CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. AN TOÀN GIAO THÔNG VỚI ĐOÀN XE Cùng với sự tăng trưởng mạnh của nền kinh tế trong nước, nhu cầu sử dụng ô tô nói chung và đoàn xe nói riêng trong vận tải hành khách, hàng hóa cũng tăng với số lượng lớn. Điều kiện đường xá trong những năm gần đây đã được cải thiện nhiều, tốc độ chuyển động cho phép của xe cũng được tăng lên đã góp phần rút ngắn thời gian vận tải, mang lại nhiều hiệu quả kinh tế. Trái lại, vấn đề an toàn giao thông đang là vấn đề nóng bỏng không chỉ ở Việt nam mà mang tính toàn cầu, theo báo cáo của tổ chức Y tế Thế giới WHO ngày 19/4/2007, mỗi năm tai nạn giao thông làm chết 1,2 triệu người và làm thương 20-50 triệu người.
Theo thống kê của Ủy ban An toàn giao thông cao tốc Mỹ năm 2004 có 42.636 người thiệt mạng trong tổng số 6.000 vụ tai nạn giao thông. Trong số các vụ tai nạn làm thương 2.000 người và phá hủy nhiều tài sản về vật chất. Theo ước tính năm 2002, chi phí cho các vụ tai nạn giao thông tại Mỹ lên tới 230. Tai nạn xảy ra với nhiều loại phương tiện trong đó có 815,000 vụ tai nạn giao thông lật xe với xe tải trong đó số vụ tai nạn liên quan đến đoàn xe bán rơmoóc là 9,400 vụ.
Tai nạn giao thông xảy ra với đoàn xe có thể gây phá hủy các công trình giao thông, gây thiệt hại lớn về hàng hóa và nguy hiểm hơn cả có thể liên đới gây tai nạn nghiêm trọng cho các phương tiện khác cùng tham gia giao thông. Một trong số các nguyên nhân xảy ra tai nạn giao thông với đoàn xe là sự cố mất ổn định chuyển động. Hiện tượng mất ổn định chuyển động của ô tô nói chung và đoàn xe nói riêng có thể xuất hiện bởi sự thay đổi ngẫu nhiên của mặt đường, xảy ra trong quá trình phanh hoặc tránh chướng ngại vật trên đường. Hiện tượng mất ổn 4 định chủ yếu có thể là: hiện tượng mất ổn định do xoay thân đoàn xe; hiện tượng lắc ngang có thể dẫn đến lật ngang đoàn xe và hiện tượng bẻ gãy thân đoàn xe.
a) Mất ổn định do xoay thân đoàn xe Hiện tượng này thường có thể xảy ra trên tất cả các loại xe, do sự trượt của xe khi bị quay vòng thừa hoặc thiếu quá mức. Hiện tượng trên xảy ra với đoàn xe như được thể hiện trên hình 1. Sự trượt các cầu của đoàn xe có thể là do xuất hiện sự sai khác về giá trị lực bên giữa các bánh xe trên các cầu của xe đầu kéo và bán rơmoóc hoặc rơmoóc. Sự sai khác này có thể làm đoàn xe xoay theo hướng không mong muốn.
Hiện tượng mất ổn định do xoay thân xe Để khắc phục hiện tượng trên, đã có nhiều công trình nghiên cứu và tiếp tục hoàn thiện nhằm mục đích duy trì sự xoay thân xe với mức độ ổn định tốt hơn bằng cách phát hiện và khống chế khả năng mất ổn định của xe, từ đó có thể làm giảm đáng kể tai nạn giao thông. Có thể kể đến chương trình điều khiển ổn định điện tử ESP ( Electronic Stability Program - chương trình điều khiển ổn định xoay thân xe). 5 b) Hiện tượng bẻ gãy thân xe Hiện tượng bẻ gãy thân xe chỉ xảy ra với các loại đoàn xe có khớp nối, ví dụ như: bán rơmoóc, rơmoóc, tổ hợp nhiều khớp nối. Hiện tượng trên xảy ra khi xe đầu kéo hoặc bán rơmoóc/rơmoóc bị trượt, như thể hiện trên hình 1.2 Hiện tượng mất ổn định do bị bẻ gãy đoàn xe Hiện tượng trên có thể xuất hiện trong các trường hợp: đi trên đường trơn, phanh ngặt hoặc do sự thay đổi tải trọng.
Đa số các trường hợp xảy ra khi các bánh xe ở cầu sau xe đầu kéo bị mất khả năng bám do phanh quá ngặt hoặc do gia tốc lớn khi đi trên đường có hệ số bám thấp. Trong khi phanh trên đường có hệ số bám thấp các bánh xe cầu sau xe đầu kéo có thể bị khóa cứng và mất khả năng kéo trên đường. Khi xe đầu kéo bị trượt, nó có thể bị bán rơmoóc/rơmoóc đẩy sang bên làm xuất hiện hiện tượng mất ổn định hướng 6 chuyển động được gọi là hiện tượng bẻ gẫy. Đoàn xe bị bẻ gãy, người lái khó có thể điều khiển hướng chuyển động của xe theo mong muốn.
Hiện tượng này còn xảy ra đối với bán rơmoóc/ rơmoóc ở phía sau xe khi các bánh xe trên cầu sau của rơmoóc/rơmoóc bị khóa cứng và trượt trong quá trình phanh dẫn đến bị cắt kéo rơmoóc/ rơmoóc. Bẻ gãy đoàn xe là một trong số các dạng mất an toàn chuyển động điển hình của đoàn xe, hướng nghiên cứu giải quyết vấn đề trên đang được quan tâm phát triển. Có thể kể đến các hệ thống điều khiển như: ABS được đặt trên xe đầu kéo hoặc trên rơmoóc/rơmoóc nhằm chống lại hiện tượng bẻ gãy gián tiếp thông qua điều khiển sự khóa cứng các bánh xe; AYC (Active Yaw Control) được tổ hợp với ABS nhằm chống lại hiện tượng trên bằng cách trực tiếp điều khiển lực phanh tại các bánh xe cầu sau xe đầu kéo và bán rơmoóc/rơmoóc hoặc giảm mômen kéo từ động cơ. c) Hiện tượng lật ngang Đoàn xe có thể bị lắc ngang bởi các lực tác động lên phần khối lượng nằm trên trục lắc ngang của đoàn xe.
Sự lắc ngang đến một giới hạn có thể gây lật ngang toàn bộ đoàn xe hoặc bẻ vặn bán rơmoóc. Lật ngang có thể xảy ra khi xe quay vòng ở tốc độ thấp, khi phanh hoặc chuyển hướng đột ngột. Tai nạn giao thông liên quan đến lật ngang chiếm tỷ lệ khá cao không chỉ xảy ra với đoàn xe mà còn xảy ra với các loại xe khác nhau đặc biệt là với các loại xe có chiều cao lớn. Các hệ thống đã được nghiên cứu nhằm làm giảm đáng kể khả năng lật ngang của đoàn xe có thể kể đến như: hệ thống VDC (Vehicle Dynamics Control) bằng việc điều khiển trực tiếp lực phanh tại các bánh xe.
Hiện tượng mất ổn định lật ngang đoàn xe 1. QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐOÀN XE Hướng nghiên cứu về động lực học chuyển động của ô tô hiện đang được hoàn thiện với các mục đích như: xây dựng bộ tiêu chuẩn về động lực học ô tô, nâng cao chất lượng chuyển động, tăng tính tiện nghi, êm dịu và an toàn giao thông ở trạng thái chuyển động thẳng và chuyển động quay vòng. Liên quan chặt chẽ tới bài toán động lực học đó là xác định quỹ đạo chuyển động của ôtô. Quỹ đạo chuyển động của ô tô là một đường cong, được xác định bởi các vị trí liên tiếp của trọng tâm ô tô.
Ô tô có thể chuyển động thẳng, quay vòng hay vượt chướng ngại theo yêu cầu. Nghiên cứu đầy đủ về động lực học chuyển động của đoàn xe cần thiết phải đặt ra trong hệ toạ độ không gian ba chiều. Tuy nhiên tùy theo tính phức tạp và mục đích của bài toán mà có thể xét trong mặt phẳng của đường (toạ độ hai chiều) nhưng xét đến kết cấu đặc trưng trong không gian. Bài toán xác định quỹ đạo chuyển động của đoàn xe được xác định trong hệ tọa độ cố định ( hệ tọa độ quán tính trái đất) Oxoyozo, quỹ đạo chuyển động của xe đầu kéo 8 được xác định bằng các chuyển vị theo trục Ox o, Oy o với góc xoay thân xe ε.
Khâu liên kết giữa xe đầu kéo với bán rơmoóc là khâu bản lề. Quỹ đạo chuyển động của bán rơmoóc được xác định với góc đặc trưng là góc lệch giữa trục dọc bán rơmoóc với trục dọc xe đầu kéo φ. Khảo sát quỹ đạo chuyển động đoàn xe là khảo sát phản ứng của đoàn xe với tác động điều khiển hướng từ vành lái. Tùy theo mục đích khảo sát khác nhau mà xem xét quỹ đạo chuyển động với các yếu tố ảnh hưởng khác nhau để từ đó khảo sát, đánh giá tính ổn định quỹ đạo chuyển động của đoàn xe đáp ứng yêu cầu mong muốn.
Trong quá trình điều khiển, đoàn xe chuyển động trên đường phải đảm bảo quỹ đạo chuyển động theo đường cong mặt đường là một yếu tố nhằm đảm bảo an toàn giao thông. Tuy nhiên, quỹ đạo chuyển động thực tế của đoàn xe thường theo những quỹ đạo phức tạp, vận tốc thay đổi, yếu tố liên quan tới mặt đường thay đổi, các chướng ngại vật xuất hiện và người lái luôn phải thích ứng và tối ưu hoá quá trình chuyển động bằng hành động điều khiển góc quay vành lái, phanh, ga. Quỹ đạo chuyển động và các yếu tố ảnh hưởng có quan hệ chặt chẽ, nếu không đảm bảo mối quan hệ này thì khả năng mất quỹ đạo chuyển động dẫn tới mất an toàn giao thông là rất dễ dàng xảy ra. Khảo sát quỹ đạo chuyển động của đoàn xe trong luận văn này là bài toán cở sở trong nghiên cứu và phát triển theo hướng động lực học, kết quả đạt được có thể là một trong những cơ sở lý thuyết giúp các nhà lãnh đạo, các nhà kỹ thuật đề ra các tiêu chuẩn pháp lý, đồng thời bổ sung các kết quả nghiên cứu, đào tạo và trong hướng dẫn sử dụng phương tiện trên.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC ĐOÀN XE. Trên thế giới, công tác nghiên cứu động lực học ô tô con nhằm đưa ra quy luật điều khiển ở các vùng tốc độ khác nhau đã ở mức hoàn thiện cao. Trong thời gian gần đây, các công trình nghiên cứu trên thế giới đã tập trung nhiều hơn vào lĩnh vực động lực học cho xe có tải trọng lớn như: xe buýt có sức chở lớn, xe tải nặng, siêu nặng và đoàn xe. Với đoàn xe, hướng nghiên trên được đề cập và hoàn thiện chưa nhiều.
Các tài liệu, thí nghiệm và khảo sát còn đang được thực hiện và kết quả công bố còn hạn chế. Một trong số nguyên nhân trên là tính phức tạp của bài toán cơ học hệ nhiều vật. Đoàn xe khi xem xét trên mô hình phẳng có thể được xem như bài toán với con lắc kép với tác động kích thích từ vành lái hoặc các ngoại lực tác dụng, tính quy luật về quỹ đạo chuyển động còn cho rõ nét, do vậy hướng nghiên cứu trên đang tiếp tục được triển khai, khảo sát, bổ sung và hoàn thiện. Ở Việt nam, tài liệu, công tác nghiên cứu, thí nghiệm động lực học chuyển động cho đoàn xe được đề cập rất ít.