NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT TẢI TRỌNG TRÊN XE KHÁCH HYUNDAI AERO SPACE.ThS. Nguyễn Công TuấnTS. Nguyễn Quang Anh

Trong bài báo này các tác giả đã nghiên cứu một hướng đi mới để tính toán xây dựng một thuật toán giám sát được tải trọng chuyên chở cho các loại xe cơ giới, đặc biệt là xe khách, làm cơ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT TẢI TRỌNG TRÊN XE KHÁCH HYUNDAI AERO SPACE

ThS Nguyễn Công Tuấn

TS Nguyễn Quang Anh Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghệ GTVT

Abstract: Trong những năm trở lại đây, số lượng và chủng loại các loại

phương tiện cơ giới tăng lên nhanh chóng, đặc biệt là các xe vận tải hành khách và hàng hóa, tạo ra áp lực lớn đối với các công trình giao thông đường bộ Đồng thời các phương tiện này thường xuyên và liên tục chở quá tải trọng và quá tốc độ cho phép, bên cạnh đó kết cấu hạ tầng giao thông chưa phát triển, chất lượng đường bộ chưa tốt gây mất an toàn giao thông Thực tế hiện nay việc giám sát tải trọng của các xe lưu thông trên đường ở Việt Nam hiện nay mới tập trung lại ở việc xây dựng và lắp đặt các trạm cân tải trọng cố định và di động trên đường, nhưng hiệu quả sử dụng chưa cao và chưa phù hợp với thực tế Yêu cầu đặt ra là cần phải có một hệ thống giám sát tải trọng của xe một cách liên tục và chính xác để đảm bảo

an toàn cho các công trình đường bộ và nâng cao tuổi thọ cho phương tiện Trong bài báo này các tác giả đã nghiên cứu một hướng đi mới để tính toán xây dựng một thuật toán giám sát được tải trọng chuyên chở cho các loại xe

cơ giới, đặc biệt là xe khách, làm cơ sở cho việc khảo sát, thiết kế và chế thử hệ thống giám sát tải trọng để lắp đặt trên xe thực tế

Đặt vấn đề:

Trong những năm trở lại đây, hệ thống công trình giao thông cầu đường bộ trong nước đang xuống cấp trầm trọng, thậm chí cả những công trình mới được xây dựng được nghiệm thu đưa vào khai thác sử dụng Thực

tế này dẫn đến sự lãng phí rất lớn cho nền kinh tế quốc dân Một trong những nguyên nhân chính của thực trạng này là do các phương tiện giao thông luôn hoạt động với tình trạng chở hàng hóa, hành khách quá tải và quá khổ Có rất nhiều xe do chở quá tải mà bị nổ lốp, gãy nhíp, gãy cầu xe,

hệ thống phanh mất hiệu lực gây nguy hiểm cho chính xe đó và mất an toàn giao thông nói chung Việc chở quá tải trọng cho phép ngoài ra còn ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn chuyển động của xe về nhiều góc độ như: tính dẫn hướng, tính động lực học chuyển động, giảm hiệu quả làm việc của hệ thống treo, giảm tác dụng và hiệu quả của hệ thống phanh, giảm tính êm dịu chuyển động, đồng thời làm tăng lực cản lăn gây phá hủy đường và làm giảm tính kinh tế nhiên liệu của phương tiện Hệ thống cầu đường vì thế đã

bị hư hại một cách nghiêm trọng, ví dụ: Cầu Đại Tân trên QL18 bản mặt cầu liên hợp bị hư hỏng nặng, phải làm cầu tạm để đảm bảo giao thông Cầu Đuống trên QL1A cũ bị thủng lớn bản mặt cầu Cầu Hạc và cầu Bố (Thanh Hóa) trên QL1A bị vỡ bê tông đầu dầm Cầu Yên, cầu Vũng Trắm, cầu Cẩm Tiên 2 (QL1A) bị thủng lớn bản mặt cầu Cầu Phố Giàng, cầu Ngòi Lực QL70 bị vỡ bê tông… Các tuyến đường quốc lộ, liên tỉnh, liên huyện cũng bị xuống cấp trầm trọng do xe quá tải trọng QL 23, QL 5, QL

1, QL 6, QL 23… nhiều cung đường, mặt cầu bị hư hỏng nghiêm trọng Nhiều tuyến đường chưa hết thời hạn bảo hành nhưng đã xuất hiện các vết lồi lõm, bong tróc nguy hiểm

Phương tiện chở quá tải trọng gây phá hủy cầu, đường có thể là tải trọng tác động lên kết cấu, có thể là hiệu ứng tải nào đó như ứng lực mặt cắt, ứng suất trên một mặt cắt, nói cách khác nó đặc trưng cho tác động xuống công trình giao thông Khi tải trọng thực tế vượt quá giới hạn chịu tải của cầu, đường sẽ gây ra rất nhiều hậu quả, cụ thể là:

Làm hư hỏng khe co giãn: Khe co giãn của cầu bị hư hỏng, gây ra hiện tượng nước và đất cát bẩn trên cầu chảy xuống bản mặt cầu, hệ liên kết ngang, dầm, gối cầu Ảnh hưởng đến việc đi lại không êm thuận của các phương tiện, có thể gây ra xung kích cho các bộ phận kết cấu của cầu Tải trọng phá hủy mặt đường: làm cho mặt đường bị bong tróc lớp bê tông nhựa, rạn nứt theo hướng dọc và hướng ngang, làm cho nước mưa thấm vào các lớp bên trong gây phá hủy, lâu ngày tạo sóng hay ổ gà trên đường

Làm hư hỏng liên kết ngang: Hư hỏng này ảnh hưởng lớn đến sơ đồ làm việc không gian của toàn bộ kết cấu nhịp cầu cũng như làm việc cục bộ của dầm ngang hay bản mặt cầu Hư hỏng chủ yếu là tụt hay đứt cáp, tại các khe dầm nối ngang bị bong vỡ lớp bê tông lộ cốt thép bên trong gây gỉ Làm hư hỏng gối cầu: gối cầu bị gỉ vẩy, gối cao su bị lão hóa gây bẹp lún không đều, con lăn của gối bị nghiêng lệch quá giới hạn cho phép, do lực hãm phanh của tải trọng gây ra

Thực tế hiện nay việc giám sát tải trọng chuyên chở trên các phương tiện vận tải, nhất là các xe tải cỡ lớn, xe khách cỡ lớn và các loại xe máy chuyên dùng còn nhiều hạn chế, mới chỉ dừng lại ở việc lắp đặt và sử dụng các trạm cân cố định và lưu động Nhưng việc này không thể giám sát tải trọng một cách liên tục và chính xác, gây khó khăn cho công tác giám sát

và quản lý của doanh nghiệp cũng như của Nhà nước Do đó, trên cơ sở tài liệu tham khảo và xe thực tế, bài báo đưa ra một cách tính toán để xác định mối quan hệ giữa biến dạng của hệ thống treo khí nén điện tử với tải trọng của xe, qua đó xây dựng thuật toán để thiết kế một hệ thống giám sát tải trọng phù hợp với Việt Nam

Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Trong bài báo này các tác giả sử dụng đối tượng nghiên cứu là xe khách Hyundai Aero Space 45 chỗ ngồi Loại xe này có sử dụng hệ thống treo bằng khí nén điện tử, kết hợp thêm cảm biến độ cao vị trí của sàn xe, cho phép xây dựng một cách tính toán khả thi trong việc thiết kế hệ thống giám sát tải trọng Bài báo đưa ra phương pháp nghiên cứu bằng cách nghiên cứu

sự thay đổi áp suất trong buồng khí nén của hệ thống treo khi tải trọng thay đổi, kéo theo sự thay đổi của phần tử điện áp, thông qua hoạt động của các cảm biến đo chiều cao sàn xe và cảm biến áp suất, qua đó xây dựng đường cong đặc tính tải của phần tử đàn hồi khí nén, để làm cơ sở tính toán

Cơ sở lý thuyết của bộ phận đàn hồi

Bộ phận đàn hồi của hệ thống treo khí nén là các buồng khí có môi chất là khí nén, áp lực khí nén được tạo ra phụ thuộc vào tải trọng bên ngoài

Với Fp: Tải trọng đặt lên buồng đàn hồi; pa: Áp suất khí quyển

p: Áp suất khí nén trong buồng đàn hồi; S: Diện tích làm việc buồng đàn hồi Fpi = (pi -pa).S hay Fpi = pz .S [N] (1) Trong đó pz: Độ chênh lệch áp suất của buồng khí nén

S =

4



.d2

w với dw là đường kính buồng khí nén Khi dw thay đổi thì S thay đổi nên ta có thể viết S = f(z) Ở trạng thái tĩnh tải trọng đặt lên buồng đàn hồi là: Fs = (ps- pa).S [N] (2) Trong đó: ps là áp suất khí nén ở trạng thái tĩnh

Hình 1: Mối quan hệ của Fp và z

Với loại buồng gấp, trong khoảng làm việc nhất định, buồng đàn hồi khi bị nén lại có thể làm giảm diện tích làm việc, do đó cần thiết phải tạo dáng pittông một cách thích hợp

Trên đường đặc tính trên xác định tại z = 0, tương ứng với chiều cao tĩnh của buồng đàn hồi, quan hệ của áp suất pz là không thay đổi Trong thực tế các đường cong này còn được xác định sao cho: áp suất pz được giữ không cho thay đổi (khoảng 0,5 Mpa) Như vậy, quan hệ giữa F và z ở trạng thái tĩnh cho với áp suất không đổi

Sự biến đổi của S theo khoảng nhỏ dz gọi là hệ số biến đổi diện tích

làm việc: U = dS

dz (3) Khi z = 0, áp suất khí nén khoảng 0,5 Mpa Giá trị này của U như sau:

U > 0 – diện tích làm việc tăng lên

U = 0 – diện tích làm việc không đổi

U < 0 – diện tích làm việc giảm đi

Giá trị U có thể biểu thị nhờ thể tích bên trong không gian làm việc bên trong Nếu như thể tích làm việc giảm xuống, ta có quan hệ về sự biến đổi thể tích của buồng khí nén

dV = - dS.dz hay dV

dz = - dS (4)

Đạo hàm một lần nữa: d V22

dz = -dS

dz = -U (5)

Ở đây: U = -d V22

dz gọi là hệ số biến đổi diện tích khi thay đổi chiều cao

Đặc tính tải của buồng đàn hồi:

Quan hệ S = f(z), S = f(pp) hay V = f(z) được gọi là đặc tính hình học của buồng đàn hồi

Ở trạng thái tĩnh buồng đàn hồi được đặc trưng bởi các thông số:

- Chiều cao tĩnh của buồng đàn hồi hs (chiều cao cần đạt của buồng đàn hồi)

- Tải trọng tĩnh của buồng đàn hồi F

- Diện tích làm việc Ss hay hệ số biến đổi diện tích làm việc Us

Ta có phương trình trạng thái biểu thị quan hệ của áp suất và thể tích:

p.Vn = const [Mpa.m3] (6) Quan hệ của các trạng thái: ps.Vn

s = p.Vn [Mpa.m3] (7) Trong đó:

- ps = pPs + pa: Áp suất tuyệt đối của khí nén với chiều cao tĩnh của buồng đàn hồi

- p = pp + pa: Áp suất tuyệt đối của khí nén với chiều cao thay đổi của buồng khí nén

Thay vào công thức (3.5) và biến đổi:

pp = Vs V 

 

2.(pps+pa)-pa [Mpa] (8)

Trong đó: pa: Áp suất khí quyển

- pps: Áp suất đàn hồi ở chiều cao tĩnh hs

- pp: Áp suất buồng đàn hồi ở chiều cao tức thời

- V: Thể tích buồng đàn hồi ở chiều cao tức thời

- Vs: Thể tích buồng đàn hồi ở chiều cao tĩnh

Để giả thiết trên là đúng thì khí nén trong buồng đàn hồi phải thỏa mãn giả thiết sau: Khi biến dạng, lưu lượng của buồng đàn hồi không thay đổi, tức

là khi làm việc buồng đàn hồi không nạp và xả khí nén bằng van điều chỉnh

Khi bị nén, pittông dịch chuyển một đoạn z Thể tích buồng khí nén ở trạng thái tức thời: V = Vs - S.z [m3] (9)

Ta có: pp = Vs V 

 

n ps = ps V Vs S z. 



n [Mpa] (10)

Tải trọng F đặt lên buồng đàn hồi ở chiều cao làm việc tức thời (z) và diện tích tức thời S: F = S.pp [N]

F = [Vs V 

 

n.ps - pa].S =

n s

s a n

s

V

p p

V S.z





.S [N] (11)

Trong công thức (10), V = f(z) (bỏ qua sự thay đổi nhỏ của S bởi sự thay đổi áp suất) Quan hệ này có thể biểu diễn bằng đồ thị với áp suất không đổi Hay lực tác dụng (pp= f(z)).Quan hệ F = f(z) gọi là đặc tính tải của buồng đàn hồi

Hệ số mũ đa biến (n) phụ thuộc vào tốc độ thay đổi thể tích của buồng đàn hồi, nhiệt độ môi trường, tốc độ dòng khí của môi trường

Ta có thể giả thiết như sau:

- Khi xe chạy trên đường không bằng phẳng, sự thay đổi thể tích nhanh

n = 1.38 (hay n =1,40) Ứng với trạng thái pVn = const

- Khi xe chạy vào đường vòng hoặc quay vòng (có sự nghiêng ngang thân xe) sự thay đổi thể tích chậm n = 1 Ứng với trạng thái pV = const

- Quan hệ F = f(z) khi n = 0 Ứng với trạng thái pp = const

Ta có đường đặc tính tham khảo

Hình 2: Đặc tính tải của phần tử đàn hồi khí nén

Đường cong khi n = 1,0 gọi là đặc tính tải tĩnh của buồng đàn hồi Đường cong khi n = 1,4 gọi là đặc tính tải động của buồng đàn hồi

* Buồng đàn hồi có thể tích phụ:

Hình3 : Ảnh hưởng của buồng thế tích phụ tới đặc tính tải

Thể tích phụ có ảnh hưởng lớn đến đường đặc tính tải của phần tử đàn hồi Các thể tích phụ có thể là buồng dự trữ hay là hộp dự trữ như ở hình 3 Nếu tính cả buồng thể tích phụ Vd này thì thể tích tại trạng thái tĩnh là:

Vs+Vd, khi chịu tải thay đổi V+Vd Như vậy:

F = s d

s a d

V V

p p

V V

n



S [N] (12)

Phương trình này gọi là đặc tải tính tải của buồng đàn hồi có bình khí phụ

Cùng với sự tăng của Vd tỉ lệ s d

d

V V



 càng giảm, có nghĩa là giảm lực F

Nếu Vd  thì s d

d

V V



 1, hay là F = f(z) có quy luật khi n = 0

Độ cứng của phần tử đàn hồi khí nén.

Độ cứng của buồng đàn hồi có thể xác định từ đường đặc tính tải trọng thực nghiệm bằng cách xây dựng đường tiếp tuyến của đường cong F = f(z) tại điểm khảo sát Công thức của nó được tính tại lân cận điểm z = 0 như trên hình vẽ, với:

C = ( 10) ( 0)

10

F z  F z

Hình 4: Xác định độ cứng của buồng đàn hồi

Mặt khác, độ cứng của buồng đàn hồi còn được còn được xác định theo lý thuyết Định nghĩa độ cứng như sau:

C = dF dz 

  (N/m) (14) Nếu coi F=S.pp, với sự thay đổi thể tích của buồng đàn hồi dẫn tới thay đổi áp suất khí nén và diện tích truyền tải trọng thì:

C = dF

dz

1

n

s s n s

n p V S

V S z 



[N/m] (15)

Từ (3.13) thấy độ cứng của phần tử đàn hồi C bao gồm hai thành phần: Độ cứng do thay đổi thể tích V, độ cứng độ cứng thay đổi diện tích S

Độ cứng thể tích tạo nên bởi sự thay đổi thể tích và phụ thuộc vào áp suất tuyệt đối ps và áp suất khí nén pps

Độ cứng diện tích được tạo nên bởi sự thay đổi diện tích làm việc hữu ích Sự giảm thấp độ cứng C trong thực tế được tiến hành bằng sự thay đổi diện tích làm việc của pittông

Ở trạng thái tĩnh (f = 0) độ cứng của buồng

đàn hồi được xác định:

Cs=

2

.s

s

n p S

V [N/m] (16)

Với ps là áp suất tuyệt đối tương ứng với chiều cao

tĩnh của buồng đàn hồi (Hs)

Với tải trọng đặt lên buồng đàn hồi:

F = Fs = pps.S = (ps-pa).S

Độ cứng ở trạng thái tĩnh là:

Cs = ( s a ).

s

n F p S S V



[N/m] (17)

Ở trạng thái làm việc của buồng đàn hồi, độ cứng của buồng đàn hồi được

xác định: Cz = n F( z p S S a ).

V



[N/m]

Trong đó: Fz là tải trọng ở trạng thái làm việc đặt lên buồng đàn hồi

Khi tải trọng thay đổi thì áp lực của khí nén được xác định:

P =

.

z a

F p S S



(18)

Trong trường hợp khối lượng khí không đổi, tồn tại sự thay đổi thể tích khí

do sự thay đổi nhỏ của tải trọng thì:

V = s .

s

p V

.

s a

s

z a

F p S

V

F p S



 (19)

Độ cứng của phần tử đàn hồi khi đó:

Cz = n F.( z p S S a ).

V

z a

n F p S S

F p S V



 (20)

Tính toán xây dựng đường đặc tính của buồng thể tích đến đặc tính tải

Chọn buồng khí nén cho hệ thống treo trước:

Căn cứ vào bảng thông số buồng khí tiêu chuẩn và hệ thống treo trước có hai buồng khí nén, chọn buồng khí nén kí hiệu B70 (loại buồng gấp) với những thông số sau:

Fmax = 30 [kN] ; Dmax = 320 [mm] ;

pi = 0,5 Mpa = 0,5.106 Pa = 0,5.106 N/m2 = 500 (kN/m2)

V = 7,6 [dm3]; S = 4,8 [dm2]

b Tính toán

Ở trạng thái tĩnh V = 7,6 dm3 =7,6.10-3m3 ; S = 4,8 dm2 = 4,8.10-2 m2

Do V = S.h nên chiều cao của buồng khí :

h = V/S = 7,6.10-3/4,8.10-2 = 0,1583 (m)

Và ta có Fpi = (pi - pa).S hay

pi a

F

pi p

S

Khi thêm tải, tải tác dụng lên buồng khí lực Ft Khi đó áp suất của buồng khí là p Thể tích của buồng khí lúc này là V Ta có Fp = (pi-pa) S và

Fp = Fpi+Ft Do p.V = pi.Vi nên

Thay p và p0 vào ta có:

Biến đổi biểu thức trên và chú ý: V=S.h ta thu được: . 2

i t

z p S F

V S z





Thay V= 7,6 dm3 = 7,6.10-3 m3 ; S = 4,8 dm2 = 4,8.10-2 m2 ; pi= 500

(kN/m2) vào biểu thức ta có: .50.4,8 2

7,6 48.

t

z F

z





(kN)

.

i i

V

p V S h z h z



2

.

t

t

V F

z

S F pi S





Nếu chọn p0 lần lượt lấy các giá trị khác nhau pi= 6, 7, 8,9 bar thì Ft tương

ứng được xác định theo biểu thức:

Bảng 1: Bảng các giá trị Ft tương ứng theo z

2

.60.4,8 7,6 48.

t

z F

z



2

.70.4,8 7,6 48.

t

z F

z



2

.80.4,8 7,6 48.

t

z F

z



2

.90.4,8 7,6 48.

t

z F

z



Hình 5: Biểu đồ mô tả quan hệ giữa z và Ft

Kết luận:

Bài báo đề xuất một hướng xây dựng thuật toán để thiết kế hệ thống giám sát tải trọng của ô tô, trên cơ sở ban đầu là xây dựng đường đặc tính thể hiện mối quan hệ giữa sự biến dạng z và tải trọng tĩnh Ft Kết hợp với các cảm biến độ cao sàn xe và cảm biến áp suất để mở ra một hướng đi khả thi trong chế thử và sản xuất hệ thống này ở Việt Nam

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Inform.wabco-auto.com/intl/pdf/815/01/78/01/464006.pdf.

2 Dl.acm.org/citation.cfm?id=2095260

3 www.vehicledynamics-expo.com/09vdx /10_Vijay_Kumar.pdf

4 www.volkspage.net/technik/ssp/ssp/SSP_243.pdf

Trang tin điện tử Bộ Giao thông vận tải www.mt.gov/vn.

5 TS Trương Hữu Trí TS Võ Thị Ri Giáo trình cơ điện tử NXB: Khoa học

kỹ thuật.