BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM NGỌC PHAN HUY NGHIÊN CỨU CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA XE TRÊN ĐƯỜNG NHẰM ĐẢM BẢO AN TOÀN CHO XE VÀ KHÁCH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM NGỌC PHAN HUY NGHIÊN CỨU CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA XE TRÊN ĐƯỜNG NHẰM ĐẢM BẢO AN TOÀN CHO XE VÀ KHÁCH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN PHỤNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Phạm Ngọc Phan Huy Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 09/07/1979 Nơi sinh: Khánh Hòa Quê quán: Diên Khánh –Khánh Hòa Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: Thôn Phước Trạch – Xã Diên Toàn – Huyện Diên Khánh – Tỉnh Khánh Hòa Điện thoại quan: Điện thoại cá nhân: 0913.426781 E-mail: huycdnnhatrang@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học Nghề: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/ 1995 đến 01/ 1999 Nơi học: Trường Trung học kỹ thuật nghiệp vụ Khánh Hòa Ngành học: Sửa chữa máy nổ Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/1999 đến 03/2003 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM – TPHCM Ngành học: Cơ khí động lực III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 09/2003 Bộ môn Ô TÔ – Khoa Cơ Khí đến Trường Cao Đẳng Nghề Nha Trang i Giáo Viên LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 09 năm 2015 Người nghiên cứu Phạm Ngọc Phan Huy ii LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn, em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: – Quý Thầy Cô trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian thực luận văn Xin kính chúc quý Thầy Cô luôn mạnh khoẻ, vui tươi hạnh phúc – Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Phụng Thầy tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian thực luận văn Xin kính chúc Thầy luôn mạnh khỏe, vui tươi hạnh phúc – Xin chân thành cảm ơn Thầy hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp đóng góp ý kiến thiết thực cho luận văn Xin kính chúc sức khỏe, chân thành cảm ơn! iii TÓM TẮT Ngày nay, loại hình vận chuyển hành khách ngày nhiều, với phát triển mật độ phương tiện giới đường ngày cao, vấn đề tai nạn giao thông đường vấn đề quan tâm hàng đầu Tính ổn định ô tô tham gia giao thông phụ thuộc kết cấu hệ thống tổng thành kích thước xe, chiều cao trọng tâm, tốc độ xe, quãng đường phanh, hệ thống treo việc điều khiển người lái: Sử dụng phanh, tốc độ xe, cách lái xe, cách sử dụng tay số đường vòng, đường đèo dốc Ngoài ra, tốc độ tối đa, cách xếp hành khách hàng hóa xe yếu tố quan trọng để tránh tình trạng cân đối trọng tâm xe Luận văn nghiên cứu tính ổn định chuyển động xe đường trạng thái chuyển động thẳng, quay vòng ứng với vận tốc tính toán chiều cao trọng tâm xe Qua thông số kỹ thuật xe chọn làm đối tượng nghiên cứu sở lý thuyết để tính toán thông số phù hợp với điều kiện hoạt động khu vực phía nam Từ đó, khắc phục nhược điểm tồn xe, đưa biện pháp nâng cao tính ổn định xe đường, nhằm đảm bảo an toàn cho xe hành khách Xuất phát từ lý định hướng thầy PGS-TS Nguyễn Văn Phụng, học viên chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu biện pháp nâng cao tính ổn định xe đường, nhằm đảm bảo an toàn cho xe khách” iv ABSTRACT Road accident has been a major concern these days due to an increase of means of guest transportation together with its higher density Automobile operating stability depends mostly on the following specifications: sizes, center of gravity position, speed, braking distance, suspension system and the driver’s skills: use of brake, speed, driving manner, gearing skills on curved and slopy roads Max speed, passenger and merchandise arrangements are also important factors that help assure vehicle’s gravity center balance This thesis studies the stability of a vehicle’s motion in both straight and circle states in correspondence with calculated speeds and its gravity center position With collected specifications of vehicles chosen as subjects of this research and theoretical bases on which appropriate figures are calculated to suit its operating conditions in the Sounthern Area, it is promising that vehicle and passengers‘ life shall be safely assured thanks to improvements on its shortfalls and increase of the vehicle’s stability With all above-mentioned reasons and under the orientation of Associate Professor-Doctor Nguyen Van Phung, the author has decided to choose the following named thesis for his research: ‘‘Research on Measures for Improving Vehicle’s Stability in Assuring Vehicle and Passengers safety“ v MỤC LỤC Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách hình x Danh sách bảng xii Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nước công bố 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu .1 1.1.2 Các kết nghiên cứu nước công bố 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Phương pháp nghiên cứu giải 1.4 Đối tượng nghiên cứu giới hạn đề tài .4 1.5 Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Ổn định an toàn chuyển động ô tô đường bằng, đường dốc 2.1.1 Tính ổn định ôtô mặt phẳng dọc 2.1.1.1 Tính ổn định dọc tĩnh .6 2.1.1.1.1 Xét ổn định theo điều kiện lật đổ 2.1.1.1.2 Xét ổn định theo điều kiện bám 2.1.1.1.3 Xác định hệ số ổn định tĩnh ôtô – SSF 10 vi 2.1.1.2 Ổn định dọc động 11 2.1.1.2.1 Trường hợp chuyển động tổng quát: Ôtô chuyển động lên dốc không ổn định 11 2.1.1.2.2 Trường hợp xe chuyển động ổn định với vận tốc cao đường nằm ngang 13 2.1.2 Tính ổn định mặt phẳng ngang ôtô 14 2.1.2.1 Xác định tọa độ trọng tâm sở lý thuyết: 14 2.1.2.1.1 Khi ô tô không tải: 14 2.1.2.1.2 Khi ô tô đầy tải: .15 2.1.2.2 Xác định tọa độ trọng tâm qua thực nghiệm: 15 2.1.2.2.1 Xác định trọng tâm theo chiều dọc a,b: 15 2.1.2.2.2 Xác định trọng tâm theo chiều cao hg .16 2.1.2.2.3 Xác định độ lệch trọng tâm theo chiều ngang (e) 17 2.1.2.3 Tính chất ổn định động 17 2.1.2.3.1.Khi xe chuyển động thẳng mặt đường nghiêng ngang .17 2.1.2.3.2 Khi xe chuyển động có gia tốc, tính Vmax 19 2.2 Ổn định an toàn ô tô xe quay vòng 22 2.2.1 Trường hợp tổng quát ô tô quay vòng mặt đường nghiêng ngang .22 2.2.2 Trường hợp xe đứng yên đường có độ nghiêng ngang 24 2.2.3 Các lực tác dụng lên xe quay vòng 25 2.2.4 Ảnh hưởng tính đàn hồi lốp xe đến quay vòng .26 2.2.5 Tính ổn định ôtô chuyển động quay vòng 29 2.2.5.1 Trường hợp mặt đường nghiêng vào trục tâm quay vòng 29 2.2.5.2 Trường hợp mặt đường nghiêng phía trục tâm quay vòng .31 2.2.5.3 Khi ôtô quay vòng mặt đường ngang: 32 vii 2.2.5.4 Xét ổn định theo điều kiện trượt ngang .32 2.3 Ổn định an toàn ô tô phanh .33 2.3.1 Lực tác dụng lên ô tô phanh 33 2.3.1.1 Sơ đồ .33 2.3.1.2 Các lực phanh .34 2.3.1.3 Tính phản lực mặt đường Zp phanh .34 2.3.2 Các tiêu đánh giá chất lượng phanh .35 2.3.2.1 Gia tốc phanh jp 35 2.3.2.2 Quãng đường phanh, Sp .36 2.3.2.3 Thời gian phanh 37 2.3.2.4 Lực phanh riêng, Pp 37 2.3.3 Sự ổn định hướng chuyển động phanh .37 2.3.3.1 Sự hãm cứng bánh xe 37 2.3.3.2.Trường hợp xe chuyển động thẳng 39 2.3.3.3 Khi xe quay vòng 39 2.3.3.4.Trên đường lên dốc .39 2.3.4 Ổn định phanh 41 2.4 Cơ sở hạ tầng giao thông đường tỉnh phía nam 44 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ THACO-HYUNDAI HB120SL 46 3.1 Đặc tính kỹ thuật ô tô THACO-HYUNDAI HB120SL 46 3.2 Đặc tính kỹ thuật xe: 53 3.2.1 Xây dựng đường đặc tính động cơ: .53 3.2.2 Số liệu khối lượng, chiều cao trọng tâm, mô men tải trọng phần tử xe 64 3.2.2.1 Xác định trọng lượng ôtô .64 viii   g R.tg t max  g R c  g R.SSF 2hg (m/s) Bảng giá trị tính toán: SSF 0,67 g (m/s2) 9,81 R (m) tg  d (m/s) 10 8,107 20 11,46 30 14,04 Ghi + Xét theo điều kiện trượt ngang: Sự ổn định trượt ngang  g R  n  tg    n tg  (m/s) Khi xe quay vòng mặt đường nằm ngang  d   vn  g.R.n tg d  (m/s), với g = 9,81 m/s2, bán kính quay vòng R = 30 m, hệ số bám mặt đường theo điều kiện đường nhưa bê tông ướt: n  0, vn  g.R.n  9,81.30.0,  10,84 (m/s) = 39,05 (km/h) Nhận xét: – Từ công thức vn2  g R SSF  tg  d , ta thấy: xe vào đường vòng tốc 1- SSF.tg  d độ nguy hiểm xe hoàn toàn phụ thuộc vào độ ổn định tĩnh SSF, độ ổn định tĩnh lớn tốc độ giới hạn tăng lên ngược lại 86 Xây dựng đồ thị mối quan hệ vận tốc với hệ số SSF Hình 3.15: Mối quan hệ vận tốc hệ số ổn định tĩnh SSF Nhận xét: – Khi tính toán tốc độ nguy hiểm xe theo điều kiện lật đổ theo điều kiện bám vn Trong trường hợp vừa tính toán trên, ta lấy theo giá trị: vn  10,84 (m/s) = 39,05 (km/h) – Để đảm bảo an toàn thường lấy theo điều kiện trượt ngang trước bị lật đổ, tức là: vn  87 3.5 TÍNH ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHI PHANH 3.5.1 Tính ổn định ô tô phanh Trong trình phanh ôtô trục dọc ôtô bị nghiêng góc so với hướng quĩ đạo chuyển động Sở dĩ tổng lực phanh sinh bánh xe bên phải khác với tổng lực phanh sinh bánh xe trái tạo thành mômen quay vòng Mp quanh trục thẳng đứng Z qua trọng tâm A ôtô Khi phanh mà ôtô bị quay góc mức quy định ảnh hưởng đến an toàn chuyển động đường Vậy tính ổn định phanh khả ôtô giữ quỹ đạo chuyển động ý muốn người lái trình phanh Để nghiên cứu ổn định phanh dùng sơ đồ hình 3.16 Giả sử ôtô chuyển động theo hướng trục X sau phanh ôtô bị lệch góc  Trong phanh bánh xe bên phải có lực phanh Pp ph trục trước Pp ph trục sau , bánh xe bên trái có lực phanh Pp.tr trục trước Pp.tr trục sau Tổng lực phanh bánh xe bên phải là: Pp ph  Pp ph  Pp ph2 (3.5.1) tổng lực phanh bánh xe bên trái bằng: Pp.tr  Pp.tr1  Pp.tr2 (3.5.2) Giả sử tổng lực phanh bên phải Pp.ph lớn tổng lực phanh bên trái Pp.tr lúc ôtô quay vòng theo hướng mũi tên quanh trọng tâm A ôtô Mômen quay vòng Mq xác định theo biểu thức: M q  Pp ph B B B  Pp.tr  Pp ph  Pp.tr  2 (3.5.3) Do có ma sát bánh xe mặt đường xuất mômen quay vòng Mq bánh xe cầu trước có phản lực R y tác dụng từ mặt đường theo phương ngang bánh xe cầu sau có phản lực R y tác dụng 88 Hình 3.16: Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô phanh mà bị quay ngang Phương trình chuyển động ôtô trọng tâm A viết dạng sau: I z   M q  R y1 a  R y2 b (3.5.4) Vì ôtô bị xoay góc  nghĩa mômen quay vòng Mq lớn nhiều so với mômen lực R y R y sinh ra, để đơn giản cho tính toán bỏ qua lực R y R y , lúc phương trình có dạng : I z   M q (3.5.5) Ở : Iz mômen quán tính ôtô quanh trục Z qua trọng tâm A Lấy tích phân hai lần phương trình ta được:  Ở : Mq 2I z t2  C (3.5.6) t – thời gian phanh Để tìm giá trị C ta sử dụng điều kiện ban đầu t =  = lắp vào phương trình ta có C = 0, từ rút biểu thức cuối để xác định góc 89 lệch  mômen quay vòng Mq gây nên, mà mômen Mq không đồng lực phanh bánh xe phía bên phải phía bên trái ôtô tạo :  Mq 2I z t2 (3.5.7) Từ biểu thức thấy góc lệch  tỷ lệ thuận với mômen quay vòng Mq’với bình phương thời gian phanh t tỷ lệ nghịch với mômen quán tính Iz ôtô quanh trục Z qua trọng tâm Theo yêu cầu nhà máy chế tạo ô tô xuất xưởng (chế tạo sửa chữa) phải đảm bảo lực phanh bánh xe trục nhằm đảm bảo tính ổn định phanh Độ chênh lệch tối đa lực phanh bánh xe trục không vượt 15% so với giá trị lực phanh cực đại bánh xe trục Giả sử bánh xe phía bên phải có lực phanh lớn Pp ph max theo điều kiện bám bám xe với mặt đường, lực phanh thấp bánh xe Pp.trmin  0,85 Pp phmax phía bên trái cho phép là: Lúc mômen quay vòng cực đại M q max xác định sau : M qmax  Pp phmax hay : M qmax  ( Pp phmax  Pp.trmin ) Từ ta có : (3.5.8) B B  Pp.trmin 2 B B  ( Pp phmax  0,85 Pp phmax ) 2 (3.5.9) M qmax  0,075 BPp phmax Lắp giá trị M q từ biểu thức vào biểu thức ta tìm góc lệch cực đại max: max  max  0,075BPpmax 2I z t2 (3.5.10) Ở biểu thức thành phần Pp cần phải hiểu lực phanh cực đại phía (có thể phía max bên phải phía trái) theo điều bám Lực phanh cực đại Pp max  G  max (3.5.11) 90 Lắp giá trị Pp từ biểu thức (3.5.11), cuối ta có biểu thức xác định max max sau đây:  max BGt 2 max  0,019 Iz (3.5.12) Góc lệch cực đại max cho phép phanh không vượt phanh ô tô không vượt hành lang có chiều rộng 3,5cm (Tiêu chuẩn số 22 – TCN 24 – 95 Bộ GTVT Việt Nam –1995) 3.5.2 Ổn định hướng chuyển động ôtô phanh 3.5.2.1 Sự bó cứng bánh xe khả ổn định ôtô Sự chuyển động an toàn ôtô phụ thuộc nhiều vào trạng thái chuyển động phanh Các trạng thái thường xảy ôtô điều khiển hướng chuyển động theo quĩ đạo đường phanh Trạng thái gắn liền với bó cứng bánh xe cầu Ở giả thiết bó cứng xảy cầu, tức cầu bị bó cứng trước Có hai khả xảy ra: – Bó cứng cầu sau trước – Bó cứng cầu trước trước Trên hình (3.17) hai trường hợp : bó cứng cầu sau bó cứng cầu trước Trong trường hợp này, ngoại lực lực quán tính mx không nằm dọc theo trục x ôtô mà nghiêng góc  Phân tích mx theo phương y x có Fy Fx Lực Fy cân với phản lực bên cầu xe St Ss Nếu bó cứng cầu sau (Ss = 0) lực bên tồn bánh trước Fy.a = St.a cặp ngẫn lực Fy, St làm quay ôtô xung quanh z theo chiều mũi tên, dẫn tới ổn định Nếu bó cứng bánh xe cầu trước, ta có St =0 Ss 0 mô men cặp ngẫu lực làm quay ôtô theo hướng giảm nhỏ góc  Tức bó cứng bánh xe trước, ôtô chuyển động gần giống trạng thái trước lúc phanh bó cứng ôtô chuyển động ổn định 91 Hình 3.17: Sơ đồ khảo sát tượng bó cứng bánh xe cầu xe khả ổn định phanh A – Bó cứng bánh sau B – Bó cứng bánh trước Qua phân tích trên: xe chuyển động thẳng việc xảy bó cứng bánh xe cầu trước có lợi cho khả ổn định Khi ôtô đường cong, phanh bó cứng thế, làm cho ôtô chuyển động theo hướng mở rộng bán kính quay vòng Người lái muốn điều chỉnh hướng chuyển động bánh xe khả tiếp nhận lực ngang, nên việc điều chỉnh hiệu quả, ôtô trạng thái tính điều khiển Nếu bó cứng bánh xe cầu sau, có khả điều chỉnh hướng chuyển động bánh xe cầu trước, để giảm góc quay thân xe phải đánh ngược vành lái Việc điều chỉnh đòi hỏi người lái phải có nhiều kinh nghiệm nhả bớt chân phanh để không bó cứng bánh xe cầu sau đánh ngược vành lái Nếu kinh nghiệm lại phanh gấp quay thêm vành lái lúc ôtô chuyển động tình trạng nguy hiểm tính ổn định Theo quan điểm sử dụng tính ổn định phần nhiều ôtô có hệ thống điều hòa lực phanh cầu sau, tức giảm tượng bó cứng bánh xe sau, đồng thời phân chia lực phanh hợp lý Cấu trúc loại ôtô tạo điều kiện cho ôtô không bị quay quanh trục đứng nhiều phanh người có kinh nghiệm lái xe sử dụng Sự bó cứng đồng thời bánh xe hai cầu, không gây nên lực bên phụ, ôtô tiếp tục chuyển động thẳng Song xuất phản lực bên dẫn tới quay vòng ôtô Xuất phát từ sở lý luận tính điều khiển ổn định ôtô nên ôtô ngày trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe (Antilock Brake System) ABS 92 3.5.2.2 Độ tin cậy hệ thống phanh, ổn định chuyển động ôtô có hệ thống dẫn động phanh kiểu TT K Các hệ thống phanh cho ôtô ngày phải có tối thiểu hai dòng điều khiển độc lập cấu phanh Ở ôtô sơ đồ cấu trúc Các ký hiệu tên gọi thống quy định để dễ dàng nhận dạng hệ thống phanh Ở sơ đồ cho thấy, hư hỏng dòng dẫn động phanh, ôtô phanh, sơ đồ phức tạp mức độ giảm hiệu phanh gần Hình 3.18: Các sơ đồ dẫn động phanh hai dòng ôtô Do bố trí sơ đồ dẫn động phanh nên độ tin cậy hệ thống phanh nâng lên Ở ta xem xét tình trạng chuyển động ôtô có dòng dẫn động phanh hư hỏng, với hai dạng dẫn động phanh kiểu TT K Các bánh xe gạch chéo bánh xe phanh, lại bánh xe không phanh 93 Hình 3.19: Sự ổn định chuyển động ôtô phanh với hư hỏng dòng dẫn động a-dạng TT b-dạng K Trên hình hệ thống dẫn động phanh kiểu TT Nếu điều kiện bám hai bánh xe khác Pp  Pp (thông thường hệ số bám hai vết bánh xe khác 1 nhau) Đối với hệ thống lái, mô men làm quay bánh xe xung quanh trục đứng :   M p0  Pp1  Pp1 r0 (3.5.13) Ở coi Pp  Pp 1 Đối với trọng tâm ôtô T, mô men gây quay thân xe :  M pT  Pp1  Pp1  2t (3.5.14) Ảnh hưởng mô men phụ thuộc nhiều vào khác Pp1 Pp1 Coi Pp1 nhỏ nhiều so với Pp1 , tới mức Pp1 =0 M p0 M pT có chiều gây quay mạnh ôtô xung quanh trục đứng Trên hình hệ thống dẫn động phanh kiểu K (chéo) Xét tác dụng hai mô men M p M pT ta có : M p  Pp r0 0  M pT  Pp1  Pp2 94  2t (3.5.15) (3.5.16) Các thông số r0, t cho hình vẽ Ơ M p M pT chiều Chỉ r0