số tháng 03 năm 2017 62 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 52.2019 [8] ISO14791, 2000 Road vehicles - Heavy commercial vehiclecombinations and articulated buses - Lateral stability test methods Switzerland [9] Tiêu chuẩn Việt Nam, 2005 TCVN4054 - Đường ô tô - Yêu cầu thiết kế (Highway - Specifications for design) Bộ Khoa học Công nghệ, Hà Nội AUTHORS INFORMATION Nguyen Tien Dung1,, Nguyen Duc Nam2, Nguyen Minh Tu3 Hanoi University of Science and Technology Vocational College of Agricultural Mechanics The Vocational College N04, Ministry of Defence