TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 313
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ
TRÊN MỘT SỐ ĐƯỜNG GIAO THÔNG ĐẶC TRƯNG Ở VIỆT NAM
EXPERIMENTAL STUDY OF THE LANE CHANGING PROCESS OF CARS
ON SOME CHARACTERISTIC TRAFFIC ROADS IN VIETNAM
Nguyễn Lộc Đức1, Nguyễn Trung Học1, Bùi Như Hùng1,
Khuất Trung Đức1, Nguyễn Hữu Mạnh2, Phạm Việt Thành3
1Lớp KTOT 03 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2 Lớp KTOT 07 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: phamvietthanh28021980@gmail.com.vn
TÓM TẮT
Khi tham gia giao thông trên đường bộ, việc ô tô chuyển làn là điều tất yếu xảy ra. Chuyển làn để vượt xe khác, để
tránh chướng ngại vật hay để vào làn rẽ. Tuy nhiên chúng ta không thể chuyển làn tùy theo ý thích mà phải đảm bảo sự an
toàn cho chính bản thân và các phương tiện xung quanh, đồng thời yêu cầu hệ thống lái hoạt động một cách chính xác. Hệ
thống lái là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong ô tô. Nó có chức năng duy trì hoặc thay đổi hướng chuyển động khi
cần thiết của ô tô. Để có thể đánh giá được chất lượng động học của hệ thống lái trong quá trình chuyển làn ở một số tuyến
đường thực tế đặc trưng. Chúng ta tiến hành đo một các thông số của hệ thống lái khi xe vận hành trên một số loại đường
khác nhau: Mô men vành lái Tvl (kg.f.m); Góc quay vành tay lái 0 (độ); Vận tốc quay vành tay lái (độ/s). Nghiên cứu
sử dụng bộ đo ghi dữ liệu DAQ và phần mềm CarLab TestDAQ 1,1.
Từ khóa: Hệ thống lái, quá trình chuyển làn, Toyota Vios, thí nghiệm.
ABSTRACT
When participating in traffic on the road, cars changing lanes is inevitable. Change lanes to pass another vehicle, to
avoid obstacles or to enter a turning lane. However, we cannot change lanes at will, we must ensure safety for ourselves
and surrounding vehicles, and require the steering system to operate correctly. The steering system is an indispensable and
important part in a car. It has the function of maintaining or changing the car's direction of motion when necessary. To be
able to evaluate the dynamic quality of the steering system during lane changes on some typical real roads. We measure
the parameters of the steering system when the vehicle operates on a number of different types of roads: Steering rim
moment Tvl (kg.f.m); Steering wheel rotation angle 0 (degree); Steering wheel rotation speed (deg/s). The study used
the DAQ data logger and CarLab TestDAQ 1.1 software.
Keywords: Steering, lane changes, Toyota Vios, study.
1. GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây nền công nghiệp ô tô Việt
Nam đang và sẽ trở thành một trong những ngành công
nghiệp trọng điểm. Tuy nhiên, hiện tại ngành Ô tô Việt Nam
mới đang ở giai đoạn đầu của chu kỳ phát triển. Ngành có
đóng góp lớn vào nền kinh tế. Để có những chiếc xe vận
hành êm ái an toàn trên đường thì yêu cầu phải có những
thông số lý thuyết và những thí nghiệm chính xác để đi đến
sản xuất hàng loạt. Các nghiên cứu về thí nghiệm ô tô trong
nước là một lĩnh vực chuyên sâu đòi hỏi kiến thức chuyên
ngành và kiến thức thực tế. Trong sản xuất, thí nghiệm ô tô
là bắt buộc và được đầu tư số các trang thiết bị cùng các kỹ
thuật viên có kinh nghiệm và chuyên môn sâu để hình thành
các trạm (Trạm Đăng kiểm) hoặc thử nghiệm (Trung tâm
thử nghiệm xe cơ giới thuộc Cục Đăng kiểm Việt Nam hoặc
các dây chuyền kiểm tra trong nhà máy lắp ráp ô tô).
Các nghiên cứu chuyên sâu về thí nghiệm ô tô thường rất
ít được công bố vì hầu hết các nghiên cứu này đi cùng với
nghiên cứu lý thuyết để so sánh kết quả. Vì vậy các công bố
kết quả thí nghiệm thường đi cùng với nghiên cứu lý thuyết.
Nhằm tăng cường hiệu quả của việc sử dụng thiết bị thí
nghiệm, nhóm đã tiến hành làm đề tài thực hiện thực nghiệm
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 314quá trình chuyển làn của ô tô trên một số đường giao thông đặc
trưng ở Việt Nam.
2. CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU
2.1. Đặt vấn đề chung về chuyển làn đường
Khi di chuyển trên đường, không phải lúc nào ô tô cũng
tham gia chuyển động thẳng. Tùy theo điều kiện đường xá
và tình huống trên đường mà ô tô phải thay đổi quỹ đạo
chuyển động giữa các làn đường khác nhau, ta gọi đó là
trạng thái chuyển làn đường. Khi chuyển làn, quỹ đạo ô tô
sẽ chuyển từ đường thẳng sang đường cong và do đó xuất
hiện vận tốc và gia tốc góc… Khi đó, sẽ phát sinh các lực
ngang, các lực và mô men quán tính… Khi xe chuyển làn,
lực ngang tác dụng vào bánh xe nhỏ (ví dụ chuyển làn ở
vận tốc xe thấp, lực quán tính li tâm nhỏ) biến dạng của
lốp theo phương ngang nhỏ, có thể bỏ qua. Ngược lại lực
ngang lớn khi chuyển làn ở vận tốc cao, biến dạng của lốp
theo phương ngang lớn, ảnh hưởng nhiều đến quỹ đạo
chuyển động của xe.
Trong nội dung nghiên cứu này, khi xe chuyển làn dẫn
đến thay đổi quỹ đạo chuyển động. Hệ thống lái chính là
yếu tố trực tiếp tham gia vào quá trình thay đổi quỹ đạo
chuyển động này.
Việc nghiên cứu các thông số trên vành tay lái như
mômen quay vành tay lái (Tvl), góc quay vành tay lái ()
và vận tốc quay vành tay lái (ω) để xem xét mối quan hệ
giữa các thông số trên vành tay lái có ảnh hưởng như thế
nào tới góc quay (δ) của bánh xe dẫn hướng, quỹ đạo
chuyển động của ô tô trên các loại đường đặc trưng riêng.
Mối quan hệ giữa người lái xe - hệ thống lái - xe ô tô
được trình bày trên hình 1. Với mỗi thông số đầu vào của
người lái xe xác lập một hàm mục tiêu Yr thông qua người
lái xe (kỹ năng, tính năng, phong tục tập quán, ...) tác động
lên hệ thống lái với các thông số kỹ thuật được xây dựng
bởi nhà chế tạo (hệ thống lái cơ khí, hệ thống lái trợ lực, lái
bánh xe phía trước, lái bánh xe phía sau, ...) sẽ điều khiển
hướng đi của xe theo ý muốn (cũng phụ thuộc vào thông số
kỹ thuật của hệ thống treo: góc đặt bánh xe, kiểu lốp, ...).
Cuối cùng ta nhận được kết quả Y là đặc tính lái của hệ
thống lái trên xe ôtô.
Hình 1. Sơ đồ mô tả mối quan hệ người - hệ thống lái - xe ôtô
Trong quan hệ trên:
-góc quay vành tay lái, δ-góc quay bánh xe dẫn
hướng, Tvl - mômen quay vành tay lái, Ttđ - mômen trụ
đứng. Khi người lái xe tác động lên hệ thống lái một lực
thông qua hai thông số góc quay vành tay lái () và mômen
quay vành tay lái (Tvl), hệ thống lái tác động lên xe một
mômen (Ttđ) tại trục đứng làm bánh xe quay đi một góc (δ).
2.2. Giới thiệu chung về thí nghiệm ô tô
Thí nghiệm ô tô (TNOTO) là những công việc thực hiện
trên đối tượng ô tô, bằng những phương pháp công nghệ với
sự trợ giúp của những công cụ, thiết bị chuyên môn nhằm
xác định những thông số kỹ thuật của ô tô, để so sánh với
các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn nhằm đánh giá khả năng
phục vụ của toàn bộ ô tô hoặc các tổng thành, chi tiết trong
hoạt động của ô tô.
Những nội dung thí nghiệm ô tô cần quan tâm đến là:
– Các thông số kỹ thuật cần thí nghiệm xác định
– Lý thuyết về thông số kỹ thuật và phương pháp đo
lường thông số đó
– Dụng cụ thiết bị thí nghiệm;
– Quy trình thí nghiệm và xử lý kết quả;
Các thông số thí nghiệm ô tô được so sánh với các thông
số tiêu chuẩn để đánh giá các tính năng kỹ thuật đó của ô tô
2.3. Điều kiện đường giao thông thực tế tại Việt Nam và
một số đường đặc trưng
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển kinh
tế thì hạ tầng đường bộ ở Việt Nam cũng có những sự phát
triển đáng kể, đa dạng và phong phú, phản ánh sự phát triển
kinh tế - xã hội và điều kiện địa lý của từng khu vực. Mỗi
loại đường có những đặc điểm và vai trò riêng, đóng góp
vào việc kết nối các vùng, thúc đẩy phát triển kinh tế và cải
thiện đời sống người dân. Điều kiện đường giao thông tại
Việt Nam phản ánh một bức tranh phức tạp và đa dạng, chịu
ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố từ cơ sở hạ tầng, mật độ phương
tiện đến thời tiết và ý thức của người tham gia giao thông.
- Đường quốc lộ:
Đường quốc lộ (QL) là những tuyến đường quan trọng
kết nối các vùng miền trên cả nước, được quản lý bởi Bộ
Giao thông Vận tải. Các tuyến đường này có vai trò chiến
lược trong phát triển kinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng.
Đường quốc lộ là mạng lưới giao thông chính tại Việt Nam,
đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các tỉnh, thành
phố, và khu vực kinh tế trọng điểm.
Các tuyến đường quốc lộ tiêu biểu: Quốc lộ 1A, quốc lộ
5, quốc lộ 14,..
Đặc điểm:
– Đường quốc lộ thường có từ 2 đến 6 làn xe, với chiều
rộng mỗi làn khoảng 3,5m. Một số đoạn đường được mở
rộng để đáp ứng nhu cầu giao thông ngày càng tăng.
– Phần lớn các quốc lộ được trải nhựa hoặc bê tông, đảm
bảo độ bền và khả năng chịu tải cao. Tuy nhiên, chất lượng
bề mặt có thể khác nhau tùy vào mức độ sử dụng và bảo trì.
– Tốc độ cho phép với ô tô từ 40 km/h đến 60 km/h.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 315
Hình 2. Quốc lộ 5
- Đường nội đô:
Đường nội đô tại Hà Nội là những tuyến đường nằm
trong trung tâm thành phố, có vai trò quan trọng trong việc
kết nối các khu vực dân cư, kinh doanh, và văn hóa.
Các đường nội đô ở Hà Nội thường có mật độ cao, với
hệ thống đường giao nhau phức tạp và mạng lưới đường
phụ phong phú
Đặc điểm:
– Đa phần khá nhỏ bé, chật chội
– Có mật độ giao thông thường xuyên đông đúc, thường
xảy ra ùn tắc vào các giờ cao điểm hay các dịp lễ
– Thường là đường hai chiều hẹp, di chuyển khá chậm
Ngoài ra, hệ thống đường giao thông ở Việt Nam còn có
các tuyến đường huyện, xã đang dần được nâng cấp và đồng
bộ.
Hình 3. Đường nội đô
3. THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH CHUYỂN LÀN
3.1. Phương tiện thí nghiệm: Toyota Vios 2005
Hình 4. Toyota Vios 2005
3.2. Thiết bị thí nghiệm
- Vô lăng đo vành tay lái
Hình 5. Vô lăng đo vành tay lái
- Màn hình hiển thị TA-382AS
Hình 6. Màn hình hiển thị
- Bộ cảm biến TR6020DEC-P
Hình 7. Bộ cảm biến TR6020DEC-P
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 316- Bộ chuyển đổi tín hiệu DAQ
Hình 8. Bộ chuyển đổi tín hiệu
Tính năng: Đo được 16 kênh tín hiệu.
- Bộ chuyển đổi nguồn điện 12V – 220V
Hình 9. Bộ chuyển đổi nguồn điện
- Cáp điện 12V
Hình 10. Cáp điện 12V
Tác dụng: Nối điện 12V từ bình acquy của xe tới màn
hình hiển thị TA-382AS
- Cáp tín hiệu:
Hình 11. Dây cáp tín hiệu
- Máy tính Laptop:
Hình 12. Laptop
3.3. Sơ đồ thí nghiệm
Máy tính Laptop được cung cấp nguồn điện 12V DC (bộ
kích 12V lên 220V). Máy tính làm nhiệm vụ nhận và xử lý
dữ liệu đo, máy tính nhận tín hiệu từ cổng PC COM-port
của bộ thu thập tín hiệu CARTEST DAQ.
Bộ thu thập tín hiệu CARTEST DAQ nhận tín hiệu từ
cảm biến lắp trên vành tay lái (TR6020DEC - P) được cung
cấp điện 12V DC trực tiếp từ ắc qui của xe thí nghiệm. Cảm
biến này cho ra hai loại tín hiệu dạng điện áp một chiều: (1)
tín hiệu đưa ra màn hình hiển thị số TA-382AS, (2) tín hiệu
đưa vào bộ thu thập tín hiệu CARTEST DAQ từ đó tín hiệu
được chuyển đến máy tính để đưa ra kết quả.
Cảm biến TR6020DEC-P lắp trên vành lái và màn hình
hiển thị số TA-382AS được cung cấp điện 12V DC trực tiếp
từ ắc qui của xe thí nghiệm
Hình 13. Sơ đồ thí nghiệm
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 3173.4. Lộ trình thí nghiệm
Trong phạm vi của nội dung thí nghiệm, do còn hạn chế
về trang thiết bị phương tiện nên nhóm thí nghiệm đi theo
một lộ trình khép kín, qua những tuyến đường mang đặc
điểm nổii bật của hai loại hình đường chính là: Đường quốc
lộ và đường nội đô thị.
Lộ trình di chuyển:
Điểm xuất phát (Hồ Yên Sở) – Đường Tam Trinh – Cầu
Mai Động – Đường Minh Khai – Đường Giải Phóng – Phố
Kim Đồng – đường bờ sông Sét – điểm kết thúc (Hồ Yên
Sở).
- Thời gian thực hiện: 16h – 17h ngày 22/04/2024
3.5. Đồ thị số liệu thu được: Các đồ thị về momen, góc
quay, tốc độ quay vành lái
Trong điều kiện và phạm vi nghiên cứu mà nhóm đã làm
được, chúng ta thu về được số liệu và đồ thị tương ứng của
hai loại đường đặc trưng là: Đường quốc lộ (đoạn Minh
Khai – Giải Phóng mang những đặc điểm đại diện) và
đường nội đô đoạn Tam Trinh, đường bờ sông Sét mang
những đặc điểm đại diện. Trên những đoạn đường này, xe
thực hiện các lần chuyển làn phù hợp, cho ra những số liệu
và kết quả như bên dưới:
- Đường quốc lộ:
Hình 14. Đồ thị sự thay đổi góc quay lái khi chuyển làn trên quốc
lộ
Hình 15. Đồ thị sự thay đổi tốc độ đánh lái khi chuyển làn trên
quốc lộ
Hình 16. Đồ thị sự thay đổi momen lái khi chuyển làn trên quốc
lộ
Nhận xét:
- Ta nhận thấy khi xe chạy trên đường quốc lộ thì vì chạy
ở dải tốc độ cao (dao động 45km/h đến 50km/h), thời gian
chuyển làn ngắn diễn ra ngắn (trong khoảng 2,2 giây), sự
chuyển làn diễn ra nhanh, dứt khoát.
- Giá trị điện áp góc quay thay đổi đến giá trị lớn nhất
(0,81V) trong khoảng thời gian 1,5 s đầu. Đây là khoảng
thời gian người lái thao tác đánh lái với góc quay lớn để đổi
hướng chuyển động của xe sang làn bên cạnh, đồng thời
thực hiện trả lái khi xe đã chuyển làn xong, kết thúc quá
trình chuyển làn (trong khoảng thời gian 2,2s). Khi xe đã
thẳng trên làn đường mới, đồ thị điện áp góc quay dao động
theo dạng hình sine quanh mức điện áp 0
- Đồ thị điện áp tốc độ đánh lái biểu hiện tăng lên cao
trong quá trình xe bắt đầu chuyển làn, và có xu hướng giảm
xuống và dao động đều khi xe đã chuyển động thẳng lại trên
làn đường mới
- Giá trị điện áp momen lái thể hiện sự tăng giảm liên
tục trong quá trình đánh lái và trả lái khi chuyển làn và cũng
có xu hướng có giá trị dao động đều khi xe đã chuyển làn
xong, chạy ổn định trên làn đường mới. Ngoài ra, giá trị này
có thể còn phụ thuộc vào khả năng thao tác từ chính người
lái mang lại khi chuyển làn thực tế.
Đường nội đô:
Hình 17. Đồ thị sự thay đổi góc quay lái khi chuyển làn trên
đường nội đô