đề tài Khảo sát ngưỡng ổn định lật ngang của ô tô chở chất lỏng

KHOA CƠ KHÍBỘ MÔN CƠ KHÍ Ô TÔ

TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2024

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sựgiúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy, cô và bạnbè.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy – PGS.TS Trần văn Như,giảng viên bộ môn Cơ Khí Ô Tô trường Đại học Giao Thông Vận Tải vàthầy – Th.S Nguyễn Xuân Ngọc giảng viên trường Đại Học CôngNghiệp Hồ Chí Minh đã tận tình trong suốt quá trình làm đồ án tốtnghiệp.

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong trường Đạihọc Giao Thông Vận Tải và Phân Hiệu trường Đại học Giao ThôngVận Tải nói chung, các thầy, cô trong Khoa Cơ khí nói riêng đã dạydỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các mônchuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạođiều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạođiều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình làmđồ án tốt nghiệp.

TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2024Sinh viên thực hiện

Phan Ngọc Diện

1.2.1 Các yếu tố kết cấu của xe chở chất lỏng 3

1.2.2 Các yếu tố hình học của đường ô tô 6

1.2.3 Yếu tố thời tiết 6

1.3 Các thống số đánh giá ổn định lật ngang của ô tô 6

1.3.1 Hệ số ổn định tĩnh (SSF – Static Stability Factor) 6

1.3.2 Ngưỡng lật ngang tĩnh(SRT) 8

1.3.3 Năng lượng dự trữ chống lật 10

1.3.4 Hệ số phân bố tải trọng (Load Transfer Ratio) 11

1.3.5 Lực ngang riêng giới hạn ( gh ) 11

1.4 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 12

1.5 Đối tượng, mục tiêu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 16

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 16

1.5.2 Mục tiêu nghiên cứu 16

1.5.3 Phạm vi nghiên cứu 16

1.5.4 Phương pháp nghiên cứu 16

1.6 Kết luận chương 16

2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình 18

2.2.1 Các giả thiết xây dựng mô hình 18

2.2.2 Xây dựng mô hình ổn định lật ngang động của ô tô trênmột trục khi chưa có chất lỏng 20

2.2.3 Xây dựng mô hình ổn định lật ngang động của ô tô trênmột trục khi có chất lỏng 26

2.3 Xác định các thông số ổn định lật ngang của ô tô trên mộttrục 40

2.4 Kết luận chương 41

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 42

3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm matlab/simulink 42

3.1.1 Khái quát chung về MATLAB 42

3.1.2 Giới thiệu về Simulink 45

3.1.3 Mô hình mô phỏng ổn định lật ngang của ô tô trên phầnmềm Matlab/Simulink 47

3.2 Đối tượng, mục tiêu và các trường hợp khảo sát 49

3.2.1 Đối tượng khảo sát 49

3.2.2 Mục tiêu khảo sát và các trường hợp khảo sát 50

3.3 Mô phỏng động lực học ổn định lật ngang của ô tô chữa cháy 51

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

1 Kết luận 57

2 Kiến nghị 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Hình 1.1: Hệ thống treo nhíp sau của xe xitec 4

Hình 1.2: Thanh cân bằng trên trục trước (a) và trục sau (b) 5

Hình 1.3: Sơ đồ ổn định ngang của ô tô 7

Hình 1.4: Quan hệ giữa SSF và xác suất xảy ra tai nạn lật xe 8

Hình 1.5: Sơ đồ bàn thử lật ngang 8

Hình 1.6: Một số thiết bị bàn thử lật nghiêng trên thế giới 9

Hình 1.7 : Mô hình lật ngang của một vật 10

Hình 1.8: Đồ thị dấu hiệu lật ngang theo góc lắc ngang 12

Hình 1.9: Đồ thị khảo sát độ ổn định lật ngang 13

Hình 1.10: Tỷ số truyền tải (LTR) khi xe quay vòng ổn định 14

Hình 1.11: Tỷ số truyền (LTR) và góc nghiêng hệ thống treo của xe bồn chở chấtlỏng khi chuyển làn 14

Hình 1.12: Biểu đồ của các xe khảo sát khi xe ở trạng thái 80% tải quay vòng ổnđịnh 15

Hình 2.1: Mô hình động lực học dao động lắc ngang của ô tô trên một trục khichưa có chất lỏng trong xitec 20

Hình 2.2: Sơ đồ hóa mô hình động lực học dao động lắc ngang của ô tô trên trụckhi chưa có chất lỏng trong xitec 22

Hình 2.3: Sơ đồ kết cấu của xitec khi có chất lỏng 26

Hình 2.4: Sơ đồ xác định trọng tâm hình quạt 27

Hình 2.8: Hệ dao động gồm khối lượng – lò xo – giảm chấn 32

Hình 2.9: Sơ đồ chuyển động của chất lỏng được thay thế bằng chuyển động củacon lắc đơn trong xi téc hình tròn 32

Hình 2.10: Sơ đồ hóa mô hình động lực học bao gồm dao động lắc ngang của ô

tô trên trục khi có chất lỏng trong xitec 36

Hình 3.1: Logo khởi động matlab 44

Hình 3.2: Màn hình khi khởi động MATLAB 45

Hình 3.3: Các khối trong Simulink 46

Hình 3.4: Mô hình mô phỏng dao động lắc ngang bằng Matlab/Simulink 48

Hình 3.5: Xe chữa cháy được chọn khảo sát (Renault Saurus) 49

Hình 3.6: Góc lật hệ thống treo trong các trường hợp chiều cao mực chất lỏngtrong xitec khác nhau 52

Hình 3.7: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi góc dao động của tâm khối chất lỏng 53

Hình 3.8: Biểu đồ tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bang xe bên trái (a) và bênphải (b) 54

Hình 3.9: Biểu đồ thay đổi của thông số đánh giá độ ổn định lật trong trường hợpchiều cao của các mực chất lỏng khác nhau trong xitec 54

Hình 3.10: Biểu đồ sự thay đổi lực ngang riêng giới hạn lật theo chiều cao tảitrọng trong xitec (µ tăng dần) 55

Bảng 3-1 Thông số kỹ thuật của xe khảo sát 49Bảng 3-2 Thống kê các trường hợp khảo sát 51

TT Thông sốKýhiệu

trung của hệ thống treo bên trái, phải

21 Độ cao mấp mô mặt đường bên bánh xebên phải

PHẦN MỞ ĐẦU1 Tính cấp thiết của đề tài

Tính ổn định lật ngang của ô tô là một trong các tính chất an toàn

Đặc biệt đối với ô tô chở chất lỏng, tính ổn định lật ngang thườngkém hơn so với ô tô chở chất rắn Đối với xe chở chất lỏng thường tảitrọng nặng thường xuyên, cũng như các xe chở chất lỏng thường làcác chất lỏng mang tính độc hại hay mang tính dễ bốc cháy nhưxăng, dầu, Hơn nữa, sự dịch chuyển của chất lỏng trong quá trìnhvận chuyển làm khuyếch đại khả năng mất ổn định lật ngang khi dichuyển Do đó, khi di chuyển trên đường ở tốc độ cao, cũng nhưtránh né các tình huống bất ngờ có thể xảy ra trong khi tham giagiao thông làm phần chất lỏng bên trong bồn chứa dịch chuyển, làmthay đổi trọng tâm xe và gây lật ngang Nguyên nhân sơ bộ của hiệntượng lật ngang được xác định là do thay đổi tọa độ trọng tâm củakhối chất lỏng trong bồn chứa và sự thay đổi hướng đột ngột khi ởvận tốc cao Đề tài: “ Khảo sát ngưỡng ổn định lật ngang của ô tô chở chất lỏng’’có ý nghĩa quan trọng trong việc thiets kế chế tạo, khai thác và sửdụng ô tô chở chất lỏng an toàn.

2 Đối tượng nghiên cứu

Xe chữa cháy RENAULT-Saurus là đối tượng nghiên cứu.

3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình trong mặt phẳng ngang trên 1 trục.

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu ảnh hưởng của mực chất lỏng đến ổn định lật ngangcủa ô tô chưa cháy.Từ đó có thể cải thiện về mặt kết cấu, nghiên cứucác hệ thống điều khiển ổn định ngang ô tô chữa cháy để đưa ra điềukiện giới hạn trong khai thác.

5 Phương pháp nghiên cứu.

Lý thuyết và mô phỏng, tính toán trên máy tính.

6 Kết cấu luận văn

Ngoài phần mở đầu và tài liệu tham khảo luận văn kết cấu gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về ô tô chở chất lỏngChương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Khảo sát và phân tích kết quảChương 4: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ CHỞ CHẤT LỎNG1.1 Tổng quan về ô tô chở chất lỏng

Ô tô chở chất lỏng hay còn gọi là xe bồn hay xe xitec là loại xe có kíchthước lớn, động cơ mạnh mẽ Đặc biệt, điểm nhận dạng đặc trưng của loại xe này làbồn chuyên dụng ở thân xe Ở phần bồn này thường được thiết kế để chở các loại chấtlỏng hoặc nguyên liệu đặc trưng Hiện nay, dòng xe này khá phổ biến trong đời sốnghiện nay Ô tô chở chất lỏng chỉ chở được một vài loại hàng hóa như các loại chấtlỏng, khí hóa lỏng vì tính năng chuyên dụng của mình.

Bên cạnh đó, xe xitec được phân thành nhiều loại khác nhau Mỗi loại đều có côngdụng, tính năng, mẫu mã khác biệt Nhà sản xuất nắm bắt được nhu cầu của doanhnghiệp, nên xe xitec cũng được phát triển ngày càng đa dạng hơn Xe thường chở cácnhiên liệu như xăng, dầu, hóa chất hoặc chất lỏng dễ cháy Do đó, trong quá trình sảnxuất phải thật nghiêm ngặt, sử dụng công nghệ hiện đại, khép kín Nhằm đảm bảo antoàn cho người sử dụng, chất lượng tối ưu của hàng hóa.

Ô tô chở chất lỏng là loại phương tiện dùng để vận chuyển các loại hàng hóa sauđây không có bao bì:

Sản phẩm dầu mỏ (xăng, dầu, )

Hóa chất (axit, các sản phẩm dung dịch tổng hợp, )Thực phẩm (sữa, bia, rượu, nước ngọt, )

Khí nén và khí hóa lỏng (butan, metan, )Hỗn hợp ướt (bê tông tươi, nhựa trải đường, )Chất bột (xi măng, bột mì, vôi bột, )

Các chất lỏng khác (nước, chất bột chữa cháy, )

Một số chất trên đa số thuộc loại hàng nguy hiểm (dễ cháy, nổ) và độc hại, dễ mấtphẩm chất của hàng hóa, buộc phải có các phương pháp bảo quản đặc biệt trong quátrình vận chuyển.

* Phân loại ô tô chở chất lỏng

- Theo khung cơ sở có lắp xitec: ô tô xitec, rơmooc xitec, sơmi rơ moóc xitec, - Theo mục đích sử dụng: dùng để vận chuyển (ôtô xitec), dùng để vận chuyển vàcấp phát (ô tô xitec cấp phát)

- Theo áp suất trong xitec: xitec có áp suất dư, xitec không có áp suất dư

- Theo hình dạng xitec: xitec tròn, xitec hình hộp, xitec hình elip,…

- Theo vật liệu chế tạo xitec: xitec kim loại (thép, hợp kim nhôm, …), xitec phi kimloại (nhựa, chất dẻo,…)

- Theo tính chất nhiệt: xitec có nhiệt độ bình thường, xitec giữ nhiệt,xitec hâmnóng,…

- Theo phương pháp dỡ hàng: hàng tự dỡ, dùng áp suất đẩy hoặc hút hàng,…

* Một số yêu cầu cơ bản của ô tô chở chất lỏng

Trong thiết kế ô tô xitec cần chú ý các nhân tố sau:

Tính chất lý hóa của hàng hóa vận chuyển, mức độ độc hại, nguy hiểm và trọnglượng riêng của chúng (ảnh hưởng tới tải trọng của xe)

Điều kiện vận chuyển (đường xá, bảo quản hàng,…) Đối vớ ô tô xitec cần phải đảmbảo các yêu cầu sau:

Xitec phải đảm bảo đủ bền và đáng tin cậy: xitec có tiết diện tròn bền hơn loại elip.Loại elip có độ bền cao hơn hình thang

Ô tô xitec chở hàng dễ cháy, nổ phải có các trang bị an toàn như: bình chữa cháy (2bình đặt ngoài cabin lái), có xích sắt tiếp đất, ống xả phải đặt phía trước, hơi chúcxuống Nếu không gian quá chật hẹp không bố trí được thì cho phép quay xuôi theokhung xe nhưng phải các xa thùng nhiên li

Hạ thấp trọng tâm xe để nâng cao ổn định, hàng hóa trong xitec phải có vách ngănchắn sóng,…

Một số loại ô tô xitec phải có thiết bị vệ sinh như chất tẩy rửa hàng hóa sau khi hoànthành công tác vận tải

Ô tô xitec có tính chống ăn mòn hóa học cao: vật liêu sơn, vật liệu phủ bề mặt đặtbiệt,…

Có các trang bị đặt biệt đảm bảo hàng hóa không bị thay đổi tính chất trong quátrình vận chuyển

Một số nước có xu hướng chế tạo xitec bằng hợp kim nhôm để giảm tự trọng củaxe

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định lật ngang cua ô tôchở chất lỏng

1.2.1 Các yếu tố kết cấu của xe chở chất lỏng

1.2.1.1.Chiều cao trọng tâm

Chiều cao trọng tâm ảnh hưởng đến tính ổn định khi xe đứng yêntrên dốc, quay vòng, tăng tốc hay phanh ô tô Khi xe di chuyển vớivận tốc lớn mà phải xử lý các tình huống bất ngờ như vào cua, bẻngang, đột ngột rẽ gấp, để tránh chướng ngại vật, vật cản khi dichuyển trên đường có thể làm cho xe bị lật ngang Khi vào cua xechịu ảnh hưởng bởi 3 lực: lực quán tính (lực ly tâm), trọng lực và phảnlực từ mặt đường tác dụng lên lốp xe.

Mặt khác, đối với xe chở chất lỏng (loại có téc nước) Nếu xe xitecđược chưa đầy nước thì tọa độ trọng tâm của xe được đẩy lên caohơn so với khi xe xitec không chở Nếu trường hợp mà téc nướckhông được chở đầy thì không những việc trọng tâm của xe bị đẩylên cao, mà khối nước chứa trong xitec bị dao động liên tục trong khidi chuyển trên đường, làm cho tọa độ trọng tâm của xe liên tục thayđổi trong quá trình di chuyển gây mất ổn định lật ngang của xe Vìvậy, chiều cao trọng tâm của xe xitec càng cao thì làm cho mo mengây lật xe càng lớn và gây mất ổn định cho xe khi di chuyển mà phảichuyển hướng đột ngột để xử lý các tình huống có thể xả ra trênđường

1.2.1.2 Hệ thống treo

Hình 1.1: Hệ thống treo nhíp sau của xe xitec

Hệ thống treo của xe có nhiệm vụ nâng đỡ toàn bộ khối lượngthân xe cũng như khối lượng hàng hóa có trên xe( cụ thể là trọnglượng của khối nước có trên xe) Hệ thống treo phải bảo đảm có độcứng cao để giúp xe di chuyển ổn định, an toàn trên đường, cũngnhư hệ thống treo phải đảm bảo khả năng dập tắt dao động nhanhvà êm dịu để đảm bảo độ ổn định của xe

Khi xe đi vào đoạn đường xấu(có nhiều ổ gà, ổ voi) làm cho hệthống treo có độ biến dạng lớn làm tăng góc nghiêng thân xe Đểhạn chế điều này, trên các hệ thống treo thường được trang bị thêmcác thanh cân bằng, thanh chống lật, giúp các bánh xe bámđường đồng đều hơn, làm giảm nguy cơ lật xe khi vào cua gấp.

1.2.1.3 Thanh cân bằng

Khi ô tô chuyển động trên đường không bằng phẳng hoặc khiquay vòng, dưới tác dụng của lực quán tính(lực ly tâm), phản lựcthẳng đứng của mặt đường lên hai bánh xe trên cùng một cầu thayđổi, dẫn tới tăng độ nghiêng của xe gây lật gây mất ổn định lậtngang của xe Các bộ phận đàn hồi khi bị biến dạng ở hai bên khácnhau sẽ tác dụng lên xe một momen chống lật Momen chống lậttăng lên đảm bảo thân xe nghiêng nhỏ hơn và san đều tải trọngthẳng đứng ở bánh xe Thanh cân bằng đảm nhận chức năng này,làm việc nhờ khả năng có mô men chống xoắn lớn, khi nào có sựchênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên các bánh xe, nó giúp cânbằng lực giữa hai bánh xe giúp xe chuyển động ổn định hơn Trongtrường hợp bánh xe cân bằng, thanh ổn định ngang sẽ không làmviệc như chức năng của lò xo do thanh không bị xoắn.

Hình 1.2: Thanh cân bằng trên trục trước (a) và trục sau (b)

Thanh cân bằng hỗ trợ hệ thống treo hoạt động ổn định và an toànhơn, giảm thiểu tối đa các tình trạng lật xe hoặc văng bánh khi vàocua Mặt khác, thanh cân bằng ảnh hưởng đến độ êm dịu, nếu thanhcân bằng có độ cứng nhở làm tăng góc nghiêng than xe.

1.2.2 Các yếu tố hình học của đường ô tô

Các yếu tố hình học của mặt đường như độ nhám, độ dốc, bánkính vòng cua và độ nghiêng ngang mặt đường là các yếu tố ảnhhưởng đến độ ổn định lật ngang của ô tô Khi xe vào cua hoặc quayvòng lúc này lực quán tính, khi bán kính quay vòng (bán kính vòng

cua) giảm, làm lực quán tính tăng lên gây mất ổn định lật ngang củaô tô, đặc biệt là loại ô tô chở chất lỏng có chiều cao trọng tâm lớn,khối chất lỏng có thể di chuyển trong xitec gây thay đổi tọa độ trọngtâm của xe Vì vậy, khi xe đi vào đường cong, vào cua hay đổihướng đột ngột cần chú ý giảm tốc độ để đảm bảo an toàn.

1.2.3 Yếu tố thời tiết

Các yếu tố bất lợi của thời tiết cũng làm ảnh hưởng đến sự vậnhành ổn định của ô tô trên đường, thời tiết mưa làm đường trơn làmgiảm độ bám của lốp và mặt đường, độ mấp mô mặt đường, trời tối,sương mù làm giảm tầm nhìn, khả năng phản xạ của người lái Cácyếu tố trên cũng góp phần làm giảm độ ổn định khi xe vận hànhtrên đường, những yếu tố này cũng được kể tới trong nghiên cứu độổn định lật ngang của ô tô.

1.3 Các thống số đánh giá ổn định lật ngang của ô tô

Khi cho ô tô quay vòng, độ bám đường của lốp xe đảm bảo xe đitheo quỹ đạo mong muốn của người lái Nếu đường trơn do trời mưahay đường có độ nhám thấp thì xe dễ bị trượt ngang Nếu trườnghợp đường có độ nhám cao và xe có chiều cao trọng tâm lớn sẽ làmcho lực quán tính của xe được tăng lên, tỷ lệ thuận với bình phươngvận tốc với khối lượng của xe và tỷ lệ nghịch với bán kính quayvòng Khi ô tô trong trạng thái quay vòng mà lực quán tính đượcsinh ra quá lớn gây mất ổn định lật ngang của xe Xe có chiều caotrọng tâm và tải trọng càng lớn thì khả năng bị lật ngang khi quayvòng càng cao.

1.3.1 Hệ số ổn định tĩnh (SSF – Static Stability Factor)

Tính ổn định ngang tĩnh là một tính chất tương đối quan trọng vàđược sử dụng nhiều để đánh giá ổn định ngang của ô tô bởi tínhtoán đơn giản Trong trường hợp khảo sát tính ổn định tĩnh của ô tô,ta coi hệ thống treo và lốp cứng tuyệt đối

Xét ổn định ngang tĩnh của ô tô (Hình 1.3), lực ngang PY tác dụngvào trọng tâm gây trượt và lật đổ

Hình 1.3: Sơ đồ ổn định ngang của ô tô

Để đánh giá tính ổn định chống lật của ô tô người ta sử dụngHệ số ổn định tĩnh (SSF – Static Stability Factor) và phân loại ôtô theo tính ổn định tĩnh:

2 g

(1.1) Trong đó: B – Chiều rộng vết bánh xe; hg – Chiều cao trọng

tâm của xe Chỉ số SSF chưa xét đến các yếu tố động và sự

biến dạng của hệ thống treo

NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) dựa

vào SSF để phân loại an toàn ổn định lật của ô tô theo 5 cấp

Mối quan hệ giữa xác suất lật xe trên một tai nạn phụ thuộc vàoSSF thể hiện trên hình 1.4

Hình 1.4: Quan hệ giữa SSF và xác suất xảy ra tai nạn lật xe

Trên Hình 1.4, ta thấy xác suất xảy ra lật xe đối với ô tô có chỉ số

SSF cấp 1 lớn hơn 40% tương ứng với chỉ số SSF = 1 - 1.04, từ 30%

đến 40% (SSF = 1.04 - 1.12), từ 20% đến 30% (SSF = 1.12 - 1.24),từ 10% đến 30% (SSF = 1.24 - 1.45) và nhỏ hơn 10% đối với ô tô cóSSF = 1.45

1.3.2 Ngưỡng lật ngang tĩnh(SRT)

Hình 1.5: Sơ đồ bàn thử lật ngang

Các nghiên cứu ổn định lật ngang tĩnh thường dùng bàn thửnghiêng ngang( Tilt Table Test) để xác định các tiêu chí ổn địnhngang tĩnh Bàn thử nghiêng ngang bao gồm một mặt sàn có gắncảm biến đo góc nghiêng, thanh chống trượt ngang giúp xe không bịtrượt trong quá trình thí nghiệm diễn ra Một cảm biến được gắntrên xe để đó góc lật ngang, một cảm biến gắn phía dưới lốp xe đểxác định điều kiện tách bánh.

Kết quả của thí nghiệm là góc lật ngang tĩnh β (được xác địnhthông qua trạng thái tách bánh nhờ cảm biến đặt dưới sàn) Để cảmbiến tiếp xúc với bánh xe trong quá trình thí nghiệm thì xe phải đượcchặn ngang để xe không bị trượt Từ đó tính được hệ số TTR (TiltTable Ratio) theo công thức:

(1.2)Trong đó: m – là khối lượng toàn bộ xe thí nghiệm, g – là gia tốctrọng trường.

Hình 1.6: Một số thiết bị bàn thử lật nghiêng trên thế giới

Góc nghiêng ngang là một trong những thông số quan trọng đánhgiá sự mất ổn định ngang của ô tô Góc nghiêng ngang càng lớn thìkhả năng ổn định lắc càng cao Ngày nay, phương pháp thử nghiêngngang được ứng dụng nhiều trong các trung tâm kiểm định an toàn,cũng như là các hãng xe.

Ngưỡng lật ngang tĩnh SRT(Static Roll Threshold) là giá trị lớn nhấtcủa gia tốc ngang khi xe quay vòng mà còn ổn định được xác địnhbởi công thức sau:

1.3.3 Năng lượng dự trữ chống lật

Hình 1.7 : Mô hình lật ngang của một vật

Khi đánh giá độ ổn định lật của xe cần 3 thông số động lực họcnhư hình 1.7, với quy ước toàn bộ khối lượng của vật được quy vềtrọng tâm vật cách mặt đất một khoảng h khi vật bị quay quanhmột điểm được gọi là tâm lật R Trong trường hợp vật đang chịu giatốc quán tính ngang ay và bị lắc một góc β Ngoài ra, vật có liên kếtđàn hồi với phần phía dưới, quy đổi liên kết đàn hồi này thành hệ sốđộ cứng Cβ Thế năng của vật khi lật ngang được tính như sau:

(1.5)Hàm RPER (Rollover Prevention Energy Reserve) là một hàm dựatrên sự cân bằng thế năng Ucrit và động năng Tk được biểu diễn nhưsau:

Hệ số chống lật RPM (Rollover Prevention Metric) bị phụ thuộc vàohệ số SSF, khối lượng xe m và mô men quán tính Jx được biểu diễnthông qua công thức sau:

Jm SSF

 

1.3.4 Hệ số phân bố tải trọng (Load Transfer Ratio)

Trong thực tế vận hành xe hiện tượng lật ngang xe diễn ra rấtnhanh khi xe vào cua hay quay vòng, dấu hiệu rõ ràng nhất cho thấysự mất ổn định lật ngang là hiện tượng tách bánh xe ra khỏi mặtđường.

Để đánh giá sự tách bánh trên một cầu của xe thứ i người ta sửdụng công thức LTRi và được biểu diễn như sau:

Trong nghiên cứu xe đơn cầu có sử dụng hệ số LTR để xác địnhtrạng thái mất ổn định lật ngang (khi gộp nhiều cầu thành 1 cầutương ứng với mô hình lắc ngang ½), hệ số LTR được tính như sau:

2121

Lực ngang riêng là lực ngang trên một đơn vị trong lượng của ô tô

1.4 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước

Ổn định lật ngang của ô tô là một vấn đề được các nhà nghiêncứu trong nước và ngoài nước quan tâm Các hướng nghiên cứuchính: tính ổn định lật ngang của ô tô khi quay vòng; tính ổn định lậtngang của ô tô khi tránh vật cản, khi chuyển làn; ảnh hưởng củamực chất lỏng đối với chuyển động của xe;

* Công trình “Nghiên cứu khảo sát ngưỡng mất ổn định lậtngang của xe khách” của các tác giả Tạ tuấn Hưng, DươngNgọc Khánh [6]

Trong công trình nghiên cứu này, nhóm các tác giả khảo sát độ

ổn định lật ngang của ô tô khách có kể đến sự đàn hồi của hệ thốngtreo Ở đây, các tác giả sử dụng một số các giả thuyết, xác định cácngoại lực và mô men liên kết để xây dựng mô hình động lực học củaô tô khách Sử dụng các phương trình vi phân để mô tả chuyển độngcủa ô tô Kết quả khảo sát, cho thấy với mức vận tốc thấp thì xechuyển động ổn định nhưng với mức vận tốc cao thì xe bị lật ngang,với dấu hiệu là tăng nhanh chóng góc lắc ngang và giảm nhanh giatốc ngang và đạt đến 1 của hệ số phân bố tải trọng LTR, các thôngsố này được biểu diễn thông qua biểu đồ bên dưới

Hình 1.8: Đồ thị dấu hiệu lật ngang theo góc lắc ngang

Kết quả của nghiên cứu cho thấy mất ổn định lật ngang của xekhách với các mức vận tốc từ 55km/h đến 65 km/h Từ đó, xác địnhđược ngưỡng mất ổn định lật ngang đối với gia tốc ngang là 4.428m/s2 và xác định được vận tốc giới hạn là 61 km/h cùng với vùng mấtổn định lật ngang tương ứng

Hình 1.9: Đồ thị khảo sát độ ổn định lật ngang

* Công trình nghiên cứu của Tran Van Nhu, Nguyen Xuan

Ngoc, Dang Tien Phuc, Vu Van Tan “Rollover stabilityanalysis of liquid tank truck taking into account the roadprofiles” Journal of Applied Engineering Science Vol 20, No.4, 2022 [7]

Trong nghiên cứu này, nhóm các tác giả sử dụng mô hình mặt cắtngang của bể hình tròn Mô hình tổng thể được chia thành hai phầnbao gồm bồn chứa chất lỏng và xe Để phân tích sự va đập của chấtlỏng trong bể, nghiên cứu đã áp dụng phương pháp bán tĩnh,chuyển động của con lắc trammel để nghiên cứu Công trình đã xâydựng mô hình và khảo sát độ ổn định lật ngang của ô tô bằngphương pháp quay vòng ổn định trên các mặt cắt đường khác nhaucho trước Các mặt đường được sử dụng trong nghiên cứu để mô tảnhững bất thường của mặt đường và chúng được thiết lập bởi cáchàm toán học khác nhau.

a) b)

c) d)Hình 1.10: Tỷ số truyền tải (LTR) khi xe quay vòng ổn định

Hình 1.10 thể hiện tỷ số truyền tải LTR của xe bồn ở trạng tháiquay vòng ổn định khi tác dụng bánh xe bên trái lên mặt cắt đường

cấp B (a), đường cấp C (b), hàm sin (c) và hàm sin có độ lệch pha π

giữa hai bánh trái và phải (d).

* Công trình nghiên cứu của Zheng X, Zhang H, Ren Y, Wei

Z, Song X “Rollover stability analysis of tank vehicles basedon the solution of liquid sloshing in partially filled tanks”Advances in Mechanical Engineering, 2017 [8]

Các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của mực chất lỏng đối vớichuyển động của xe Chuyển động của chất lỏng trong xi téc rấtphức tạp, nó phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của xi téc, khốilượng và độ nhớt của chất lỏng chứa trong xi téc.

Khi một xe chở chất lỏng chứa một phần trong xi téc thì trongtrường hợp quay vòng chất lỏng sẽ phản ứng với gia tốc ngang bằngcách di chuyển trong xi téc làm cho trọng tâm của khối chất lỏng bịthay đổi, điều ngày sẽ tác động rất lớn đến trạng thái di chuyển củaô tô, khi mà trọng tâm của thân xe và trọng tâm của khối chất lỏngcùng lệch về một phía thì lúc này sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởnglàm tăng nguy cơ bị lật của ô tô.

Để khảo sát độ ổn định của chất lỏng, công trình này sử dụng baphương pháp khác nhau để mô tả hiệu ứng tạt chất lỏng trong cácbể được đổ đầy một phần có mặt cắt elip, đó là ước tính hiện tượngtạt chất lỏng, ước tính cải thiện hiện tượng tạt chất lỏng và mô hìnhhóa mô hình cơ học tương đương cho hiện tượng chất lỏng Sau đó,việc mô hình hóa động lực học của xe chở chất lỏng được dựa trênđó.

Để kiểm tra độ ổn định lật ngang của các xe khảo sát các tác giảđã cho xe quay vòng ổn định với tốc độ là 20m/s, góc lái là 0.1 rad,mức đổ đầy chất lỏng thay đổi từ 0,2d đến 0,9d (d là đường kínhxitec) Một phần của kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình1.12.

Hình 1.12: Biểu đồ của các xe khảo sát khi xe ở trạng thái 80% tảiquay vòng ổn định

Hình 1.12 thể hiện các biểu đồ khi các xe khảo sát quay vòng ổđịnh, (a) góc trượt, tốc độ lệch hướng (b), tốc độ lật, góc lắc (d), tốcđộ dao động của con lắc (e) và biên độ dao động của con lắc

Kết quả thu được sau khi khảo sát cho thấy mực chất lỏng trongxitec có ảnh hưởng rất lớn đến độ ổn định lật ngang của xe chở chấtlỏng Khi mực chất lỏng trong xitec khá nhỏ dưới 0.2d thì khả nănglàm mất ổn định là không đáng kể, nhưng khi mực chất lỏng tănglên điều này làm cho ngưỡng ổn định lật của xe khảo sát giảm đángkể và độ ổn định kém chất ở mức tải là 0.6d.

1.5 Đối tượng, mục tiêu, phạm vi và phương pháp nghiêncứu

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng được chọn nghiên cứu là xe chữa cháy RENAULT-Saurus

1.5.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá về tác động của mực chất lỏng đến độ ổn định ngang khiô tô chở chất lỏng ở trạng thái quay vòng Từ đó cải thiện về mặt kỹthuật cung như kết cấu xe, nghiên cứu, thiết kế các hệ thống ổnđịnh ngang cho ô tô chở chất lỏng ổn định hơn trong điều kiện vậnhành như hiện nay.

1.5.3 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn chủ yếu tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của mực chấtlỏng đến độ ổn định ngang khi ô tô quay vòng Mô hình lực chọnkhảo sát là mô hình mặt phẳng ngang trên một trục, có kể đến sựảnh hưởng của hệ thống treo.

1.5.4 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, mô phỏng và tính toán trên máy tính

1.6 Kết luận chương

Trong chương này, ta đã có một cái nhìn tổng quan về ô tô chởchất lỏng, các công dụng của ô tô chở chất lỏng, cũng như sự ảnhhưởng của mực chất lỏng đến độ ổn định lật ngang của xe Hiệnnay, các nhà nghiên cứu cũng như các hãng xe, ngày càng quantâm cũng như nghiên cứu làm tăng độ ổn định lật ngang của ô tôchở chất lỏng, để phù hợp hơn trong điều kiện vận hành hiện tại.

Mặt khác, các yếu tố gây ảnh hưởng đến độ ổn định lật ngangcũng được đề cập đến như: các yếu tố về kết cấu của xe(chiều cao

trọng tâm, hệ thống treo, thanh cân bằng), các yếu tố hình học củađường và các yếu tố khách quan cua thời tiết.

Ngoài ra, trong chương này còn đề cập đến các thông số đánh giáđộ ổn định ngang của ô tô như: hệ số ổn định tĩnh(SSF), ngưỡng lậtngang tĩnh(SRT), năng lượng dự trữ chống lật, hệ số phân bố tảitrọng(LTR).

Trên cơ sở đó, luận văn thực hiện nghiên cứu ổn định ngang của ôtô chở chất lỏng có kể đến độ biến dạng của hệ thống treo và lốp.nghiên cứu trong trường hợp ô tô quay vòng với bán kính thay đổi,đổi hướng chuyển động với một tần số nhất định.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình

Mô hình ổn định lật ngang dạng tổng quát của ô tô là một hệ cơhọc rất phức tạp gồm nhiều bậc tự do và nhiều liên kết như liên kếtgiữa lốp xe với mặt đường theo 3 phương, Để đơn giản hóa khi xâydựng mô hình động lực học người ta thường đưa vào các giả thuyếtvật lý và rút gọn mô hình trên cơ sở quy dẫn các thành phần của môhình Để xây dựng mô hình toán cho mô hình động lực học có thể sửdụng nhiều phương pháp như phương trình Lagrange loại 2, nguyênlý Dalambe, phương pháp họa đồ (bond graph), phương pháp hệthống con Trong chương này, sử dụng nguyên lý Dalambe để xâydựng mô hình toán cho hệ động lực học.

Nguyên lý Dalambe: Dựa vào nguyên lý Dalambe chuyển bài toánđộng lực học về bài toán tĩnh bằng cách đưa các mô men quán tínhkhối lượng, khối lượng quán tính vào cơ hệ, khí đó phương trìnhchuyển động sẽ được thiết lập trên cơ sở lấy tổng các mô men, lựctác dụng lên cơ hệ.

Mỗi phần tử cứng tuyệt đối của cơ hệ có đại lượng đặc trưng là mômen quán tính Ji và khối lượng mj đặt tại tâm của phần tử Phươngtrình tổng quát theo nguyên lý Dalambe có dạng:

jd x

dt 

(2.2)Trong đó:

Ji - Mô men quán tính khối tương ứng mỗi vậti – Dịch chuyển góc tương ứng mỗi phần tửmi - Khối lượng quán tính

xi - Dịch chuyển của phần tử i theo phương xi

Fij - Ngoại lực tác dụng lên phân tử theo phương xi

Mij - Mô men tác dụng lên phần tử theo chiều dịch chuyển I

2.2 Xây dựng mô hình khảo sát ổn định lật ngang động của ôtô chở chất lỏng trên một trục

2.2.1 Các giả thiết xây dựng mô hình

Khi ô tô chuyển động trên đường, dao động của thân xe tương đốiphức tạp gồm dao động theo phương thẳng đứng và dao động lắcdọc, lắc ngang quanh trục lắc theo phương dọc, ngang Trục lắc dọc,ngang được xác định phụ thuộc vào động học của hệ thống treo vàluôn luôn thay đổi theo trạng thái dao động của thân xe Để đơn giảnhóa, mô hình nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở một số giả thiếtvật lý sau:

- Coi thân xe dao động lắc ngang độc lập trên các trục, mô hìnhdao động lắc ngang được xây dựng trên một trục trong mặt phẳngngang đi qua tâm bánh xe.

- Coi khối lượng được treo và khối lượng không được treo đối xứngqua mặt phẳng dọc.

- Toàn bộ khối lượng được treo (không kể đến chất lỏng trong xitéc) được quy dẫn về trọng tâm và được coi là cứng tuyệt đối, đượchiển thị bằng khối lượng ms và có mô men quán tính đối với trục dọcx đi qua trọng tâm là Is Có 2 bậc tự do là dịch chuyển theo phươngthẳng đứng là Zs và góc lắc ngang s quanh tâm lắc.

- Khối lượng tải chất lỏng mn được quy dẫn về trọng tâm của khốichất lỏng trong xi téc và phân bố về các trục của ô tô Mặt thoángcủa chất lỏng luôn luôn phẳng, không có song.

- Phần khối lượng không được treo tương ứng của cầu trước và cầusau được quy dẫn về mặt phẳng thẳng đứng chứa trọng tâm của cầusau và vuông góc với trục dọc của ô tô là mu có mô men quán tínhđối với trục x là Iu Có 2 bậc tự do là dịch chuyển theo phương thẳngđứng là Zu và góc lắc ngang u quanh tâm lắc.

- Coi đặc tính đàn hồi của hệ thống treo và lốp là tuyến tính; với độcứng tổng cộng của hệ thống treo bên trái và bên phải bằng nhau làKs, độ cứng hướng kính của lốp là Kt, độ cứng chống xoắn tổng cộngcủa thanh ổn định ngang của cầu trước và cầu sau là Cb

- Không xét đến mấp mô mặt đường bên phải và bên trái Coi mặtđường bằng và không nghiêng ngang.

- Khối lượng của bánh xe được coi là khối lượng không được treo vàđược tập trung tại trục xe Như vậy khi xét phần tử đàn hồi lốp có thểcoi như phần tử không có khối lượng.

- Bỏ qua sự mất cân bằng và mô men hiệu ứng con quay của cáckhối lượng chuyển động quay của xe.

- Khoảng cách từ tâm lắc của thân xe khi không tải, trục xe đếntrọng tâm của chúng là không đổi.

- Bỏ qua dao động theo phương ngang của thân xe và trục xe.- Không có gió ngang.

2.2.2 Xây dựng mô hình ổn định lật ngang động của ô tôtrên một trục khi chua có chất lỏng

2.2.2.1 Xây dựng mô hình cơ học

Về tổng thể, mô hình nghiên cứu là mô hình không gian Tại mỗilát cắt vuông góc với trục lắc (mặt cắt đi qua tâm trục và mặt cắt điqua trọng tâm khối lượng được treo) ta có một mô hình phẳng Trêncơ sở các giả thiết trên, ta xây dựng được mô hình dao động lắcngang của ô tô trên trục được thể hiện trên (Hình 2.1) Ở đây, đã xéttới sự biến dạng của hệ thống treo và bộ phận đàn hồi:

Hình 2.1: Mô hình động lực học dao động lắc ngang của ô tô trên mộttrục khi chưa có chất lỏng trong xitec

Trên hình 2.1:

ms - Khối lượng phần được treo phân bố trên trục (không tải)

Is - Mô men quán tính khối của phần được treo (không tải) đối vớitâm lắc

mu - Khối lượng phần không được treo phân bố trên trục

Iu - Mô men quán tính khối của phần không được treo đối với tâmlắc

Cs - Độ cứng của hệ thống treo bên trái, bên phải

Ks - Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo bên trái, bên phải Ct - Độ cứng của bánh xe bên trái, bên phải

Kt - Hệ số cản giảm chấn của bánh xe bên trái, bên phảiCb - Độ cứng của thanh chống nghiêng thân xe

ds - Một nửa khoảng cách điểm đặt lực tập trung của hệ thống treobên trái, phải

Lực ly tâm tác dụng lên khối lượng được treo được xác định theocông thức:

Gs - Trọng lượng của khối lượng được treo (không tải) r - Bán kính quay vòng

v - Vận tốc quay vòngg - Gia tốc trọng trườngµ - Lực ngang riêng

2.2.2.2 Xây dựng mô hình toán học

Mô hình dao động lắc ngang ở hình 2.2 có 4 bậc tự do

- Dịch chuyển thẳng đứng Zs của trọng tâm khối lượng được treo- Chuyển động lắc ngang s quanh tâm lắc của khối lượng đượctreo

- Dịch chuyển thẳng đứng Zu của trọng tâm khối lượng không đượctreo

- Chuyển động lắc ngang u quanh tâm lắc của khối lượng khôngđược treo

Để thiết lập phương trình vi phân dao động của ô tô, ta sử dụngnguyên lý D’Alembert Dựa trên nguyên lý D’Alembert, với gốc tọađộ suy rộng tại vị trí cân bằng tĩnh của mô hình, chiều dương ngượchướng với gia tốc trọng trường và cùng chiều quay kim đồng hồ Táchhệ thành phần khối lượng được treo và phần khối lượng không đượctreo, sau đó ta xét cân bằng của các khối lượng sau khi bổ xung cácthành phần lực quán tính và lực liên kết Từ đó ta nhận được cácphương trình vi phân dao động tương ứng với 4 bậc tự do của môhình.

Hình 2.2: Sơ đồ hóa mô hình động lực học dao động lắc ngang của ô tôtrên trục khi chưa có chất lỏng trong xitec

* Phương trình vi phân dao động của khối lượng không được treo Phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng

UR tuuurtuu ur

FC ZdqK Z dqThay F , FSLSR, F , FULUR vào (2.7) ta được:

(2.10)

Khi xe đổi hướng chuyển động và dưới kích thích từ mặt đường,phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe bên trái vàbên phải thay đổi, tương ứng được xác định theo công thức (2.11) và(2.12).