Luận văn: Phân tích ổn định ngang xe khách HB120 bằng mô hình động lực học

Phân tích chi tiết ổn định ngang của xe khách giường nằm HB120. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng, giải pháp nâng cao an toàn khi vận hành.

• Tác giả: Phan Vạn Phúc
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hữu Nhân
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Phân tích ổn định chuyển động ngang của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học phương ngang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Phân tích ổn định chuyển động ngang

Phân tích ổn định chuyển động ngang là trọng tâm của nghiên cứu này, tập trung vào việc đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố động lực học đến tính ổn định của xe khách giường nằm HB120 khi quay vòng. Mô hình động lực học phương ngang được sử dụng để mô phỏng và phân tích các thông số như lực ngang, góc lắc, và vị trí trọng tâm. Kết quả cho thấy, vị trí tâm lắc đóng vai trò quan trọng trong việc xác định giới hạn lật ngang của xe. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các thông số này có thể cải thiện đáng kể tính ổn định và an toàn của xe khi vào cua.

1.1. Mô hình động lực học phương ngang

Mô hình động lực học phương ngang được xây dựng dựa trên 4 bậc tự do, bao gồm chuyển động lắc quanh trục dọc và chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng. Mô hình này xét đến ảnh hưởng của vị trí tâm lắc và lực ngang biến thiên theo thời gian. Kết quả mô phỏng cho thấy, sự thay đổi của vị trí tâm lắc ảnh hưởng trực tiếp đến giới hạn lật ngang của xe, đặc biệt khi xe quay vòng với tốc độ cao. Điều này giúp xác định các thông số tới hạn để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.

1.2. Ảnh hưởng của lực ngang

Lực ngang là yếu tố chính ảnh hưởng đến tính ổn định của xe khi quay vòng. Nghiên cứu đã khảo sát sự biến thiên của lực ngang theo thời gian và vận tốc xe. Kết quả cho thấy, khi xe tăng tốc hoặc quay vòng, lực ngang tăng đột ngột, dẫn đến nguy cơ mất ổn định. Việc kiểm soát lực ngang thông qua thiết kế hệ thống treo và điều chỉnh vị trí trọng tâm là giải pháp hiệu quả để nâng cao tính ổn định của xe.

II. Xe khách giường nằm HB120

Xe khách giường nằm HB120 là đối tượng nghiên cứu chính của luận văn. Xe này được thiết kế để vận chuyển hành khách trên các tuyến đường dài, đòi hỏi tính ổn định và an toàn cao. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích động lực học xe và các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định khi quay vòng. Kết quả cho thấy, xe khách giường nằm HB120 có nguy cơ mất ổn định cao khi quay vòng với tốc độ lớn, đặc biệt là khi vị trí trọng tâm không được tối ưu hóa.

2.1. Thông số kỹ thuật

Thông số kỹ thuật của xe khách giường nằm HB120 bao gồm khối lượng, kích thước, và các đặc tính động lực học. Nghiên cứu đã thu thập và phân tích các thông số này để xây dựng mô hình mô phỏng. Kết quả cho thấy, khối lượng xe và vị trí trọng tâm là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính ổn định khi quay vòng. Việc điều chỉnh các thông số này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất vận hành của xe.

2.2. Phân tích động lực học

Phân tích động lực học của xe khách giường nằm HB120 tập trung vào việc đánh giá các yếu tố như lực ngang, góc lắc, và vận tốc quay vòng. Kết quả cho thấy, động lực học xe bị ảnh hưởng đáng kể bởi vị trí tâm lắc và lực ngang. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các thông số động lực học có thể giảm thiểu nguy cơ mất ổn định khi xe quay vòng.

III. Mô hình toán học và mô phỏng

Mô hình toán học và mô phỏng là công cụ chính được sử dụng trong nghiên cứu này để phân tích tính ổn định của xe khách giường nằm HB120. Mô hình được xây dựng dựa trên các phương trình động lực học, bao gồm chuyển động lắc và tịnh tiến. Kết quả mô phỏng cho thấy, mô hình toán học này có độ chính xác cao trong việc dự đoán các thông số động lực học và giúp xác định các điều kiện tới hạn để đảm bảo an toàn.

3.1. Xây dựng mô hình

Xây dựng mô hình là bước đầu tiên trong quá trình nghiên cứu. Mô hình được xây dựng dựa trên các phương trình động lực học, bao gồm chuyển động lắc quanh trục dọc và tịnh tiến theo phương thẳng đứng. Kết quả cho thấy, mô hình toán học này có khả năng mô phỏng chính xác các thông số động lực học của xe, đặc biệt là khi xe quay vòng.

3.2. Phân tích kết quả mô phỏng

Phân tích kết quả mô phỏng cho thấy, mô hình toán học có độ chính xác cao trong việc dự đoán các thông số động lực học. Kết quả cũng chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các thông số như vị trí tâm lắc và lực ngang có thể cải thiện đáng kể tính ổn định của xe khi quay vòng. Điều này giúp xác định các điều kiện tới hạn để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này là cải thiện tính ổn định và an toàn của xe khách giường nằm HB120 khi quay vòng. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để đề xuất các phương án thiết kế cải tiến, đặc biệt là trong việc điều chỉnh vị trí trọng tâm và tối ưu hóa hệ thống treo. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất vận hành của xe mà còn giảm thiểu nguy cơ tai nạn liên quan đến mất ổn định khi quay vòng.

4.1. Cải thiện thiết kế

Cải thiện thiết kế là một trong những ứng dụng chính của nghiên cứu này. Kết quả cho thấy, việc điều chỉnh vị trí trọng tâm và tối ưu hóa hệ thống treo có thể cải thiện đáng kể tính ổn định của xe khi quay vòng. Điều này giúp giảm thiểu nguy cơ mất ổn định và nâng cao an toàn cho hành khách.

4.2. Đề xuất phương án an toàn

Đề xuất phương án an toàn là một phần quan trọng của nghiên cứu. Kết quả cho thấy, việc xác định các thông số tới hạn và điều chỉnh thiết kế có thể giảm thiểu nguy cơ tai nạn liên quan đến mất ổn định khi quay vòng. Điều này giúp nâng cao an toàn cho xe khách giường nằm HB120 và các dòng xe tương tự.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngành công nghệ ô tô ngày một phát triển, hạ tầng giao thông ngày càng hoàn thiện nên nhu cầu đối với dịch vụ giao thông vận tải hành khách ngày một nâng cao cả về số lượng và chất lượng của dịch vụ. Để đáp ứng được nhu cầu vận chuyển hành khách đi liên tỉnh ở cự li ngắn (dưới 500 km) và trung bình (từ 500 đến 1000 km), từ năm 2010 đến nay số lượng xe khách giường nằm ngày càng phát triển và được nhiều người dân sử dụng do sự thoải mái và tiện nghi khi di chuyển trong thời gian dài. Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam, toàn quốc hiện có khoảng 4.553 xe chở khách giường nằm hai tầng, trong đó có 859 xe được hoán cải từ xe chở khách ghế ngồi thông thường, 80 xe nhập khẩu nguyên chiếc từ Trung Quốc, còn lại 3.606 xe sản xuất, lắp ráp mới. Đi kèm với số lượng xe ngày càng tăng thì số vụ tại nạn có liên quan đến xe khách giường nằm cũng tăng theo.

Trong vòng 2 năm 2013 và 2014 số vụ tai nạn liên quan đến xe khách giường nằm là 22 vụ, đây là con số đáng báo động. Mặc dù chưa có vụ nào được xác định là do nguyên nhân kỹ thuật và có tới 19/22 vụ là xe giường nằm nguyên bản được sản xuất, lắp ráp mới. Tuy nhiên sau vụ tai nạn thảm khốc liên quan đến xe khách giường nằm tại Lào Cai ngày 1/9/2014, dù chưa có kết quả của cơ quan điều tra nguyên nhân tai nạn nhưng ngay sau đó Bộ trưởng Bộ Giao thông vận tải, ông Đinh La Thăng đã họp và đề xuất cấm xe khách giường nằm đi vào khu vực đèo, đồi, núi và thực tế từ tháng 4/2014 để đảm bảo an toàn kỹ thuật Cục Đăng kiểm Việt Nam đã cấm chuyển đổi xe khách ghế ngồi thông thường thành xe giường nằm. Trong tương lai đối với xe sản xuất, láp ráp trong nước cần được thử nghiệm sau khi chuyển đổi, thay đổi kết cấu.

Tuy nhiên việc tính toán kỹ thuật, kiểm nghiệm tĩnh, chuyển động về tính an toàn, ổn định còn rất nhiều hạn chế tại Việt Nam. Việc đánh giá động học và động lực học trong quá trình chuyển động của xe khách giường nằm cần được tính toán mô phỏng và thực nghiệm tốt hơn. Thực tế tại Việt Nam và thế giới hiện nay đã có một số công trình nghiên cứu về vấn đề tương tự.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới Sách Vehicle Dynamics: Theory and Application do Reza N. Jazar viết được nhà xuất bản Springer xuất bản năm 2008 [1].

Trong chương 13 của sách cũng trình bày về dao động của xe bằng mô hình dao động xe trong mặt phẳng ngang. Mô hình cho phép khảo sát thông số dao động của thân xe theo phương thẳng đứng x lắc ngang quanh trục Ox của xe với góc lắc ngang φ, chuyển động thẳng đứng của các bánh xe x1, x2 và các dao động riêng biệt từ mặt đường y1, y2. Tuy nhiên sách chưa trình bày được ảnh hưởng của lực quán tính đến động học và động lực học của xe cũng như ảnh hưởng của ổn định ngang của xe khi quay vòng. Bài báo khoa học: “Study of the Vehicle Controllability and Stability Based on Multi – body System Dynamics” (The Open Mechanical Engineering Journal, 2014, 8, 865 – 871) của tác giả Lin Hu, Shengyong Fang, Jia Yang, [2] Trong bài báo này tác giả đã sử dụng phần mềm ADAMS/CAR để tiến hành khảo sát mô phỏng đặc tính kiểm soát và ổn định của xe như khả năng quay vòng, khả năng trượt trên đường dốc có chướng ngại vật, khả năng hồi vị của hệ thống lái; kết quả rút ra được là để cải thiện đặc tính tối ưu đó là có 3 yếu tố: khối lượng ô tô, tải trọng đặt lên cầu trước và độ cứng xoắn của thanh ổn định chống lật sau.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích ổn định chuyển động quay vòng xe khách giường nằm bằng mô hình động lực học phẳng” do Nguyễn Duy Bảo thực hiện, 2013 [3].

Đề tài trên được xây dựng trên mô hình động lực học chuyển động phẳng của xe khi quay vòng dạng 2 bánh. Xe chuyển động với vận tốc dọc theo chiều trục xe không đổi trong suốt quá trình quay vòng hoặc vượt xe khác. Sử dụng hàm bước để mô tả góc đánh lái của xe. Sử dụng mô hình lốp bánh xe tuyến tính để xác định lực ngang ảnh hưởng tới xe.

3 Đề tài đã đánh giá được đặc tính quay vòng trong tất cả các trường hợp tải trọng của xe, xác định được vận tốc tới hạn cho phép đảm bảo điều kiện trượt ngang khi xe quay vòng, xác định các thông số động học và động lực học của xe tại vị trí từng bánh xe trước, sau riêng biệt theo thời gian. Tuy nhiên đề tài chưa đánh giá được ảnh hưởng của các ngoại lực tác dụng lên xe cũng như lực kéo của bánh xe chủ động có thể làm cho xe chuyển động theo chiều dọc với vận tốc thay đổi, việc đánh lái với góc lái thay đổi đột ngột theo hàm bước không phù hợp với thực tế, mô hình bánh xe phi tuyến chỉ phù hợp khi xe đánh lái với góc lái nhỏ. Đề tài luận văn thạc sĩ “Phân tích ổn định chuyển động ngang của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học một dãy phi tuyến” do Nguyễn Trường Lĩnh thực hiện, 2015 [4]. Đề tài này đã so sánh được tính năng động học và động lực học khi xe chuyển động ngang dựa trên mô hình lốp phi tuyến với trường hợp dựa trên mô hình lốp xe tuyến tính.

Tuy nhiên, đề tài này chỉ mô phỏng động học và động lực học trên một dãy bánh xe nên chưa đánh giá được ảnh hưởng của ngoại lực tác dụng lên xe khi quay vòng như xe thực tế được. Đề tài luận văn thạc sĩ “Khảo sát ảnh hưởng của hệ thống treo đến đặc tính ổn định ngang của xe MobiHome HB120 khi chuyển động quay vòng trên mặt đường mấp mô” do Nguyễn Xuân Ngọc thực hiện, 2016 [5]. Tác giả chỉ khảo sát đánh giá ảnh hưởng độ cứng của giảm chấn khi xe chuyển động qua mặt đường mấp mô từ đó xác định vận tốc nguy hiểm của xe. Tuy nhiên, đề tài này chưa đánh giá được ảnh hưởng của ngoại lực tác dụng lên xe khi quay vòng như xe thực tế được.3 Lý do chọn đề tài Để phát triển những đề tài trên, tác giả chọn đề tài: “Phân tích ổn định chuyển động ngang của xe khách giường nằm HB120 bằng mô hình động lực học phương ngang” để từng bước xây dựng mô hình xe ngày càng gần với thực tế.

Kết quả tính toán dùng để phân tích tính năng an toàn trong chuyển động ngang, đồng thời đề xuất phương án cải thiện tính năng động học và động lực học của xe 4 khách giường nằm HB120, cũng như làm cơ sở để tính toán cho những dòng xe khách khác.3 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng thể: - Xác định được sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế, điều kiện và các chế độ chuyển động quay vòng của xe khách giường nằm HB120 ảnh hưởng đến an toàn, ổn định của xe khi quay vòng bằng phương pháp mô phỏng. - Từ kết quả tính toán phân tích mô phỏng giúp ta định hướng xác định cụ thể phương án thiết kế cải tiến nhằm nâng cao tính năng ổn định và an toàn của xe khách giường nằm HB120 nói riêng và các chủng loại xe khác nói chung khi vào cua hay quay vòng. Mục tiêu cụ thể: - Tìm hiểu và xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng trong tính toán ổn định ngang của xe khách giường nằm HB120 khi quay vòng. - Xác định toàn bộ các thông số cần thiết của xe khách giường nằm HB120 bằng thực nghiệm kết hợp với lý thuyết để sử dụng cho bài toán tính toán mô phỏng trên.

- Tính toán và phân tích các thông số động lực học theo phương ngang khi xe chuyển động quay vòng trong các chế độ hoạt động khác nhau kết hợp với các điều kiện tới hạn ổn định. - Xác định các điều kiện tới hạn ổn định động lực học, an toàn chuyển động của xe khách giường nằm HB120 khi quay vòng. - Xác định giải pháp thiết kế cải tiến nhằm đảm bảo tốt hơn an toàn chuyển động của xe HB120 khi vào cua.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Xe khách giường nằm HB120 do công ty sản xuất và lắp ráp ô tô Trường Hải chế tạo là đối tượng cụ thể để tiến hành nghiên cứu. Xác định các thông số ảnh hưởng đến tính năng động học và động lực học chuyển động ngang của xe theo mô 5 hình động lực học phương ngang, các thông số này sẽ được nghiên cứu, xác định bằng phương pháp thu thập dữ liệu và mô phỏng.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài này thực hiện nghiên cứu cơ sở tính toán mô phỏng động học và động lực học chuyển động theo phương ngang của ô tô theo mô hình động lực học phương ngang.

Sử dụng các thông số cụ thể được xác định từ đối tượng nghiên cứu như nêu trên, tiến hành mô phỏng để có được kết quả tính toán mô phỏng. Kết quả tính toán mô phỏng của các mô hình toán học mô tả động học và động lực học chuyển động ngang sẽ được phân tích và đánh giá, đồng thời so sánh với kết quả tính toán khi sử dụng các mô hình mô phỏng từ các đề tài đã sử dụng trước đó.3 Các giả thuyết - Khối lượng được treo được xem như là một vật thể đồng nhất, cứng hoàn toàn, có khối lượng tập trung vào trọng tâm. - Mặt đường cứng tuyệt đối. - Khối lượng của bánh xe được coi là khối lượng không được treo và tập trung tại trục xe, như vậy phần tử lốp có thể coi như phần tử không khối lượng.

- Để đơn giản cho việc tính toán, bỏ qua độ giảm chấn của lốp xe, vì giảm chấn của lốp xe nhỏ hơn rất nhiều so với độ giảm chấn của giảm chấn trong hệ thống treo. - Bánh xe lăn không trượt trên đường. - Bỏ qua tác dụng của khí động lực học. - Xe được khảo sát trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với trục dọc xe, các bánh xe cầu trước và sau được coi như một.

- Khả năng bám ngang của các bánh xe là như nhau. - Xe chuyển động đều và quay vòng đều trên đường nằm ngang. - Bỏ qua sự biến dạng bên của lốp. - Độ cứng của giảm chấn bên trái và phải bằng nhau.