Nâng cao độ ổn định ngang cho ô tô khách 2 tầng

Bài viết Nâng cao độ ổn định ngang cho ô tô khách 2 tầng trình bày thiết kế của một bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống ổn định ngang chủ động trên cả hai trục. Góc lắc ngang thân xe, gia tốc ngang và hệ số chuyển tải ở hai trục đều được coi là tín hiệu tối ưu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nâng cao độ ổn định ngang cho ô tô khách 2 tầng NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH NGANG CHO Ô TÔ KHÁCH 2 TẦNG KS. Nguyễn Duy Hưng Viện nghiên cứu ô tô công nghệ cao, Hà Nội, Việt Nam TS. Vũ Văn Tấn Bộ môn Cơ khí ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Trần Văn Đà Phạm Huy Hoàng Hội ô tô thành phố Hà NộiTÓM TẮT: Trong vận tải hàng không và du lịch trên thế giới, xe khách hai tầng ngày càng trở nênphổ biến. Nhiều xe khách hai tầng hiện nay được trang bị hệ thống thanh ổn định ngang bịđộng, nhưng do tải trọng lớn, trọng tâm lớn nên tai nạn lật xe ở loại phương tiện này vẫnđể lại hậu quả nặng nề. Để tăng độ ổn định khi chuyển động của xe khách hai tầng, bài báotrình bày thiết kế của một bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống ổn định ngang chủ động trêncả hai trục. Góc lắc ngang thân xe, gia tốc ngang và hệ số chuyển tải ở hai trục đều đượccoi là tín hiệu tối ưu. So với xe khách sử dụng hệ thống thanh ổn định ngang bị động, kếtquả mô phỏng trong miền thời gian và tần số cho thấy rõ hiệu quả của bộ điều khiển đượcđề xuất, với tín hiệu đánh giá giảm từ 30 đến 45%. Từ khóa: Động lực học ô tô, Hệ thống ổn định ngang chủ động, Điều khiển tối ưuLQR, Tai nạn lật ngang, Ô tô khách 2 tầng.1. GIỚI THIỆU Ô tô khách 2 tầng là ô tô chở hành khách với số lượng lớn và thường được sử dụng đểvận chuyển trên một đoạn đường dài. Bên cạnh đó, chúng là biểu tượng của các quốc gianhư Anh, Đức, Nhật,... chúng dần trở thành phương tiện giao thông công cộng phổ biếnvà đạt hiệu quả vận tải cao ở những thành phố đông đúc. Ở Việt Nam, mức độ sử dụng xekhách 2 tầng dần phổ biến hơn nhưng khác với các nước thì xe khách 2 tầng ở Việt Namchủ yếu dùng để vận chuyển trên các tuyến đường dài từ Bắc vào Nam, từ Hà Nội lên LàoCai... Ô tô khách 2 tầng là ô tô có tải trọng lớn, tọa độ trọng tâm cao trong khi đó bề rộnghai bên bánh xe bị giới hạn không vượt quá 2,5 m, do đó khả năng chống lật của ô tô kém.Điều này dẫn đến nhiều vụ tai nạn giao thông liên quan đến lật ngang của ô tô khách 2 tầng,ví dụ là vụ tai nạn giao thông ô tô khách 2 tầng ở Sapa-Lào Cai năm 2014 đã làm chết 12người ở Hình 1. 213 Hình 1. Tai nạn giao thông của ô tô khách 2 tầng tuyến Lào Cai-SaPa năm 2014 Tai nạn giao thông liên quan đến lật ngang của ô tô có thể chia thành bốn nhóm nhưsau [1], [2]: + Phòng ngừa được: người điều khiển ô tô có thể phòng ngừa tai nạn bằng sự hỗ trợ củacác thiết bị lắp đặt trên xe, bằng cách cảnh báo nguy hiểm có thể xảy ra. Với nhóm này, đãgiảm được một số vụ tai nạn liên quan đến hiện tượng lật, khoảng 3,3%. + Có khả năng phòng ngừa: tai nạn là điều khó có thể tránh được. Tuy nhiên trongnhiều trường hợp người điều khiển phương tiện vẫn có thể tránh được nó, phụ thuộc vàokỹ năng điều khiển và độ tin cậy của phương tiện hoặc khả năng làm việc của thiết bị cảnhbáo. Với nhóm này, đã giảm được rất nhiều tai nạn, khoảng 38,4%. + Không thể phòng ngừa: bất kể kỹ năng lái xe hay khả năng làm việc của thiết bị cảnhbáo, hiện tượng lật sẽ luôn luôn xảy ra. Nhóm này chiếm lớn nhất trong tổng số tai nạn lậtngang ô tô, chiếm khoảng 49,7%. + Khả năng lật không thể xác định: nhóm này chiếm khoảng 8,6% tổng số vụ tai nạnlật ngang ô tô. Việc người lái xe cảm nhận được các dấu hiệu của hiện tượng lật là một nhiệm vụ cực kìkhó khăn bởi nó thường diễn ra trong các tình huống khẩn cấp và rất nhanh. Nguyên nhânchính của tai nạn lật ngang là mất ổn định xe khi lực tiếp xúc giữa lốp với đường ở mộtbên bánh xe bằng 0, tức là bánh xe bị nhấc ra khỏi mặt đường do ảnh hưởng quả lực quántính ngang [3], [4]. Hầu hết ô tô thường trang bị hệ thống ổn định ngang bị động, nhưng hệthống này không cung cấp đủ moment chống lật trong các trường hợp khẩn cấp như ví dụở Hình 1. Việc nghiên cứu lý thuyết về hệ thống ổn định ngang chủ động đã được nghiên214cứu từ những năm 1998-2010 ở trường Đại học Cambrigle-Vương Quốc Anh, sau đó đượccác nhà nghiên cứu ở Đại học bách khoa Budapest-Hungary phát triển ở cấp độ cao hơn. Các phương pháp điều khiển cho hệ thống ổn định ngang chủ động trên ô tô có thểkể đến: PID, mờ (Fuzzy), H∞, LPV,... [2], [3], [5]. Trong nghiên cứu này tác giả đề xuấtmô hình ô tô khách 2 tầng sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu LQR cho hệ thống ổnđịnh ngang chủ động, với mục tiêu tối ưu là gia tốc ngang, góc lắc ngang thân xe và hệ sốchuyển tải ở từng cầu. Do vậy bài báo có kết cấu như sau: Phần 1 giới thiệu tổng quan vềhiện tượng lật ngang của ô tô khách 2 tầng. Phần 2 giới thiệu về mô hình ô tô khách 2 tầngsử dụng để nghiên cứu. Bộ điều khiển tối ưu LQR được trình bày trong phần 3. Phần 4 làkết quả mô phỏng trên miền thời gian và miền tần số. Kết quả và hướng nghiên cứu tiếptheo được trình bày trong phần 5.2. MÔ HÌNH Ô TÔ KHÁCH 2 TẦNG 2.1. Xây dựng mô hình ô tô Mô hình ô tô khách 2 tầng được thể hiện như Hình 2, với ô tô ở chế độ đầy tải có tọađộ trọng tâm tại điểm O. Mô hình Roll được thiết lập khi nhìn trực diện ô tô ở phía trước,mô hình Yaw được thiết lập khi nhìn từ trên xuống. Các thông số của mô hình ô tô đượctrình bày trong [4]. Hình 2. Mô hình Roll - Yaw của ô tô khách 2 tầng Phương trình động lực học bao gồm: 215     ( I zz + ms .h 2 ).φ − I = xz .ψ ms .g.h.φ + ms .v.h.( β +ψ ) − k f .(φ −φtf ) (1) ...