Nghiên cứu dao động đoàn xe dưới ảnh hưởng của lực quán tính khi phanh

ThS. Vũ Thành Niêm PGS. Ts. Lưu Văn Tuấn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TS. Đặng Việt Hà Cục Đăng kiểm Việt Nam Người phản biện: GS. TSKH. Phạm Văn Lang PGS. TS. Cao Trọng Hiền

TÓM TẮT: Đoàn xe là phương tiện được sử dụng phổ biến trong vận tải hàng hóa vì có sức chở lớn. Tuy nhiên, mức độ phá hủy đường sá do phương tiện này gây ra ngày càng nghiêm trọng. Với đặc điểm kích thước, khối lượng lớn nên khi phanh lực quán tính sẽ làm thay đổi tải trọng trên các trục và ảnh hưởng tới dao động của đoàn xe, làm gia tăng áp lực xuống đường. Vì vậy, việc nghiên cứu để giảm ảnh hưởng xấu của dao động đối với đường là một nhu cầu cấp thiết. Bài báo giới thiệu mô hình dao động đoàn xe sử dụng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật, khảo sát ảnh hưởng của lực quán tính khi phanh đến dao động đoàn xe.

TỪ KHÓA: Lực quán tính, dao động, đoàn xe, mô hình động lực học.

ABSTRACT: Tractor semi trailers are vehicles commonly used to transport goods with large capacity load. However, the road is destructed more severe by this vehicle. Tractor semi trailer has characteristics of large size and high load, so inertial forces effect on vibration of vehicles while braking, redistribute the load on each axle, increase vertical load. Therefore, it is necessary to do a research to reduce the adverse effect of vibration on the road. In this paper, the authors have established dynamic model used multi body system method, assessing effect on vibration of tractor semi trailer while braking.

Keywords: Inertial forces, vibration, tractor semi trailer, dynamic model.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Ở Việt Nam, do nhu cầu vận tải hàng hóa bằng xe ô tô ngày càng tăng nên đoàn xe (đầu kéo - sơmi-rơmoóc) được ưu tiên sử dụng. Với khối lượng và kích thước lớn, mức độ phá hủy đường sá do đoàn xe gây ra ngày càng nghiêm trọng. Ngoài việc kiểm soát tải trọng phương tiện (tải trọng trục và tải trọng toàn bộ) thì việc nghiên cứu về tải trọng động cần được quan tâm. Trong đó, lực quán tính khi phanh ảnh hưởng trực tiếp đến tải trọng động và có nguy cơ làm tăng áp lực đường.

Lực quán tính khi phanh ảnh hưởng đến thành phần phản lực thẳng đứng F_z, gây ra sự phân bố lại tải trọng giữa các trục, ảnh hưởng đến dao động của đoàn xe. Mặt khác, việc suy giảm thành phần phản lực thẳng đứng dẫn đến suy giảm khả năng tiếp nhận lực dọc, lực ngang nên ảnh hưởng đến an toàn chuyển động của xe. Ngoài yêu cầu về độ êm dịu chuyển động, ngày nay người ta còn quan tâm đến các tiêu chí khác như: An toàn hàng hóa, ảnh hưởng của tải trọng động của xe đến đường (áp lực đường) và an toàn động lực học. Vì vậy, việc nghiên cứu dao động đoàn xe dưới ảnh hưởng của lực quán tính khi phanh nhằm giảm ảnh hưởng xấu của dao động đối với đường là một nhu cầu cấp thiết.

2. MÔ HÌNH DAO ĐỘNG ĐOÀN XE

2.1. Mô hình động lực học đoàn xe

Nhóm tác giả đã xây dựng mô hình một dãy động lực học đoàn xe sử dụng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật, mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink với hệ tọa độ như Hình 2.1.

Dựa trên phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật và sử dụng phương trình Newton-Euler, đoàn xe được chia làm 9 khối lượng. Thiết lập hệ phương trình cân bằng trên cơ sở phân tích các lực tác dụng lên từng vật ta có:

- Hệ phương trình cân bằng của khối lượng được treo:

 

 

 

 

 

- Hệ phương trình cân bằng của khối lượng không được treo:

 

 

 

 

Hình 2.1: Hệ tọa độ đoàn xe

- Phương trình cân bằng của khối lượng không được treo trục tương đương 2, 3:

 

 

 

- Phương trình cân bằng của thanh cân bằng trục 4, 5:

 

 

 

 

-

 

 

 

 

Hình 2.2: Mô hình lốp

Các thông số s, α, φ_x xác định từ mô hình lốp sử dụng hàm Ammon [2]. Các thành phần lực và các thông số còn lại xác định từ các phương trình liên kết.

Các lực cản gió theo phương dọc được xác định thông qua các hệ số khí động [3]:

 

 

 

 

 

2.2. Hàm kích động từ mặt đường

Xe chuyển động đều với vận tốc v, hàm kích động tại từng trục được cho dưới dạng hàm sin:

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Xây dựng quy luật phanh

Mô-men phanh được xây dựng theo quy luật như Hình2.3.

Hình 2.3: Quy luật mô-men phanh

Trong đó:

- M_A - Mô-men ban đầu cấp cho bánh xe để xe chuyển động đều với vận tốc v;

- M_B - Mô-men phanh cực đại tại các bánh xe;

- t_m - Thời điểm bắt đầu phanh;

- t_p - Thời điểm đạt mô-men phanh cực đại.

3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT

3.1. Các phương án khảo sát

Các phương án khảo sát:

- Phương án khảo sát 1: Ảnh hưởng của mô-men phanh đến dao động đoàn xe;

- Phương án khảo sát 2: Ảnh hưởng của thời điểm phanh đến dao động đoàn xe.

Kết quả đánh giá theo sự thay đổi thành phần phản lực thẳng đứng tại các bánh xe F_zi, lực dọc F_xi, phản lực tại khớp nối F_kx, F_kz và độ trượt.

3.2. Kết quả và đánh giá

Dựa trên 2 phương án khảo sát trên ta xây dựng được 3 trường hợp khảo sát sau:

Trường hợp 1: Mô-men phanh tại mỗi bánh xe M = 20.000Nm, đầu kéo và sơmi-rơmoóc phanh cùng thời điểm (t₁ = t₂), vận tốc xe trước khi phanh v = 20m/s, tần số hàm kích động mặt đường f = 2Hz.

Hình 3.1: Đồ thị phản lực Fz

Hình 3.2: Đồ thị lực dọc Fx

Hình 3.3: Đồ thị phản lực Fkx, Fkz tại khớp nối

Hình 3.4: Đồ thị độ trượt

Trường hợp 2: Mô-men phanh tại mỗi bánh xe M = 40.000Nm, đầu kéo và sơmi-rơmoóc phanh cùng thời điểm (t₁ = t₂), vận tốc xe trước khi phanh v = 20m/s, tần số hàm kích động mặt đường f = 2Hz.

Hình 3.5: Đồ thị phản lực Fz

Hình 3.6: Đồ thị lực dọc Fx

Hình 3.7: Đồ thị phản lực Fkx, Fkz tại khớp nối

Hình 3.8: Đồ thị độ trượt

Trường hợp 3: Mô-men phanh tại mỗi bánh xe M = 40.000Nm, sơmi-rơmoóc phanh trễ hơn đầu kéo 0,5s (t₂ = t₁ + 0,5s), vận tốc xe trước khi phanh v = 20m/s, tần số hàm kích động mặt đường f = 2Hz.

Hình 3.9: Đồ thị phản lực Fz

Hình 3.10: Đồ thị lực dọc Fx

Hình 3.11: Đồ thị phản lực Fkx, Fkz tại khớp nối

Hình 3.12: Đồ thị độ trượt

Nhận xét:

Phương án khảo sát 1: Ảnh hưởng của mô-men phanh đến dao động đoàn xe (so sánh trường hợp 1 và trường hợp 2 - mô-men phanh tăng lên).

- Dựa trên đồ thị Hình3.2 ta thấy, lực dọc F_xi tại các trục đều giảm theo quy luật giống với mô-men phanh. Mức độ giảm của F_xi phụ thuộc vào tải trọng tĩnh phân lên mỗi trục. Do mô-men phanh ở các trục là như nhau, mà tải trọng tĩnh trên trục 1 nhỏ nhất nên mức độ giảm của lực dọc là lớn nhất (đường số 1).

- Ở đồ thị Hình 3.1 ta thấy, phản lực thẳng đứng F_z1 tăng (đường số 1), F_z2, F_z3, F_z4, F_z5 đều giảm (đường số 2, 3 và đường số 4, 5). Mức độ giảm của F_z2, F_z3 ít nhất, nguyên nhân là do ảnh hưởng bởi liên kết giữa đầu kéo và sơmi-rơmoóc thông qua khớp nối (khớp yên ngựa). Phản lực thẳng đứng tại khớp nối F_kz (Hình 3.3) có xu hướng tăng nhưng do ảnh hưởng của lực quán tính nên F_z2 , F_z3 có xu hướng giảm.

- Lực dọc tại khớp nối F_kx (Hình3.3) tăng về giá trị nhưng đổi chiều, nghĩa là sơmi-rơmoóc sẽ tác dụng một lực đẩy vào đầu kéo. Điều này tác động xấu đến ổn định của xe.

- Khi tăng mô-men phanh lên gấp đôi sẽ xảy ra hiện tượng trượt ở các trục 2, 3, 4, 5 (đường số 2,3 và đường 4, 5  - Hình3.8). Trục 1 không bị trượt (đường số 1) nguyên nhân là do F_z1 luôn tăng và lớn hơn 0, còn F_x1 luôn giảm và nhỏ hơn 0 nên (s₁ > -1). Điều này tốt cho ổn định hướng chuyển động của xe. Lực dọc tại các trục giảm nhiều, đặc biệt tại trục 1 (Hình 3.6). Thành phần phản lực thẳng đứng F_z1 tăng lên 15%, F_z2, F_z3 hầu như không thay đổi, F_z4, F_z5 giảm đi 6,7%. Nguyên nhân F_z2, F_z3 không thay đổi là do phản lực tại khớp nối F_kz tăng lên (Hình 3.7) ảnh hưởng đến phản lực thẳng đứng tại cụm trục 2, 3.

Phương án khảo sát 2: Ảnh hưởng của thời điểm phanh đến dao động đoàn xe (so sánh trường hợp 2 và trường hợp 3 - sơmi-rơmoóc phanh trễ hơn 0,5s).

- Khi sơmi-rơmoóc phanh trễ hơn đầu kéo 0,5s, thành phần lực dọc F_xi không thay đổi (Hình 3.10). Từ đồ thị Hình 3.12 ta thấy thời điểm trượt của các trục xe khác nhau, tại t = 1,5s trục 2, 3 đã bị trượt (đường số 2, 3 - Hình 3.12), trong khi đó tại t > 2s trục 4, 5 mới bị trượt (đường số 4, 5 - Hình 3.12). Điều này sẽ làm tăng phản lực F_kx gây mất ổn định cho xe (Hình 3.8).

- Từ đồ thị Hình3.9 ta thấy, F_z1 tăng lên theo như giải thích ở phần trên, F_z4, F_z5 không thay đổi. Sau thời điểm phanh phanh đầu kéo, F_z2, F_z3 giảm nhiều đến khi sơmi-rơmoóc bị phanh thì tăng lên và dao động quanh giá trị ổn định. Nguyên nhân là lúc đó trục 2, 3 ít chịu ảnh hưởng lắc dọc của sơmi-rơmoóc và thành phần phản lực F_kz của khớp nối. Sự thay đổi đột ngột phản lực F_z sẽ gây ra tải trọng động ảnh hưởng đến đường và độ bền chi tiết của xe.

4. KẾT LUẬN

Lực quán tính khi phanh làm thay đổi sự phân bố tải trọng giữa các trục, do đó ảnh hưởng đến dao động của đoàn xe (áp lực đường).

Sự thay đổi mô men phanh và thời điểm phanh ảnh hưởng đến phản lực thẳng đứng tại các trục F_zi. Sự suy giảm thành phần phản lực thẳng đứng F_zi tại các trục dẫn tới giảm khả năng tiếp nhận lực dọc, ngang gây mất ổn định cho đoàn xe.

Do đoàn xe có kết cấu 2 khâu liên kết với nhau thông qua khớp yên ngựa nên thành phần phản lực tại khớp nối F_kx, F_kz sẽ tác động đến đầu kéo và sơmi-rơmoóc làm thay đổi phản lực thẳng đứng tại trục 2 và 3.

Mô hình dao động của đoàn xe có thể sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của tải trọng thay đối đến ổn định phanh, ổn định hướng chuyển động của đoàn xe.

Tài liệu tham khảo

[1]. Võ Văn Hường, Nguyễn Tiến Dũng, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc (2014), Động lực học ô tô, NXB. Giáo dục.

[2]. Dieter Ammon (1997), Modellbidung und systementwicklung, in der Fahrzeugdynamik, B.G Teubner Stuttgart.

[3]. Joe Tremblay, Rechard Ziernicki, Ben Railsback, Mark Kittel (2009), Wind effects on dynamic stability of tractor trailer in winter conditions, SAE International.

[4]. Lloyd Davis, Jon Bauker (2009), Heavy vehicle suspension testing and analysis-dynamic load sharing, Queensland university.

[5]. Sardar Muhammad Imran, Zhichao Hou (2015), Semi-active suspension control of a semi-trailer with air suspension system, Tsinghua Universiy.

[6]. Matt Elischer (2012), Dynamic Wheel Loads of Heavy Vehicles - Preliminary Analysis, Department of Transport and Main Roads, Queensland, Australia.