BỘ GIÁO
ĐÀO TẠO
LỜIDỤC
CAMVÀ
ĐOAN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi. Các phương
pháp, số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố
trong các công trình nào khác!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

PHAN TUẤN KIỆT

Tác giả

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG ĐỘNG THẲNG
ĐỨNG CỦA ĐOÀN XE LÊN MẶT ĐƯỜNG
Nguyễn Ngọc Tú

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHAN TUẤN KIỆT

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG ĐỘNG THẲNG
ĐỨNG CỦA ĐOÀN XE LÊN MẶT ĐƯỜNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số:

62520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS VÕ VĂN HƯỜNG
2. PGS.TS NGUYỄN PHÚ HÙNG

Hà Nội – 2018
ii


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS.Võ Văn Hường và PGS.TS Nguyễn Phú Hùng. Các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được
các tác giả khác công bố.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn,
các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Hà Nội, ngày tháng

năm 2018

Người hướng dẫn khoa học 1

Người hướng dẫn khoa học 2

Tác giả

PGS.TS. Võ Văn Hường

PGS.TS. Nguyễn Phú Hùng

Phan Tuấn Kiệt


ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại
học, Viện Cơ khí Động lực đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ
và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Võ Văn Hường và PGS.TS. Nguyễn Phú Hùng
đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và
hoàn thành luận án.
Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng - Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội đã giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành

luận án này.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu và Khoa Cơ Khí Động lực Trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật Vĩnh Long đã tạo điều kiện để luận án được hoàn thành.
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Chuyên gia ngành Động lực đã đóng
góp các ý kiến quý báu để luận án được hoàn thiện.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã
động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công
trình này.
Nghiên cứu sinh

Phan Tuấn Kiệt


iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ............................................................................................................................ i
Lời cảm ơn ............................................................................................................................... ii
Mục lục ...................................................................................................................................iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ..................................................................................... vi
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ............................................................................................. x
Danh mục bảng biểu .............................................................................................................. xiv
Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................................... 1
Mục đích của luận án ............................................................................................................... 1
Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................................. 1
Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................................... 2
Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................................. 2
Các kết quả đã đạt được của Luận án ...................................................................................... 2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................................. 3
Điểm mới của luận án .............................................................................................................. 3

Cấu trúc của luận án ................................................................................................................ 4
Chương 1 ................................................................................................................................. 5
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TẢI TRỌNG Ô TÔ ........................................................ 5
1.1 Tổng quan về tải trọng đoàn xe sơ-mi rơ moóc ............................................................. 5
1.2 Tình hình nghiên cứu tải trọng động.............................................................................. 9
1.2.1 Tình hình nghiên cứu tải trọng ĐXSMRM trên thế giới ......................................... 9
1.2.2 Tình hình nghiên cứu tải trọng động ở Việt Nam .................................................. 14
1.2.3 Tiêu chuẩn đánh giá ............................................................................................... 19
1.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp, nội dung và phạm vi nghiên cứu .......................... 20
1.3.1 Mục tiêu.................................................................................................................. 20
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................. 21
1.3.3 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 21
1.3.4 Nội dung và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 21
Chương 2. MÔ HÌNH ĐOÀN XE SƠ-MI RƠMOÓC XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG ĐỘNG.... 23
2.2 Phương pháp lập mô hình toán ..................................................................................... 25
2.3 Định nghĩa hệ tọa độ cho đoàn xe SMRM.................................................................... 25
2.4 Lực và mômen tác dụng lên đoàn xe SMRM ............................................................... 30


iv
2.5 Phương trình động lực học đoàn xe SMRM ................................................................. 33
2.5.1 Phương trình dao động khối lượng được treo xe đầu kéo ...................................... 33
2.5.2 Phương trình dao động khối lượng được treo SMRM ........................................... 36
2.5.5 Phương trình chuyển động quay các bánh xe......................................................... 39
2.6 Xác định các lực và mômen liên kết ............................................................................. 42
2.6.1 Lực liên kết của hệ thống treo ................................................................................ 43
2.6.2 Tính lực liên kết lốp-đường tại tâm vết tiếp xúc bánh xe ...................................... 47
2.7 Cấu trúc mô hình ĐXSMRM ........................................................................................ 52
2.8 Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 53
Chương 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐXSMRM XÁC ĐỊNH TẢI

TRỌNG ĐỘNG XUỐNG ĐƯỜNG ....................................................................................... 54
3.1. Định nghĩa thông số đầu vào ................................................................................... 55
3.1.1 Thông số từ mặt đường .......................................................................................... 55
3.1.2 Xác định vận tốc tương đương ............................................................................... 57
3.1.3 Điều kiện đầu của các tọa độ suy rộng ................................................................... 58
3.1.4 Thông số cấu trúc ................................................................................................... 58
3.1.5 Thông số đánh giá .................................................................................................. 63
3.2 Nội dung khảo sát ......................................................................................................... 64
3.3 Kết quả khảo sát ............................................................................................................ 65
3.3.1 Phương pháp xác định giá trị cực đại của các tham số khảo sát ............................ 65
3.3.2 Kết quả khảo sát với 04 loại đường theo tiêu chuẩn ISO 8608 .............................. 66
3.3 Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 82
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ........................................................................ 84
4.1 Mục tiêu thí nghiệm ...................................................................................................... 84
4.2 Đối tượng thí nghiệm .................................................................................................... 84
4.3 Sơ đồ thí nghiệm ........................................................................................................... 85
4.4 Thiết bị thí nghiệm ........................................................................................................ 88
4.4.1 Cảm biến ................................................................................................................ 88
4.4.1.1 Cảm biến đo gia tốc theo phương x, y, z - MMA7361L ................................. 88
4.4.1.2 Cảm biến đo khoảng cách siêu âm Ultrasonic US-015 ................................... 88
4.4.1.3 Cảm biến đo vận tốc dài của xe ....................................................................... 89
4.4.1.4 Card chuyển đổi tín hiệu Arduino UNO R3 .................................................... 90
4.4.1.5 Bộ xử lý NI USB – 6210 ................................................................................. 91
4.5 Quy trình thí nghiệm ..................................................................................................... 94


v
4.6. So sánh kết quả ............................................................................................................ 95
4.7. Tính sai số theo Pearson ............................................................................................. 100
4.8. Xác định tải trọng gián tiếp......................................................................................... 101

4.9 Kết luận chương 4 ........................................................................................................ 105
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................. 114
Phụ lục 1 .................................................................................................................................. 1
Phụ lục 2 ................................................................................................................................. 13
Phụ lục 3 ................................................................................................................................. 30


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

Giải nghĩa

MBS

Hệ nhiều vật MBS (Multi Body System)

XĐK

Xe đầu kéo
Sơmi rơ moóc

SMRM
ĐXSMRM


Đoàn xe sơmi rơ moóc

G(OXYZ)

Hệ tọa độ cố định
Hệ tọa độ vật, hệ tọa độ con

B(Cxyz)

Chỉ số bánh xe thứ i (cầu) và trái (j=1) / phải (j=2)

ij
i=1(1)5

Chỉ số các cầu

j=1

Chỉ số bánh xe bên trái

j=2

Chỉ số bánh xe bên phải

l1

m

Khoảng cách từ trọng tâm xe kéo đến cầu 1


l2

m

Khoảng cách từ trọng tâm xe kéo đến cầu 2

l3

m

Khoảng cách từ trọng tâm xe kéo đến tâm cầu 3

l23

m

Khoảng cách từ trọng tâm xe kéo đến tâm cầu 2 và 3

l4

m

Khoảng cách từ trọng tâm rơmoóc đến cầu 4

l5

m

Khoảng cách từ trọng tâm rơmoóc đến cầu 5


hC1

m

Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm xe kéo

hC2

m

Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm rơ moóc

hk1

m

Chiều cao từ mặt đường đến tâm khớp yên ngựa

hwx1, 2

m

Chiều cao tâm khí động theo phương x

2bi

m

Chiều rộng cơ sở của cầu thứ i, i=1(1)5



vii
2wi

m

Khoảng cách hai hệ thống treo cầu thứ i

c

m

Chiều dài thanh cân bằng dọc của hệ thống treo

lk1

m

Khoảng cách trọng tâm xe kéo đến khớp yên ngựa

lk2

m

Khoảng cách trọng tâm rơmoóc đến khớp yên ngựa

rdij

m


Bán kính động của lốp thứ ij; rdij  r0ij  (hij  ij )
(i=1(1)5, j=1(1)2)
Bán kính tĩnh của lốp thứ ij; r0ij  rij  f ij (i=1(1)5,
t

r0ij

m

j=1(1)2)
rij

m

x, y max

Bán kính thiết kế của lốp thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)
Hệ số bám dọc, ngang lớn nhất của bánh xe

mC1

kg

Khối lượng được treo xe kéo

mC2

kg

Khối lượng được treo bán moóc


mAi

kg

Khối lượng không được treo cầu i (i= 1(1)5)

β Ai

Deg/rad

C1, C1, C1

deg, deg/s,

C2 , C2 , C2

deg, deg/s,

C1,C1,C1

deg, deg/s,

C2 ,C2 ,C 2

deg, deg/s,

ij ,ij ,ij

deg, deg/s,

deg/s2

j=1(1)2)

ξ Ai ,ξ Ai ,ξ Ai

m, m/s,

Chuyển vị, vận tốc, gia tốc trọng tâm khối lượng không

ξ Aij ,ξ Aij ,ξ Aij

m, m/s,

deg/s2
deg/s2
deg/s2
deg/s2

m/s2
m/s2

Góc lắc ngang của cầu thứ i (i= 1(1)5)
Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc ngang của xe kéo
Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc ngang của xe rơ moóc

Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc dọc của xe kéo
Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc dọc của xe rơ moóc
Góc, vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe thứ ij (i=1(1)5,


được treo cầu i (i = 1(1)5)
Chuyển vị, vận tốc, gia tốc trọng tâm khối lượng bánh xe
thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)


viii

zij , zij

m, m/s

ij , ij

m, m/s

x C1,x C1 ,x C1
x C2 ,x C2 ,x C2

zC1,z C1 ,zC1
zC2 ,z C2 ,zC2

m, m/s,
m/s2
m, m/s,
m/s2
m, m/s,
m/s2
m, m/s,
m/s2


Chuyển vị, vận tốc điểm trên hệ thống treo thứ ij (i=1(1)5,
j=1(1)2)
Chuyển vị, vận tốc điểm dưới hệ thống treo thứ ij (i=1(1)5,
j=1(1)2)
Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương dọc của khối lượng
được treo xe kéo
Chuyển vị, vận tốc, gia tốc dọc của khối lượng được treo rơ
moóc
Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng của khối
lượng được treo xe kéo
Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng của khối
lượng được treo rơ moóc
Độ võng động (hành trình trả) của hệ thống treo (i=1(1)5,

f dijt

m

f dijn

m

Cij

N/m

Kij

N/(m/s)


CLij

N/m

Độ cứng hướng kính lốp thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

KLij

N/(m/s)

Hệ số cản hướng kính lốp thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

JxC1

kgm2

Mô men quán tính trục x của phần được treo xe kéo

JxC2

kgm2

Mô men quán tính trục x của phần được treo bán moóc

JAxi

kgm2

JAyij


kgm2

MAij

Nm

Mô men chủ động bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

MBij

Nm

Mô men phanh bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

Mij

Nm

j=1(1)2)
Độ võng động (hành trình nén) của hệ thống treo (i=1(1)5,
j=1(1)2)
Độ cứng hệ thống treo (i=1(1)5, j=1(1)2)
Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

Mô men quán tính trục x của khối lượng không được treo
cầu i (i=1(1)5)
Mô men quán tính trục y bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

Mô men quay bánh xe thứ ij quanh trục y (i=1(1)5,
j=1(1)2)



ix
Mô men thanh ổn định ngang cầu i (i=1(1)5)

MTi

Nm

Fwx

N

Lực cản không khí phương x

Fxij

N

Lực dọc bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

Fzij

N

Phản lực bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

FGij

N


Tải trọng tĩnh ứng với bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

FCij

N

Lực đàn hồi hệ thống treo thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

FKij

N

Lực cản giảm chấn hệ thống treo thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

FCLij

N

Lực đàn hồi lốp bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

FKLij

N

Lực cản giảm chấn lốp bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2)

kdij

Hệ số tải trọng động bánh ij


IM

Hệ số xung kích

w

Hệ số áp lực đường

R

Hệ số tương quan


x

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Tác động tương hỗ lốp-đường ................................................................................ 5
Hình 1.2 Tương tác lốp-đường .............................................................................................. 6
Hình 1.3 Các dạng đoàn xe trên thế giới .............................................................................. 9
Hình 1.4 Đo phản lực lực tiếp ............................................................................................. 12
Hình 1.5 Đo chuyển vị hướng kính của lốp ......................................................................... 13
Hình 1.6 Đo phản lực lốp-đường ........................................................................................ 14
Hình 2.1 Hệ tọa độ của ĐXSMRM ...................................................................................... 27
Hình 2.2 Hệ tọa độ của đoàn xe trong mặt phẳng dọc OXZ ............................................... 28
Hình 2.3 Hệ tọa độ mặt ngang cầu trước ............................................................................ 29
Hình 2.4 Hệ tọa độ mặt ngang cầu sau xe kéo .................................................................... 29
Hình 2.5 Hệ tọa độ mặt ngang cầu SMRM.......................................................................... 30
Hình 2.6 Sơ đồ lực và mômen ngoại lực và liên kết của ĐXSMRM .................................... 31
Hình 2.7 Sơ đồ lực và mômen của đoàn xe trong mặt phẳng dọc ....................................... 32

Hình 2.8 Sơ đồ lực và mômen của xe đầu kéo trong mặt phẳng dọc .................................. 34
Hình 2.9 Động lực học ngang cầu 1 .................................................................................... 35
Hình 2.10 Động lực học ngang cầu giữa ............................................................................ 35
Hình 2.11 Sơ đồ lực và mômen của SMRM trong mặt phẳng dọc ...................................... 36
Hình 2.12 Động lực học ngang cầu sau SMRM .................................................................. 37
Hình 2.13 Bánh xe chủ động MAij>0 ................................................................................... 39
Hình 2.14 Bánh xe chủ động MBij<0 ................................................................................... 39
Hình 2.15 Bánh xe bị động bị phanh Mij=0 ........................................................................ 40
Hình 2.16 Bánh xe bị động bị đẩy Mij=0............................................................................. 40
Hình 2.17 Động lực học chuyển động góc các bánh xe ...................................................... 41
Hình 2.18 Hệ thống treo phụ thuộc ..................................................................................... 43
Hình 2.19 Hệ thống treo thanh cân bằng và hệ thống treo cân bằng ................................. 44
Hình 2.20 Hệ thống treo cân bằng ...................................................................................... 44
Hình 2.21 Sơ đồ hệ thống treo cân bằng của xe đầu kéo .................................................... 44
Hình 2.22 Hệ thống treo cân bằng với thanh cân bằng ...................................................... 45
Hình 2.23 Sơ đồ hệ thống treo cân bằng liên tiếp của xe sơ-mi rơmoóc ............................ 45
Hình 2.24 Mô hình hệ thống treo ........................................................................................ 46
Hình 2.25 Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo nhíp ............................................................ 46
Hình 2.26 Sơ đồ đặc tính hướng kính lốp ............................................................................ 48


xi
Hình 2.27 Cấu trúc chương trình ........................................................................................ 52
Hình 3.1 Biên dạng đường ngẫu nhiên................................................................................ 56
Hình 3.2 Hệ số tải trọng động bánh 11 (kd11) với vận tốc 120km/h, đường A-B................. 65
Hình 3.3 Hệ số tải trọng động bánh 21 (kd21) với vận tốc 120km/h, đường A-B................. 65
Hình 3.4 Hệ số tải trọng động bánh 31 (kd31) với vận tốc 120km/h, đường A-B................. 66
Hình 3.5 Hệ số tải trọng động bánh 41 (kd41) với vận tốc 120km/h, đường A-B................. 66
Hình 3.6 Hệ số tải trọng động bánh 51 (kd51) với vận tốc 120km/h, đường A-B................. 66
Hình 3.7 Hệ số áp lực đường của xe (w) với vận tốc 120km/h, đường A-B ........................ 66

Hình 3.8 Giá trị cực đại của hệ số tải trọng động (max(kd21)) bánh 21 phụ thuộc vào vận
tốc với loại đường AB .......................................................................................................... 67
Hình 3.9 Giá trị cực đại của hệ số tải trọng động (max(kd21)) bánh 21 phụ thuộc vào vận
tốc với loại đường BC.......................................................................................................... 67
Hình 3.10 Giá trị cực đại của hệ số tải trọng động (max(kd21)) bánh 21 phụ thuộc vào vận
tốc với loại đường CD ......................................................................................................... 67
Hình 3.11 Giá trị cực đại của hệ số tải trọng động (max(kd21)) bánh 21 phụ thuộc vào vận
tốc với loại đường DE ......................................................................................................... 67
Hình 3.12 Giá trị cực đại của hệ số tải trọng động (max(kd21)) bánh 21 phụ thuộc vào vận
tốc và các loại đường .......................................................................................................... 68
Hình 3.13 Giá trị bình phương trung bình của hệ số tải trọng động (RMS(kd21)) bánh 21
phụ thuộc vào vận tốc và loại đường AB............................................................................. 69
Hình 3.14 Giá trị bình phương trung bình của hệ số tải trọng động (RMS(kd21)) bánh 21
phụ thuộc vào vận tốc và loại đường BC ............................................................................ 69
Hình 3.15 Giá trị bình phương trung bình của hệ số tải trọng động (RMS(kd21)) bánh 21
phụ thuộc vào vận tốc và loại đường CD ............................................................................ 69
Hình 3.16 Giá trị bình phương trung bình của hệ số tải trọng động (RMS(kd21)) bánh 21
phụ thuộc vào vận tốc và loại đường DE ............................................................................ 69
Hình 3.17 Giá trị bình phương trung bình của hệ số tải trọng động (RMS(kd21)) bánh 21
phụ thuộc vào vận tốc và các loại đường ............................................................................ 69
Hình 3.18 Giá trị cực đại của tải trọng động bánh 21 (max(Fz21)) phụ thuộc vào vận tốc
với loại đường AB ................................................................................................................ 70
Hình 3.19 Giá trị cực đại của tải trọng động bánh 21 (max(Fz21)) phụ thuộc vào vận tốc
với loại đường BC ............................................................................................................... 70
Hình 3.20 Giá trị cực đại của tải trọng động bánh 21 (max(Fz21)) phụ thuộc vào vận tốc
với loại đường CD ............................................................................................................... 70


xii
Hình 3.21 Giá trị cực đại của tải trọng động bánh 21 (max(Fz21)) phụ thuộc vào vận tốc

với loại đường DE ............................................................................................................... 70
Hình 3.22 Giá trị cực đại của tải trọng động bánh 21 (max(Fz21(N))) phụ thuộc vào vận tốc
và các loại đường ................................................................................................................ 71
Hình 3.23 Giá trị bình phương trung bình của tải trọng động bánh 21 (RMS(Fz21)) phụ
thuộc vào vận tốc với loại đường AB .................................................................................. 72
Hình 3.24 Giá trị bình phương trung bình của tải trọng động bánh 21 (RMS(Fz21)) phụ
thuộc vào vận tốc với loại đường BC .................................................................................. 72
Hình 3.25 Giá trị bình phương trung bình của tải trọng động bánh 21 (RMS(Fz21)) phụ
thuộc vào vận tốc với loại đường CD .................................................................................. 72
Hình 3.26 Giá trị bình phương trung bình của tải trọng động bánh 21 (RMS(Fz21)) phụ
thuộc vào vận tốc với loại đường DE .................................................................................. 72
Hình 3.27 Giá trị bình phương trung bình của tải trọng động bánh 21 (RMS(Fz21)) phụ
thuộc vào vận tốc và các loại đường ................................................................................... 72
Hình 3.28 Giá trị cực đại của hệ số áp lực đường (max(w)) phụ thuộc vào vận tốc với loại
đường AB ............................................................................................................................. 73
Hình 3.29 Giá trị cực đại của hệ số áp lực đường (max(w)) phụ thuộc vào vận tốc với loại
đường BC ............................................................................................................................. 73
Hình 3.30 Giá trị cực đại của hệ số áp lực đường (max(w)) phụ thuộc vào vận tốc với loại
đường CD ............................................................................................................................ 73
Hình 3.31 Giá trị cực đại của hệ số áp lực đường (max(w)) phụ thuộc vào vận tốc với loại
đường DE............................................................................................................................. 73
Hình 3.32 Giá trị cực đại của hệ số áp lực đường (max(w)) phụ thuộc vào vận tốc và các
loại đường............................................................................................................................ 74
Hình 3.33 Giá trị bình phương trung bình của hệ số áp lực đường (RMS(w)) phụ thuộc vào
vận tốc với loại đường AB ................................................................................................... 75
Hình 3.34 Giá trị bình phương trung bình của hệ số áp lực đường (RMS(w)) phụ thuộc vào
vận tốc với loại đường BC ................................................................................................... 75
Hình 3.35 Giá trị bình phương trung bình của hệ số áp lực đường (RMS(w)) phụ thuộc vào
vận tốc với loại đường CD .................................................................................................. 75
Hình 3.36 Giá trị bình phương trung bình của hệ số áp lực đường (RMS(w)) phụ thuộc vào

vận tốc với loại đường DE................................................................................................... 75
Hình 3.37 Giá trị bình phương trung bình của hệ số áp lực đường (RMS(w)) phụ thuộc vào
vận tốc và các loại đường .................................................................................................... 76


xiii
Hình 4.1 Đoàn xe sơ-mi rơmoóc thực nghiệm .................................................................... 85
Hình 4.2 Vị trí lắp đặt cảm biến đo ..................................................................................... 86
Hình 4.3a Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo và các cảm biến tương ứng ................................... 87
Hình 4.3b Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo và các cảm biến tương ứng ................................... 87
Hình 4.4 Hình dạng và sơ đồ chân của cảm biến MMA7361L ........................................... 88
Hình 4.5 Cảm biến siêu âm US-015 .................................................................................... 89
Hình 4.6 Cảm biến đo vận tốc góc encoder ........................................................................ 89
Hình 4.7 Mạch chuyển đổi tín hiệu Arduino UNO R3 ........................................................ 90
Hình 4.8 Bộ xử lý tín hiệu & kết nối máy tính NI USB-6210 .............................................. 92
Hình 4.9 Gá cảm biến đo góc quay bánh xe........................................................................ 93
Hình 4.10 Mấp mô khảo sát ................................................................................................ 97
Hình 4.11 Chuyển vị tương đối hệ thống treo khi v= 6 km/h .............................................. 98
Hình 4.12 Chuyển vị điểm dưới hệ thống treo khi v= 6 km/h ............................................ 98
Hình 4.13 Gia tốc khối lượng được treo khi v=6km/h ....................................................... 98
Hình 4.14 Gia tốc khối lượng không được treo khi v=6km/h............................................. 98
Hình 4.15 Chuyển vị tương đối hệ thống treo khi v=12 km/h, mấp mô h=0.05 m .............. 99
Hình 4.16 Chuyển vị điểm dưới hệ thống treo khi v=12 km/h, mấp mô h=0.05 m ............. 99
Hình 4.17 Gia tốc khối lượng không được treo cầu trước khi v=12km/h, mấp mô
h=0.05m............................................................................................................................... 99
Hình 4.18 Gia tốc khối lượng được treo khi v=12km/h, mấp mô h=0.05 m ....................... 99
Hình 4.19 Chuyển vị tương đối hệ thống treo khi v=16 km/h, mấp mô h=0.05 m ............ 100
Hình 4.20 Chuyển vị điểm dưới hệ thống treo khi v=16 km/h, mấp mô h=0.05 m ........... 100
Hình 4.21 Gia tốc khối lượng được treo trước khi v=16 km/h, mấp mô h=0.05 m ......... 100
Hình 4.22 Gia tốc khối lượng không được treo cầu trước khi v=16 km/h, mấp mô

h=0.05m............................................................................................................................. 100
Hình 4.23 Tải trọng bánh xe 12 giữa mô phỏng và tính theo công thức 4.2 ..................... 103
Hình 4.24 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng trong thí nghiệm ...................................................... 104


xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thông số cấu trúc của ĐXSMRM ........................................................................... 59
Bảng 3.2 Các phương án khảo sát đối với kích động mặt đường là loại đường ngẫu nhiên. 65
Bảng 3.3 Tổng hợp giá trị cực đại của hệ số tải trọng động (max(kd21)) bánh 21 phụ thuộc
vào vận tốc và các loại đường ................................................................................................ 68
Bảng 3.4 Tổng hợp giá trị cực đại của tải trọng động bánh 21 (max(Fz21(N))) phụ thuộc
các loại đường biểu diễn theo vận tốc .................................................................................... 71
Bảng 3.5 Giá trị cực đại của hệ số áp lực đường (max(w)) phụ thuộc vào vận tốc và các
loại đường............................................................................................................................... 74
Bảng 3.6 Tổng hợp quan hệ giữa các tham số khảo sát với loại đường A-B ......................... 77
Bảng 3.7 Tổng hợp quan hệ giữa các tham số khảo sát với loại đường B-C ......................... 78
Bảng 3.8 Tổng hợp quan hệ giữa các tham số khảo sát với loại đường C-D ........................ 79
Bảng 3.9 Tổng hợp quan hệ giữa các tham số khảo sát với loại đường D-E......................... 81
Bảng 3.10 Giá trị các tham số tải trọng đề xuất tham khảo thiết kế đường bộ...................... 82
Bảng 4.1. Các thông số thí nghiệm......................................................................................... 96
Bảng 4.2 Bảng hệ số Pearson............................................................................................... 101


1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Thời gian vừa qua ở nước ta, một số tuyến đường ô tô khi vừa mới đưa vào khai thác,

sử dụng đã xuất hiện những hư hỏng, lún vệt bánh xe, nứt, vỡ, bong tróc bề mặt mặt đường
sớm hơn so với dự báo của thiết kế; đã có nhiều nghiên cứu, trao đổi học thuật xung quanh
vấn đề vật liệu, chất lượng thi công, phương pháp thiết kế, điều tra tải trọng, lưu lượng xe,
tình trạng xe quá tải nhằm tìm ra các nguyên nhân và đề ra các giải pháp khắc phục, bước
đầu đã thu được những kết quả nhất định.
Khi ô tô chạy trên cầu/đường, gây cho nó các lực thẳng đứng cũng như các lực ngang
và dọc làm cầu đường xuống cấp. Ngược lại, cầu đường cũng tác động trở lại làm cho tải
trọng tăng theo: lốp mòn, giảm khả năng truyền lực. Theo tài liệu thiết kế đường [6, 11], hệ
số xung kích được sử dụng khi thiết kế đường chỉ phân biệt đường áo cứng và mềm. Ngày
nay, đường được phân thành đường cao tốc, đường quốc lộ, đường tỉnh lộ và đường khu
vực. Ngoài ra, tải trọng lớn như đoàn xe sơ-mi rơmoóc (ĐXSMRM) cũng lưu hành ngày
càng nhiều. Vì vậy, xác định tải trọng động của ĐXSMRM một nhu cầu cần thiết hiện nay
ở Việt Nam.

Mục đích của luận án
Mục đích của luận án là nghiên cứu thiết lập mô hình động lực học đoàn xe sơ-mi
rơmoóc chạy trên các loại đường với vận tốc khác nhau khác nhau và mấp mô mặt đường
khác nhau theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 để xác định tải trọng động làm tài liệu tham
khảo thiết kế đường bộ.

Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng dùng để lập mô hình là đoàn xe SMRM 5 cầu, gồm xe đầu kéo HYUNDAI
HD 700 ba cầu và SMRM Tân Thanh 742-S-01 CERTIFICATE, có 02 cầu.


2

Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
- Nghiên cứu lý thuyết:

(i) Sử dụng nguyên lý tách cấu trúc hệ nhiều vật (MBS) để thiết lập mô
hình động lực học đầu xe kéo sơ-mi rơmoóc. Khi tách cấu trúc, các khối lượng được gọi là
các vật (body) được mô tả toán học bởi hệ phương trình Newton-Euler, có thể xác định nội
lực cho các bài toán tối ưu.
(ii) Các lực liên kết (nội lực) như liên kết giữa cầu xe với khung xe qua hệ
thống treo, liên kết giữa xe kéo và sơ-mi rơmoóc qua khớp yên ngựa, liên kết giữa bánh xe
với đường là các lực/mô men liên kết phi tuyến, cho phép nâng cao độ chính xác và dễ
thay đổi tham số mô hình khi khảo sát.
- Nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm trên hiện trường để kiểm chứng mô
hình lý thuyết và xác định tải trọng động.

Phạm vi nghiên cứu
Tương tác lốp-đường “Road-Vehicle-Interaction” có tính phức tạp: cấu trúc của
đường nhiều lớp trên nền biến dạng và có kích thước vô hạn; phải mô hình hóa dạng phần
tử hữu hạn và mô tả bằng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng. Trong luận án nghiên
cứu sinh giới hạn nghiên cứu tác động của tải trọng theo phương thẳng đứng khi ô tô
chuyển động trên đường. Từ đó, đề xuất ra các thông số liên quan đến tải trọng để ngành
cầu đường có thể tham khảo khi thiết kế đường.

Các kết quả đã đạt được của Luận án
(i)

Đã xây dựng mô hình động lực học phương thẳng đứng đoàn xe SMRM trong
chuyển động nhằm xác định tải trọng (Model of Semitrailer-tractor in moving).
Mô hình này có thể được sử dụng khảo sát dao động đoàn xe và làm mô hình
con cho các nghiên cứu cầu/đường, nghiên cứu hệ thống treo trên xe thực;


3


(ii) Đã khảo sát xác định tải trọng động của đoàn xe khi chuyển động trên 4 loại
đường ngẫu nhiên theo ISO 8608:1995, từ đó đề xuất các hệ số tải trọng làm tài
liệu tham khảo cho thiết kế đường. 4 loại đường đó đặc trưng cho đường cao
tốc (A-B), đường quốc lộ (B-C, C-D) và đường khu vực (D-E);

(iii) Đã xây dựng hệ thống thí nghiệm dao động đoàn xe để kiểm chứng mô hình lý
thuyết và xác định tải trọng động bằng thực nghiệm của ĐXSMRM.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ở Việt Nam ít có công trình riêng biệt nghiên cứu tải trọng động; chưa có công bố
về tải trọng động ĐXSMRM là đối tượng có tải trọng lớn, có ảnh hưởng lớn lên
cầu/đường. Hệ thống đường bộ hiện nay cũng được phân định theo cấp độ và có dãy vận
tốc sử dụng cho phép khác nhau. Việc thiết lập một mô hình xác định tải trọng động làm
tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu thiết kế đường có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Luận án cũng đưa ra được một số khuyến cáo cho ngành cầu đường trong việc thiết
kế đường trong giai đoạn hiện nay khi đường được phân cấp theo ISO 8608:1995 [28] với
dãy vận tốc khác nhau.
Đã thiết kế được một hệ thống thí nghiệm để đo dao động kiểm chứng mô hình và
từ đó cũng có thể xác định được tải trọng động thông qua thực nghiệm.

Điểm mới của luận án
(i) Đã xây dựng được mô hình động lực học dao động di động phù hợp cho nghiên
cứu tải trọng động: mô hình mô tả ở trạng thái cân bằng tĩnh nên dễ dàng xác định điều
kiện đầu; đã mô tả được hệ thống treo có thanh cân bằng dọc. Đã đề xuất mô hình động lực
học ĐXSMRM cho thí nghiệm trên đường khi chưa biết mấp mô mặt đường.
(ii) Luận án đã xác định được các giá trị hệ số tải trọng cho từng loại đường ngẫu
nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 để góp phần tham khảo khi thiết kế đường.


4

(iii) Đã thiết kế được hệ thống đo dùng để kiểm chứng mô hình và từ đó cũng có
thể xác định được tải trọng động khi xe chuyển động thực trên đường.

Cấu trúc của luận án
Trong khuôn khổ của luận án tác giả thực hiện các nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu tải trọng ô tô
Chương 2: Xây dựng mô hình xác định tải trọng đoàn xe sơ-mi rơmoóc
Chương 3: Ứng dụng mô hình động lực học ĐXSMRM xác định tải trọng xuống
đường
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm


5

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TẢI TRỌNG Ô TÔ
1.1 Tổng quan về tải trọng đoàn xe sơ-mi rơ moóc
Tải trọng ô tô được xem là phản lực giữa lốp và đường, tải trọng này được xác định khi
ô tô chuyển động, được gọi chung là tải trọng theo thuật ngữ Anh “Moving dynamic
Load” [16, 33, 34].
Tải trọng ô tô được nghiên cứu trong nghiên cứu dao động ô tô rất sớm với mục tiêu
giảm tải trọng động, nâng cao độ bền và độ bền lâu các cụm và chi tiết cho xe [58]. Sau
những năm 1970, khi ô tô có vận tốc ngày càng tăng, xe chạy tới hạn bám, phản lực lốpđường được nghiên cứu nhằm bảo đảm lực khả năng truyền không giảm do tải trọng giảm,
nhất là khi phanh. Khi ô tô được điều khiển, phản lực lốp-đường còn là một thông số điều
khiển. Phản lực lốp-đường cũng là một thông số khi tối ưu hệ thống treo cổ điển và là
thông số điều khiển hệ treo bán tích cực và tích cực. Khi ô tô chạy trên cầu/đường, gây cho
cầu/đường các lực thẳng đứng cũng như các lực ngang và dọc làm cầu đường xuống cấp
[18, 23]. Ngược lại, cầu đường cũng tác động trở lại làm cho tải trọng động tăng theo, lốp
mòn, mất an toàn động lực học [3, 5, 24, 33, 38, 40].


Hình 1.1 Tác động tương hỗ lốp-đường


6
Hình 1.1 biểu diễn mối quan hệ động lực học công trình [5, 21, 29, 52]. Khi xe
chạy trên đường, thông qua lốp tác động lên đường (tải) cũng như các lực dọc và ngang,
làm cầu đường xuống cấp. Giữa xe và đường trong hệ “xe-đường” (Vehicle-Road
Interaction) được các chuyên gia cầu đường gọi là “Động lực học công trình” gồm hai mô
hình con là “động lực học ô tô” (phương thẳng đứng) và “động lực học cầu/đường”. Trong
ngành ô tô, động lực học ô tô được nghiên cứu khá hoàn chỉnh nhưng được ứng dụng làm
mô hình đầu vào cho nghiên cứu cầu đường khá đơn giản. Đến nay, mô hình về cầu (mô
hình cấu trúc) được mô tả khá hoàn chỉnh theo 2 dạng là dầm liên tục và dầm không liên
tục [5]. Về mô hình đường đến nay vẫn còn chưa hoàn chỉnh là do tính đa dạng cấu trúc
của đường: đường có nhiều tầng không đồng nhất, kích thước vô định [19]. Hình 1.2 trình
bày mối quan hệ tương tác lốp đường trong hệ “người-xe-đường”.

Hình 1.2 Tương tác lốp-đường

Khi vận hành, lái xe điều khiển xe bởi 3 thao tác là ga, phanh, quay vô lăng; thông
số thể hiện là gia tốc dọc, gia tốc ngang và thẳng đứng (ax, ay, az). Cùng với trọng lượng


7
FG, các gia tốc đó tác động xuống các bánh xe phương thẳng đứng, thông qua hệ thống
treo. Từ phía đường, kích động hình học bởi các mấp mô [58] của đường sẽ làm cho bánh
xe dao động phương thẳng đứng, sinh ra phản lực lốp đường (tải trọng động). Tải trọng
động cực đại sẽ ảnh hưởng đến độ bền phá hủy, tải trọng động chu kỳ ảnh hưởng đến độ
bền lâu. Với xe nhiều cầu, tùy khoảng cách cầu mà tải tác động lên cầu/đường có thể được
“nhắc lại” làm cho cầu/đường không có cơ hội hồi phục, nhất là đường có áo mềm [6, 15,
19]. Khi đường chịu tải, nó bị lún, có thể nứt, vết nứt có thể bị ngậm nước, quá trình đó lặp

đi lặp lại, làm đường xuống cấp, tạo ra các mấp mô lớn [3], quay trở lại làm bánh xe dao
động nhiều hơn, tải trọng động gia tăng [58]. Một yếu tố nữa là khi chuyển động, nhất là
khi phanh, lực phanh cực đại sẽ làm mòn đường làm cho mấp mô tế vi giảm; đồng nghĩa
với việc hệ số bám giảm ảnh hưởng đến chất lượng truyền lực lốp-đường. Cũng qua hình
1.2 ta dễ dàng thấy mối quan hệ qua lại giữa đường và xe: đường tốt cho phép xe phát huy
vận tốc; khi đường xấu đường sẽ hỏng nhanh làm giảm khả năng lưu hành của xe. Đến nay
mô hình xe-cầu được nghiên cứu khá ổn, còn quan hệ xe-đường vẫn còn nhiều hạn chế vì
rất khó đưa ra một mô hình chính xác cho đường vì tính đa dạng bất ổn về cấu trúc của nó.
Mô hình cấu trúc về đường là mô hình dạng phần tử hữu hạn, mô tả bằng hệ phương trình
vi đạo hàm riêng, không kết hợp được với mô hình động lực học ô tô là mô hình hệ nhiều
vật. Đến nay việc xác định quan hệ nội hàm lốp-đường (Road-Vehicle-Interaction) rất khó
khăn. Người ta sử dụng hệ số áp lực đường như một tham số ảnh hưởng của tải trọng ô tô
xuống đường. Hệ số áp lực đường được Eisenmann (trong [22]) đưa ra vào năm 1975 tỷ lệ
với mũ n=4 của tải trọng ô tô.
Các nghiên cứu sau đây đều sử dụng tải trọng ô tô:
(i) Khi nghiên cứu về cầu/đường không những cần tải trọng động cực đại để xác
định ứng xuất phá hủy mà còn cần tải trọng động chu kỳ;
(ii) Nghiên cứu độ bền của khung vỏ, dầm cầu;


8
(iii) Xác định tham số cấu trúc cho đoàn xe.
Như đã nêu trong hình 1.2, tải trọng động đoàn xe phụ thuộc các yếu tố sau:
(i) Mấp mô mặt đường: chiều cao mấp mô và vận tốc xe (tần số kích động);
biến dạng đường chưa được chú ý;
(ii) Các lực quán tính phương dọc, phương ngang của đoàn xe khi phanh, tăng
tốc và quay vô lăng. Khối lượng được treo SMRM tỳ lên khối lượng được
treo xe kéo qua khớp yên ngựa. Lực liên kết, mô men liên kết giữa chúng là
liên kết “động lực học”. Liên kết giữa khối lượng được treo và không được
treo thông qua hệ thống treo cũng là liên kết động lực học. Giữa xe kéo và

SMRM có sự phân bố lại tải.
(iii) Ảnh hưởng các lực/mô men quán tính của các khối lượng được treo xuống
bánh xe phụ thuộc kiểu và các thông số kết cấu hệ thống treo.
Hiện ĐXSMRM rất đa dạng (hình 1.3), từ các nhận diện trên, ta thấy rằng cần có một
mô hình đại diện, mô tả tải trọng tác động lên cầu/đường theo các chu kỳ khác nhau (vận
tốc khác nhau); mô tả tích hợp các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng của xe có tính chu kỳ và
lặp lại. Xe đại diện có thể là đoàn xe SMRM đang chuyển động trên cầu/đường với vận tốc
khác nhau.
Nghiên cứu ảnh hưởng tải trọng ảnh hưởng đến cầu đường: Trong thực tế tải các cầu
xe cũng thay đổi theo chủng loại xe, ta phải xác định tải tương đương. Hệ số phá đường
được tính theo một số công thức khác nhau nhưng có điểm chung là phụ thuộc mũ 4 tải
trọng động [34, 58], vì vậy cần phải xác định phản lực lốp-đường khi xe chạy. Như vậy
phải xác định tải trọng động trên đường hoặc mô phỏng. Nếu mô phỏng cần có một mô
hình tích hợp: động lực học phương thẳng đứng (lắc ngang, lắc dọc và tịnh tiến phương
thẳng đứng) và động lực học phương dọc (động lực học bánh xe tăng tốc/phanh).


9

Hình 1.3 Các dạng đoàn xe trên thế giới

1.2 Tình hình nghiên cứu tải trọng động
1.2.1 Tình hình nghiên cứu tải trọng ĐXSMRM trên thế giới
(a) Nghiên cứu lý thuyết
Trong những năm gần đây thế giới đã có nhiều công bố về nghiên cứu tải trọng động ô
tô, đặc biệt là ĐXSMRM. Sự phá hủy đường chịu 2 yếu tố là tải trọng tĩnh và tải trọng
động. Tải trọng tĩnh là thông số quy định (tải trọng trục) dùng làm cơ sở cho thiết kế
đường. Khi thiết kế đường người ta chọn tải trọng tĩnh, thường là 40kN [19], hệ số tải
trọng động là 1.3 [47].
Hệ số tải trọng động phụ thuộc kết cấu xe gồm độ cứng treo, công thức lốp, độ cứng

lốp, áp suất lốp; ảnh hưởng từ phía đường là mấp mô đường (loại đường) cùng vận tốc xe.
Do vậy yếu tố quan tâm của ngành xe là tải trọng động [42, 43, 49, 54, 59]. Có 2 lĩnh vực
là nghiên cứu ảnh của hệ thống treo nhằm giảm thiểu tải trọng động, nghiên cứu các ảnh