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
Người hướng dẫn khoa học

tháng

năm 2018

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
Hê ̣ to ̣a đô ̣ cố đinh
̣

G(OXYZ)
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)
Sơ mi rơ moóc (Semi-Trailer)

SMRM
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)
Hệ số trượt bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

sij
αij

độ

Góc lệch bên bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

Cij

N/m

Kij

N/(m/s)

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

Độ cứng hệ thống treo (i=1(1)4, j=1(1)2)
Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

vi


Jz1

kgm2

Mô men quán tính trục z của XĐK

Jz2

kgm2

Mô men quán tính trục z của SMRM

JAxi

kgm2

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)

F’Ri

N

FRi

N

Mô men quán tính trục x của khối lượng không được treo cầu i
(i=1(1)4)

Lực liên kế t ngang khối lượng không được treo và được treo tại tâm
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
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 /tractorfull 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


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 1.3.
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 1.3. 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 1.3. 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. Hình 1.3b là trạng thái trượt ma sát cầu 3, đoàn xe dễ rơi vào mất ổn
định hướng và có thể bị lật ngang. Hình 1.3c 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 1.4).
7


Hình 1.4. 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). Ta thấy trượt và lật đan xen nhau rất phức tạp.
Trong thực tế, trạng thái chuyển làn đường là thường xuyên, đối với ĐXSMRM có thể
xuất hiện 3 dạng trượt ngang như hình 1.3; cho dù còn ổn định ngang (vùng tuyến tính)
nhưng khi vi phạm làn đường (va chạm ngang) xe vẫn có thể lật vấp. Vì thế nghiên cứu trạng
thái giới hạn lật vấp khi chuyển làn là cần thiết.
Do kết cấu liên kết bởi khớp nối nên sự mất ổn định của ĐXSMRM phức tạp hơn xe
đơn rất nhiều: động lực học phương thẳng đứng ảnh hưởng nhiều đến phân bố lại tải trọng của
XĐK. Khối lượng của SMRM có một phần đặt lên cầu sau của XĐK qua khớp nối. Điều đó
ảnh hưởng lớn đến ổn định cả đoàn xe trong một số trường hợp tải trọng thẳng đứng đặt tại
khớp tăng nhanh khi đi trên đường trơn, phanh ngặt, đi trên đường vòng hoặc do sự thay đổi
tải trọng. Sự mất ổn định ngang thường xảy ra khi quay vòng, nhất là khi chuyển làn.
Cần nhấn mạnh thêm, Mất ổn định trượt (Yaw Instability) 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 thân xe đặc trưng bởi chuyển động góc tương đối
lớn của hai thân xe quanh trục thẳng đứng. Gập thân xe là trạng thái thường gây tai nạn, khi
các cầu xe trượt ngang nhanh, thường xảy ra trên đường giao thông có hệ số bám thấp.
Phản ứng mất ổn định trượt do đánh lái nhanh dẫn đến gập thân xe cũng có thể cả lật xe.
Mất ổn định trượt của ĐXSMRM thể hiện trong khái niệm dao động góc SMRM quanh trục
đứng của khớp yên ngựa hoặc gập thân xe quanh trục đứng của khớp nối. Khi bị trượt, XĐK
có thể bị SMRM đẩy sang bên làm xuất hiện hiện tượng mất ổn định hướng chuyển động.
Mất ổn định quỹ đạo chuyển động: Khi chuyển động, 3 cụm cầu ĐXSMRM có thể trượt
độc lập theo 2 pha là trượt đàn hồi và ma sát (trượt lết ngang). Cho dù sự trượt vẫn trong pha

ổn định (pha đàn hồi) thì ĐXSMRM cũng đã có thể vi phạm làn đường (làn đường là giới
hạn) và dẫn đến lật. Như vậy khái niệm ”mất ổn định quỹ đạo chuyển động” chưa thật chính
xác; có thể sử dụng cụm từ “vi phạm hành lang quét”.
Sự lệch quỹ đạo chuyển động xảy ra khi xe chuyển động không theo mong muốn của
người lái. Trong thực tế, khi tham gia giao thông, đoàn xe luôn chỉ được phép di chuyển trên
các làn đường được quy định theo hệ thống giao thông. Mỗi làn đường thường được quy định
độ rộng theo tiêu chuẩn của hệ thống giao thông như tiêu chuẩn làn đường ô tô. Sự quy định
làn đường và mật độ phương tiện giao thông ngày một tăng dẫn đến người lái khi điều khiển
xe thường phải điều khiển để xe luôn nằm trong làn đường an toàn. Tuy nhiên, với các điều
kiện chuyển động thực tế thì có nhiều lúc xe bị vi phạm làn đường (xe chuyển động sang làn
đường khác, hoặc ra khỏi đường) đặc biệt là đối với các loại xe có kích thước lớn như
ĐXSMRM. Trong thực tế các yếu tố của môi trường luôn luôn thay đổi, dẫn tới thay đổi mối
9


tương quan chuyển động của ô tô trên nền đường. Người lái luôn có các tác động điều chỉnh
để có thể thu được các chuyển động mong muốn. Như vậy mô hình của hệ thống điều khiển ô
tô là một mô hình có phản hồi (close-loop). Tuy nhiên trong điều kiện hiện nay, việc nghiên
cứu một mô hình có phản hồi là một việc không dễ thực hiện. Nếu ô tô mất ổn định điều khiển
dễ dẫn tới mất an toàn chuyển động.
Như vậy ba dạng mất ổn định lật, mất ổn định trượt và sự vi phạm làn đường là các quá
trình động lực học đoàn xe, phụ thuộc cấu trúc đoàn xe, điều kiện đường và phản ứng của
người lái. Ngoài ra, giữa XĐK và SMRM có quan hệ liên kết động lực học qua khớp nối,
thường người lái khó nhận biết phản ứng của moóc nên nhiều khi không có khả năng điều
khiển. Vì vâ ̣y viê ̣c nghiên cứu đô ̣ng lực ho ̣c đoàn xe nói chung và nghiên cứu vi phạm chuyển
làn đường của đoàn xe nói riêng là vấ n đề có ý nghiã cấ p bách hiê ̣n nay ở Viê ̣t Nam. Ở Việt
Nam không có thống kê về tai nạn do chuyển làn đường nhưng (bảng 1.1) chỉ ra số tai nạn ở
Mỹ từ 2001 đến 2005 cho thấy cần quan tâm đến tai nạn do nguyên nhân chuyển làn đường.
Bảng 1.1. Số tai nạn do xe tải lớn chuyển làn đường theo mức độ nghiêm trọng ở Mỹ
từ 2001 đến 2005

Chỉ tổn thất
tài sản
4.748

Chấn
thương
2.412

Với xe chuyển làn cùng hướng

4.268

Với xe chuyển làn ngược hướng
Tổng cộng

Loại tai nạn
Một xe chuyển làn sang phải

102

Tổng
cộng
7.262

563

2

4.833

3.835

651

100

4.586

12.851

3.626

204

16.681

Tử vong

Các nghiên cứu về hệ thống cảnh báo vi phạm làn đường cho hệ thống giao thông thông
minh được xây dựng thành bộ tiêu chuẩn cho xe đơn theo tiêu chuẩn ISO17361:2007 [24, 37].
Hiện nay các hệ thống cảnh báo cho đoàn xe đang được nghiên cứu nhằm giảm sự va chạm
khi chuyển làn đường.
1.2. Tình hình nghiên cứu của Thế giới và Việt Nam về ổn định quỹ đạo chuyển động
1.2.1. Tình hình nghiên cứu của Thế giới
(a) Mô hình động lực học đoàn xe
Đối với đoàn xe, với kích thước lớn, khối lượng lớn và kết cấu nhiều thân thì ổn định
quỹ đạo khi chuyển động là vấn đề phức tạp. Để có thể nghiên cứu về ổn định quỹ đạo chuyển
động, cần phải có các tính toán thử nghiệm chính xác trong các điều kiện chuyển động cụ thể.
Các nghiên cứu quỹ đạo bằng các mô hình tĩnh học không thể hiện đầy đủ đặc tính vật lý của
đoàn xe. Ngày nay, các nghiên cứu thường sử dụng các mô hình động lực học để thiết lập các

phương trình chuyển động và xác định quỹ đạo chuyển động từ đó xác định các trạng thái mất
ổn định quỹ đạo trong một số trạng thái đặc trưng như chuyển làn đường hoặc quay vòng.
10


Schmid [57] nghiên cứu ổn định động lực học cuả đoàn xe bằng phân tích hệ phương
trình tuyến tính. Nghiên cứu chỉ ra các thông số sau có ảnh hưởng tốt đến ổn định hướng của
ĐXSMRM. Các tác giả Collins và Wong [29] chỉ ra các thông số tải lên mâm xoay, chiều dài
xe moóc, trọng lượng và mô men quán tính và một ít thay đổi áp suất lốp xe kéo có thể ảnh
hưởng đến ổn định của SMRM.
Trên thế giới đã có rất nhiều các nhà khoa học cũng như các công trình nghiên cứu khoa
học đã nghiên cứu nhiều khía cạnh khác nhau để xây dựng quỹ đạo chuyển động của ô tô.
Những lý thuyết cơ bản về đoàn xe đã được nghiên cứu từ những năm 1970. Đặc tính ổn định
và quay vòng của đoàn xe được nghiên cứu một cách rộng rãi qua việc phát triển và phân tích
nhiều mô hình động lực học ô tô. Các nghiên cứu ổn định tĩnh được Fancher [34] công bố.
Các mô hình đoàn xe gần đây được Dugoff và Murphy công bố [31]. Mô hình động lực học
đoàn xe trong mặt phẳng nền được Jindra [40, 41] công bố sử dụng hệ phương trình tuyến
tính để mô tả chuyển động đoàn xe trong mặt phẳng đường. Chuyển động phương thẳng
đứng, chuyển động lắc dọc, lắc ngang được bỏ qua khi xây dựng mô hình; các lực bánh xe khi
phanh và quay vòng được mô tả tuyến tính. Các mô hình như vậy có thể chỉ ra dao động
ngang của SMRM nhưng không thể đưa ra các thông tin nội hàm của quá trình gập thân xe
quanh trục z và động lực học ngang của ĐXSMRM.
(b) Tiêu chí đánh giá
Tác giả John Billing [42] nghiên cứu mô phỏng động lực học của ĐXSMRM trong các
trường hợp quay vòng và chuyển làn đường ở tốc độ cao. Các kết quả chỉ ra sự liên hệ giữa
kích thước và yếu tố ổn định với các thông số đánh giá là độ lệch trọng tâm, độ dịch chuyển
ngang và hệ số phân bố tải trọng LTR (Load Transfer Ratio). Các thông số đánh giá này có
xu hướng tăng khi các thông số sử dụng và thông số kết cấu tăng. Tác giả Fancher và Wrinkle
[35] nghiên cứu phương pháp xác định hệ số khuếch đại gia tốc RA (Rearward
Amplification): RA=max(ayn)/max(ay1) cho các xe kéo nhiều SMRM bằng thí nghiệm với quy

luật đầu vào dạng Sin và với các trạng thái chuyển làn đường thừa và chuyển làn đường thiếu
thông qua đánh giá sự lệch trọng tâm so với tâm đường mong muốn.
Rusi Rusev [55] đã nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học nghiên cứu ảnh hưởng
của vận tốc xe đến ổn định ĐXSMRM khi chuyển làn đường. Từ đó đề xuất thuật toán điều
khiển bán tích cực nhằm tăng tính ổn định chuyển động với các trạng thái chuyển động khác
nhau. Mục tiêu của các nghiên cứu là xác định quỹ đạo chuyển động từ đó đề xuất các mức
cảnh báo hoặc thiết lập các hệ thống điều khiển phù hợp nhằm đảm bảo quỹ đạo ô tô chuyển
động an toàn.
Harmed [36] có nghiên cứu xác định quỹ đạo chuyển động bằng mô hình động lực học
và sử dụng thuật toán điều khiển LQR để thiết lập hệ thống điều khiển tăng tính ổn định
11