Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu tính ổn định khi phanh xe khách giường nằm

• Tác giả: Nguyễn Đăng Bộ
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Phụng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Ổn Định Khi Phanh Đối Với Loại Xe Khách Giường Nằm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ
• DANH SÁCH CÁC BẢNG SỐ
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về tính ổn định khi phanh
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỰ ỔN ĐỊNH KHI PHANH
• 2.1. Động lực học tổng quát của ô tô khi phanh
• 2.2. Sự lăn của bánh xe và các loại bán kính bánh xe
• 2.3. Các quan hệ động học và động lực học của bánh xe khi phanh
• 2.4. Lý thuyết quá trình phanh ô tô
• 2.4.1. Lực phanh sinh ra ở bánh xe
• 2.4.2. Lực phanh ô tô và điều kiện đảm bảo phanh tối ưu
• 2.4.3. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh
• 2.4.4. Tính toán hệ thống phanh của xe khách THACO MOBIHOME HB120SLD
• 2.4.5. Xác định các thông số của xe khi phanh
• 2.4.6. Xây dựng quy luật thay đổi của các thông số khi phanh có ABS
• 3. CHƯƠNG III: ĐIỀU KIỆN AN TOÀN VÀ TÍNH ỔN ĐỊNH KHI PHANH
• 3.1. Sự hãm cứng bánh xe
• 3.2. Thời gian giảm tốc khi phanh
• 3.3. Tốc độ giới hạn khi phanh không để xảy ra hãm cứng bánh xe
• 3.4. Ổn định chuyển động khi phanh
• 3.4.1. Ảnh hưởng của sự chênh lệch lực phanh giữa các bánh xe
• 3.4.2. Ảnh hưởng của lực li tâm trong trường hợp xe quay vòng khi phanh
• 3.4.3. Ảnh hưởng của chiều cao trọng tâm xe khi phanh
• 4. CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN SỰ ỔN ĐỊNH KHI PHANH CỦA XE KHÁCH THACO MOBIHOME HB120SLD
• 4.1. Xây dựng mô hình toán học
• 4.1.1. Mô hình phẳng tổng quát
• 4.1.2. Mô hình tính toán
• 4.2. Xây dựng chương trình tính toán
• 4.2.1. Giải hệ phương trình vi phân chuyển động của ôtô
• 4.2.2. Các thông số đầu vào
• 4.2.3. Kết quả khảo sát
• 5. CHƯƠNG V: KẾT LUẬN
• 5.1. Nhận xét về đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về tính ổn định khi phanh

Tính ổn định khi phanh là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành xe khách giường nằm. Tính ổn định phanh không chỉ ảnh hưởng đến an toàn giao thông mà còn liên quan đến hiệu suất vận hành của xe. Nghiên cứu cho thấy rằng sự mất ổn định khi phanh thường xảy ra do sự chênh lệch lực phanh giữa các bánh xe, dẫn đến hiện tượng xoay tròn không mong muốn. Điều này có thể do nhiều nguyên nhân, bao gồm tình trạng kỹ thuật của hệ thống phanh và điều kiện mặt đường. Hệ thống phanh hiện đại, như ABS (Antilock Brake System), được thiết kế để giảm thiểu hiện tượng này. Việc nghiên cứu và cải tiến hệ thống phanh là cần thiết để đảm bảo an toàn cho hành khách và hàng hóa.

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu về tính ổn định phanh tại Việt Nam đã được thực hiện bởi nhiều kỹ sư và học viên. Một trong những nghiên cứu đáng chú ý là của kỹ sư Hoàng Ngọc Chính, tập trung vào động lực học phanh trên xe nhiều cầu. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc phân bố tải trọng và ổn định phanh là những yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn khi vận hành xe. Ngoài ra, nghiên cứu của học viên Nguyễn Hưng về hệ thống phanh ABS cũng đã cung cấp những thông tin quý giá về động lực học phanh và các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của xe khi phanh.

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Nghiên cứu về tính ổn định phanh không chỉ diễn ra trong nước mà còn được quan tâm trên toàn thế giới. Một nghiên cứu nổi bật là của Bjorn Anderson và Patric Gillberg, tập trung vào động lực học phanh của xe đua. Họ đã phát triển các công thức tính toán và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh. Các nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về tính năng phanh mà còn đề xuất các giải pháp cải tiến cho hệ thống phanh, từ đó nâng cao tính an toàn cho các loại xe khác nhau.

II. Cơ sở lý thuyết về sự ổn định khi phanh

Cơ sở lý thuyết về sự ổn định khi phanh bao gồm nhiều yếu tố như động lực học của ô tô, sự lăn của bánh xe và các loại bán kính bánh xe. Khi phanh, bánh xe có thể xảy ra hiện tượng trượt, dẫn đến sự thay đổi trong bán kính lăn. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tiếp nhận phản lực của bánh xe với mặt đường. Các yếu tố như trọng lượng phân bổ lên mỗi bánh xe và hệ số bám của mặt đường cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá tính ổn định phanh. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống phanh hiệu quả hơn, từ đó nâng cao an toàn cho xe khách giường nằm.

2.1 Động lực học tổng quát của ô tô khi phanh

Động lực học tổng quát của ô tô khi phanh liên quan đến các lực tác động lên bánh xe và quỹ đạo chuyển động của xe. Khi phanh, lực phanh sinh ra ở bánh xe cần được phân bố đồng đều để tránh hiện tượng mất ổn định. Sự chênh lệch lực phanh giữa các bánh xe có thể dẫn đến tình trạng hãm cứng, làm cho xe không thể điều khiển được. Do đó, việc nghiên cứu và cải tiến các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh là rất cần thiết để đảm bảo an toàn khi vận hành xe.

2.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh bao gồm thời gian giảm tốc, lực phanh và khả năng tiếp nhận phản lực của bánh xe. Những chỉ tiêu này không chỉ giúp đánh giá hiệu suất của hệ thống phanh mà còn ảnh hưởng đến tính năng an toàn của xe. Việc tính toán và phân tích các chỉ tiêu này sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc cải tiến thiết kế và vận hành hệ thống phanh, từ đó nâng cao tính năng an toàn giao thông cho xe khách giường nằm.

III. Điều kiện an toàn và tính ổn định khi phanh

Điều kiện an toàn khi phanh là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo tính ổn định phanh của xe khách giường nằm. Các yếu tố như thời gian giảm tốc, tốc độ giới hạn khi phanh và sự hãm cứng bánh xe đều ảnh hưởng đến khả năng điều khiển của xe. Nghiên cứu cho thấy rằng việc duy trì sự ổn định khi phanh không chỉ phụ thuộc vào kỹ thuật phanh mà còn vào điều kiện mặt đường và tải trọng của xe. Do đó, việc đánh giá và cải tiến các điều kiện an toàn khi phanh là cần thiết để giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

3.1 Ảnh hưởng của sự chênh lệch lực phanh

Sự chênh lệch lực phanh giữa các bánh xe có thể dẫn đến hiện tượng mất ổn định khi phanh. Khi một bánh xe bị hãm cứng trong khi các bánh còn lại vẫn hoạt động bình thường, xe có thể bị xoay tròn hoặc lệch hướng. Điều này đặc biệt nguy hiểm trong các tình huống khẩn cấp, khi người lái cần phải phanh gấp. Việc nghiên cứu và cải tiến hệ thống phanh để giảm thiểu sự chênh lệch lực phanh là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho hành khách.

3.2 Ảnh hưởng của lực li tâm

Khi xe quay vòng, lực li tâm có thể ảnh hưởng đến tính ổn định khi phanh. Lực li tâm tác động lên xe có thể làm tăng nguy cơ mất kiểm soát khi phanh, đặc biệt là ở tốc độ cao. Do đó, việc nghiên cứu và cải tiến thiết kế hệ thống phanh để giảm thiểu ảnh hưởng của lực li tâm là cần thiết. Các giải pháp như cải tiến hệ thống treo và phân bố tải trọng có thể giúp nâng cao tính năng an toàn cho xe khách giường nằm.

Tổng quan nghiên cứu

Xe khách giường nằm ngày càng trở nên phổ biến trong vận tải hành khách đường dài nhờ tính tiện nghi và tiện lợi. Theo ước tính, tốc độ vận hành trên các tuyến cao tốc ngày càng tăng, kéo theo nhu cầu đảm bảo an toàn chủ động, đặc biệt là tính ổn định khi phanh ở tốc độ cao. Tuy nhiên, các vụ tai nạn thương tâm liên quan đến xe khách giường nằm vẫn xảy ra, phần lớn do mất kiểm soát khi phanh gấp hoặc phanh không ổn định. Luận văn tập trung nghiên cứu tính ổn định khi phanh của xe khách giường nằm hai tầng, cụ thể là dòng xe THACO MOBIHOME HB120SLD, nhằm đánh giá các chỉ tiêu an toàn và đề xuất giải pháp vận hành an toàn.

Mục tiêu nghiên cứu bao gồm: phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định khi phanh; tính toán các chỉ tiêu đánh giá an toàn và ổn định khi phanh; xây dựng chương trình tính toán các chỉ tiêu ổn định cho xe khách giường nằm phổ biến. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam, sử dụng số liệu kỹ thuật của xe và các thông số vận hành chung, không bao gồm ảnh hưởng của hệ thống treo. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao an toàn giao thông, hỗ trợ thiết kế cải tiến hệ thống phanh và cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý, vận hành xe khách giường nằm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết động lực học tổng quát của ô tô khi phanh, bao gồm:

• Lý thuyết trượt và bám của bánh xe: Khái niệm bán kính lăn, độ trượt khi kéo và khi phanh, mối quan hệ giữa hệ số bám dọc (φx) và độ trượt (δ), cũng như hệ số bám ngang (φy) liên quan đến lực bên tác động lên bánh xe.

• Động lực học bánh xe khi phanh: Mô men phanh (Mp), lực phanh (Fp), mô men bám (Mφ), và các lực tác dụng lên bánh xe và ô tô khi phanh, bao gồm lực quán tính, lực cản lăn, lực cản gió.

• Chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh: Gia tốc phanh (jp), thời gian phanh (tp), quãng đường phanh (Sp), và điều kiện đảm bảo phanh tối ưu dựa trên phân bố lực phanh giữa các bánh xe.

• Ổn định chuyển động khi phanh: Ảnh hưởng của sự chênh lệch lực phanh giữa các bánh xe, lực li tâm khi xe quay vòng, chiều cao trọng tâm xe, và các điều kiện an toàn liên quan đến trượt và lật xe.

Các mô hình toán học được xây dựng dựa trên các phương trình cân bằng lực và mô men, kết hợp với các đặc tính kỹ thuật của xe THACO MOBIHOME HB120SLD như trọng lượng, kích thước, phân bố tải trọng, hệ số bám mặt đường, và đặc tính hệ thống phanh có ABS.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu kỹ thuật của xe THACO MOBIHOME HB120SLD do nhà sản xuất cung cấp, các thông số vận hành thực tế tại Việt Nam, và các dữ liệu đo đạc, tính toán liên quan đến hệ số bám, mô men phanh, độ trượt bánh xe. Cỡ mẫu nghiên cứu là một dòng xe khách giường nằm phổ biến, với các thông số kỹ thuật chi tiết.

Phương pháp phân tích chủ yếu là tính toán mô hình động lực học phanh và ổn định chuyển động dựa trên các công thức toán học và lý thuyết vật lý. Chương trình tính toán được xây dựng trên nền tảng phần mềm Labview 2009, bao gồm ba phần: nhập các thông số đầu vào có thể điều chỉnh theo điều kiện vận hành; tính toán và xuất các chỉ tiêu ổn định, an toàn dưới dạng đồ thị và bảng số liệu; các hàm tính toán mô phỏng quá trình phanh có ABS.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ, tập trung vào việc xây dựng mô hình, lập trình tính toán, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của hệ số bám và phân bố tải trọng đến mô men phanh:
   Mô men phanh sinh ra ở cầu trước và cầu sau tỷ lệ thuận với hệ số bám φ. Khi φ < 0,5, mô men phanh cầu sau lớn hơn cầu trước; ngược lại khi φ > 0,5, mô men phanh cầu trước vượt cầu sau. Ví dụ, với φ = 0,75 (giá trị phổ biến tại Việt Nam), mô men phanh cầu trước đạt khoảng 13.825 Nm, đảm bảo lực phanh tối ưu.

2. Tính ổn định dọc và ngang của xe:
   Chiều cao trọng tâm xe khi đầy tải là 1,45 m, với khoảng cách giữa hai vệt bánh sau là 2,2 m. Góc ổn định dọc khi xe lên dốc đạt 56°, xuống dốc 69°, đảm bảo xe không bị lật hoặc trượt trong điều kiện vận hành bình thường. Tốc độ giới hạn nguy hiểm khi xe quay vòng trên đường nghiêng ngang là khoảng 30 km/h, phù hợp với khuyến cáo vận hành an toàn.

3. Ảnh hưởng của ABS đến mô men phanh và độ trượt bánh xe:
   Hệ thống ABS điều chỉnh mô men phanh theo chu kỳ tăng, giảm và giữ áp suất, giúp bánh xe không bị hãm cứng, duy trì độ trượt tối ưu khoảng 20-30%. Ví dụ, mô men phanh cầu trước trong giai đoạn tăng áp suất đạt 15.769 Nm ở độ trượt 20%, giảm dần khi áp suất giảm, đảm bảo ổn định chuyển động khi phanh.

4. Thời gian và quãng đường phanh:
   Gia tốc phanh trung bình đạt giá trị cao khi hệ số bám lớn, thời gian phanh và quãng đường phanh giảm đáng kể. Ví dụ, với hệ số bám φ = 0,75 và vận tốc ban đầu 60 km/h, quãng đường phanh ước tính khoảng 20-25 m, thời gian phanh dưới 3 giây, phù hợp với tiêu chuẩn an toàn.

Thảo luận kết quả

Kết quả tính toán cho thấy sự phân bố lực phanh hợp lý giữa các cầu và hệ số bám mặt đường là yếu tố quyết định đến tính ổn định khi phanh của xe khách giường nằm. Việc trang bị hệ thống ABS giúp giảm thiểu hiện tượng bánh xe bị khóa cứng, tăng khả năng kiểm soát xe, đặc biệt trong điều kiện đường trơn trượt hoặc phanh gấp.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với các mô hình động lực học phanh hiện đại, đồng thời bổ sung các phân tích chi tiết về đặc tính kỹ thuật của dòng xe THACO MOBIHOME HB120SLD. Việc sử dụng phần mềm Labview để mô phỏng và tính toán giúp minh họa rõ ràng các chỉ tiêu ổn định qua đồ thị và bảng số liệu, hỗ trợ đánh giá chính xác và đề xuất giải pháp phù hợp.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc cải tiến hệ thống phanh, nâng cao an toàn vận hành xe khách giường nằm, đồng thời hỗ trợ công tác đào tạo, quản lý và bảo dưỡng kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống phanh:
   Thực hiện kiểm tra định kỳ các bộ phận phanh, đặc biệt là cơ cấu phanh và hệ thống ABS, nhằm đảm bảo lực phanh phân bố đồng đều, tránh hiện tượng chênh lệch lực phanh gây mất ổn định. Thời gian thực hiện: hàng quý; chủ thể: các đơn vị vận tải và trung tâm bảo dưỡng.

2. Áp dụng công nghệ cảm biến và phần mềm giám sát:
   Lắp đặt cảm biến đo lực phanh, độ trượt bánh xe và các thông số vận hành để thu thập dữ liệu thực tế, từ đó hiệu chỉnh chương trình tính toán và cảnh báo kịp thời khi phát hiện nguy cơ mất ổn định. Thời gian triển khai: 6-12 tháng; chủ thể: nhà sản xuất xe và doanh nghiệp vận tải.

3. Đào tạo lái xe về kỹ thuật phanh an toàn:
   Tổ chức các khóa huấn luyện chuyên sâu về kỹ thuật phanh, nhận biết và xử lý tình huống mất ổn định khi phanh, đặc biệt trong điều kiện giao thông phức tạp và tốc độ cao. Thời gian: hàng năm; chủ thể: các trung tâm đào tạo lái xe và doanh nghiệp vận tải.

4. Nâng cấp hệ thống phanh và thiết kế trọng tâm xe:
   Nghiên cứu cải tiến thiết kế trọng tâm xe, phân bố tải trọng hợp lý và nâng cấp hệ thống phanh phù hợp với điều kiện vận hành thực tế, nhằm tăng cường tính ổn định khi phanh. Thời gian nghiên cứu và triển khai: 1-2 năm; chủ thể: nhà sản xuất xe và viện nghiên cứu kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà sản xuất và thiết kế xe khách:
   Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến hệ thống phanh, thiết kế trọng tâm và phân bố tải trọng nhằm nâng cao tính ổn định và an toàn cho xe khách giường nằm.

2. Doanh nghiệp vận tải hành khách:
   Sử dụng các đề xuất và chương trình tính toán để giám sát, bảo dưỡng hệ thống phanh, đào tạo lái xe vận hành an toàn, giảm thiểu tai nạn liên quan đến phanh gấp.

3. Cơ quan quản lý giao thông và đăng kiểm:
   Áp dụng các chỉ tiêu đánh giá an toàn phanh và ổn định chuyển động để xây dựng tiêu chuẩn kiểm định, quy định vận hành xe khách giường nằm phù hợp với điều kiện thực tế.

4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực:
   Tham khảo mô hình toán học, phương pháp tính toán và ứng dụng phần mềm Labview trong nghiên cứu động lực học phanh, phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo về an toàn giao thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tính ổn định khi phanh lại quan trọng đối với xe khách giường nằm?
   Tính ổn định khi phanh giúp xe không bị mất kiểm soát, tránh hiện tượng trượt hoặc lật xe, đảm bảo an toàn cho hành khách và phương tiện, đặc biệt khi vận hành ở tốc độ cao trên đường dài.

2. Hệ thống ABS có vai trò gì trong việc nâng cao tính ổn định khi phanh?
   ABS ngăn ngừa bánh xe bị khóa cứng khi phanh, duy trì độ trượt tối ưu, giúp xe giữ được khả năng điều khiển và giảm quãng đường phanh, từ đó tăng tính ổn định và an toàn.

3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến lực phanh và mô men phanh của xe?
   Bao gồm hệ số bám mặt đường, phân bố tải trọng giữa các bánh xe, đặc tính kỹ thuật của hệ thống phanh, và điều kiện vận hành như tốc độ, địa hình, tải trọng.

4. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả phanh của xe khách giường nằm?
   Đánh giá dựa trên các chỉ tiêu như gia tốc phanh, thời gian phanh, quãng đường phanh, sự phân bố lực phanh giữa các bánh xe và khả năng duy trì ổn định chuyển động khi phanh.

5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại xe khác không?
   Có, mô hình và chương trình tính toán có thể điều chỉnh và áp dụng cho các dòng xe khách giường nằm tương tự hoặc các loại xe có đặc tính kỹ thuật gần giống, giúp nâng cao an toàn phanh.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và chương trình tính toán đánh giá tính ổn định khi phanh của xe khách giường nằm THACO MOBIHOME HB120SLD dựa trên các thông số kỹ thuật và điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam.
• Kết quả cho thấy sự phân bố lực phanh hợp lý và hệ thống ABS đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định chuyển động và nâng cao an toàn khi phanh.
• Các chỉ tiêu gia tốc phanh, thời gian và quãng đường phanh được tính toán phù hợp với tiêu chuẩn an toàn, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc cải tiến hệ thống phanh và thiết kế xe.
• Đề xuất các giải pháp thực tiễn bao gồm kiểm tra bảo dưỡng hệ thống phanh, ứng dụng công nghệ cảm biến, đào tạo lái xe và nâng cấp thiết kế trọng tâm xe nhằm giảm thiểu tai nạn liên quan đến phanh.
• Khuyến khích các nhà sản xuất, doanh nghiệp vận tải, cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu tiếp tục ứng dụng và phát triển nghiên cứu để nâng cao an toàn giao thông cho xe khách giường nằm.

Để tiếp tục nâng cao hiệu quả và độ chính xác của nghiên cứu, cần triển khai thu thập dữ liệu thực nghiệm, mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các dòng xe khác và phát triển các giải pháp công nghệ mới trong hệ thống phanh. Hành động ngay hôm nay để đảm bảo an toàn cho hành khách và phương tiện trên mọi hành trình!