Phân tích trạng thái mất ổn định ngang của đoàn xe sơ mi rơ moóc bằng mô hình động lực học không gian với mô hình lốp burchkhardt

Bài báo đã trình bày mô hình động lực học của đoàn xe sơmi rơ moóc trong đó các lực tương tác lốp đường được xác định bằng mô hình lốp Burchkhardt. Bài báo đã phân tích đánh giá trạng thái mất ổn định lật ngang của đoàn xe sơmi rơ moóc ở khi quay vòng ở mức vận tốc 60km/h trên 5 loại đường khác nhau.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI MẤT ỔN ĐỊNH NGANG CỦA ĐỒN XE SƠ MI RƠ MC BẰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC KHƠNG GIAN VỚI MƠ HÌNH LỐP BURCHKHARDT LATERAL INSTABILITY ANALYSIS OF TRACTOR SEMITRAILER VEHICLE ADOPTING MULTI-BODY DYNAMIC MODEL WITH THE BURCHKHARDT TIRE MODEL TẠ TUẤN HƯNG1*, NGUYỄN QUANG ANH 1, VÕ VĂN HƯỜNG1 DƯƠNG NGỌC KHÁNH2 Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email liên hệ: hungtt@utt.edu.vn Tóm tắt Mất ổn định ngang đồn xe sơmi rơmc thường xảy quay vòng, tăng tốc phanh, Mất ổn định ngang đồn xe phân loại theo dạng: ổn định hướng ổn định lật ngang Sự ổn định hướng thường xảy phanh quay vòng đường có hệ số bám thấp Mất ổn định lật ngang thường xảy quay vịng đường có hệ số bám cao Một mơ hình động lực học đồn xe thiết lập theo phương pháp hệ nhiều vật với mơ hình lốp Burchkhardt Mơ hình áp dụng để đánh giá ảnh hưởng điều kiện đường đến ổn định ngang đồn xe quay vịng Đặt vấn đề Khi chuyển động, đoàn xe chịu tác động từ người lái, đường, ngoại cảnh (Hình 1) Tai nạn giao thơng xảy đồn xe nhiều nguyên nhân, nguyên nhân chủ yếu xe ổn định chuyển động đường Sự ổn định phụ thuộc cấu trúc đoàn xe trọng lượng, chiều cao trọng tâm, khớp liên kết thân xe, đặc tính lốp; hệ số bám đường;độ nghiêng độ dốc đường; phản ứng lái xe phanh, ga quay vô lăng Nếu đường có hệ số bám thấp, dù gia tốc ngang khơng lớn, trượt ngang vấp phải vỉa đường, đồn xe lật Nếu đường có hệ số bám cao, đồn xe vận hành với vận tốc lớn, quay vịng có gia tốc ngang lớn khả bám ngang tốt nên xe bị lật ngang Từ khóa: Mơ hình lốp Burchkhardt, trạng thái đường, ổn định ngang, đoàn xe sơmi rơ mc, quay vịng Abstract Lateral instability of tractor semitrailer vehicle often occurs in during turning maneuver, accelerating, or braking, Lateral instability can be classified into two types: yaw instability and rollover The yaw instability usually occurs on low adhesion surface road The rollover occurs while turning maneuver on high adhesion surface road In this paper, a dynamic model of tractor semitrailer vehicle is established based on Multibody System Method and Burchkhardt tire model This model is applied to analysis the effect of road condition on lateral stability of the tractor semitrailer vehicle while turning maneuver Keywords: Burchkhardt tire model, road condition, Lateral instability, tractor semitrailer vehicle, turning maneuver SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Sơ đồ điều khiển động lực học đồn xe sơmi rơ mc Để nghiên cứu đánh giá ổn định ngang đoàn xe sơmi rơ moóc cần thiết phải thiết lập tương tác lốp đường thơng qua mơ hình lốp Khi xác định tương tác xác định lực mô men liên kết từ đường tác động lên xe Từ xác định thông số chuyển động xe Hiện nay, có nhiều mơ hình lốp sử dụng Ammon [2], Pacejka [3], HSRI, Burchkhardt [4],… Trong đó, mơ hình lốp Burchkhardt có nhiều ưu 363 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 điểm cách thức mô hệ số thực nghiệm Bài báo trình bày nghiên cứu áp dụng mơ hình lốp Burchkhardt phân tích đánh giá động lực học chuyển động đồn xe sơmi rơ mc Một mơ hình động lực học khơng gian đồn xe sơmi rơ mc với lực tương tác lốp đường xác định từ mơ hình lốp Burchkhardt trình bày Kết nghiên cứu làm sở để nghiên cứu đánh giá động lực học chuyển động đoàn xe Từ đó, đề xuất giải pháp điều khiển nhằm tăng tính ổn định chuyển động đồn xe Mơ hình động lực học khơng gian đồn xe sơmi rơ mc 2.1 Phương trình vi phân mơ tả chuyển động Đồn xe sơmi rơ mc với kết cấu hai thân có phần tải trọng sơ mi rơ moóc đặt lên xe đầu kéo qua khớp nối dạng chốt kéo-mâm xoay Xe đầu kéo có cầu cầu trước bị động dẫn hướng, hai cầu sau chủ động với hệ thống treo cân Sơ mi rơ moóc có cầu dạng treo cân liên tiếp Để mô tả chuyển động phần treo C k (k=1: phần treo xe đầu kéo; k=2: phần treo SMRM) hệ quy chiếu cố định OXYZ gán hệ quy chiếu cục Ckxkykzk vào trọng tâm vật rắn k (xem Hình 2) tâm quay đặt trọng tâm Ck viết sau: (1) Trong đó: Ixk, Iyk, Izk mơ men qn tính khối lượng treo thứ k; Fxk, Fyk,Fzk, Mxk,Myk,Mzk tổng ngoại lực mô men ngoại lực tác dụng lên khối lượng treo k Mỗi cầu xe xác định dao động thẳng đứng (vzAi) lắc dọc cầu xe (ωxAi) viết sau: (2) Trong đó: mAi I Axi, I Ayi, IAzi khối lượng mơ men qn tính cầu thứ i; F AZi, M Axi tổng ngoại lực mô men ngoại lực theo phương AizAi cầu thứ i Để giải hệ phương trình vi phân (1) (2) cần xác định tất thành phần ngoại lực mô men ngoại lực vế phải Các lực liên kết khớp nối xác định từ điều kiện khớp nối lý tưởng có xét đến ảnh hưởng góc lắc ngang tương đối [7] Các lực mơ men hệ thống treo nhíp treo cân tính từ biến dạng thẳng đứng góc điểm treo tương ứng [4, 8],… 2.2 Mơ hình lốp Burchkhardt Hình Hệ quy chiếu đồn xe sơmi rơ moóc cầu Trong hệ quy chiếu đặt Ck gọi vk = éë vxk ,vyk ,vzk ,ω xk ,ω yk,ω zk ùû T véc tơ vận tốc tức thời khối lượng treo hệ quy chiếu tương ứng Hệ phương trình NewtonEuler [5, 6] cho khối lượng treo thứ k với 364 Nghiên cứu động lực học ô tơ cần thiết phải xây dựng tính chất liên kết lốp đường liên kết thành phần trực tiếp gây chuyển động ô tô Liên kết bánh xe - mặt đường liên kết phức tạp gồm thành phần lực Fxij, Fyij, Fzij (bỏ qua thành phần mô men) Đây lực thay đổi liên tục theo thời gian, phụ thuộc cấu trúc lốp, độ mấp mô tế vi đường yếu tố điều khiển người lái Mơ hình lốp thường sử dụng để xác định lực liên kết lốp đường xây dựng mô hình động lực học tơ Một mơ hình lốp dễ sử dụng cho kết gần với thực tế mơ hình Burchkhardt [4, 9] Theo mơ hình này, hệ số bám xác định theo công thức Các hệ số Ci xác định thực nghiệm cho loại đường khác theo bên Khi bánh xe chịu lực tổng hợp, xác định Fxij, Fyij sau: SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 sxij ỡ -C (C1 ổỗ1 - e ù Fxij = 2 è sxij + s yij ï í s yij -C ùF = (C1 ổỗ1 - e 2 ï yij è sxij + s yij ỵ 2 sxij + s yij 2 sxij + s yij ö - C s + s2 )F ÷ xij yij zij (3) ø (9) ö - C s2 + s2 )F ÷ xij yij zij ø Đầu vào mơ hình lốp dạng hệ số trượt dọc sxij góc trượt ngang syij xác định từ vận tốc dọc vxij, vận tốc ngang vyij góc quay bánh xe dẫn hướng δij Trong F zij (i=1÷6; j=1: bên trái, j=2: bên phải) tải trọng bánh xe, tách bánh xe Khi biết vận tốc dọc vận tốc góc bánh xe xác định hệ số trượt dọc sij sau: (10) ì v xij - rdij wBij ïv xij ï sij = í ï rdijwBij - v xij ï rdijwBij ỵ Góc lắc ngang βk khối lượng treo thứ k [5]: Kết khảo sát đánh giá -1 £ s ij £ (4) < s ij < Các góc lệch bên bánh xe dẫn hướng (cầu 1) viết sau: Mơ hệ phương trình vi phân (1), (2),… phương trình xác định lực, mơ men liên kết hệ thống treo thành phần lực tương tác lốp đường ngoại lực tác dụng khác phần mềm máy tính với thơng số đồn xe sơmi rơ mc cầu [12] Bảng Hệ số thực nghiệm mơ hình (5) Các góc lệch bên bánh xe cầu đến cầu viết sau: æ v yij aij = - atan ỗ ỗ v xij ÷÷ è ø (6) Trong đó: Các vận tốc dọc vij tình từ hệ phương trình (2) với vận tốc ban đầu vij0 cho trước Các vận tốc góc quay bánh xe ωBij xác định từ mơ hình bánh xe đàn hồi Đối với góc quay bánh xe dẫn hướng bên trái δ11 tính gián tiếp từ góc quay vơ lăng thơng qua tỷ số truyền hệ thống lái iS d11 = dSW iS (7) Đối với đồn xe sơmi rơ mc nghiên cứu, iS=25 Quy luật góc quay bánh xe dẫn hướng bên phải (δ12) tính từ quan hệ Ackermann [10] với khoảng cách hai trụ lái w=2,05 (m) chiều dài sở xe đầu kéo đến tâm cầu cân L=3,91m [11, 12] theo công thức sau: w (8) cot d12 - cot d11 = L Burchkhardt TT Loại đường Đường nhựa khô 1,281 23,99 0,52 Đường đá khô 1,3713 6,4565 0,6691 Đường đá ướt 0,4004 33,7080 0,1204 Đường phủ tuyết 0,1946 94,129 0,0646 Đường phủ băng 0,05 306,39 C1 C2 C3 Khảo sát với quy luật góc quay vơ lăng Hình với mức vận tốc 60km/h loại đường mơ mơ hình lốp Burchkhardt [9] với hệ số thực nghiệm theo Bảng Một số kết cho thấy ảnh hưởng rõ nét điều kiện đường đến khả ổn định ngang đồn xe sơmi rơ mc Khi xe chuyển động đường tốt (có hệ số bám cao đường Nhựa khơ, Đá khơ) xe bị lật ngang Sự lật ngang xảy nhanh Điều thể qua đồ thị hệ số phân bố tải trọng LTR 2.3 Một số tiêu đánh giá Hệ số phân bố tải trọng LTR (Load Transfer Ratio) [11, 12] cho đồn xe sơmi rơ mc cầu xe viết sau: SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Đồ thị góc quay vơ lăng 365 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình Đồ thị LTR Hình Đồ thị góc lắc ngang β1 Hình Đồ thị góc lắc ngang β2 Hai trường hợp khảo sát cho thấy LTR tiến đến nhanh Trong đường nhựa khơ có hệ số bám cao nên LTR tiến đến nhanh (Hình 4) Tương ứng gia tăng nhanh góc lắc ngang khối lượng treo Từ bắt đầu đánh lái đến góc lắc ngang khối lượng treo xe đầu kéo đạt 40 deg đường Nhựa khô đá khô 2,6s 4s (Hình 5) Đối với loại đường có hệ số bám thấp phủ tuyết phủ băng, xe không bị lật ngang, ta nhận thấy giá trị đánh giá ổn định xe điều mức thấp Ví dụ, gia tốc ngang khối lượng treo ay1 đạt 2m/s2 0,5m/s2 đường phủ tuyết phủ băng Trong với điều kiện đường tốt giá trị cao nhiều Điều cho thấy khả đồn xe khơng đáp ứng khả quay vòng theo mong muốn người lái Điều dẫn đến ổn định hướng trượt ngang, ổn định quỹ đạo chuyển động, gập thân xe Vấn đề đường nghiên cứu chuyên sâu nghiên cứu Kết luận Sự ổn định ngang đồn xe sơmi rơ mc có hai dạng ổn định hướng ổn định lật ngang Bài báo trình bày mơ hình động lực học đồn xe sơmi rơ mc lực tương tác lốp đường xác định mơ hình lốp Burchkhardt Bài báo phân tích đánh giá trạng thái ổn định lật ngang đoàn xe sơmi rơ mc quay vịng mức vận tốc 60km/h loại đường khác Các kết cho thấy, với loại đường nhựa khô đá khơ xe bị lật ngang Với loại đường có hệ số bám thấp xe khơng bị lật ngang dễ bị ổn định hướng Với phương pháp nghiên cứu nghiên cứu đánh giá xác định trạng thái ổn định hướng loại đường có hệ số bám thấp Từ có đề xuất hệ thống điều khiển ổn định đồn xe TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Đồ thị gia tốc ngang a y1 Hình Đồ thị gia tốc ngang a y2 366 [1] Dahlberg E and Stensson A, The dynamic rollover threshold a heavy truck sensitivity study, Int J Vehicle Design, Vol 40, Nos 1/2/3, 2006 [2] Ammon D, Modellbildung und Systementwicklung in der Fahrzeugtechink, BG Teubner, 1997 [3] Pacejka H B, Tyre and Vehicle Dynamics Third editon, Butterworth-Heinemann Publisher, 2005 [4] Võ Văn Hường, Nguyễn Tiến Dũng, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc, Động lực học ô tô, NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội, 2014 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 [5] Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini, Vehicle Dynamics Modeling and Simulation, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany, 2014 [6] Blundell M and Harty D, Multibody Systems Approach to Vehicle Dynamics, Elsevier’s Science anh Technology Right Department, Oxford, UK, 2004 [7] Liu P, Analysis, Detection and Early Warning Control of Dynamic Rollover of Heavy Freight Vehicles, Concordia University, Canada,1999 [8] Vũ Đức Lập, Dao động ô tô, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội, 1994 [9] Nguyễn Trọng Hoan, Nguyễn Khắc Tuân, Hệ thống truyền lực ô tô, NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội, 2018 [10] Jazar R N (2005) Vehicle Dynamics Theory and Application, Springer New York, USA SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) [11] Dương Ngọc Khánh, Tạ Tuấn Hưng Võ Văn Hường, Nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao trọng tâm đến trạng thái ổn định lật ngang đoàn xe sơ mi rơ mc quay vịng, Tuyển tập Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, 8-9/12/2017, Hà Nội, 2017 [12] TA Tuan Hung, DUONG Ngoc Khanh, VO Van Huong, A study on lateral instability of tractor semitrailer turning maneuvers on roads with high adhesion coefficient, The First International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems ICFMAS2018, 2018 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 30/6/2021 06/8/2021 16/8/2021 367 ... luận Sự ổn định ngang đồn xe s? ?mi rơ mc có hai dạng ổn định hướng ổn định lật ngang Bài báo trình bày mơ hình động lực học đồn xe s? ?mi rơ mc lực tương tác lốp đường xác định mơ hình lốp Burchkhardt. .. tính ổn định chuyển động đồn xe Mơ hình động lực học khơng gian đồn xe s? ?mi rơ mc 2.1 Phương trình vi phân mơ tả chuyển động Đồn xe s? ?mi rơ mc với kết cấu hai thân có phần tải trọng sơ mi rơ moóc. .. lực học khơng gian đồn xe s? ?mi rơ moóc với lực tương tác lốp đường xác định từ mơ hình lốp Burchkhardt trình bày Kết nghiên cứu làm sở để nghiên cứu đánh giá động lực học chuyển động đoàn xe Từ