TỔNG QUAN
Tổng quan về công nghiệp ô tô Việt Nam
Theo dự báo của các chuyên gia kinh tế, giai đoạn phổ cập ô tô ở nước ta sẽ diễn ra vào khoảng từ 2020 - 2025 Hiện nay xu thế chung là có sự dịch chuyển mạnh mẽ cơ sở sản xuất, lắp ráp ô tô từ châu Âu, châu Mỹ sang châu Á làm thay đổi bức tranh công nghiệp ô tô toàn cầu Như vậy, nếu không sản xuất trong nước, Việt Nam sẽ phải nhập khẩu ô tô để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng Phát triển công nghiệp ôtô cần được xem là giải pháp dài hạn góp phần thực hiện mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, đưa Việt Nam tham gia sâu vào chuỗi giá trị toàn cầu, có tác động lan tỏa kéo theo sự phát triển của các ngành công nghiệp có liên quan, góp phần giảm thâm hụt cán cân thương mại.
Công nghiệp ô tô Việt Nam hiện nay chủ yếu chịu sự chi phối của 19 nhà sản xuất là thành viên của VAMA (gồm 13 doanh nghiệp liên doanh và 6 doanh nghiệp trong nước) Các nhà sản xuất này cùng chia nhau thị trường trên 200.000 xe/năm, với nhiều chủng loại xe khác nhau Một số thương hiệu ô tô lớn trên thế giới đã có mặt tại Việt Nam như Toyota, GM, Ford, Honda, Mercedes-Benz Theo Tổng cục Thống kê [1] tính đến hết năm 2012, có 358 doanh nghiệp có liên quan đến kinh doanh, sản xuất ô tô, giải quyết gần 80.000 lao động việc làm Tuy nhiên, so với các ngành công nghiệp khác, công nghiệp ô tô Việt Nam hiện nay chưa thực sự có nhiều đóng góp cho nền kinh tế nói chung và công nghiệp nói riêng. ỞViệt Nam hiện nay, công nghiệp ô tô vẫn còn được bảo hộ với hàng rào thuế nhập khẩu 15 - 50% Năm 2014, cả sản lượng và dung lượng thị trường đều đạt trên 120.000 xe, trong đó xe 5 chỗ chiếm 42,1% sản lượng xe sản xuất trong nước, xe tải chiếm 25,1% và các dòng xe còn lại mỗi dòng chiếm trên dưới 10% Tăng trưởng bình quân kim ngạch xuất khẩu giai đoạn 2009 - 2013 đạt 28,9%/năm Mặt hàng xuất khẩu chủ yếu là linh kiện, phụ tùng ô tô, chiếm trên 90% và thị trường xuất khẩu chủ yếu là Nhật Bản và Hoa Kỳ Công nghiệp hỗ trợ cho công nghiệp ô tô vẫn còn kém phát triển.
Tỉ lệ mua phụ tùng trong nước đạt được ở mức khác nhau tùy theo chủng loại xe và nhà sản xuất (10-30% đối với xe du lịch, > 30% đối với xe tải, > 40% đối với xe khách) Công nghiệp ô tô Việt Nam hiện nay đứng trước một số vấn đề cơ bản sau:
- Thị trường trong nước vẫn còn nhỏ;
- Giá xe ở Việt Nam cao hơn so với giá xe của các nước trong khu vực;
- Áp lực cạnh tranh từ các nước trong khu vực ngày càng lớn khi lộ trình cắt giảm thuế CEPT hoàn tất vào năm 2018 với mức thuế suất về 0% đối với mọi loại xe nhập khẩu từ ASEAN.
- Công nghiệp hỗ trợ cho công nghiệp ô tô vẫn chưa phát triển, nguồn nhân lực trong công nghiệp ô tô nói riêng và công nghiệp phụ trợ nói chung chưa đáp ứng được yêu cầu của doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô.
- Chính sách phát triển công nghiệp ô tô còn thiếu đồng bộ và thường mang tính ngắn hạn, gây khó khăn cho các doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp trong việc lập kế hoạch sản xuất dài hạn.
Với định hướng phát triển công nghiệp ô tô và phụ tùng ô tô Việt Nam trở thành ngành công nghiệp quan trọng của nền kinh tế, đáp ứng được phần lớn nhu cầu trong nước và tham gia sâu vào mạng lưới sản xuất ô tô thế giới, kế hoạch hành động phát triển ngành công nghiệp ô tô và phụ tùng ô tô xác định từ năm 2015 thực hiện:
- Điều chỉnh các loại thuế, phí và lệ phí liên quan đến ô tô
Chính sách thuế, phí và lệ phí liên quan đến ô tô sẽ được duy trì ổn định lâu dài với lộ trình thuế, phí nội địa ổn định trong vòng 10 năm Từ năm 2015, điều chỉnh lại giá trị tính thuế tiêu thụ đặc biệt đối với xe sản xuất trong nước và xe nhập khẩu cho hợp lý.
-Hỗ trợ sản xuất trong nước và nâng cao giá trị tạo ra trong nước
Bổ sung công nghiệp ô tô và phụ tùng vào danh mục các lĩnh vực ưu đãi đầu tư.Đơn giản hóa thủ tục xuất nhập khẩu và vận chuyển linh kiện, phụ tùng từ các nhà cung cấp chế xuất để phục vụ thị trường nội địa Giảm thuế nhập khẩu đối với các phụ tùng,linh kiện ô tô chưa sản xuất được ở trong nước và định kỳ rà soát, điều chỉnh danh mục phụ tùng, linh kiện ô tô được giảm thuế nhập khẩu Nghiên cứu, thực thi giải pháp, chính sách phù hợp nhằm giải quyết vấn đề chi phí sản xuất cao của ngành công nghiệp ô tô trong nước.
-Phát triển công nghiệp hỗ trợ
Xây dựng danh mục sản phẩm công nghiệp hỗ trợ ưu tiên phát triển theo hướng tập trung, có chọn lọc hơn Bổ sung công nghiệp ô tô và phụ tùng ô tô vào danh mục các sản phẩm cơ khí trọng điểm khuyến khích phát triển Bổ sung một số linh kiện, phụ tùng ô tô vào danh mục các sản phẩm công nghệ cao.
Bố trí nguồn vốn nhất định từ Quỹ phát triển doanh nghiệp vừa và nhỏ để cho các doanh nghiệp vay đầu tư trang thiết bị sản xuất trong lĩnh vực công nghiệp hỗ trợ phục vụ công nghiệp ô tô với lãi suất, thời hạn vay ưu đãi và nới lỏng điều kiện thế chấp Xây dựng và cập nhật thường xuyên cơ sở dữ liệu về công nghiệp hỗ trợ và cơ khí Nghiên cứu, đề xuất phát triển các cụm liên kết (cluster) công nghiệp ô tô nhằm tận dụng sự tập trung công nghiệp hiện có của các doanh nghiệp hoạt động trong công nghiệp ô tô và định hướng rõ ràng cho những dự án, nhà đầu tư mới.
-Phát triển nguồn nhân lực
Nắm bắt thực trạng nguồn nhân lực công nghiệp, tăng cường kết nối giữa doanh nghiệp và nhà trường Thực thi việc cấp giấy chứng nhận tay nghề trong ngành công nghiệp ô tô (đặc biệt trong sản xuất phụ tùng, linh kiện) Xây dựng chương trình phát triển nguồn nhân lực công nghiệp ô tô với sự hợp tác, hỗ trợ của doanh nghiệp và tổ chức nước ngoài.
-An toàn, môi trường và cơ sở hạ tầng
Tổ chức diễn đàn trao đổi giữa các bên liên quan (chính phủ, doanh nghiệp, chuyên gia, tổ chức phi lợi nhuận ) để thảo luận về các vấn đề liên quan đến an toàn, môi trường và cơ sở hạ tầng trong công nghiệp ô tô Thực hiện các nghiên cứu về các vấn đề an toàn, môi trường và cơ sở hạ tầng trong công nghiệp ô tô.
Tính ổn định và quỹ đạo chuyển động của ô tô
1.2.1 Tính điều khiển của ô tô
Tính điều khiển của ô tô được hiểu là các phản ứng của ô tô (chuyển vị) đối
=const) Như thế tính điều khiển được coi là điều khiển khách quan và thay thế tác động người lái bằng các hàm góc quay vành lái. Đây là một trong những khái niệm liên quan trực tiếp đến tính điều khiển Một hệ thống ổn định hay không phụ thuộc đến quá trình quá độ, nó ổn định nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian và ngược lại, hệ thống không ổn định nếu quá trình quá độ tăng dần theo thời gian Hệ thống ở biên ổn định nếu quá trình quá độ không đổi hoặc dao động không tắt dần Ngoài ra tính ổn định còn được đánh giá qua sự ổn định hướng chuyển động của ô tô, là một đặc tính của ô tô giữ được hướng chuyển động theo góc quay vành lái khi chịu tác động của các lực và mô men ngoại cảnh.
1.2.2 Vấn đề an toàn giao thông và quỹ đạo chuyển động
Mặt đường thường giới hạn sự chuyển động của ô tô Sẽ rất dễ mất an toàn giao thông nếu ô tô mất sự ổn định điều khiển Vì vậy việc đảm bảo quỹ đạo chuyển động của ô tô theo đường cong mặt đường là một yếu tố nhằm đảm bảo an toàn giao thông.
Sự chuyển động của ô tô trên đường đòi hỏi phải thực hiện theo quỹ đạo phức tạp, người lái luôn luôn điều chỉnh góc quay vành lái Khi nâng cao tốc độ chuyển động cần thiết phải đảm bảo mối tương quan giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái chặt chẽ hơn Trong nhiều trường hợp sự sai lầm nhỏ trong điều khiển sẽ dẫn tới mất quỹ đạo chuyển động và gây mất an toàn giao thông Chẳng hạn khi đi trên đường vòng ở tốc độ cao gặp chướng ngại vật, phanh xe quá gấp dẫn đến bó lết các bánh xe làm mất khả năng điều khiển hoặc gia tốc hướng tâm tăng lên đột biến dẫn tới trượt bên các bánh xe và lật đổ.
Khí động học ô tô
Khi ô tô chuyển động trên đường, sự tương tác giữa vỏ xe và môi trường không khí xung quanh có ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc của ô tô.
Lực cản không khí chính diện làm tăng tổng lực cản chuyển động của ô tô, từ đó làm gia tăng mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô, đặc biệt là ở vận tốc cao do lực cản này tỉ lệ với bình phương vận tốc chuyển động của ô tô Lực nâng có thể giảm khả năng bám đường, đặc biệt khi xe chuyển động ở vận tốc cao Lực ngang trong trường hợp gió lớn có thể gây mất ổn định chuyển động của ô tô Các mô men cũng gây ảnh hưởng trực tiếp tới an toàn chuyển động của ô tô. Để giảm tối đa những ảnh hưởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu về khí động học Với xe khách cỡ lớn cần quan tâm đặc biệt đến sự ổn định do lực ngang và các momen gây ra trong trường hợp gió ngang lớn.
1.3.1 Khí động học và các thông số đặc trưng Đối tượng nghiên cứu của khí động học là dòng chảy quanh một vật cản đang chuyển động Bằng phương pháp Ơ le với hệ tọa độ gắn với vật, người ta coi một vật chuyển động với vận tốc V trong môi trường không khí tĩnh tương đương với vật đứng yên trong dòng khí có vận tốc V
Với ô tô khi chuyển động trên đường có các lực khí động: lực cản, lực nâng, lực ngang và các momen theo các phương dọc, ngang, đứng.
Trong nghiên cứu khí động có 3 thông số quan trọng đặc trưng cho dòng chảy không khí là số Reynolds, Mach, Strohal.
- U : vận tốc của dòng khí
- f : tần số dao động của dòng khí
- L : chiều dài của vật thể
- à : độ nhớt động lực học của chất lỏng
− ρ : khối lượng riêng của dòng khí
Chỉ số “ ∞ ” trong các công thức trên thể hiện thông số được lấy ở vùng không khí cách xa vật chuyển động và không chịu ảnh hưởng của vật này
Trong phân loại dòng chảy khí động, khi M ≤ 0,3, dòng chảy không khí được gọi là dòng chảy dưới âm với môi trường không chịu nén Vì vậy, trong các tính toán khí động học ô tô, để đơn giản hóa bài toán người ta thường giả thiết là không khí không chịu nén.
Lực cản của không khí có thể phân tích thành 2 thành phần: cản do ma sát
Fms và cản do chênh áp Fca, do vậy Cx cũng được chia thành hai thành phần tương ứng: C x = C ms + C ca
Nếu như thành phần cản do ma sát phụ thuộc chủ yếu vào độ nhám bề mặt của vỏ xe thì thành phần cản do chênh áp lại phức tạp hơn rất nhiều Nó phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng khí động học của vật cản Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ô tô nói chung và ô tô khách cỡ lớn nói riêng có hình dạng khí động học được coi là không tốt, nên chúng phải chịu lực cản khí động rất lớn Trong đó, thành phần cản do chênh áp vẫn chiếm phần lớn, vì vậy muốn giảm lực cản thì biện pháp hợp lý nhất là cải thiện hình dáng khí động học của vỏ xe.
Theo lý thuyết khí động học, khi xe con chuyển động, luồng không khí phía trên mui xe di chuyển với quãng đường dài hơn luồng không khí phía bên dưới gầm xe, phía trước nhanh hơn phía sau nên theo nguyên lý Bernoulli, vận tốc khác nhau của dòng khí sẽ phát sinh chênh lệch áp suất tạo nên lực nâng xe lên làm giảm sức bám mặt đường của lốp Cũng như lực cản, lực nâng tỷ lệ với diện tích mặt sàn xe, với bình phương vận tốc và hệ số nâng (Cl) – hệ số này phụ thuộc hình dạng của xe. Ởtốc độ cao, lực nâng có thể tăng quá mức và gây ảnh hưởng rất xấu đến sự chuyển động của xe Lực nâng tập trung chủ yếu ở phía sau, nếu lực nâng quá lớn, các bánh xe phía sau sẽ bị trượt, và như vậy rất nguy hiểm, nhất là khi xe chạy ở tốc độ cao Với xe khách cỡ lớn, chênh lệch quãng đường luồng không khí di chuyển trên nóc xe và dưới gầm xe là không đáng kế Với xe khách cỡ lớn chuyển động với tốc độ cao thường được lắp cánh phía đuôi xe Vì vậy trên xe khách khi chuyển động ở tốc độ cao, dòng không khí sẽ ép xuống cánh phía đuôi xe, gây ra lực ép lên xe [8]
Với xe con, diện tích theo phương ngang của xe không lớn do đó lực ngang thường không đáng kể so với lực cản Tuy nhiên với xe khách cỡ lớn, diện tích theo phương ngang của vỏ xe là rất lớn do đó giá trị của lực ngang là rất đáng kể so với lực cản Khi xe chuyển động với tốc độ cao trong trường hợp gió ngang lớn, đặc biệt khi gió bão lớn thì giá trị lực ngang khi đó là lớn so với lực cản, lực ngang này có thể gây mất ổn định hướng, cũng như mất ổn định lật với sự chuyển động của ô tô Ngoài ra, khi ô tô quay vòng hoặc chuyển làn, lực khí động tạo nên một thành phần tác động theo phương ngang, gây ảnh hưởng đến ổn định chuyển động Khi xét đến ảnh hưởng của lực khí động ngang thì bài toán động lực học của ô tô khi chuyển động là rất phức tạp, tuy nhiên vì yêu cầu thực tiễn của bài toán ổn định (vận tốc xe ngày càng cao, thường xuyên xuất hiện gió bão trong quá trình chuyển động) nên vấn đề ổn định của xe trong điều kiện gió ngang vẫn đang thu hút được rất nhiều sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới.
1.3.5 Các thông số đánh giá sự ổn định của chuyển động liên quan đến gió ngang
1.3.6 Mức độ ảnh hưởng của gió ngang đến ổn định chuyển động
Tác giả Milan Batista [3] đã tính độ lệch của đầu xe tải là 0,34 m; độ lệch của thùng xe tải là 0,8 m khi xe quay vòng Giá trị này nằm trong vùng nguy hiểm, để xe ổn định trở lại tác giả đã tính toán rằng người lái phải đánh lái một góc khoảng
15 0 trong thời gian dưới 0,5 giây.
Tác giả Youhanna William đã chỉ ra rằng với vận tốc gió ngang lớn hơn giá trị 10 m/s sẽ làm xe vi phạm làn đường Để xe không vi phạm làn đường cần có sự tác động của người lái
Hình 1.1 Biên độ dao động theo phương thẳng đứng tại các bánh xe
Tác giả Xiaoyu Zhang [4] đã tính ra sự dao động theo phương thẳng đứng tại các bánh xe trong điều kiện gió ngang (hình 1.1) Đây là dữ liệu đầu vào quan trọng trong việc điều khiển hệ thống lái, cũng như các hệ thống ổn định trên các xe hiện đại.
Từ một số kết quả đã được nghiên cứu kể trên có thể nhận thấy rằng, khi tốc độ gió càng lớn thì nguy cơ mất ổn định của xe ngày càng tăng lên: xe bị nghiêng ở vùng nguy hiểm, vi phạm làn đường chuyển động Mặt khác việc tính toán một số thông số động học, động lực học khi xe chuyển động trong điều kiện gió ngang như phản lực thẳng đứng tại các bánh xe, dao động theo phương thẳng đứng tại các bánh xe, góc nghiêng thân xe, cũng rất quan trọng Vì các giá trị này liên quan trực tiếp đến việc điều khiển hệ thống lái, cũng như các hệ thống điều khiển ổn định đã được trang bị trên ô tô hiện nay.
Các dạng mất ổn định ngang
Gió ngang ảnh hưởng rất nhiều đến ổn định chuyển động của các phương tiện nói chung và xe khách cỡ lớn nói riêng Có nhiều dạng mất ổn định khi có gió ngang tác động, theo Emmelman (1981), người đã đưa ra chỉ tiêu đánh giá mức độ nguy hiểm dựa trên ước tính độ lệch bên của xe so với quỹ đạo ban đầu của xe trong 0,8 giây đầu tiên thì có 3 dạng chính:
- Xoay vòng theo phương thẳng đứng
Hình 1.2 Các dạng mất ổn định ngang
An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ô tô là chỉ tiêu hàng đầu trong việc đánh giá chất lượng thiết kế và sử dụng Để nâng cao tính an toàn chuyển động nhất thiết phải đề cập đến động lực học chuyển động ngang của ô tô. Động lực học phương ngang nghiên cứu động lực học của ô tô khi có lực ngang tác dụng Lực ngang xuất hiện khi xe quay vòng, khi xe đi trên đường nghiêng, khi có gió ngang hoặc va chạm với các phương tiện khác.
Khi có lực ngang, phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên hai bánh xe cùng một trục thay đổi làm ảnh hưởng đến khả năng truyền lực kéo, lực phanh, thậm chí có thể gây nguy hiểm như trượt hoặc lật xe theo phương ngang Đây là một dạng tai nạn nguy hiểm không chỉ cho bản thân ô tô mà còn cho cả các thành phần tham gia giao thông khác Vì vậy, nghiên cứu động lực học ngang ô tô là cần thiết trong thời điểm 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 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 ngang bằng các tiêu chí đánh giá.
Khi chuyển động, ô tô chịu các tác động từ người lái, tác động của đường và ngoại cảnh, bao gồm:
− Tác động của người lái: Gia tốc, phanh, quay vòng;
− Tác động của đường: Liên kết lốp đường được thể hiện qua hệ số bám và biên dạng đường;
− Tác động ngoại cảnh: Ô tô chịu tác động lực gió phương ngang.
Mất ổn định lật ngang xảy ra do xe va chạm với lề đường, các phương tiện, chướng ngại vật khác hoặc do thay đổi đột ngột một bên mặt đường Sự va chạm với các đối tượng này cùng với các chuyển động của xe sẽ sinh ra mô men gây lật ngang lớn làm xe mất ổn định lật ngang rất nhanh Sự 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 sẽ trượt ngang và vấp phải lề đường, xe có thể bị lật Khi phanh, 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, chạm lề đường và gây lật Nếu đường có hệ số bám cao, khi xe quay vòng ở vận tốc lớn, khi đó gia tốc ngang sẽ lớn và có khả năng bám ngang tốt nên xe không bị trượt ngang mà chỉ có thể bị lật do 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. Đối với vấn đề mất ổn định lật, một số nghiên cứu của Fancher và Mathew chỉ ra SRT của ô tô là 0.38g; El-Gindy là 0.4g sai số +/- 5% ở Canada Cũng có những nghiên cứu cố gắng đưa ra quan hệ giữa thông số kết cấu của xe và các thống kê về lật từ các tai nạn Nalecz đưa ra hàm RPER là một hàm dựa trên cân bằng năng lượng RPER là hiệu của năng lượng cần thiết gây lật lại vị trí bị chặn và năng lượng do mô men sinh ra là do lực trọng trường Winkle nghiên cứu xác định RAR và chỉ ra trị số đó nhỏ hơn 0.2 khi vận tốc chạy 88 km/h Macadam xác định quan hệ giữa ổn định hướng và ổn định lật của xe tải nặng. Đối với vấn đề ổn định quỹ đạo, một số mô hình động học ổn định hướng của xe đã nghiên cứu trong thời gian qua của các tác giả như: Schmid đã nghiên cứu lý thuyết về ổn định lái, đặc trưng bởi một mô hình tuyến tính, mô tả chuyển động của ôtô với hai tọa độ suy rộng Phương trình chuyển động đưa ra hướng tới tổ hợp ảnh hưởng của phanh và tăng tốc, cũng như điều kiện mất ổn định rút ra từ các phương trình đặc trưng Leucht trình bày mô hình xe với đặc tính lốp phi tuyến Lực ngang của lốp được xác định phi tuyến bậc hai với góc lệch bánh xe và phản lực lốp Laurien khảo sát cả lý thuyết và thực nghiệm về ổn định hướng của xe vào những năm 1950.
Công trình nghiên cứu với đề tài “Trajectory Planning for a Four-Wheel- Steering Vehicle” của Danwei Wang Feng Qi thuộc trường Đại học Nanyang Singapor (26/5/2001) Tuy nhiên trong công trình này tác giả chỉ đưa ra được một mô hình đơn giản, chưa xây dựng được mô hình lốp, chưa tính đến được ảnh hưởng của hệ số bám cũng như độ trượt của xe “Dynamic Trajectory Planning with Dynamic Constraints State –Time Space Approach” của nhóm tác giả trường Đại học Yokohama Nhật Bản năm 1993 Với công trình này, mô hình tính toán đã được mở rộng hơn với mô hình 1/2 và đặc biệt hơn nữa là mô tả quỹ đạo chuyển động của xe trong không gian với không gian trạng thái gần đúng Juey-Fu và Hsuan-Chih có nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học của đường đến quá trình ổn định quỹ đạo khi quay vòng ở tốc độ thấp Nghiên cứu xác định hành lang di chuyển của xe bằng các phương pháp tính toán hình học với giả thiết xe đi với tốc độ thấp, coi như bánh xe không bị trượt Jihan Ryu có nghiên cứu động lực học ô tô có tích hợp GPS để xác định vị trí của xe trên đường từ đó để có các hướng điều khiển hướng cho phù hợp nhằm tăng tính năng an toàn chuyển động cho ô tô. Để nghiên cứu động lực học ngang của ô tô nói chung và ô tô buýt cỡ lớn nói riêng, cần thiết phải xây dựng mô hình mô tả các trạng thái động lực học của xe trong điều kiện sử dụng thực tế Mô hình cần thiết phải mô tả được cấu trúc của ô tô và cho phép khảo sát được ảnh hưởng của các thông số kết cấu và sử dụng đến ổn định hướng chuyển động của ô tô.
Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
Từ những nghiên cứu tổng quan ở trên, luận văn đề ra các mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau:
- Xây dựng mô hình động lực học không gian của xe khách cỡ lớn với các yếu tố tác động như điều khiển của người lái (vận tốc xe, góc đánh lái) và các yếu tố môi trường (gió, mấp mô mặt đường);
- Khảo sát ảnh hưởng của lực khí động đến ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn.
1.5.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn là xe khách cỡ lớn 45 chỗ THACO BUÝT HB120-SL Đây là dòng xe khách cỡ lớn liên tỉnh được Công ty ô tô Trường Hải sản xuất, lắp ráp trong nước, do đó được chọn làm đối tượng nghiên cứu.
Luận văn áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình và ứng dụng phần mềm Matlab Simulink trong tính toán mô phỏng và khảo sát.
Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động đến tính ổn định chuyển động của xe Kết quả khảo sát làm cơ sở cho các bài toán điều khiển và cảnh báo trong điều kiện sử dụng thực tế.
1.5.5 Nội dung của luận văn
Ngoài lời nói đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung nghiên cứu chính của luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của xe khách cỡ lớn
Chương 3: Khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của lực khí động đến ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn
Kết luận
Nội dung nghiên cứu Chương 1 đã trình bày các tìm hiểu tổng quan về vấn đề nghiên cứu bao gồm các lý thuyết cơ bản về các lực cản khí động tác động lên ô tô trong điều kiện chuyển động có gió ngang, các mô hình nghiên cứu về gió ngang.
Từ đó lựa chọn cách tiếp cận mô phỏng gió ngang để xác định các lực khí động lên ô tô Ngoài ra, trong nghiên cứu này cũng tìm hiểu về các phương pháp nghiên cứu về khí động học của các công trình đã công bố trong và ngoài nước nhằm xác định rõ mục tiêu đánh giá được ảnh hưởng của các lực khí động đến sự mất ổn định của xe khách cỡ lớn khi chuyển động trong điều kiện có gió ngang Các tiêu chí đánh giá mất ổn định chuyển động ở trạng thái khi xe chuyển động được lựa chọn tham khảo từ một số công trình đã công bố của nước ngoài, kết hợp với điều kiện đường xá thực tế ở Việt Nam.
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC
HỌC CỦA XE KHÁCH CỠ LỚN
Sự mất ổn định xe khách cỡ lớn khi chuyển động trong điều kiện có gió ngang lớn là quá trình động lực học phức tạp Trong nội dung này, mô hình động lực học không gian 14 bậc tự do của xe khách cỡ lớn được xây dựng để đánh giá sự mất ổn định khi chuyển động của xe khách cỡ lớn trong điều kiện gió ngang lớn. Phương pháp tách cấu trúc trong hệ quy chiếu đặt tại trọng tâm các vật rắn của hệ nhiều vật (xe khách) được sử dụng để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của từng vật Các lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường được xác định với mô hình lốp Pacejka. Để đánh giá sự mất ổn định của xe khách khi chuyển động trong điều kiện có gió ngang lớn bằng phương pháp mô phỏng số (mô phỏng động lực ô tô theo phương pháp tách cấu trục hệ nhiều vật), các bước cơ bản cần thực hiện bao gồm:
- Phân tích cấu trúc ô tô và đặt các giả thiết;
- Thiết lập hệ phương trình vi phân mô phỏng động lực học ô tô;
- Giải hệ phương trình vi phân bằng phương pháp số;
- Đánh giá kết quả mô phỏng.
Sau khi giải hệ phương trình vi phân, từ các kết quả thu được cho phép đánh giá ảnh hưởng của lực khí động đến tính ổn định chuyển động của xe khách Sau đây là các nội dung của từng bước cụ thể.
Phân tích cấu trúc xe khách cỡ lớn và các giả thiết
Xe khách cỡ lớn có kích thước lớn Kết cấu xe khách cỡ lớn có đặc điểm khung vỏ chịu lực Thân xe được phân thành phần được treo trước và sau, tương ứng là các cầu xe trước và sau Với đặc điểm cấu trúc như vậy, trong đề tài sử dụng các giả thiết sau trong quá trình mô tả động lực học xe khách cỡ lớn:
-Mô hình xe khách cỡ lớn có 2 trục là đối xứng theo trục dọc của xe;
-Thân xe được coi như một tấm phẳng có khối lượng m đặt tại trọng tâm. Trong trường hợp tổng quát, thân xe có 6 chuyển động (6 bậc tự do) bao gồm: 3 chuyển động tịnh tiến theo các trục x (trục dọc), y (trục ngang), z (trục thẳng đứng) và 3 góc xoay tương ứng: ϕ (góc lắc dọc - quay quanh trục y), ψ (góc xoay thân xe - quay quanh trục z), β (góc lắc ngang – quay quanh trục x);
-Các cầu xe (cầu trước -1, cầu sau -2) là các khối lượng không được treo được coi như các thanh phẳng, có khối lượng mA1, mA2 đặt tại trọng tâm của chúng Mỗi cầu xe có 2 chuyển động tịnh tiến : theo trục dọc (x1, x2), theo trục ngang (y1, y2), theo trục thẳng đứng (ξ A1 , ξ A2 ) và 1 chuyển vị góc lắc ngang quanh trục dọc (β A1 , β A2 ) Bỏ qua góc xoay của cầu xe theo trục thẳng đứng và trục ngang;
-Thân xe được nối với các cầu xe thông qua hệ thống treo (đặc trưng bởi các độ cứng c ij và hệ số giảm chấn k ij ), (chỉ số i: 1 – trước, 2 – sau; chỉ số j: 1- trái, 2- phải);
-Cầu xe liên kết với mặt đường bằng bánh xe đàn hồi, đặc trưng bởi độ cứng c Lij Bỏ qua thành phần cản trên lốp.
Hình 2.1 Mô hình không gian xe khách cỡ lớn
Với các giả thiết cấu trúc như vậy thì mô hình động lực học xe khách cỡ lớn
Trên mô hình sử dụng các ký hiệu sau:
-OXYZ: hệ tọa độ cố định
-C: trọng tâm của khối lượng được treo
-A 1 , A 2 : trọng tâm của khối lượng không được treo trước và sau
-M: khối lượng toàn bộ của xe (tổng khối lượng của khối lượng được treo và các khối lượng không được treo
-m A1 : khối lượng không được treo cầu 1 (cầu trước)
-m A2 : khối lượng không được treo cầu 2 (cầu sau)
-J z : mô men quán tính theo trục z của khối lượng được treo
-Jy: mô men quán tính theo trục y của khối lượng được treo
-J x : mô men quán tính theo trục x của khối lượng được treo
-J Axi : mô men quán tính trục x của các khối lượng không được treo cầu thứ i (i=1,2)
-J Ayij : mô men quán tính trục y bánh xe thứ ij (i=1-2, j=1-2)
-x: chuyển bị theo phương dọc của trọng tâm khối lượng được treo
-y: chuyển vị theo phương ngang của trọng tâm khối lượng được treo
-z: chuyển vị theo phương thẳng đứng của trọng tâm khối lượng được treo
-β: góc lắc ngang thân xe
-ϕ: góc lắc dọc thân xe
-ξA1, ξA2: chuyển vị thẳng đứng của trọng tâm khối lượng không được treo trước và khối lượng không được treo sau
-β A1 , β A2 : góc lắc ngang cầu trước và cầu sau
-ϕ ij : góc quay của bánh xe thứ ij (i=1-2, j=1-2)
-C ij , K ij : độ cứng và hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo gần với bánh xe ij
-CLij: độ cứng hướng kính của lốp thứ ij
-hg: chiều cao trọng tâm thân xe
-L: chiều dài cơ cở của xe
- l 1 , l 2 : khoảng cách từ trọng tâm thân xe đến cầu trước, cầu sau
-b1, b2: khoảng cách giữa 2 tâm bánh xe cầu trước, cầu sau
-w 1 , w 2 : khoảng cách giữa 2 vị trí đặt hệ thống treo trên cầu trước, cầu sau
Như vậy, mô hình cấu trúc của xe khách sẽ có 14 tọa độ suy rộng (14 bậc tự do) bao gồm: 6 bậc tự do mô tả chuyển động của thân xe (x,y,z,β,ϕ,ψ), 2 bậc tự do mô tả cầu trước (ξA1,βA1), 2 bậc tự do mô tả cầu sau (ξA2,βA2) và 4 bậc tự do mô tả góc quay của bánh xe (ϕ 11 , ϕ 12 , ϕ 21 , ϕ 22 ).
Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả động lực học của xe khách cỡ lớn
Hệ phương trình vi phân mô tả động lực học của xe khách được xây dựng nhờ phương pháp tách cấu trúc và đặt các ngoại lực lên từng vật là các phản lực liên kết giữa các vật Các phương trình này được thiết lập nhờ phương pháp cân bằng lực và mô men tác động lên vật Việc này có thể được làm rõ hơn nhờ cách xét mô hình động lực học theo các mặt phẳng hình chiếu.
2.2.1 Xét mặt phẳng song song với mặt đường
Khi xét trong mặt phẳng song song với mặt đường, toàn xe với khối lượng M(bao gồm khối lượng được treo và các khối lượng không được treo) thực hiện 3 chuyển động (3 bậc tự do) là: chuyển động dọc (x), ngang (y) và quay quanh trục thẳng đứng(ψ) Hình 2.2 mô tả các lực tác động lên xe trong mặt phẳng song song với mặt đường,trong đó có các ký hiệu: δij: góc quay các bánh xe thứ ij; Fxij, Fyij, Fzij: các phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe thứ ij theo phương dọc, phương ngang và phương thẳng đứng; Fwx, Fwy, Mwz: các lực và mô men khí động theo tác động lên thân xe theo phương dọc (x), phương ngang (y) và xoay thân xe (quanh trục
Hình 2.2 Mô hình lực tác động lên xe trong mặt phẳng song song với đường
Phương trình mô tả chuyển động dọc của xe trong hệ quy chiếu cục bộ Cxy được viết như sau:
Mx = F x11 cos δ 11 − F y11 sin δ 11 + F x12 cos δ 12 − F y12 sin δ 12 + F x 21 cos δ 21 (2.1) + Fx 22 cos δ22 + Fy21 sin δ21 − Fwx + M ψy
Phương trình mô tả chuyển động ngang của xe như sau:
My = Fx11 sin δ11 + Fy11cos δ11 + Fx12 sin δ12 + Fy12cosδ12
− Fx 21 sin δ21 + Fy21cos δ21 − Fx 22 sin δ22 + Fy22 cos δ22 + Fwy − M ψx
Chuyển động quay của xe trong mặt phẳng song song với mặt đường được tính toán dựa vào tổng mô men làm xoay xe quanh trọng tâm Phương trình mô tả chuyển động quay của trọng tâm thân xe được thể hiện như sau:
J z ψ = b 1 ( − F x11 cos δ 11 + F y11 sin δ 11 + F x12 cos δ 12 − F y12 sin δ 12 ) + b 2 ( − F x 21 cos δ 21 − F y21 sin δ 21
+ Fx 22 cos δ22 + Fy22 sin δ22 )− l2 (Fy21cos δ21 − Fx 21 sin δ21 + Fy22 cos δ22 − Fx 22 sin δ22 ) (2.
+ l1 (Fx11 sin δ11 + Fy11cos δ11+ Fx12 cos δ12 + Fy12 cos δ12 ) + Mwz 3)
Các lực ở vế phải là các ngoại lực tác dụng lên xe bao gồm các phản lực từ mặt đường lên các bánh xe Mwz là mô men xoay thân xe do ảnh hưởng của lực khí động (giá trị được xác định từ phần mềm Ansys Fluent) Các lực dọc tại bánh xe
F xij , F yij được xác định từ mô hình lốp.
2.2.2 Xét trong mặt phẳng dọc xe
Hình 2.3 Mô hình các lực tác động trong mặt phẳng dọc
Hình 2.3 mô tả các lực tác động lên các khối lượng được treo và không được treo trong mặt phẳng dọc Trong mặt phẳng dọc (Cxz), phần khối lượng được treo đặc trưng bởi khối lượng m đặt tại trọng tâm xe Trọng tâm này thực hiện hai chuyển động là dao động thẳng đứng (z) và góc lắc dọc (ϕ).
Phương trình vi phân mô tả dao động thẳng đứng của trọng tâm phần khối lượng được treo được viết như sau:
Trong đó Fwz là lực khí động theo phương thẳng đứng được quy dẫn về trọng tâm xe FCij và FKij là lực đàn hồi và cản giảm chấn của hệ thống treo gần bánh xe thứ ij. với góc lắc dọc thân xe, cần xác định các thành phần mô men gây ra góc này Các thành phần này gồm có các lực liên kết hệ treo trước sau, các lực dọc tại điểm treo trên của xe Phương trình xác định góc lắc dọc được viết như sau:
+ M21 + M22 ) − (hg − r1 )(Fx11cos δ11 − Fy11 sin δ11 + Fx12 cos δ12 − Fy12 sin δ12 ) (2.5)
− (hg − r2 )(Fx 21cos δ21 + Fy21 sin δ21 + Fx 22 cos δ22 + Fy22 sin δ22 ) + Mwy
Trong đó: M ij : mô men quay bánh xe thứ ij quanh trục y; F xij và F yij là các lực đàn hồi lốp bánh xe thứ ij; r 1 ,r 2 : bán kính động lực học của các bánh xe trước và sau.
2.2.3 Xét trong mặt phẳng ngang xe
Hình 2.4 mô tả các lực tác động lên xe xét trong mặt phẳng ngang (Cyz), phần khối lượng được treo thêm một chuyển động là lắc ngang (góc quay β quanh trục dọc x) Mỗi khối lượng không được treo thứ i (cầu trước/sau) có 2 chuyển động là chuyển vị thẳng đứng của trọng tâm cầu xe (ξAi) và góc lắc ngang (βAi).
Phương trình góc lắc ngang β của khối lượng được treo được mô tả như sau:
Hình 2.4 Mô hình các lực tác động trong mặt phẳng ngang Đối với các cầu trước và sau được xét 2 bậc tự do là chuyển vị thẳng đứng (ξA1) và góc lắc ngang (βA1) có phương trình chuyển động được viết như sau: m A1 ξ
+ (F y11 cos δ 11 + F x11 sin δ 11 + F y12 cos δ 12 + F x12 sin δ 12 )r 1 Đối với cầu sau được viết như sau: m A 2 ξ
Các phương trình vi phân trên chứa các thành phần ngoại lực tác động lên từng vật Các ngoại lực này bao gồm: các lực thẳng đứng F Cij , F Kij được xác định bằng mô hình hệ thống treo Các phản lực từ mặt đường lên bánh xe F CLij và F xij , F yij , F zij được xác định nhờ mô hình lốp M wx là mô men lắc ngang khí động được quy về trọng tâm.
2.2.4 Động lực học các bánh xe
Hình 2.5 Mô hình động lực học bánh xe đàn hồi. Để mô tả chuyển động của xe khách cỡ lớn, cần xác định các phản lực theo phương dọc, phương ngang từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe Bánh xe quay quanh trục của cầu xe, ngoài ra khi cầu xe dao động thì tâm bánh xe cũng dao động với giả thiết cầu xe là cứng Trong nội dung chương này, chỉ xét chuyển động quay tương đối của bánh xe với cầu xe Vận tốc góc quay bánh xe là đầu vào cho các mô hình lốp để tính các lực tương tác lốp đường Do đó khi mô phỏng cần thiết lập mô hình động lực học các bánh xe.
Từ mô hình động lực học bánh xe trong mặt phẳng thẳng đứng (hình 2.5), phương trình tổng quát về cân bằng mô men theo trục y để xác định góc xoay của 4 bánh xe như sau:
JAyij ϕij = Mij − ( F xij + F zij f ij ) r 0ij − ξ Aij )
2.2.5 Lựa chọn mô hình lốp
Liên kết giữa bánh xe - mặt đường là liên kết phức tạp gồm 3 thành phần lực
Fxij, Fyij, Fzij (bỏ qua các thành phần mô men) Đây là các lực thay đổi liên tục theo thời gian, phụ thuộc vào cấu trúc của lốp, độ mấp mô tế vi của đường và các yếu tố điều khiển của người lái Để xác định liên kết lốp và đường, trong quá trình xây dựng mô hình động lực học ô tô thường sử dụng mô hình lốp Các mô hình lốp được sử dụng phổ biến hiện nay là: mô hình lốp Burckhardt, mô hình lốp Dugoff, mô hình Pacejka, mô hình lốp Ammon Trong nghiên cứu này, mô hình lốp Pacejka được lựa chọn sử dụng trong mô hình mô phỏng động lực học xe khách cỡ lớn.
Mô hình lốp Pacejka thể hiện sự phụ thuộc của lực dọc theo phản lực thẳng đứng và độ trượt dọc; lực ngang theo phản lực thẳng đứng và độ trượt ngang
F = f (F , α ) yij Zij ij Độ trượt tại mỗi bánh xe được tính như sau: sij = − v xij − r e Ω ij v xij
Trong đó: sij là độ trượt tại mỗi bánh xe; vxij là vận tốc dài theo phương dọc tại mỗi bánh xe (m/s); r e là bán kính động lực học tại mỗi bánh xe (m); Ω ij là vận tốc góc tại mỗi bánh xe (rad/s).
Góc lăn lệch tại mỗi bánh xe được tính như sau: vyij α ij = − arctan (2.14) vxij
Các lực và mô men khí động
Trong hệ phương trình vi phân 2.19, các thành phần lực F wx , F wy , F wz , M wx ,
M wy , M wz là các lực và mô men do lực khí động gây ra khi ô tô chuyển động thẳng trên đường gặp gió ngang Các thành phần lực này được đặt theo các trục x, y, z đi qua trọng tâm thân xe và các mô men khí động được đặt theo phương quay quanh các trục x, y, z Các lực này được xác định bằng phương pháp mô phỏng khí động (CFD), sử dụng phần mềm chuyên dụng Ansys Fluent.
Trong thực tế, khi một ô tô chuyển động với vận tốc tuyệt đối Vv trong điều kiện có gió ngang với vận tốc V w nghiêng với mặt phẳng dọc xe một góc β w Tác động của gió ngang trong trường hợp này giống với một gió tương đương tác động lên xe không chuyển động Gió tương đương này có vận tốc V và tạo một góc nghiêng ψw với trục dọc x của xe (hình 2.7).
Hình 2.7 Vận tốc gió tương đương khi xe chuyển động trong điều kiện gió ngang
Theo quan hệ hình học trên hình 2.7, ta có:
V 2 =(V + V cos β w ) 2 + V 2 sinβ 2 (2.20) v w w w ψw = arctan Vw sin βw (2.21)
Dưới tác động của gió tương đương, các lực, mô men khí động tác động lên trọng tâm xe khách khi đó bao gồm: lực cản chính diện Fwx, lực bên Fwy, lực nâng khí động F wz , mô men lắc ngang M wx , mô men lắc dọc M wy , mô men xoay thân xe
M wz (hình 2.8) Các lực, mô men khí động tác động được tính như sau: ρV 2 ρV 2
Trong đó Cx, Cy, Cz, CMx, CMy, CMz, là hệ số lực, mô men khí động tương ứng với các trục tọa độ A là diện tích cản chính diện, h là chiều cao trọng tâm, ρ là mật độ không khí Các lực và mô men khí động có thể được xác định bằng phương pháp mô phỏng khí động (CFD - Computational Fluid Dynamics) sử dụng các phần mềm chuyên dụng.
Hình 2.8 Các lực và mô men khí động tác động lên thân xe khách
2.3.2 Xác định các lực và mô men khí động bằng phương pháp thể tích hữu hạn sử dụng phần mềm chuyên dụng
2.3.2.1 Xây dựng mô hình hình học
Trên cơ sở thống kê và nghiên cứu các loại xe khách hiện đang khai thác sử dụng phổ biến tại Việt Nam, trong đề tài này đã lựa chọn xe khách THACO HB120SL-H380R-14 làm đối tượng nghiên cứu Hình 2.9 thể hiện các thông số kích thước tính toán thiết kế sử dụng trong nghiên cứu Các thông số kích thước cơ bản của xe được thể hiện trong bảng 2.2.
Bảng 2.2 Kích thước cơ bản của xe khách THACO HB120SL-H380R-14
Tên Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Chiều dài tổng thể L 12050 mm
Chiều rộng tổng thể W 2500 mm
Chiều cao tổng thể H 3650 mm
Hình 2.9 Thông số kích thước của xe khách THACO HB120SL-H380R-14
Trong tính toán mô phỏng số khí động học ô tô (CFD), cần thực hiện xây dựng mô hình tính toán mô phỏng Trong nghiên cứu này, trên cơ sở thông số kích thước của xe khách tham khảo Mô hình xe khách được mô phỏng trong không gian 3 chiều (3D) thông qua sử dụng phần mềm Solidworks 2016 (hình 2.10).
Khi thực hiện mô phỏng, để phù hợp với khả năng tính toán của máy tính nhưng vẫn đảm bảo được tính đúng đắn, độ tin cậy và sự tương thích của bài toán nghiên cứu với thực tiễn, trong nghiên cứu này sử dụng các giả thiết sau:
+Mô hình vỏ xe là tuyệt đối cứng, không xảy ra sự biến dạng của vỏ xe trong suốt quá trình mô phỏng;
+Bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt giữa vỏ xe và không khí;
+Bề mặt vỏ xe là bề mặt nhẵn, gầm xe được bọc phẳng, không xét đến các chi tiết phụ có kích thước nhỏ của xe như gương, gạt mưa, các gân, gờ, tay nắm cửa,
Hình 2.10 Mô hình 3D của xe khách tham khảo
2.3.2.2 Vùng không gian mô phỏng
Vùng không gian mô phỏng là vùng không gian bao quanh vật thể, được giới hạn trong quá trình mô phỏng Việc lựa chọn các kích thước của vùng không gian này được thực hiện sao cho bài toán mô phỏng sát với điều kiện vận hành thực thế nhằm đạt được kết quả có độ chính xác và độ tin cậy cao đồng thời khối lượng tính toán phù hợp (yêu cầu về dung lượng bộ nhớ, cấu hình máy tính, thời gian tính toán, ).
Trong tự nhiên, không khí chuyển động quanh vật thể đứng yên hoặc vật thể chuyển động và do đó vùng không gian quanh vật thể sẽ có giới hạn ở vô cùng (hay nói cách khác là không có giới hạn) Tuy nhiên, khi mô phỏng trên máy tính, việc lựa chọn một vùng không gian có giới hạn ở vô cùng là không thể thực hiện được vì sẽ không có máy tính nào đủ mạnh để có thể thực hiện được việc phân tích và tính toán này.
Trên thực tế, vùng không khí bao quanh vật thể chịu sự nhiễu động với các vùng chảy rối và vùng chảy tầng có phân bố một cách ngẫu nhiên Ở vị trí càng xa vật thể thì không khí chuyển động càng ổn định hơn và đến một khoảng cách nào đó đủ lớn thì có thể xem như dòng chuyển động của không khí là dòng chảy tầng và không chịu ảnh hưởng của vật thể cũng như chuyển động của nó Đây chính là cơ sở để xác định kích thước của vùng không gian mô phỏng Nghĩa là, vùng không gian mô phỏng được giới hạn bởi các mặt phẳng mà ở đó dòng chảy không khí là dòng chảy tầng và không chịu ảnh hưởng của vật thể cũng như chuyển động của nó. Tuy nhiên, cũng không thể lựa chọn vùng không gian quá lớn để thực hiện mô phỏng vì sẽ dẫn đến lãng phí tài nguyên của máy tính, tăng thời gian mô phỏng mà độ chính xác, hiệu quả mô phỏng không được cải thiện nhiều Bởi vậy, cần phải xác định được các kích thước nhỏ nhất của vùng không gian giới hạn bao quanh vật thể để thực hiện mô phỏng sao cho nó không ảnh hưởng đến kết quả tính toán Để đánh giá mức độ chính xác của việc lựa chọn vùng không gian mô phỏng Ansys Fluent đưa ra tiêu chí cụ thể là: trong quá trình chạy mô hình để giải bài toán không có hiện tượng dòng chảy ngược, tức là dòng vào vùng không gian mô phỏng (inlet) bị xoáy ngược ra hoặc dòng ra khỏi vùng không gian mô phỏng (outlet) bị quay ngược [6].
Hình 2.11 Vùng không gian mô phỏng khí động của xe khách cỡ lớn trong Ansys
Trong đề tài, do giới hạn về tài nguyên máy tính, sử dụng vùng không gian mô phỏng có dạng hình hộp chữ nhật với các kích thước (Dài x Rộng x Cao) là kích thước 30000mm x 20000mm x 10000mm (hình 2.11) Thời gian tính toán cho một lần phân tích với một trường hợp gió xiên là 10 giờ.
Chia lưới thực chất là việc rời rạc hóa vùng không gian mô phỏng thành các phần tử để thực hiện việc tính toán gần đúng bằng phương pháp số (trong Ansys Fluent là phương pháp thể tích hữu hạn) Việc chọn kiểu lưới, số lượng phần tử, kích thước lưới, mật độ lưới phụ thuộc vào các yếu tố sau: tính chất của bài toán mô phỏng, độ chính xác cần thiết của kết quả mô phỏng, cấu hình máy tính hiện có và thời gian để thực hiện mô phỏng bài toán. Độ chính xác cần thiết của kết quả mô phỏng bao gồm độ chính xác và mức độ hội tụ của kết quả Để đạt được độ chính xác đảm bảo yêu cầu thì kích thước, mật độ, kiểu dạng lưới cần lựa chọn phù hợp Lưới càng mịn, kích thước phần tử càng nhỏ thì kết quả mô phỏng càng chính xác, tuy nhiên thời gian tính toán sẽ rất lâu Do vậy, khu vực nào mà việc chia lưới ảnh hưởng mạnh đến kết quả mô phỏng thì lưới phải được chia dày, mịn, đảm bảo kích thước và tỉ lệ phát triển lưới thích hợp Còn ở các khu vực mà chất lượng lưới có ảnh hưởng không nhiều tới kết quả mô phỏng thì có thể chia lưới thưa hơn Trong mô hình tính toán các hệ số lực và mô men khí động, không gian chia lưới trong mô phỏng được chia thành 3 khu vực riêng biệt, vùng không gian gần xe nhất có dạng hình hộp chữ nhật với kích thước: dài x rộng x cao = 15000mm x6000mm x 4500mm; vùng thứ hai cũng có dạng hình hộp có kích thước: dài x rộng x cao = 30000mm x 16000 mm x 10000mm và vùng thứ 3 là vùng còn lại
(hình 2.12) Vì biên dạng vỏ ô tô khách cỡ lớn rất phức tạp, do đó vùng 1 được chia lưới rất mịn, vùng 2 được chia tương đối mịn còn vùng 3 được chia thô Kết quả sau khi chia lưới, mô hình có 558293 nút, 2354550 phần tử lưới (hình 2.12).
Hình 2.12 Vùng không gian tính toán trong Ansys Fluent
Với mô hình 3D hiện nay, các dạng phần tử cơ bản đang được sử dụng để hình thành nên lưới là phần tử tứ diện (tetrahedral), phần tử dạng lăng trụ (prisms), phần tử dạng kim tự tháp (piramids), phần tử dạng lục diện (hexahedral) và phần tử đa diện Do bề mặt vỏ ô tô khách cỡ lớn là phức tạp (có nhiều bề mặt nhỏ với độ cong khác nhau) nên bài báo sử dụng lưới tứ diện để đảm bảo khả năng đáp ứng với các mô hình có cấu trúc phức tạp.
Kết luận chương 2
Nội dung nghiên cứu Chương 2 đã tập trung phân tích cấu trúc xe khách cỡ lớn và các giả thiết, từ đó đi xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả động lực học của xe khách cỡ lớn khi xét trong các mặt phẳng khác nhau đồng thời trong phần nội dung chương này cũng xác định được các lực và mô men khí động tác động tới xe khách cỡ lớn khi chuyển động thẳng trên đường.
KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC KHÍ ĐỘNG ĐẾN ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE KHÁCH CỠ LỚN
Các tiêu chí đánh giá ổn định
3.1.1 Các điều kiện đầu vào Đề tài tập trung nghiên cứu vấn đề ổn định trong điều kiện gió ngang nên các điều kiện đầu vào cho mô hình khảo sát được giả thiết phù hợp theo vấn đề nghiên cứu.
Cách xác định thông số tính toán cho mô hình khảo sát được trình bày trong phần phụ lục Các trường hợp khảo sát được thực hiện với điều kiện đường phẳng tuyệt đối nên các chiều cao mấp mô mặt đường hij được gán bằng 0 trong mô hình khảo sát Nghiên cứu phản ứng của người lái đến chuyển động của ô tô là một bài toán dạng kín (close-loop) rất phức tạp nên chưa được đề cập đến Đề tài này tập trung nghiên cứu các điều khiển dạng mở (open-loop) tức là có định nghĩa trước quy luật đánh lái, mức vận tốc xe, vận tốc gió ngang cho cho trước Cụ thể là gió ngang được khảo sát theo 2 trường hợp là không đổi theo miền thời gian (gió ổn định - static) và theo quy luật cho trước trong miền thời gian Trong quá trình khảo sát vận tốc dài của xe là không đổi, người lái không tác động đánh lái.
3.1.2 Các chỉ tiêu, thông số được sử dụng để đánh giá
Khi xe khách cỡ lớn chuyển động trong điều kiện gió ngang lớn thì các lực, mô men khí động có thể gây mất ổn định chuyển động của xe khách Tiêu chuẩn ISO 12021 – 2010 [10] đưa ra 3 thông số quan trọng khi ô tô chuyển động có gió ngang trong điều kiện thí nghiệm thực tế (không thay đổi góc đánh lái), bao gồm: độ lệch bên, gia tốc lệch ngang và vận tốc góc xoay thân xe.
Tác giả S Walczak (2016) đưa ra tiêu chí đánh giá sự ổn định là thời gian khi xe bị lệch vào làn đường bên cạnh (vi phạm làn đường) [8] Tại Việt Nam kích thước làn đường cao tốc là 3,75 m [9] Với bề rộng của xe khách cỡ lớn là 2,5 m, giả thiết ban đầu xe khách đang đi ở giữa làn đường, do đó độ lệch giới hạn cho xe khách cỡ lớn lấn sang làn bên cạnh tại Việt Nam là (3,75-2,5)/2=0,625 mm (hình 3.1).
Hình 3.1 Sơ đồ xe khách cỡ lớn di chuyển trong làn đường
Khảo sát khi gió ngang ổn định trong miền thời gian
3.2.1 Đánh giá độ lệch bên của xe khách cỡ lớn khi chuyển động trong điều kiện có gió ngang
Hình 3.2 là đồ thị độ lệch bên của xe khách khi chuyển động đều với vận tốc dọc
Vv = 20m/s và trong các trường hợp có gió ngang khác nhau (vận tốc gió ngang thay đổi từ 15m/s đến 35m/s) trong thời gian khảo sát là 10s Đồ thị cho thấy khi thời gian tăng lên thì độ lệch bên có sự gia tăng nhanh chóng (giai đoạn đầu khảo sát từ 1-3s thì giá trị độ lệch bên nhỏ (dưới 0,04m) Giá trị độ lệch bên đạt giá trị cực đại tại thời điểm kết thúc quá trình khảo sát Cùng một giá trị vận tốc chuyển động của xe thì độ lệch bên tăng tỉ lệ thuận với vận tốc của gió (nguyên nhân do lực bên cũng tăng tỉ lệ thuận với vận tốc gió ngang) Sau 10s, độ lệch lớn nhất khi gió 15m/s là 0,58m, giá trị này nhỏ hơn 0,625m Tuy nhiên khi vận tốc gió tăng từ 20m/s đến 35m/s thì giá trị độ lệch bên cực đại đều lớn hơn giá trị 0,625m Tại vận tốc gió 35m/s, sau 10s khảo sát thì độ lệch bên đạt 1,58m Theo quy định về làn đường ô tô tại Việt Nam, với giá trị 1,58 m thì xe khách cỡ lớn đã vi phạm làn đường.
Hình 3.2 Độ lệch bên của xe khách trong quá trình chuyển động có gió ngang (vận tốc xe V v = 20 m/s) van toc xe 20m/s
Hình 3.3 Thời gian xe lệch vượt giới hạn làn đường (vận tốc xe V v = 20 m/s)
Từ kết quả tính toán mô phỏng (hình 3.2), tác giả đã xây dựng đồ thị hình 3.3 để làm rõ hơn thời gian xe khách vi phạm làn đường (khi độ lệch bên vượt quá
0,625m) trong điều kiện chuyển động vận tốc 20m/s với các vận tốc gió ngang khác nhau Kết quả đồ thị hình 3.3 cho thấy, khi vận tốc gió tăng lên thì thời gian xe khách vi phạm làn đường giảm xuống (vì khi đó độ lệch bên tăng lên) Khi gió 15m/s cần 10,83 giây để lệch quỹ đạo sang làn đường bên cạnh, còn khi gió tăng lên 35m/s thì thời gian này giảm xuống còn 7,01 giây Đồ thị hình 3.3 có ý nghĩa thực tiễn với người lái, vì nếu người lái không phản ứng khi xe khách cỡ lớn đi trong điều kiện gió ngang lớn thì sau khoảng 7s sẽ vi phạm làn đường, khi đó sẽ dẫn đến rủi ro tai nạn tăng lên rất nhiều Đồng thời đây cũng là dữ liệu quan trọng để cảnh báo nguy hiểm cho xe chuyển động trong điều kiện gió lớn (thời tiết xấu) hoặc trong thiết kế các hệ thống điều khiển an toàn chủ động trên xe khách cỡ lớn (các hệ thống điều khiển sẽ tác động thay đổi góc đánh lái giúp xe hạn chế lệch quỹ đạo để đảm bảo xe không vi phạm làn đường khi di chuyển).
Hình 3.4 Độ lệch bên của xe khách trong quá trình chuyển động có gió ngang (vận tốc xe V v = 30 m/s) Đồ thị hình 3.4 về độ lệch bên của xe khách khi chuyển động đều với vận tốc V v
= 30 m/s được xây dựng tương tự như đồ thị hình 3.2 Kết quả cho thấy các quy luật thay đổi độ lệch bên của xe khi tốc độ gió ngang thay đổi là tương tự như trên đồ thị giá trị độ lệch bên tăng theo; khi vận tốc gió tăng lên thì giá trị độ lệch bên cũng tăng tương ứng So sánh đồ thị hình 3.2 và hình 3.4 cho thấy, giá trị độ lệch bên khi kết thúc mô phỏng (10s) tại cùng vận tốc gió có sự khác nhau tương đối đáng kể khi xe chuyển động với vận tốc dài Vv tăng lên 30 m/s, độ lệch bên tăng lên là 1,93 m (ở vận tốc Vv 20 m/s thì độ lệch bên là 1,58m) Khi vận tốc gió 35m/s thì độ lệch đạt giá trị lớn nhất là 6,73m lớn hơn khá nhiều so với giá trị 1,58m khi xe chuyển động với vận tốc 20m/s. Sau 10s, giá trị độ lệch bên tại các vận tốc gió khác nhau đều vượt qua giá trị 6,25m, tức là xe khách đều vi phạm làn đường sau 10s khi chuyển động vận tốc 30m/s trong điều kiện gió ngang có vận tốc từ 15m/s đến 35m/s.
Hình 3.5 Thời gian xe lệch vượt giới hạn làn đường (vận tốc xe V v = 20 m/s) Đồ thị hình 3.5 được xây dựng từ kết quả đồ thị hình 3.4 Kết quả đồ thị hình 3.5 cho thấy, khi vận tốc gió tăng lên thì thời gian xe khách vi phạm làn đường giảm đi (giống quy luật đồ thị hình 3.3) Do độ lệch bên ở cùng một giá trị vận tốc gió tăng lên khi xe chuyển động từ 20 m/s lên 30m/s nên thời gian vi phạm làn đường sẽ giảm tương ứng Cụ thể tại vận tốc gió 35m/s, thời gian vi phạm làn đường là2,94s với vận tốc xe 30m/s và 7,01s với vận tốc xe 20m/s. do lech ben (m)
25 25 van toc xe (m/s) 20 15 20 van toc gio (m/s)
Hình 3.6 Độ lệch bên theo vận tốc gió và vận tốc xe
Hình 3.6 là đồ thị biểu diễn sự phục thuộc của độ lệch bên theo vận tốc gió và vận tốc xe sau khoảng thời gian 10s Khoảng giá trị vận tốc xe khảo sát Vv = 20 ÷ 40 m/s; vận tốc gió khảo sát Vw = 15 ÷ 35 m/s Kết quả hình 3.6 cho thấy, giá trị độ lệch bên tăng tỉ lệ thuận với giá trị vận tốc xe Khi vận tốc xe tăng, trong cùng một khoảng thời gian khảo sát, quãng đường di chuyển của xe tăng lên Do đó nếu góc xoay thân xe coi như không đổi thì độ lệch bên sẽ tăng lên tương ứng Ngoài ra, kết quả trên hình 15 cũng cho thấy: giá trị độ lệch bên tăng tỉ lệ thuận với vận tốc gió Khi vận tốc gió tăng, giá trị lực bên tăng theo khiến xe bị lệch quỹ đạo theo phương ngang Tại giá trị vận tốc xe V v = 20m/s, vận tốc gió V w = 15m/s thì độ lệch bên đạt 0,58m (xe chưa vi phạm làn đường) Tuy nhiên khi vận tốc xe Vv = 40m/s và vận tốc gió Vw = 35m/s thì giá trị độ lệch bên lên tới 16,71m (xe đã lấn sang làn đường khác).
Ngoài ra, trong nghiên cứu này cũng sử dụng tiêu chí đánh giá về độ lệch bên của tác giả Barker (1986) [2], về tiêu chuẩn tai nạn của xe khách trong trường hợp gió ngang khi độ lệch bên vượt quá 0,5m trong thời gian 0,5s Độ lệch bên của xe khách khi chuyển động đều với các vận tốc (V v = 20 m/s và V v = 30 m/s) trong dải vận tốc gió khảo sát (V w = 15 ÷ 35 m/s) được thể hiện trên các hình 3.7 và hình 3.8.
Theo kết quả như trên các hình 3.7 và hình 3.8, xe khách cỡ lớn không vi phạm tiêu chuẩn tai nạn của Barker khi xe chuyển động với vận tốc lên đến V v 30m/s trong điều kiện gió ngang thổi vuông góc với mặt phẳng thân xe có giá trị vận tốc gió V w = 35 m/s. van toc xe 20m/s
Hình 3.7 Độ lệch bên của xe khách trong quá trình chuyển động có gió ngang (vận tốc xe V v = 20 m/s) trong khoảng thời gian 0,5 s van toc 30m/s
0.02 gio 30m/s gio 35m/s (m ) 0.015 do le ch b en
Hình 3.8 Độ lệch bên của xe khách trong quá trình chuyển động có gió ngang (vận tốc xe V v = 30 m/s) trong khoảng thời gian 0,5 s 3.2.2 Đánh giá gia tốc lệch bên của xe khách cỡ lớn khi chuyển động trong điều kiện có gió ngang
Kết quả đồ thị hình 3.9 cho thấy, giá trị gia tốc lệch (xét trong khoảng thời gian 3-10s) tăng lên tương ứng khi vận tốc gió ngang tăng lên Cụ thể gia tốc lệch bên khi vận tốc gió 15 m/s là 0,042 m/s 2 ; khi vận tốc gió là 35 m/s thì gia tốc bên là
0,151m/s 2 Giá trị gia tốc lệch bên trong mỗi trường hợp khảo sát trong khoảng thời gian 3-10s gần như ổn định vì trong quá trình mô phỏng đã giả thiết các lực, mô men khí động là ổn định trong quá trình mô phỏng. gia toc lech ben
Hình 3.9 Gia tốc bên theo vận tốc gió và vận tốc xe 3.2.3 Đánh giá vận tốc góc quay thân xe của xe khách cỡ lớn khi chuyển động trong điều kiện có gió ngang
Hình 3.10 minh họa sự phụ thuộc của giá trị vận tốc góc xoay thân xe theo vận tốc gió khi xe chuyển động đều với vận tốc V v = 20m/s Trong giai đoạn đầu thì giá trị vận tốc góc xoay thân xe biến thiên mạnh (từ 0,048 đến 0,226 độ/s), tuy nhiên giai đoạn sau (từ 4-10s) thì giá trị góc xoay thân xe gần như ổn định (trên đồ thị gần như nằm ngang) Giá trị góc xoay thân xe tăng lên tương ứng với giá trị vận tốc gió Xét khi ổn định (từ 4-10s), giá trị góc xoay thân xe khi gió 15m/s và 35m/s tương ứng là 0,0375 và 0,0723 độ/s. goc xoay than xe (do/s) van toc 20m/s
Hình 3.10 Vận tốc góc xoay thân xe khi V v = 20 m/s van toc goc xoay than xe
Hình 3.11 Vận tốc góc xoay thân xe khi V v = 30 m/s
Hình 3.11 minh họa sự phụ thuộc giá trị vận tốc góc xoay thân xe theo giá trị vận tốc khi xe chuyển động 30m/s Kết quả đồ thị hình 3.11 cho thấy, hình dáng đồ thị tương tự như hình 3.10 Cụ thể, giai đoạn đầu (0-4s) thì giá trị vận tốc xoay thân xe biến thiên mạnh Giai đoạn sau (4-10s) thì giá trị gần như ổn định Khi xe chuyển động nhanh hơn (30m/s so với 20m/s) thì trị vận tốc góc xoay thân xe cũng tăng lên tương ứng Giá trị ổn định của vận tốc góc xoay thân xe khi gió 35m/s tại vận tốc 20m/s và 30 m/s tương ứng là 0,0723 và 0,246 độ/s Sự tăng lên này được giải thích là do sự tăng lên của lực bên và mô men xoay thân xe khi vận tốc chuyển động của xe tăng lên trong cùng một vận tốc gió ngang. goc xoay than xe theo van toc gio va van toc xe goc xoay than xe (do)
25 25 van toc xe (m/s) 20 15 20 van toc gio (m/s)
Hình 3.12 Giá trị góc xoay thân xe theo vận tốc xe và vận tốc gió