Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC XE ĐẾN ỔN ĐỊNH NGANG XE BÁN MOÓC EFFECT OF THE LONGITUDINAL VELOCITY TO LATERAL STABILITY OF THE TRACTOR SEMI-TRAILER Võ Văn Hường1a, Dương Ngọc Khánh1b, Tạ Tuấn Hưng1c Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam a b huongvvbk@gmail.com; khanh.duongngoc@hust.edu.vn; ctuanhung153@gmail.com TÓM TẮT Mất ổn định ngang xe bán moóc dạng ổn định thường gặp kết cấu thân xe phức tạp Ổn định ngang xe bán moóc phụ thuộc nhiều vào điều kiện đường, phản ứng người lái, gió… Người lái thường phản ứng chậm phần moóc xe di chuyển Trong báo này, mô hình động lực học xe bán moóc thiết lập theo phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật hệ phương trình Newton-Euler Mô hình sử dụng để khảo sát ảnh hưởng vận tốc xe đến ổn định chuyển động xe bán moóc Từ khóa: xe bán moóc, gập thân xe, ổn định lật, điều kiện đường, hệ phương trình Newton-Euler ABSTRACT The lateral instability of tractor semi-trailer is an important road safety problem since the complicated structure of this vehicle The lateral stability of semitrailer is depended on road conditions, driver’ behavior, wind Driver's behavior is usually slower than the motion of semi-trailer while moving In this paper, a dynamic model of the tractor semi-trailer is established based on Multi-body System and Newton – Euler Equations This model is applied to examine the effect of the longitudinal velocity to the stability of the tractor semitrailer Keywords: tractor semi-trailer, jackknife, rollover instability, road conditions, Newton-Euler Equations ĐẶT VẤN ĐỀ Khi nghiên cứu động lực học đoàn xe ta thường mô hình hóa (i) mô hình tích hợp/Hybrid Model gồm mô hình vật lý mô tả cấu trúc đoàn xe theo quan điểm hệ nhiều vật, lực liên kết mô hình hóa dạng mô hình thích nghi; (ii) thông số đầu vào mô hình cấu trúc phản xạ lái xe (phanh, ga, quay vô lăng) thông số ngoại cảnh gió, hệ số bám, mấp mô mặt đường; (iii) thông số đầu mô hình phản ứng động lực học đoàn xe có phản ứng lái xe Đoàn xe tổ hợp xe đơn: (i) xe kéo (tractor) kéo hay nhiều moóc đơn (full trailer); (ii) xe kéo (tractor) kéo bán moóc (semi-trailer) kéo theo số moóc độc lập Trong khuôn khổ báo này, đoàn xe gồm xe đơn bán moóc (tractor semi-trailer) chọn để nghiên cứu Tai nạn giao thông xảy đoàn xe nhiều nguyên nhân, nguyên nhân chủ yếu xe ổn định chuyển động đường Có hai dạng ổn định (i) ổn định hướng (Yaw Instability) (ii) ổn định lật (Rollover Instability) Sự ổn định phụ thuộc vào cấu trúc đoàn xe trọng lượng, chiều cao trọng tâm, khớp liên kết thân xe, đặc tính lốp; phụ thuộc điều kiện chuyển động hệ số bám đường, độ nghiêng độ 499 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV dốc đường phụ thuộc phản ứng lái xe phanh, ga quay vô lăng Trong đường vòng phanh quay vòng ổn định, cầu/các bánh xe bị bó cứng lực ngang giảm mạnh, xe trượt (i) cầu trước, (ii) cầu sau xe kéo (iii) cầu sau moóc Các dạng trượt hình [1] Hình Các dạng ổn định hướng Mất ổn định lật gắn với việc xe quay vòng, gia tốc ngang vượt ngưỡng làm xe lật Mất ổn định góc gây trình phanh kết hợp phanh quay vô lăng gắn với việc bánh xe bị bó cứng dẫn đến lực ngang, kết xe bị gập (jackknife) Gập xe đặc trưng chuyển động góc nhanh không điều khiển hai thân xe trục z Gập thân xe trạng thái thường gây tai nạn giao thông Phản ứng ổn định góc lái nhanh đoàn xe dẫn đến gập thân xe dẫn đến lật xe Mất ổn định góc xe bán moóc thể khái niệm dao động góc xe moóc gập thân xe quanh trục đứng khớp quay yên ngựa Mất ổn định phụ thuộc vào (i) cấu trúc đoàn xe cấu trúc lốp, chiều dài sở, chiều cao trọng tâm, (ii) thông số vận hành vận tốc dọc, góc quay vô lăng, (iii) yếu tố ngoại cảnh gió ngang, hệ số bám, độ nghiêng đường Phần sau trình bày ảnh hưởng vận tốc ban đầu đến ổn định đoàn xe MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐOÀN XE Mô hình động lực học đoàn xe mô hình hỗn hợp/Hybrid Model [2,3], gồm (i) mô hình vật lý hệ nhiều vật, mô tả hệ phương trình vi phân cấp theo Newton-Euler, dạng mô hình sáng (White-Box-Modelle) (ii) mô hình thích nghi/Adaptive Model để xác định lực liên kết, mô hình gần sáng (Light-Grey-Box-Modelle) gần đen (Dark-Grey-Box- Modelle) Mô hình cấu trúc đoàn xe hình Đoàn xe hệ nhiều vật, hai khối lượng treo, bốn cầu, định nghĩa (2+4)x6 tọa độ suy rộng; chuyển động góc bánh xe 500 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Mô hình động lực học đoàn xe Như mô hình vật lý có 44 tọa độ suy rộng, sử dụng mô hình lốp Ammon [3] để tính lực tương tác bánh xe dạng mô hình thích nghi/Adaptor Dựa vào phương trình Newton (1) Euler (2) ta xây dựng hệ phương trình động lực học đoàn xe dạng “sáng” [4, 5, 6] B Fx mx + m(ϕ z −ψ y ) F = Fy = my + m(ψ x − β z ) F mz + m( β y − ϕ x ) z M x B M = M y = M z (1) J x β − ( J y − J z )ϕψ J yϕ − ( J z − J x )ψβ J zψ − ( J x − J y ) βϕ (2) Trong đó: F x , F y , F z , M x , M y , M z ngoại lực mô men ngoại lực theo phương tịnh tiến x, y, z xoay β, φ, ψ tác dụng lên phần tách cấu trúc Dựa vào hệ (1, 2) mô hình thích nghi ta có sơ đồ tính toán cho phần mô hình động lực học xe bán moóc hình FW1x FW1y hij ϕx1max ϕx1min y1 MAij ψ MBij x x 1 ψ ψ x1 δ 1 Xe đầu kéo y2 ψ x 2 x2 MBij Sơmi-rơmoóc x ψ ψ FW2x FW2y hij ϕx2max ϕx2min Hình Cấu trúc tính toán mô hình xe bán moóc 501 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Mục tiêu khảo sát sau xét ảnh hưởng vận tốc đến ổn định đoàn xe: (i) ổn định trượt (ii) ổn định lật với điều kiện sau: Đường khô hệ số bám 0,9; quay vô lăng độ đến góc quay bánh xe 20 giữ ổn định; khảo sát với ba ngưỡng vận tốc 40, 60, 80 km/h Hình Hệ số phân tải cầu Hình Hệ số phân tải cầu Hình Hệ số phân tải cầu Hình Hệ số phân tải cầu Hình Gia tốc ngang tractor Hình Gia tốc ngang trailer Hình 10 Góc gập thân xe Hình 11 Vận tốc gập thân xe 502 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 12 Tương quan gia tốc Hình 13 Quỹ đạo đoàn xe Nhận xét: Các đồ thị hình 4-7 hệ số phân bố lại tải bánh xe cầu cho ba vận tốc ban đầu 40, 60, 80 km/h Các đường số tương ứng xe chạy vận tốc 80 km/h đạt hệ số phân bố 1; tương ứng bánh xe phía bị tách bánh Đồ thị hình 8, đồ thị gia tốc ngang a y1 , a y2 với vận tốc ban đầu 40, 60 km/h (các đường 1, 2) có xu hướng đường lý thuyết Ở vận tốc này, sau xe quay vòng ổn định thông số động học đánh giá ổn định hướng (gia tốc ngang, góc gập vận tốc góc gập thân xe) ổn định lật (các hệ số LTR) ổn định sau t=4s [7] Khi chạy 40, 60 km/h với góc quay bánh xe dẫn hướng 20 đoàn xe đảm bảo tính ổn định chuyển động Riêng đường ứng với vận tốc 80 km/h, với góc quay bánh xe 20 tạo gia tốc ngang 5-5,5 m/s2 tương ứng giá trị lý thuyết Tại thời điểm xe đạt gia tốc cực đại (tới hạn) lúc bánh xe phía bị tách khỏi mặt đường, t=2,5s, cận vật lý; xe dao động quanh trục quay dọc, làm phản lực thay đổi gia tốc thay đổi theo, gia tốc ngang giảm đột ngột Về hướng chuyển động tương đối hai thân xe, đồ thị vận tốc gập thân xe góc gập thân xe có xu hướng tương tự, chúng thay đổi đột ngột đổi chiều hình 10, 11 Nếu chạy lên 80 km/h đoàn xe không trượt có hệ số bám cao (0,9), đạt gia tốc ngang lớn, lên đến 5…6m/s2 xe lật Đó cận vật lý mà thực tế cần tránh KẾT LUẬN Mô hình động lực học đoàn xe thành lập dạng Hybrid model gồm mô hình vật lý mô hình thích nghi cho phép xác định giới hạn ổn định đoàn xe Phương pháp thí nghiệm cho mô hình thích nghi không trình bày báo trình bày sau Kết mô lý thuyết rằng, xe chạy với vận tốc 80 km/h, quay vòng với góc quay bánh xe ổn định 20 tương ứng gia tốc ngang chừng m/s2, đường có hệ số bám 0,9 đoàn xe ổn định hướng ổn định lật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Bouteldja, A Koita, V Dolcemascolo, J C Cadiou, Prediction and Detection of Jackknifing Problems for Tractor Semi-Trailer, France [2] Christoph Halfmann, Adaptive Modelle fur die Kraftfahrzeugdynamik, VDI, Springer Berlin, 2003 [3] Dieter Ammonn, Modellbildung und Systementwicklung in der Fahrzeugtechink, BG Teubner, 1997 [4] Luijten M.F.J, Lateral Dynamic Behavior of Articulated Commercial Vehicles, Eindhoven University of Technology, DAF 51050.10-207, 2010 [5] Michael Blumdell, Damian Harty, The Multibody Systems Approach to Vehicle Dynamics, SAE International, 2004 [6] Võ Văn Hường, Nguyễn Tiến Dũng, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc, Đõ Văn Hường, Ngu, NXB Giáo dục Việt Nam, 2014 [7] Hocine IMINE, Heavy vehicle modeling, evaluation and prevention of rollover risk, Laboratoire Central des Ponts et Chaussées 503 ... góc lái nhanh đoàn xe dẫn đến gập thân xe dẫn đến lật xe Mất ổn định góc xe bán moóc thể khái niệm dao động góc xe moóc gập thân xe quanh trục đứng khớp quay yên ngựa Mất ổn định phụ thuộc vào... xe bán moóc 501 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Mục tiêu khảo sát sau xét ảnh hưởng vận tốc đến ổn định đoàn xe: (i) ổn định trượt (ii) ổn định. .. giá ổn định hướng (gia tốc ngang, góc gập vận tốc góc gập thân xe) ổn định lật (các hệ số LTR) ổn định sau t=4s [7] Khi chạy 40, 60 km/h với góc quay bánh xe dẫn hướng 20 đoàn xe đảm bảo tính ổn