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

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 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 luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2017

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và tập thể hướng

dẫn Các phương pháp, số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng

được công bố trong các công trình nào khác!

Hà Nội, ngày 07 tháng 02 năm 2017

Người hướng dẫn khoa học 1

LỜI CẢM ƠN

NCS xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng đã cho phép thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về việc hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tập thể hướng dẫn là PGS.TS Võ Văn Hường và PGS.TS Nguyễn Phú Hùng – Những người hướng dẫn khoa học – đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và phương pháp giải quyết các vấn

đề cụ thể đặt ra, giúp thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi vô cùng biết ơn quí Thầy, Cô trong bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Viện cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, luôn giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất

để hoàn thành luận án này

Xin cảm ơn Ban Giám hiệu và quí Thầy Cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và nghiên cứu NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quí Thầy tham dự hội thảo, quí Thầy phản biện, quí Thầy trong Hội đồng chấm luận án đã đóng góp các ý kiến quý báu để hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên, khuyến khích, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thanh Tùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Xu thế phát triển ĐXSMRM và tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 4

1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong và ngoài nước 7

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 7

1.2.2 Tình hình nghiên cứu của thế giới 9

1.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài 12

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 12

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu 12

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 13

1.4 Nội dung nghiên cứu và cấu trúc luận án 15

1.4.1 Nội dung nghiên cứu 15

1.4.2 Giới hạn của đề tài 15

1.4.3 Bố cục luận án 15

1.5 Tóm tắt chương 1 16

Chương 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHANH 17

ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC 17

2.1 Phân tích cấu trúc ĐXSMRM và giả thiết khi lập mô hình 17

2.2 Phương pháp lập mô hình 19

2.2.1 Định nghĩa hệ tọa độ cho ĐXSMRM 19

2.2.2 Lực và mô men tác dụng lên ĐXSMRM 22

2.3 Phương trình động lực học ĐXSMRM trong mặt phẳng đường (OXY) 24

2.3.1 Phương trình động lực học XĐK trong mặt phẳng đường (OXY) 24

2.3.2 Phương trình động lực học SMRM trong mặt phẳng đường (OXY) 25

2.4 Phương trình động lực học khối lượng được treo ĐXSMRM phương thẳng đứng 26

2.4.1 Phương trình động lực học XĐK phương thẳng đứng 26

2.4.2 Động lực học SMRM phương thẳng đứng 28

2.5 Phương trình động lực học ngang ĐXSMRM 30

2.5.1 Phương trình động lực học ngang XĐK 30

2.5.2 Phương trình động lực học ngang SMRM 31

2.6 Phương trình động lực học bánh xe 33

2.7 Xác định các lực và mô men liên kết 35

2.7.1 Lực liên kết của hệ thống treo 35

2.7.2 Tính các lực và mô men liên kết tại khớp yên ngựa (mâm xoay) 40

2.7.3 Tính lực liên kết lốp-đường tại tâm vết tiếp xúc bánh xe 41

2.8 Kết luận chương 2 45

Chương 3 KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC PHANH 47

ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC 47

3.1 Phương pháp giải hệ phương trình động lực học phanh ĐXSMRM 47

3.1.1 Hàm điều khiển của lái xe 48

3.1.2 Giá trị đầu vào của các phương trình vi phân 49

3.2 Cấu trúc chương trình mô phỏng động lực học ĐXSMRM 50

3.3 Khảo sát hiệu quả phanh ĐXSMRM 54

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của hệ số bám đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng 54

3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng 63

3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc bắt đầu phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng 72

3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường vòng 80

3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của lệch phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường vòng 89

3.4 Giải pháp nâng cao hiệu quả phanh ĐXSMRM nhằm giảm thiểu tai nạn giao thông 99

3.5 Kết luận chương 3 100

+ Đã khảo sát 12 phương án xét ảnh hưởng của hệ số bám, vận tốc phanh ban đầu, cường độ phanh đến phản ứng của ĐXSMRM thông qua gia tốc phanh, hệ số sử dụng trọng lượng bám và thông số ổn định phanh như hệ số trượt, hệ số tải trọng động Các phương án đã khảo sát: 100

Chương 4 102

THÍ NGHIỆM PHANH ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC 102

4.1 Mục tiêu và đối tượng thí nghiệm 102

4.1.1 Mục tiêu thí nghiệm 102

4.1.2 Đối tượng thí nghiệm 102

4.2 Xác định hàm hệ số bám của bánh xe làm thông số đầu vào cho mô hình khảo sát 103 4.2.1 Xác định phản lực Fz 103

4.2.2 Xác định lực tiếp tuyến Fx 104

4.2.3 Xác định hệ số bám dọc 105

4.3 Thiết bị thí nghiệm phanh ĐXSMRM 107

4.3.1 Cảm biến đo lực kéo Loadcell ZSGB-A-30T 108

4.3.2 Cảm biến đo gia tốc đứng thân xe và cầu xe MMA7361LC-XYZ AXIS 109

4.3.3 Cảm biến đo số vòng quay bánh xe SHARP Rotary Encoder 110

4.3.4 Bộ thu nhận và xử lý tín hiệu NI (National Instruments) 111

4.4 Qui trình thí nghiệm 111

4.4.1 Công việc chuẩn bị 111

4.4.2 Lắp đặt cảm biến và thiết bị thí nghiệm 113

4.4.3 Quá trình thí nghiệm 114

4.5 Kết quả thí nghiệm 116

4.6 Kiểm chứng mô hình 117

4.7 Tính sai số giữa thí nghiệm và mô phỏng 119

4.8 Kết luận chương 4 119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121

1 Kết quả đạt được và đóng góp mới của luận án 121

1.1 Các kết quả đã đạt được 121

1.2 Về phương pháp 122

2 Ý nghĩa thực tiễn 122

3 Hướng nghiên cứu tiếp theo 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH 128

ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 128

PHỤ LỤC 1

1 Phụ lục 1: Thông số đầu vào khảo sát của ĐXSMRM 1

2 Phụ lục 2: Kết quả cân khối lượng ĐXSMRM thí nghiệm 3

3 Phụ lục 3: Kết quả thí nghiệm phanh ĐXSMRM trên đường khô ở 50 Km/h (t=16÷18,5s) 3

4 Phụ lục 4: Kết quả thí nghiệm phanh ĐXSMRM trên đường ướt ở 50 Km/h (t=17÷20s) 5

5 Phụ lục 5: Kết quả khảo sát hiệu quả phanh ĐXSMRM 6

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của hệ số bám đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng 6

3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng 12

3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc bắt đầu phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường thẳng 18

3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường vòng 26

3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của chậm phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường vòng 36

3.3.6 Khảo sát ảnh hưởng của nhanh phanh đến hiệu quả phanh ĐXSMRM trên đường vòng 46

6 Phụ lục 6 Tính sai số giữa thí nghiệm và mô phỏng 56

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ĐXSMRM Đoàn xe sơ mi rơ moóc (Tractor Semi-trailer)

B(Cxyz) Hệ tọa độ vật hoặc hệ tọa độ cục bộ B

MBS Hệ nhiều vật (Multi Body System)

ABS Hệ thống phanh chống bó cứng bánh xe (Anti-lock Brake

System) TCS Hệ thống điều khiển lực kéo (Traction Control System) EPB Hệ thống phanh khí nén điều khiển bằng điện tử

(Electronic Pneumatic Brake) ESP Điều khiển ổn định điện tử (Electronic Stability Programe)

i Số cầu của đoàn xe sơ mi rơ moóc, i = 1÷6

j j = 1 bánh xe bên trái, j = 2 bánh xe bên phải; j = 1÷2

x y z m Chuyển vị SMRM trong hệ tọa độ cục bộ B(C2xc2yc2zc2)

l1 m Khoảng cách từ cầu 1 đến trọng tâm XĐK

l2 m Khoảng cách từ cầu 2 đến trọng tâm XĐK

l3 m Khoảng cách từ cầu 3 đến trọng tâm XĐK

lk1 m Khoảng cách từ tâm khớp yên ngựa đến trọng tâm XĐK

hc1 m Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm XĐK

l4 m Khoảng cách từ cầu 4 đến trọng tâm SMRM

l5 m Khoảng cách từ cầu 5 đến trọng tâm SMRM

l6 m Khoảng cách từ cầu 6 đến trọng tâm SMRM

lk2 m Khoảng cách từ tâm chốt kéo đến trọng tâm SMRM

hc2 m Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm SMRM

hk1 m Chiều cao từ mặt đường đến tâm khớp yên ngựa

hk2 m Chiều cao từ mặt đường đến tâm chốt kéo

hBi m Chiều cao từ mặt đường đến điểm đặt lực liên kết ngang

giữa khối lượng được treo và không được treo cầu thứ i 2bi m Vết bánh xe cầu thứ i

2wi m Khoảng cách hai chốt nhíp cầu thứ i

s xij Hệ số trượt dọc của bánh xe thứ ij

xij , yij Hệ số bám dọc, hệ số bám ngang của bánh xe thứ ij

y,max , y,min Hệ số bám ngang lớn nhất và nhỏ nhất của bánh xe

1j, 2j, 3j

   Độ Góc quay thanh cân bằng dọc 1, 2, 3 của hệ thống treo

x ij , y ij Tọa độ tâm vết tiếp xúc bánh xe thứ ij

z z m Chuyển vị phương thẳng đứng tâm khớp yên ngựa

z ij m Chuyển vị phương thẳng đứng của đầu trên hệ thống treo

bánh xe thứ ij

ij m Chuyển vị phương thẳng đứng của đầu dưới hệ thống treo

bánh xe thứ ij

h ij m Biên độ mấp mô mặt đường của bánh xe thứ ij

e xij m Khoảng dịch chuyển phương dọc của phản lực thẳng đứng

tác dụng lên bánh xe thứ ij

e yij m Khoảng dịch chuyển phương ngang của phản lực thẳng

đứng tác dụng lên bánh xe thứ ij

c m Chiều dài thanh cân bằng dọc của hệ thống treo

m c1 , m c2 kg Khối lượng được treo XĐK và SMRM

M c1 , M c2 kg Khối lượng XĐK và SMRM

m Ai kg Khối lượng không được treo cầu thứ i

m k kg Khối lượng xe kéo ĐXSMRM thí nghiệm

xk

 m/s2 Gia tốc phương dọc xe kéo ĐXSMRM thí nghiệm

F Rk N Lực cản lăn xe kéo ĐXSMRM thí nghiệm

F wxk N Lực cản không khí phương x xe kéo ĐXSMRM thí nghiệm

F mk N Lực tại móc kéo của xe kéo ĐXSMRM thí nghiệm

F k N Lực kéo của xe kéo ĐXSMRM thí nghiệm

J y1 , J y2 kgm2 Mô men quán tính trục y khối lượng được treo XĐK và

SMRM

J y11 , J y12 kgm2 Mô men quán tính trục y thanh cân bằng dọc số 1 của hệ

thống treo bên trái và bên phải

J y21 , J y22 kgm2 Mô men quán tính trục y thanh cân bằng dọc số 2 của hệ

thống treo bên trái và bên phải

J y31 , J y32 kgm2 Mô men quán tính trục y thanh cân bằng dọc số 3 của hệ

thống treo bên trái và bên phải

F Cij N Lực đàn hồi của hệ thống treo bánh xe thứ ij

F Kij N Lực cản của hệ thống treo bánh xe thứ ij

F kx , F ky , F kz N Phản lực tại chốt kéo phương x, y, z

A x , A y m2 Diện tích cản không khí phương x, y

C wx , C wy Hệ số khí động của không khí phương x, y

M Aij Nm Mô men chủ động bánh xe thứ ij

M Bij Nm Mô men phanh bánh xe thứ ij

M xc1 , M yc1 , M zc1 Nm Tổng mô men tác dụng lên XĐK qui về trọng tâm C1

F i N Lực liên kết ngang giữa khối lượng được treo và không

được treo cầu thứ i

r dij m Bán kính động của lốp thứ ij ; rdij  r0ij - ( hij - ij)

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các loại đoàn xe của Mỹ [30] 4

Hình 1.2 Các loại đoàn xe theo DAF [27] 4

Hình 1.3 Các loại đoàn xe phức hợp [16] 5

Hình 1.4 Các loại đoàn xe theo tiêu chuẩn Việt Nam [12] 6

Hình 1.5 Đoàn xe SMRM nghiên cứu [48] 12

Hình 1.6 Cấu trúc các dạng mô hình [36] 14

Hình 2.1 Khối lượng đoàn xe sơ mi rơ mooóc 18

Hình 2.2 Hệ tọa độ cố định, cục bộ và quy dẫn của ĐXSMRM 21

Hình 2.3 Ngoại lực tác dụng lên ĐXSMRM 23

Hình 2.4 Sơ đồ động lực học XĐK trong mặt phẳng đường 25

Hình 2.5 Sơ đồ động lực học SMRM trong mặt phẳng đường 26

Hình 2.6 Sơ đồ động lực học XĐK phương thẳng đứng 27

Hình 2.7 Sơ đồ động lực học SMRM phương thẳng đứng 29

Hình 2.8 Sơ đồ động lực học ngang XĐK 31

Hình 2.9 Sơ đồ động lực học ngang SMRM 32

Hình 2.10 Sơ đồ động lực học bánh xe 35

Hình 2.11 Mô hình hệ thống treo 35

Hình 2.12 Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo nhíp [13] 35

Hình 2.13 Động lực học thanh cân bằng dọc của cầu 2,3 36

Hình 2.14 Động lực học thanh cân bằng dọc của cầu 4,5,6 37

Hình 2.15 Quan hệ hình học theo phương z của xe đầu kéo 38

Hình 2.16 Quan hệ hình học theo phương z của SMRM 39

Hình 2.17 Quan hệ hình học theo phương z của cầu xe 40

Hình 2.18 Sơ đồ động học khớp yên ngựa 40

Hình 2.19 Lực liên kết tại khớp yên ngựa của ĐXSMRM 41

Hình 2.20 Sơ đồ lực liên kết lốp-đường 41

Hình 2.21 Sơ đồ tính lực liên kết lốp-đường theo Ammon [13] 45

Hình 3.1 Góc quay vô lăng 48

Hình 3.2 Mô men đầu vào khảo sát 49

Hình 3.3 Cấu trúc chương trình mô phỏng 53

Hình 3.4 Gia tốc và quãng đường phanh trên 6 loại đường ở 60km/h 55

Hình 3.5 Đồ thị hệ số tải trong động của ĐXSMRM trên 6 loại đường ở 60km/h 56

Hình 3.6 Đồ thị hệ số tận dụng bám của ĐXSMRM trên 6 loại đường ở 60km/h 57

Hình 3.7 Đồ thị hệ số trượt trên 6 loại đường ở vận tốc 60km/h 58

Hình 3.8 Đồ thị gia tốc và quãng đường phanh ĐXSMRM trên 6 loại đường ở 80km/h 60

Hình 3.9 Đồ thị hệ số tải trong động của ĐXSMRM trên 6 loại đường ở 80km/h 61

Hình 3.10 Đồ thị hệ số tận dụng bám của ĐXSMRM trên 6 loại đường ở 80km/h 62

Hình 3.11 Đồ thị hệ số trượt của ĐXSMRM trên 6 loại đường ở vận tốc 80km/h 62

Hình 3.12 Đồ thị gia tốc và quãng đường phanh ĐXSMRM với 6 mức phanh ở 60km/h 64

Hình 3.13 Đồ thị tải trong động của ĐXSMRM với 6 mức phanh ở 60km/h 65

Hình 3.14 Đồ thị hệ số tận dụng bám của ĐXSMRM với 6 mức phanh ở 60km/h 66

Hình 3.15 Đồ thị hệ số trượt của ĐXSMRM với 6 mức phanh ở 60km/h 67

Hình 3.16 Đồ thị gia tốc và quãng đường phanh ĐXSMRM với 6 mức phanh ở 80km/h 68

Hình 3.17 Đồ thị tải trong động của ĐXSMRM với 6 mức phanh ở 80km/h 69

Hình 3.18 Đồ thị hệ số tận dụng bám của ĐXSMRM với 6 mức phanh ở 80km/h 70

Hình 3.19 Đồ thị hệ số trượt của ĐXSMRM với 6 mức phanh ở 80km/h 71

Hình 3.20 Gia tốc và quãng đường phanh ứng với các vận tốc khác trên đường 0,8 72

Hình 3.21 Tải trọng động của ĐXSMRM ứng với các vận tốc khác nhau trên đường 0,8 74 Hình 3.22 Hệ số tận dụng bám của ĐXSMRM ứng với các vận tốc khác nhau trên đường

0,8 74

Hình 3.23 Hệ số trượt của ĐXSMRM ứng với các vận tốc khác nhau trên đường 0,8 75

Hình 3.24 Gia tốc và quãng đường phanh ứng với các vận tốc khác trên đường 0,6 76

Hình 3.25 Tải trọng động của ĐXSMRM ứng với các vận tốc khác nhau trên đường 0,6 78 Hình 3.26 Hệ số tận dụng bám của ĐXSMRM ứng với các vận tốc khác nhau trên đường 0,6 78

Hình 3.27 Hệ số trượt của ĐXSMRM ứng với các vận tốc khác nhau trên đường 0,6 79

Hình 3.28 Thông số hiệu quả phanh ứng với 6 mức phanh trong đường vòng xmax =0,8 81

Hình 3.29 Tải trọng động ứng với 6 mức phanh trong đường vòng xmax =0,8 82

Hình 3.30 Hệ số tận dụng bám ứng với 6 mức phanh trong đường vòng xmax =0,8 83

Hình 3.31 Hệ số trượt của ĐXSMRM với 6 mức phanh trong đường vòng xmax =0,8 84

Hình 3.32 Thông số hiệu quả phanh ứng với 6 mức phanh trong đường vòng xmax =0,6 85

Hình 3.33 Hệ số tải trọng động ứng với 6 mức phanh trong đường vòng xmax =0,6 86

Hình 3.34 Hệ số tận dụng bám ứng với 6 mức phanh trong đường vòng xmax =0,6 87

Hình 3.35 Hệ số trượt của ĐXSMRM ứng với 6 mức phanh trong đường vòng xmax =0,6 88 Hình 3.36 Hiệu quả phanh ứng với 6 mức thời gian chậm tác dụng vào cơ cấu phanh

SMRM so với XĐK trong đường vòng xmax =0,8 90

Hình 3.37 Hệ số tải trong động ứng với 6 mức thời gian chậm tác dụng vào cơ cấu phanh

SMRM so với XĐK trong đường vòng xmax =0,8 91

Hình 3.38 Hệ số tận dụng bám ứng với 6 mức thời gian chậm tác dụng vào cơ cấu phanh

SMRM so với XĐK trong đường vòng xmax =0,8 92

Hình 3.39 Hệ số trượt của ĐXSMRM ứng với 6 mức thời gian chậm tác dụng vào cơ cấu phanh SMRM so với XĐK trong đường vòng xmax =0,8 93

Hình 3.40 Hiệu quả phanh ứng với 6 mức thời gian nhanh tác dụng vào cơ cấu phanh SMRM so với XĐK trong đường vòng xmax =0,8 94

Hình 3.41 Hệ số tải trong động ứng với 6 mức thời gian nhanh tác dụng vào cơ cấu phanh SMRM so với XĐK trong đường vòng xmax =0,8 96

Hình 3.42 Hệ số tận dụng bám ứng với 6 mức thời gian nhanh tác dụng vào cơ cấu phanh SMRM so với XĐK trong đường vòng xmax =0,8 97

Hình 3.43 Hệ số trượt của ĐXSMRM ứng với 6 mức thời gian nhanh tác dụng vào cơ cấu phanh SMRM so với XĐK trong đường vòng xmax =0,8 98

Hình 4.1 Kích thước ĐXSMRM thí nghiệm 103

Hình 4.2 Lực tác dụng lên ô tô theo phương thẳng đứng 104

Hình 4.3 Sơ đồ lắp đặt cảm biến trên ĐXSMRM thí nghiệm 106

Hình 4.4 Sơ đồ xác định hàm hệ số bám của bánh xe 107

Hình 4.5 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đo hàm hệ số bám của bánh xe 108

Hình 4.6 Cảm biến Loadcell ZSGB-A-30T 108

Hình 4.7 Đồ gá và cảm biến loadcell ZSGB-A-30T 109

Hình 4.8 Cấu tạo cảm biến đo gia tốc 109

Hình 4.9 Cấu tạo cảm biến đo số vòng quay bánh xe Encoder 110

Hình 4.10 Đồ gá cảm biến đo số vòng quay bánh xe 110

Hình 4.11 Sơ đồ khối bộ thu nhận và xử lý tín hiệu NI 111

Hình 4.12 Xe kéo và ĐXSMRM thí nghiệm 112

Hình 4.13 Lắp đặt cảm biến vận tốc góc bánh xe cầu 5 và cầu 6 113

Hình 4.14 Lắp đặt cảm biến đo lực dọc ĐXSMRM 113

Hình 4.15 Sơ đồ đấu dây cảm biến và thiết bị đo 114

Hình 4.16 Cân khối lượng cầu xe 115

Hình 4.17 Xe tưới tạo đường ướt 116

Hình 4.18 Hàm hệ số bám của bánh xe khi phanh trên đường khô tại 50km/h 117

Hình 4.19 Hàm hệ số bám của bánh xe khi phanh trên đường ướt tại 50km/h 117

Hình 4.20 Lực phanh bánh xe 62 trên đường khô tại 50km/h 118

Hình 4.21 Phản lực thẳng đứng bánh xe 62 khi phanh trên đường khô tại 50km/h 118

Hình 4.22 Sai lệch giữa kết quả thí nghiệm và mô phỏng 119

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) ngày càng phát triển để phục vụ cho việc vận chuyển hàng hóa, máy móc, thiết bị Đoàn xe SMRM có thể vận chuyển được những hàng hóa có kích thước và khối lượng lớn, công suất vận chuyển cao, chi phí vận chuyển thấp, ít tiêu hao nhiên liệu, giảm lượng khí thải, góp phần giảm ùn tắc giao thông và giảm ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, việc phát triển ĐXSMRM cũng kéo theo nhiều hệ lụy cho xã hội cần phải khắc phục như: ĐXSMRM làm cầu đường mau bị hư hỏng; ĐXSMRM dễ mất ổn định và gây nhiều tai nạn giao thông Qua nghiên cứu thấy rằng các vụ tai nạn giao thông do ĐXSMRM gây

ra thường có liên quan đến hiệu quả phanh và kỹ thuật điều khiển của lái xe, nhất là khi chạy trên đường có hệ số bám thấp hoặc phanh trong đường vòng [23] Tai nạn giao thông

do ĐXSMRM gây ra được xã hội rất quan tâm nhưng ở Việt Nam chưa có nhiều công trình nghiên cứu về nó Hiện nay, ở Việt Nam chưa có công trình nào nghiên cứu về hiệu quả phanh ĐXSMRM Để góp phần cùng với xã hội làm giảm tai nạn giao thông, đặc biệt là tai

nạn giao thông do các ĐXSMRM gây ra 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” được chọn để nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đạt được là đã xây dựng mô hình và mô phỏng động lực học phanh ĐXSMRM khá gần với điều kiện thực, có thể khảo sát và mô phỏng các trạng thái

phanh ĐXSMRM khi cho trước các hàm điều khiển của lái xe như mô men chủ động, mô men phanh, góc quay vô lăng ở các trạng thái đường có hệ số bám khác nhau cũng như các yếu tố ảnh hưởng khác Trong luận án cũng trình bày phương pháp đo và xây dựng hệ thống thí nghiệm phanh ĐXSMRM Hiệu quả phanh ĐXSMRM được đánh giá qua 2 thông số là gia tốc phanh, và ổn định phanh thể hiện qua sự trượt bánh xe, cũng như góc lệch trục dọc giữa XĐK và SMRM Mô hình cho phép khảo sát ảnh hưởng của tác động điều khiển xe như cường độ phanh, góc quay vô lăng cũng như hệ số bám đến hiệu quả phanh ĐXSMRM

Đối tượng nghiên cứu là ĐXSMRM 6 cầu chuyên dùng để chở container 40 feet, đây

là một loại xe được sử dụng rất nhiều hiện nay ở Việt Nam Đoàn xe SMRM có hai thân, được nối với nhau bằng mâm xoay (khớp yên ngựa)

Hiệu quả phanh ĐXSMRM được nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm động lực học phanh, không nghiên cứu sâu về kết cấu và vật liệu của hệ thống phanh cũng như không nghiên cứu phản ứng của hệ thống phanh từ bàn đạp đến cơ cấu phanh

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hiện nay, nhiều ĐXSMRM của nước ngoài được nhập vào Việt Nam Một số công

ty trong nước cũng tham gia chế tạo, lắp ráp ĐXSMRM theo thiết kế và dây chuyền sản xuất của nước ngoài Hầu hết các ĐXSMRM được chế tạo và lưu hành ở Việt Nam đều theo tiêu chuẩn đường sá của nước ngoài Đường sá của Việt Nam làm chưa đủ chuẩn, khí hậu lại ẩm ướt quanh năm, xe ở Việt Nam thường xuyên chở quá tải nên ĐXSMRM ở Việt Nam thường dễ mất ổn định và gây tai nạn giao thông 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 - ISO 7634:2007, TCVN 10536:2014 - ISO 14792:2011, TCVN 10537: 2014 - ISO 14793:2011 [12], ISO 14794:

2011 [24] và tiêu chuẩn Châu Âu ECE-R13 [33]

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 của luận án 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 và khai thác ĐXSMRM, luận án cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thuật và học viên ngành công nghệ ô tô Xa hơn, mô hình và kết quả mô phỏng có thể áp dụng khi nghiên cứu thiết kế phân bố mô men phanh lý tưởng và mô phỏng hệ thống phanh khí có trang bị ABS vốn chưa được phát triển [52]

Điểm mới của luận án

Đoàn xe SMRM là một hệ nhiều vật, cấu trúc phức tạp nên luận án sử dụng phương pháp tách cấu trúc để thiết lập mô hình, phương pháp này cho phép mô đun hoá các phần

tử trong cơ hệ, dễ dàng thay đổi cấu trúc và đặc tính cụm, dễ thực hiện và phù hợp với tư duy mô phỏng trên máy tính Dựa trên phương pháp tách cấu trúc và sử dụng phương trình Newton-Euler để thiết lập hệ phương trình động lực học phanh ĐXSMRM 6 cầu gồm 42 phương trình

Điểm mới của 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 Với phương pháp này có thể lập mô hình động lực học phanh ĐXSMRM 6 cầu và cho các loại xe tương tự khác Lần đầu tiên một

hệ thống thí nghiệm động lực học phanh được trình bày ở Việt Nam, có thể xác định được hàm hệ số bám x(sx) làm thông số đầu vào cho mô hình khảo sát và mở rộng để khảo sát động lực học phanh đoàn xe

Cấu trúc của luận án

Luận án tổng cộng có 125 trang bao gồm phần mở đầu (03 trang); Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu (13 trang); Chương 2: Mô hình động lực học phanh ĐXSMRM (30 trang); Chương 3: Khảo sát động lực học phanh ĐXSMRM (56 trang); Chương 4: Thí nghiệm phanh ĐXSMRM (20 trang); Kết luận và kiến nghị (03 trang); Tài liệu tham khảo (52 tài liệu); Danh mục công trình đã công bố của luận án (09 công trình); luận án có 92 hình và đồ thị, 06 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

Đoàn xe là một tổ hợp của nhiều xe đơn được nối với nhau bằng khớp quay Hiện nay trên thế giới có rất nhiều dạng đoàn xe như xe kéo một hay nhiều rơ moóc đơn hoặc xe kéo SMRM kéo theo một số rơ moóc độc lập

Theo phân loại của Mỹ [30], đoàn xe được chia thành hai nhóm cơ bản như:

- Đoàn xe SMRM (hình 1.1a): loại 3 cầu, 4 cầu, 5 cầu, 6 cầu

- Đoàn xe SMRM kéo rơ moóc (hình 1.1b): loại 1 rơ moóc, 2 rơ moóc

a) b) Hình 1.1 Các loại đoàn xe của Mỹ [30]

Theo phân loại của DAF [27] có các loại đoàn xe cơ bản như sau:

- Xe đầu kéo (hình 1.2A);

Ngoài ra, để nâng cao công suất vận tải, theo [16] người ta kết hợp các loại cơ bản trên thành đoàn xe phức hợp như:

- Xe tải 4 cầu kéo rơ moóc 3 cầu (Hình 1.3A);

- Xe tải 3 cầu kéo rơ moóc 5 cầu (Hình 1.3B);

- Xe tải 3 cầu kéo 2 rơ moóc cầu trung tâm (Hình 1.3C);

- Xe tải 4 cầu kéo rơ moóc cầu trung tâm (Hình 1.3D);

- Đoàn xe SMRM kéo rơ moóc cầu trung tâm (Hình 1.3E);

- Đoàn xe SMRM kéo rơ moóc nhiều cầu (Hình 1.3F)

- Rơ moóc kiểu caravan (hình 1.4C): Được thiết kế để làm nhà ở lưu động;

- Sơ mi rơ moóc chở khách (hình 1.4D);

- Sơ mi rơ moóc chở hàng (hình 1.4E);

- Tổ hợp ô tô - rơ moóc chở hàng (hình 1.4F);

- Tổ hợp ô tô - rơ moóc chở khách (hình 1.4G);

- Đoàn xe sơ mi rơ moóc (hình 1.4H);

- Đoàn xe sơ mi rơ moóc kéo rơ moóc (hình 1.4K)

Hình 1.4 Các loại đoàn xe theo tiêu chuẩn Việt Nam [12]

Hiện nay, trên thế giới đang có nhu cầu tăng cường vận tải bằng đoàn xe để tận dụng những hạ tầng giao thông cơ sở đã phát triển nhằm giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông, giảm lượng khí thải, giảm ô nhiễm môi trường Nghị quyết 96/53EC của Liên minh Châu

Âu xác định trọng lượng và kích thước xe tải nặng, cho phép xe tải có tải trọng lớn hơn và dài hơn nhằm phục vụ cho vận tải liên vận quốc tế, việc này cho phép tăng khả năng vận tải, giảm ùn tắc giao thông và giảm lượng khí thải Tuy nhiên, việc phát triển đoàn xe cũng kéo theo một số hệ lụy như tăng áp lực đối với đường, làm giảm tuổi thọ của đường, đồng thời cũng gia tăng tai nạn giao thông Trong đó phanh là một yếu tố gây tai nạn giao thông của đoàn xe [23]

Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về vận chuyển hàng hóa, các nước trên thế giới đã sử dụng rất nhiều ĐXSMRM Theo thống kê ở Mỹ năm 2013 có khoảng 5,6 triệu ĐXSMRM [46] Tình hình sử dụng ĐXSMRM ở Châu Âu trong những năm gần đây cũng phát triển rất mạnh Đến năm 2012 số lượng ĐXSMRM ở các nước Châu Âu như: Pháp khoảng 310 ngàn xe, Đức gần 290 ngàn xe, Phần Lan hơn 270 ngàn xe, Tây Ban Nha hơn

250 ngàn xe, Thổ Nhĩ Kỳ hơn 200 ngàn xe, Hà Lan hơn 130 ngàn xe, Ý khoảng 100 ngàn

xe, Rumani gần 80 ngàn xe, Công hòa Séc khoảng 50 ngàn xe [44]

Ở Việt Nam hiện nay số lượng ĐXSMRM cũng phát triển rất mạnh, theo số liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam, tính đến ngày 07/12/2016 cả nước có 78.586 ĐXSMRM đăng

ký lưu hành, trong đó có 29.663 ĐXSMRM sản xuất lắp ráp trong nước và 48.923 ĐXSMRM nhập khẩu Số lượng ĐXSMRM tăng mạnh ở các địa phương có nhiều bến cảng, khu công nghiệp, cửa khẩu như Thành phố Hải Phòng tính đến tháng 7 năm 2013 có khoảng 7.100 ĐXSMRM [50], thành phố Hồ Chí Minh đến cuối năm 2015 có gần 11.500 ĐXSMRM [49]

Đoàn xe SMRM có ưu điểm là vận chuyển được nhiều hàng hóa và có thể vận

chuyển được những hàng hóa có kích thước lớn nên chi phí vận chuyển thấp, giảm số lượng xe tham gia vận chuyển, giảm ùn tắc giao thông, giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Hiện nay, số lượng hàng hóa vận chuyển bằng ĐXSMRM chiếm tỉ lệ rất cao Theo thống kê của Eurostat [44] đoàn xe vận chuyển khoảng 50% tổng lượng hàng hóa chuyên chở của các nước, cá biệt ở Phần Lan chiếm 57%, Thụy Điển chiếm 52%

Tuy nhiên, do ĐXSMRM có kích thước và khối lượng lớn nên dễ mất ổn định chuyển động và gây tai nạn giao thông Hà Lan cho phép chiều dài tối đa 25,25m, khối lượng tối đa 60000kg (các nước Bắc Âu tương ứng 18,75m và 50000kg) [52] Tai nạn giao thông đang là nổi lo chung của toàn nhân loại Theo thống kê của tổ chức y tế thế giới WHO công bố ngày 19/4/2007 [43], trung bình mỗi năm tai nạn giao thông làm chết khoảng 1,2 triệu người và làm bị thương khoảng 35 triệu người

Ở Mỹ, vào năm 1996 và 1997 trung bình mỗi năm có khoảng 15 ngàn vụ tai nạn lật

xe tải nặng, trong đó có hơn 9 ngàn ĐXSMRM [18] Năm 2013 có hơn 35 ngàn người chết, 3,8 triệu người bị thương vì tai nạn giao thông [26]

Ở Việt Nam, Theo thống kê của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia năm 2013 cả nước xảy ra 31.266 vụ tai nạn giao thông, làm 9.805 người chết và 32.253 người bị thương [45] Năm 2014 xảy ra 25.322 vụ tai nạn giao thông, làm 8.996 người chết và 24.417 người

bị thương [51]

Tai nạn giao thông xảy ra đối với ĐXSMRM do nhiều nguyên nhân, trong đó nguyên nhân chủ yếu là do đoàn xe mất ổn định chuyển động trên đường khi tăng tốc, khi phanh, khi vượt xe, tránh chướng ngại vật, khi chạy trên đường có hệ số bám thấp hoặc khi đoàn

xe đi vào đường vòng Vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của đường và kỹ thuật vận hành đến hiệu quả phanh ĐXSMRM là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn và cấp bách trong tình hình hiện nay ở Việt Nam

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 có một số công trình nghiên cứu về hệ thống phanh ô tô và một

số luận văn nghiên cứu về hiệu quả phanh ĐXSMRM được công bố, tiêu biểu như sau:

Phạm Hữu Nam đã nghiên cứu phương pháp đánh giá phanh ô tô [10] Tác giả đã

xây dựng được các biểu thức toán học biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa hệ số bám với tốc

độ chuyển động của ô tô và độ trượt của bánh xe với mặt đường trong quá trình phanh; đã

sử dụng phương pháp thống kê vào lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu tác động đồng thời của nhân tố tốc độ và áp suất ảnh hưởng tới sự làm việc của cơ cấu phanh ô tô; đồng thời đã tiến hành thí nghiệm nghiên cứu hiệu quả phanh ô tô khi cơ cấu phanh bị ướt Tuy nhiên, đề tài chưa xét đến ảnh hưởng của đường và các yếu tố vận hành đến hiệu quả phanh ô tô

Đào Đình Tại đã nghiên cứu ổn định xe kéo bán moóc quay vòng [3] Tác giả đã

nghiên cứu xe kéo bán moóc 3 cầu bằng mô hình phẳng tuyến tính nhằm tìm miền vận tốc

ổn định trượt bên và sử dụng mô hình không gian tuyến tính để tìm miền vận tốc ổn định lật bên khi quay vòng Đề tài đã sử dụng mô hình lốp tuyến tính để nghiên cứu động lực học xe kéo bán moóc khi quay vòng nên không mô tả được trạng thái tách bánh và chưa nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phanh xe kéo bán moóc khi quay vòng

Dương Tiến Minh đã nghiên cứu chất lượng phanh ô tô quân sự với hệ thống phanh

có lắp bộ điều hòa lực phanh [2] Tác giả đã xây dựng mô hình toán để nghiên cứu động

lực học phanh ô tô hai cầu có lắp bộ điều hòa lực phanh; khảo sát ảnh hưởng của bộ điều hòa lực phanh tới chất lượng phanh ô tô quân sự sử dụng ở Việt Nam; thực nghiệm đo chất lượng phanh trên ô tô quân sự sử dụng ở Việt Nam có lắp bộ điều hòa lực phanh

Nguyễn Sĩ Đỉnh đã nghiên cứu động lực học dẫn động phanh thủy lực để lắp hệ thống chống hãm cứng bánh xe lên ô tô quân sự [6] Tác giả đã ứng dụng mô hình đàn hồi

để thiết lập mô hình động lực học dẫn động phanh thủy lực; khảo sát chế độ làm việc đặc trưng của hệ thống dẫn động phanh thuỷ lực làm cơ sở để lựa chọn các mô đun tiêu chuẩn của hệ thống ABS lắp cho ô tô UAZ-3152; sử dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng động lực học dẫn động phanh thuỷ lực và thử nghiệm quá trình phanh ô tô cho 2 trường hợp có lắp ABS và không lắp ABS Tuy nhiên, đề tài chưa khảo sát tính ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh

Lại Năng Vũ đã nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô [5] Tác giả đã

nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô, đề xuất cấu trúc tổng thể và thuật toán điều khiển cho hệ thống phanh ABS; xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS và thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU-ABS Tuy nhiên, đề tài chưa giải quyết đầy đủ yêu cầu của hệ thống phanh ABS như khả năng tự chẩn đoán, báo lỗi hệ thống và tự động điều khiển khi vào đường vòng

Hồ Hữu Hùng đã nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén [4] Tác giả đã xây

dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô, kết hợp với mô hình mô phỏng của hệ

thống phanh và hệ thống ABS; mô phỏng quá trình phanh của ô tô sử dụng hệ thống phanh khí nén có ABS; đề xuất thuật toán điều khiển, ngưỡng gia tốc góc điều khiển, tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có lắp ABS; thực nghiệm hệ thống phanh ABS khí nén trên ô tô tải Tuy nhiên, đề tài chưa xét đến ảnh hưởng của góc quay thân xe đến thuật toán điều khiển hệ thống ABS khí nén

Nguyễn Tiến Thành đã nghiên cứu ổn định phanh đoàn xe [7] Tác giả đã sử dụng

mô hình một dãy tuyến tính để lập mô hình đoàn xe sơ mi rơ moóc 5 cầu, xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động và sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng, khảo sát động lực học phanh của đoàn xe sơ mi rơ moóc trên đường thẳng Đề tài chưa có thí nghiệm để xác định thông số đầu vào cho mô hình khảo sát cũng như chưa có kiểm chứng mô hình

Chu Văn Huỳnh đã nghiên cứu khảo sát động lực học phanh đoàn xe [1] Tác giả đã

xây dựng mô hình phẳng tuyến tính và thiết lập hệ phương trình vi phân toán học mô tả quỹ đạo chuyển động của đoàn xe bán moóc 5 cầu Đề tài thực hiện khảo sát động lực học phanh đoàn xe bằng phần mềm Matlab Simulink Tuy nhiên tác giả chưa đánh giá một cách tổng thể, cũng như chưa có thực nghiệm kiểm chứng kết quả tính toán

Nhận xét: Các đề tài nghiên cứu về động lực học phanh ĐXSMRM ở Việt Nam còn hạn chế, chủ yếu là các luận văn thạc sĩ Hướng nghiên cứu chủ yếu là khảo sát ảnh hưởng của vận tốc, mô men phanh đến hiệu quả phanh và ổn định phanh ĐXSMRM Do ĐXSMRM có kết cấu phức tạp, siêu trường, siêu trọng nên để đơn giản trong quá trình nghiên cứu hầu hết các tác giả đều sử dụng mô hình phẳng để xây dựng hệ phương trình động lực học ĐXSMRM nên chưa mô tả được đầy đủ cấu trúc cần thiết của đoàn xe Đa số các công trình đã công bố đều sử dụng mô hình phẳng để thiết lập hệ phương trình và chỉ dừng lại ở việc sử dụng phần mềm để mô phỏng, khảo sát trên máy tính chứ không có thí nghiệm thực tế trên đường

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 ô tô và đoàn xe được công bố [15, 18, 21, 23, 25, 30, 34] 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 như: Bộ điều hoà lực phanh, hệ thống phanh chống bó cứng bánh xe ABS, hệ thống phanh khí nén điều khiển điện tử EPD, hệ thống điều khiển ổn định điện tử ESP,… Tuy

nhiên, các công trình nghiên cứu về hiệu quả phanh của ĐXSMRM, đặc biệt là nghiên cứu phanh trên đường có hệ số bám thấp, đường vòng thì trên thế giới hiện nay chưa có nhiều Một số nghiên cứu tiêu biểu liên quan đến đề tài mà luận án tham khảo được như sau:

J.R.Elli đã nghiên cứu động lực học phanh ĐXSMRM [22] Tác giả đã xây dựng mô

hình một dãy tuyến tính và viết hệ phương trình động lực học phanh ĐXSMRM; khảo sát các thông số động lực học phanh ĐXSMRM Đề tài sử dụng mô hình phẳng một dãy tuyến tính nên chưa nghiên cứu được sự khác nhau của lực phanh, phản lực thẳng đứng của đường tác dụng lên bánh xe, hệ số trượt các bánh xe bên trái và bên phải ĐXSMRM, cũng như chưa quan tâm sự ảnh hưởng của hệ thống treo đến hiệu quả phanh ĐXSMRM

Công ty DAF trucks NV đã nghiên cứu thử nghiệm phanh ĐXSMRM [16] Đây là

công trình nghiên cứu thử nghiệm xe mới sản xuất trên các loại đường khác nhau và trong phòng thí nghiệm để đánh giá hiệu quả phanh của ĐXSMRM, để kiểm tra tình trạng kỹ thuật của hệ thống phanh trước khi xuất xưởng Đề tài nghiên cứu thực nghiệm này chỉ phù hợp cho một loại ĐXSMRM cụ thể, ứng với tình trạng kỹ thuật tại thời điểm mới sản xuất

Algirdas anulevicius và Kazimieras Giedra đã nghiên cứu đánh giá hiệu quả phanh của đoàn xe kéo rơ moóc [14] Các tác giả này đã nghiên cứu lý thuyết để tính toán, khảo

sát sự ảnh hưởng của vận tốc đoàn xe kéo rơ moóc và hệ số bám của bánh xe với mặt đường đến quãng đường phanh, gia tốc phanh Đề tài chỉ nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình toán và không quan tâm đến ổn định phanh đoàn xe là góc quay tương đối giữa thân

xe đầu kéo và góc quay rơ moóc

Steven M Karamihas, Thomas D Gillespie và Stephen M Riley đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự phân bố tải trọng đến động lực học của ĐXSMRM [32] Các tác giả sử dụng

mô hình một dãy phẳng để tính toán động lực học của ĐXSMRM và khảo sát ảnh hưởng của sự phân bố tải trọng đến hiệu quả phanh ĐXSMRM bằng phương pháp lý thuyết trên

mô hình ĐXSMRM 5 cầu Đề tài sử dụng mô hình phẳng một dãy tuyến tính nên chưa nghiên cứu được sự phân bố tải trọng lên các bánh xe bên trái và bên phải của các cầu ảnh hưởng đến hiệu quả phanh ĐXSMRM

Rod George, Brendan Gleeson, Matt Elischer, Euan Ramsay đã nghiên cứu ổn định động lực học, phản ứng của xe trong quá trình phanh đoàn xe kéo rơ moóc [31] Đây là

công trình nghiên cứu thực nghiệm đo kiểm tra động lực học phanh đoàn xe kéo rơ moóc mới sản xuất trên đường bê tông nhựa ở Úc

David John Matthew Sampson đã nghiên cứu điều khiển góc quay lắc ngang của

đoàn xe có ảnh hưởng của khớp yên ngựa [17] Tác giả sử dụng mô hình không gian

nghiên cứu việc sử dụng các hệ thống điều khiển tích cực để kiểm soát góc lắc ngang của thân xe, bao gồm cả việc sử dụng thanh ổn định tích cực để cải thiện sự ổn định lắc ngang của ô tô và đoàn xe hạng nặng Đây là đề tài nghiên cứu để hoàn thiện kết cấu và điều khiển góc lắc ngang và góc quay thân xe, chưa quan tâm đến hiệu quả phanh

Fawzi P Bayan, Anthony D Cornetto III, Ashley Dunn, Eric Sauer đo thời gian phanh XĐK khi chạy thẳng trên đường bê tông khô tại trung tâm nghiên cứu giao thông ở Đông Liberty, Ohio [20] Các tác giả thí nghiệm đo thời gian phanh khi cho XĐK chạy ở

hai vận tốc 13,4 m/s (30 mph) và 27 m/s (60 mph) rồi phanh khẩn cấp, trong bốn trường hợp: XĐK không kéo SMRM, XĐK kéo SMRM không tải, XĐK kéo SMRM 1/2 tải, XĐK kéo SMRM đầy tải Đây là đề tài nghiên cứu thực nghiệm đo hiệu quả phanh XĐK trên đường thẳng, các tác giả chỉ đo thời gian phanh, chưa quan tâm đến ổn định phanh của XĐK và SMRM

Devin Elsaser, Frank S.Barickman, Heath Albecht, Jason Church, Guogang Xu, Mark Heitz nghiên cứu ổn định góc quay thân ĐXSMRM [19] Các tác giả đã thí nghiệm đo góc quay thân xe của 3 loại ĐXSMRM có trang bị hệ thống điều khiển ổn định điện tử Volvo 2006, Freightliner 2006, Sterling 2008 trên đường cao tốc ở Mỹ Đây là đề tài nghiên cứu thực nghiệm ổn định ĐXSMRM để tìm giới hạn ổn định của đoàn xe

Nhận xét: Trên thế giới có một số công trình nghiên cứu về động lực học phanh ĐXSMRM đã công bố Đa số các tác giả trên thế giới sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình một dãy, hai dãy hoặc phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu động lực học phanh ĐXSMRM Một số mô hình chưa mô tả đầy đủ cấu trúc của đoàn xe và chưa tích hợp các trạng thái phản ứng của lái xe khi phanh Hướng nghiên cứu chủ yếu của các nhà khoa học trên thế giới là nâng cao hiệu quả phanh và ổn định chuyển động của ĐXSMRM Thông qua các nghiên cứu đó đã thiết kế, chế tạo và đề xuất bắt buộc sử dụng

hệ thống phanh ABS trên ĐXSMRM ở Mỹ và Châu Âu

Nghiên cứu phanh đoàn xe là tốn kém và phức tạp Để giảm bớt chi phí khảo nghiệm thường sử dụng mô hình và mô phỏng động lực học đoàn xe Đến nay đã có nhiều mô hình động lực học đoàn xe nhưng thường không đầy đủ Một mô hình đầy đủ là phải mô tả được các lực dọc và ngang bánh xe cho từng bánh xe độc lập với việc xác định các lực phương thẳng đứng chịu ảnh hưởng động lực học phương thẳng đứng (tịnh tiến, lắc dọc, lắc ngang); ngoài ra mô hình phải chấp nhận các thông số điều khiển tích hợp của lái xe như tăng tốc, phanh và quay vô lăng cũng như chấp nhận các thay đổi ngoại cảnh như hệ số

bám Hiện nay chưa thấy một mô hình nào đáp ứng được các yêu cầu đó

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

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của Luận án là nghiên nghiên cứu Động lực học phanh đoàn xe trên đường

có hệ số bám khác nhau bằng Lý thuyết và Thực nghiệm

Về lý thuyết, xây dựng mô hình và mô phỏng động lực học ĐXSMRM với các nội dung:

- Nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học phanh ĐXSMRM 6 cầu mô tả đầy đủ các điều kiện ngoại cảnh và cấu trúc đoàn xe với các yếu tố tương tác có tính phi tuyến

- Khảo sát phanh ĐXSMRM trong các điều kiện đường và kỹ thuật lái xe khác nhau như: Phanh trên các loại đường có hệ số bám khác nhau, phanh với vận tốc ban đầu khác nhau, phanh với cường độ khác nhau và phanh trong đường vòng

- Trên cơ sở các phương án khảo sát phanh ĐXSMRM sẽ đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả phanh nhằm giảm thiểu tai nạn giao thông

Về thực nghiệm:

- Thí nghiệm phanh ĐXSMRM trên đường thẳng khô và ướt để xác định hàm hệ số bám của bánh xe theo hệ số trượt làm thông số đầu vào cho mô hình khảo sát và kiểm chứng đánh giá mô hình động lực học phanh ĐXSMRM

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu

Hình 1.5 Đoàn xe SMRM nghiên cứu [48]

Đoàn xe SMRM 6 cầu gồm XĐK Trung Quốc FAW 3 cầu và SMRM Tân Thanh

40F 3 cầu được chọn làm đối tượng nghiên cứu để thiết lập mô hình động lực học phanh đoàn xe, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của đường và kỹ thuật lái xe đến hiệu quả phanh ĐXSMRM và thí nghiệm phanh ĐXSMRM trên đường để xác định hàm hệ số bám của bánh xe phụ thuộc hệ số trượt

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu động lực học phanh ĐXSMRM người ta thường tiến hành song song hai phương pháp: phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình (phẳng hoặc không gian) và phương pháp thực nghiệm phanh ĐXSMRM trên đường Phương pháp nghiên cứu

lý thuyết bằng mô hình có lợi thế là không cần xe mẫu, không cần hệ thống thí nghiệm, có thể dễ dàng thay đổi tham số và có thể xây dựng được quan hệ nội hàm của quá trình động lực học đoàn xe Phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình phù hợp cho cho giai đoạn thiết kế ảo và tối ưu hệ thống, nghiên cứu điều khiển động lực học đoàn xe

Phương pháp thực nghiệm có ưu điểm là kết quả đo sát với thực tế nhưng cần phải có

xe mẫu, đường thử, thiết bị đo Ngoài ra, thí nghiệm đoàn xe trên đường là nguy hiểm, cần

có giải pháp an toàn Thí nghiệm phanh cho kết quả sát thực tế, nhưng kết quả đó chỉ đúng với một loại xe, một loại đường và ứng với một tình huống phanh của lái xe nhất định Tình huống phanh trên đường của lái xe là quá trình không thể nhắc lại được Thông số đo được là tổng hợp, không có khả năng can thiệp vào nội lực các cụm, không xác định được quan hệ các nội hàm, khó có khả năng tối ưu kết cấu và khó xác định các yếu tố ảnh hưởng trong đó

Do đó, để nghiên cứu phanh đoàn xe phải kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết bằng

mô hình và thí nghiệm nhằm phát uy những ưu điểm của phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình nhằm bổ trợ cho nhau Ở Việt Nam hiện nay thiết bị thí nghiệm về ĐXSMRM rất hạn chế, đoàn xe có kết cấu khá phức tạp, khối lượng và kích thước lớn, phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình không gian phi tuyến và thực nghiệm phanh ĐXSMRM trên đường được kết hợp đồng thời

Đoàn xe SMRM là hệ nhiều vật, liên kết phức tạp Do đó, mô hình động lực học

phanh ĐXSMRM là mô hình tích hợp hay mô hình lai (Hybrid Model) gồm mô hình cơ học hệ nhiều vật được mô tả bằng hệ phương trình Newton-Euler và các mô hình xác định lực liên kết như mô hình hệ thống treo, mô hình khớp yên ngựa (mâm xoay) và mô hình

lốp như hình (1.6) Các mô hình liên kết được Christoph Halfmann [36] gọi là mô hình thích nghi (Adaptive Model) Mô hình thích nghi là dạng mô hình biết qui luật vật lý,

nhưng tham số cấu trúc thay đổi tuỳ thuộc vào từng đối tượng cụ thể; mô hình thích nghi thường được thiết lập bằng lý thuyết và thực nghiệm để xác định các tham số hiệu chỉnh cho phù hợp với từng đối tượng; trong ĐXSMRM mô hình lốp là mô hình thích nghi, biết được qui luật vật lý nhưng chưa biết các tham số của mô hình; các tham số này cần phải thí nghiệm để xác định chính xác theo từng loại liên kết lốp-đường cụ thể

Hình 1.6 Cấu trúc các dạng mô hình [36]

Để nghiên cứu hiệu quả phanh ĐXSMRM, ta cần phải xác định các thông số động lực học như: gia tốc dọc, gia tốc ngang, góc lệch giữa thân XĐK và thân SMRM, quỹ đạo chuyển động của đoàn xe, hệ số trượt, phản lực thẳng đứng của đường tác dụng lên các bánh xe bên trái và bên phải, lực phanh ở các bánh xe bên trái và bên phải, v.v Do đó, 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

(i) Phương pháp lý thuyết: Sử dụng phương pháp tách cấu trúc Hệ nhiều vật MBS

và mô tả toán học bằng hệ Phương trình Newton-Euler Các lực liên kết giữa các vật của cơ hệ là phi tuyến được mô tả bằng các mô hình thích nghi (adaptive model) Mô hình lốp là mô hình thích nghi Như vậy mô hình động lực học phanh đoàn xe là mô hình lai (Hybrid model) gồm mô hình cơ học và mô hình thích nghi

(ii) Phương pháp thí nghiệm: đo động lực học phanh trên đường (chương 4)

1.4 Nội dung nghiên cứu và cấu trúc luận án

1.4.1 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, nội dung nghiên cứu của luận án gồm các phần chính như sau:

- Nghiên cứu tổng quan về hiệu quả phanh ô tô, các tiêu chí, tiêu chuẩn đánh giá hiệu quả phanh ô tô;

- Phân tích cấu trúc và lập mô hình không gian để mô tả động lực học phanh ĐXSMRM 6 cầu;

- Thiết lập hệ phương trình động lực học phanh ĐXSMRM;

- Mô phỏng các quá trình phanh đặc trưng trên đường thẳng và trong đường vòng;

- Thí nghiệm xác định hàm hệ số bám dọc theo hệ số trượt x(sx) khi phanh của bánh

xe trên đường khô và ướt;

- Đánh giá hiệu quả phanh của ĐXSMRM thông qua các phương án khảo sát;

1.4.2 Giới hạn của đề tài

Phanh đoàn xe là lĩnh vực rất rộng gồm (i) tối ưu kết cấu hệ thống phanh, tối ưu tham số bố trí chung đoàn xe, (ii) động lực học đoàn xe và (iii) điều khiển phanh đoàn xe

Để vấn đề không quá phức tạp, Luận án tập trung nghiên cứu động lực học đoàn xe: nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng của đường như hệ số bám, kỹ thuật vận hành như tốc độ bắt đầu phanh, cường độ phanh, góc quay vô lăng đến hiệu quả phanh ĐXSMRM

1.4.3 Bố cục luận án

Nội dung luận án được bố cục gồm 4 chương như sau:

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 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 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

Việc thiết lập mô hình động lực học phanh ĐXSMRM dựa vào phương pháp tách cấu trúc và thực hiện theo các bước như sau: phân tích đặc điểm cấu trúc khung vỏ, kiểu hệ thống treo, kiểu lốp; định nghĩa hệ toạ độ cố định và các hệ toạ độ vật, toạ độ suy rộng, toạ

độ qui dẫn; tách cấu trúc ĐXSMRM thành nhiều vật và xác định nội lực hệ thống treo, lực tương tác lốp–đường; viết phương trình Newton–Euler cho các vật và liên kết các vật theo các mô đun; giải phương trình vi phân bằng phương pháp số [9, 13]

2.1 Phân tích cấu trúc ĐXSMRM và giả thiết khi lập mô hình

Đoàn xe SMRM có 2 thân, gồm XĐK và SMRM liên kết với nhau bằng khớp yên ngựa Hiện nay, các hãng sản xuất thường sử dụng hai loại khớp yên ngựa là: Khớp yên ngựa loại hai trục tự do có nguyên lý làm việc giống như khớp các đăng; với loại này thì liên kết giữa XĐK và SMRM là liên kết động lực học, XĐK và SMRM có thể quay tương đối với nhau quanh trục Y, trục Z và có thể truyền mô men qua lại lẫn nhau theo trục X Khớp yên ngựa loại ba trục tự do có nguyên lý hoạt động giống như khớp cầu, liên kết giữa XĐK và SMRM là liên kết động học, XĐK và SMRM có thể quay tương đối với nhau quanh 3 trục X, Y, Z

Đoàn xe SMRM đang nghiên cứu được sử dụng khớp yên ngựa loại hai trục tự do, nên khối lượng được treo của XĐK và SMRM có thể quay quanh trục Z, trục Y và truyền

mô men xoắn trục X qua lại lẫn nhau Trên thực tế chốt của khớp yên ngựa có khe hở ban đầu nên khi khối lượng được treo của XĐK và SMRM quay tương đối một góc β < 8o thì khớp yên ngựa là khớp cầu (không truyền mô men xoắn trục X qua lại lẫn nhau) Khi khối lượng được treo của XĐK và SMRM quay tương đối một góc β > 8o thì khớp yên ngựa là khớp các đăng (truyền mô men xoắn trục X qua lại lẫn nhau) [30, 42]

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 Đoàn xe SMRM có 6 cầu được bố trí cách xa và không đều nhau: cầu 1 là cầu dẫn hướng (steering axle), loại trục đơn (single axle), sử dụng hệ thống treo phụ thuộc; cầu 2 và cầu 3 là cầu chủ động, loại cụm trục kép sử dụng hệ thống treo cân bằng (Tandem axle group); cầu 4, 5,

6 là cầu bị động, sử dụng hệ thống treo cân bằng liên tiếp, loại cụm 3 trục (Tri-axle group) 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 Lốp và đường tương tác với nhau bởi các lực thẳng đứng, lực dọc, lực ngang Các lực này phụ thuộc vào rất nhiều yếu

tố và thường xuyên thay đổi trong quá trình làm việc của ĐXSMRM

Hệ vật:

Dựa vào phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật, luận án chia ĐXSMRM nghiên cứu thành 8 khối lượng (vật) cơ bản như hình (2.1):

(i) Khối lượng được treo của XĐK là mc1 đặt tại trọng tâm C1 của XĐK;

(ii) Khối lượng được treo của SMRM là mc2 đặt tại trọng tâm C2 của SMRM; (iii) Khối lượng không được treo của cầu thứ i là mAi đặt tại trọng tâm Ai của cầu thứ i (i = 1÷6)

Hình 2.1 Khối lượng đoàn xe sơ mi rơ mooóc

Các liên kết:

Động lực học đoàn xe có 8 vật là mc1, mc2 và mAi (i=1÷6) Giữa chúng là các lực và

mô men liên kết

(i) Liên kết giữa XĐK và SMRM thông qua khớp yên ngựa Đây là liên kết vừa động học (phụ thuộc 3 góc Euler   k, k, k) vừa động lực học (phụ thuộc động lực học của XĐK và SMRM)

(ii) Liên kết giữa khối lượng được treo và không được treo

(iii) Liên kết lốp-đường thông qua các lực tương tác bánh xe Fx, Fy, Fz

Một số giả thiết để thiết lập mô hình:

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả phanh 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 Mô hình động lực học phanh ĐXSMRM rất phức tạp,

để đơn giản trong quá trình thiết lập mô hình, ta sử dụng một số giả thiết như sau:

(1) Đoàn xe SMRM đối xứng trục theo chiều dọc;

(2) Cầu xe không quay quanh trục y (Ai = 0, i=1÷6);

(3) Cầu xe chuyển động tịnh tiến theo trục x và quay quanh trục z cùng với khối lượng được treo của XĐK (xAi = xc1, Ai = c1, i=1÷3) và SMRM (xAi = xc2,

Ai = c2, i=4÷6);

(4) Xem khớp yên ngựa như khớp lý tưởng, bỏ qua đàn hồi và ma sát trong khớp yên ngựa;

(5) Bỏ qua mô men quay bánh xe quanh trục z và lực gió ngang;

(6) Độ đàn hồi của hệ thống treo tuyến tính trong miền làm việc và phi tuyến khi chạm vấu giới hạn hành trình;

(7) Độ cứng hướng kính lốp không thay đổi khi chưa tách bánh;

(8) Bỏ qua xoắn khung của thân XĐK và SMRM;

(9) Mặt đường bằng phẳng và không có góc nghiêng ngang

2.2 Phương pháp lập mô hình

Đoàn xe SMRM có cấu trúc phức tạp, thuộc hệ nhiều vật, gồm 2 thân liên kết với nhau bằng khớp yên ngựa Để mô tả động lực học cho hệ nhiều vật ta có thể sử dụng các phương pháp Newton-Euler, D’Alembert/Jourdain, Lagrange [9, 13, 30] Trong đó, phương pháp Newton-Euler đơn giản hơn, phù hợp với hệ nhiều vật Phương pháp này cho phép phân chia cấu trúc và lập trình theo mô đun, có thể xác định được các quan hệ nội hàm Phương pháp tách cấu trúc là tại một điểm cắt bất kỳ ta thay vào đó các lực hoặc mô men cùng phương, ngược chiều, bằng trị số Khi đó các nội lực của hệ trở thành lực tác động của vật, làm cho vật chuyển động; chuyển động của vật riêng rẽ lúc đó cũng tương đương với chuyển động của nó trong hệ [9, 13, 30]

2.2.1 Định nghĩa hệ tọa độ cho ĐXSMRM

Chuyển động của ĐXSMRM là chuyển động phức hợp, gồm 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 phương x, y, z và 3 chuyển động quay quanh 3 trục toạ độ tương ứng là    , , Do

đó, 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 hay hệ toạ độ cục bộ B(Cxyz)

Hệ tọa độ cố định G(OXYZ) có trục OZ vuông góc với mặt phẳng đường (XOY) Các hệ tọa độ vật B(Cxyz) có trục Cz song song với trục OZ, hệ toạ độ B(Cxyz) có thể quay trong hệ toạ độ G(OXYZ) với các góc tương ứng là    , , và ngược lại

Như phần trên đã phân tích, đối với ĐXSMRM 6 cầu được chia làm 8 vật (khối lượng) nên ta thiết lập các hệ toạ độ vật (hệ toạ độ cục bộ) và toạ độ qui dẫn như sau:

(i) Hệ tọa độ cục bộ/Hệ tọa độ vật

- Hệ toạ độ cục bộ của XĐK là C1(xc1 yc1 zc1) đặt tại trọng tâm C1 của XĐK với 6 tọa độ suy rộng (xc1 yc1 zc1; c1 c1 c1);

- Hệ toạ độ cục bộ của SMRM là C2(xc2 yc2 zc2) đặt tại trọng tâm C2 của SMRM với 6 tọa độ suy rộng (xc2 yc2 zc2; c2 c2 c2);

- Hệ toạ độ cục bộ của cầu thứ i là Ai(xAi yAi zAi, Ai Ai Ai) đặt tại trọng tâm

Ai của cầu thứ i với 18 tọa độ suy rộng (yAi, zAi,Ai) (đã giả thiết xAi  xc1 ,

Ai  c1, Ai = 0 (i = 1÷3) và xAi  xc2, Ai  c2, Ai = 0 (i = 4÷6))

(ii) Hệ tọa độ qui dẫn được xác lập qua hệ tọa độ suy rộng:

- Toạ độ qui dẫn tại tâm vết tiếp xúc của các bánh xe với mặt đường là

Wij(xijyij) (với i=1÷6 là số cầu của ĐXSMRM; j= 1 chỉ bánh xe bên trái, j = 2 chỉ bánh xe bên phải);

- Toạ độ qui dẫn tại tâm các bánh xe là Aij (với i=1÷6 là số cầu của ĐXSMRM; j=1 chỉ bánh xe bên trái, j=2 chỉ bánh xe bên phải);

- Toạ độ qui dẫn của đầu dưới hệ thống treo (điểm liên kết giữa nhíp và cầu xe)

là ij (với i=1÷6 là số cầu của ĐXSMRM; j=1 chỉ bánh xe bên trái, j=2 chỉ bánh xe bên phải);

- Toạ độ qui dẫn của đầu trên hệ thống treo là zij (với i=1÷6 là số cầu của ĐXSMRM; j=1 chỉ bánh xe bên trái, j=2 chỉ bánh xe bên phải)

- Toạ độ qui dẫn tại khớp yên ngựa của XĐK là xk1, yk1, zk1

- Toạ độ qui dẫn tại khớp yên ngựa của SMRM là xk2, yk2, zk2

Sơ đồ hệ toạ độ của ĐXSMRM được biểu diễn như hình (2.2)

X Y

x 41

41 61

x 12

y 12 12

y 21

x 11

y 11 11

x A1

y A1 A1

A 1

O

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

2.2.2 Lực và mô men tác dụng lên ĐXSMRM

Để ĐXSMRM chuyển động, người lái phải tác động vào bàn đạp ga, phanh và đánh

vô lăng, nhằm tạo ra các mô men chủ động MAij, mô men phanh MBij và góc quay vô lăng

k Dưới tác động đó sẽ sinh ra các phản lực giữa bánh xe và đường như lực dọc Fxij, lực ngang Fyij Các lực này lại được xác lập bằng phản lực thẳng đứng Fzij, hệ số bám dọc φxij

và hệ số bám ngang φyij theo quan hệ F = F φxij zij xij và F = F φ [13, 30, 34, 38, 40] Các yij zij yijcặp lực Fxij, Fyij và Fzij là các lực tương tác lốp-đường

Các lực và mô men tác dụng lên XĐK tại khớp yên ngựa theo ba phương là (Fkx1,

Fky1, Fkz1, Mkx1) Các lực và mô men tác dụng lên SMRM tại khớp yên ngựa theo ba phương là (Fkx2, Fky2, Fkz2, Mkx2)

Lốp là phần tử liên kết giữa xe và đường, chịu tải và chuyển động theo phương thẳng đứng Ngoài ra, lốp còn có nhiệm vụ truyền lực dọc, lực ngang khi xe tăng tốc, khi phanh, khi quay vòng Lực Fzij là lực tác dụng hướng kính, lực Fxij là lực tiếp tuyến và lực Fyij là lực ngang của lốp ở mỗi bánh xe Các lực này trong thực tế là các lực động, tức là phụ thuộc vào thời gian Mặt khác, cấu trúc của vỏ lốp không đồng nhất, bề mặt cong hai chiều,

áp suất bên trong lốp thay đổi Do đó, sự biến dạng của lốp tương ứng với các cặp lực (Fxij,

Fyij,Fzij)

Việc mô tả sự thay đổi biến dạng lốp và mô tả thay đổi khả năng truyền lực của lốp

là rất khó khăn Xét về sự thay đổi giữa lốp và đường cho thấy nó đặc trưng bởi 2 pha: (i) truyền lực khớp và đàn hồi và (ii) truyền lực ma sát [13, 35] Trong quá trình chuyển động lốp biến dạng ở cả ba phương khi có ngoại lực tác động Khi ngoại lực tác dụng vượt quá giới hạn đàn hồi thì dẫn tới lốp trượt tương đối so với đường Sự biến dạng do đàn hồi và trượt này sinh ra tổn hao về vận tốc

Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên ĐXSMRM được trình bày trong hình (2.3)

Chuyển động của ĐXSMRM trong mặt phẳng đường phụ thuộc các lực dọc và ngang

Fxij và Fyij Các lực này phụ thuộc phản lực Fzij Do đó, ta có thể viết phương trình động lực

học theo 3 nhóm sau:

(i) Phương trình động lực học ĐXSMRM trong mặt phẳng đường (OXY) để tính

toán chuyển động của đoàn xe theo phương x, phương y và chuyển động quay

thân xe quanh trục z

(ii) Phương trình động lực học ĐXSMRM phương thẳng đứng (lắc dọc và lắc

ngang) để xác định phản lực Fz;

(iii) Phương trình động lực học bánh xe

2.3 Phương trình động lực học ĐXSMRM trong mặt phẳng đường

(OXY)

Các lực tiếp tuyến Fxij, lực ngang Fyij trong hệ toạ độ cục bộ Wij(xijyij) là các lực xác

định chuyển động của ĐXSMRM trong mặt phẳng đường Phản lực của đường lên bánh xe

là Fzij, các mô men quán tính trục zc1, zc2 của XĐK và SMRM là Jzc1c1, Jzc2 c2

Để viết hệ phương trình mô tả động lực học ĐXSMRM luận án sử dụng hệ phương

trình Newton-Euler [9, 13, 38, 40]

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

Hình (2.4) biểu diễn sơ đồ lực và mô men tác dụng lên XĐK trong mặt phẳng đường Dựa vào hệ phương trình Newton-Euler, ta có thể viết hệ phương trình động lực học XĐK

trong mặt phẳng đường như sau:

- Phương trình chuyển động theo phương dọc xc1 của XĐK:

zc1 c1 x11 R11 11 x12 R 12 12 y 11 11 y 12 12 1

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

(2.3)

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)

Dựa vào hình (2.5), lấy cân bằng lực các phương xc2, yc2 và mô men trục zc2 theo

phương trình Newton-Euler ta có hệ phương trình động lực học SMRM trong mặt phẳng

đường như sau:

- Phương trình chuyển động theo phương dọc xc2 của SMRM:

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

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

Các phương trình (2.1) đến (2.6) là phương trình mô tả chuyển động của đoàn xe trong mặt đường; là phản ứng của đoàn xe khi lái xe ga (tăng tốc), phanh hoặc quay vô lăng 6 tọa độ suy rộng mô tả động lực học đoàn xe là cơ sở đánh giá hiệu quả phanh Để giải được hệ đó cần xác định các lực liên kết vế phải trong đó có lực dọc và ngang bánh xe

2.4.1 Phương trình động lực học XĐK phương thẳng đứng

Hình (2.6) là sơ đồ động lực học XĐK phương thẳng đứng Tọa độ trọng tâm của khối lượng được treo XĐK là C1(xc1, zc1) Lực liên kết giữa XĐK và SMRM là Fkz1, Fkx1

Tại điểm liên kết của hệ thống treo các bánh xe với khung ta có các nội lực hệ thống treo theo phương zc1 là FCij và FKij; Các phản lực và mô men phản lực từ các bánh xe là F’xij, Mij(i = 1÷3; j = 1 chỉ bánh xe bên trái; j = 2 chỉ bánh xe bên phải)