Chương 1 TỔNG QUAN 1. Xu thế phát triển đoàn xe, vấn đề mất ổn định chuyển động và tính cấp thiết 1. Xu thế phát triển đoàn xe Để nâng cao công suất vận chuyển trên một đơn vị công suất động cơ, với sự phát triển của hệ thống giao thông, các nước Tây Âu, Mỹ và Nhật Bản đã thiết kế nhiều chủng loại đoàn xe. Đoàn xe là tổ hợp liên kết nhiều xe đơn với nhau: một XĐK kéo SMRM (hình 1.1: 1,2,3), đoàn xe đó lại kéo theo một moóc độc lập (hình 1.1: 4,5,6), hoặc đoàn xe gồm một xe độc lập kéo các moóc độc lập (full tractor trailer).
Đoàn xe có ưu điểm là vận chuyển được nhiều hàng hóa trên một đơn vị công suất nên chi phí vận chuyển thấp và có thể vận chuyển được những hàng hóa có kích thước và khối lượng lớn. Phân loại đoàn xe Hiê ̣n nay, số lươ ̣ng hàng hóa vâ ̣n chuyể n bằ ng đoàn xe chiế m tỉ lê ̣ rấ t cao. Theo thố ng kê của Eurostat xe tải lớn vâ ̣n chuyể n khoảng 50% tổ ng lươ ̣ng hàng hóa chuyên chở của các nước, cá biê ̣t Phầ n Lan là 57%, Thụy Điể n là 52% [49]. Tiǹ h hiǹ h sử du ̣ng đoàn xe ở Châu Âu trong những năm gầ n đây cũng phát triể n rấ t ma ̣nh.
Theo Eurostat trong năm 2012 số lươ ̣ng đoàn xe ở các nước Châu Âu tăng lên nhanh chóng: Pháp có 313.308, Tây Ban Nha 251.766, Thổ Nhi ̃ Kỳ 207. Ở Viê ̣t Nam hiê ̣n nay số lươ ̣ng đoàn xe chủ yếu là sơ mi rơ moóc, phát triể n rấ t nhanh, đă ̣c biê ̣t là ở các điạ phương có nhiề u bế n cảng, khu công nghiê ̣p. Tính đế n tháng 9 năm 2012 thành phố Hồ Chí Minh có hơn 9. Đế n tháng 9/2014 Hải Phòng có gầ n 6.
Khái niệm đoàn xe là tổ hợp các xe đơn: (i) Đoàn xe kéo moóc độc lập (Truck /tractor- full trailer) gồm xe tải/xe đầu kéo kéo một hay nhiều moóc độc lập (full trailer); (ii) Đoàn xe sơ mi rơ moóc (Tractor semi-trailer) gồm XĐK (tractor) kéo SMRM (semi-trailer) và kéo theo một số moóc độc lập hoặc SMRM. Trong khuôn khổ luận án này, đoàn xe gồm XĐK và SMRM (Tractor semi-trailer) được lựa chọn để nghiên cứu, hình 1. Tai nạn Giao thông Hiê ̣n nay, vấ n đề an toàn giao thông đang là nỗi lo chung của Thế Giới. Theo thố ng kê của tổ chức y tế thế giới WHO công bố tháng 5/2007, trung biǹ h mỗi năm tai na ̣n giao thông làm chế t khoảng 1,25 triê ̣u người và làm bi ̣ thương từ 20 đến 50 triê ̣u người [56].
Ở Mỹ, theo số liệu phân tích của Ủy ban quản lý an toàn xe cơ giới (FMCSA-RRA, Mỹ) trong 3 năm qua 2013-2015 có khoảng 4.5% số vụ tai nạn liên quan đến xe tải nặng và xe bus. Cũng theo thống kê của tổ chức này, trong vòng 20 năm từ 1995-2015, trên toàn nước Mỹ có khoảng 1,9 triệu vụ tai nạn liên quan đến xe tải nặng và xe bus, gây ra số lượng người tử vong hoặc thương tật lên đến gần 3 triệu người. Trung bình mỗi năm có khoảng 15 ngàn vụ tai nạn lật xe tải nặng, trong đó có hơn 9 ngàn ĐXSMRM [62]. ĐXSMRM có có đặc điểm là kích thước và khối lượng lớn nên dễ mất ổn định chuyể n đô ̣ng và gây tai nạn giao thông.
Hà Lan cho phép chiều dài tối đa 25,25m, khối lượng tối đa 60.000kg (các nước Bắc Âu tương ứng 18,75m và 50. Ở Viê ̣t Nam, Theo thống kê của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia năm 2016 cả nước xảy ra 21.589 vụ tai nạn giao thông, làm 8.685 người chết và 19.280 người bị thương [2]. Trong 5 năm (tính từ 16/11/2010 đến 15/10/2015), toàn quốc xảy ra 158.125 vụ tai nạn giao thông, làm chết 48.015 người, bị thương 162. Tai na ̣n giao thông xảy ra đố i với ĐXSMRM do nhiề u nguyên nhân, trong đó nguyên nhân chủ yếu là do đoàn xe mấ t ổ n đinh ̣ chuyể n đô ̣ng trên đường khi tăng tố c, khi phanh, khi vươ ̣t xe, tránh chướng nga ̣i vâ ̣t, khi cha ̣y trên đường có hệ số bám thấp hoặc khi đoàn xe đi vào đường vòng.
Ngoài ra, hành lang chuyển động của đoàn xe cũng là yếu tố quan trọng khi thiết kế đường. Nếu đường có hệ số bám thấp, dù gia tốc ngang không lớn, nó sẽ trượt ngang và vấp phải lề đường, đoàn xe có thể bị lật. Nếu đường có hệ số bám lớn, đoàn xe có thể chuyển động với vận tốc lớn, khi quay vòng sẽ có gia tốc ngang lớn và do khả năng bám ngang tốt nên đoàn xe không có khả năng trượt ngang. Khi phanh, khi tăng tốc, nhất là trong đường vòng, các cầu/các bánh xe có thể bị bó cứng và lực ngang có thể giảm mạnh, xe có thể 5 trượt (i) cầu trước, (ii) cầu sau XĐK và (iii) cầu sau của SMRM như hình 1.
Khi trượt, đoàn xe có thể va chạm vào lề đường hoặc các phương tiện tham gia giao thông khác hoặc có thể là các mấp mô của mặt đường và đó là các nguyên nhân dẫn đến lật ngang, gọi là lật vấp. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Hình 1.2 trình bày hệ thống “Đường-Xe-Người”. Khi chuyển động, lái xe thực hiện các thao tác điều khiển như ga, phanh, quay vô lăng. Những phản ứng đó nhiều khi là chủ quan.
Đoàn xe sơ mi rơ moóc chuyển động trong môi trường giao thông được đặc trưng bởi mật độ giao thông, mấp mô mặt đường, hệ số bám (điều kiện ngoại cảnh). Mỗi đoàn xe có cấu trúc riêng; đặc biệt đoàn xe là tổ hợp của các khâu liên kết qua khớp yên ngựa. Khi đoàn xe bị điều khiển, nhất là quay vô lăng, tùy thuộc hàm đánh lái và vận tốc xe, tùy vào điều kiện đường cũng như cấu trúc đoàn xe, phản ứng của đoàn xe có thể không như ý định của lái xe: ĐXSMRM có thể mất ổn định. Sơ đồ tương tác Đường - ĐXSMRM - Người lái Đặc điểm của bánh xe đàn hồi là biến dạng theo cả 3 phương.
Khả năng truyền lực đặc trưng bởi “truyền lực khớp+đàn hồi và ma sát”. Pha thứ nhất là truyền lực khớp (do ăn khớp tế vi giữa lốp và đường) và truyền lực đàn hồi; kết thúc đàn hồi sự truyền lực đạt giá trị tới hạn bám (đạt tới hạn bám), chuyển sang pha thứ 2 là trượt ma sát. Nếu còn tồn tại pha đàn hồi thì phương ngang còn có khả năng ổn định; nếu rơi vào vùng trượt ma sát thì không có khả năng ổn định. Đối với đoàn xe sơ mi rơ moóc có 3 cụm cầu thì sự trượt ngang có thể xuất hiện không đồng thời và không theo thứ tự nào.
Khi cầu trước trượt trước có thể mất lái, khi cầu 6 giữa trượt trước có thể bị gập thân xe, khi cầu sau bị trượt trước có thể đẫn đến sự dao động của SMRM quanh trục quay đứng của khớp nối, hình 1. Sự trượt ngang của đoàn xe: So với xe đơn, ĐXSMRM có cấu tạo gồm 3 phần cơ bản là XĐK, SMRM và khớp nối. Khi đoàn xe chuyển động chịu các tác động từ người lái, đường, ngoại cảnh (hình 1.2) bao gồm: + Tác động của người lái: Ga (tăng tốc MAij), phanh (MBij) và quay vòng (δij). + Ảnh hưởng của đường: Liên kết lốp-đường thể hiện qua hệ số bám (φijmax, φijmin) và biên dạng đường hij.
Trong nhiều nghiên cứu về ổn định chuyển động ĐXSMRM thường giả thiết xe đi trên đường phẳng khi đó có thể coi hij bằng 0; Hình 1. Sự trượt ngang đoàn xe + Tác động ngoại cảnh: Đối với XĐK thì tác động lực cản khí động theo phương dọc được chú ý nhiều. Còn đối với SMRM, đặc biệt trong các bài toán ổn định ngang thì lực gió ngang lại là thành phần ảnh hưởng rất lớn do diện tích cản lớn; + Tác động hệ thống điều khiển tích cực (nếu có): Hiện nay không chỉ có trên các loại xe đơn, mà ngay trên các loại xe lớn cũng đã và đang nghiên cứu, lắp đặt các hệ thống tích cực như: ABS/TCS, thanh ổn định tích cực. Đoàn xe có 3 cụm cầu, tùy theo trạng thái vật lý của các cầu mà ĐXSMRM có 3 dạng trượt ngang như hình 1.3a tượng trưng cho dao động SMRM: động lực học ngang bánh xe vẫn trong vùng tuyến tính và ổn định nhưng nếu biên độ lớn có thể va chạm vào lề đường dẫn đến lật vấp.3b là trạng thái trượt ma sát cầu 3, đoàn xe dễ rơi vào mất ổn định hướng và có thể bị lật ngang.3c là trạng thái cầu giữa trượt ngang và dẫn tới hiện tượng gập thân xe.
Ta có sơ đồ các dạng mất ổn định ngang như (hình 1. Sơ đồ các dạng mất ổn định ngang ĐXSMRM Trong thực tế có hai phản ứng điều khiển đặc trưng là chuyển làn và phanh, hai quá trình này có thể dẫn đến mất ổn định: mất ổn định hướng và mất ổn định lật. Trong luận án này tác giả nghiên cứu quá trình mất ổn định hướng. Mất ổn định hướng (trượt ngang của một cầu) sẽ xảy ra khi bánh xe trượt ma sát phương ngang.
Tuy nhiên, nếu bánh xe vẫn chưa trượt ma sát, còn trong vùng đàn hồi, nghĩa là còn ổn định hướng, nhưng nếu vượt làn đường (va chạm) vẫn có thể dẫn đến lật ngang, gọi là lật vấp. Trong khuôn khổ luận án này quá trình “chuyển làn-vi phạm hành lang” được nghiên cứu để xác định giới hạn vi phạm làn đường nhằm tránh dẫn đến lật vấp cho mục tiêu cảnh báo hoặc điều khiển chống vi phạm hành lang. Trên thực tế, khi quay vô lăng, tùy vào vận tốc, hệ số bám, góc và vận tốc góc quay bánh xe dẫn hướng ĐXSMRM có thể mất ổn định; khi phanh, kể cả phanh trên đường thẳng, vẫn có thể xảy ra các dạng mất ổn định khác nhau. Có 2 dạng mất ổn định: mất ổn định hướng (Yaw instability) và mất ổn định lật (Rollover Instability).
Quá trình trượt xảy ra trước, kết thúc thì mới xảy ra lật (nếu trượt thì không lật). Vì vậy, có thể nghiên cứu 2 quá trình (pha) biệt lập, nhưng có quan hệ tương hỗ. Theo Bouteldja [26, 27], quá trình trượt có 3 dạng như hình 1.3, thường xuất hiện khi đường có hệ số bám thấp; bánh xe bó cứng khác nhau khi phanh. Khi trượt ngang, cho dù còn trong vùng ổn định, ĐXSMRM có thể va chạm ngang, dẫn đến lật ngang, gọi là lật vấp (Tripped Rollover).
Khi quay vòng, nếu đường có hệ số bám 8 cao, có thể đạt gia tốc ngang lớn mà chưa trượt ngang, ĐXSMRM sẽ lật, gọi là lật quán tính (Maneuver Rollover instability).
