Nghiên cứu tính ổn định khi phanh đối với loại xe khách giường nằm

Nội dung text: Nghiên cứu tính ổn định khi phanh đối với loại xe khách giường nằm

1. NGHIÊN CỨU TÍNH ỔN ĐỊNH KHI PHANH ĐỐI VỚI LOẠI XE KHÁCH GIƯỜNG NẰM RESEARCH ON THE BRAKING STABILITY OF THACO MOBIHOME PGS.TS. Nguyễn Văn Phụng, Nguyễn Đăng Bộ Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Tóm tắt: Xe khách giường nằm là một xu hướng mới trong vận tải hành khách ngày nay bởi tính tiện lợi và tiện nghi mà nó mang lại khi vận chuyển hành khách đường dài. Tuy nhiên đã có những vụ tai nạn thương tâm của xe khách giường nằm trong thời gian gần đây, nhất là trong tình trạng giao thông phức tạp và việc mất kiểm soát do người lái xe phóng nhanh, vượt ẩu gây ra. Vì vậy, tính an toàn chủ động trên xe khách giường nằm cần phải được nghiên cứu, xem xét nghiêm túc để giảm thiểu những nguy cơ gây mất an toàn. Đặc biệt, trong thời đại ngày nay, đang phát triển mạng lưới đường cao tốc cho phép xe vận hành ở tốc độ cao. Trong bài báo này, tác giả nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định khi phanh xe ở tốc độ cao. Từ đó đưa ra các đề xuất về vận hành an toàn và phương án cải tiến để nâng cao tính ổn định khi phanh. Bên cạnh đó, tác giả cũng tính toán và khảo sát một số trường hợp cụ thể để làm cơ sở đánh giá chất lượng phanh và xu hướng mất ổn định của xe khi phanh. Từ khoá:Chống hãm cứng khi phanh (ABS), ổn định điện tử khi phanh (ESP), phanh khẩn cấp (BA), hệ thống phanh tự động thông minh (AEB). Abstract: Keywords:Anti-lock Braking System, Electronic Stability Program,Brake Asist, Automatic Emergency Braking. I. Giới thiệu chuyển động cao, tải trọng vận chuyển Xu hướng phát triển của xe ô tô lớn, chạy được trên nhiều địa hình phức là ngày càng nâng cao tính năng động tạp Như vậy để đáp ứng được khả lực học như tăng tốc nhanh, vận tốc năng động lực học cao đó thì vấn đề về 1
2. an toàn chủ động của xe được đặt ra - Điều kiện đảm bảo an toàn khi nhằm mục đích bảo đảm an toàn cho phanh: được đánh giá dựa trên cơ sở sự con người, hàng hóa và phương tiện. hãm cứng của bánh xe và thời gian Do đó khuynh hướng về nghiên cứu ổn giảm tốc khi phanh định chuyển động của xe ô tô khi phanh - Vấn đề ổn định chuyển động khi là xu hướng tất yếu trong sự phát triển phanh: Tính ổn định của ô tô khi phanh ngành công nghiệp ô tô. phụ thuộc vào sự chênh lệch lực phanh Sự mất ổn định khi phanh là giữa các bánh xe, các thành phần lực trạng thái mà ô tô không điều khiển ngang tác dụng lên xe khi phanh và được, hay quỹ đạo chuyển động của xe chiều cao trọng tâm của xe không theo ý muốn của người lái. Trong bài báo này, chúng tôi Nguyên nhân chính của vấn đề này là trình bày về các yếu tố gây mất an toàn do sự chênh lệch lực phanh giữa các và tính toán các thông số về tính ổn bánh của xe tạo ra mô men quay làm định khi phanh đối với loại xe khách cho xe bị xoay. Sự chênh lệch lực giường nằm. Khảo sát và mô phỏng phanh này có thể được tạo ra do trạng quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh thái kỹ thuật của hệ thống phanh có vấn khi xảy ra sự chênh lệch lực phanh trên đề (hư hỏng trong hệ thống phanh), các bánh xe hoặc do khả năng tiếp nhận của mặt II.Vấn đề ổn định khi phanh đường ở hai bên bánh xe khi phanh 1. Điều kiện an toàn khi phanh hãm cứng (giới hạn bám khi phanh). Điều kiện an toàn khi phanh là: Ngay cả khi không có sự chênh lệch lực Tốc độ xe sẽ giảm dần cho đến khi phanh giữa 2 bên nhưng các bánh xe dừng hẳn mà không trượt. phanh bị hãm cứng và có lực ngang tác Nếu xe tiếp tục trượt thì đó là hiện dụng sẽ dẫn tới mất ổn định hướng tượng bánh xe bị hãm cứng. chuyển động của ô tô khi phanh. Như vậy, để khi phanh các bánh xe Để đánh giá tính ổn định khi phanh không bị hãm cứng thì thời gian phanh có của dòng xe khách giường nằm hai tầng hiệu quả phải nhỏ hơn thời gian từ lúc hệ ta cần phải đánh giá hai mục tiêu chính thống phanh bánh xe bắt đầu làm vệc cho sau: 2
3. đến khi lực phanh đạt giá trị lớn nhất: 푡 ≥ 푡 𝑖푛 Trường hợp phanh đột ngột Thời gian phanh có hiệu quả Khi phanh gấp, áp lực phanh thay đổi theo 퐽 1 2 푡 = 2 .  . 1− (s) 1−∅ 푍− (.푍+ ) quy luật: 1− .  푡 Trong đó: 푃ℎ = 푃ℎ . sin⁡( . ) 2 푡 2 퐽 = . – momen quán tính bánh xe Phyd - áp lực tại thời điểm phanh (Kgm2) (N/cm2) – Bán kính động học bánh xe (m) Phydmax - áp lực phanh cực đại 푣1 휔 = - Tốc độ góc của bánh xe khi phanh 2 (N/cm ) (1/s) tapmax - Thời gian đạt áp lực phanh 푣1 - Tốc độ bánh xe khi bắt đầu phanh cực đại (tapmax=0,2÷ 1,3 s) (m/s) 2푡 푃ℎ 푡 = 푠𝑖푛 (s) 푃ℎ Ga – Trọng lượng xe (N) Như vậy, để đảm bảo xe không bị  - Hệ số phân bổ lực phanh lên cầu sau trượt lết hoàn toàn gây mất ổn định khi Z – Mức độ hãm phanh phanh thì ta phải giảm thời gian có hiệu  – Hệ số chiều cao trọng tâm xe quả khi phanh bằng cách giảm tốc độ khi  – Hệ số bám của bánh xe với mặt phanh và phải ngắt ly hợp trước khi phanh đường khi phanh để đảm bảo điều kiện an toàn 푡 ≥ 푡 𝑖푛 .  - Hệ số phân bố tải trọng lên cầu sau Việc trang bị hệ thống chống hãm Thời gian giảm áp lực phanh (tap) cứng bánh xe khi phanh (ABS) sẽ luôn Trường hợp phanh từ từ đảm bảo điều kiện an toàn khi phanh do Khi phanh xe từ từ trên đường, áp lực kéo dài thời gian từ lúc xe phanh đến khi phanh của hệ thống phanh sẽ giảm từ từ xe bị trượt lết hoàn toàn. theo quy luật: 2. Ảnh hưởng của sự chênh lệch −퐾 .푡 푃ℎ = 푃0. 푒 lực phanh trên các bánh xe 1 푃ℎ 1 Khi phanh, lực phanh lớn nhất 퐾 = 푙푛 - là hệ số giảm ∆푡0 푃ℎ 2 (F ) sinh ra tại mỗi bánh xe là không áp lực phanh (1/s) pimax bằng nhau và không tại cùng một thời Suy ra từ công thức trên ta sẽ có: 1 푃ℎ 1 điểm. Nguyên nhân của sự khác nhau 푡 = 푙푛 퐾 푃ℎ 2 này là do sự khác nhau về hệ số bám 3
4. ( ) của mặt đường tại mỗi bánh xe là Trường hợp 푆1 ≈ 푆2 ≈ 0 ta sẽ có: 2 khác nhau và sự chậm tác dụng của mỗi 훼 = 푡2 푞 cơ cấu phanh của bánh xe đó sinh ra. 푞 ∆퐹 Sự chênh lệch lực phanh trên các bánh → 휀 = 푡2 = 2 푡2 2 2 xe này làm mất ổn định của xe khi Trường hợp 푆1 ≠ 푆2 ≠ 0 phanh. Momen của các phản lực ngang đối với trọng tâm (T) Msy = S1.a + S2.b Ta có phương trình cân bằng momen: 2휀 = + 푞 푡 2 푠 2휀 Hay ∆퐹 = + 2 푡 2 푠 2 ∆퐹 − 휀 2 푠 2 = 푡 ∆퐹 − 푠 Hình 2.1: Sơ đồ các lực và mô men → 휀 = (2 )푡2 tác dụng lên xe khi phanh 2 Khi tác dụng lực phanh ∆퐹 càng a) Giả sử Fpp > Fpt : lớn thì góc quay ε càng lớn (do đó mất ổn định càng lớn). Fpp = Fp3 + Fp4 b) Trường hợp bánh xe sau bị Fpt = Fp1 + Fp2 phanh hãm trước bánh xe trước và có lực Từ đó tạo ra momen quay (Mq) quanh trọng tâm (T) ngang (Fy) tác dụng lên xe: = 퐹 − 퐹 = ∆퐹 푞 2 푡 2 Phương trình cân bằng momen đối với trọng tâm (T): 2 휀 − + 푆 . + 푆 . = 0 푡 2 푞 1 2 1 = (퐿2 + 2) - Momen quán tính 2 xe đối với trục OZ Hình 2.2: Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi S , S - Phản lực bên bánh trước và bánh bánh sau bị hãm trước 1 2 Khi bánh xe sau bị phanh hãm trước sau xe bánh trước thì bánh xe sau giống như một 4
5. điểm tựa và dưới tác dụng của lực ngang chuyển ngang của sàn xe và cảm biến tốc F sẽ tạo ra mô men xoay : y độ góc tại các bánh xe để tính toán và phân = 퐹 . − 푆푡퐿 Mô men quay Mz sẽ làm quay đầu xe bổ lực phanh các bánh xe bên trái và giảm gây mất ổn định hướng, rất nguy hiểm. lực phanh bên phải xe để tạo ra mô men c) Trường hợp bánh xe trước bị hãm trước xoay ngược chiều với góc xoay của xe. Nếu bánh xe trước bị trượt ngang gây mất Khi bánh xe trước bị phanh hãm trước ổn định hướng thì bánh xe sau sẽ được bánh sau thì bánh xe trước giống như một phanh lại để tạo mô men xoay chống lại sự điểm tựa làm cho xe có xu hướng văng trượt ngang đó. đuôi xe 3. Ảnh hưởng của lực ly tâm khi xe bị quay vòng khi phanh Hình 2.3: Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi bánh trước bị hãm trước Như vậy, sự chênh lệch lực phanh giữa các bánh xe có ảnh hưởng rất lớn đến tính ổn định hướng chuyển động của xe khi phanh. Tuy nhiên, trong hệ thống ổn định điện Hình 2.4: Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi tử trên xe ngày nay như ESP (Electronic quay vòng Stability Program) hay VSC (Vehicle Từ sơ đồ trên ta thấy: Stability Control) , người ta lợi dụng sự Fy = Flt.cos Flt do  bé nên cos 1 chênh lệch lực phanh trên các bánh xe để Trong đó: Flt là lực ly tâm của xe khi quay vòng tạo ra mô men xoay chống lại sự quay thân  là góc quay xe xe. Ví dụ: Khi xe phanh, cảm biến gia tốc Gia tốc ngang jy = jv.cos + jt.sin quay của xe phát hiện ra xe quay xe sang 푣2.휃2 jv = R1. - gia tốc hướng tâm phải. ECU sẽ so sánh với các tín hiệu từ 퐿2 푅1 jt = . 푣 . 휃 + 푣. 휃 – gia tốc tiếp tuyến cảm biến góc đánh lái, cảm biến dịch 퐿 5
6. Theo sơ đồ: sin = 푅1 푅 퐿 cos = = 푅1 휃.푅1 Suy ra: 2 Fy = m.jy = . 푣 . 휃 + . 휃. 푣 + . 푣. 휃 𝑔.퐿 Nhận xét: Khi phanh xe, thành phần lực ngang Fy sẽ làm xe bị trượt ngang do lực bám ngang giảm rất nhanh nhất là khi bánh xe bị trượt lết gây mất ổn định. Nếu Fy lớn còn có thể làm cho xe bị lật đổ gây mất an toàn cho hành khách và hàng hóa. Như vậy việc giảm lực ngang khi xe quay vòng và phanh cũng là một phương án để nâng cao Hình 2.5: Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi tính ổn định của xe. phanh trên đường nghiêng ngang Lực ngang F phụ thuộc vào 4 yếu tố y chính là: vận tốc của xe khi phanh (v), gia Mô men sinh ra tại bánh xe bên trái tốc phanh (푣 ) , góc đánh lái 휃 và tốc độ bao gồm: đánh lái (휃). - Mô men gây lật đổ xe : Vì vậy khi đi vào đường vòng thì xe phải Mlđ = (G.sin + Plt.cos).hg giảm tốc độ trước khi phanh và đánh lái - Mô men chống lật: rộng để giảm góc đánh lái. Ngoài ra, việc Mcl = G.cos. 2 phanh cũng phải tránh phanh gấp và giữ Trong đó: vành tay lái hoặc đánh lái thật chậm để G là trọng lượng của xe giảm giá trị của 푣 và 휃 . Qua đó sẽ làm hg là chiều cao trọng tâm B là chiều rộng của xe giảm lực ngang Fy , làm tăng tính ổn định Plt là lực li tâm của xe khi phanh xe trên đường vòng. Như vậy, điều kiện an toàn của xe trong trường hợp này là: 4. Ảnh hưởng của chiều cao G.cos. ≥(G.sin + Plt.cos).hg 2 trọng tâm khi phanh Do đó ta nên giảm chiều cao trọng tâm hg Xét trường hợp nguy hiểm nhất của để làm tăng tính ổn định của xe khi phanh. xe khi phanh là xe chuyển động trên đường nghiêng ngang và lực li tâm sinh ra ở hướng nghiêng của xe. III. Khảo sát sự ổn định khi phanh trên xe khách Thaco Mobihome 1. Xây dựng mô hình toán học Để khảo sát quá trình động lực học xe, ta chọn hệ trục tọa độ như sau: 6
7. -Hệ trục tọa độ O0X0Y0Z0 là hệ tọa độ cố thời. Khi ô tô chuyển động góc α tạo lên định đặt trên mặt đường , trục O0Z0 là trục cảm giác lệch hướng của xe với đường, vuông góc với mặt đường; người lái xe cảm nhận và có thể tiến hành -Hệ trục tọa độ CXYZ là trục tọa độ di điều chỉnh hướng chuyển động này. Còn động, được đặt tại trọng tâm C của ô tô. đối với góc quay ε nói lên góc quay của thân xe trên mặt đường (quay quanh trục thẳng đứng 0Z). Thông số này rất quan trọng, nó đóng vai trò trong khảo sát tính ổn định chuyển động của ô tô, cảm nhận với sự thay đổi này và điều chỉnh đúng khi giá trị ε thay đổi lớn là một khó khăn đối với người lái xe. Theo mục tiêu nghiên cứu của đề tài, bài toán được đặt ra với các giả thiết sau đây: Hình 3.1: Sơ đồ lực tổng quát - Khảo sát trong trường hợp xe Vị trí của ô tô tại một thời điểm nào đó chuyển động thẳng phương vận tốc trùng (sau khoảng thời gian từ 0 - t) được xác với trục dọc của xe. định bởi tọa độ trọng tâm theo tọa độ tuyệt - Khi phanh người lái không đánh đối, tính theo công thức: tay lái và cắt ly hợp T t X0= V x0 dt = v cos (α + ε ) - Do xe chạy trên đường thẳng nên O 0 phản lực ngang của mặt đường tác dụng t lên các bánh xe nhỏ Y0 = y0 dt = v sin( α +ε ) dt 0 Do đó phương trình cân bằng các lực và Như vậy nếu có hệ trục tọa độ mặt mô men được rút gọn là: đường, biết X0 ,Y0, các góc α và ε hoàn mv (F F F F F ) 0 p1 p2 p3 p4 w toàn có thể xác định vị trí ô tô tên đường, Bt Bs I z (Fp1 Fp2 ) (Fp3 Fp4 ) M c 0 tại một thời điểm xác định. 2 2 Mục tiêu của bài toán là xác định các Suy ra: góc α và ε, tọa độ X , Y nhằm xác định 0 0 1 v (Fp1 Fp2 Fp3 Fp4 Fw ) quỹ đạo chuyển động của ô tô trong thực tế m (4.11) chuyển động, góc α chỉ cho chúng ta biết (Fp1 Fp2 )Bt (Fp3 Fp4 )Bs M  c góc lệch dọc trục thân xe với vận tốc tức 2I z I z 7
8. 2. Xây dựng chương trình tính toán Để tiến hành khảo sát tính chất động lực học và các thông số chuyển động của ôtô khi phanh, ta cần phải giải hệ phương trình vi phân chuyển động của ôtô khi phanh. 1  v (Fp1 Fp2 Fp3 Fp4 Fw ) m (F F ).B (F F )B M  p1 p2 t p3 p4 s c 2I z I z Hình 3.2: Xác định tọa độ trọng tâm Trong đó: Mô men cản trên mỗi bánh xe Toạ độ trong tâm ô tô: C(Xo, Yo) là: Toạ độ các điểm mép: M1(X1, Y1); G b G b 1 1 M2(X2, Y2); M3(X3, Y3); M4(X4, Y4) M1 2 4 2 4 Ta có:  - Hệ số cản quay vòng của bánh X1 X CM .cos( ) o 1 t xe. Nó phụ thuộc vào hệ số ma sát giữa Y1 Y0 CM1.sin(t ) bánh xe và mặt đường, khả năng chống X 2 X o CM 2 .cos( t ) biến dạng của lốp và đất, và bán kính quay Y 2 Y0 CM 2 .sin( t ) vòng của xe. X 3 X 0 CM 3.cos(t ) Ta sử dụng công thức thực nghiệm: Y3 Y0 CM 3.sin(t ) X 4 X 0 CM 4.cos(t ) max max  Y 4 Y CM .sin( ) R v 0 4 t 0,925 0,15 0,925 0,15 B . B 3. Kết quả khảo sát max 0,7 Ta tiến hành khảo sát xác định quỹ đạo b – bề rộng của bánh xe chuyển động và các đặc tính động lực học Đối với ô tô có các bánh như nhau thì: khi xe chuyển động thẳng và phanh gấp ở .G.b Mc tốc độ V = 60 km/h, hệ số bám = 0,75. 4 0 Để xác được quỹ đạo chuyển động của Các thông số về quỹ đạo chuyển động của trọng tâm ta phân tích vecto vận tốc tuyệt xe được giải trên máy vi tính bằng ngôn ngữ lập trình Labview, kết quả lấy ra ở đối v thành hai thành phần vxo và vyo theo hệ toa độ tuyệt đối: dạng đồ thị. Trường hợp sự chênh lệch lực 8
9. phanh lớn nhất hai bên : Kết quả khảo sát: Kết quả khảo sát: Tọa độ trọng tâm: X0 = 18,81 (m) Tọa độ trọng tâm: X0 = 18,65 (m) Y0 = 0,43 (m) Y0 = 0,46 (m) Quãng đường phanh: S=18,81(m) Quãng đường phanh: S=18,65(m) Độ lệch trọng tâm: b = 0,43 (m) Độ lệch trọng tâm: b = 0,46 (m) Thời gian phanh là: t = 2,22 (s) Thời gian phanh là: t = 2,225 (s) Gia tốc phanh lớn nhất: j = -7,5 (m/s2) 2 Gia tốc phanh lớn nhất: j = -7,48 (m/s ) IV. Kết luận Trường hợp sự chênh lệch lực Dựa trên phương pháp nghiên phanh do chậm tác dụng khi phanh ở hai cứu lý thuyết, bài báo đã trình bày được bên cầu xe điều kiện đảm bảo an toàn và tính ổn định khi phanh để người đọc có thể hiểu được các yếu tố ảnh hưởng và nguyên nhân gây mất ổn định khi 9
10. phanh. Đối với dòng xe khách giường [3]. Nguyễn Hữu Cẩn – Dư Quốc Thịnh nằm Thaco Mobi-Home, khi hoạt động – Phạm Minh Thái – Nguyễn Văn Tài – Lê Thị Vàng. “Lý thuyết ô tô máy kéo”. Hà trên các tuyến đường liên tỉnh có địa Nội. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. Năm hình phức tạp, tải trọng vận chuyển lớn, 1998. trọng tâm của xe cao thì tính ổn định [4]. Nguyễn Hữu Cẩn – Phan Đình khi phanh là rất quan trọng. Do đó, khi Kiên. “Thiết kế và tính toán ô tô máy xe lưu thông trên đường, ngoài kỹ năng kéo tập III”. Hà Nội. Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp. Năm và kinh nghiệm của người lái xe thì 1985. việc trang bị những hệ thốngkiểm soát [5]. TS. Nguyễn Bá Hải. “Lập trình và ổn định điện tử khi phanh sẽ rất hiệu Labview”. Nhà xuất bản Đại học Quốc quả và cần thiết. gia Tp.HCM. Năm 2012 Qua quá trình tính toán và khảo [6]. BJORN ANDERSSON PATRIC sát ta đã thu được một số kết quả về các GILLBERG. “High speed Braking Stability”. Master’s thesis in Applied thông số quá trình phanh cũng như quỹ Mechanics. 2013 đạo chuyển động của xe trong hai [7]. National transportation research trường hợp chêch lệch lực phanh và sự center, Incorporated Univesity không đồng đều lực phanh sinh ra ở các Transportation center. “Vehicle Stablity bánh xe. Tuy nhiên, những tính toán and Dinamics Electronic Stability trên đã bỏ qua nhiều yếu tố dựa vào các Control Final Report”. 2011 giả thuyết đặt ra nên những kết quả thu được cần phải được kiểm tra lại bằng thực nghiệm trên xe cụ thể để nâng cao độ tin cậy của các kết quả tính toán. V. Tài liệu tham khảo [1]. PGS.TS. Nguyễn Văn Phụng. “Tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô”. Đại học SPKT Tp Hồ Chí Minh [2]. TS. Lâm Mai Long. “Giáo trình Cơ học chuyển động của ô tô”. Đại học SPKT Tp Hồ Chí Minh. Năm 2003. 10
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.