ĐẶT VẤN ĐỀ VỀ QUAY VÒNG XE BÁN MOOC Vấn đề an toàn giao thông đang là vấn đề nhức nhối không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới. Tai nạn giao thông xảy ra với đoàn xe gây ra các thiệt hại rất lớn về của cải vật chất và con người vì kích thước, tải trọng lớn của loại xe này. Xét về nguyên nhân tai nạn giao thông chúng ta có thể kể đến mô hình “Đường – Xe - Người’’. -Nguêi -§ uêng Huí ng nh×n § èi tuî ng -Ga, phanh -VÞtrÝ -L¸ i -VËn tèc -Giã, ®é nghiªng -Lùc -VËn tèc -BÒmÆ t ®uêng -Xe Hình 1.
Hệ “Đường – Xe – Người” Hệ “Đường – Xe – Người” mô tả mối quan hệ tác động qua lại giữa ba nhân tố của quá trình vận hành ô tô. Trong đó người lái tương tác qua lại với xe; xe tương tác qua lại với đường; đường tương tác qua lại với người lái. Người lái xe tác động lên xe thông qua các thao tác như ga, phanh, đánh lái…Xe tác động lên người lái thông qua tình trạng vận hành của xe như vận tốc, lực, gia tốc…Xe tác động lên đường thông qua các lực. Đường tác động lên xe thông qua các yếu tố như hệ số ma sát với lốp, độ nghiêng mặt đường…Đường tác động lên người lái bởi người lái là một trong nhiều đối tượng tham gia giao thông…Trong ba nhân tố này thì nhân tố “Xe” là nhân tố 1 kỹ thuật chuyên ngành đặc thù, cần được nghiên cứu liên tục để ngày càng hoàn thiện.
Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghệ ôtô thì những ôtô ra đời của thế hệ sau luôn có vận tốc lớn hơn và hướng tới giới hạn trượt vật lý (bánh xe có thể bị trượt). Ô tô ngày càng hoàn thiện về kết cấu tức khả năng thích ứng động lực học tốt hơn, ngày càng hướng tới an toàn động lực học, an toàn tích cực. Chỉ tiêu để đánh giá ôtô là vận tốc, gia tốc, quỹ đạo chuyển động, thông qua thông số chung để đánh giá là trạng thái quay vòng của xe. - Quay vòng thiếu.
- Quay vòng thừa. Trường hợp 1: Ôtô có tính chất quay vòng đúng, ở trường hợp này bán kính quay vòng thực tế của xe bằng với bán kính quay vòng yêu cầu. Xe chạy ổn định. Trường hợp 2: Ôtô có tính năng quay vòng thiếu, ở trường hợp này bán kính quay vòng của xe lớn hơn bán kính yêu cầu.
Trường hợp này xe vẫn chạy ổn định tuy nhiên lái xe phải đánh vô lăng nhiều hơn để vào đúng quỹ đạo. P Fy V1 V α1 α2 V2 Flt Hình 1. Trạng thái quay vòng thiếu của xe 2 Trường hợp 3: Ôtô có tính năng quay vòng thừa tức là bán kính quay vòng của xe nhỏ hơn bán kính yêu cầu, ở trường hợp này xe bị mất ổn định. Trong trường hợp này, người lái phải nhanh chóng đánh lái theo hướng ngược lại với chiều xe bị lệch để mở rộng bán kính quay vòng.
Trường hợp này xe quay ít nhưng vào cua nhiều, gây mất ổn định. P Fy V1 α1 α2 V V2 Flt Hình 1. Trạng thái quay vòng thừa của xe Ngày nay, xe bán mooc đã trở thành phương tiện chuyên trở hàng hoá rất phổ biến ở nước ta thì vấn đề an toàn và thuận tiện khi điều khiển là rất quan trọng. Xe bán mooc bao gồm hai thân dài.
Trong đó đầu kéo là một xe 3 cầu với cầu trước dẫn hướng, hai cầu sau chủ động. Bán mooc là một dầm dài có gắn hai cầu bị động ở cuối. Bán mooc chỉ có thể tự đứng được nhưng không có khả năng sinh ra lực đẩy tại bánh xe. Đầu kéo liên kết với bán mooc thông qua khớp nối.
Khớp nối này vừa để kéo bán mooc di chuyển vừa lái và nâng phần trước của bán mooc. Người lái xe có thể thực hiện các thao tác để điều khiển xe như: ga để tăng tốc xe, nhấn phanh để giảm tốc độ, và đánh vô lăng để quay vòng. Sơ đồ nguyên lý khảo sát xe bán mooc khi quay vòng Trong đó các yếu tố đầu vào là: - M Aj : Là mô men chủ động tại các bánh xe khi xe đang chuyển động thẳng - M Bj : Là mô men phanh tại các bánh xe - δ: Là góc xoay (góc lái) của bánh xe dẫn hướng Mô hình cấu trúc của xe bán mooc sẽ được trình bày trong phần 2.2 nhưng về cơ bản ta sẽ khảo sát hai vật: - Đầu kéo có hệ toạ độ O(X 1 Y 1 ) - Bán mooc có hệ toạ độ O(X 2 Y 2 ) Phản ứng của xe sẽ được thể hiện qua các yếu tố đầu ra như: - Góc quay ngang đầu kéo ψ 1, vận tốc góc quay đầu kéo ψ1 , gia tốc góc xoay đầu kéo ψ1 - Góc quay ngang bán mooc ψ 2, vận tốc góc quay bán mooc ψ 2 , gia tốc góc xoay bán mooc ψ2 - Chuyển vị của đầu kéo X 1, Y 1 - Chuyển vị của bán mooc X 2, Y 2 Các yếu tố ngoại cảnh tác động lên xe cũng khác nhau. Xe có thể chạy trên các đường với các cung độ khác nhau.
Khi xe chạy trên đường khác nhau thì hệ số bám của lốp xe và đường cũnng khác nhau. Và gió cũng là một yếu 4 tố ngoại cảnh tác động lên xe và còn nhiều yếu tố khác ảnh hưởng tới xe khi xe chuyển động … Hình 1. Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của ô tô Quỹ đạo chuyển động của ô tô được đặc trưng bởi ba thông số: - Vận tốc dọc X - Vận tốc ngang Y - Vận tốc góc quay thân xe ψ Hay chính là lực dọc F X gây ra vận tốc dọc X , lực ngang F Y gây ra vận tốc ngang Y , mômen quay thân xe M Z gây ra vận tốc góc quay thân xe ψ. Đồng thời, các lực dọc và ngang tại bánh xe được tính từ phản lực thẳng đứng F Zj tại các bánh xe và hệ số bám dọc ϕ Xj , hệ số bám ngang ϕYj : FXj = FZj .ϕ Xj FYj = FZj .ϕYj Như vậy, chuyển động của ô tô phụ thuộc vào các phản lực thẳng đứng F Zj , các lực này liên quan đến hệ thống treo, mô men quán tính.
Còn các hệ số bám ϕ Xj , ϕYj thì phụ thuộc vào việc cấp mômen M Aj, M Bj. Kết luận: Để nghiên cứu động lực học đoàn xe ta phải xác định được: - Mô hình động lực học tổng quát của đoàn xe 5 - Định nghĩa các hàm đầu vào bao gồm: Hàm biểu thị mômen chủ động, hàm biểu thị mômen phanh, hàm biểu thị góc lái tại bánh xe dẫn hướng. Dựa trên những thông số động lực học có được, ta xác định các trạng thái ổn định và không ổn định của đoàn xe. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC ĐOÀN XE Trên thế giới, công tác nghiên cứu động lực học ô tô cũng nhằm đưa ra quy luật điều khiển ở các vùng tốc độ khác nhau mà ở mức độ hoàn thiện cao.
Trong thời gian gần đây, các công trình nghiên cứu trên thế giới đó 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 và đoàn xe. Với đoàn xe, hướng nghiên cứu 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 cũng hạn chế. Một trong số nguyên nhân trên là tính phức tạp của bài toàn 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. Hướng nghiên cứu trên đang tiếp tục được triển khai, khảo sát, bổ sung và hoàn thiện. Nghiên cứu động lực học đoàn xe trên thế giới cũng có một số các tác giả đề cập. Theo hướng điều khiển ổn định chuyển động đoàn xe có các tác giả như: Nhóm tác giả David John, Matthew Sampson (Đại học Cambridge- 2000 với đề tài “Điều khiển lắc ngang tích cực của đoàn xe có khớp nối”.
Đề tài đó đề cập tới vấn đề lắc ngang đoàn xe, thiết lập hệ thống điều khiển và lắp đặt thiết bị chống lắc ngang tích cực cho đoàn xe nhằm cải thiện khả năng ổn định ngang cho đoàn xe có khớp nối; Tác giả Dunwoody A.B, SAE 933045 (1993) với đề tài “Điều khiển tích cực lắc ngang của đoàn xe bán mooc”; Tác giả Stefan Edlund, John Aurell, Niklas Frojd (Tập đoàn xe tải Volvo 2001) với đề tài “Xây dựng thuật toán đánh giá ổn định xoay thân của đoàn xe có khớp nối”; tác giả Venu Gopal GORU (2007) với đề tài “Nghiên 6 cứu và mô phỏng ổn định lắc ngang của đoàn xe bán mooc xi téc trở nhiên liệu lỏng”. Trong đề tài tác giả mô hình hóa xitéc và nghiên cứu ổn định lắc ngang đoàn xe, sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng. Ngoài ra còn có tác giả J.H Mass (2007- Eindhoven) [13] đề cập tới hiện tượng bẻ gãy đoàn xe trong đề tài “nghiên cứu ổn định bẻ gãy đoàn xe kéo bán mooc”. Tác giả sử dụng mô hình đoàn xe một vết với hàm kích động là góc quay vành lái và điều khiển lực phanh, khảo sát các thông số ảnh hưởng đồng thời xây dựng chương trình điều khiển nhằm làm giảm hiện tượng bẻ gãy đoàn xe.
Đa số các công trình trên thế giới tập trung vào nghiên cứu ổn định quay vòng của đoàn xe bằng việc xây dựng mô hình toán học hoặc sử dụng phần mềm đóng gói, thiết lập thuật toán điều khiển và khảo sát ổn định. Ở Việt Nam, mặc dù đoàn xe đã được sử dụng rộng rãi và phát huy được khả năng vận chuyển và hiệu quả kinh tế. Việc nghiên cứu, thí nghiệm động lực học đoàn xe đã được thực hiện tại các Viện nghiên cứu, các trường Đại học. Tuy nhiên, các kết quả chưa đánh giá được đầy đủ tính chất động lực học của đoàn xe.
Chính vì vậy tác giả lựa chọn đề tài “Lập mô hình và khảo sát đặc tính quay vòng xe bán mooc” để đánh giá đầy đủ cho trạng thái quay vòng xe bán mooc. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Khi nghiên cứu động lực học ôtô ta thấy nó là một hệ nhiều vật bao gồm hữu hạn các vật liên kết đàn hồi với nhau và chuyển động tương đối với biên độ lớn và tần số thấp từ 0 đến 50Hz.