luận án nghiên cứu tính ổn định của ô tô kéo moóc (TT)

Mục tiêu nghiên cứu là x y dựng mô hình động lực học ô tô kéo moóc hai dãy dạng mô hình tích hợp gồm mô hình cơ học hệ nhiều vật và các mô hình liên kết để có thể mô tả tất cả các trạng

1

ẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong khuôn khổ giới hạn của hạ tầng giao thông, việc phát triển đoàn xe là một tất yếu nhằm giảm ùm tắc giao thông, giảm chi phí vận chuyển, giảm CO2 [6,9]

Khi đoàn xe được phát triển cũng kéo theo một số hệ lụy Người ta nhận thấy rằng tai nạn giao thông có liên hệ trực tiếp tới động lực học ô tô kéo moóc [6,7,9,12,13] Vì vậy,đề tài

“Nghiên cứu tính ổn định của ô tô kéo moóc” được chọn để nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ô tô kéo moóc

Mục tiêu nghiên cứu là x y dựng mô hình động lực học ô tô kéo moóc hai dãy dạng mô hình tích hợp gồm mô hình cơ học hệ nhiều vật và các mô hình liên kết để có thể mô tả tất cả các trạng thái phản ứng của lái xe với các số thông số sử dụng và ngoại cảnh để khảo sát các trạng thái ổn định hướng và trước lật của ô tô kéo moóc

Phương pháp nghiên cứu là mô hình hóa ô tô kéo moóc bằng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật và sử dụng hệ phương trình Newton-Euler Để có độ tin cậy, mô hình được kiểm chứng bằng thử nghiệm trên đường

2 Nội dụng nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: sử dụng nguyên lý tách cấu trúc hệ nhiều vật MBS, sử dụng các mô hình thích nghi xác định các lực liên kết, lập phương trình động lực học của các vật bằng hệ phương trình Newton-Euler

Nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm động lực học trên đường để kiểm chứng mô hình

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiến

Vấn đề nghiên cứu là cơ sở ban đầu cho việc nghiên cứu động lực học ô tô kéo moóc theo quy định của ISO (ISO 12021 và 14792)

Mô hình và chương trình mô phỏng cho phép khảo sát động lực học chuyển động ô tô kéo moóc nhằm tìm ra quy luật và giới hạn mất ổn định của ô tô kéo moóc, giúp cho lái xe có cơ sở điều khiển ô tô kéo moóc hoạt động việc ổn định và an toàn

Đóng góp về phương pháp: phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật dạng mô hình lai gồm

mô hình cơ học và mô hình thích nghi xác định các liên kết

4 iểm mới của luận án

Đã vận dụng hợp lý phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật, mô tả các vật chuyển động trong hệ tọa độ tương đối và sử dụng hệ phương trình Newton-Euler, lập trình theo cấu trúc mô đun

5 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 102 trang với các phần mở đầu (03 trang); Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu (14 trang); Chương 2: X y dựng mô hình động lực học ô tô kéo moóc (41 trang); Chương 3: Khảo sát động lực học ô tô kéo moóc (20 trang); Chương 4: Thí nghiệm động lực học đoàn xe (24 trang); Kết luận và kiếm nghị (03); Tài liệu tham khảo (38 tài liệu); Danh mục công trình đã công bố của luận án (05 công trình); luận án có 157 hình và đồ thị; gồm 03 phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN Ề NGHIÊN CỨU

1.1 Sự phát triển của đoàn xe

Cũng như các nước phát triển, sự phát triển đoàn xe là yêu cầu tất yếu đối với Việt Nam

- Các nghiên cứu đã cho thấy, động lực học đoàn xe có liên hệ trực tiếp đến tai nạn giao thông [6,7,9,12,13] Vì vậy nhiều chuyên gia đã tập trung nghiên cứu động lực học đoàn xe nhiều năm nay

- Khái niệm đoàn xe là tổ hợp các xe đơn: xe kéo một hay nhiều rơ moóc đơn; xe kéo bán moóc và kéo theo một số rơ moóc độc lập [16, 12]

- Phần lớn các tai nạn đoàn xe bắt nguồn từ các trạng thái mất ổn định sau: mất ổn định lật (Roll instability) và mất ổn định hướng (Yaw instability),[6,7,9,12,13]

1.2 Tình hình nghiên cứu động lực học đoàn xe

1.2.1 Các mô hình nghiên cứu về động lực học xe ô tô

a Mô hình nghiên cứu xe đơn

Để đánh giá ổn định xe đơn dựa trên các nghiên cứu của Mitschke [30], đánh giá theo đặc tính quay vòng

2

b Mô hình nghiên cứu đoàn xe

Các mô hình nghiên cứu của các tác giả [12,18,19] là mô hình một dãy nhiều kh u, có thể nghiên cứu ổn định ngang trong miền tuyến tính với vận tốc xe không đổi và góc lái nhỏ

1.2.2.Tiêu chí đánh giá ổn định đoàn xe

Đoàn xe được đánh giá ổn định theo hai tiêu chí: ổn định hướng và ổn định lật

a Tiêu chuẩn đánh giá ổn định hướng của đoàn xe:

- Các giả Fancher, Arvind Mathew và Luijten [10, 12] sử dụng khái niệm RA (Rearward Amplification) là tỷ lệ gia tốc ngang của kh u sau cùng ayn chia cho gia tốc ngang của xe kéo

ay1:

+ Đánh ổn định xe kéo: RA =1 a a1 y12 a a1 y11

(1.2)+ Đánh giá ổn định rơ moóc: RA =2 a a1 y22 a a2 y21

(1.3)+ Đánh giá ổn định đoàn xe: RA = a yn a y1

(1.4)Trong đó: ayn là gia tốc ngang cầu sau hoặc cụm cầu sau của xe thứ n

ay1 là gia tốc ngang cầu trước xe kéo, a1, a2 là tọa độ trọng t m

Các biểu thức (1.1), (1.2) là phức tạp Chỉ cần hàm gia tốc ay(t) hoặc ( ) t hoặc hàm phản ứng tốc a t y( ) / ( ) t ; hàm phản ứng vận tốc góc ( ) / (t) t  vẫn có thế xác định thuộc tính quay vòng xe đơn

b Tiêu chí đánh giá ổn định lật của đoàn xe:

- Hiện tại, tác giả Erik Dahlberg [9] và Luijten [12] đã đưa ra các thông số đánh giá ổn định lật của đoàn xe như sau:

Trong đó: Fzi1, Fzi2 là phản lực tại bánh xe bên trái, phải của cầu thứ i

i là số cầu của đoàn xe.j=1, j=2 là ứng với bánh xe bên trái,phải

1.2.3 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Ở Việt Nam hiện nay các công trình nghiên cứu chủ yếu về xe bán rơ moóc:

- Tác giả Đào Đình Tại đã nghiên cứu về ổn định xe bán moóc khi quay vòng [1]

- Tác giả Vũ Đình Long nghiên cứu “Động học và động lực học khi quay vòng của đoàn

xe và nghiên cứu khả năng ứng dụng trong thẩm định thiết kế đường giao thông” [3]

Những kết quả nghiên cứu trên chỉ ra rằng, các mô hình động lực học đoàn xe đã công bố phần lớn là mô hình tuyến tính một dãy, khảo sát với vận tốc không đổi và góc hướng bé

1.3 i tư ng mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án

i tư ng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là ô tô kéo moóc với xe đầu kéo Thaco Foton 5 tấn và rơ moóc của Công ty Việt Phương RM01

- Cầu Dolly dùng để liên kết giữa xe đầu kéo và rơ moóc

1.3.2 Mục tiêu của đề tài

X y dựng mô hình động lực học ô tô kéo moóc hai dãy dạng mô hình tích hợp gồm mô hình cơ học hệ nhiều vật và các mô hình liên kết để có thể mô tả tất cả các trạng thái phản ứng của lái xe với các số thông số sử dụng và ngoại cảnh để khảo sát các trạng thái ổn định hướng và trước lật của ô tô kéo moóc

1.3.3 Phương pháp và nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: sử dụng nguyên lý tách cấu trúc hệ nhiều vật MBS, sử dụng các

mô hình thích nghi xác định các lực liên kết, lập phương trình động lực học của các vật bằng hệ phương trình Newton-Euler

- Nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm động lực học trên đường để kiểm chứng mô hình

- Sử dụng mô hình động lực học ô tô kéo moóc khảo sát các trạng thái đặc trưng về động lực học ô tô kéo moóc bằng Phần mền chuyên dụng MatLab-Simulink

3

1.4 Cấu trúc luận ân

Trong khuôn khổ của luận ân tâc giả thực hiện câc nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan câc vấn đề nghiín cứu

Chương 2: X y dựng mô hình động lực học ô tô kĩo moóc

Chương 3: Khảo sât động lực học ô tô kĩo moóc

Chương 4: Thí nghiệm động lực học đoăn xe

1.5 Kết luận chương 1:

1 Phât triển đoăn xe lă một xu thế tất yếu nhằm n ng cao công suất vận chuyển, giảm chi phí vận chuyển, giảm âp lực cho môi trường vă giảm tiíu hao nhiín liệu trong một đơn vị công suất vận tải nhằm tối ưu hệ thống giao thông Sự gia tăng đoăn xe cũng kĩo theo sự gia tăng tai nạn giao thông Tai nạn giao thông có quan hệ chặt chẽ với động lực học đoăn xe Vì vậy, nghiín cứu động lực học ô tô kĩo moóc để tìm ra giới hạn ổn định trong sử dụng vă lăm cơ sở cho thiết kế tối ưu ô tô kĩo moóc lă một nhu cầu cấp thiết

2 Câc mô hình nghiín cứu về ổn định ô tô kĩo moóc trín thế giới cho tới thời điểm năy vẫn còn một số vấn đề chưa hoăn chỉnh: Câc mô hình chưa mô tả được đầy đủ cấu trúc cần thiết của ô tô kĩo moóc, chưa mô tả được tích hợp câc trạng thâi phản ứng của lâi xe vă chưa khảo sât tới hạn cận vật lý

3 Câc tiíu chí đânh giâ tính ổn định của ô tô kĩo moóc được lựa chọn trong luận ân bao gồm: tỷ lệ gia tốc ngang RA vă gia tốc ngang của câc xe đơn; hệ số ph n bố tải câc cầu LTRi để đânh giâ ổn định lật

Chương 2 XĐY DỰNG H NH NG ỰC HỌC KĨO RƠ OÓC

2.1 Phđn tích cấu trúc ô tô kĩo moóc

Đối tượng dùng để lập mô hình lẵ tô kĩo moóc: xe đầu kĩo Thaco Foton hai cầu vă một rơ moóc độc lập hai cầu có cầu dẫn hướng Dolly

1 Rơ moóc; 2 Cầu Dolly; 3 Xe đầu kĩo

Hình 2.3 Mô hình chuyển động ô tô kĩo moóc

Như vậy, mô hình ô tô kĩo moóc lă mô hình hệ động lực học gồm 3 kh u: xe kĩo vă rơ moóc, cầu Dolly (kh u liín kết động lực học) như hình 2.3

Một số giả thiết khi thănh lập mô hình:

(1) Trọng t m câc khối lượng được treo của xe kĩo vă rơ moóc nằm trong mặt phẳng dọc; (2) Lốp tiếp xúc với mặt đường theo điểm khi xâc định phản lực lốp đường;

(3) Khối lượng của đòn kĩo chữ “A” có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với khối lượng toăn xe;

(4) Hệ thống treo phụ thuộc của ô tô kĩo moóc gồm một phần tử đăn hồi vă một phần tử giảm chấn Chỉ xĩt sự dịch chuyển tương đối trong mặt phẳng thẳng đứng, không có chuyển động tương đối theo phương dọc vă phương ngang;

(5) Không xĩt ảnh hưởng của xoắn khung trong câc phương trình xâc định phản lực đường;

lốp-(6) Bỏ qua tính đăn hồi của hệ thống lâi;

(7) Đầu văo của quâ trình phanh lă mô men phanh đặt tại câc bânh xe, còn ở quâ trình tăng tốc đầu văo lă mô men chủ động đặt tại câc bânh xe chủ động xe kĩo (cầu 2);

(8) Không có khe hở tại câc khớp bản lề của cầu Dolly; Cầu Dolly chỉ quay quanh trục z so với khối lương được treo rơ moóc, bỏ qua ma sât trong khớp Dolly;

(9) Trọng t m của phần khối lượng không được treo của xe kĩo vă rơ moóc nằm trong mặt phẳng dọc chứa trọng t m của xe kĩo vă rơ moóc

4

2.2 Phương pháp thiết lập mô hình toán học

Sử dụng phương pháp hệ nhiều vật và hệ phương trình Newton-Euler để lập mô hình toán học Đó là phương pháp tách cấu trúc, mỗi vật trong hệ được coi là một hệ con

2.2.1 ịnh nghĩa hệ trục tọa độ ô tô kéo moóc

Hệ tọa độ mô tả ô tô kéo moóc được thể hiện bằng các hệ tọa độ Descartes thuận như hình 2.4 và 2.5 gồm:

- Đối với xe kéo bao gồm các bậc tự do được mô tả trền hình 2.4:

Hình 2.4 Hệ tọa độ xe kéo

- Đối với rơ moóc bao gồm các bậc tự do được mô tả trền hình 2.5:

Hình 2.5 Hệ tọa độ rơ moóc và cầu dẫn hướng Dolly

5

2.2.2 Các lực và mô men trong mô hình

Để đoàn xe chuyển động, lái xe tác động vào bàn đạp ga/phanh tạo ra các mô men chủ động MAij hoặc mô men phanh MBij (Mij=MAij+MBij) và kết hợp quay vô lăng để thay đổi hướng của xe theo mong muốn người lái xe Các tác động đó sẽ tạo ra các lực truyền ở các bánh xe gồm: lực dọc Fxij và lực ngang Fyij

Các lực Fxij, Fyij, Fzij trong thực tế là các lực động, tức là phụ thuộc vào thời gian Ngoài ra cấu trúc của vỏ lốp không đồng nhất và áp suất trong lốp cũng thay đổi, bề mặt tiếp xúc cũng ảnh hưởng đến các lực Fxij, Fyij,Fzij tại bánh xe

2.3 ô hình động lực học của đoàn ô tô kéo moóc

Để dễ lập trình và tường minh khi ph n tích, ta tách mô hình động lực học đoàn xe thành ba

mô hình con:

(1) Mô hình chuyển động của đoàn xe trong mặt phẳng đường: đ y là mô hình cơ bản dùng

để đánh giá các trạng thái chuyển động;

(2) Mô hình động lực học phương thẳng đứng: với mô hình này ta xác định phản lực lốp đường Fzij để tính lực truyền Fxij, Fyij;

(3) Mô hình động lực học bánh xe

2 Mô hình động lực học của ô tô kéo moóc trong mặt phẳng đường

Hình 2.6b Động lực học xe kéo trong mặt phẳng đường

2 .2 Mô hình động lực học phương thẳng đứng ô tô kéo moóc

- Động lực học cầu xe 1 trong mặt phẳng ngang:

Hình 2.13 Động lực học cầu xe 1 trong mặt phẳng ngang

2.4.1 Lực liên kết hệ th ng treo F Cij , F kij

- Bánh xe phía trước bên trái xe kéo (Bánh xe 11)

10 Lực liên kết hệ thống treo FCij, Fkij của các bánh xe còn lại được thực hiện tương tự

như bánh xe 11

2.4.2 Xác định các lực dọc, lực ngang, phản lực bánh xe F xij , F yij , F zịj

a Xác định các phản lực Fzij được xác định thông qua mô hình dao động thẳng đứng

b Xác định các lực dọc và ngang Fxij, Fyij

Theo Ammonn các lực truyền được xác định theo công thức (2.60) và (2.61)

s s

s s

b Lực tại khớp A3: FAx3, FAy3:

2.5 Phương pháp giải hệ phương trình động lực học ô tô kéo moóc

Để giải hệ 35 phương trình vi ph n cấp 2 từ (2.1) đến (2.35) ta cần xác định các tham

số/điều kiện sau:

- Thông số cấu trúc của xe: kích thước hình học, khối lượng và mô men quán tính, phụ lục 1 và

phụ lực 3;

- Hàm phản ứng của lái xe: đặc trưng bởi góc lái, vận tốc ban đầu;

- Điều kiện đầu của các tọa độ suy rộng

2.5 Hàm phản ứng của lái xe

a Hàm điều khiển mô men

b Hàm điều khiển quay vòng

2.5.2 iều kiện đầu

2.5.3 Xác định các lực dọc và ngang F xij , F yij

2.6 Cấu trúc động lực họcô tô kéo moóc

- Cấu trúc chương trình mô phỏng gồm có 4 mô đun chính:

Hình 2.25 Cấu trúc chương trình mô phỏng

11

- Cấu trúc mô hình động lực học ô tô kéo moóc trong mặt phẳng đường

Hình 2.26 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô kéo moóc trong mặt phẳng đường

3 Phương pháp giải: việc giải giải hệ phương trình vi ph n được thực hiện bằng phần mềm Matlab-Simulink với phương pháp ph n chia mô đun

4 Phạm vi ứng dụng: mô hình có thể mở rộng để khảo sát các giới hạn trượt và cận lật để xác định điều kiện an toàn chuyển động ô tô kéo moóc; có thể mô tả xe ảo trước khi chế tạo Thông số đầu vào là các phản ứng của lái xe và điều kiện ngoại cảnh (mặt đường, gió) có thể mô

tả hay thay đổi tùy theo ý định khảo sát

Chương 3 KHẢO SÁT NG LỰC HỌCô tô kéo moóc

3.1 Các phương án khảo sát

Khảo sát được thực hiện thông qua 7 phương án:

3.1.1 Ảnh hưởng của góc lái đến trạng thái quay vòng trên đường hệ s cao

- Trong thực tế lái xe khi điều khiển quay vòng là ngẫu nhiên Trong khảo sát ảnh hưởng của cường độ lái chỉ có thể cho các góc quay bánh xe là các giá trị cố định như hình 3.1 và 3.2

- Ta chọn 3 giá trị góc lái là 7 độ, 8 độ, 9 độ

- Vận tốc khảo sát là 50 km/h, đường bằng, có hệ số bám cao như sau:

Với các góc quay bánh xe bên trái δ 11 =[7 8 9] (độ) ứng với các chỉ số [1 2 3] trên các đồ thị

12

Hình 3.1 Góc lái của bánh xe trái xe kéo Hình 3.2 Góc lái của bánh xe phải xe kéo

a Đánh giá về ổn định hướng:

Hình 3.3 Gia tốc ngang xe kéo Hình 3.4 Gia tốc ngang rơ moóc

Đồ thị gia tốc ngang khi góc lái 7 độ (đường đen) trong hình 3.3 và 3.4 có dáng điệu như góc quay bánh xe, gần với trạng thái quay vòng đủ Hai trường hợp khác, gia tốc dao động quanh vị trí c n bằng, biểu hiện quay vòng thừa và quay vòng thiếu nhẹ Tuy nhiên cả 3 trường hợp, gia tốc đều lớn hơn 4,5 m/s2 Hình 3.5 là đồ thị hệ số RA=ayc2/ayc1, ta thấy chỉ có đường đen

là có dáng điệu như hàm quay vô lăng (quay vòng đủ), còn 2 trường hợp 2,3 giá trị RA dao động quanh giá trị 1; vừa quay vòng thiếu vừa quay vòng thừa (RA<1 và RA>1)

Hình 3.5 Hệ số gia tốc RA=a yc2 /a yc1

b Đánh giá về ổn định lật:

Hình 3.6 Hệ số phân tải cầu 1 LTR 1 Hình 3.7 Hệ số phân tải cầu 2 LTR 2

Hình 3.8 Hệ số phân tải cầu 3 LTR 3

Hình 3.9 Hệ số phân tải cầu 4 LTR 4

Kết quả khảo sát (hình 3.6÷3.9), các hệ số LTRi trong trường hợp này đều vượt ngưỡng dấu hiệu mất ổn định lật 0,75 [9] Chúng ta chưa xét điều kiện đủ của lật nên chỉ có thể kết luận

xe có dấu hiệu lật Điều kiện lật là các hệ số LTRi=1 và mô men lật do lực quán tính g y ra lớn