TẠP CHÍ ISSN 1859 316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC 2021 363 SỐ ĐẶC BIỆT (10 2021) PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI MẤT ỔN ĐỊNH NGANG CỦA ĐOÀ[.]
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI MẤT ỔN ĐỊNH NGANG CỦA ĐỒN XE SƠ MI RƠ MC BẰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC KHƠNG GIAN VỚI MƠ HÌNH LỐP BURCHKHARDT LATERAL INSTABILITY ANALYSIS OF TRACTOR SEMITRAILER VEHICLE ADOPTING MULTI-BODY DYNAMIC MODEL WITH THE BURCHKHARDT TIRE MODEL TẠ TUẤN HƯNG1*, NGUYỄN QUANG ANH1, VÕ VĂN HƯỜNG1 DƯƠNG NGỌC KHÁNH2 Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email liên hệ: hungtt@utt.edu.vn Tóm tắt Mất ổn định ngang đồn xe sơmi rơmc thường xảy quay vịng, tăng tốc phanh, Mất ổn định ngang đồn xe phân loại theo dạng: ổn định hướng ổn định lật ngang Sự ổn định hướng thường xảy phanh quay vịng đường có hệ số bám thấp Mất ổn định lật ngang thường xảy quay vịng đường có hệ số bám cao Một mơ hình động lực học đồn xe thiết lập theo phương pháp hệ nhiều vật với mơ hình lốp Burchkhardt Mơ hình áp dụng để đánh giá ảnh hưởng điều kiện đường đến ổn định ngang đồn xe quay vịng Đặt vấn đề Khi chuyển động, đoàn xe chịu tác động từ người lái, đường, ngoại cảnh (Hình 1) Tai nạn giao thơng xảy đới với đồn xe nhiều ngun nhân, đó nguyên nhân chủ yếu xe mất ổn định chuyển động đường Sự mất ổn định phụ thuộc cấu trúc đoàn xe trọng lượng, chiều cao trọng tâm, khớp liên kết thân xe, đặc tính lớp; hệ sớ bám đường;độ nghiêng độ dốc đường; phản ứng lái xe phanh, ga quay vơ lăng Nếu đường có hệ sớ bám thấp, dù gia tớc ngang khơng lớn, trượt ngang vấp phải vỉa đường, đoàn xe có thể lật Nếu đường có hệ sớ bám cao, đồn xe có thể vận hành với vận tốc lớn, quay vịng có gia tớc ngang lớn khả bám ngang tớt nên xe bị lật ngang Từ khóa: Mơ hình lốp Burchkhardt, trạng thái đường, ổn định ngang, đồn xe sơmi rơ mc, quay vòng Abstract Lateral instability of tractor semitrailer vehicle often occurs in during turning maneuver, accelerating, or braking, Lateral instability can be classified into two types: yaw instability and rollover The yaw instability usually occurs on low adhesion surface road The rollover occurs while turning maneuver on high adhesion surface road In this paper, a dynamic model of tractor semitrailer vehicle is established based on Multibody System Method and Burchkhardt tire model This model is applied to analysis the effect of road condition on lateral stability of the tractor semitrailer vehicle while turning maneuver Keywords: Burchkhardt tire model, road condition, Lateral instability, tractor semitrailer vehicle, turning maneuver SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Sơ đồ điều khiển động lực học đồn xe sơmi rơ mc Để nghiên cứu đánh giá ổn định ngang đoàn xe sơmi rơ moóc cần thiết phải thiết lập tương tác lốp đường thông qua mơ hình lớp Khi xác định tương tác có thể xác định lực mô men liên kết từ đường tác động lên xe Từ đó mới xác định thơng sớ chuyển động xe Hiện nay, có nhiều mơ hình lớp sử dụng Ammon [2], Pacejka [3], HSRI, Burchkhardt [4],… Trong đó, mơ hình lớp Burchkhardt có nhiều ưu 363 TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 điểm về cách thức mô hệ sớ thực nghiệm Bài báo trình bày nghiên cứu áp dụng mơ hình lớp Burchkhardt phân tích đánh giá động lực học chuyển động đoàn xe sơmi rơ moóc Một mơ hình động lực học khơng gian đoàn xe sơmi rơ moóc với lực tương tác lớp đường xác định từ mơ hình lớp Burchkhardt trình bày Kết nghiên cứu làm sở để nghiên cứu đánh giá động lực học chuyển động đoàn xe Từ đó, có thể đề xuất giải pháp điều khiển nhằm tăng tính ởn định chuyển động đồn xe Mơ hình động lực học khơng gian đồn xe sơmi rơ mc 2.1 Phương trình vi phân mơ tả chuyển động Đồn xe sơmi rơ moóc với kết cấu hai thân đó có phần tải trọng sơ mi rơ moóc đặt lên xe đầu kéo qua khớp nối dạng chớt kéo-mâm xoay Xe đầu kéo có cầu đó cầu trước bị động dẫn hướng, hai cầu sau chủ động với hệ thống treo cân Sơ mi rơ moóc có cầu dạng treo cân liên tiếp Để mô tả chuyển động phần treo Ck (k=1: phần treo xe đầu kéo; k=2: phần treo SMRM) đối với hệ quy chiếu cố định OXYZ gán hệ quy chiếu cục Ckxkykzk vào trọng tâm vật rắn k (xem Hình 2) ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY tâm quay đặt trọng tâm Ck viết sau: m k (v xk v yk zk v zk yk ) Fxk m k (v yk v zk xk v xk zk ) Fyk m (v v v ) F xk yk yk xk zk k zk I xk xk (I zk I yk )zk yk M xk I (I I ) M xk zk xk zk yk yk yk I zk zk (I yk I xk )yk xk M zk (1) Trong đó: Ixk, Iyk, Izk mơ men qn tính khối lượng treo thứ k; Fxk, Fyk,Fzk, Mxk,Myk,Mzk tổng ngoại lực mô men ngoại lực tác dụng lên khối lượng treo k Mỗi cầu xe xác định dao động thẳng đứng (vzAi) lắc dọc cầu xe (ωxAi) viết sau: m Ai (v zAi v xAi yAi v yAi xAi ) FzAi (2) I xAi xAi (I zAi I yAi )zAi yAi M xAi Trong đó: mAi IAxi, IAyi, IAzi khới lượng mơ men qn tính cầu thứ i; FAZi, MAxi tổng ngoại lực mô men ngoại lực theo phương AizAi cầu thứ i Để giải hệ phương trình vi phân (1) (2) cần xác định tất thành phần ngoại lực mô men ngoại lực vế phải Các lực liên kết khớp nối xác định từ điều kiện khớp nới lý tưởng có xét đến ảnh hưởng góc lắc ngang tương đới [7] Các lực mơ men hệ thớng treo nhíp treo cân tính từ biến dạng thẳng đứng góc điểm treo tương ứng [4, 8],… 2.2 Mơ hình lốp Burchkhardt Hình Hệ quy chiếu đồn xe sơmi rơ mc cầu Trong hệ quy chiếu đặt Ck gọi vk = vxk ,vyk ,vzk ,ω xk ,ω yk ,ω zk T véc tơ vận tốc tức thời khối lượng treo đối với hệ quy chiếu tương ứng Hệ phương trình NewtonEuler [5, 6] cho khới lượng treo thứ k với 364 Nghiên cứu động lực học ô tô cần thiết phải xây dựng tính chất liên kết lớp đường liên kết thành phần trực tiếp gây chuyển động ô tô Liên kết bánh xe - mặt đường liên kết phức tạp gồm thành phần lực Fxij, Fyij, Fzij (bỏ qua thành phần mô men) Đây lực thay đổi liên tục theo thời gian, phụ thuộc cấu trúc lốp, độ mấp mô tế vi đường yếu tố điều khiển người lái Mơ hình lớp thường sử dụng để xác định lực liên kết lốp đường xây dựng mơ hình động lực học tơ Một mơ hình lớp dễ sử dụng cho kết gần với thực tế mơ hình Burchkhardt [4, 9] Theo mơ hình này, hệ sớ bám xác định theo công thức Các hệ số Ci xác định thực nghiệm cho loại đường khác theo bên dưới Khi bánh xe chịu lực tởng hợp, xác định Fxij, Fyij sau: SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY sxij C (C1 1 e Fxij 2 sxij s yij s yij C F (C1 1 e 2 yij s s xij yij sxij s 2yij s xij s 2yij C s2 s2 )F xij yij zij (3) (F zi2 LTR= C s2 s2 )F xij yij zij -Fzi1 ) i=1 (9) (Fzi2 +Fzi1 ) i=1 Đầu vào mơ hình lớp dạng hệ số trượt dọc sxij góc trượt ngang syij xác định từ vận tốc dọc vxij, vận tớc ngang vyij góc quay bánh xe dẫn hướng δij Trong đó Fzij (i=1÷6; j=1: bên trái, j=2: bên phải) tải trọng bánh xe, tách bánh xe Khi biết vận tốc dọc vận tớc góc bánh xe xác định hệ số trượt dọc sij sau: k v xij rdijBij v xij sij rdijBij v xij rdijBij (4) sij Các góc lệch bên bánh xe dẫn hướng (cầu 1) viết sau: Bảng Hệ số thực nghiệm mơ hình (6) Trong đó: Các vận tớc dọc vij tình từ hệ phương trình (2) với vận tớc ban đầu vij0 cho trước Các vận tớc góc quay bánh xe ωBij xác định từ mơ hình bánh xe đàn hồi Đới với góc quay bánh xe dẫn hướng bên trái δ11 tính gián tiếp từ góc quay vơ lăng thơng qua tỷ số truyền hệ thống lái iS 11 SW iS Mơ hệ phương trình vi phân (1), (2),… phương trình xác định lực, mơ men liên kết hệ thống treo thành phần lực tương tác lốp đường ngoại lực tác dụng khác phần mềm máy tính với thơng sớ đồn xe sơmi rơ moóc cầu [12] (5) Các góc lệch bên bánh xe cầu đến cầu viết sau: v yij ij atan v xij (xk cosk yk sin k sin k zk sin k cosk )dt (10) cosk Kết khảo sát đánh giá sij v y1j 1j 1j atan v x1j Góc lắc ngang βk khới lượng treo thứ k [5]: (7) Đới với đồn xe sơmi rơ moóc nghiên cứu, iS=25 Quy luật góc quay bánh xe dẫn hướng bên phải (δ12) tính từ quan hệ Ackermann [10] với khoảng cách hai trụ lái w=2,05 (m) chiều dài sở xe đầu kéo đến tâm cầu cân L=3,91m [11, 12] theo công thức sau: w (8) cot 12 cot 11 L Burchkhardt TT Loại đường Đường nhựa khô 1,281 23,99 0,52 Đường đá khô 1,3713 6,4565 0,6691 Đường đá ướt 0,4004 33,7080 0,1204 Đường phủ tuyết 0,1946 94,129 0,0646 Đường phủ băng 0,05 306,39 C1 C2 C3 Khảo sát với quy luật góc quay vơ lăng Hình với mức vận tốc 60km/h loại đường mô mơ hình lớp Burchkhardt [9] với hệ sớ thực nghiệm theo Bảng Một số kết cho thấy ảnh hưởng rõ nét điều kiện đường đến khả mất ởn định ngang đồn xe sơmi rơ moóc Khi xe chuyển động đường tốt (có hệ sớ bám cao đường Nhựa khơ, Đá khơ) xe bị lật ngang Sự lật ngang xảy nhanh Điều đó thể qua đồ thị hệ số phân bố tải trọng LTR 2.3 Một số tiêu đánh giá Hệ số phân bố tải trọng LTR (Load Transfer Ratio) [11, 12] cho đoàn xe sơmi rơ moóc cầu xe viết sau: SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Đồ thị góc quay vơ lăng 365 TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình Đồ thị LTR Hình Đồ thị góc lắc ngang β1 Hình Đồ thị góc lắc ngang β2 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hai trường hợp khảo sát cho thấy LTR tiến đến rất nhanh Trong đó đường nhựa khơ có hệ sớ bám cao nên LTR tiến đến nhanh (Hình 4) Tương ứng gia tăng nhanh góc lắc ngang khối lượng treo Từ bắt đầu đánh lái đến góc lắc ngang khới lượng treo xe đầu kéo đạt 40 deg đường Nhựa khô đá khô 2,6s 4s (Hình 5) Đới với loại đường có hệ số bám thấp phủ tuyết phủ băng, xe không bị lật ngang, ta nhận thấy giá trị đánh giá ổn định xe điều mức thấp Ví dụ, gia tớc ngang khới lượng treo ay1 đạt dưới 2m/s2 0,5m/s2 đối với đường phủ tuyết phủ băng Trong với điều kiện đường tớt giá trị cao rất nhiều Điều đó cho thấy khả đoàn xe khơng đáp ứng khả quay vịng theo mong muốn người lái Điều đó có thể dẫn đến mất ổn định hướng trượt ngang, mất ổn định quỹ đạo chuyển động, gập thân xe Vấn đề đường nghiên cứu chuyên sâu nghiên cứu Kết luận Sự mất ổn định ngang đồn xe sơmi rơ moóc có hai dạng mất ổn định hướng mất ổn định lật ngang Bài báo trình bày mơ hình động lực học đoàn xe sơmi rơ moóc đó lực tương tác lốp đường xác định mô hình lớp Burchkhardt Bài báo phân tích đánh giá trạng thái mất ởn định lật ngang đồn xe sơmi rơ moóc quay vòng mức vận tốc 60km/h loại đường khác Các kết cho thấy, với loại đường nhựa khô đá khơ xe bị lật ngang Với loại đường có hệ sớ bám thấp xe khơng bị lật ngang dễ bị mất ổn định hướng Với phương pháp nghiên cứu nghiên cứu đánh giá xác định trạng thái mất ổn định hướng loại đường có hệ sớ bám thấp Từ đó có đề xuất về hệ thống điều khiển ổn định đồn xe TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Đồ thị gia tốc ngang ay1 Hình Đồ thị gia tốc ngang ay2 366 [1] Dahlberg E and Stensson A, The dynamic rollover threshold a heavy truck sensitivity study, Int J Vehicle Design, Vol 40, Nos 1/2/3, 2006 [2] Ammon D, Modellbildung und Systementwicklung in der Fahrzeugtechink, BG Teubner, 1997 [3] Pacejka H B, Tyre and Vehicle Dynamics Third editon, Butterworth-Heinemann Publisher, 2005 [4] Võ Văn Hường, Nguyễn Tiến Dũng, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hồng Phúc, Động lực học tô, NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội, 2014 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [5] Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini, Vehicle Dynamics Modeling and Simulation, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany, 2014 [6] Blundell M and Harty D, Multibody Systems Approach to Vehicle Dynamics, Elsevier’s Science anh Technology Right Department, Oxford, UK, 2004 [7] Liu P, Analysis, Detection and Early Warning Control of Dynamic Rollover of Heavy Freight Vehicles, Concordia University, Canada,1999 [8] Vũ Đức Lập, Dao động ô tô, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội, 1994 [9] Nguyễn Trọng Hoan, Nguyễn Khắc Tuân, Hệ thống truyền lực ô tô, NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội, 2018 [10] Jazar R N (2005) Vehicle Dynamics Theory and Application, Springer New York, USA SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 [11] Dương Ngọc Khánh, Tạ Tuấn Hưng Võ Văn Hường, Nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao trọng tâm đến trạng thái ổn định lật ngang đồn xe sơ mi rơ mc quay vịng, Tuyển tập Hội nghị Cơ học tồn q́c lần thứ X, Hà Nội, 8-9/12/2017, Hà Nội, 2017 [12] TA Tuan Hung, DUONG Ngoc Khanh, VO Van Huong, A study on lateral instability of tractor semitrailer turning maneuvers on roads with high adhesion coefficient, The First International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems ICFMAS2018, 2018 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 30/6/2021 06/8/2021 16/8/2021 367