Xây dựng chương trình mô phỏng quỹ đạo chuyển động của đoàn xe kéo bán rơmoóc khi chuyển động trên đường vòng

GNUYỄN HÙNG MẠNH
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
2006-2008
Hà nội
2008

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

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGÀNH: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG QUỸ ĐẠO
CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐỒN XE KÉO BÁN RƠMC
KHI CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƯỜNG VỊNG

NGUYỄN HÙNG MẠNH

HÀ NỘI 2008


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

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG QUỸ ĐẠO
CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐỒN XE KÉO BÁN RƠMC
KHI CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƯỜNG VỊNG
NGÀNH: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

MÃ SỐ:

NGUYỄN HÙNG MẠNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN KHẮC TRAI

HÀ NỘI 2008


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hiện tượng mất ổn định do xoay thân xe ........................................... 1
Hình 1.2. Hiện tượng mất ổn định do bẻ gãy đồn xe ....................................... 3
Hình 1.3. Hiện tượng mất ổn định lật ngang đoàn xe ........................................ 7
Hình 2.1. Các thơng số hình học cơ bản của đồn xe kéo bán rơmc ............ 9
Hình 2.2. Động lực học đồn xe kéo bán rơmc .......................................... 11
Hình 2.3. Động lực học xe đầu kéo ................................................................. 12
Hình 2.4. Động lực học bán rơmc ................................................................ 17
Hình 2.5. Động lực học một vết đồn xe kéo bán rơmc ............................. 23
Hình 2.6. Động lực học xe đầu kéo ................................................................. 27
Hình 2.7. Động lực học bán rơmc ................................................................ 29
Hình 2.8. Các thơng số động học xe đầu kéo................................................... 28
Hình 2.9. Các thơng số động học bán rơmc ................................................. 28
Hình 2.10. Sự biến dạng đàn hồi của lốp khi chịu lực bên ............................. 31
Hình 2.11. Hành lang của đồn xe kéo bán rơmc ........................................ 33
Hình 2.12. Hành lang của xe đầu kéo .............................................................. 34
Hình 2.13. Hành lang của bán rơmc ............................................................ 35
Hình 3.1. Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng ............................................... 37
Hình 3.2. Khai báo thông số đầu vào trước khi mô phỏng .............................. 39
Hình 3.3. Chương trình chính mơ phỏng quỹ đạo chuyển động...................... 41
Hình 3.4. Chương trình tính tốn lực bên bánh xe phía trước xe đầu kéo ....... 42

Hình 3.5. Chương trình tính tốn lực bên bánh xe phía sau xe đầu kéo .......... 42
Hình 3.6. Chương trình tính tốn lực bên bánh xe bán rơmc ...................... 42
Hình 3.7. Chương trình tính tốn phản lực tại khớp nối K .............................. 43
Hình 3.8. Chương trình tính tốn vận tốc xe đầu kéo ...................................... 43
Hình 3.9. Chương trình tính tốn góc lệch bên và vận tốc bán rơmoóc .......... 43


Hình 3.10. Chương trình tính tốn góc lệch bên thân xe đầu kéo ................... 44
Hình 3.11. Chương trình tính tốn góc xoay thân xe đầu kéo ......................... 44
Hình 3.12. Chương trình tính tốn góc xoay thân bán rơmc ....................... 44
Hình 3.13. Chương trình tính tốn góc lệch φ ................................................. 45
Hình 3.14. Chương trình tính tốn gia tốc bên xe đầu kéo .............................. 45
Hình 3.15. Chương trình tính tốn gia tốc bên bán rơmc ............................ 45
Hình 3.16. Q trình thay đổi lực dọc trên bánh xe ......................................... 48
Hình 4.1. Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe đầu kéo và bán rơmc ................ 51
Hình 4.2 Đồ thị gia tốc bên thân xe đầu kéo và bán rơmc ........................... 52
Hình 4.3. Đồ thị góc lệch giữa thân xe đầu kéo và bán rơmc ...................... 53
Hình 4.4. Quỹ đạo chuyển động tọa độ trọng tâm xe đầu kéo, khớp nối ........ 54
Hình 4.5. Hành lang qt đồn xe kéo bán rơmc ......................................... 55
Hình 4.6. Đồ thị hàm kích động lực phanh trên các cầu của đồn xe ............. 58
Hình 4.7. Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe đầu kéo và bán rơmoóc ................ 59
Hình 4.8. Đồ thị gia tốc bên thân xe đầu kéo và bán rơmc .......................... 60
Hình 4.9. Đồ thị góc lệch giữa thân xe đầu kéo và bán rơmoóc ...................... 61
Hình 4.10. Quỹ đạo chuyển động tọa độ trọng tâm xe đầu kéo, khớp nối ...... 62
Hình 4.11. Hành lang qt đồn xe kéo bán rơmc ....................................... 62
Hình 4.12. Đồ thị hàm kích động lực phanh trên các cầu của đồn xe ........... 63
Hình 4.13. Đồ thị vận tốc góc xoay thân xe đầu kéo và bán rơmoóc .............. 64
Hình 4.14. Đồ thị gia tốc bên thân xe đầu kéo và bán rơmc ........................ 65
Hình 4.15. Đồ thị góc lệch giữa thân xe đầu kéo và bán rơmoóc .................... 66
Hình 4.16. Quỹ đạo chuyển động tọa độ trọng tâm xe đầu kéo, khớp nối ...... 67

Hình 4.17. Hành lang qt đồn xe kéo bán rơmc ....................................... 67
Hình 4.18. Quỹ đạo chuyển động tọa độ trọng tâm xe đầu kéo,...................... 67


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................... 3
1.1. An tồn giao thơng với đồn xe .................................................................. 3
1.2. Quỹ đạo chuyển động của đồn xe ............................................................. 7
1.3. Tình hình nghiên cứu động lực học đoàn xe .............................................. 9
1.4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 11
1.5. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài ............................................................. 12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN .................................................................. 14
2.1. Mơ hình đồn xe kéo bán rơmc ............................................................ 15
2.2. Mơ hình động lực học hai vết đồn xe kéo bán rơmc ........................... 17
2.3. Mơ hình động lực học một vết đồn xe kéo bán rơmc ........................ 23
2.4. Quan hệ động học trong mơ hình đồn xe kéo bán rơmc .................... 27
2.5. Mơ hình hệ thống lái ................................................................................ 29
2.6. Mơ hình bánh xe........................................................................................ 30
2.7. Xác định tọa độ trọng tâm và hành lang quét đoàn xe .............................. 32
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG VÀ SỐ LIỆU ................. 36
3.1. Các hàm mục tiêu của bài tốn ................................................................ 36
3.2. Hàm góc quay vành lái ............................................................................. 36
3.3. Phương pháp mô phỏng ........................................................................... 37
3.4. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động và hành lang quét đoàn xe .................... 40
3.5. Lựa chọn bộ số liệu và các phương án khảo sát ....................................... 46
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ........................... 51
4.1. Phương án 1............................................................................................... 51

4.2. Phương án 2............................................................................................... 57
4.3. Nhận xét chung ......................................................................................... 68
KẾT LUẬN .................................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO


1

LỜI NĨI ĐẦU
Với mục tiêu cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, đáp ứng nhu cầu
hội nhập nền kinh tế thế giới, đất nước ta đã có bước đi chiến lược trong phát
triển kinh tế, đặc biệt là sự quan tâm nhiều hơn tới phát triển mạng lưới, hệ
thống giao thông vận tải. Nhu cầu về vận tải đường bộ vẫn đóng một vai trị
quan trọng, trong đó các phương tiện vận tải có sức chở hàng hóa lớn như xe
tải siêu trọng, đoàn xe đã và đang được sử dụng, khai thác triệt để, do vậy an
toàn giao thông với các phương tiện trên trở thành vấn đề cần được quan tâm.
Đồn xe có tải trọng, chiều dài toàn bộ lớn, khai thác ở các vùng tốc độ tốc độ
khác nhau khi gặp sự cố mất ổn định chuyển động có thể gây ra tai nạn giao
thơng rất nghiêm trọng.
Hướng nghiên cứu động lực học chuyển động của đoàn xe hiện đang
được quan tâm phát triển nhằm xây dựng và bổ sung 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 quỹ đạo chuyển động. Trên thế giới, trong thời điểm hiện
tại, tài liệu và các cơng trình nghiên cứu về động lực học đồn xe cũng ít được
cơng bố. Để có thể vận hành, khai thác tốt hơn đoàn xe trong công tác vận tải
ở nước ta, đề tài “ Xây dựng chương trình mơ phỏng quỹ đạo chuyển động
của đồn xe kéo bán rơmc khi chuyển động trên đường vịng” được thực
hiện với mong muốn góp một số vấn đề nhỏ trong lĩnh vực nghiên cứu về quỹ
đạo chuyển động, đồng thời bổ sung đưa ra hành lang quét của đồn xe trên
quan điểm về an tồn giao thơng, qua đó nhằm nâng cao khả năng tiếp cận với

các kiến thức khoa học mới.
Phạm vi nghiên cứu động lực học đồn xe rất rộng, trong khn khổ luận
văn, đề tài chỉ tập trung vào các nội dung chính:
- Xây dựng mơ hình tính tốn cho đồn xe kéo bán rơmc


2

- Thiết lập các phương trình tốn học mơ tả chuyển động đồn xe kéo
bán rơmc.
- Mơ phỏng trên máy tính, xem xét sự thay đổi của các thơng số động
học, quỹ đạo chuyển động và hành lang quét đoàn xe.
Đề tài được thực hiện tại Bộ mơn Ơ tơ và Xe chuyên dùng - Viện Cơ khí
Động lực - Trường ĐHBK Hà Nội. Qua đây, tác giả xin gửi lời trân trọng cảm
ơn tới các Thầy trong Bộ môn, Trung tâm Đào tạo sau Đại học và các bạn
đồng nghiệp, đặc biệt là lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS. Nguyễn
Khắc Trai - Thầy giáo hướng dẫn đề tài - đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tác giả
trong việc định hướng nghiên cứu và các phương pháp giải quyết vấn đề cụ
thể đặt ra. Song do thời gian nghiên cứu cịn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi
những thiếu xót, tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự quan tâm, đóng góp ý
kiến của các Thầy, Cô, các bạn đồng nghiệp nhằm bổ sung cũng như hồn
thiện hơn trong q trình nghiên cứu tiếp theo.
Hà nội, ngày 30 tháng 10 năm 2008
Tác giả

Nguyễn Hùng Mạnh


3

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. AN TOÀN GIAO THƠNG VỚI ĐỒN XE
Cùng với sự tăng trưởng mạnh của nền kinh tế trong nước, nhu cầu sử
dụng ô tơ nói chung và đồn xe nói riêng trong vận tải hành khách, hàng hóa
cũng tăng với số lượng lớn. Điều kiện đường xá trong những năm gần đây đã
được cải thiện nhiều, tốc độ chuyển động cho phép của xe cũng được tăng lên
đã góp phần rút ngắn thời gian vận tải, mang lại nhiều hiệu quả kinh tế. Trái
lại, vấn đề an tồn giao thơng đang là vấn đề nóng bỏng khơng chỉ ở Việt nam
mà mang tính toàn cầu, theo báo cáo của tổ chức Y tế Thế giới WHO ngày
19/4/2007, mỗi năm tai nạn giao thông làm chết 1,2 triệu người và làm
thương 20-50 triệu người.
Theo thống kê của Ủy ban An tồn giao thơng cao tốc Mỹ năm 2004 có
42.636 người thiệt mạng trong tổng số 6.181.000 vụ tai nạn giao thông. Trong
số các vụ tai nạn làm thương 2.788.000 người và phá hủy nhiều tài sản về vật
chất. Theo ước tính năm 2002, chi phí cho các vụ tai nạn giao thơng tại Mỹ
lên tới 230.6 tỷ đô la. Tai nạn xảy ra với nhiều loại phương tiện trong đó có
815,000 vụ tai nạn giao thơng lật xe với xe tải trong đó số vụ tai nạn liên quan
đến đồn xe bán rơmc là 9,400 vụ.
Tai nạn giao thơng xảy ra với đồn xe có thể gây phá hủy các cơng trình
giao thơng, gây thiệt hại lớn về hàng hóa và nguy hiểm hơn cả có thể liên đới
gây tai nạn nghiêm trọng cho các phương tiện khác cùng tham gia giao thông.
Một trong số các nguyên nhân xảy ra tai nạn giao thông với đoàn xe là sự cố
mất ổn định chuyển động.
Hiện tượng mất ổn định chuyển động của ơ tơ nói chung và đồn xe nói
riêng có thể xuất hiện bởi sự thay đổi ngẫu nhiên của mặt đường, xảy ra trong
quá trình phanh hoặc tránh chướng ngại vật trên đường. Hiện tượng mất ổn


4

định chủ yếu có thể là: hiện tượng mất ổn định do xoay thân đồn xe; hiện
tượng lắc ngang có thể dẫn đến lật ngang đoàn xe và hiện tượng bẻ gãy thân
đoàn xe.
a) 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 1.1. 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 1.1. 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).


5

b) 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. Hiện tượng trên xảy ra
khi xe đầu kéo hoặc bán rơmoóc/rơmoóc bị trượt, như thể hiện trên hình 1.2.

Hình 1.2 Hiện tượng mất ổn định do bị bẻ gãy đồn 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 khóa 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


6

chuyển động được gọi là hiện tượng bẻ gẫy. Đoàn xe bị bẻ gãy, người lái khó
có thể điều khiển hướng chuyển động của xe theo mong muốn. Hiện tượng
này cịn xảy ra đối với bán rơmc/ rơmc ở phía sau xe khi các bánh xe
trên cầu sau của rơmoóc/rơmoóc bị khóa cứng và trượt trong q trình phanh
dẫn đến bị cắt kéo rơmc/ rơmc.
Bẻ gãy đồn xe là một trong số các dạng mất an tồn chuyển động điển
hình của đoàn 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 thơng qua điều khiển sự khóa 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 cầu sau xe đầu kéo và bán
rơmc/rơmc hoặc giảm mơmen kéo từ động cơ.
c) 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 đoàn xe. Sự lắc ngang đến một giới hạn có thể
gây lật ngang tồn bộ đồn xe hoặc bẻ vặn bán rơmc. Lật ngang có thể xảy
ra khi xe quay vịng ở tốc độ thấp, khi phanh hoặc chuyển hướng đột ngột. Tai

nạn giao thông liên quan đến lật ngang chiếm tỷ lệ khá cao khơng chỉ xảy ra
với đồn xe mà cịn xảy ra với các loại xe khác nhau đặc biệt là với các loại
xe có chiều cao lớn. Các hệ thống đã 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.


7

Hình 1.3. Hiện tượng mất ổn định lật ngang đồn xe

1.2. QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐOÀN XE
Hướng nghiên cứu về động lực học chuyển động của ô tô hiện đang
được hồn thiện với các mục đích như: xây dựng bộ tiêu chuẩn về động lực
học ô tô, nâng cao chất lượng chuyển động, tăng tính tiện nghi, êm dịu và an
tồn giao thơng ở trạng thái chuyển động thẳng và chuyển động quay vòng.
Liên quan chặt chẽ tới bài tốn động lực học đó là xác định quỹ đạo chuyển
động của ôtô.
Quỹ đạo chuyển động của ô tô là một đường cong, được xác định bởi các
vị trí liên tiếp của trọng tâm ơ tơ. Ơ tơ có thể chuyển động thẳng, quay vòng
hay vượt chướng ngại theo yêu cầu.
Nghiên cứu đầy đủ về động lực học chuyển động của đoàn xe cần thiết
phải đặt ra trong hệ toạ độ khơng gian ba chiều. Tuy nhiên tùy theo tính phức
tạp và mục đích của bài tốn mà có thể xét trong mặt phẳng của đường (toạ độ
hai chiều) nhưng xét đến kết cấu đặc trưng trong không gian. Bài tốn xác
định quỹ đạo chuyển động của đồn xe được xác định trong hệ tọa độ cố định
( hệ tọa độ quán tính trái đất) Oxoyozo, quỹ đạo chuyển động của xe đầu kéo


8

được xác định bằng các chuyển vị theo trục Oxo, Oyo với góc xoay thân xe ε.
Khâu liên kết giữa xe đầu kéo với bán rơmoóc là khâu bản lề. Quỹ đạo
chuyển động của bán rơmoóc được xác định với góc đặc trưng là góc lệch
giữa trục dọc bán rơmoóc với trục dọc xe đầu kéo φ.
Khảo sát quỹ đạo chuyển động đoàn xe là khảo sát phản ứng của đoàn
xe với tác động điều khiển hướng từ vành lái. Tùy theo mục đích khảo sát
khác nhau mà xem xét quỹ đạo chuyển động với các yếu tố ảnh hưởng khác
nhau để từ đó khảo sát, đánh giá tính ổn định quỹ đạo chuyển động của đoàn
xe đáp ứng yêu cầu mong muốn.
Trong q trình điều khiển, đồn xe chuyển động trên đường phải đảm
bảo quỹ đạo chuyển động theo đường cong mặt đường là một yếu tố nhằm
đảm bảo an tồn giao thơng. Tuy nhiên, quỹ đạo chuyển động thực tế của
đoàn xe thường theo những quỹ đạo phức tạp, vận tốc thay đổi, yếu tố liên
quan tới mặt đường thay đổi, các chướng ngại vật xuất hiện và người lái ln
phải thích ứng và tối ưu hố q trình chuyển động bằng hành động điều
khiển góc quay vành lái, phanh, ga..v.v... Quỹ đạo chuyển động và các yếu tố
ảnh hưởng có quan hệ chặt chẽ, nếu khơng đảm bảo mối quan hệ này thì khả
năng mất quỹ đạo chuyển động dẫn tới mất an tồn giao thơng là rất dễ dàng
xảy ra.
Khảo sát quỹ đạo chuyển động của đồn xe trong luận văn này là bài
tốn cở sở trong nghiên cứu và phát triển theo hướng động lực học, kết quả
đạt được có thể là một trong những cơ sở lý thuyết giúp các nhà lãnh đạo, các
nhà kỹ thuật đề ra các tiêu chuẩn pháp lý, đồng thời bổ sung các kết quả
nghiên cứu, đào tạo và trong hướng dẫn sử dụng phương tiện trên.


9

1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC ĐỒN XE.

Trên thế giới, công tác nghiên cứu động lực học ô tô con nhằm đưa ra
quy luật điều khiển ở các vùng tốc độ khác nhau đã ở mức hoàn thiện cao.
Trong thời gian gần đây, các cơng trình nghiên cứu trên thế giới đã 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
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 cơng bố cịn hạn chế. Một trong số
ngun nhân trên là tính phức tạp của bài tốn 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 tác động kích thích từ vành lái hoặc các ngoại lực tác dụng, tính quy luật
về quỹ đạo chuyển động còn cho rõ nét, do vậy hướng nghiên cứu trên đang
tiếp tục được triển khai, khảo sát, bổ sung và hồn thiện.
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 vịng của đồn xe”- luận
văn cao học của tác giả 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.
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 Sampson ( Đại học
Cambridge- 2000 với đề tài “ Điều khiển lắc ngang tích cực của đồn xe có
khớp nối ”. Đề tài đã 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 đồn 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


10

xe bán rơ moóc”; 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 rơ mc xi téc
trở nhiên liệu lỏng”. Trong đề tài tác giả mơ hình hóa xitéc và 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) đề cập tới
hiện tượng bẻ gãy đoàn xe trong đề tài “ nghiên cứu ổn định bẻ gãy đoàn 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 đoàn xe trên.
Đa số các cơng trình trên thế giới tập trung vào nghiên cứu ổn định lật
ngang của đoàn 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 cịn nhiều
hạn chế.
Qua phân tích các khía cạnh đã được đề cập của các tác giả trên, đồng
thời phù hợp với nhu cầu trong nước, đề tài đã lựa chọn bài tốn mơ phỏng
quỹ đạo chuyển động của đồn xe kéo bán rơmc 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 toán quỹ đạo chuyển động, đề tài bổ sung nội dung xác định
hành lang quét của đoàn xe kéo bán rơmc nhằm góp phần phục vụ cơng tác
quản lý hành lang giao thơng và an tồn đường bộ.


11

1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đồn xe có phiên âm tiếng Anh “Combination of Vehicle” hoặc “Long
Vehicle”. 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: đoàn xe kéo
bán rơmc, đồn xe kéo rơmc đơn, rơmc 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.
• Dùng mơ hình đồng dạng trên sa bàn.
• Dùng mơ tả tốn học và mơ phỏng bằng cơng cụ máy tính.
Dùng 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 không 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, việc mơ tả tốn học và chuyển đổi
sang mơ hình mơ 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 đoàn 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 mơ tả quỹ đạo chuyển động của
đồn xe kéo bán rơmc. Các lực kích động tác động lên đồn xe cũng rất


12

phức tạp, trong khuôn khổ đề tài tập trung xem xét các tác động ở hàm tiền
định của góc quay vành lái và điều khiển lực dọc trên các cầu xe.
Trên cơ sở mơ hình khảo sát tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động
của xe ơ tơ có hai cầu, đề tài xây dựng mơ hình phẳng đồn xe kéo bán rơ
mc hai vết và khơng mất tính tổng quát với các điều kiện ràng buộc, tiến
hành khảo sát quỹ đạo chuyển động trên mơ hình đồn xe một vết. Mối liên
kết giữa xe đầu kéo và bán rơmoóc là khớp bản lề lý tưởng khơng có khe hở
và bỏ qua mômen ma sát trong của khớp nối.
1.5. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI.
1.5.1. Mục đích:
Trên cơ sở đặt vấn đề ở trên, đề tài tập trung mơ phỏng quỹ đạo chuyển
động của đồn xe bán rơmc với các giả thiết quan trọng với mục đích:
Xác định và tìm hiểu các quan hệ động học của đồn xe kéo bán rơmc
với các thơng số: Vận tốc góc quay, góc lệch bên, gia tốc bên thân xe (xe đầu
kéo và bán rơmoóc) và góc lệch tương đối giữa thân xe đầu kéo và bán
rơmoóc. Với các kết quả đạt được cho phép kiểm tra tính đúng đắn của mơ
hình tuyến tính đã lựa chọn bằng cách xem xét thông số đặc trưng là gia tốc
bên thân xe.
Xây dựng quỹ đạo chuyển động và hành lang quét của đoàn xe trong các
trường hợp cụ thể, đặc biệt là xét đến động lực học hệ thống phanh ở các
trạng thái khác nhau.
Đề tài lựa chọn công cụ Matlab Simulink để mơ phỏng quỹ đạo chuyển
động đồn xe với các phương án lựa chọn khác nhau.
1.5.2. Nhiệm vụ của đề tài:
a. Tổng quan về đồn xe trong đó có đồn xe kéo bán rơmoóc, đưa ra ý
nghĩa và mục tiêu của đề tài nghiên cứu.


13

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.
d. Các kết quả, phân tích, đánh giá kết quả và đưa ra kết luận.
Các nhiệm vụ trên được cụ thể hóa 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.


14

CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ LUẬN
Đặc tính của ơ tơ được đánh giá khi được 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 thực cần mơ phỏng. Khi đó bài tốn sẽ khơng cịn nhiều ý nghĩa
thực tế.
Việc khảo sát quỹ đạo chuyển động đồn xe có thể được thực hiện trên
các mơ hình:
- Mơ hình khơng gian tổng thể: cho phép thiết lập quan hệ động lực học
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,...
- Mô hình phẳng hai 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
xe đầu kéo và bán rơmoóc với các giả thiết phù hợp.
Trong q trình quay vịng, đồn xe chun chở hàng hóa với khối lượng
lớn, vùng tốc độ dùng để khảo sát quỹ đạo chuyển động ở giới hạn theo tiêu
chuẩn (≤50 km/h). Với điều kiện trên gia tốc bên của đồn xe có giá trị tương
đối thấp nên có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của hệ thống treo, đồng thời bỏ qua
tính phi tuyến của lốp xe mà có thể coi là biến dạng tuyến tính. Ở vận tốc
thấp, giá trị lực cản lăn nhỏ và được xem là ổn định trong quá trình khảo sát;
Bỏ qua ảnh hưởng của lực cản khơng khí trên diện tích cản chính diện và tồn


15

bộ chiều dài của đoàn xe. Giả thiết rằng liên kết giữa xe đầu kéo và bán
rơmoóc là khớp bản lề lý tưởng khơng có ma sát trong.
Căn cứ vào mục đích nghiên cứu của đề tài, cách đặt vấn đề và các giả
thiết được đặt ra đề tài lựa chọn mơ hình phẳng một vết để khảo sát quỹ đạo
chuyển động đồn xe kéo bán rơmc đồng thời chỉ ra các thông số đánh giá
cần thiết mà vẫn đảm bảo tính chính xác của kết quả và tính khoa học đúng
đắn.
2.1. MƠ HÌNH ĐỒN XE KÉO BÁN RƠMC
Quỹ đạo chuyển động của đoàn xe được khảo sát trong hai hệ tọa độ
OXoYoZo là hệ tọa độ quán tính đặt tại mặt đường và hệ tọa độ TXYZ là hệ
tọa độ di động đặt tại các trọng tâm. Với hệ tọa độ đã chọn, có thể coi đồn xe
là một cơ hệ hai vật rắn, vật rắn thứ nhất có khối tâm đặt tại trọng tâm của xe
đầu kéo và vật rắn thứ hai có khối tâm đặt tại trọng tâm bán rơmoóc. Khâu
bản lề liên kết giữa hai vật rắn.
Việc nghiên cứu mơ phỏng quỹ đạo chuyển động đồn xe được cụ thể
hóa bằng các thơng số sau: tọa độ trọng tâm xe đầu kéo và bán rơmoóc

(xo,yo), góc quay thân xe đầu kéo ε, góc chuyển hướng của xe đầu kéo α1, góc
lệch giữa thân xe đầu kéo và bán rơmc φ. Tại mỗi thời điểm mơ phỏng, bộ
thông số trên thể hiện một điểm trong quỹ đạo chuyển động và tập hợp các
điểm trên theo thời gian tạo nên đường cong được gọi là quỹ đạo chuyển động
của đoàn xe. Như vậy, việc xác định quỹ đạo đồn xe cịn có nghĩa phải xác
định cả vận tốc góc quay thân xe, vận tốc biến đổi góc lệch bên của vận tốc,
gia tốc bên hay chính là đạo hàm của các thơng số trên. Đây chính là hàm
mục tiêu của đề tài nghiên cứu.
Hệ quy chiếu cố định OXoYoZo được gắn cố định với hệ quy chiếu trái
đất, chiều dương của góc quay và mơ men quy ước ngược chiều kim đồng hồ.


16

Hệ quy chiếu di động T1X1Y1Z1, được gắn với trọng tâm của xe đầu
kéo, trục T1X1 theo trục dọc của xe, trục T1Y1 theo phương ngang, trục T1Z1
theo phương thẳng đứng, trùng với trục OZo của hệ quy chiếu cố định. Chiều
dương được quy ước quay ngược chiều kim đồng hồ.
Hệ tọa độ di động T2X2Y2Z2 đặt tại trọng tâm bán rơmoóc, trục T2X2
theo trục dọc, trục T2Y2 theo phương ngang, trục T2Z2 theo phương thẳng
đứng của bán rơmoóc, trùng với trục OZo của hệ quy chiếu cố định. Chiều
dương được quy ước quay ngược chiều kim đồng hồ.
Các kích thước hình học cơ bản của đồn xe kéo bán rơmc được thể
hiện trên hình 2.1. Sự thay đổi hướng chuyển động của đoàn xe được thực
hiện bởi các bánh xe dẫn hướng dưới tác động từ vành lái.

Hình 2.1. Các thơng số hình học cơ bản của đồn xe kéo bán rơmoóc


17

2.2. MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HAI VẾT ĐỒN XE KÉO BÁN
RƠMC.
Theo mục đích của đề tài, cần xác định các hàm mục tiêu bao gồm: góc
lệch bên thân xe đầu kéo α1 và bán rơmoóc α2, góc xoay thân xe đầu kéo ε1 và
bán rơmoóc ε2, góc lệch tương đối giữa thân xe đầu kéo và bán rơmoóc φ. Mơ
hình phẳng đồn xe kéo bán rơmc hai vết quay vịng được thể hiện như trên
hình 2.2.
Mơ hình khảo sát với một số giả thiết sau:
- Ơ tơ chuyển động trên nền đường bằng phẳng.
- Thân xe được coi là vật rắn cứng tuyệt đối.
- Bỏ qua quan hệ động học và động lực học theo phương ngang của
đoàn xe.
- Bỏ qua ảnh hưởng của mô men hiệu ứng con quay.
- Bỏ qua lực cản khơng khí tác động lên chính diện đầu xe và trên tồn
bộ chiều dài thân xe.
- Bỏ qua mơmen đàn hồi bánh xe.
- Góc quay của các bánh xe dẫn hướng trên cầu trước là bằng nhau.
Các thơng số trong mơ hình đồn xe kéo bán rơmc bao gồm:
*. Các thơng số động học:
- Góc quay bánh xe dẫn hướng phía trước của xe đầu kéo: β
- Véc tơ vận tốc đặt tại trọng tâm xe đầu kéo: V1
- Góc lệch bên thân xe đầu kéo (góc giữa véc tơ vận tốc V1 và trục dọc
của xe đầu kéo): α1
- Véc tơ vận tốc đặt tại trọng tâm bán rơmoóc: V2
- Góc lệch bên thân bán rơmoóc (góc giữa véc tơ vận tốc V2 và trục dọc
bán rơmoóc): α2


18

- Góc xoay thân xe đầu kéo (góc giữa trục dọc xe đầu kéo với trục dọc
của hệ tọa độ cố định): ε1
- Góc lệch tương đối giữa trục dọc xe đầu kéo và bán rơmoóc: φ
- Góc xoay thân bán rơmoóc (góc giữa trục dọc bán rơmoóc với trục
dọc của hệ tọa độ cố định): ε2= ε1- φ.
- LF1: Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm xe đầu kéo T1
- LR1: Khoảng cách từ tâm cầu sau đến trọng tâm xe đầu kéo T1
- LK: Khoảng cách từ vị trí khớp nối đến trọng tâm xe đầu kéo T1
- LF2: Khoảng cách từ khớp nối đến trọng tâm bán rơmoóc T2
- LR2: Khoảng cách từ cầu sau bán rơmoóc đến trọng tâm bán rơmoóc
T2.
*. Các lực tác dụng lên đồn xe kéo bán rơmc:
- Lực qn tính tịnh tiến và lực quán tính ly tâm đặt tại trọng tâm T1 của
xe đầu kéo có giá trị PIF1 = m1 .V 1 và PCF 1 = m1 .V 1(ε1 + α1 ) với m1 là khối lượng xe
đầu kéo, ε1 là vận tốc góc xoay thân xe.
- Khi thân xe đầu kéo quay, xuất hiện mơmen qn tính quay xung
quanh trục thẳng đứng của xe đầu kéo có giá trị M Z 1 = J Z 1 .ε1 với JZ1 là mơmen
qn tính của xe đầu kéo đối với trục Z đi qua trọng tâm T1 và ε1 là gia tốc
góc quay thân xe.
- Lực qn tính tịnh tiến và lực quán tính ly tâm đặt tại trọng tâm T2 của
bán rơmoóc có giá trị PIF 2 = m2 .V 2 ; PCF 2 = m2 .V 2(ε1 − ϕ − α 2 ) với m2 là khối
lượng của bán rơmoóc.
- Khi thân bán rơmoóc quay, xuất hiện mơmen qn tính quay xung
quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm T2 của bán rơmoóc M Z 2 = J Z 2 .(ε1 − ϕ)
với JZ2 là mômen quán tính của bán rơmc đối với trục Z.


19

- Lực bên tác dụng lên bánh xe phía trước bên trái và phải của xe đầu
kéo: FyFL; FyFR.
- Lực dọc tác dụng lên bánh xe phía trước bên trái và phải của xe đầu
kéo: FxFL; FxFR.
- Lực bên tác dụng lên bánh xe phía sau bên trái và phải của xe đầu kéo:
FyRL; FyRR.
- Lực dọc tác dụng lên bánh xe phía sau bên trái và phải của xe đầu kéo:
FxRL; FxRR.
- Lực bên tác dụng lên bánh xe cầu sau bên trái và phải của bán rơmoóc:
FyML; FyMR.
- Lực dọc tác dụng lên bánh xe cầu sau bên trái và phải của bán rơmoóc:
FxML; FxMR.
- Phản lực liên kết đặt tại khớp nối: FxK; FyK.


O

Y0

FXMR

bM

FYML

X0

FYMR

FXML

LR2

FCF2

FIF2

α2

LF2

φ

FYRL

FYRR

FXRR

bR V2

T2

FXRL

K

LR1

X2

FIF1

MZ1

LK

α1

FXFR

FCF1

V1

FXFL

LF1

T1

έ1

Hình 2.2. Động lực học đồn xe kéo bán rơmoóc

MZ2

Y2

Y1

X1

FYFL

β

FYFR

β

bF

20