Bài viết trình bày phương pháp xác định trạng thái mất ổn định lật ngang của xe khách được đề xuất trên cơ sở sử dụng mô hình động lực học được thiết lập theo phương pháp hệ nhiều vật và hệ phương trình Newton-Euler. Phương pháp này có thể làm cơ sở để xác định ngưỡng cảnh báo sớm và điều khiển bằng mô hình động lực học của xe khách.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 053-058 Nghiên cứu xác định ngưỡng ổn định lật ngang xe khách Study on Determination of the Dynamic Rollover Threshold of a Coach Vehicle Tạ Tuấn Hưng1, Dương Ngọc Khánh2* Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải - Số 54 Triều Khúc, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Số Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Đến Tòa soạn: 29-04-2020; chấp nhận đăng: 25-09-2020 Tóm tắt Lật ngang xe khách dạng tai nạn nguy hiểm xảy Các tai nạn xe khách xảy với mức độ tổn hại cao loại phương tiện chở nhiều người Mất ổn định lật ngang phụ thuộc vào phản ứng người lái, điều kiện mặt đường, kết cấu xe Lật ngang xe khách thường xảy chuyển hướng tốc độ cao Người lái thường khó xác đinh dấu hiệu lật ngang tách bánh xe khỏi mặt đường, đặc biệt trường hợp chuyển động với tốc độ cao Trong báo này, phương pháp xác định trạng thái ổn định lật ngang xe khách đề xuất sở sử dụng mơ hình động lực học thiết lập theo phương pháp hệ nhiều vật hệ phương trình Newton-Euler Phương pháp làm sở để xác định ngưỡng cảnh báo sớm điều khiển mơ hình động lực học xe khách Từ khóa: Xe khách, ngưỡng ổn định động lực học, ngưỡng cảnh báo sớm, hệ số phân bố tải trọng, phương pháp hệ nhiều vật Abstract Rollover condition is one of the worst accidents of a coach vehicle that can occur The casualties in a coach rollover are often at a high rate and severe because of the large number of passengers The rollover condition of a coach vehicle depends on the behavior of a driver, the road, the structure of vehicles The rollover of coach vehicles frequently occurs while directional maneuvering at high forward speed It is difficult to recognise the rollover risk signals, i.e the wheel lift-off, especially at high speed In this paper, a method to determine the dynamic rollover threshold of the coach vehicle is presented by using a fully dynamic model of coach vehicle based on the Multi-body System Method and Newton-Euler equations The method can be applied as a basis for determining the early warning and controlling thresholds by dynamic models of coach vehicles Keywords: Coach vehicle, dynamic rollover threshold, early warning threshold, load Transfer Ratio, Multibody System Method thể quan sát nhiên lại khó đo để làm ngưỡng điều khiển hệ thống cảnh báo chống lật ngang [2] Do vậy, cần thiết phải xác định ngưỡng điều khiển tương đương với dấu hiệu để làm đầu vào cho toán điều khiển sau Đặt vấn đề Hiện*nay, vận tải hành khách ô tơ đóng vai trị quan trọng đời sống xã hội đại Ở Việt Nam, hạ tầng giao thơng xây dựng hồn thiện Điều giúp cho phương tiện di chuyển với tốc độ cao nhằm tăng hiệu vận chuyển Tuy nhiên, điều dẫn đến tơ bị ổn định số trạng thái chuyển động phanh, quay vòng Sự ổn định xảy xe chuyển động vượt ngưỡng ổn định Có hai dạng ổn định ổn định hướng ổn định lật Xe thường bị ổn định lật ngang chuyển động với gia tốc ngang lớn đường có hệ số bám cao Quá trình lật ngang xảy nhanh, nên người lái khó có đủ thời gian để nhận biết phản ứng [1] Sự ổn định lật ngang bắt đầu có tách bánh xe bên, Fzi1=0 (Hình 1) Đây dấu hiệu có * Địa liên hệ: Tel (+84) 0968876339 Email: khanh.duongngoc@hust.edu.vn Hình Trạng thái tách bánh xe tơ 53 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 053-058 Bài báo trình bày nghiên cứu xác định ngưỡng lật ngang xe khách mơ hình động lực học Mơ hình động lực học không gian xe khách dùng để xác định dấu hiệu thông số tương đương từ xác định ngưỡng ổn định giới hạn chuyển động xe khách Kết báo đề xuất phương pháp xác định vùng ổn định chuyển động làm sở thiết kế hệ thống cảnh báo điều khiển chống lật ngang - Bánh xe xét đàn hồi đường cứng tuyệt đối; - Thân xe có khối lượng m mơ men qn tính khối lượng theo trục Jx, Jy Jz; - Các cầu xe liên kết với thân xe qua hệ thống treo gồm phần tử đàn hồi có độ cứng Cij, phần tử giảm chấn có hệ số cản Kij (i=1: cầu trước; i=2: cầu sau; j=1: bánh xe bên trái; j=2: bánh xe bên phải) 2.2 Phương trình vi phân mơ tả chuyển động Mơ hình động lực học xe khách Sử dụng phương pháp hệ nhiều vật [3,4] để xây dựng hệ phương trình mơ tả chuyển động xe khách không gian Gán hệ quy chiếu cục Cxyz vào trọng tâm khối lượng treo C (hình 2) Gọi vx, vy, vz, ωx, ωy, ωz vận tốc tức thời chuyển động khối lượng treo hệ quy chiếu cục Cxyz Hệ phương trình xác định chuyển động khối lượng treo viết sau: 2.1 Một số giả thiết xây dựng mô hình Xe khách với đặc điểm cấu trúc dạng treo phụ thuộc cho cầu trước cầu sau Mô hình thiết lập với số giả thiết sau: - Cấu trúc xe khách đối xứng qua mặt phẳng dọc thân xe; Hình Mơ hình động lực học khơng gian xe khách 54 Tạp chí Khoa học Công nghệ 145 (2020) 053-058 m( v x v y z v z y ) Fx' 11 Fx' 12 F x' 21 F x' 22 Fw x ' ' m( v y v z x v x z ) F R FR Fw y m( v z v x y v y x ) FC 11 FK 11 FC 12 FK 12 FC 21 FK 21 FC 22 FK 22 J ( J J ) ( F F z y z y C 11 K 11 FC 12 F K 12 )w ( FC 21 F K 21 FC 22 F K 22 )w x x ' ' F R ( h h R ) F R ( h h R ) Fw y ( h h w ) M T M T J ( J J ) ( F F x z x z C 11 K 11 FC 12 F K 12 )l1 ( FC 21 F K 21 FC 22 F K 22 )l y y F h ( F ' F ' )( h r ) ( F ' F ' )( h r ) x 11 x 12 bx x 21 x 22 bx wx w J z z ( J y J x ) y x FR' l1 FR' l Fw y l w ( Fx' 11 F x' 12 )w ( Fx' 21 F x' 22 )w Với cầu xe, xét chuyển động tương đối cầu trước sau với khối lượng treo dao động thẳng đứng lắc ngang Các lực liên kết dọc điểm treo bánh xe xác định với giả thiết khơng có dịch chuyển tương đối theo phương dọc cầu xe với khối lượng treo [5] Từ điều kiện cân lực mơ men cầu xe xác định nhóm lực dọc ngang từ cầu xe tác dụng lên khối lượng treo sau: Hệ phương trình với cầu viết sau: mA1vzA1 mA1(yA1vxA1 xA1vyA1 ) FCL11 FCL12 -(FC11 FC12 FK11 FK12 ) (2) xA1 (JyA1 JzA1 )yA1zA1 (FCL11 -FCL12 )b1 (FC12 FK12 -FC11 -FK11 )w1 JAx1 FR1(hR1 r1 )(Fx11 sin11 Fy11 cos11 Fx12 sin12 Fy12 cos12 )r1 MT1 ' ' Fx11 Fx12 Fx11 sin11 Fy11cos11 Fx12 sin12 Fy12cos12 mA1ax ' ' F F x21 x22 Fx21 Fx22 mA2ax F' F' JAz1zA1 (Fx12 sin12 Fy12cos12 Fx11 sin11 Fy11cos11 ) (5) x11 x12 w1 J (F F ) ' ' Az2 zA2 x22 x21 Fx21 Fx22 w2 F' F cos F sin F cos F sin m a 11 y12 12 x12 12 A1 y R1 y11 11 x11 ' FR2 Fy21 Fy22 mA2ay MTi CTi ( Ai ) Hệ phương trình với cầu viết sau: mA2vzA2 mA2(yA2vxA2 xA2vyA2 )FCL21 FCL22 (FC21 FK21 FC22 FK22 ) (3) JAx2xA2 (JyA2 JzA2 )yA2zA2 (FCL21 FCL22 )b2 (FC22 FK22 FC21 FK21 )w2 FR2(hR2 r2 )(Fyi1 Fyi2 )r2 MT2 Trong mAi JAxi khối lượng mơ men quán tính cầu thứ i; vzAi vận tốc thẳng đứng cầu thứ i (i=1: cầu trước; i=2: cầu sau); ωxAi vận tốc góc theo trục xAi cầu thứ i hệ quy chiếu cục AixAiyAizAi 2.3 Xác định ngoại lực mô men liên kết Trong ax, ay gia tốc khối lượng treo; CTi độ cứng ổn định trước sau; Để giải hệ phương trình vi phân (1), (2) (3) cần xác định tất thành phần ngoại lực vế phải Các thành phần bao gồm: lực liên kết thẳng đứng hệ thống treo (FCij, FKij); lực liên kết dọc (F’xij) điểm treo ngang (F’Ri) tâm quay tức thời; mô men ổn định; lực cản khí động Các lực Fxij, Fyij lực tương tác bánh xe với mặt đường tính theo mơ hình lốp phi tuyến với hàm mẫu Ammon hệ số bám µxmax, µxmin tùy thuộc loại đường [6] theo công thức sau: sij2 +αij2 sij Fxij (sij ,αij )= xmax F (t)f zij smax xmax sij2 +αij2 2 sij +αij αij Fyij (sij ,αij )= ymax 2 Fzij (t)g αmax ymax sij +αij Các lực liên kết thẳng đứng hệ thống treo tính theo cơng thức sau: C z Aij zij fdijn F C z z ij Aij ij Cij n C zAij zij fdij FKij Kij zAij zij fdijn z Aij zij fdijt z Aij zij f dijn (4) zAij zij f (1) (6) Đầu vào mơ hình lốp dạng hệ số trượt dọc sij góc trượt ngang αij xác định từ vận tốc dọc vxij, vận tốc ngang vyij góc quay bánh xe dẫn hướng δij [7] Tải trọng thẳng đứng bánh xe tính từ dịch chuyển theo phương thẳng đứng bánh xe (zBij) tính sau: n dij Trong đó: zAij, zij dịch chuyển theo phương thẳng đứng điểm treo tính từ quan hệ hình học từ dịch chuyển, góc lắc dọc, lắc ngang trọng tâm khối lượng treo (z, φ, β) cầu xe (zAi, βAi) 55 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 053-058 Fzijt CLij hij - zBij hij - z Bij 0 CLij FCLij Fzijt t F h z 0 ij Bij zij CLij t Fzij FCLij Fzij LTR=1, bánh xe bên trái tách khỏi mặt đường, xe bị ổn định lật ngang [2] (7) Kết đánh giá Mô động lực học chuyển động xe khách phần mềm Matlab-Simulink với thông số xe khách County HD 29E3 [8] theo bảng Quy luật đánh lái dạng mở hình cho góc quay bánh xe dẫn hướng bên trái δ11 đề xuất để khảo sát tính tốn với hệ số bám lớn µxmax 0,8 mức vận tốc chuyển động từ 55 đến 65 km/h với bước vận tốc khảo sát km/h Kết đồ thị thông số chuyển động đặc trưng miền thời gian số mức vận tốc thể từ hình đến hình Với mức vận tốc thấp xe chuyển động ổn định Với mức vận tốc cao xe bị lật ngang với dấu hiệu tăng nhanh góc lắc ngang (xem hình 4) giảm nhanh gia tốc ngang (xem hình 5) đạt đến hệ số phân bố tải trọng LTR (xem hình 6) Biểu diễn mối quan hệ thơng số theo hình (v=58 km/h, xe khơng bị lật ngang) hình (v=61 km/h, xe bị lật ngang) Các lực cản khí động theo phương dọc Fwx ngang xe Fwy tính từ diện tích cản hệ số cản khí động tương ứng với loại xe khách [4] 2.4 Dấu hiệu lật ngang Hệ số phân bố tải trọng LTR [1,7] sử dụng để xác định trạng thái ổn định lật ngang xe khách LTR tính theo công thức sau: F zi LTR Fzi1 i 1 (8) Fzi Fzi1 i 1 Trong Fzij tải trọng động đặt bánh xe tương ứng tính theo cơng thức (7) Khi Bảng Các thông số xe khách County HD 29E3 TT 10 11 12 13 14 15 16 Thơng số Kích thước bao Vết bánh xe trước/sau Khoảng cách điểm treo nhíp trước sau Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước; sau Chiều cao trọng tâm khối lượng treo Khối lượng treo Khối lượng không treo trước sau Mơ men qn tính theo trục x khối lượng treo Mơ men qn tính theo trục y khối lượng treo Mô men quán tính theo trục z khối lượng treo Mơ men qn tính theo trục x cầu xe trước sau Mơ men qn tính theo trục x cầu xe trước sau Độ cứng hệ thống treo trước sau Hệ số cản hệ thống treo trước sau Độ cứng lốp trước sau Loại lốp Hình Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng δ11 Ký hiệu Giá trị DxRxC(m) 7,06x2,08x2,75 2b1;2b2(m) 1,705/1,495 2w1; 2w2(m) 0,6; 0,68 l1, l2 (m) 2,4; 1,685 h (m) 1,4 m (kg) 5394 mA1; mA2 (kg) 266; 427 Jx (kgm2) 4335,3 Jy (kgm2) 24906 Jz (kgm ) 24185 JAx1; JAx2 (kgm ) 220; 305 JAz1; JAz2 (kgm2) 220; 305 C1j; C2j(N/m) 193844; 177013 K1j, K2j (Ns/m) 7733; 9804 CL1j, CL2j(N/m) 493211;986422 7.00R16 Hình Đồ thị góc lắc ngang β 56 Tạp chí Khoa học Công nghệ 145 (2020) 053-058 Khi xe bị lật ngang, theo quy luật góc quay bánh xe dẫn hướng gia tốc ngang tăng đến giá trị lớn sau bị giảm xe bị lắc ngang Góc lắc ngang lớn gia tốc ngang giảm Với trường hợp vận tốc xe 61 km/h, gia tốc ngang góc lắc ngang 28,75 độ ứng với trạng thái trọng tâm xe bắt đầu vượt khỏi vết bên phải xe, trạng thái lật hoàn toàn bắt đầu diễn (Absolute Rollover Condition) [9] Tương ứng với tăng giá trị LTR đạt góc lắc ngang 7,18 độ Tổng hợp giá trị lớn ay LTR theo trường hợp khảo sát vận tốc khác thu giá trị theo Bảng đồ thị hình Hình Đồ thị gia tốc ngang ay Bảng Giá trị aymax LTRmax Hình Đồ thị hệ số phân bố tải trọng LTR v (km/h) LTRmax aymax(m/s2) Trạng thái 55 0,892 4,020 Ổn định 56 0,911 4,103 Ổn định 57 0,923 4,200 Ổn định 58 0,941 4,272 Ổn định 59 0,960 4,330 Ổn định 60 0,985 4,428 Ổn định 61 4,504 Lật ngang 62 4,612 Lật ngang 63 4,674 Lật ngang 64 4,713 Lật ngang 65 4,732 Lật ngang Hình Đồ thị dấu hiệu lật ngang theo góc lắc ngang β v = 58 km/h Hình Đồ thị xác định ngưỡng lật ngang Từ kết ta nhận thấy, vận tốc khảo sát tăng giá trị lớn gia tốc ngang ay hệ số phân bố tải trọng LTR tăng dần Ở vận tốc v=61 km/h (điểm C) tương ứng với vận tốc nhỏ để LTR (điểm A) aymax 4,428 m/s2 (điểm B) Khi vận tốc tăng giá trị aymax tăng Như vậy, nhận thấy giá trị gia tốc ngang vận tốc 61 km/h ngưỡng ổn định lật ngang vận tốc giới hạn (limit Hình Đồ thị dấu hiệu lật ngang theo góc lắc ngang β v = 61 km/h 57 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 053-058 velocity) Vùng vận tốc lớn 61 km/h vùng bị ổn định lật ngang quy luật góc quay bánh xe dẫn hướng xác định (xem hình 9) Tài liệu tham khảo [1] Tạ Tuấn Hưng, Võ Văn Hường, Dương Ngọc Khánh, Nghiên cứu ổn định lật ngang xe khách đường cao tốc Việt Nam, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 10-2018, Hà Nội (2018) Kết luận Bài báo trình bày phương pháp xác định ngưỡng ổn định lật ngang mơ hình động lực học Mơ hình thiết lập sử dụng để tính tốn dấu hiệu lật ngang thông số ngưỡng tương ứng Khảo sát ổn định lật ngang xe khách với mức vận tốc từ 55 km/h đến 65 km/h Từ đó, xác định ngưỡng ổn định lật ngang 4,428 m/s2 thông số gia tốc ngang xác định vận tốc giới hạn 61 km/h với vùng ổn định lật ngang tương ứng Với phương pháp này, xác định ngưỡng ổn định lật ngang thông số tương đương khác làm sở để thiết kế hệ thống cảnh báo cho xe [2] Tạ Tuấn Hưng, Nguyễn Minh Tú, Nghiên cứu xác định dấu hiệu lật ngang động lực học xe khách, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 12-2019, Hà Nội (2012) [3] M Blundell, D Harty, Multibody Systems Approach to Vehicle Dynamics 2nd edn ButterworthHeinemann Elsevier Ltd (2015) [4] D Schramm, M Hiller, R Bardini, Vehicle Dynamics Modeling and Simulation, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany (2014) [5] Trần Phúc Hòa, Nghiên cứu độ bền vỏ cầu chủ động ô tô tải nhỏ sản xuất, lắp ráp Việt Nam, LATS Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội (2017) [6] D Ammon, Modellbildung und Systementwicklung in der Fahrzeugtechink, BG Teubner Stuttgart (2013) [7] R Rajamani, Vehicle Dynamics and Control, Springer New York (2012) [8] Trần Thanh An, Nghiên cứu tối ưu thông số hệ thống treo ô tô khách sử dụng Việt Nam, LATS Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật quân (2012) [9] P.J Liu Analysis, Detection and Early Warning Control of Dynamic Rollover of Heavy Freight Vehicles Concordia University Montreal Canada (1999) 58 ... đó, xác định ngưỡng ổn định lật ngang 4,428 m/s2 thông số gia tốc ngang xác định vận tốc giới hạn 61 km/h với vùng ổn định lật ngang tương ứng Với phương pháp này, xác định ngưỡng ổn định lật ngang. .. 4,020 Ổn định 56 0,911 4,103 Ổn định 57 0,923 4,200 Ổn định 58 0,941 4,272 Ổn định 59 0,960 4,330 Ổn định 60 0,985 4,428 Ổn định 61 4,504 Lật ngang 62 4,612 Lật ngang 63 4,674 Lật ngang 64 4,713 Lật. .. trình bày nghiên cứu xác định ngưỡng lật ngang xe khách mơ hình động lực học Mơ hình động lực học khơng gian xe khách dùng để xác định dấu hiệu thông số tương đương từ xác định ngưỡng ổn định giới