Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động đến sự ổn định hướng chuyển động của ô tô khách cỡ lớn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:125

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động đến sự ổn định hướng chuyển động của ô tô khách cỡ lớn" được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu, tính toán các lực, mô men khí động tác động lên xe khách cỡ lớn khi chuyển động trong điều kiện gió ngang; đánh giá ảnh hưởng của các lực, mô men khí động đến sự ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động đến sự ổn định hướng chuyển động của ô tô khách cỡ lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC KHÍ ĐỘNG ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH CỠ LỚN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI – 2023 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC KHÍ ĐỘNG ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH CỠ LỚN Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC UẤN HÀ NỘI – 2023 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác. Hà Nội, tháng năm 2023 Người hướng dẫn khoa học1 Người hướng dẫn khoa học 2 Nghiên cứu sinh PGS. TS. Nguyễn Trọng Hoan TS. Trịnh Minh Hoàng Đỗ Tiến Quyết i
LỜI CẢM ƠN NCS xin trân trọng cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Trường Cơ khí, khoa Cơ khí Động lực, Nhóm chuyên môn Ô tô và xe chuyên dụng đã tạo điều kiện cho NCS thực hiện luận án tại Đại học Bách khoa Hà Nội. NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tập thể hướng dẫn là PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan và TS. Trịnh Minh Hoàng, những người hướng dẫn khoa học, đã tận tình giúp đỡ hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và phương pháp giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra giúp thực hiện và hoàn thành luận án. Xin cảm ơn Ban Giám hiệu và quý Thầy, Cô trường Đại học Sao Đỏ đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin Cảm ơn quý Thầy, Cô, các nhà khoa học trong và ngoài trường đã ủng hộ và giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu của NCS. Cuối cùng NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia định và bạn bè, những người đã luôn động viên khuyến khích giúp đỡ trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. x MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 4 1.1. Xu thế phát triển và vấn đề ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn ............. 4 1.1.1. Sự phát triển của xe khách cỡ lớn tại Việt Nam............................................. 4 1.1.2. An toàn trong chuyển động đối với xe khách cỡ lớn ..................................... 5 1.1.3 Khí động học ô tô ............................................................................................ 6 1.2 Những nghiên cứu liên quan đến luận án ........................................................... 15 1.2.1 Những nghiên cứu trên thế giới về khí động học .......................................... 15 1.2.2 Những nghiên cứu trên thế giới về ổn định do lực khí động ........................ 21 1.2.3 Những nghiên cứu trong nước....................................................................... 25 1.3. Lựa chọn phương pháp mô phỏng khí động và thông số đánh giá ổn định do lực khí động .......................................................................................................................... 26 1.3.1 Lựa chọn phương pháp mô phỏng khí động ................................................. 26 1.3.2 Lựa chọn thông số đánh giá ổn định do lực khí động .................................. 27 1.3.3 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu ổn định gió ngang ................................. 28 1.4 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ............................... 28 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 28 1.4.2 Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 28 1.4.3 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 29 1.4.4 Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 29 1.4.5 Bố cục luận án ............................................................................................... 30 1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................................. 30 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC LỰC VÀ MÔ MEN KHÍ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG .................................................................. 31 iii
2.1. Cơ sở lý thuyết khí động học ............................................................................. 31 2.1.1 Các phương trình cơ bản ............................................................................... 31 2.1.2 Mô phỏng dòng chảy rối ............................................................................... 33 2.2. Mô phỏng khí động học bằng phần mềm Fluent ............................................... 36 2.2.1 Xây dựng mô hình hình học của xe khách. ................................................... 36 2.2.2. Vùng không gian mô phỏng ......................................................................... 38 2.2.3 Tạo lưới ......................................................................................................... 40 2.2.4 Lựa chọn mô hình dòng rối ........................................................................... 42 2.2.5 Thiết lập thuật giải, đặt điều kiện biên .......................................................... 43 2.2.6. Kết quả mô phỏng trường vận tốc, áp suất................................................... 44 2.3. Giá trị lực, mô men và hệ số lực, hệ số mô men khí động ................................ 48 2.3.1 Lực, mô men khí động .................................................................................. 48 2.3.2. Xác định các hệ số khí động......................................................................... 61 2.4 Kết luận chương 2 .............................................................................................. 65 CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ SỰ ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE KHÁCH CỠ LỚN TRONG ĐIỀU KIỆN GIÓ NGANG......................................... 66 3.1 Mô hình động lực học xe khách cỡ lớn .............................................................. 66 3.1.1. Phân tích cấu trúc xe khách cỡ lớn và các giả thiết ..................................... 66 3.1.2. Thiết lập hệ phương trình vi phân ................................................................ 69 3.1.3 Hệ phương trình vi phân tổng quát ............................................................... 76 3.2. Đánh giá ổn định của xe khách trong điều kiện gió ngang ............................... 79 3.2.1 Điều kiện khảo sát ......................................................................................... 79 3.2.2. Đánh giá ổn định khi xe đang di chuyển trong vùng gió ngang .................. 81 3.2.3 Đánh giá ổn định khi xe sẽ di chuyển qua vùng gió ngang.......................... 88 3.3. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 91 CHƯƠNG 4. THÍ NGHIỆM KHÍ ĐỘNG HỌC ...................................................... 92 4.1. Mục tiêu thí nghiệm........................................................................................... 92 4.2. Các thông số đo ................................................................................................. 92 4.3. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................ 92 iv
4.4. Mẫu thí nghiệm.................................................................................................. 97 4.5. Thí nghiệm trong ống khí động ......................................................................... 98 4.6. Mô phỏng Ansy Fluent theo điều kiện thí nghiệm .......................................... 100 4.7. Đánh giá kết quả thí nghiệm và mô phỏng ...................................................... 102 4.8. Kết luận chương 4 ........................................................................................... 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 110 v
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa NCS - Nghiên cứu sinh g m/s2 Gia tốc trọng trường f Hệ số cản lăn v km/h Vận tốc chuyển động của xe rt m Bán kính tĩnh bánh xe C11, C12 N/m Độ cứng hệ thống treo trước C21, C22 N/m Độ cứng hệ thống treo sau K11, K12 N.s/m Hệ số cản giảm chấn trước K21, K22 N.s/m Hệ số cản giảm chấn sau CL11, CL12 N/m Độ cứng hướng kính lốp trước CL21, CL22 N/m Độ cứng hướng kính lốp sau mA1 kg Khối lượng không được treo trước mA2 kg Khối lượng không được treo sau M kg Khối lượng toàn bộ xe đầy tải Mc1 kg Khối lượng toàn bộ phân cho cầu trước Mc2 kg Khối lượng toàn bộ phân cho cầu sau L m Chiều dài toàn bộ của xe B m Chiều rộng toàn bộ của xe H m Chiều cao toàn bộ của xe l m Chiều dài cơ sở Vxien m/s Vận tốc gió xiên trong mô hình 1 nguồn gió Góc nghiêng giữa hướng gió xiên và mặt phẳng w độ đối xứng dọc của thân xe b1 m Một nửa khoảng cách vết bánh xe trước b2 m Một nửa khoảng cách vết bánh xe sau Một nửa khoảng cách giữa 2 vị trí đặt bộ phận w1 m đàn hồi (treo khí) trên cầu trước Một nửa khoảng cách giữa 2 vị trí đặt bộ phận w2 m đàn hồi (treo khí) trên cầu sau hg m Chiều cao trọng tâm r1 m Bán kính động bánh xe trước r2 m Bán kính động bánh xe sau Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh Jx kg.m2 trục dọc x vi
Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh Jy kg.m2 trục ngang y Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh Jz kg.m2 trục thẳng đứng z Mô men quán tính khối lượng của cầu trước JAx1 kg.m2 quanh trục dọc x Mô men quán tính khối lượng của cầu sau quanh JAx2 kg.m2 trục dọc x Mô men quán tính khối lượng của các ánh xe JAy11, JAy12 kg.m2 trước quanh trục ngang y Mô men quán tính khối lượng của các bánh xe JAy21, JAy22 kg.m2 sau quanh trục ngang y A1, A2 rad Góc lắc ngang của cầu thứ 1, 2  rad Góc lắc ngang của thân xe  rad Góc lắc dọc của thân xe  rad Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng Chuyển vị theo phương dọc của khối lượng được x m treo Chuyển vị theo phương ngang của khối lượng y m được treo Chuyển vị theo phương thẳng đứng của khối z m lượng được treo ij rad Góc quay bánh xe thứ ij Chuyển vị của khối lượng không được treo cầu 1, A1, A2 m 2 ij độ Góc lăn lệch các bánh xe thứ ij MAij Nm Mô men cấp cho bánh xe thứ ij Mij Nm Mô men quay ánh xe thứ ij quanh trục y Lực tác dụng lên ánh xe theo phương dọc bánh xe Fxij N thứ ij Lực tác dụng lên bánh xe theo phương ngang Fyij N bánh xe thứ ij Lực tác dụng lên bánh xe thứ ij theo phương Fzij N thẳng đứng FGij N Tải trọng tĩnh ứng với bánh xe thứ ij FCij N Lực đàn hồi hệ thống treo gần bánh xe thứ ij vii
Lực cản giảm chấn hệ thống treo gần bánh xe thứ FKij N ij FCLij N Lực đàn hồi lốp bánh xe thứ ij mc Hệ số phân bố lại trọng lượng trên cầu chủ động Fwx N Lực cản khí động Fwy N Lực ngang khí động Fwz N Lực nâng khí động Mwx Nm Mô men lắc ngang khí động Mwy Nm Mô men lắc dọc khí động Mwz Nm Mô men xoay thân xe khí động Lực cản khí động tác động lên mô hình thu nhỏ Fxkđ N theo phương gió thổi Lực ngang khí động tác động lên mô hình thu nhỏ Fykđ N theo phương vuông góc với phương gió thổi Lực nâng khí động tác động lên mô hình thu nhỏ Fzkđ N theo phương thẳng đứng Cx - Hệ số cản khí động Cy - Hệ số lực ngang khí động Cz - Hệ số lực nâng khí động CMx - Hệ số mô men lắc ngang CMy - Hệ số mô men lắc dọc CMz - Hệ số mô men xoay thân xe A m2 Diện tích cản chính diện  kg/m3 Khối lượng riêng của không khí U∞ m/s Vận tốc dòng khí ở vô cùng Re - Số Reynolds  N.s/m2 Hệ số độ nhớt động lực p Pa Áp suất L m Thông số hình học đặc trưng  m2/s Độ nhớt động học của không khí  ij t - Ten-sơ ứng suất của dòng rối k J/kg (m2/s2) Động năng của dòng rối  - Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối Reynolds Average Navier Stokes (Phương trình RANS Reynolds trung bình hóa) viii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. 1. Kích thước cơ bản của xe khách Thaco HB120SL-H380R-14............... 37 Bảng 2. 2. Chất lượng lưới của mô hình mô phỏng ................................................. 41 Bảng 2. 3. Thiết lập thuật giải .................................................................................. 44 Bảng 2. 4. Hệ số khí động tại các góc nghiêng tại vận tốc gió 20 m/s..................... 62 Bảng 3. 1. Bảng thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng động lực học ............ 77 Bảng 3. 2. Vận tốc gió xiên theo giá trị vận tốc xe và vận tốc gió ngang ................ 80 Bảng 3. 3. Góc nghiêng (độ) theo giá trị vận tốc xe và vận tốc gió ngang .............. 80 Bảng 4. 1. Kết quả đo lực cản, lực ngang khí động với trường hợp thí nghiệm 1 tại các vận tốc gió, góc nghiêng khác nhau ......................................................................... 99 Bảng 4. 2. Kết quả đo lực cản, lực ngang khí động với trường hợp thí nghiệm 2 tại các vận tốc gió, góc nghiêng khác nhau ....................................................................... 100 Bảng 4. 3. Kết quả tính toán lực cản, lực ngang khí động tác động lên mô hình thí nghiệm tại các vận tốc gió, góc nghiêng khác nhau ............................................... 100 Bảng 4. 4. Kết quả tính toán lực khí động tại các vận tốc gió, góc nghiêng khác nhau bằng phần mềm chuyên dụng ................................................................................. 102 Bảng 4. 5. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng lực cản khí động (Fxkđ) .................... 102 Bảng 4. 6. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng lực ngang khí động (Fykđ) ................ 103 ix
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Các nguyên nhân gây mất ổn định xe khách cỡ lớn .................................. 5 Hình 1.2. Hình ảnh xe khách bị lật ............................................................................. 6 Hình 1.3. Các lực và mô men khí động tác động trên xe ô tô[4]. .............................. 7 Hình 1. 4. Hình dạng khí động học của xe du lịch qua các thời kì [5] ....................... 8 Hình 1. 5. Các vùng xoáy trên vỏ xe ô tô con [5] ...................................................... 9 Hình 1. 6. Lực ngang tác động lên ô tô khi có gió ngang ........................................ 10 Hình 1. 7. Hình ảnh lực nâng khí động trên xe ........................................................ 10 Hình 1. 8. Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động ........................................... 13 Hình 1.9 Một số dạng mất ổn định của xe khách cỡ lớn .......................................... 14 Hình 1. 10. Mô hình gió ngang không ổn định của Pascal Theissen [16]................ 16 Hình 1. 11. Mô hình gió ngang trong nghiên cứu của Makoto Tsubokura [17] ...... 16 Hình 1. 12. Mô hình gió ngang ổn định tác động lên xe khách [18] ........................ 17 Hình 1. 13. Mô hình gió ngang trong nghiên cứu của Takuji Nakashima [19] ....... 17 Hình 1.14. Mô hình gió ngang ổn định của Youhanna E. Wiliam [18] ................... 18 Hình 1.15. Thí nghiệm khí động học với vật mẫu xoay [20] .................................. 18 Hình 1. 16. Hệ số cản xe Volvo Bus theo góc nghiêng [23] .................................... 19 Hình 1. 17. Phân bố vận tốc, áp suất tại mặt phỏng song song cách mặt đường 1,5 m. .................................................................................................................................. 20 Hình 1. 18. Hệ số lực ngang của xe bus theo góc nghiêng [Sekulic] ....................... 21 Hình 1. 19. Giới hạn vận tốc ổn định xe tải theo nghiên cứu của Kee [26] ............ 22 Hình 1.20. Phần mềm Trucksim được sử dụng để nghiên cứu ổn định gió ngang [31] .................................................................................................................................. 23 Hình 1. 21. Vận tốc góc xoay thân xe khi đi vào vùng gió ngang [32] .................... 23 Hình 1. 22. Mô hình động lực học gió ngang của Zhang [33] ................................. 24 Hình 1. 23. Thí nghiệm ổn định khí động học tại trung tâm thí nghiệm .................. 25 Hình 1. 24. Thí nghiệm thực tế ổn định khí động trên đường [24] .......................... 25 Hình 1. 25. Mô hình gió xiên của luận án ................................................................ 26 x
Hình 1. 26 Sơ đồ thí nghiệm theo tiêu chuẩn ISO 12021[40] .................................. 27 Hình 1. 27 Xe khách Thaco HB120SL-H380R-14 .................................................. 29 Hình 2. 1. Kích thước của xe khách thaco HB120SL-H380R-14 ............................ 37 Hình 2. 2. Mô hình 3D của xe khách tham khảo ...................................................... 37 Hình 2. 3. Các kích thước vùng không gian mô phỏng lần đầu [44] ....................... 39 Hình 2. 4. Hình ảnh về dòng chảy ngược ................................................................. 39 Hình 2. 5. Chia lưới trong Ansys Fluent .................................................................. 40 Hình 2. 6. Phổ giá trị đánh giá chỉ số orthogonal quality và skewness [44]. ........... 41 Hình 2. 7. Quy luật biến thiên vận tốc trong lớp biên .............................................. 42 Hình 2. 8. Giá trị y+ tại bề mặt vỏ xe ........................................................................ 43 Hình 2. 9. Phân bố vận tốc tại mặt phẳng song song và cách mặt đường 2m theo các góc nghiêng 00, 300, 600............................................................................................ 45 Hình 2. 10. Phân bố áp suất tại mặt phẳng dọc của xe theo các góc nghiêng 00, 300, 600 .................................................................................................................................. 46 Hình 2. 11. Phân bố áp suất tại bề mặt vỏ xe phía trước theo góc nghiêng 00, 300, 600 .................................................................................................................................. 47 Hình 2. 12. Phân bố áp suất tại bề mặt bên vỏ xe theo góc nghiêng 00, 300, 600 ..... 47 Hình 2. 13. Hệ tọa độ tính toán lực và mô men khí động ........................................ 48 Hình 2. 14. Giá trị lực cản theo góc nghiêng khi vận tốc gió xiên là 30 m/s. .......... 49 Hình 2. 15. Lực cản theo vận tốc gió xiên khi góc nghiêng 300 .............................. 50 Hình 2. 16. Lực cản theo vận tốc gió xiên và góc nghiêng ...................................... 51 Hình 2. 17. Lực ngang theo góc nghiêng khi vận tốc gió xiên 30 m/s ..................... 51 Hình 2. 18. Lực ngang theo vận tốc gió xiên khi góc nghiêng 300 .......................... 52 Hình 2. 19. Lực ngang theo vận tốc gió xiên và góc nghiêng .................................. 53 Hình 2. 20. Lực nâng theo góc nghiêng khi vận tốc gió xiên 30 m/s ....................... 53 Hình 2. 21. Lực nâng theo vận tốc gió xiên khi góc nghiêng 300 ............................ 54 Hình 2. 22. Lực nâng theo vận tốc gió xiên và góc nghiêng .................................... 55 Hình 2. 23. Mô men lắc ngang theo góc nghiêng khi vận tốc gió xiên 30 m/s ........ 55 xi
Hình 2. 24. Mô men lắc ngang theo vận tốc gió xiên khi góc nghiêng 300 ............. 56 Hình 2. 25. Mô men lắc ngang theo vận tốc gió xiên và góc nghiêng ..................... 57 Hình 2. 26. Mô men lắc dọc theo góc nghiêng khi vận tốc gió xiên 30 m/s. ........... 58 Hình 2. 27. Mô men lắc dọc theo vận tốc xiên khi góc nghiêng 300........................ 58 Hình 2. 28. Mô men lắc dọc theo vận tốc gió xiên và góc nghiêng ........................ 59 Hình 2. 29. Mô men xoay thân xe theo góc nghiêng khi vận tốc gió xiên 30 m/s ... 60 Hình 2. 30. Mô men xoay thân xe theo vận tốc gió xiên khi góc nghiêng 300 ........ 60 Hình 2. 31. Mô men xoay thân xe theo vận tốc gió xiên và góc nghiêng ............... 61 Hình 2. 32. Các lực, mô men khí động tác động lên xe trong trường hợp gió ngang61 Hình 2. 33. Các hệ số lực khí động .......................................................................... 63 Hình 2. 34. Các hệ số mô men khí động .................................................................. 64 Hình 3. 1. Mô hình không gian xe khách cỡ lớn ...................................................... 67 Hình 3. 2. Mô hình các lực tác động lên xe trong mặt phẳng song song với đường 69 Hình 3. 3. Mô hình các lực tác động trong mặt phẳng dọc ...................................... 71 Hình 3. 4. Mô hình các lực tác động trong mặt phẳng ngang .................................. 73 Hình 3. 5 Mô hình động lực học bánh xe đàn hồi. ................................................... 74 Hình 3. 6 Góc lệch bên, độ trượt của mô hình lốp Pacejka ...................................... 76 Hình 3. 7. Sơ đồ khảo sát.......................................................................................... 79 Hình 3. 8. Sơ đồ xe khách cỡ lớn di chuyển trong làn đường .................................. 80 Hình 3. 9. Độ lệch bên khi xe 80 km/h ..................................................................... 81 Hình 3. 10. Thời gian vi phạm làn đường khi vận tốc xe 80 km/h .......................... 82 Hình 3. 11. Độ lệch bên khi vận tốc xe 120 km/h .................................................... 83 Hình 3. 12. Gia tốc bên khi xe chuyển động 80 km/h .............................................. 83 Hình 3. 13. Gia tốc bên khi xe chuyển động 120 km/h ............................................ 84 Hình 3. 14. Vận tốc góc xoay thân xe khi xe chuyển động 80 km/h ....................... 85 Hình 3. 15. Vận tốc góc xoay thân xe khi xe chuyển động 120 km/h ..................... 85 Hình 3. 16. Phản lực tại các bánh xe. ....................................................................... 86 Hình 3. 17. Độ lệch bên ............................................................................................ 87 xii
Hình 3. 18. Góc xoay thân xe khi vận tốc xe 120 km/h ........................................... 88 Hình 3. 19. Sơ đồ mô phỏng khi xe khách đi vào vùng gió ngang. ......................... 88 Hình 3. 20. Độ lệch bên khi vận tốc xe 120 km/h .................................................... 89 Hình 3. 21. Gia tốc lệch bên khi vận tốc xe 120 km/h ............................................. 90 Hình 3. 22. Vận tốc góc xoay thân xe khi vận tốc xe 120 km/h .............................. 90 Hình 4. 1. Sơ đồ ống khí động và kết nối thiết bị thí nghiệm .................................. 93 Hình 4. 2. Bố trí đường ống dẫn khí ......................................................................... 93 Hình 4. 3. Động cơ của ống khí động ....................................................................... 94 Hình 4. 4. Sơ đồ bố trí mẫu xe thí nghiệm và các cảm biến trong khoang thử ........ 94 Hình 4. 5. Thiết bị đo vận tốc dòng khí .................................................................... 95 Hình 4. 6. Cân khí động 6 thành phần ...................................................................... 95 Hình 4. 7. Bộ phận xử lý tín hiệu ............................................................................. 96 Hình 4. 8. Giao diện làm việc của phần mềm DasyLab ........................................... 96 Hình 4. 9. Bộ phận hiển thị và lưu trữ kết quả ......................................................... 97 Hình 4. 10. Mẫu thí nghiệm...................................................................................... 98 xiii
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án Hiện nay, phương thức vận chuyển hành khách bằng xe khách cỡ lớn đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam. Khi đi qua vùng gió ngang có vận tốc lớn xe khách cỡ lớn dễ bị mất ổn định do kích thước và tải trọng lớn. Mất ổn định chuyển động như lệch làn đường, xoay thân xe gây nguy hiểm không chỉ cho bản thân xe khách mà còn cả với các phương tiện tham gia thông thông khác. Vì vậy, nghiên cứu ổn định chuyển động do lực khí động của xe khách cỡ lớn là rất cần thiết khi mà vận tốc chuyển động của xe khách đang ngày càng được nâng cao. Mục tiêu nghiên cứu Trạng thái mất ổn định khí động phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nên việc công bố một ngưỡng mất ổn định khí động cũng khó khăn. Việc xác định các lực, mô men khí động tác động lên xe vẫn chưa được nghiên cứu chuyên sâu tại Việt Nam. Vì vậy, đề tài đặt ra các mục tiêu chi tiết như sau: - Nghiên cứu, tính toán các lực, mô men khí động tác động lên xe khách cỡ lớn khi chuyển động trong điều kiện gió ngang; - Đánh giá ảnh hưởng của các lực, mô men khí động đến sự ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn. Đối tượng nghiên cứu Xe khách Thaco HB120SL-H380R-14 được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu Để nghiên cứu ảnh hưởng của các lực khí động tới sự ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn luận án sử dụng kết hợp 2 phương pháp là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. - Nghiên cứu lý thuyết khí động học bằng cách mô phỏng số quá trình tương tác giữa không khí với bề mặt vỏ xe khi chuyển động. Từ đó xác định được lực, mô men khí động tác động lên xe khách cỡ lớn. Nghiên cứu ổn định chuyển động được thực hiện bằng cách lập và giải hệ phương trình mô tả chuyển động của xe khách trong điều kiện gió ngang bằng phương pháp số. Từ đó đánh giá được mức độ ổn định của xe khách cỡ lớn khi chuyển động có gió ngang. 1
- Nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được thực hiện trên mô hình thu nhỏ của xe khách tham khảo để kiểm chứng nghiên cứu lý thuyết về khí động học đã thực hiện. Phạm vi nghiên cứu Khí động học là một quá trình phức tạp. Vận tốc gió trong tự nhiên có biên độ, phương thay đổi liên tục. Luận án chỉ nghiên cứu gió ổn định (có vận tốc, phương không đổi theo thời gian). Về ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn, luận án chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc xe, vận tốc gió tới khả năng mất ổn định hướng trong trường hợp xe chuyển động thẳng trên đường phẳng, nhẵn và không xét tới phản ứng của người lái. Nội dung của luận án Nội dung luận án được trình bày gồm 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Nghiên cứu xác định các lực và mô men khí động bằng phần mềm chuyên dụng Chương 3: Đánh giá sự ổn định hướng chuyển động của xe khách cỡ lớn trong điều kiện gió ngang Chương 4: Thí nghiệm khí động học Những kết quả mới của luận án 1. Luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng sử dụng phần mềm chuyên dụng để tính toán các lực và mô men khí động tác dụng lên xe khách cỡ lớn. Từ đó xác định được các đặc tính của các hệ số lực và hệ số mô men khí động cho xe khách tham khảo. 2. Luận án đã xây dựng được mô hình động lực học 14 bậc tự do có thể khảo sát được sự ổn định hướng chuyển động của xe khách trong điều kiện gió ngang. 3. Luận án đã khảo sát được các thông số đánh giá sự ổn định của ô tô khách cỡ lớn (độ lệch bên, gia tốc bên, vận tốc góc xoay thân xe) khi xe chuyển động trong gió ngang. 4. Luận án đã lựa chọn được phương pháp và thực hiện thí nghiệm để kiểm chứng mô hình mô phỏng xe khách cỡ lớn chuyển động trong điều kiện gió ngang. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Sự ổn định hướng chuyển động khi đi qua vùng gió ngang lớn rất quan trọng không chỉ cho bản thân xe khách cỡ lớn mà còn các thành phần tham gia giao thông 2
khác. Luận án đã tính toán các lực, mô men khí động tác động lên xe khách cỡ lớn trong điều kiện gió ngang, đồng thời cũng xây dựng được mô hình động lực học của xe khách cỡ lớn để nghiên cứu đánh giá ổn định hướng. Luận án đã khảo sát, đánh giá các thông số đặc trưng cho ổn định hướng chuyển động của xe khách cỡ lớn khi có gió ngang. Đây là cơ sở cho việc cảnh báo cho người lái khi di chuyển xe khách cỡ lớn trong điều kiện gió ngang. Ý nghĩa khoa học của luận án - Phương pháp mô phỏng khí động học được xây dựng trong luận án có thể ứng dụng trong tính toán các lực, mô men khí động tác động lên xe khách cỡ lớn và các hệ số khí động cho 1 đối tượng xe cụ thể. Phương pháp đánh giá ổn định theo độ lệch bên, gia tốc ngang, vận tốc góc xoay thân xe có ý nghĩa thực tiễn và khoa học trong nghiên cứu cảnh báo ổn định hướng chuyển động của xe khách cỡ lớn. - Luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất trong quá trình cải tiến hoặc thiết kế mới nhằm tăng tính ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Hiện nay, vận chuyển hành khách bằng xe khách cỡ lớn là một trong những phương thức vận chuyển quan trọng của các nền kinh tế. Lợi thế của xe khách cỡ lớn là số lượng hành khách lớn, vận hành an toàn, tốc độ xe có thể đạt tới 120 km/h. Ở Việt Nam, xe khách cỡ lớn được sử dụng phổ biến để vận chuyển hành khách trên những tuyến đường dài. Do kích thước và tải trọng lớn, xe khách cỡ lớn dễ bị mất ổn định khi xe đi vào vùng gió ngang. Đặc biệt khi xe chuyển động với vận tốc cao trong vùng gió ngang có vận tốc lớn có thể mất ổn định hướng như vi phạm làn đường. Đây là dạng mất ổn định nguy hiểm không chỉ cho bản thân xe khách cỡ lớn mà cả với các thành phần tham gia giao thông khác. Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động đến ổn định hướng chuyển động của xe khách lớn là cần thiết trong điều kiện thực tiễn ngày nay. Kết quả nghiên cứu hướng đến làm tín hiệu cảnh báo cho người lái. Để làm được điều này, cần xác định được các lực, mô men khí động tác động lên xe khách từ đó đánh giá được sự ổn định của xe theo các tiêu chí đánh giá cụ thể. Nội dung chương 1 sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về khí động học, ổn định chuyển động và các thông số đánh giá ổn định khi có gió ngang. Từ đó đề xuất các phương án tính toán lực khí động cũng như các thông số đánh giá sự ổn định hướng chuyển động của xe khách trong điều kiện gió ngang. 1.1. Xu thế phát triển và vấn đề ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn 1.1.1. Sự phát triển của xe khách cỡ lớn tại Việt Nam Ngày 24-7/2014 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 1211 phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030, trong đó sẽ kiểm soát sự phát triển của xe máy, ô tô cá nhân [1]. Theo đó, cần nhanh chóng phát triển phương thức vận tải nhanh, khối lượng vận tải lớn tại các đô thị lớn (trước tiên là Thủ đô Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh); phát triển vận tải ở các đô thị theo hướng sử dụng vận tải công cộng là chính, đảm bảo hiện đại, an toàn, tiện lợi; phát triển hệ thống giao thông tĩnh; kiểm soát sự gia tăng phương tiện cá nhân; giải quyết ùn tắc giao thông và bảo đảm trật tự an toàn giao thông đô thị. Tổng khối lượng vận chuyển hành khách toàn quốc khoảng 6,240 triệu hành khách. Theo quy hoạch của Chính phủ, tới năm 2025 các nhà sản suất trong nước phải đáp ứng được 92% nhu cầu ô tô khách với sản lượng 29102 chiếc. Ngoài ra, Chính phủ cũng đặt mục tiêu xuất khẩu ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, cụ thể đối với ô tô khách là 5000 chiếc vào năm 2020 và 10000 chiếc vào năm 2030. Các thống kê cũng cho thấy, khối lượng vận chuyển hành hóa và hành khách trên đường bộ tăng khá nhanh. Tốc độ 4
tăng trưởng bình quân về hàng hóa là 12,315 %/năm, về hành khách là 10,29%/năm. Tốc độ tăng trưởng của xe cơ giới là 24,26%/năm (theo thông tin trên website của Tổng cục Thống kê https://gso.gov.vn). So với các nước trong khu vực, cường độ vận tải hàng hóa trên đường bộ của Việt Nam đạt mức trung bình, nhưng vận tải hành khách đạt mức cao. Ngày nay, khi mạng lưới giao thông đường bộ phát triển mạnh, thuận tiện cho việc phát huy thế mạnh của ngành vận chuyển hành khách bằng phương tiện vận tải ô tô. Ở Việt Nam, những năm gần đây đã xây dựng và đưa vào sử dụng một số tuyến đường có chất lượng cao, đường cao tốc nối liền các tỉnh và thành phố, đây là điều kiện thuận lợi cho việc phát triển dịch vụ vận chuyển hành khách bằng phương tiện vận tải ô tô, đặc biệt là xe khách cỡ lớn. 1.1.2. An toàn trong chuyển động đối với xe khách cỡ lớn Theo Báo cáo Dữ liệu An toàn Xe buýt của Cơ quan Quản lý Giao thông Liên bang (FTA) tại Mỹ, số lượng các vụ tai nạn liên quan đến xe khách tăng liên tục từ năm 2008 đến năm 2016, năm 2017 và 2018 có sự giảm nhẹ. Trong năm 2018, có 15185 tai nạn liên quan đến xe khách làm 88 người tử vong, 16766 người thương vong [2]. Tại Việt Nam, trong 10 tháng đầu năm 2022 có 5 vụ tai nạn kinh hoàng liên quan đến xe khách, trong đó 12 người tử vong, 41 người thương vong [3]. Tai nạn giao thông luôn là vấn đề gây nhức nhối với xã hội. Tại Việt Nam, số lượng phương tiện giao thông tăng lên đánh kể, trong đó có các phương tiện vận chuyển hành khách như xe khách cỡ lớn. Có hai nguyên nhân chính gây ra tai nạn là nguyên nhân chủ quan và nguyên nhân khách quan như được minh họa trên hình 1.1. Nguyên nhân chủ quan phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố người lái như kinh nghiệm, tâm lý, sức khỏe…Nguyên nhân khách quan phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu của xe, chất lượng cơ sở hạ tầng, các điều kiện thời tiết, môi trường. Hình 1. 1. Các nguyên nhân gây mất ổn định xe khách cỡ lớn 5