Nghiên cứu hiệu quả phanh trên đường có hệ số bám khác nhau của đoàn xe sơ mi rơ moóc làm cơ sở đề xuất giải pháp nhằm giảm thiểu tai nạn giao thông (TT)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ PHANH TRÊN ĐƯỜNG CÓ HỆ SỐ BÁM KHÁC NHAU CỦA ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC LÀM CƠ SỞ ĐỀ XUẤT GIẢI P

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ PHANH TRÊN ĐƯỜNG

CÓ HỆ SỐ BÁM KHÁC NHAU CỦA ĐOÀN XE

SƠ MI RƠ MOÓC LÀM CƠ SỞ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP

NHẰM GIẢM THIỂU TAI NẠN GIAO THÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 62520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2016

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài: Nhằm đáp ứng nhu cầu vận chuyển ngày càng cao của xã hội, các đoàn xe sơ mi rơ moóc (ĐXSMRM) được chế tạo rất nhiều để phục vụ cho việc vận chuyển hàng hóa Đoàn xe SMRM có công suất vận chuyển cao, góp phần giảm ùn tắc giao thông và giảm ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, việc phát triển ĐXSMRM cũng kéo theo nhiều hệ luỵ như: ĐXSMRM làm cầu đường mau bị hư hỏng và gây nhiều tai nạn giao thông Để góp phần làm giảm

tai nạn giao thông do ĐXSMRM gây ra tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu quả phanh trên

đường có hệ số bám khác nhau của đoàn xe sơ mi rơ moóc làm cơ sở đề xuất giải pháp nhằm giảm thiểu tai nạn giao thông”

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Kết quả nghiên cứu hiệu quả phanh ĐXSMRM của luận án

là cơ sở ban đầu cho việc nghiên cứu động lực học phanh ĐXSMRM theo quy định của tiêu chuẩn TCVN 7360:2008 và ISO 7634:2007 [12], ECE-R13 [33] và ISO 14794: 2011 [24] Mô hình và chương trình mô phỏng động lực học phanh ĐXSMRM cho phép khảo sát các trạng thái phanh ĐXSMRM nhằm tìm ra quy luật và giới hạn mất ổn định của đoàn xe khi phanh trong những điều kiện đường và kỹ thuật lái xe khác nhau, giúp cho lái xe có cơ sở điều khiển ổn định và an toàn Ngoài ra, kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho các công ty chế tạo nghiên cứu thay đổi kết cấu, cải tiến sản phẩm; làm cơ sở cho các nhà quản lý giao thông ban hành các quy định về thiết kế, chế tạo, đăng kiểm, vận hành ĐXSMRM; luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thuật và học viên ngành công nghệ ô tô

Điểm mới của luận án: Luận án là đã vận dụng hợp lý phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật, mô tả ĐXSMRM 6 cầu chuyển động trong hệ tọa độ tương đối và sử dụng hệ phương trình Newton-Euler, lập trình theo cấu trúc mô đun Luận án đã xây dựng phương pháp đo và hệ thống đo đồng thời 5 thông số động lực học phanh ĐXSMRM trong điều kiện Việt Nam Thông qua thí nghiệm đã xác định được hàm hệ số bám x(sx) làm thông số đầu vào cho mô hình khảo sát

Cấu trúc của luận án: Luận án có 4 chương, 125 trang, 52 tài liệu tham khảo, 10 công trình

đã công bố của luận án, 94 hình và đồ thị, 6 phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Xu thế phát triển ĐXSMRM và tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Hiện nay, trên thế giới và Việt Nam đang có nhu cầu tăng cường vận tải bằng đoàn xe để tận dụng những hạ tầng giao thông đã phát triển nhằm giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông, giảm lượng khí thải, giảm ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, việc phát triển đoàn xe cũng kéo theo một số hệ luỵ như làm giảm tuổi thọ của đường, tăng tai nạn giao thông

1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Việt Nam hiện nay chưa có công trình nghiên cứu nào về hiệu quả phanh ĐXSMRM được công bố, chỉ có một số công trình nghiên cứu về hệ thống phanh ô tô

1.2.2 Tình hình nghiên cứu của thế giới

Đến nay trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hiệu quả phanh của ô tô được công bố Các nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề nâng cao hiệu quả phanh và an toàn chuyển động cho ô tô Trên cơ sở các nghiên cứu đó nhiều hệ thống phanh có điều khiển bằng điện tử được thiết kế chế tạo và sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về hiệu quả phanh của ĐXSMRM, đặc biệt là nghiên cứu phanh trên đường ướt, đường có hệ số bám thấp thì trên thế giới hiện nay chưa có nhiều

1.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

2

Luận án nghiên cứu cơ sở khoa học, xác định các yếu tố ảnh hưởng của đường như hệ số bám

và kỹ thuật vận hành như cường độ phanh, vận tốc bắt đầu phanh, góc quay vô lăng đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường bằng phẳng, nhằm đề xuất phương án nâng cao hiệu quả phanh dưới góc độ sử dụng và góc độ kết cấu để giảm thiểu tai nạn giao thông do ĐXSMRM gây ra

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu

Đoàn xe SMRM 6 cầu gồm XĐK Trung Quốc FAW 3 cầu và SMRM Tân Thanh 40F 3 cầu 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình không gian và thực nghiệm phanh đoàn xe SMRM trên

đường Luận án sử dụng phương pháp Newton-Euler để mô tả động lực học phanh ĐXSMRM

1.3.4 Giới hạn của đề tài

Luận án chưa nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu, vật liệu chế tạo hệ thống phanh, kết cấu, vật liệu chế tạo lốp cũng như kết cấu của đường đến hiệu quả phanh ĐXSMRM

1.4 Nội dung nghiên cứu và cấu trúc luận án

1.4.1 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về hiệu quả phanh ô tô và ĐXSMRM;

- Phân tích cấu trúc và lập mô hình không gian để mô tả động lực học phanh ĐXSMRM; Thiết lập hệ phương trình động lực học phanh đoàn xe; Mô phỏng các quá trình phanh đặc trưng trên đường thẳng và đường vòng;

- Thí nghiệm xác định hàm hệ số bám x(sx) khi phanh của bánh xe trên đường khô và ướt;

- Đánh giá hiệu quả phanh của ĐXSMRM; Đề xuất các giải pháp để nâng cao hiệu quả phanh 1.4.2 Bố cục luận án

Luận án được bố cục gồm 4 chương: Mở đầu; Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu; Chương 2 Mô hình động lực học phanh ĐXSMRM; Chương 3 Khảo sát động lực học phanh ĐXSMRM; Chương 4 Thí nghiệm phanh ĐXSMRM; Kết luận và kiến nghị

1.5 Tóm tắt chương 1

Hiện nay ĐXSMRM được sử dụng rất nhiều ở các nước trên thế giới và ở Việt Nam Đoàn xe SMRM mang lại nhiều lợi ích kinh tế, xã hội nhưng cũng gây ra nhiều tai nạn giao thông cần phải nghiên cứu khắc phục Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống phanh ĐXSMRM và đạt được những kết quả rất khả quan; đã đề xuất áp dụng hệ thống phanh ABS trên ĐXSMRM ở Mỹ và Châu Âu Ở Việt Nam còn ít công trình nghiên cứu về ĐXSMRM, chưa có công trình nghiên cứu về hiệu quả phanh ĐXSMRM được công bố và chưa có qui định bắt buộc sử dụng hệ thống phanh ABS trên ĐXSMRM

Hiện nay tiêu chí đánh giá hiệu quả phanh ĐXSMRM khi nghiên cứu chưa có công bố cụ thể Khi nghiên cứu thường đánh giá hiệu quả phanh bởi hai tiêu chí chủ yếu là gia tốc phanh và ổn định quỹ đạo chuyển động thông qua góc lệch giữa thân XĐK và thân SMRM (K), trong đó tiêu chí ổn định chuyển động của đoàn xe khi phanh là quan trọng nhất [12, 19, 24, 33] Để nghiên cứu hiệu quả phanh ĐXSMRM luận án chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình không gian phi tuyến kết hợp với phương pháp thực nghiệm phanh ĐXSMRM trên đường

Chương 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHANH

ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC

Đoàn xe SMRM là hệ nhiều vật, liên kết phức tạp Mô hình động lực học phanh ĐXSMRM là

mô hình tích hợp gồm mô hình cơ học hệ nhiều vật được mô tả bằng hệ phương trình Newton-Euler

và mô hình xác định lực liên kết dạng thích nghi như mô hình lốp Luận án chọn mô hình không

gian để có thể mô tả đầy đủ cấu trúc ĐXSMRM và đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu

2.1 Phân tích cấu trúc ĐXSMRM

Đoàn xe SMRM có 2 thân, gồm XĐK và SMRM liên kết với nhau bằng khớp yên ngựa Liên kết giữa khối lượng được treo và không được treo của ĐXSMRM thông qua hệ thống treo nhíp, được mô tả bằng các nội lực hệ thống treo là các hàm phi tuyến Liên kết giữa xe và đường thông qua các bánh xe đàn hồi chịu biến dạng ở phương thẳng đứng, phương ngang, thể hiện qua phản lực lốp-đường

Để thuận tiện cho việc lập mô hình, luận án chia ĐXSMRM nghiên cứu thành 8 khối lượng (vật) cơ bản như sau: Khối lượng được treo của XĐK là mc1 đặt tại trọng tâm C1 của XĐK; Khối lượng được treo của SMRM là mc2 đặt tại trọng tâm C2 của SMRM; Khối lượng không được treo của các cầu là mAi đặt tại trọng tâm Ai của các cầu (i=1÷6), như hình (2.2)

Hình 2.1 Khối lượng đoàn xe sơmi-rơmooóc

* Một số giả thiết để lập mô hình: ĐXSMRM đối xứng trục theo chiều dọc; Cầu xe không

quay quanh trục y; Cầu xe chuyển động theo trục x và trục z cùng với khối lượng được treo; Bỏ qua đàn hồi và ma sát trong khớp yên ngựa, lực cản không khí và mô men quay bánh xe quanh trục z;

Độ đàn hồi của hệ thống treo tuyến tính trong miền làm việc và phi tuyến khi chạm vấu giới hạn hành trình; Độ cứng hướng kính lốp không thay đổi khi chưa tách bánh

2.2 Phương pháp lập mô hình

Để mô tả động lực học ĐXSMRM ta có thể sử dụng các phương pháp Newton-Euler, D’Alembert/Jourdain, Lagrange Trong đó, phương pháp Newton-Euler đơn giản hơn, cho phép phân chia cấu trúc và lập trình theo mô đun, có thể xác định được các quan hệ nội hàm [6, 25] 2.2.1 Định nghĩa hệ tọa độ cho ĐXSMRM

Để mô tả chuyển động của ĐXSMRM ta cần thiết lập một hệ tọa độ Descartes thuận bao gồm

hệ toạ độ cố định G(OXYZ) và các hệ tọa độ vật B(Cxyz) như hình (2.2)

2.2.2 Lực và mô men tác dụng lên ĐXSMRM

Lực và mô men tác dụng lên ĐXSMRM như hình (2.3)

4

X Y

x 41

41 61

x 12

y 12 12

y 21

x 11

y 11 11

x A1

y A1 A1

A1

O

y c2

c2 c2

x 21 A2

x A5

y A5 A5

x A6

y A6 A6

x 42

y 42 42

x 52

y 52 52

x 62

y 62 62

y 41

x 51

y 51 51

x 61

y 61

A4 A5

A6

42 52

6

2.3 Phương trình động lực học ĐXSMRM trong mặt phẳng đường (OXY)

2.3.1 Phương trình động lực học XĐK trong mặt phẳng đường (OXY)

Dựa vào hệ phương trình Newton-Euler, ta có thể viết hệ phương trình động lực học XĐK

trong mặt phẳng đường như sau:

J [( F F ) sin ( F F ) sin F cos F cos ]l

( F cos F cos F sin F sin F cos F cos )b

Hình 2.4 Sơ đồ động lực học XĐK trong mặt phẳng đường

2.3.2 Phương trình động lực học SMRM trong mặt phẳng đường (OXY)

Hệ phương trình động lực học SMRM trong mặt phẳng đường là:

F y62

F x61F y61

F x52

F y52

F x51F y51

F x42

F y42

F x41F y41

F R 61

F

R5

F

R4

Hình 2.5 Sơ đồ động lực học SMRM trong mặt phẳng đường

2.4 Phương trình động lực học khối lượng được treo phương thẳng đứng

J 

Hình 2.6 Sơ đồ động lực học XĐK phương thẳng đứng

2.4.2 Động lực học SMRM phương thẳng đứng

b Hệ phương trình động lực học ngang của cầu 1, 2, 3 XĐK:

j 2 Axi Ai Ci1 Ki1 Ci2 Ki2 i CLi2 KLi2 CLi1 KLi1 i yij ij Aij i Bi i

b Hệ phương trình động lực học ngang của cầu 4, 5, 6 SMRM:

Ai Ai Ai Ai i yij

j 2 Axi Ai Ci1 Ki1 Ci2 Ki2 i CLi2 KLi2 CLi1 KLi1 i yij ij Aij i Bi i

2.7 Xác định các lực và mô men liên kết

2.7.1 Lực liên kết của hệ thống treo

2.7.3 Tính lực liên kết lốp-đường tại tâm vết tiếp xúc bánh xe

xij zij xij

yij zij yij

tố ngoại cảnh khác nhau cũng như điều chỉnh tham số để mô hình có độ chính xác hơn Với mô hình trên có thể khảo sát lý thuyết các quá trình động lực học phanh ĐXSMRM ở các giới hạn trượt để nghiên cứu phản ứng của đoàn xe khi có điều khiển của lái xe

2 Đặc điểm phương pháp

Sử dụng Phương pháp Tách cấu trúc Hệ nhiều vật MBS cho phép thay đổi tham số kết cấu và hàm đầu vào khi khảo sát; mô hình lốp Ammon cho phép khảo sát các trạng thái chuyển động tới hạn trong các trường hợp sử dụng và các yếu tố ngoại cảnh thường xuyên thay đổi

3 Phương pháp giải

Việc giải hệ phương trình vi phân được thực hiện bằng phần mềm Matlab-Simulink với phương pháp phân chia mô đun Đây là phương pháp cho phép lập trình thuận tiện và có thể thay đổi đầu vào ở mỗi mô đun khi khảo sát động lực học ĐXSMRM

4 Phạm vi ứng dụng

Mô hình có thể khảo sát động lực học phanh ĐXSMRM với các tham số sau: ảnh hưởng của vận tốc khi phanh, ảnh hưởng của hệ số bám, ảnh hưởng cường độ phanh, độ nhạy của hệ thống Có thể sử dụng mô hình để nghiên cứu về Phân bố lực phanh lý tưởng và điều khiển ABS cho đoàn xe, tối ưu động lực học phanh đoàn xe

Chương 3 KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC PHANH

ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC

3.1 Phương pháp giải hệ phương trình động lực học phanh ĐXSMRM

Để giải hệ 42 phương trình vi phân cấp 2 từ (2.1÷2.42) luận án sử dụng phần mềm Simulink

Matlab-3.2 Cấu trúc chương trình mô phỏng động lực học ĐXSMRM

xij xij

Hình 3.1 Cấu trúc chương trình mô phỏng

3.3 Khảo sát hiệu quả phanh ĐXSMRM

Để nghiên cứu hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng và đường vòng, dựa theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE-R13 [33] và tiêu chuẩn ISO 14794:2011 [24] luận án đã khảo sát 12 phương

án trong 3 trường hợp tổng quát phanh ĐXSMRM trong các điều kiện đường và kỹ thuật lái xe khác nhau như sau:

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của hệ số bám đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng

a Khảo sát ảnh hưởng của hệ số bám đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng ở vận tốc 60km/h

Điều kiện khảo sát cho ĐXSMRM chạy thẳng ở vận tốc Vo=60km/h, phanh với mức

MB=80%MBđm (với MBđm=FGxmaxrd ứng với xmax=0,8) tại t=1s Khảo sát trên 6 loại đường có hệ

ECE-R13 Khảo sát

Tiêu chuẩn ECE-R13

12

0,6 0,03 1,0 1,0 0,64 0,83 0,83 1,65 0,98 0,85 0,7 0,03 0,04 1,0 0,58 0,92 0,98 1,73 0,98 0,83 0,8 0,03 0,04 0,05 0,5 0,79 0,85 1,73 0,98 0,83 0,9 0,03 0,03 0,04 0,45 0,7 0,85 1,71 1,01 0,81 1,0 0,03 0,03 0,04 0,4 0,62 0,78 1,71 1,01 0,81

* Nhận xét: Phanh ĐXSMRM với cường độ 80% mô men phanh định mức ở vận tốc 60km/h

quả phanh giảm

b Khảo sát ảnh hưởng của hệ số bám đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng ở vận tốc 80km/h

Điều kiện khảo sát cho ĐXSMRM chạy thẳng ở vận tốc Vo=80km/h, phanh với mức

MB=80% MBđm (với MBđm=FGxmax rd ứng với xmax=0,8), tại thời điểm t=1s Khảo sát trên 6 loại đường có hệ số bám khác nhau xmax=[0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0]

Hệ số bám

φxmax

Quãng đường phanh (m) Gia tốc phanh (m/s2)

Thời gian phanh (s) Khảo sát Tiêu chuẩn

ECE-R13 Khảo sát

Tiêu chuẩn ECE-R13

các bánh xe 31, 61 bị trượt hoàn toàn, gia tốc phanh khoảng 4m/s 2 , giảm khoảng 37% Vậy phanh

mất ổn định và giảm hiệu quả phanh

3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng

a Khảo sát ảnh hưởng của cường độ phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng ở vận tốc 60km/h

Điều kiện khảo sát cho ĐXSMRM chạy thẳng ở vận tốc Vo=60km/h, trên đường có hệ số bám

xmax=0,8 Khảo sát với 6 mức phanh MB=[50; 60; 70; 80; 90; 100]%MBđm (với MBđm=FGxmaxrdứng với xmax=0,8)

Mức phanh

MB(Nm)

Quãng đường phanh (m) Gia tốc phanh (m/s2)

Thời gian phanh (s) Khảo sát Tiêu chuẩn

ECE-R13 Khảo sát

Tiêu chuẩn ECE-R13

trượt hoàn toàn, ĐXSMRM có dấu hiệu mất ổn định nhẹ

b Khảo sát ảnh hưởng của cường độ phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng ở vận tốc 80km/h

ĐXSMRM chạy thẳng ở vận tốc Vo=80km/h, trên đường có hệ số bám xmax=0,8 Khảo sát với 6 mức phanh MB=[50; 60; 70; 80; 90; 100]% MBđm (với MBđm=FG  xmaxrd ứng với  xmax=0,8)

Mức phanh

MB(Nm)

Quãng đường phanh(m) Gia tốc phanh(m/s2)

Thời gian phanh (s) Khảo sát Tiêu chuẩn

ECE-R13 Khảo sát

Tiêu chuẩn ECE-R13

phanh và quãng đường phanh không đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn ECE-R13; phanh mức M