Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu ổn định quỹ đạo chuyển động của đoàn xe sơ mi rơ moóc khi chuyển làn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:156

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài nhằm xác định vùng điều khiển để đoàn xe sơ mi rơ moóc khi chuyển làn mà không bị vi phạm làn đường có thể làm cơ sở khi thiết kế các hệ thống cảnh báo và hệ thống điều khiển làm tăng tính ổn định chuyển động, hạn chế vi phạm làn đường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu ổn định quỹ đạo chuyển động của đoàn xe sơ mi rơ moóc khi chuyển làn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------- NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC KHI CHUYỂN LÀN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2018 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------- NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC KHI CHUYỂN LÀN Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VÕ VĂN HƯỜNG Hà Nội – 2018 Hà Nội – 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của thầy hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được bảo vệ ở bất kỳ học vị nào và chưa từng được tác giả khác công bố. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Võ Văn Hường Nguyễn Tiến Dũng i
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................................... i MỤC LỤC .................................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT................................................................. v DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ............................................................................................viii DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN .................................................................... xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN............................................................................................................ 4 1.1. Xu thế phát triển đoàn xe, vấn đề mất ổn định chuyển động và tính cấp thiết .................... 4 1.1.1. Xu thế phát triển đoàn xe.................................................................................................. 4 1.1.2. Tai nạn Giao thông ........................................................................................................... 5 1.1.3. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu ............................................................................... 6 1.2. Tình hình nghiên cứu của Thế giới và Việt Nam về ổn định quỹ đạo chuyển động ......... 10 1.2.1. Tình hình nghiên cứu của Thế giới................................................................................. 10 1.2.2. Tình hình nghiên cứu của Việt Nam .............................................................................. 13 1.3. Các chỉ tiêu, thông số đánh giá mất ổn định quỹ đạo chuyển động .................................. 13 1.4. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ............................................... 15 1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................... 15 1.4.2. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................................... 16 1.4.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................ 16 1.4.4. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................................ 17 1.4.5. Cấu trúc luận án .............................................................................................................. 18 1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................................................. 19 Chương 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC NGHIÊN CỨU CHUYỂN LÀN ĐƯỜNG......................................................................................................... 20 2.1. Phân tích cấu trúc và các giả thiết lập mô hình ................................................................. 21 2.1.1. Phân tích cấu trúc ĐXSMRM......................................................................................... 21 2.1.2. Các giả thiết khi xây dựng mô hình ................................................................................ 21 2.2. Mô hình động lực học nghiên cứu chuyển làn đường ĐXSMRM .................................... 22 2.2.1. Hệ quy chiếu ................................................................................................................... 22 2.2.2. Hệ lực và mô men ........................................................................................................... 23 2.2.3. Hệ phương trình mô tả chuyển động của xe trong mặt phẳng đường ............................ 24 2.2.4. Hệ phương trình động lực phương thẳng đứng xác định phản lực lốp-đường ............... 26 ii
2.2.5. Động lực học bánh xe đàn hồi ........................................................................................ 30 2.2.6. Xác định các lực liên kết ................................................................................................ 34 2.2.7. Xác định các lực cản khí động........................................................................................ 43 2.3. Đặc trưng của mô hình ...................................................................................................... 43 2.4. Điều kiện đầu của các phương trình vi phân ..................................................................... 44 2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................................. 45 Chương 3 KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC KHI CHUYỂN LÀN ĐƯỜNG .......................................................................................................................... 46 3.1. Mô tả điều kiện khảo sát, các phương án khảo sát và các chỉ tiêu đánh giá ..................... 46 3.1.1. Mô tả điều kiện và các phương án khảo sát.................................................................... 46 3.1.2. Các chỉ tiêu được sử dụng để đánh giá ổn định quỹ đạo chuyển động khi chuyển làn đường ........................................................................................................................................ 51 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của biên độ đánh lái Sin khi chuyển làn đường đơn ........................ 53 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của tần số đánh lái khi chuyển làn đường đơn ................................. 64 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc xe khi chuyển làn đường đơn ........................................ 70 3.5. Xác định vùng điều khiển khi chuyển làn đường .............................................................. 76 3.6. Kết luận chương 3 ............................................................................................................. 84 Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ........................................................................... 85 4.1. Mục đích, đối tượng và các thông số thí nghiệm .............................................................. 85 4.1.1. Mục đích thí nghiệm ....................................................................................................... 85 4.1.2. Đối tượng thí nghiệm...................................................................................................... 85 4.1.3. Các thông số thí nghiệm ................................................................................................. 86 4.2. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................................ 87 4.2.1. Cảm biến đo gia tốc MMA7361L .................................................................................. 87 4.2.2. Cảm biến Encoder .......................................................................................................... 88 4.2.3. Bộ xử lý tín hiệu và kết nối với máy tính NI USB – 6210 ............................................. 89 4.2.4. Sơ đồ liên kết cảm biến thí nghiệm ................................................................................ 90 4.3. Các phương án thí nghiệm ................................................................................................. 91 4.3.1. Mô tả thí nghiệm ............................................................................................................ 91 4.3.2. Các phương án thí nghiệm .............................................................................................. 91 4.3.3. Một số hình ảnh thí nghiệm ............................................................................................ 92 4.3.4. Thiết lập điều kiện tương quan giữa thí nghiệm và mô phỏng ....................................... 92 4.4. Kết quả thí nghiệm và so sánh với mô phỏng ................................................................... 93 4.4.1. Kết quả thí nghiệm ......................................................................................................... 93 4.4.2. So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả mô phỏng ......................................................... 94 iii
4.5. Kết luận chương 4 ........................................................................................................... 103 KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................................. 111 Phụ lục 1. Các giá trị max của các điểm giới hạn khi khảo sát với δA=30.............................. 111 Phụ lục 2. Các giá trị max của các điểm giới hạn khi khảo sát với δA=40.............................. 123 Phụ lục 3. Một số kết quả tính sai số thí nghiệm .................................................................... 134 Phụ lục 3.1. Bảng giá trị tính toán sai số khi v=28km/h ........................................................ 134 Phụ lục 3.2. Bảng giá trị tính toán sai số khi v=30km/h ........................................................ 137 Phụ lục 3.3. Bảng giá trị tính toán sai số khi v=35km/h ........................................................ 140 iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa G(OXYZ) Hê ̣ to ̣a đô ̣ cố đinh ̣ C1(C1x1y1z1) Hê ̣ to ̣a đô ̣ tại trọng tâm XĐK /Xe đầu kéo/Tractor C2(C2x2y2z2) Hê ̣ to ̣a đô ̣ tại trọng tâm SMRM/Sơ mi rơ mooc/ Semi-Trailer ĐXSMRM Đoàn xe sơ mi rơ moóc (Tractor Semi-Trailer) XĐK Xe đầu kéo (Tractor) SMRM Sơ mi rơ moóc (Semi-Trailer) LTR Hệ số phân bố tải trọng (Load Transfer Ratio) MBS Hệ nhiều vật MBS (Multi Body System) Hệ số khuếch đại gia tốc (Rearward Amplication) RA RA=max(ayn)/max(ay1) 2bi m Chiều rộng cơ sở của cầu thứ i, i=1(1)4 2wi m Khoảng cách hai hệ thống treo cầu thứ i, (i=1(1)4) axi m/s2 Gia tốc dọc của vật rắn i ayi m/s2 Gia tốc ngang của vật rắn i azi m/s2 Gia tốc thẳng đứng của vật rắn i g m/s2 Gia tốc trọng trường, g=9,81m/s2 ij Chỉ số bánh xe thứ i (cầu) và trái (j=1)/phải (j=2) i=1(1)4 Chỉ số các cầu xe j=1 Chỉ số bánh xe bên trái j=2 Chỉ số bánh xe bên phải l1 m Khoảng cách từ trọng tâm XĐK đến cầu xe số 1 l2 m Khoảng cách từ trọng tâm XĐK đến cầu xe số 2 v
l3 m Khoảng cách từ trọng tâm SMRM đến cầu xe số 3 l4 m Khoảng cách từ trọng tâm SMRM đến cầu xe số 4 lk1 m Khoảng cách trọng tâm XĐK đến chốt mâm xoay lk2 m Khoảng cách trọng tâm SMRM đến chốt mâm xoay m1 kg Khối lượng được treo XĐK m2 kg Khối lượng được treo SMRM mAi kg Khối lượng không được treo cầu i (i=1(1)4) h1 m Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm khối lượng được treo XĐK h2 m Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm khối lượng được treo SMRM hk1, hk2 m Chiều cao từ mặt đường đến tâm chốt và mâm xoay exij m Khoảng dịch phản lực Fz phương dọc bánh xe ij hRi m Chiều cao tâm quay tức thời Ri của cầu i, (i=1(1)4) r0ij m Bán kính tự do của bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) ftij m Độ võng tĩnh lốp thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) sij Hệ số trượt bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) αij độ Góc lệch bên bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) Cij N/m Độ cứng hệ thống treo (i=1(1)4, j=1(1)2) Kij N/(m/s) Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo ij (i=1(1)4, j=1(1)2) CLij N/m Độ cứng hướng kiń h lốp thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) KLij N/(m/s) Hệ số cản hướng kính lốp thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) Jx1 kgm2 Mô men quán tính trục x của khối lượng được treo XĐK Jx2 kgm2 Mô men quán tính trục x của khối lượng được treo SMRM Jy1 kgm2 Mô men quán tính trục y của khối lượng được treo XĐK Jy2 kgm2 Mô men quán tính trục y của khối lượng được treo SMRM vi
Jz1 kgm2 Mô men quán tính trục z của XĐK Jz2 kgm2 Mô men quán tính trục z của SMRM Mô men quán tính trục x của khối lượng không được treo cầu i JAxi kgm2 (i=1(1)4) JAyij kgm2 Mô men quán tính trục y bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) MAij Nm Mô men chủ động bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) MBij Nm Mô men phanh bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) Fxij N Lực dọc bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) Fyij N Lực ngang bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) Fzij N Phản lực bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) FGij N Tải trọng tĩnh ứng với bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) FCij N Lực đàn hồi hệ thống treo thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) FKij N Lực cản giảm chấn hệ thống treo thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) FCLij N Lực đàn hồi hướng kính lốp thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) FKLij N Lực cản giảm chấn lốp bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2) Lực liên kế t ngang khối lượng không được treo và được treo tại tâm F’Ri N quay tức thời Ri (i=1(1)4) tác động từ cầu Lực liên kế t ngang khối lượng không treo và được treo tại tâm quay FRi N tức thời Ri (i=1(1)4) tác động từ khối lượng được treo vii
DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Phân loại đoàn xe........................................................................................................ 4 Hình 1.2. Sơ đồ tương tác Đường - ĐXSMRM - Người lái ....................................................... 6 Hình 1.3. Sự trượt ngang đoàn xe............................................................................................... 7 Hình 1.4. Sơ đồ các dạng mất ổn định ngang ĐXSMRM .......................................................... 8 Hình 1.5. Hệ số RA khi thí nghiệm chuyển làn đường [63] ..................................................... 12 Hình 1.6. Kích thước đường khi thử nghiệm ổn định ngang theo tiêu chuẩn ISO 14791:2000 .................................................................................................................................................. 14 Hình 1.7. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................... 16 Hình 2.1. Hệ quy chiếu ĐXSMRM .......................................................................................... 22 Hình 2.2. Sơ đồ lực ĐXSMRM trong mặt phẳng đường XOY ............................................... 24 Hình 2.3. Mô hình động lực học XĐK trong mặt phẳng đường .............................................. 25 Hình 2.4. Mô hình động lực học SMRM trong mặt phẳng đường ........................................... 26 Hình 2.5. Sơ đồ các lực tác động lên khối lượng được treo XĐK trong mặt phẳng XOZ ....... 27 Hình 2.6. Sơ đồ các lực tác động lên khối lượng được treo XĐK trong mặt phẳng YOZ ....... 27 Hình 2.7. Sơ đồ lực tác động lên khối lượng được treo SMRM trong mặt phẳng XOZ .......... 28 Hình 2.8. Sơ đồ lực tác động lên khối lượng được treo SMRM trong mặt phẳng YOZ .......... 29 Hình 2.9. Động lực học cầu xe thứ i ......................................................................................... 29 Hình 2.10. Động lực học bánh xe đàn hồi ................................................................................ 30 Hình 2.12. Hệ thống treo cân bằng với thanh cân bằng ........................................................... 35 Hình 2.13. Sơ đồ hệ thống treo cân bằng liên tiếp của xe sơ-mi rơmoóc ................................ 35 Hình 2.14. Mô hình hệ thống treo ............................................................................................ 36 Hình 2.15. Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo nhíp ................................................................. 36 Hình 2.16. Sơ đồ xác định lực đàn hồi hướng kính của lốp ..................................................... 38 Hình 2.17. Sơ đồ tính lực liên kết lốp đường ........................................................................... 39 Hình 2.18. Sơ đồ tính................................................................................................................ 43 Hình 3.1. Quy luật đánh lái dạng Sin đơn khi chuyển làn đường ............................................ 47 Hình 3.2. Các trạng thái chuyển làn đường .............................................................................. 52 Hình 3.3. Đồ thị góc δ11 ............................................................................................................ 53 Hình 3.4. Đồ thị gia tốc ngang ay1 ............................................................................................ 54 Hình 3.5. Đồ thị gia tốc ngang ay2 ............................................................................................ 54 Hình 3.6. Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ1 .......................................................................... 54 Hình 3.7. Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ2 .......................................................................... 55 viii
Hình 3.8. Đồ thị góc gập thân xe ψ k ...................................................................................... 55 Hình 3.9. Đồ thị góc quay thân xe ψ1 ....................................................................................... 55 Hình 3.10. Đồ thị góc quay thân xe ψ2 ..................................................................................... 56 Hình 3.11. Đồ thị Fz11 ............................................................................................................... 56 Hình 3.12. Đồ thị Fz12 ............................................................................................................... 56 Hình 3.13. Đồ thị Fz21 ............................................................................................................... 57 Hình 3.14. Đồ thị Fz22 ............................................................................................................... 57 Hình 3.15. Đồ thị Fz31 ............................................................................................................... 57 Hình 3.16. Đồ thị Fz32 ............................................................................................................... 57 Hình 3.17. Đồ thị Fz41 ............................................................................................................... 57 Hình 3.18. Đồ thị Fz42 ............................................................................................................... 58 Hình 3.19. Đồ thị tọa độ ngang Y1 ........................................................................................... 58 Hình 3.20. Đồ thị tọa độ ngang Y2 ........................................................................................... 58 Hình 3.21. Đồ thị tọa độ ngang Y11 .......................................................................................... 59 Hình 3.22. Đồ thị tọa độ ngang Y21 .......................................................................................... 59 Hình 3.24. Đồ thị tọa độ ngang Y41 .......................................................................................... 59 Hình 3.25. Đồ thị tọa độ ngang Y12 .......................................................................................... 60 Hình 3.26. Đồ thị tọa độ ngang Y22 .......................................................................................... 60 Hình 3.27. Đồ thị tọa độ ngang Y32 .......................................................................................... 60 Hình 3.28. Đồ thị tọa độ ngang Y42 .......................................................................................... 60 Hình 3.29. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với δA=20 .............................................................. 61 Hình 3.30. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với δA=2,50 ........................................................... 61 Hình 3.31. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với δA=30 ............................................................. 61 Hình 3.32. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với δA=3,50 ........................................................... 61 Hình 3.33. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với δA=40 .............................................................. 61 Hình 3.34. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với δA=4,50 ........................................................... 61 Hình 3.35. Đồ thị tổng hợp các chỉ tiêu theo δ ......................................................................... 63 Hình 3.36. Đồ thị góc δ11 .......................................................................................................... 64 Hình 3.37. Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ1 ........................................................................ 65 Hình 3.38. Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ2 ........................................................................ 65 Hình 3.39. Đồ thị gia tốc ngang ay1 .......................................................................................... 65 Hình 3.40. Đồ thị gia tốc ngang ay2 .......................................................................................... 65 Hình 3.41. Đồ thị góc gập giữa hai thân xe .............................................................................. 66 Hình 3.42. Đồ thị tọa độ ngang Y1 ........................................................................................... 66 ix
Hình 3.43. Đồ thị tọa độ ngang Y2 ........................................................................................... 66 Hình 3.44. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với f =0,455 Hz ..................................................... 67 Hình 3.45. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với f =0,435 Hz ..................................................... 67 Hình 3.46. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với f =0,417Hz ...................................................... 67 Hình 3.47. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với f =0,4 Hz ......................................................... 67 Hình 3.48. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với f =0,385 Hz ..................................................... 67 Hình 3.49. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với f =0,370 Hz ..................................................... 67 Hình 3.50. Đồ thị các thông số đánh giá theo thời gian đánh lái ............................................. 69 Hình 3.51. Đồ thị góc δ11 .......................................................................................................... 70 Hình 3.52. Đồ thị gia tốc ngang ay1 .......................................................................................... 70 Hình 3.53. Đồ thị gia tốc ngang ay2 .......................................................................................... 71 Hình 3.54. Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ1 ........................................................................ 71 Hình 3.55. Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ2 ........................................................................ 71 Hình 3.56. Đồ thị vận tốc góc gập thân xe ψ k ....................................................................... 72 Hình 3.57. Đồ thị tọa độ ngang Y1 ........................................................................................... 72 Hình 3.58. Đồ thị tọa độ ngang Y2 ........................................................................................... 72 Hình 3.59. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với v=46 km/h ....................................................... 73 Hình 3.60. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với v=48 km/h ....................................................... 73 Hình 3.61. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với v=50 km/h ....................................................... 73 Hình 3.62. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với v=52 km/h ....................................................... 73 Hình 3.63. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với v=54 km/h ....................................................... 73 Hình 3.64. Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với v=56 km/h ....................................................... 73 Hình 3.65. Đồ thị các thông số đánh giá theo vận tốc xe ......................................................... 75 Hình 3.66. Đồ thị vùng tốc độ đánh lái theo vận tốc xe khi δA=30........................................... 80 Hình 3.67. Đồ thị vùng tần số đánh lái theo vận tốc xe khi δA=30 ........................................... 81 Hình 3.68. Đồ thị vùng RA theo vận tốc xe khi δA=30 ............................................................. 81 Hình 3.69. Đồ thị vùng tốc độ đánh lái theo vận tốc xe khi δA=40........................................... 82 Hình 3.70. Đồ thị vùng tần số đánh lái theo vận tốc xe khi δA=40 ........................................... 83 Hình 3.71. Đồ thị vùng RA theo vận tốc xe khi δA=40 ............................................................ 83 Hình 4.1. Đoàn xe sơmi-rơmoóc thí nghiệm ............................................................................ 85 Hình 4.2. Sơ đồ vị trí gắn cảm biến .......................................................................................... 86 Hình 4.3. Cảm biến MMA7361L ............................................................................................. 87 Hình 4.4. Cảm biến đo vận tốc góc encoder ............................................................................. 88 Hình 4.5. Hộp xử lý tín hiệu & kết nối máy tính NI USB-6210 .............................................. 89 x
Hình 4.6a. Sơ đồ liên kết cảm biến thí nghiệm quay vòng ĐXSMRM .................................... 90 Hình 4.6b Sơ đồ chân kết nối cảm biến thí nghiệm quay vòng ĐXSMRM ............................ 90 Hình 4.7. Sơ đồ vị trí thí nghiệm .............................................................................................. 91 Hình 4.8. Cân xác định tải trọng trước khi thí nghiệm ............................................................. 92 Hình 4.9. Xe tưới nước cho trường hợp đường ướt................................................................. 92 Hình 4.10. Đồ thị so sánh vận tốc xe ........................................................................................ 95 Hình 4.11. Đồ thị so sánh góc δ11 ............................................................................................. 95 Hình 4.12. Đồ thị so sánh ayP1 .................................................................................................. 96 Hình 4.13. Đồ thị so sánh ayP2 .................................................................................................. 96 Hình 4.14. Đồ thị so sánh ayP3 .................................................................................................. 96 Hình 4.15. Đồ thị so sánh ayP4 .................................................................................................. 97 Hình 4.16. Đồ thị so sánh vận tốc xe ........................................................................................ 98 Hình 4.17. Đồ thị so sánh góc δ11 ............................................................................................. 98 Hình 4.18. Đồ thị so sánh ayP1 .................................................................................................. 98 Hình 4.19. Đồ thị so sánh ayP2 .................................................................................................. 99 Hình 4.20. Đồ thị so sánh ayP3 .................................................................................................. 99 Hình 4.21. Đồ thị so sánh ayP4 .................................................................................................. 99 Hình 4.22. Đồ thị so sánh vận tốc xe ...................................................................................... 100 Hình 4.23. Đồ thị so sánh góc δ11 ........................................................................................... 100 Hình 4.24. Đồ thị so sánh ayP1 ................................................................................................ 101 Hình 4.25. Đồ thị so sánh ayP2 ................................................................................................ 101 Hình 4.26. Đồ thị so sánh ayP3 ................................................................................................ 101 Hình 4.27. Đồ thị so sánh ayP4 ................................................................................................ 102 xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN Bảng 1.1. Số tai nạn do xe tải lớn chuyển làn đường theo mức độ nghiêm trọng ở Mỹ từ 2001 đến 2005 ................................................................................................................................... 10 Bảng 1.2. Hệ số bám của một số loại đường theo R. W. Allen [52] ........................................ 18 Bảng 3.1. Các phương án khảo sát ........................................................................................... 48 Bảng 3.2. Các thông số khảo sát khi đầy tải và không tải ........................................................ 49 Bảng 3.3. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu theo biên độ góc lái ...................................................... 62 Bảng 3.4. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu theo tần số đánh lái ....................................................... 68 Bảng 3.5. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu theo vận tốc xe.............................................................. 74 Bảng 3.6. Vùng khảo sát chuyển làn đường theo tần số lái và vận tốc xe ở δA bằng 30 .......... 77 Bảng 3.7. Vùng khảo sát chuyển làn đường theo tần số lái và vận tốc xe ở δA bằng 40 .......... 78 Bảng 3.8. Giá trị các thông số điều khiển và phản ứng với δA=30 ........................................... 80 Bảng 3.9. Giá trị các thông số điều khiển và phản ứng với δA=40 ........................................... 82 Bảng 4.1. Các thông số thí nghiệm ........................................................................................... 86 Bảng 4.2. Bảng các phương án thí nghiệm ............................................................................... 92 Bảng 4.3. Các chỉ tiêu so sánh giữa thí nghiệm và mô phỏng khi vận tốc xấp xỉ 28km/h....... 97 Bảng 4.4. Chỉ tiêu hệ số tương quan Pearson giữa mô phỏng và thí nghiệm......................... 102 Bảng 4.5. Chỉ số RMSE giữa mô phỏng và thí nghiệm ......................................................... 103 xii
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án 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 loại đoàn xe. Với kích thước và khối lượng lớn, đoàn xe đã cho thấy hiệu quả của việc vận chuyển các loại hàng hóa, đặc biệt là đối với hàng hóa chuyên dùng. Ở Việt Nam, đoàn xe sơ mi rơ moóc (gọi tắt là ĐXSMRM) bao gồm xe đầu kéo (XĐK) và sơ mi rơ moóc (SMRM) là loại đoàn xe được sử dụng tương đối phổ biến. Khi quay vòng, ĐXSMRM thường dễ bị mất ổn định ngang. Mất ổn định ngang gồm: (i) mất ổn định hướng (Yaw Instability), (ii) mất ổn định lật ngang (Roll Instability). Tai na ̣n giao thông xảy ra đố i với ĐXSMRM do nhiề u nguyên nhân, trong đó 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. Hành lang chuyển động của đoàn xe cũng là yếu tố quan trọng khi thiết kế đường. Giữa XĐK và SMRM có quan hệ liên kết động lực học qua khớp nối, thường người lái khó nhận biết phản ứng của SMRM nên nhiều khi không có khả năng điều khiển nhằm giảm sự mất ổn định chuyển động khi chuyển làn. Vì vâ ̣y viê ̣c nghiên cứu đô ̣ng lực ho ̣c đoàn xe nói chung và nghiên cứu mất ổn định khi chuyển làn của đoàn xe nói riêng là vấ n đề có ý nghiã cấ p bách hiê ̣n nay ở Viê ̣t Nam. Mục tiêu nghiên cứu Khi chuyển làn đường, biên độ góc quay bánh xe dẫn hướng, tần số góc quay bánh xe dẫn hướng, vận tốc đoàn xe không phù hợp có thể dẫn đến vi phạm làn đường: dịch chuyển thừa (overshoot) và chuyển làn thiếu (undershoot). Quá trình này có thể dẫn đến một trong các cụm cầu của đoàn xe va chạm lề đường, là tiền đề có thể dẫn đến lật và gọi là lật vấp (Tripped Rollover). Nghiên cứu xác định vùng điều khiển để đoàn xe sơ mi rơ moóc khi chuyển làn mà không bị vi phạm làn đường có thể làm cơ sở khi thiết kế các hệ thống cảnh báo và hệ thống điều khiển làm tăng tính ổn định chuyển động; hạn chế vi phạm làn đường. Đối tượng nghiên cứu Đoàn xe sơ mi rơ moóc 4 cầu gồm gồm XĐK 2 cầu MAZ 543203-220 [3] và SMRM 2 cầu có ký hiệu DV-CSKS-400NA [4] được chọn làm đối tượng nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu Để nghiên cứu xác định trạng thái ổn định quỹ đạo chuyển động ĐXSMRM, luận án tiến hành kết hợp hai phương pháp: 1
- Nghiên cứu lý thuyết: Mô hình hóa đoàn xe theo phương pháp hệ nhiều vật; sử dụng mô hình mô phỏng nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến mất ổn định quỹ đạo ĐXSMRM khi chuyển làn đường; - Nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm động lực học đoàn xe trên đường phẳng khi đánh lái hình Sin để kiểm chứng mô hình động lực học ĐXSMRM đã thiết lập. Phạm vi nghiên cứu Sự mất ổn định quỹ đạo có thể xảy ra khi xe quay vòng hoặc chuyển làn đường. Trong khuôn khổ của luận án, NCS khảo sát quá trình chuyển làn đường và xác định sự vi phạm làn đường nhằm tránh quá trình lật vấp dẫn tới tai nạn. Luận án lựa chọn phạm vi nghiên cứu là sự vi phạm làn đường với loại đường có hệ số bám φxmax bằng 0,5 làm đầu vào cho các phương án khảo sát đến xác định vùng chuyển động an toàn khi chuyển làn tránh va chạm. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số sử dụng như góc quay bánh xe dẫn hướng, tần số đánh lái của quy luật đánh lái hình Sin và vận tốc xe ổn định dẫn tới vi phạm làn đường của ĐXSMRM khi chuyển làn trên đường phẳng có hệ số bám thấp và hệ số bám hai bên giống nhau. Từ đó, nghiên cứu phương pháp xác định vùng chuyển làn đường thừa, chuyển làn đường thiếu và chuyển làn đường đủ làm cơ sở để thiết kế các hệ thống điều khiển hoặc hệ thống cảnh báo sau này. Nội dung luận án Bố cục của luận án được trình bày theo 4 chương như sau: - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Mô hình động lực học ĐXSMRM nghiên cứu chuyển làn đường - Chương 3: Khảo sát ổn định quỹ đạo ĐXSMRM khi chuyển làn đường - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm Những kết quả mới của luận án 1. Luận án đã xây dựng được mô hình 28 bậc tự do cho đoàn xe sơ mi rơ moóc với XĐK 2 cầu và SMRM 2 cầu. Mô hình có thể khảo sát được các trạng thái ổn định quỹ đạo với các quy luật đánh lái khác nhau; 2. Luận án đã khảo sát được ảnh hưởng của các thông số như biên độ góc quay bánh xe dẫn hướng, tần số đánh lái và vận tốc xe khi chuyển làn đường đến sự vi phạm làn đường ĐXSMRM chuyển làn; 3. Luận án đã xác định được vùng điều khiển theo hai thông số là tần số đánh lái và vận tốc xe ở một biên độ góc quay bánh xe dẫn hướng cụ thể làm cơ sở để thiết kế các hệ thống cảnh báo và điều khiển khi ĐXSMRM chuyển làn đường; 4. Luận án đã lựa chọn được phương pháp và xây dựng hệ thống thí nghiệm để kiểm chứng mô hình ĐXSMRM khi chuyển làn đường. 2
Ý nghĩa thực tiễn của luận án - Luận án đã xây dựng được mô hình đoàn xe sơ mi rơ moóc để nghiên cứu các quá trình mất ổn định quỹ đạo chuyển động. Mô hình có thể ứng dụng để nghiên cứu động lực học chuyển động của đoàn xe sơ mi rơ moóc. Đã sử dụng mô hình để khảo sát được ảnh hưởng của một số thông số điều khiển đến ổn định quỹ đạo khi chuyển làn đường đặc trưng. Ý nghĩa khoa học của luận án - Phương pháp xây dựng mô hình và mô hình động lực học được xây dựng trong luận án có ứng dụng để khảo sát quỹ đạo chuyển động của đoàn xe sơ mi rơ moóc. Phương pháp xác định vùng điều khiển theo hai thông số có ý nghĩa thực tiễn và khoa học trong nghiên cứu cảnh báo và điều khiển chống vi phạm làn đường khi đoàn xe sơ mi rơ moóc chuyển làn đường; - Luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất trong quá trình nghiên cứu cải tiến hoặc thiết kế mới nhằm tăng tính ổn định quỹ đạo. 3
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Xu thế phát triển đoàn xe, vấn đề mất ổn định chuyển động và tính cấp thiết 1.1.1. 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. Hình 1.1. 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 313.000, Đức 287.654, 4
Phầ n Lan 277.308, Tây Ban Nha 251.766, Thổ Nhi ̃ Kỳ 207.324, Hà Lan 132.334, Ý 100.885 chiếc. 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 9.000 ĐXSMRM [16]. Đế n tháng 9/2014 Hải Phòng có gầ n 6.000 ĐXSMRM [1]. 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 1.1. 1.1.2. 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 50.000kg). 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 162.058 [9]. 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 1.3. 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. 1.1.3. 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. Hình 1.2. 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