NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của vận tốc XE đến ổn ĐỊNH NGANG XE bán MOÓC

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC XE ĐẾN ỔN ĐỊNH NGANG
XE BÁN MOÓC
EFFECT OF THE LONGITUDINAL VELOCITY TO LATERAL STABILITY
OF THE TRACTOR SEMI-TRAILER
Võ Văn Hường1a, Dương Ngọc Khánh1b, Tạ Tuấn Hưng1c
1
Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam
a
b
; ;

TÓM TẮT
Mất ổn định ngang xe bán moóc là dạng mất ổn định thường gặp do kết cấu thân xe
phức tạp. Ổn định ngang xe bán moóc phụ thuộc nhiều vào điều kiện đường, phản ứng của
người lái, gió… Người lái thường phản ứng chậm hơn phần moóc khi xe di chuyển. Trong bài
báo này, một mô hình động lực học xe bán moóc được thiết lập theo phương pháp tách cấu
trúc hệ nhiều vật và hệ phương trình Newton-Euler. Mô hình này được sử dụng để khảo sát
ảnh hưởng của vận tốc xe đến ổn định chuyển động của xe bán moóc.
Từ khóa: xe bán moóc, gập thân xe, mất ổn định lật, điều kiện đường, hệ phương trình
Newton-Euler
ABSTRACT
The lateral instability of tractor semi-trailer is an important road safety problem since
the complicated structure of this vehicle. The lateral stability of semitrailer is depended on
road conditions, driver’ behavior, wind... Driver's behavior is usually slower than the motion
of semi-trailer while moving. In this paper, a dynamic model of the tractor semi-trailer is
established based on Multi-body System and Newton – Euler Equations. This model is
applied to examine the effect of the longitudinal velocity to the stability of the tractor semitrailer.
Keywords: tractor semi-trailer, jackknife, rollover instability, road conditions,
Newton-Euler Equations

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Khi nghiên cứu động lực học đoàn xe ta thường mô hình hóa nó như (i) mô hình tích
hợp/Hybrid Model gồm một mô hình vật lý mô tả cấu trúc đoàn xe theo quan điểm hệ nhiều
vật, trong đó các lực liên kết được mô hình hóa dạng mô hình thích nghi; (ii) các thông số đầu
vào của mô hình cấu trúc như phản xạ của lái xe (phanh, ga, quay vô lăng) và các thông số
ngoại cảnh như gió, hệ số bám, mấp mô mặt đường; (iii) các thông số đầu ra của mô hình là
phản ứng động lực học của đoàn xe khi có phản ứng của lái xe.
Đoàn xe là tổ hợp các xe đơn: (i) xe kéo (tractor) kéo một hay nhiều moóc đơn (full
trailer); (ii) xe kéo (tractor) kéo bán moóc (semi-trailer) và kéo theo một số moóc độc lập.
Trong khuôn khổ bài báo này, đoàn xe gồm một xe đơn và một bán moóc (tractor semi-trailer)
được chọn để nghiên cứu.
Tai nạn giao thông xảy ra đối với đoàn xe do nhiều nguyên nhân, trong đó nguyên nhân
chủ yếu là do xe mất ổn định chuyển động trên đường. Có hai dạng mất ổn định là (i) mất ổn
định hướng (Yaw Instability) và (ii) mất ổn định lật (Rollover Instability). Sự mất ổn định phụ
thuộc vào cấu trúc đoàn xe như trọng lượng, chiều cao trọng tâm, khớp liên kết giữa các thân
xe, đặc tính lốp; phụ thuộc điều kiện chuyển động như hệ số bám đường, độ nghiêng cùng độ
499


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
dốc của đường và phụ thuộc phản ứng lái xe khi phanh, ga và quay vô lăng. Trong đường
vòng và phanh khi quay vòng ổn định, các cầu/các bánh xe có thể bị bó cứng và lực ngang có
thể giảm mạnh, xe có thể trượt (i) cầu trước, (ii) cầu sau xe kéo và (iii) cầu sau của moóc. Các
dạng trượt như hình 1 [1].

Hình 1. Các dạng mất ổn định hướng
Mất ổn định lật gắn với việc xe quay vòng, gia tốc ngang vượt ngưỡng và làm xe lật.
Mất ổn định góc gây ra do quá trình phanh hoặc kết hợp giữa phanh và quay vô lăng gắn với
việc các bánh xe bị bó cứng dẫn đến mất lực ngang, kết quả là xe bị gập (jackknife). Gập xe
đặc trưng bởi chuyển động góc nhanh quá và không điều khiển được của hai thân xe trục z.

Gập thân xe là trạng thái thường gây tai nạn giao thông. Phản ứng mất ổn định góc do lái
nhanh của đoàn xe dẫn đến gập thân xe cũng dẫn đến lật xe. Mất ổn định góc của xe bán
moóc thể hiện trong khái niệm dao động góc xe moóc hoặc gập thân xe quanh trục đứng của
khớp quay yên ngựa.
Mất ổn định phụ thuộc vào (i) cấu trúc đoàn xe như cấu trúc lốp, chiều dài cơ sở, chiều
cao trọng tâm, (ii) các thông số vận hành như vận tốc dọc, góc quay vô lăng, (iii) yếu tố ngoại
cảnh như gió ngang, hệ số bám, độ nghiêng của đường. Phần sau đây trình bày ảnh hưởng của
vận tốc ban đầu đến ổn định của đoàn xe.
2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐOÀN XE
Mô hình động lực học đoàn xe là mô hình hỗn hợp/Hybrid Model [2,3], gồm (i) mô
hình vật lý hệ nhiều vật, được mô tả bằng hệ phương trình vi phân cấp 2 theo Newton-Euler,
là dạng mô hình sáng (White-Box-Modelle) và (ii) các mô hình thích nghi/Adaptive Model
để xác định các lực liên kết, là các mô hình gần sáng (Light-Grey-Box-Modelle) hoặc gần đen
(Dark-Grey-Box- Modelle). Mô hình cấu trúc đoàn xe như hình 2. Đoàn xe là hệ nhiều vật,
hai khối lượng được treo, bốn cầu, được định nghĩa bởi (2+4)x6 tọa độ suy rộng; 8 chuyển
động góc của bánh xe.
500


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 2. Mô hình động lực học đoàn xe
Như vậy mô hình vật lý có 44 tọa độ suy rộng, sử dụng mô hình lốp Ammon [3] để tính
các lực tương tác bánh xe dạng mô hình thích nghi/Adaptor. Dựa vào phương trình Newton (1)
và Euler (2) ta có thể xây dựng hệ phương trình động lực học đoàn xe dạng “sáng” [4, 5, 6].
B

 Fx   mx + m(ϕ z −ψ y ) 
  


F = Fy  = my + m(ψ x − β z ) 
 F   mz + m( β y − ϕ x ) 
 z 


M x 


B
M =  M y =
M 
 z

(1)

 
 J x β − ( J y − J z )ϕψ


 
 J yϕ − ( J z − J x )ψβ

 
 J zψ − ( J x − J y ) βϕ 

(2)

Trong đó: F x , F y , F z , M x , M y , M z lần lượt là các ngoại lực và mô men ngoại lực theo
các phương tịnh tiến x, y, z và xoay β, φ, ψ tác dụng lên phần được tách cấu trúc. Dựa vào hệ
(1, 2) và các mô hình thích nghi ta có sơ đồ tính toán cho các phần của mô hình động lực học

xe bán moóc như hình 3 dưới đây.
FW1x

FW1y

hij

ϕx1max ϕx1min

y1

MAij

ψ

MBij


x
x

1

1

ψ
ψ
1

x1

δ

1
1

Xe đầu kéo

y2

ψ


x

2

2

x2
MBij

Sơmi-rơmoóc

x

2

ψ

2

ψ

2

FW2x

FW2y

hij

ϕx2max ϕx2min

Hình 3. Cấu trúc tính toán mô hình xe bán moóc
501


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
Mục tiêu của khảo sát sau là xét ảnh hưởng của vận tốc đến ổn định đoàn xe: (i) ổn định
trượt và (ii) ổn định lật với điều kiện sau: Đường khô hệ số bám 0,9; quay vô lăng quá độ đến
góc quay bánh xe 20 và giữ ổn định; khảo sát với ba ngưỡng vận tốc là 40, 60, 80 km/h.

Hình 4. Hệ số phân tải cầu 4

Hình 5. Hệ số phân tải cầu 3

Hình 6. Hệ số phân tải cầu 2

Hình 7. Hệ số phân tải cầu 1

Hình 8. Gia tốc ngang tractor

Hình 9. Gia tốc ngang trailer

Hình 10. Góc gập thân xe

Hình 11. Vận tốc gập thân xe

502


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 12. Tương quan gia tốc

Hình 13. Quỹ đạo đoàn xe

Nhận xét: Các đồ thị trong hình 4-7 là hệ số phân bố lại tải giữa các bánh xe của các cầu
cho ba vận tốc ban đầu 40, 60, 80 km/h. Các đường số 3 tương ứng xe chạy vận tốc 80 km/h
đều đạt hệ số phân bố là 1; tương ứng các bánh xe phía trong đều bị tách bánh. Đồ thị trong
hình 8, 9 là đồ thị gia tốc ngang a y1 , a y2 với vận tốc ban đầu 40, 60 km/h (các đường 1, 2) có
xu hướng như đường lý thuyết. Ở các vận tốc này, sau khi xe quay vòng ổn định thì các thông
số động học đánh giá ổn định hướng (gia tốc ngang, góc gập và vận tốc góc gập thân xe) và
ổn định lật (các hệ số LTR) đều ổn định sau t=4s [7]. Khi chạy 40, 60 km/h với góc quay bánh
xe dẫn hướng 20 đoàn xe vẫn đảm bảo tính ổn định chuyển động. Riêng đường 3 ứng với vận
tốc 80 km/h, với góc quay bánh xe 20 có thể tạo ra gia tốc ngang 5-5,5 m/s2 tương ứng giá trị
lý thuyết. Tại thời điểm này xe đạt gia tốc cực đại (tới hạn) là lúc các bánh xe phía trong bị
tách khỏi mặt đường, t=2,5s, là cận vật lý; khi đó xe sẽ dao động quanh trục quay dọc, làm
phản lực thay đổi và gia tốc cũng thay đổi theo, tại đó gia tốc ngang giảm đột ngột. Về hướng

chuyển động tương đối giữa hai thân xe, các đồ thị vận tốc gập thân xe và góc gập thân xe
cũng có xu hướng tương tự, tại đó chúng thay đổi đột ngột và đổi chiều như hình 10, 11. Nếu
chạy lên 80 km/h đoàn xe không trượt vì có hệ số bám cao (0,9), do đó nó có thể đạt gia tốc
ngang lớn, lên đến 5…6m/s2 xe có thể lật. Đó là cận vật lý mà trong thực tế cần tránh.
4. KẾT LUẬN
Mô hình động lực học đoàn xe được thành lập dạng Hybrid model gồm mô hình vật lý
và mô hình thích nghi cho phép xác định các giới hạn ổn định của đoàn xe. Phương pháp thí
nghiệm cho mô hình thích nghi không được trình bày trong bài báo này sẽ được trình bày sau.
Kết quả mô phỏng lý thuyết chỉ ra rằng, nếu xe chạy với vận tốc 80 km/h, quay vòng với góc
quay bánh xe ổn định 20 tương ứng gia tốc ngang chừng 5 m/s2, khi đường có hệ số bám hơn
0,9 đoàn xe sẽ vẫn ổn định hướng nhưng mất ổn định lật.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M. Bouteldja, A. Koita, V. Dolcemascolo, J. C. Cadiou, Prediction and Detection of
Jackknifing Problems for Tractor Semi-Trailer, France.
[2] Christoph Halfmann, Adaptive Modelle fur die Kraftfahrzeugdynamik, VDI, Springer
Berlin, 2003.
[3] Dieter Ammonn, Modellbildung und Systementwicklung in der Fahrzeugtechink, BG
Teubner, 1997.
[4] Luijten M.F.J, Lateral Dynamic Behavior of Articulated Commercial Vehicles, Eindhoven
University of Technology, DAF 51050.10-207, 2010.
[5] Michael Blumdell, Damian Harty, The Multibody Systems Approach to Vehicle
Dynamics, SAE International, 2004.
[6] Võ Văn Hường, Nguyễn Tiến Dũng, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc, Đõ Văn
Hường, Ngu, NXB Giáo dục Việt Nam, 2014.
[7] Hocine IMINE, Heavy vehicle modeling, evaluation and prevention of rollover risk,
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées.
503