Mô Phỏng Quỹ Đạo Chuyển Động Của Đoàn Xe Kéo Bán Rơmoóc

Tài liệu nghiên cứu Xây dựng hương trình mô phỏng quỹ đạo chuyển động của đoàn xe kéo bán rơmoóc khi chuyển động trên, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Nguyễn Hùng Mạnh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Khắc Trai
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Mô Phỏng Quỹ Đạo Chuyển Động Của Đoàn Xe Kéo Bán Rơmoóc
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. An toàn giao thông với đoàn xe
• 1.2. Quỹ đạo chuyển động của đoàn xe
• 1.3. Tình hình nghiên cứu động lực học đoàn xe
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN
• 2.1. Mô hình đoàn xe kéo bán rơmoóc
• 2.2. Mô hình động lực học hai vết đoàn xe kéo bán rơmoóc
• 2.3. Mô hình động lực học một vết đoàn xe kéo bán rơmoóc
• 2.4. Quan hệ động học trong mô hình đoàn xe kéo bán rơmoóc
• 2.5. Mô hình hệ thống lái
• 2.6. Mô hình bánh xe. Xác định tọa độ trọng tâm và hành lang quét đoàn xe
• 3. CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ SỐ LIỆU
• 3.1. Các hàm mục tiêu của bài toán
• 3.2. Hàm góc quay vành lái
• 3.3. Phương pháp mô phỏng
• 3.4. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động và hành lang quét đoàn xe
• 3.5. Lựa chọn bộ số liệu và các phương án khảo sát
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
• 4.1. Nhận xét chung
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Phỏng Quỹ Đạo Chuyển Động Của Đoàn Xe Kéo Bán Rơmoóc

Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của đoàn xe kéo bán rơmoóc là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành cơ khí động lực. Đoàn xe kéo bán rơmoóc có cấu trúc phức tạp và thường xuyên phải đối mặt với các thách thức trong quá trình vận hành. Việc hiểu rõ về quỹ đạo chuyển động giúp nâng cao an toàn giao thông và tối ưu hóa hiệu suất vận tải.

1.1. Khái Niệm Về Đoàn Xe Kéo Bán Rơmoóc

Đoàn xe kéo bán rơmoóc là một tổ hợp phương tiện giao thông có khả năng vận chuyển hàng hóa lớn. Cấu trúc của nó bao gồm một xe đầu kéo và một bán rơmoóc, tạo thành một hệ thống phức tạp trong việc điều khiển và mô phỏng chuyển động.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Mô Phỏng Quỹ Đạo Chuyển Động

Mô phỏng quỹ đạo chuyển động giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của đoàn xe. Điều này không chỉ giúp cải thiện an toàn giao thông mà còn tối ưu hóa quy trình vận tải, giảm thiểu tai nạn và thiệt hại.

II. Vấn Đề An Toàn Giao Thông Với Đoàn Xe Kéo Bán Rơmoóc

An toàn giao thông là một trong những vấn đề cấp bách hiện nay, đặc biệt là với đoàn xe kéo bán rơmoóc. Các tai nạn giao thông thường xảy ra do sự cố mất ổn định trong quá trình chuyển động. Việc nghiên cứu và mô phỏng quỹ đạo chuyển động giúp phát hiện và khắc phục những vấn đề này.

2.1. Nguyên Nhân Gây Tai Nạn Giao Thông

Tai nạn giao thông với đoàn xe kéo bán rơmoóc thường xảy ra do hiện tượng mất ổn định. Các nguyên nhân chính bao gồm sự thay đổi đột ngột của mặt đường, phanh gấp hoặc tránh chướng ngại vật.

2.2. Hệ Thống Điều Khiển An Toàn

Các hệ thống điều khiển như ESP và ABS đã được phát triển để giảm thiểu nguy cơ mất ổn định. Những công nghệ này giúp duy trì sự ổn định của đoàn xe trong quá trình vận hành.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Quỹ Đạo Chuyển Động Của Đoàn Xe Kéo Bán Rơmoóc

Phương pháp mô phỏng quỹ đạo chuyển động của đoàn xe kéo bán rơmoóc bao gồm việc sử dụng các mô hình toán học và phần mềm chuyên dụng. Những phương pháp này cho phép phân tích và dự đoán hành vi của đoàn xe trong các tình huống khác nhau.

3.1. Mô Hình Toán Học Trong Mô Phỏng

Mô hình toán học được xây dựng dựa trên các phương trình động lực học của đoàn xe. Những mô hình này giúp xác định quỹ đạo chuyển động và các lực tác động lên đoàn xe.

3.2. Sử Dụng Phần Mềm Mô Phỏng

Phần mềm mô phỏng cho phép thực hiện các thí nghiệm ảo, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Các kết quả thu được từ mô phỏng có thể được sử dụng để cải thiện thiết kế và quy trình vận hành của đoàn xe.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Quỹ Đạo Chuyển Động

Kết quả nghiên cứu về quỹ đạo chuyển động của đoàn xe kéo bán rơmoóc đã chỉ ra rằng việc mô phỏng có thể giúp cải thiện đáng kể tính ổn định và an toàn trong quá trình vận hành. Những phát hiện này có thể được áp dụng trong thực tiễn để nâng cao hiệu quả vận tải.

4.1. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy sự ảnh hưởng của các yếu tố như tốc độ, góc quay và tải trọng đến quỹ đạo chuyển động. Những thông tin này rất quan trọng trong việc thiết kế và điều chỉnh các hệ thống điều khiển.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong việc phát triển các tiêu chuẩn kỹ thuật cho đoàn xe kéo bán rơmoóc, từ đó nâng cao an toàn giao thông và hiệu quả vận tải.

V. Kết Luận Về Mô Phỏng Quỹ Đạo Chuyển Động

Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của đoàn xe kéo bán rơmoóc là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, góp phần nâng cao an toàn giao thông và hiệu quả vận tải. Các kết quả nghiên cứu cho thấy cần tiếp tục phát triển và hoàn thiện các phương pháp mô phỏng để đáp ứng nhu cầu thực tiễn.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu

Trong tương lai, nghiên cứu về mô phỏng quỹ đạo chuyển động sẽ tiếp tục được mở rộng, với sự phát triển của công nghệ và phần mềm mô phỏng hiện đại.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Mới

Cần nghiên cứu thêm về các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động trong các điều kiện thực tế khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho đoàn xe kéo bán rơmoóc.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo toàn cầu của Tổ chức Y tế Thế giới, tai nạn giao thông cướp đi sinh mạng của khoảng 1,2 triệu người và làm bị thương từ 20 đến 50 triệu người mỗi năm. Tại Mỹ, các cơ quan an toàn giao thông ghi nhận hơn 815.000 vụ tai nạn liên quan đến xe tải hạng nặng, trong đó có khoảng 9.400 vụ lật xe và sự cố nghiêm trọng xảy ra với các tổ hợp xe kéo bán rơmoóc, gây thiệt hại kinh tế ước tính vượt 230 tỷ USD. Tại Việt Nam, nhu cầu vận tải hàng hóa khối lượng lớn bằng đoàn xe siêu trường, siêu trọng tăng trưởng mạnh mẽ cùng với tiến trình công nghiệp hóa. Tuy nhiên, kích thước chiều dài lớn, tải trọng hàng chục tấn và đặc tính động học phức tạp khiến đoàn xe đối mặt với nguy cơ mất ổn định chuyển động rất cao khi đi vào các đoạn đường vòng hoặc thực hiện thao tác tránh chướng ngại vật.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự xuất hiện của các hiện tượng mất ổn định nguy hiểm: xoay thân xe do thừa lái hoặc thiếu lái, mất ổn định lật ngang do lực quán tính ly tâm, và đặc biệt là hiện tượng bẻ gãy thân xe khi có sự sai lệch lực phanh hoặc lực bên giữa xe đầu kéo và bán rơmoóc. Đề tài tập trung giải quyết bài toán xây dựng mô hình toán học và chương trình mô phỏng quỹ đạo chuyển động, từ đó xác định chính xác hành lang quét của đoàn xe kéo bán rơmoóc khi quay vòng trên mặt đường bằng phẳng ở dải vận tốc tiêu chuẩn dưới 50 km/h. Nghiên cứu được thực hiện tại Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dùng thuộc Viện Cơ khí Động lực trong giai đoạn 2006-2008. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học định lượng giúp giảm thiểu ước tính khoảng 20% đến 30% rủi ro mất lái, đồng thời hỗ trợ tối ưu hóa kích thước làn đường thiết kế tại các đoạn đường cong nguy hiểm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng cơ học hệ nhiều vật và động lực học ô tô hiện đại, áp dụng hai lý thuyết nền tảng chính:

• Nguyên lý Đalămbe (D'Alembert) cho hệ động lực học nhiều vật rắn liên kết: Đoàn xe được mô hình hóa thành một cơ hệ gồm hai vật rắn phẳng liên kết với nhau qua khớp bản lề lý tưởng tại vị trí mâm xoay, bỏ qua ma sát trong và khe hở cơ khí. Trọng tâm của xe đầu kéo và bán rơmoóc lần lượt chịu tác động của lực quán tính tịnh tiến, lực quán tính ly tâm cùng mô men quán tính quay quanh trục thẳng đứng.
• Mô hình lốp biến dạng đàn hồi tuyến tính: Phản lực bên tại vết tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường được xác định thông qua độ cứng góc lệch bên của lốp và góc lệch hướng chuyển động, bỏ qua ảnh hưởng của mô men đàn hồi hồi vị và tính phi tuyến của lốp khi làm việc ở vùng gia tốc bên thấp dưới 0,4 g.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm: góc quay bánh xe dẫn hướng, góc lệch bên thân xe đầu kéo và bán rơmoóc, vận tốc góc xoay thân xe quanh trục đứng, góc gập tương đối giữa trục dọc đầu kéo và bán rơmoóc, cùng khái niệm hành lang quét biểu diễn biên bao không gian lớn nhất mà các góc mép của đoàn xe chiếm dụng khi di chuyển.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp giải tích kết hợp mô phỏng số trên máy tính. Dữ liệu đầu vào bao gồm bộ thông số kỹ thuật chuẩn xác của đoàn xe kéo bán rơmoóc với hơn 20 thông số hình học và khối lượng: chiều dài cơ sở xe đầu kéo, khoảng cách từ trọng tâm đến các cầu, khoảng cách từ khớp nối đến trục cầu sau bán rơmoóc, khối lượng toàn bộ, mô men quán tính trục đứng, và độ cứng góc lệch bên của các cụm bánh xe. Phương pháp chọn mẫu số liệu được xây dựng dựa trên các thông số thực tế của dòng xe tải nặng kéo bán rơmoóc phổ biến trong vận tải đường bộ Việt Nam.

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số thông qua công cụ chuyên dụng là vì các thử nghiệm thực địa với đoàn xe tải trọng lớn trên bãi thử đòi hỏi kinh phí rất cao và tiềm ẩn rủi ro lật xe nghiêm trọng. Đề tài thiết lập hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc cao mô tả chuyển động phẳng của mô hình một vết tương đương, sau đó chuyển đổi thành sơ đồ khối mô phỏng trên nền tảng phần mềm kỹ thuật số. Toàn bộ hệ phương trình được giải bằng thuật giải số thích ứng Runge-Kutta bậc 4 với bước tích phân linh hoạt, thiết lập mức sai số tương đối và sai số tuyệt đối ban đầu ở ngưỡng 0,000001, đảm bảo độ hội tụ cao và phản ánh trung thực phản ứng động lực học của đoàn xe trong suốt thời gian mô phỏng từ năm 2006 đến 2008.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng phản ứng của đoàn xe khi chịu kích động góc quay bánh xe dẫn hướng đạt giá trị cực đại 0,14 rad (tương đương 8 độ) trong thời gian quá độ 1,0 giây ở vận tốc 30 km/h đến 50 km/h đã chỉ ra các quy luật chuyển động rõ rệt:

• Thời gian quá độ và trạng thái xác lập của vận tốc góc xoay: Vận tốc góc xoay thân xe đầu kéo và bán rơmoóc nhanh chóng đạt đỉnh trong khoảng 1,2 đến 1,8 giây đầu tiên, sau đó dao động tắt dần và tiến tới giá trị ổn định xác lập sau khoảng 2,5 giây. Sự lệch pha giữa góc xoay của xe đầu kéo và bán rơmoóc thể hiện rõ độ trễ động học do khối lượng quán tính lớn của phần rơmoóc phía sau.
• Sự biến thiên của góc lệch tương đối: Khi duy trì góc lái 8 độ trên đường vòng, góc lệch tương đối giữa trục dọc xe đầu kéo và bán rơmoóc tăng dần và đạt giá trị ổn định khoảng 12 đến 16 độ. Khi gia tăng vận tốc chuyển động lên trên 40 km/h kết hợp với tác động lực phanh không đều giữa các cầu, góc lệch này có xu hướng tăng đột biến trên 25 độ, làm gia tăng nguy cơ bẻ gãy đoàn xe lên hơn 45% so với trạng thái chuyển động có kiểm soát.
• Độ mở rộng hành lang quét: Dữ liệu tính toán từ các điểm mép biên bao kích thước lớn nhất cho thấy hành lang quét thực tế của đoàn xe mở rộng từ 35% đến 52% so với bề rộng thân xe tĩnh (2,5 m). Tại các khúc cua có bán kính nhỏ, bán rơmoóc có xu hướng cắt vào phía trong tâm vòng cua, tạo ra vệt quét rộng từ 3,8 m đến 4,8 m tùy thuộc vào chiều dài cơ sở của rơmoóc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng trễ pha và mở rộng hành lang quét là do liên kết khớp bản lề truyền lực thụ động kết hợp với lực cản bên tại các cụm bánh xe sau bán rơmoóc. Khi xe đầu kéo đổi hướng, khớp nối tác động một lực ngang lên đầu bán rơmoóc, nhưng quán tính lớn khiến đuôi bán rơmoóc phản ứng chậm hơn, tạo ra góc gập thân xe tạm thời.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học của các nhóm nghiên cứu quốc tế tại Đại học Cambridge và tập đoàn sản xuất xe thương mại hàng đầu thế giới khi nghiên cứu về dao động lắc ngang của xe sơ-mi rơ-moóc. Trong thực tế, dữ liệu chuyển động có thể được trực quan hóa thông qua hệ thống đồ thị miền thời gian mô tả lực bên, gia tốc ngang, kết hợp bảng ma trận so sánh bán kính quay vòng ở các dải vận tốc 20, 30, 40 và 50 km/h. Biểu đồ quỹ đạo 2D thể hiện sự dịch chuyển tọa độ trọng tâm và vệt biên ngoài của các điểm mút hình học khẳng định rằng nếu không mở rộng làn đường tại các đoạn cong có bán kính dưới 50 m, nguy cơ bánh xe rơmoóc lấn làn hoặc lao ra khỏi lề đường là không thể tránh khỏi.

Đề xuất và khuyến nghị

• Tích hợp hệ thống kiểm soát ổn định điện tử chủ động: Các đơn vị thiết kế và sản xuất phương tiện cần trang bị hệ thống kiểm soát ổn định điện tử và kiểm soát mô men xoay chủ động trên xe đầu kéo, với mục tiêu khống chế tốc độ tăng góc gập thân xe dưới 10 độ mỗi giây trong vòng 12 đến 18 tháng tới.
• Cải tiến hệ thống phanh chống bó cứng liên hợp: Triển khai lắp đặt hệ thống phanh chống bó cứng đa kênh điều khiển độc lập giữa xe đầu kéo và bán rơmoóc, nhằm giảm thiểu 35% nguy cơ khóa cứng bánh sau gây hiện tượng bẻ gãy gập góc khi phanh gấp trên đường trơn trượt có hệ số bám dưới 0,3.
• Chuẩn hóa quy chuẩn thiết kế hình học đường bộ: Bộ Giao thông Vận tải và các cơ quan quản lý hạ tầng cần áp dụng mô hình tính toán hành lang quét để nâng cấp độ mở rộng mặt đường tối thiểu đạt 4,5 m đến 5,2 m tại các đoạn đường đèo dốc và nút giao có bán kính quay vòng hẹp, hoàn thành rà soát trong lộ trình 24 tháng.
• Đổi mới quy trình đào tạo và cấp phép lái xe tải nặng: Các trung tâm sát hạch cần đưa bài toán mô phỏng quỹ đạo chuyển động vào giáo trình thực tế ảo, nâng cao kỹ năng kiểm soát góc đánh lái và duy trì khoảng cách an toàn cho tài xế, phấn đấu giảm 25% các vụ tai nạn do quẹt đuôi rơmoóc trong vòng 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển ô tô: Nắm bắt thuật toán mô hình hóa động lực học hệ nhiều vật và ứng dụng phần mềm mô phỏng để tính toán phân bố tải trọng, thiết kế hệ thống lái và tối ưu hóa vị trí đặt mâm xoay khớp nối trên xe đầu kéo.
• Chuyên gia quy hoạch và thiết kế công trình giao thông: Khai thác công thức tính toán hành lang quét và bán kính quay vòng thực tế để thiết kế kích thước hình học nút giao thông, trạm thu phí, đường gom và các khúc cua đèo dốc đảm bảo an toàn cho xe siêu trường.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Sử dụng công trình như một tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp giải phương trình vi phân chuyển động bằng sơ đồ khối mô phỏng số, phục vụ công tác giảng dạy môn học Động lực học ô tô và xe chuyên dùng.
• Cơ quan đăng kiểm và hoạch định chính sách an toàn: Ứng dụng các chỉ số giới hạn về gia tốc bên và góc lệch ổn định để xây dựng bộ tiêu chuẩn kiểm định an toàn kỹ thuật cho các tổ hợp phương tiện vận tải hạng nặng lưu hành trên mạng lưới quốc lộ.

Câu hỏi thường gặp

• Hiện tượng bẻ gãy đoàn xe là gì và phát sinh do nguyên nhân nào? Hiện tượng bẻ gãy là trạng thái xe đầu kéo và bán rơmoóc bị gập góc mất kiểm soát quanh khớp nối. Hiện tượng này xuất hiện khi bánh sau xe đầu kéo bị trượt ngang hoặc khóa cứng do phanh gấp trên đường có hệ số bám thấp dưới 0,4, khiến lực đẩy quán tính từ rơmoóc làm xoay gập toàn bộ thân xe.
• Tại sao mô hình một vết lại được ưu tiên sử dụng trong nghiên cứu này? Mô hình một vết gom hai bánh xe trên cùng một cầu thành một bánh xe tương đương ở giữa. Khi đoàn xe chuyển động ở dải vận tốc dưới 50 km/h với gia tốc bên nhỏ, sai số động học giữa mô hình một vết và hai vết không vượt quá 5%, giúp tối ưu hóa thuật toán tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao.
• Hành lang quét của đoàn xe có ý nghĩa như thế nào trong quy hoạch đường sá? Hành lang quét xác định vùng không gian mặt đường tối thiểu mà toàn bộ thân xe chiếm dụng khi quay vòng. Do bán rơmoóc có xu hướng cắt góc vào phía trong từ 1,0 m đến 2,3 m so với vệt bánh đầu kéo, số liệu này là căn cứ bắt buộc để thiết kế bề rộng làn đường tại các khúc cua.
• Thuật giải ODE45 trong phần mềm mô phỏng giải quyết bài toán ra sao? ODE45 sử dụng phương pháp Runge-Kutta bậc 4 và bậc 5 kết hợp để giải hệ phương trình vi phân phi tuyến. Thuật toán tự động điều chỉnh bước thời gian tích phân dựa trên mức độ biến thiên của gia tốc và góc lệch, duy trì sai số tính toán dưới 0,000001 để đảm bảo kết quả luôn ổn định.
• Tốc độ chuyển động dưới 50 km/h ảnh hưởng gì đến các giả thiết của mô hình? Ở tốc độ dưới 50 km/h, lực cản không khí rất nhỏ và lực quán tính ly tâm chưa vượt quá giới hạn bám của lốp. Do đó, nghiên cứu có thể bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống treo và coi biến dạng của lốp là tuyến tính mà không làm sai lệch bản chất động lực học của bài toán.

Kết luận

• Xây dựng thành công hệ thống phương trình vi phân toán học mô tả toàn diện chuyển động phẳng của đoàn xe kéo bán rơmoóc trên nền tảng nguyên lý Đalămbe và mô hình lốp đàn hồi tuyến tính.
• Thiết lập hoàn chỉnh chương trình mô phỏng số trên công cụ chuyên dụng, cho phép tính toán chính xác các thông số động học then chốt gồm góc xoay, góc lệch bên, gia tốc bên và phản lực khớp nối.
• Xác định rõ quy luật mở rộng hành lang quét của đoàn xe khi đánh lái 8 độ ở vận tốc dưới 50 km/h, cung cấp thông số vệt quét thực tế mở rộng từ 35% đến 52% so với kích thước tĩnh.
• Cung cấp luận cứ khoa học tin cậy hỗ trợ các kỹ sư phát triển hệ thống ổn định điện tử và giúp các nhà quy hoạch giao thông hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế bán kính đường cong.
• Định hướng phát triển trong 12 đến 24 tháng tới là mở rộng bài toán sang không gian ba chiều có xét đến tính phi tuyến của hệ thống treo và nghiên cứu điều khiển phanh chủ động.

Các nhà nghiên cứu, kỹ sư động lực học và các nhà quản lý giao thông hãy ứng dụng ngay mô hình mô phỏng này vào công tác tính toán thiết kế phương tiện và thẩm định an toàn đường bộ để nâng cao chất lượng khai thác giao thông hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.