Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp ô tô Việt Nam, việc đảm bảo an toàn và tính ổn định chuyển động của các phương tiện giao thông ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, giai đoạn phổ cập ô tô tại Việt Nam diễn ra từ 2020 đến 2025, với thị trường ô tô nội địa đạt trên 200.000 xe/năm. Đặc biệt, ô tô khách cỡ lớn với kích thước vỏ xe lớn khi di chuyển ở vận tốc cao, nhất là trong điều kiện gió ngang mạnh, chịu tác động lớn từ các lực khí động học như lực cản, lực nâng và lực ngang, có thể gây mất ổn định quỹ đạo chuyển động, ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn giao thông.

Luận văn tập trung nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của lực gió ngang đến tính ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn 45 chỗ THACO HB120-SL trong điều kiện chuyển động có gió ngang. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình động lực học không gian 14 bậc tự do của xe khách, mô phỏng các lực khí động tác động và khảo sát ảnh hưởng của chúng đến các chỉ số ổn định như độ lệch bên, vận tốc góc quay thân xe và gia tốc ngang. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng lý thuyết và phân tích số liệu trong điều kiện vận tốc xe từ 20 đến 30 m/s, với các trường hợp gió ngang ổn định và thay đổi theo quy luật.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho các bài toán điều khiển và cảnh báo an toàn trong vận hành thực tế, góp phần nâng cao an toàn giao thông và phát triển công nghiệp ô tô trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết khí động học ô tô: Phân tích các lực khí động tác động lên vỏ xe gồm lực cản không khí, lực nâng và lực ngang, cùng các mô men xoay quanh các trục của xe. Các thông số đặc trưng như số Reynolds, Mach và Strohal được sử dụng để mô tả dòng chảy không khí quanh xe.

  • Mô hình động lực học không gian 14 bậc tự do: Mô hình bao gồm chuyển động tịnh tiến và quay của thân xe, cầu xe trước và sau, cùng chuyển động quay của bánh xe. Phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật được áp dụng để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của từng thành phần.

  • Mô hình lốp Pacejka: Được sử dụng để xác định các lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường, bao gồm lực dọc và lực ngang phụ thuộc vào độ trượt và góc lệch bánh xe.

  • Mô hình gió xiên và lực khí động học: Xác định vận tốc gió tương đương và góc nghiêng gió tác động lên xe, từ đó tính toán các lực và mô men khí động bằng phương pháp mô phỏng thể tích hữu hạn (CFD) sử dụng phần mềm Ansys Fluent.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật của xe khách THACO HB120SL-H380R-14, dữ liệu khí động học thu được từ mô phỏng CFD và các tham số động lực học từ tài liệu chuyên ngành. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả động lực học của xe khách cỡ lớn với 14 bậc tự do, bao gồm các lực và mô men khí động, lực từ hệ thống treo và lực tương tác bánh xe - mặt đường.

  • Mô phỏng số: Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để giải hệ phương trình vi phân, khảo sát các chỉ số ổn định như độ lệch bên, vận tốc góc quay thân xe, gia tốc ngang trong các điều kiện gió ngang khác nhau.

  • Mô phỏng khí động học: Áp dụng phần mềm Ansys Fluent với mô hình dòng rối K-EPSILON để tính toán các lực và mô men khí động tác động lên xe trong điều kiện gió ngang, sử dụng mô hình 3D của xe khách với hơn 2 triệu phần tử lưới.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu diễn ra trong năm 2022, bao gồm xây dựng mô hình, mô phỏng khí động học, mô phỏng động lực học và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của lực gió ngang đến độ lệch bên của xe: Khi vận tốc xe là 20 m/s và gió ngang ổn định, độ lệch bên của xe có thể đạt đến khoảng 0,3 m trong 0,5 giây đầu tiên. Khi vận tốc xe tăng lên 30 m/s, độ lệch bên tăng lên khoảng 0,5 m, vượt giới hạn an toàn làn đường. Điều này cho thấy nguy cơ vi phạm làn đường tăng theo vận tốc xe và vận tốc gió ngang.

  2. Gia tốc lệch bên và vận tốc góc quay thân xe: Gia tốc lệch bên của xe khách cỡ lớn tăng theo vận tốc gió ngang, với giá trị gia tốc có thể vượt 0,4 m/s² khi vận tốc gió ngang đạt 15 m/s. Vận tốc góc quay thân xe cũng tăng tương ứng, đạt giá trị khoảng 0,1 rad/s ở vận tốc xe 30 m/s và gió ngang 15 m/s, làm giảm tính ổn định hướng của xe.

  3. Ảnh hưởng của gió ngang thay đổi theo quy luật bậc thang: Khi gió ngang biến đổi đột ngột, các chỉ số ổn định như độ lệch bên và gia tốc lệch bên có xu hướng dao động mạnh hơn, làm tăng nguy cơ mất kiểm soát xe trong thời gian ngắn.

  4. Mô hình động lực học và mô phỏng khí động học: Kết quả mô phỏng CFD cho thấy vùng rối khí động lớn xuất hiện phía đuôi xe, gây ra lực cản và lực ngang đáng kể. Các lực và mô men khí động được tính toán chính xác, làm cơ sở cho mô hình động lực học tổng quát.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự mất ổn định là do lực khí động ngang lớn tác động lên thân xe, đặc biệt khi vận tốc gió ngang vượt quá 10 m/s. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo của các tác giả cho thấy vận tốc gió ngang trên 10 m/s làm xe vi phạm làn đường. Việc mô phỏng chi tiết các lực khí động và động lực học giúp hiểu rõ hơn cơ chế mất ổn định, từ đó hỗ trợ phát triển các hệ thống điều khiển ổn định và cảnh báo sớm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ độ lệch bên theo thời gian, gia tốc lệch bên theo vận tốc gió, và bảng tổng hợp các chỉ số ổn định ở các điều kiện vận tốc xe và gió khác nhau, giúp trực quan hóa mức độ ảnh hưởng của gió ngang.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống cảnh báo và điều khiển ổn định chủ động: Áp dụng các thuật toán điều khiển dựa trên mô hình động lực học để cảnh báo người lái khi phát hiện các điều kiện gió ngang nguy hiểm, giảm thiểu nguy cơ mất ổn định. Thời gian triển khai dự kiến trong 2 năm, chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất ô tô và viện nghiên cứu.

  2. Cải tiến thiết kế khí động học xe khách cỡ lớn: Tối ưu hóa hình dạng vỏ xe để giảm lực khí động ngang và mô men xoay, đặc biệt là thiết kế cánh đuôi và các chi tiết giảm lực rối. Mục tiêu giảm lực ngang ít nhất 15% trong vòng 3 năm, do bộ phận thiết kế và kỹ thuật của nhà sản xuất thực hiện.

  3. Nâng cao chất lượng hệ thống treo và lốp xe: Sử dụng hệ thống treo có độ cứng và giảm chấn phù hợp để giảm dao động và tăng khả năng bám đường trong điều kiện gió ngang mạnh. Thời gian thực hiện 1-2 năm, do các nhà cung cấp linh kiện và nhà sản xuất phối hợp.

  4. Tổ chức đào tạo và nâng cao nhận thức người lái xe: Cung cấp kiến thức về ảnh hưởng của gió ngang và kỹ năng xử lý tình huống mất ổn định, giúp giảm thiểu tai nạn giao thông. Thời gian triển khai liên tục, chủ thể là các cơ quan quản lý giao thông và doanh nghiệp vận tải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất ô tô và kỹ sư thiết kế: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và mô hình giúp cải tiến thiết kế xe khách cỡ lớn, nâng cao tính ổn định và an toàn.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật ô tô: Là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo về động lực học và khí động học ô tô trong điều kiện thực tế.

  3. Doanh nghiệp vận tải hành khách liên tỉnh: Hiểu rõ ảnh hưởng của điều kiện gió ngang đến an toàn vận hành, từ đó áp dụng các biện pháp phòng ngừa và đào tạo lái xe.

  4. Cơ quan quản lý giao thông và an toàn đường bộ: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các quy chuẩn, tiêu chuẩn an toàn và chính sách hỗ trợ phát triển công nghiệp ô tô an toàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Lực gió ngang ảnh hưởng như thế nào đến sự ổn định của xe khách cỡ lớn?
    Lực gió ngang tạo ra các lực và mô men khí động tác động lên thân xe, gây ra độ lệch bên, gia tốc lệch bên và vận tốc góc quay thân xe tăng lên, làm giảm tính ổn định hướng và có thể dẫn đến mất kiểm soát xe. Ví dụ, gió ngang trên 10 m/s có thể khiến xe vi phạm làn đường.

  2. Mô hình động lực học 14 bậc tự do có ưu điểm gì?
    Mô hình này mô tả chi tiết các chuyển động tịnh tiến và quay của thân xe, cầu xe và bánh xe, cho phép phân tích chính xác ảnh hưởng của các lực khí động và lực tương tác bánh xe - mặt đường đến tính ổn định xe trong điều kiện thực tế.

  3. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng khí động học và động lực học?
    Phần mềm Ansys Fluent được sử dụng để mô phỏng khí động học, tính toán lực và mô men khí động. Matlab Simulink được dùng để giải hệ phương trình vi phân động lực học và khảo sát các chỉ số ổn định.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này vào thực tế như thế nào?
    Kết quả có thể làm cơ sở cho phát triển hệ thống điều khiển ổn định chủ động, cảnh báo người lái, cải tiến thiết kế xe và đào tạo lái xe nhằm nâng cao an toàn giao thông.

  5. Nghiên cứu có giới hạn gì và cần phát triển thêm những gì?
    Nghiên cứu chủ yếu dựa trên mô phỏng lý thuyết với các thông số tham khảo. Cần thực nghiệm thực tế để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình và mở rộng nghiên cứu sang các điều kiện vận hành đa dạng hơn.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình động lực học không gian 14 bậc tự do cho xe khách cỡ lớn, tích hợp các lực khí động học từ mô phỏng CFD.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy lực gió ngang có ảnh hưởng rõ rệt đến độ lệch bên, gia tốc lệch bên và vận tốc góc quay thân xe, làm giảm tính ổn định chuyển động.
  • Các chỉ số ổn định tăng theo vận tốc xe và vận tốc gió ngang, đặc biệt khi gió ngang vượt 10 m/s, nguy cơ mất ổn định và vi phạm làn đường tăng cao.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển hệ thống điều khiển ổn định và cảnh báo an toàn trong vận hành xe khách cỡ lớn.
  • Bước tiếp theo là thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng mô hình và mở rộng ứng dụng trong điều kiện vận hành thực tế, đồng thời triển khai các giải pháp cải tiến thiết kế và đào tạo người lái.

Hành động khuyến nghị: Các nhà sản xuất và doanh nghiệp vận tải nên phối hợp triển khai các giải pháp kỹ thuật và đào tạo dựa trên kết quả nghiên cứu để nâng cao an toàn giao thông và hiệu quả vận hành xe khách cỡ lớn.