chương 1 sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về khí động học, ổn định hướng chuyển động và các thông số đánh giá ổn định khi có gió ngang. Từ đó đề xuất các phương án tính toán lực khí động cũng như các thông số đánh giá sự ổn định hướng chuyển động của xe khách trong điều kiện gió ngang. Xu thế phát triển và vấn đề ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn 1. Sự phát triển của xe khách cỡ lớn tại Việt Nam Ngày 24-7/2014 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 1211 phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030, trong đó sẽ kiểm soát sự phát triển của xe máy, ô tô cá nhân [1].
Theo đó, cần nhanh chóng phát triển phương thức vận tải nhanh, khối lượng vận tải lớn tại các đô thị lớn (trước tiên là Thủ đô Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh); phát triển vận tải ở các đô thị theo hướng sử dụng vận tải công cộng là chính, đảm bảo hiện đại, an toàn, tiện lợi; phát triển hệ thống giao thông tĩnh; kiểm soát sự gia tăng phương tiện cá nhân; giải quyết ùn tắc giao thông và bảo đảm trật tự an toàn giao thông đô thị. Tổng khối lượng vận chuyển hành khách toàn quốc khoảng 6,240 triệu hành khách. Theo quy hoạch của Chính phủ, tới năm 2025 các nhà sản suất trong nước phải đáp ứng được 92% nhu cầu ô tô khách với sản lượng 29102 chiếc. Ngoài ra, Chính phủ cũng đặt mục tiêu xuất khẩu ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, cụ thể đối với ô tô khách là 5000 chiếc vào năm 2020 và 10000 chiếc vào năm 2030.
Các thống kê cũng cho thấy, khối lượng vận chuyển hàng hóa và hành khách trên đường bộ tăng khá nhanh. Tốc độ 4 tăng trưởng bình quân về hàng hóa là 12,315 %/năm, về hành khách là 10,29%/năm. Tốc độ tăng trưởng của xe cơ giới là 24,26%/năm (theo thông tin trên website của Tổng cục Thống kê https://gso. So với các nước trong khu vực, cường độ vận tải hàng hóa trên đường bộ của Việt Nam đạt mức trung bình, nhưng vận tải hành khách đạt mức cao.
Ngày nay, khi mạng lưới giao thông đường bộ phát triển nhanh, thuận tiện cho việc phát huy thế mạnh của ngành vận chuyển hành khách bằng phương tiện vận tải ô tô. Ở Việt Nam, những năm gần đây đã xây dựng và đưa vào sử dụng một số tuyến đường có chất lượng cao, đường cao tốc nối liền các tỉnh và thành phố, đây là điều kiện thuận lợi cho việc phát triển dịch vụ vận chuyển hành khách bằng phương tiện vận tải ô tô, đặc biệt là xe khách cỡ lớn. An toàn trong chuyển động đối với xe khách cỡ lớn Theo Báo cáo Dữ liệu An toàn Xe buýt của Cơ quan Quản lý Giao thông Liên bang (FTA) tại Mỹ, số lượng các vụ tai nạn liên quan đến xe khách tăng liên tục từ năm 2008 đến năm 2016, năm 2017 và 2018 có sự giảm nhẹ. Trong năm 2018, có 15185 tai nạn liên quan đến xe khách làm 88 người tử vong, 16766 người thương vong [2].
Tại Việt Nam, trong 10 tháng đầu năm 2022 có 5 vụ tai nạn kinh hoàng liên quan đến xe khách, trong đó 12 người tử vong, 41 người thương vong [3]. Tai nạn giao thông luôn là vấn đề gây nhức nhối với xã hội. Tại Việt Nam, số lượng phương tiện giao thông tăng lên đánh kể, trong đó có các phương tiện vận chuyển hành khách như xe khách cỡ lớn. Có hai nguyên nhân chính gây ra tai nạn là nguyên nhân chủ quan và nguyên nhân khách quan như được minh họa trên hình 1.
Nguyên nhân chủ quan phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố người lái như kinh nghiệm, tâm lý, sức khỏe…Nguyên nhân khách quan phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu của xe, chất lượng cơ sở hạ tầng, các điều kiện thời tiết, môi trường. Các nguyên nhân gây mất ổn định xe khách cỡ lớn 5 Chất lượng cơ sở hạ tầng giao thông tại Việt Nam không ngừng được cải thiện, đồng thời kết cấu của các xe khách được sử dụng tại thị trường Việt Nam không ngừng nâng cao. Do đó, một trong những nguyên nhân gây mất ổn định thậm chí tại nạn cho xe khách cỡ lớn cần được xem xét, nghiên cứu thỏa đáng là yếu tố thời tiết, cụ thể là gió tự nhiên ngoài môi trường. Khi xe chuyển động, bề mặt vỏ xe sẽ tương tác với không khí sinh ra các lực và mô men khí động tác động lên bề mặt xe.
Dưới tác động của các lực khí động, xe khách cỡ lớn có nguy cơ mất ổn định, tiềm ẩn những rủi ro tai nạn.2 là hình ảnh xe khách cỡ lớn bị mất ổn định lật do gió bão. Vì vậy, cần có những nghiên cứu chuyên sâu về sự ổn định chuyển động của xe khách trong điều kiện có gió ngang. Hình ảnh xe khách bị lật Để đánh giá sự ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn trong điều kiện gió ngang cần xác định được các lực và mô men khí động tác động lên xe, từ đó sẽ đánh giá được sự ổn định chuyển động của xe. Việc tính toán các lực và mô men khí động thuộc lĩnh vực nghiên cứu khí động học.
Việc tính toán sự ổn định chuyển động thuộc lĩnh vực nghiên cứu động lực học chuyển động của xe.3 Khí động học ô tô 1.1 Các khái niệm cơ bản Khi ô tô chuyển động trên đường, sự tương tác giữa vỏ xe và môi trường không khí xung quanh có ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc của ô tô. Lực cản không khí chính diện làm tăng tổng lực cản chuyển động của ô tô, từ đó làm gia tăng mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô, đặc biệt là ở vận tốc cao do lực cản này tỉ lệ với bình phương vận tốc chuyển động của ô tô. Lực nâng có thể giảm khả năng bám đường, đặc biệt khi xe chuyển động ở vận tốc cao. Lực ngang trong trường hợp gió lớn gây mất ổn định chuyển động của ô tô.
Các mô men cũng gây ảnh hưởng trực tiếp tới an toàn chuyển động của ô tô. Để giảm tối đa những ảnh hưởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu về khí động 6 học. Với xe khách cỡ lớn cần quan tâm đặc biệt đến sự ổn định do lực ngang, mô men xoay thân xe trong trường hợp gió ngang lớn. Đối tượng nghiên cứu của khí động học là dòng chảy quanh một vật cản đang chuyển động.
Bằng phương pháp Ơ le với hệ tọa độ gắn với vật, người ta coi một vật chuyển động với vận tốc v trong môi trường không khí tĩnh tương đương với vật đứng yên trong dòng khí có vận tốc v. Các lực và mô men khí động tác động trên xe ô tô[4]. Khi ô tô chuyển động trên đường, các thành phần lực, mô men khí động tác động lên vỏ xe bao gồm: lực cản (Fwx), lực ngang (Fwy), lực nâng (Fwz) và các mô men lắc ngang (Mwx), mô men lắc dọc (Mwy) và mô men xoay thân xe (Mwz) như minh họa hình 1. Trong trường hợp này, gốc tọa độ là trọng tâm của xe.
Trục Ox là trục dọc của xe, trục Oy là trục ngang và trục Oz là trục thẳng đứng. Lực cản là lực khí động tác động lên vỏ xe theo phương Ox, lực ngang là lực khí động tác động lên xe theo phương Oy và lực nâng là lực khí động lên theo phương Oz. Mô men lắc dọc là mô men khí động tác động lên xe theo phương Oy, mô men lắc ngang là mô men khí động tác động lên xe theo phương Ox và mô men xoay thân xe là mô men khí động tác động lên xe theo phương Oz. Trong nghiên cứu khí động có 3 thông số quan trọng đặc trưng cho dòng chảy không khí là số Reynolds, hệ số Mach và hệ số Strouhal.
Các thông số này phụ thuộc vào vận tốc và tần số dao động của dòng khí, chiều dài của vật thể, độ nhớt động lực học của chất lỏng và khối lượng riêng của dòng khí. Lực cản không khí Theo lý thuyết, lực cản khí động được xác định theo công thức: 1 Fwx = A.1) 2 7 Trong đó: Fwx là lực cản khí động (N) A là diện tích cản chính diện (m2) Cx là hệ số cản là mật độ không khí (kg/m3) v là vận tốc dòng khí chuyển động (m/s) Từ công thức trên, khối lượng riêng của không khí là thông số không đổi. Để giảm lực cản Fwx, nếu giảm diện tích cản chính diện A thì không gian sử dụng bị giảm, còn nếu giảm vận tốc v thì sẽ làm giảm năng suất vận chuyển. Như vậy, giảm hệ số cản khí động Cx đồng nghĩa với việc cải thiện hình dạng khí động học của ô tô.
Quá trình hoàn thiện dạng khí động học vỏ xe ô tô con theo lịch sử phát triển được mô tả trên hình 1. Hình dạng khí động học của xe du lịch qua các thời kì [5] Khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, tương tác giữa môi trường với cấu trúc của vỏ xe tạo thành những vùng xoáy có áp suất thấp. Một ví dụ về sự hình thành các vùng xoáy được mô tả trên hình 1. Các vùng xoáy hình thành ở những nơi vỏ xe bị gấp khúc, tạo nên sự đổi hướng đột ngột của dòng chảy không khí và do đó cũng góp phần tạo nên lực cản không khí.
Để giảm thiểu ảnh hưởng của chúng, cần phải có giải pháp thiết kế hợp lý. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ô tô nói chung và ô tô khách cỡ lớn nói riêng có hình dạng khí động học được coi là không tốt, nên chúng phải chịu lực cản khí động rất lớn. Trong đó, thành phần cản do chênh áp vẫn chiếm phần lớn, vì vậy muốn giảm lực cản thì biện pháp hợp lý nhất là cải thiện hình dáng khí động học của vỏ xe. Các vùng xoáy trên vỏ xe ô tô con [5] b.
Lực ngang khí động 1 Fwy = A.2) Fwy là lực nâng khí động (N) Cy là hệ số lực ngang Với xe khách cỡ lớn, diện tích theo phương ngang của vỏ xe là lớn so với diện tích cản chính diện. Khi xe chuyển động với tốc độ cao trong trường hợp gió ngang lớn (gió bão), lực ngang có thể gây mất ổn định hướng, cũng như mất ổn định lật với sự chuyển động của ô tô. Ngoài ra, khi ô tô quay vòng hoặc chuyển làn, lực khí động tạo nên một thành phần tác động theo phương ngang, gây ảnh hưởng đến ổn định quỹ đạo chuyển động.6 minh họa hình ảnh lực ngang khí động tác động lên xe trong quá trình chuyển động.