Lập mô hình và khảo sát đặc tính động lực học phanh đoàn xe

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------

CHU VĂN HUỲNH

LẬP MƠ HÌNH VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH
ĐỘNG LỰC HỌC PHANH ĐỒN XE

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN
DỤNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN QUANG HOÀNG

Hà Nội – Năm 2012


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ………………………………………………………………...........1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ……………………………………...2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ……………………………………………….5
LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………………….8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ………………………….10
1.1. An tồn giao thơng với đồn xe.…………………………………………………10
1.1.1. Mất ổn định do xoay thân đoàn xe…………………………………………14
1.1.2. Hiện tượng bẻ gãy thân xe...............................................................................15
1.1.3. Hiện tượng lật ngang.....................................................................................16
1.2. Tình hình nghiên cứu động lực học đoàn xe……………………………………..16
1.3. Phương pháp nghiên cứu………………………………………………………..18

1.4. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài………………………………………………..19
1.4.1. Mục đích.................……………………………………………………….12
1.4.2. Nhiệm vụ của đề tài …………………………………………………........14
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC
HỌC PHANH ĐỒN XE…………… ……………............................21
2.1. Phương pháp lập hệ phương trình ……………………………………………......21
2.2. Cấu trúc xe bán mooc …………………………………………………………….22
2.3. Xây dựng mơ hình ………………………………………………………………..23
2.3.1. Thiết lập các phương trình động lực học của xe bán mooc ………………....23
2.3.2. Các phương trình liên kết ……………………………………………….......28
Kết luận chương 2 ………………………………………………………………….....36
CHƯƠNG 3. GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH BẰNG MATLAB SIMULINK VÀ CÁC
PHƯƠNG ÁN KHẢO SÁT ……………………………………............37


3.1. Xây dựng chương trình mơ phỏng bằng Simulink ……………………………….37
3.2. Số liệu đầu vào …………………………………………………………………...37
3.3. Tính tốn các điều kiện đầu ……………………………………………………....41
3.3.1. Xây dựng hàm kích động …………………………………………………...42
3.3.2. Xác định lực cản khơng khí ban đầu Fw0x ………………………………......42
3.3.3. Tính các phản lực tĩnh tại các bánh xe FZi ,st ………………………………...42
3.3.4. Xác định lực dọc ban đầu Fx0i ……………………………….......................42
3.3.5. Xác định hệ số trượt ban đầu s0i ………………………………....................43
3.3.6. Xác định mô men ban đầu M0i …………………………..............................43
3.4. Các phương án khảo sát…………………………………………………………..44
3.5. Sơ đồ chương trình mơ phỏng…………………………………………………..46
Kết luận chương 3 ………………………...…………………………………………..47
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ …………………………….48
4.1. Phương án 1…….. …………………………………………….……………….48
4.2. Phương án 2 ……………………………………………………………………55

4.3. Phương án 3……………………………………………………………………..61
4.3. Phương án 4……………………………………………………………………..67
4.3. Phương án 5……………………………………………………………………..78
KẾT LUẬN …………………………………………………………………………...84
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………..86


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----------------------------------------

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được cơng bố trong các cơng
trình nào khác!

Hà Nội, ngày 21 tháng 9 năm 2012
Tác giả

Chu Văn Huỳnh

1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Đơn vị

Giải nghĩa

z1 , z&1 , &
z&
1

m, m/s,
m/s2

Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương thẳng đứng của
khối lượng treo đầu kéo

z11 , z&11

m, m/s

Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của cầu 1

z23 , z&23

m, m/s

Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của cầu
tương đương 2 và 3

zk1 , z&k1

m, m/s

Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của chốt
kéo (đầu kéo)

z2 , z&2 , &
z&2

m, m/s,
m/s2

Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương thẳng đứng của
khối lượng treo rơ mooc

z24 , z&24

m, m/s

Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của cầu 4

z25 , z&25

m, m/s

Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của cầu 5

zk 2 , z&k 2

m, m/s

Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng của chốt
kéo (rơ mooc)

x1 , x&1 , &
x&1

m, m/s,
m/s2

Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương dọc của khối
lượng treo đầu kéo

x2 , x&2 , &
x&2

m, m/s,
m/s2

Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương dọc của khối
lượng treo rơ mooc

ϕ1 ,ϕ 2

rad

ξi , ξ&i , ξ&&
i

m, m/s,
m/s2

ϕ Ai

rad

Góc lắc của cầu i

ϕ A 23

rad

Góc lắc của cầu tương đương 2 và 3

ϕ A 45

rad

Góc lắc của thanh cân bằng cầu 4, 5

Góc lắc của đầu kéo, rơ mooc
Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khối lượng không được
treo cầu i (i = 1 ÷ 5)

2


h0i

m

Biên độ mặt đường cầu i

h1

m

Chiều cao từ trọng tâm đầu kéo đến tâm bánh xe

h2

m

Chiều cao từ trọng tâm rơ mooc đến tâm bánh xe

hk1

m

Chiều cao từ trọng tâm đầu kéo đến chốt kéo

hk2

m

Chiều cao từ trọng tâm rơ mooc đến chốt kéo

l1

m

Khoảng cách từ trọng tâm đầu kéo đến cầu 1

l2

m

Khoảng cách từ trọng tâm đầu kéo đến trung điểm cầu
cân bằng 2, 3

l3

m

Khoảng cách từ trọng tâm rơ mooc đến trung điểm cầu
cân bằng 2, 3

l4

m

Khoảng cách từ trọng tâm rơ mooc đến thanh cân bằng
cầu 4, 5

2a

m

Khoảng cách giữa cầu 2 và 3

2b

m

Khoảng cách giữa cầu 4 và 5

2c

m

Chiều dài thanh cân bằng 4, 5

m1

kg

Khối lượng được treo đầu kéo

m2

kg

Khối lượng được treo rơ mooc

m23

kg

Khối lượng cầu tương đương 2 và 3

m45

kg

Khối lượng thanh cân bằng cầu 4, 5

mAi

kg

Khối lượng không được treo cầu i

Jy1

kgm2

Mô men qn tính trục y của khối lượng treo đầu kéo

Jy2

kgm2

Mơ men quán tính trục y của khối lượng treo rơ mooc

JyA23

kgm2

Mơ men qn tính trục y của cầu tương đương 2 và 3

3

JyA45

kgm2

Mơ men qn tính trục y của thanh cân bằng cầu 4, 5

JyAi

kgm2

Mơ men qn tính trục y của cầu i

C1

N/m

Độ cứng nhíp cầu 1

C23

N/m

Độ cứng nhíp cầu cân bằng 2, 3

C4

N/m

Độ cứng nhíp cầu 4

C5

N/m

Độ cứng nhíp cầu 5

K1

N/(m/s)

Hệ số cản hệ thống treo cầu 1

K23

N/(m/s)

Hệ số cản hệ thống treo cầu cân bằng 2, 3

K4

N/(m/s)

Hệ số cản hệ thống treo cầu 4

K5

N/(m/s)

Hệ số cản hệ thống treo cầu 5

CLi

N/m

Độ cứng hướng kinh của lốp cầu i

Ckx, Ckz

N/m

Độ cứng khớp nối theo phương x, z

FCi

N

Lực đàn hồi của hệ thống treo cầu i

FKi

N

Lực cản của hệ thống treo cầu i

FCLi

N

Lực đàn hồi của lốp i

Fkx

N

Phản lực của khớp theo phương x

Fkz

N

Phản lực của khớp theo phương z

Fwx

N

Lực cản không khí

A

m2

Diện tích cản chính diện
Hệ số khí động

c

ρ

kg/m3

v

m/s

Mật độ khơng khí
Vận tốc của xe

4


Fxi

N

Lực dọc của lốp i

Fxi′

N

Lực dọc của khung tác dụng lên cầu i

FZi

N

Phản lực của đường tác dụng lên bánh i

Fzi,st

N

Tải trọng tĩnh của bánh xe thứ i

Mi

Nm

Mô men cấp cho bánh i
Hệ số cản lăn bánh xe i

fi
r0i

m

Bán kính tự do của lốp i

fti

m

Độ võng tĩnh lốp i

si

Hệ số trượt bánh i

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Hệ Đường – Xe – Người...............................................................

10

Hình 1.2: Nguyên lý phanh............................................................................

11

Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển của lái xe………………………………………

12

Hình 1.4: Hiện tượng mất ổn định do xoay thân xe.......................................

14

Hình 1.5: Hiện tượng mất ổn định do bị bẻ gãy đồn xe................................

15

Hình 2.1: Các thơng số kích thước của xe bán mooc.....................................

22

Hình 2.2: Các tọa độ suy rộng của mơ hình xe bán mooc..............................

23

Hình 2.3: Mơ hình động lực học của đầu kéo................................................

24

Hình 2.4: Mơ hình động lực học cầu 1, 2, 3 của đầu kéo...............................

25

Hình 2..5: Mơ hình động lực học cầu tương đương 2, 3................................

25

Hình 2.6: Mơ hình động lực học của bán mooc.............................................

26

Hình 2.7: Mơ hình động lực học cầu 4 và cầu 5 của bán mooc......................

26

Hình 2.8: Mơ hình động lực học thanh cân bằng cầu 4 và 5..........................

27

Hình 2.9: Phản lực Fz của đường tác dụng lên các bán xe.............................

30

Hình 2.10: Mơ hình lốp..................................................................................

31

Hình 2.11. Sơ đồ tính lực Fx , Fy của lốp........................................................

32

Hình 2.12. Đồ thị lực tương tác bánh xe Fx theo hệ số trượt s…………….

33

6


Hình 2.13. Hàm Ammonn…………………………………………………..

33

Hình 2.14. Mơ men phanh…………………………………………………..

36

Hình 3.1-3.60: Khảo sát động lực học phanh đoàn xe.................................... 48-82

7


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, việc phát triển các nghành khoa học kỹ thuật là vô cùng cần thiết và

quan trọng. Trong đó sản xuất ơ tơ hiện nay là một trong những lĩnh vực đã và đang
được nhà nước hết sức quan tâm. Trên thế giới sản xuất ô tô tăng vượt bậc, ô tô trở
thành phương tiện vận chuyển quan trọng về hành khách và hàng hoá cho các ngành
kinh tế quốc dân.Ở nước ta số ô tô tải cũng đang gia tăng cùng với sự phát triển và
tăng trưởng của nền kinh tế. Mật độ xe trên đường ngày càng tăng điều này dẫn đến
vấn đề tai nạn giao thông mà chúng ta đang là vấn đề bức thiết đối với các nhà quản
lý.
Hướng nghiên cứu động lực học chuyển động của đoàn xe đang được quan tâm
nhằm xây dựng và bổ xung các tiêu chuẩn kỹ thuật, tối ưu hóa cấu trúc, thiết lập các
hệ thống điều khiển động lực học đoàn xe đặc biệt là ổn định đoàn xe trong các
trạng thái đặc trưng như phanh hay tăng tốc. Đối với Ơ tơ ngun nhân xẩy ra tai
nạn do hệ thống phanh chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các tai nạn do kỹ thuật gây nên.
Đối với đồn xe thì tai nạn do hệ thống phanh gây ra cịn chiếm tỷ lệ cao hơn vì
đồn xe có kích thước lớn và tải trọng lớn. Khi phanh các xe thường mất ổn định và
có thể bị trượt ngang và gây tai nạn.
Đề tài:” lập mơ hình và đặc tính động lực học phanh đồn xe” được thực hiện
với mong muốn góp một số vấn đề nhỏ trong lĩnh vực nghiên cứu về ổn định đoàn
xe khi phanh trên cơ sở nghiên cứu quá trình phanh giới hạn trượt nhằm giảm tai
nạn giao thơng từ đó đưa ra điều kiện an toàn khi phanh đoàn xe.
Phạm vi nghiên cứu động lực học của đoàn xe là rất rộng vì vậy trong khn
khổ luận văn, đề tài chỉ tập trung vào các nội dung chính:
-

Xây dựng mơ hình tính tốn cho đồn xe bán rơ mooc

-

Thiết lập các phương trình tốn học mơ tả chuyển động đồn xe kéo bán rơ
mooc.

8


-

Mơ phỏng trên máy tính, xem xét sự thay đổi của các thơng số động học,
động lực học của đồn xe.

-

Khảo sát một số quá trình đặc trưng.
Đề tài được thực hiện tại bộ mơn Bộ mơn Ơ tơ và xe chuyên dụng - Viện cơ

khí động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Qua đây tác giả xin gửi lời trân
trọng cảm ơn tới các thầy trong Bộ mơn Cơ ứng dụng - Viện Cơ khí, Bộ mơn Ơ tơ
và xe chun dụng - Viện cơ khí động lực, Viện Đào tạo sau Đại học và các bạn
đồng nghiệp, đặc biệt là lời cảm ơn chân thành nhất tới TS. Nguyễn Quang Hoàng –
Giáo viên hướng dẫn đề tài - đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ trong việc định hướng
nghiên cứu và các phương pháp giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra. Tuy nhiên do thời
gian nghiên cứu cịn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi các sai sót, tác giả rất mong
tiếp tục nhận được sự quan tâm, đóng góp ý kiến của các thầy, cô và các bạn đồng
nghiệp nhằm bổ sung cũng như hồn thiện hơn trong q trình nghiên cứu tiếp theo.

Hà Nội, ngày 30 tháng 8 năm 2012
Tác giả

Chu Văn Huỳnh

9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. AN TỒN GIAO THƠNG VỚI ĐỒN XE
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế trong nước, nhu cầu sử dụng ơ tơ nói
chung và đồn xe nói riêng trong vận tải hành khách, hang hóa cũng tăng nhanh
chóng. Mặc dù hệ thống giao thong đó có những bước phát triển đáng kể nhưng
chưa thể tương xứng với tốc độ phát triển của phương tiện tham gia giao thơng.
Chính vì vậy vấn đề an tồn giao thơng đang là vấn đề nhức nhối khơng chỉ ở Việt
Nam mà cịn là vấn đề nhức nhối đối với các nhà quản lý trên tồn thế giới.
Tai nạn giao thơng xảy ra với đồn xe gây ra các thiệt hại rất lớn về của cải vật
chất và con người vì kích thước, tải trọng lớn của loại xe này.
Xột về nguyên nhân tai nạn giao thơng chúng ta có thể kể đến mơ hình ng
Xe - Ngi (trớch dn trong [2]).
-Đuờng

-Nguời
Huớng nhìn
Đối tuợng
-Ga, phanh
-Lái

-Vị trí
-Vận tốc

-Lực

-Gió, độ nghiêng
-Bề mặt đuờng

-Vận tốc

-Xe

Hỡnh 1.1. H Đường – Xe – Người
Hiện nay với sự phát triển của ngành cơng nghệ ơ tơ thì những xe ra đời của
thế hệ sau ln có vận tốc lớn hơn và hướng tới giới hạn trượt vật lý (bánh xe có thể
bị trượt). Ơ tơ ngày càng hồn thiện về kết cấu tức khả năng thích ứng động lực học
tốt hơn, ngày càng hướng tới an toàn động lực học, an tồn tích cực.

10


Chỉ tiêu để đánh giá ôtô là vận tốc, gia tốc, quỹ đạo chuyển động, Trong
phạm vi của đề tài, tác giả khơng xét đến yếu tố quay vịng mà chỉ xét đến các trạng
thái khi xe đi trên đường thẳng.
Hệ thống phanh là cơ cấu an tồn của ơtơ, dùng để giảm tốc, dừng xe hoặc đỗ
xe khi cần thiết theo yêu cầu của người lái. Nó là một trong những hệ thống chính
và có ý nghĩa quan trọng bảo đảm sự ổn định của ơtơ khi chuyển động.

Hình 1.2. Nguyên lý phanh
Một trong những vấn đề đặt ra là phải giải quyết vấn đề hoạt động của hệ
thống phanh khi phanh trên các loại đường có hệ số bám thấp như đường trơn, ướt,
đường cát, điều này dẫn đến bánh xe nhanh chóng bị bó cứng và mất ổn định. Khi
phanh ơtơ, nếu bánh xe trước bị bó cứng trước thì sẽ làm cho xe khơng thể chuyển
hướng theo sự điều khiển của người lái; nếu bánh xe sau bị bó cứng trước, ơtơ sẽ bị
trượt ngang. Đặc biệt khi ơtơ quay vịng, hiện tượng trượt ngang của các bánh xe sẽ
dẫn đến hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vũng thừa làm mất tính ổn định khi
xe quay vịng. Để có thể nâng cao hiệu quả phanh chúng ta phải xác định rõ các
quan hệ nội hàm liên quan đến q trình phanh. Điều đó chỉ có thể được xác định
thơng qua các mơ hình động lực học của q trình phanh; trong đó mơ hình lốp là

hạt nhân của mơ hình vì các lực tương tác bánh xe sẽ quyết định đến các giá trị nội
hàm và ảnh hưởng đến quãng đường phanh, ổn định phanh và ổn định dẫn hướng.
Mặt khác, ta có sơ đồ điều khiển lái xe được biễu diễn như hình 1.3:

11


Phanh/ ga
Quay vô lăng

0, v0

Nhiễu

Xe

Lái xe

, v

, v

Hỡnh 1.3. S đồ điều khiển của lái xe
Tại thời điểm ban đầu xe đang chuyển động với vận tốc v0 trên một cung ρ0
và đại lượng nhiễu như gió, bề mặt đường, hướng nhìn. Lái xe điều khiển xe sao
cho xe chạy an toàn và đạt được mục tiêu ρ ,v. Nhưng đối với xe thì khả năng động
lực học ơtơ bị giới hạn để phù hợp với kết cấu, khả năng điều khiển của lái xe bị
giới hạn do sức khoẻ, điều kiện tiện nghi trên xe do đó người ta nghiên cứu động
lực học chuyển động của ôtô nhằm đánh giá cũng như xác định chất lượng khai thác
ôtô trong những điều kiện khác nhau. Trong đó vấn đề điều khiển ơtơ khơng thể

thiếu trong q trình nghiên cứu, nhất là trong thời gian gần đây chất lượng ôtô
cũng như điều kiện đường sá tăng lên rõ rệt, vận tốc trung bình của ơ tơ có thể đạt
100km/h là tín hiệu đáng mừng cho lĩnh vực giao thông nước nhà.
Để giảm thiểu tai nạn giao thông do ôtô gây ra ngồi việc nâng cao trình độ, kỹ
thuật, ý thức của con người điều khiển, cần phải giảm thiểu các tai nạn do yếu tố kỹ
thuật gây ra: kết cấu toàn bộ ơtơ, tính điều khiển, các thiết bị an tồn bị động. Với
tốc độ phát triển của khoa học công nghệ như ngày nay ngoài việc đảm bảo các yêu
cầu kỹ thuật của các cụm tổng thành thì việc cải thiện tính điều khiển của ơtơ đang
được các nhà khoa học rất quan tâm. Trong đó tính điều khiển và quỹ đạo chuyển
động của ôtô là một mảng nghiên cứu rộng, nó liên quan đến nhiều lĩnh vực: điều
khiển tự động, cơ khí, khí động lực …

12


Ở các nước có nền cơng nghiệp ơtơ hiện đại, vấn đề đảm bảo tính điều khiển
của ơtơ được các tiêu chuẩn pháp lý đề cập tỉ mỉ, do vậy góp phần rất lớn trong việc
giảm thiểu các tai nạn giao thông. Cho nên với nền công nghiệp ôtô non trẻ như
Việt Nam việc nghiên cứu tìm hiểu về vấn đề này rất cần thiết để phục vụ tốt cho
khai thác, sử dụng các loại ơtơ đó, đang và sẽ được sản xuất tại thị trường Việt
Nam.
Do mối liên quan giữa quỹ đạo chuyển động với góc điều khiển vơ lăng nên
vấn đề đặt ra thuộc lĩnh vực điều khiển quỹ đạo chuyển động và phương pháp
nghiên cứu ở dạng các bài toán trong lý thuyết điều khiển tổng quát.
Khi nghiên cứu về quỹ đạo chuyển động của ôtô, từ trước đến nay khi tính
tốn các thơng số kết cấu, những nhân tố ảnh hưởng đến tính chất quay vịng của xe
ơ tơ, chưa tính đến biến dạng của lốp xe cho nên giữa bánh xe và mặt đường khơng
có hiện tượng trượt, lúc này các quan hệ giữa các thông số chỉ là các quan hệ đơn
thuần về mặt hình học.
Trong thực tế, do trên ơ tơ sử dụng bánh xe cao su đàn hồi nên khi ôtô chuyển

động trên đường bánh xe bị biến dạng làm cho quan hệ động học của mơ hình bị sai
khác, lúc đó tính chất động lực học sẽ khơng cịn đúng với trường hợp tính tốn
theo lý thuyết, sẽ có những sai số dẫn đến việc phân tích đánh giá các chỉ tiêu về
phanh của ơ tơ khơng cịn chính xác.
Hơn nữa về khía cạnh an tồn giao thơng hiện nay, các loại phương tiện vận
tải đường bộ đã nâng cao tốc độ chuyển động, điều kiện đường sá tốt hơn cho nên
việc tăng tốc độ trung bình của xe mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế nhưng nếu
chúng ta vẫn sử dụng các phương pháp tính tốn đơn giản để đánh giá các chỉ tiêu
về phanh của ôtô sẽ khơng đảm bảo về mặt an tồn cho các phương tiện giao thơng.
Hiện nay vấn đề an tồn giao thơng lại đang là vấn đề nóng của xã hội.
Như vậy, qua các phân tích trên để nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ôtô
chỉ căn cứ vào các quan hệ hình học thì chưa đủ, cần thiết phải kể đến ảnh hưởng

13


của điều kiện chuyển động, các đặc tính biến dạng của lốp cao su đàn hồi, thông số
kết cấu của xe.
Các vấn đề về ổn định chuyển động của ô tơ nói chung và đồn xe nói riêng có
thể xuất hiện bởi sự thay đổi ngẫu nhiên của mặt đường, xảy ra trong q trình
phanh hoặc quay vịng trên đường cong. Hiện tượng mất ổn định chủ yếu là do xoay
thân đồn xe; hiện tượng lắc ngang có thể dẫn đến lật ngang đoàn xe và hiện tượng
bẻ gẫy thân đồn xe (trích dẫn trong [6]).
1.1.1. Mất ổn định do xoay thân đồn xe
Hiện tượng này thường có thể xảy ra trên tất cả các loại xe, do sự trượt của xe
khi bị quay vòng thừa hoặc thiếu quá mức. Hiện tượng trên xảy ra với đoàn xe như
được thể hiện trên hình 1.4. Sự trượt các cầu của đồn xe có thể là do xuất hiện sự
sai khác về giá trị lực bên giữa các bánh xe trên các cầu của xe đầu kéo và bán
rơmoóc hoặc rơmoóc. Sự sai khác này có thể làm đồn xe xoay theo hướng khơng
mong muốn.

Hình 1.4. Hiện tượng mất ổn định do xoay thân xe
Để khắc phục hiện tượng trên, đã có nhiều cơng trình nghiên cứu và tiếp tục
hồn thiện nhằm mục đích duy trì sự xoay thân xe với mức độ ổn định tốt hơn bằng
cách phát hiện và khống chế khả năng mất ổn định của xe, từ đó có thể làm giảm
đáng kể tai nạn giao thơng. Có thể kể đến chương trình điều khiển ổn định điện tử
ESP (Electronic Stability Program- Chương trình điều khiển ổn định xoay thân xe).

14


1.1.2. Hiện tượng bẻ gãy thân xe
Hiện tượng bẻ gãy thân xe chỉ xảy ra với các loại đoàn xe có khớp nối, ví dụ
như: bán rơmc, rơmc, tổ hợp nhiều khớp nối. Trên hình 1.5 thể hiện thân đồn
xe bị bẻ gãy do xe đầu kéo hoặc bán rơmoóc/rơmoóc bị trượt.

Đầu kéo bị bẻ gãy

Rơmc bị bẻ gãy

Hình 1.5. Hiện tượng mất ổn định do bị bẻ gãy đoàn xe
Hiện tượng trên có thể xuất hiện trong các trường hợp: đi trên đường trơn,
phanh ngặt hoặc do sự thay đổi tải trọng. Đa số các trường hợp xảy ra khi các bánh
xe ở cầu sau xe đầu kéo bị mất khả năng bám do phanh quá ngặt hoặc do gia tốc lớn
khi đi trên đường có hệ số bám thấp. Trong khi phanh trên đường có hệ số bám thấp
các bánh xe cầu sau xe đầu kéo có thể bị khoá cứng và mất khả năng kéo trên
đường. Khi xe đầu kéo bị trượt, nó có thể bị bán rơmoóc/rơmoóc đẩy sang bên làm
xuất hiện hiện tượng mất ổn định hướng chuyển động được gọi là hiện tượng bẻ
gẫy. Đồn xe bị bẻ gãy, người lái khó có thể điều khiển hướng chuyển động của xe

15


theo mong muốn. Hiện tượng này cũng xảy ra đối với bán rơmc/rơmc ở phía
sau xe khi các bánh xe trên cầu sau củabán rơmc/rơmc bị khố cứng và trượt
trong q trình phanh dẫn đến bị cắt kéo bán rơmc/rơmc.
Bẻ gãy đoàn xe là một trong số các dạng mất an tồn chuyển động điển hình
của đồn xe, hướng nghiên cứu giải quyết vấn đề trên đang được quan tâm phát
triển. Có thể kể đến các hệ thống điều khiển như: ABS được đặt trên xe đầu kéo
hoặc trên rơmoóc/rơmoóc nhằm chống lại hiện tượng bẻ gãy gián tiếp thông qua
điều kiện sự khoá cứng các bánh xe; AYC (Active Yaw Control) được tổ hợp với
ABS nhằm chống lại hiện tượng trên bằng cách trực tiếp điều khiển lực phanh tại
các bánh xe trên các cầu của đoàn xe hoặc giảm mơmen kéo từ động cơ.
1.1.3. Hiện tượng lật ngang
Đồn xe có thể bị lắc ngang bởi các lực tác động lên phần khối lượng nằm trên
trục lắc ngang của đồn xe. Sự lắc ngang đến một giới hạn có thể gây lật ngang toàn
bộ đoàn xe hoặc bẻ vặn bán rơmc. Lật ngang có thể xảy ra với đồn xe mà cũng
xảy ra với các loại xe khác nhau đặc biệt là với các loại xe có chiều cao lớn. Các hệ
thống đó được nghiên cứu nhằm làm giảm đáng kể khả năng lật ngang của đồn xe
có thể kể đến như: hệ thống VDC (Vehicle Dynamics Control) bằng việc điều khiển
trực tiếp lực phanh tại các bánh xe.
1.2. TÌNH HÌNHGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC ĐỒN XE
Trên thế giới, công tác nghiên cứu động lực học ô tô cũng nhằm đưa ra quy
luật điều khiển ở các vùng tốc độ khác nhau mà ở mức độ hoàn thiện cao. Trong
thời gian gần đây, các cơng trình nghiên cứu trên thế giới đó tập trung nhiều hơn
vào lĩnh vực động lực học cho xe có tải trọng lớn như: xe buýt có sức chở lớn, xe tải
nặng, siêu nặng và đoàn xe. Với đoàn xe, hướng nghiên cứu trên được đề cập và
hồn thiện chưa nhiều. Các tài liệu, thí nghiệm và khảo sát còn đang được thực hiện
và kết quả công bố cũng hạn chế. Một trong số nguyên nhân trên là tính phức tạp
của bài tồn cơ học hệ nhiều vật. Đồn xe khi xem xét trên mơ hình phẳng có thể

được xem như bài tốn với con lắc kép với quỹ đạo chuyển động còn cho rõ nét, do

16


vậy hướng nghiên cứu trên đang tiếp tục được triển khai, khảo sát, bổ sung và hoàn
thiện.
Nghiên cứu động lực học đồn xe trên thế giới cũng có một số các tác giả đề
cập. Theo hướng điều khiển ổn định chuyển động đồn xe có các tác giả như: Nhóm
tác giả David John, Matthew Sampson (Đại học Cambridge- 2000 với đề tài “Điều
khiển lắc ngang tích cực của đồn xe có khớp nối”. Đề tài đó đề cập tới vấn đề lắc
ngang đoàn xe, thiết lập hệ thống điều khiển và lắp đặt thiết bị chống lắc ngang tích
cực cho đoàn xe nhằm cải thiện khả năng ổn định ngang cho đồn xe có khớp nối;
Tác giả Dunwoody A.B, SAE 933045 (1993) với đề tài “Điều khiển tích cực lắc
ngang của đồn xe bán rơmc”; Tác giả Stefan Edlund, John Aurell, Niklas Frojd
(Tập đoàn xe tải Volvo 2001) với đề tài “Xây dựng thuật toán đánh giá ổn định
xoay thân của đồn xe có khớp nối”; tác giả Venu Gopal GORU (2007) với đề tài
“Nghiên cứu và mô phỏng ổn định lắc ngang của đồn xe bán rơmc xi téc trở
nhiên liệu lỏng”. Trong đề tài tác giả mơ hình hóa xitéc va nghiên cứu ổn định lắc
ngang đồn xe, sử dụng phần mềm chun dụng để mơ phỏng.
Ngồi ra cịn có tác giả J.W.L.H Mass (2007- Eindhoven) [13] đề cập tới hiện
tượng bẻ gãy đoàn xe trong đề tài “nghiên cứu ổn định bẻ gãy đồn xe kéo bán
rơmc”. Tác giả sử dụng mơ hình đồn xe một vết với hàm kích động là góc quay
vành lái và điều khiển lực phanh, khảo sát các thông số ảnh hưởng đồng thời xây
dựng chương trình điều khiển nhằm làm giảm hiện tượng bẻ gãy đồn xe trên.
Đa số các cơng trình trên thế giới tập trung vào nghiên cứu ổn định lật ngang
của đồn xe bằng việc xây dựng mơ hình tốn học hoặc sử dụng phần mềm đóng
gói, thiết lập thuật toán điều khiển và khảo sát ổn định. ở Việt Nam, tuy đoàn xe đã và
đang được sử dụng rộng rãi và phát huy hiệu quả kinh tế nhưng tài liệu kỹ thuật, khai
thác và sử dụng phương tiện trên còn nhiều hạn chế.

Ở Việt Nam, tài liệu, cơng tác nghiên cứu, thí nghiệm động lực học chuyển
động cho đồn xe được đề cập rất ít. Có thể kể đến như “Nghiên cứu động học
chuyển động thẳng và chuyển động quay vũng của đoàn xe” luận văn cao học của

17


tác giải Phạm Tất Thắng (2006) nhằm xác định vận tốc trung bình khi chuyển động
thẳng và hành lang quay vịng của đồn ơ tơ bằng phương pháp giải tích. Và “Xây
dựng chương trình mơ phỏng quỹ đạo chuyển động của đoàn xe kéo bán mooc khi
chuyển động trên đường vòng” luận văn cao học của tác giả Nguyễn Hùng Mạnh
(trích dẫn trong [6]).
Qua phân tích các khía cạnh đó được đề cập của các tác giả trên, đồng thời
phù hợp với nhu cầu trong nước, đề tài đó chọn bài tốn mơ phỏng động lực học
phanh của đồn xe cụ thể là xe bán rơmoóc là hướng đi cơ bản ban đầu cho hướng
đi nghiên cứu động lực học đoàn xe tiếp sau ở mức độ phức tạp hơn. Từ bài tốn
phanh của đồn xe tác giả kết hợp với tiêu chuẩn phanh của loại xe xây dựng mơ
hình nhằm đưa ra các thông số để đánh giá về tính an tồn khi phanh của đồn xe.
1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đồn xe có chiều dài lớn, gồm từ hai hay nhiều khâu ghép nối phức tạp (có một
khâu chủ động, nhận nguồn động lực từ động cơ và các khâu còn lại thường là khâu
bị động) với các chủng loại khác nhau như: đồn xe kéo bán rơmc, đồn xe kéo
rơmoóc đơn, rơmoóc kép (tổ hợp nhiều rơmoóc đơn)…
Hướng nghiên cứu của đề tài rất rộng, với nhiều cách tiến hành như:
- Khảo sát trên mơ hình thực với bãi thí nghiệm lớn.
- Dựng mơ hình đồng dạng trên sa bàn.
- Dựng mơ tả tốn học và mơ phỏng bằng cơng cụ máy tính.
Dựng thực nghiệm trên bãi lớn có ưu điểm cho kết quả tin cậy nhất, song tốn
kém và rất nguy hiểm khi thử nghiệm xe, điều này là hoàn toàn chưa phù hợp với
điều kiện kinh tế và kỹ thuật ở trong nước. Dùng mơ hình đồng dạng trên sa bàn

nhằm hạn chế các tổn thất có thể xảy ra trên bãi thử, tuy nhiên việc chế tạo ra mơ
hình đồng dạng cũng khơng phải dễ dàng, sử dụng nhiều thiết bị đo đạc. Tính tin
cậy của bài tốn địi hỏi thiết bị đo đạc, lấy số liệu với độ chính xác cao dẫn tới giá
thành lớn. Sự phát triển của khoa học máy tính đặc biệt trong lĩnh vực ứng dụng,

18


việc mơ tả tốn học và chuyển đổi sang mơ hình mụ phỏng bằng các phần mềm
chuyên dụng hiện đại đang được sử dụng rộng rãi và có nhiều ưu điểm hơn cả. Mô
phỏng trên máy cho phép rút ngắn được thời gian nghiên cứu, dễ dàng thay đổi các
thông số, kết quả đạt được có độ chính xác tương đối cao. Trong thời gian cho phép,
đề tài lựa chọn loại đồn xe kéo bán rơmc và sử dụng cơng cụ mơ phỏng trên
máy tính để khảo sát quỹ đạo chuyển động.
Mục tiêu của đề tài là thiết lập bài tốn phanh của đồn xe kéo bán rơmc.
Các lực kích động tác động lên đoàn xe cũng rất phức tạp, trong khuôn khổ đề tài
tập trung xem xét các tác động của mô men phanh tác dụng lên các bánh xe. Với
các giả thiết chủ yếu là: Khớp nối giữa xe kéo và xe mooc là cứng hoàn toàn. Trong
bài tốn quay vịng có thêm thành phần mơ men ma sát sinh ra khi có sự chuyển
động quay tương đối tại khớp nối này.
1.4. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
1.4.1. Mục đích
Trên cơ sở đặt vấn đề ở trên, đề tài tập trung vào khảo sát động lực học của
đoàn xe rơ mooc khi phanh với các giả thiết quan trọng với mục đích:
Xây dựng mơ hình chính xác, gần hơn với điều kiện thực tế.
Khảo sát một số trường hợp gây ra mất ổn định của đoàn xe khi phanh.
Đánh giá khả năng đảm bảo an toàn của xe mô phỏng trong các điều kiện khác
nhau.
1.4.2. Nhiệm vụ của đề tài
a. Tổng quan về đoàn xe trong đó có đồn xe kéo bán rơmc, đưa ra ý nghĩa

và mục tiêu của đề tài nghiên cứu.
b. Xây dựng mơ hình vật lý và thiết lập hệ phương trình vi phân tốn học mơ
tả quỹ đạo chuyển động của đồn xe bán rơmc lựa chọn.
c. Mơ phỏng chương trình bằng Matlab Simulink.

19


d. Các kết quả, phân tích, đánh giá kết quả và đưa ra kết luận.
Các nhiệm vụ trên được cụ thể hoá trong nội dung của đề tài với các chương
mục chính sau:
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
Chương 2. Cơ sở lý luận.
Chương 3. Chương trình mơ phỏng và số liệu.
Chương 4. Phân tích kết quả và đánh giá.

20


CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH
ĐỘNG LỰC HỌC PHANH ĐỒN XE
2.1. PHƯƠNG PHÁP LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH
Đặc tính của ơ tơ được đánh giá khi xem xét trong mơ hình đầy đủ. Một mơ
hình q chi tiết sẽ trở nên khơng cần thiết vì bài tốn q phức tạp. Nhưng ngược
lại, nếu q ít đặc điểm sẽ làm cho mơ hình khơng cịn đúng với hệ thống cần mơ
phỏng. Khi đó bài tốn sẽ khơng cịn nhiều ý nghĩa thực tế.
Việc khảo sát đồn xe có thể được thực hiện trên các mơ hình :
-

Mơ hình khơng gian tổng thể: cho phép thiết lập quan hệ của đồn xe một

cách đầy đủ và có thể phản ánh được hầu hết các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo
chuyển động: ảnh hưởng của hệ thống treo, ảnh hưởng của lốp, ảnh hưởng của hệ
thống lái....
-

Mơ hình hệ thống 2 vết: trong mơ hình phẳng khảo sát, bỏ qua ảnh hưởng

của hệ thống treo tức là sự thay đổi tải trọng đặt lên các bánh xe trên cùng một cầu,
bỏ qua ảnh hưởng bởi sự biến dạng đàn hồi phi tuyến của lốp.
-

Mơ hình phẳng một vết: Khảo sát quỹ đạo chuyển động của đoàn xe trên mơ

hình một vết cho phép xác định quỹ đạo chuyển động của trọng tâm của xe đầu kéo
và bán romooc với các giả thiết phù hợp.
Trong q trình quay vịng, đồn xe chun chở hàng hố với khối lượng lớn,
vùng tốc độ khảo sát quỹ đạo chuyển động theo tiêu chuẩn (≤50km/h).
Giả thiết rằng khớp nôi K giữa xe kéo và xe rơ mooc có thêm thành phần ma
sát. Căn cứ vào mục đích đề tài, cách đặt vấn đề và các giả thiết được đặt ra ta lựa
chọn mô hình một vết để khảo sát quỹ đạo chuyển động của xe.
* Giả thiết:
- Mơ hình một dãy bỏ qua ảnh hưởng của lắc ngang. Coi Fz 2 bên là như
nhau.

21


- Coi trọng tâm của khối lượng được treo trước m1 và trọng tâm của khối
lượng được treo sau m2 cùng nằm trong mặt phẳng đứng chứa trọng tâm khối lượng

không được treo.
- Coi các khối lượng được treo và khơng được treo tập trung tại trọng tâm
của nó.
- Giả thiết khớp nối giữa đầu kéo và rơ mooc là khớp mềm (tức là có xuất
hiện lực đàn hồi).
- Khi xe chuyển động có xuất hiện lực cản khơng khí đối với đầu kéo. Lực
này có hướng ngược chiều chuyển động của xe và hướng vào trọng tâm của đầu
kéo. Bỏ qua lực cản khơng khí đối với rơ mooc.

1330
1310

7285

1300

1534

2334

3985

2.2. CẤU TRÚC XE BÁN MOOC

3050

16384

Hình 2.1. Các thơng số kích thước xe bán mooc
Đối với mơ hình một vết xe bán mooc ta coi xe như một hệ nhiều vật bao

gồm 9 khối lượng (ta gọi là vật) với quy ước sau:
Vật 1: Khối lượng được treo đầu kéo {m1, Jy1}
Vật 2: Khối lượng không được treo cầu 1 {mA1, JyA1}
Vật 3: Khối lượng không được treo cầu 2 {mA2, JyA2}
Vật 4: Khối lượng không được treo cầu 3 {mA3, JyA3}
Vật 5: Khối lượng không được treo cầu tương đương 2, 3 {mA23, JyA23}

22

1404