Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đánh giá khả năng giảm tải trọng động và thời gian tách bánh của hệ thống treo khí nén trên SMRM so với hệ thống treo sử dụng nhíp
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lưu Văn Tuấn
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2 Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 3MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án
Vận tải hàng hóa bằng đường bộ tại Việt Nam hiện nay chiếm
tỷ trọng cao so với các phương thức vận tải khác, trong đó đoàn xe
sơ mi rơ moóc (ĐXSMRM) đóng vai trò quan trọng trong mạng lưới vận tải này ĐXSMRM được biết đến là phương tiện vận tải có năng suất vận chuyển cao và mang lại hiệu quả kinh tế ở nhiều nước trên thế giới và tại Việt Nam Trong quá trình chuyển động, tải trọng động sinh ra từ các phương tiện vận tải ảnh hưởng không nhỏ đến cầu/đường và an toàn động lực học của xe Vì vậy, thực tiễn đặt ra cần phải nghiên cứu các giải pháp để giảm tải trọng động của phương tiện, trong đó có ĐXSMRM Trong khi hệ thống treo tích cực, bán tích cực cho sơ mi rơ moóc (SMRM) chưa mang lại hiệu quả so với giá thành thì giải pháp ưu việt nhằm giảm tải trọng động hiện nay là thay thế hệ thống treo truyền thống sử dụng nhíp bằng hệ
thống treo khí nén Đề tài “Nghiên cứu hệ thống treo đoàn xe theo
hướng giảm tải trọng động” có tính cấp thiết, nhằm giảm tải trọng
động và nâng cao an toàn động lực học của xe Tải trọng động là yếu
tố tác động hai chiều, một mặt tác động đến xe ảnh hưởng đến độ bền chi tiết, an toàn động lực học; mặt khác tác động đến đường gây
ra các hư hỏng Do đó, khi nghiên cứu về tải trọng động cần đặt trong mối liên hệ đường-xe
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đánh giá khả năng giảm tải trọng động và thời gian tách bánh của hệ thống treo khí nén trên SMRM so với hệ thống treo sử dụng nhíp
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là SMRM sử dụng hệ thống treo khí nén sản xuất lắp ráp tại Việt Nam
Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:
- Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình động lực học ĐXSMRM theo phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật (MBS) và phương trình Newton-Euler, trong đó lực liên kết giữa khối lượng được treo và không được treo được mô tả bởi hai mô hình con là
“nhíp” và “ballon khí” Sử dụng mô hình này để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng gồm vận tốc xe, loại đường và mức tải; đánh giá theo 5
Trang 4tiêu chí gồm hệ số tải trọng động (DLC), hệ số áp lực đường động (DLSF), hệ số tải trọng (kdmax, kdmin), phản lực bánh xe lớn nhất (Fz,max) và thời gian tách bánh (ttachbanh) Kết quả khảo sát của mô hình với hai loại hệ thống treo được so sánh với nhau để thấy tính ưu việt của hệ thống treo khí nén trong việc giảm tải trọng động và tăng tính
an toàn động lực học
- Nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm kiểm chứng mô hình động lực học ĐXSMRM đã xây dựng thông qua việc đo các thông số chuyển vị, gia tốc theo phương thẳng đứng và vận tốc dài của xe
Phạm vi nghiên cứu
Luận án tập trung vào vấn đề giảm tải trọng động cho SMRM thông qua việc sử dụng hệ thống treo khí nén Vấn đề độ êm dịu chỉ dừng ở mức không làm hư hỏng hàng hóa, có thể được thực hiện với các giải pháp khác như sử dụng hệ thống treo phụ trợ, nên không được đề cập trong luận án này
Những kết quả mới của luận án
1 Luận án đã xây dựng mô hình động lực học ĐXSMRM với hai mô hình con của nhíp và hệ thống treo khí nén để liên kết giữa khối lượng được treo và không được treo Mô hình hệ thống treo khí nén sử dụng mô hình GENSYS, là mô hình thích nghi, có thể thay đổi tham số để thực hiện các phương án khảo sát Mô hình động lực học ĐXSMRM có thể khảo sát với nhiều kích động mặt đường, vận tốc và mức tải khác nhau, được sử dụng để đánh giá khả năng giảm tải trọng động và thời gian tách bánh của SMRM Mô hình này cũng
có thể ứng dụng làm mô hình con để nghiên cứu động lực học cầu/đường
2 Luận án đã thiết lập hệ thống thí nghiệm động lực học ĐXSMRM phương thẳng đứng theo trạng thái chuyển động của xe trên đường với thiết bị hiện đại của Kistler, Dytran, Dewesoft có độ chính xác cao Thiết bị thí nghiệm đồng bộ, cho phép theo dõi trực quan đồng thời 5 thông số đo theo thời gian thực, để có thể điều chỉnh chính xác thông số đầu vào
3 Luận án đã đánh giá khả năng giảm tải trọng động của SMRM sử dụng hệ thống treo khí nén theo các tham số vận tốc xe, loại đường và mức tải; đánh giá về an toàn động lực học thông qua tiêu chí thời gian tách bánh - một vấn đề chưa được nghiên cứu nhiều tại Việt Nam Sự so sánh về tải trọng động, tải trọng cực đại, mức độ
Trang 5tách bánh của SMRM sử dụng hai loại hệ thống treo cho thấy tính ưu việt của hệ treo khí nén so với hệ thống treo kim loại (nhíp) Kết quả thu được rất có ý nghĩa, với tải trọng động có thể giảm đến 29,3%, góp phần giảm áp lực đường; thời gian tách bánh có thể giảm đến 49,7%, góp phần nâng cao an toàn động lực học của xe; vận tốc xe
có thể tăng đến 20 km/h cho thấy khả năng tăng năng suất vận chuyển của SMRM treo khí
4 Luận án đã xác định các vận tốc an toàn giới hạn của xe ứng với mỗi loại đường, mỗi mức tải, để khuyến cáo cho người sử dụng các điều kiện vận hành xe phù hợp, vừa đảm bảo tính thân thiện với đường, độ bền chi tiết, vừa đảm bảo an toàn động lực học của xe
Nội dung luận án
Nội Nội dung của luận án gồm 4 phần chính sau:
SMRM sử dụng hệ thống treo khí nén phổ biến trên thế giới, tại Mỹ đến năm 2013 loại hệ thống treo này chiếm hơn 75% sử dụng trên SMRM Tại Việt Nam, đã có một số hãng sản xuất lắp ráp loại phương tiện này như DOOSUNG, Tân Thanh
Để giảm áp lực đường, có các giải pháp như: (i ) Sử dụng cầu cân bằng; (ii) Sử dụng lốp kép; (iii) Phân bố tải trọng tĩnh; (iv) Giảm tải trọng động Các giải pháp liên quan đến sử dụng cầu cân bằng, sử dụng lốp kép đã được nghiên cứu khá sớm và các xe hiện nay đều đã
sử dụng các giải pháp này Nâng cao chất lượng đường giao thông cần mức đầu tư lớn trong một thời gian dài Trong những năm gần đây, trên xe có xu hướng sử dụng hệ thống treo có điều khiển, thay đổi độ cứng gần với giá trị lý tưởng Tuy nhiên, hệ thống treo có điều khiển chủ yếu sử dụng cho các xe du lịch, trên SMRM chưa mang lại hiệu quả do giá thành cao Do đó, sử dụng hệ thống treo khí nén thay thế cho hệ thống treo truyền thống sử dụng nhíp là giải pháp ưu việt
và khả thi hiện nay nhằm giảm tải trọng động
Trang 61.2 Hệ thống treo khí nén của SMRM
Hệ thống treo khí nén sử dụng phổ biến trên nhiều loại phương tiện từ ô tô con, ô tô khách, ô tô tải đến SMRM nhờ có nhiều ưu điểm [3] Hiện nay, không có công thức tổng quát tính độ cứng của ballon khí nén, độ cứng này phụ thuộc vào các trạng thái nhiệt động học chất khí Do đó, để xác định độ cứng ballon khí nén, cần xây dựng các mô hình hệ thống treo khí nén riêng biệt (mô hình con) Mô hình này được sử dụng để đánh giá phần tử hệ thống treo hoặc tích hợp vào mô tình toàn xe
Các mô hình hệ thống treo khí nén thông dụng hiện nay:
- Mô hình cổ điển: NISHIMURA, VAMPIRE, SIMPAC;
- Mô hình của Quaglia;
- Mô hình của Cebon;
- Mô hình sử dụng công thức Van de Waal;
- Mô hình GENSYS
Từ các phân tích cho thấy, mô hình Quaglia và mô hình Cebon
có độ chính xác cao, tuy nhiên trong điều kiện nghiên cứu của luận
án chưa thể thí nghiệm xác định đủ các tham số theo hai mô hình này Trong khi mô hình cổ điển khá đơn giản, chưa mô tả đầy đủ các thành phần của hệ thống treo khí nén, chưa phản ánh được hết tính chất phi tuyến của hệ thống treo khí nén Mô hình sử dụng công thức Van de Waal thực chất là mô hình GENSYS và sử dụng khí thực, việc xác định các thông số khí thực này bằng thực nghiệm là khó khăn Do đó, mô hình GENSYS là lựa chọn phù hợp cho luận án, vừa đảm bảo độ chính xác, mô tả đầy đủ các thành phần của hệ thống treo khí nén, vừa đáp ứng các mục tiêu đề ra của luận án Mô hình này được sử dụng để xây dựng mô hình hệ thống treo khí nén cho từng bánh xe và được sử dụng cho mô hình của ĐXSMRM
1.3 Lựa chọn tiêu chí đánh giá tải trọng
Trang 71.4 Các công trình nghiên cứu liên quan đến nội dung luận án
a) Các công trình nghiên cứu trên thế giới
- Về mô hình hệ thống treo khí nén: ngoài các mô hình hệ thống treo khí nén nếu trên, một số công trình nghiên cứu về mô hình
hệ thống treo khí nén tập trung ở hai nội dung: một là phát triển mô hình trên cơ sở các mô hình sẵn có như tác giả Jia Wang [18], Yang Chen [3], Hengjia Zhu [19] phát triển mô hình của Qualia, Nieto [35], Robinson [36] phát triển mô hình GENSYS; hai là ứng dụng
mô hình GENSYS để nghiên cứu hệ thống treo (kết cấu, điều khiển), treo cabin, tích hợp vào mô hình xe, có thể kể đến các công trình sau: tác giả Sayyaadi và Shokouchi [40], M.M.Moheyeldein [41], Gang Tang [43], Surbhi Razdan [45]
- Về tải trọng động, trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến tải trọng động của xe hạng nặng, xoay quanh các vấn đề như tiêu chí đánh giá tải trọng động, giải pháp giảm tải trọng động Có thể kể đến các công trình nghiên cứu sau: Các công trình nghiên cứu Lloyd Davis, Jonathan Bunker [29], [46], [47],
Trang 8Rosnawati Buhari [10], Owais Mustafa Siddiqui [13], Venu Mulaka [48], Peng Hu [49]
Các công trình nghiên cứu trên thế giới về hệ thống treo khí nén khá hoàn chỉnh và hình thành nên các mô hình từ đơn giản đến phức tạp, chủ yếu tập trung vào mô hình 1/4 Trên cơ sở phân tích đặc điểm của từng mô hình, luận án đã lựa chọn mô hình GENSYS
là phù hợp với điều kiện Việt Nam và mục tiêu nghiên cứu Các công trình nghiên cứu về tải trọng động cho nhiều đối tượng khác nhau từ
ô tô tải, ô tô khách đến SMRM; nội dung liên quan đến khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động, so sánh tải trọng động giữa các loại hệ thống treo và tối ưu hóa thông số thiết kế hệ thống treo nhằm giảm tải trọng động Các công trình nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động mức độ bao quát chưa rộng Trên cơ sở các công trình nghiên cứu này, luận án nhận thấy xây dựng mô hình hệ thống treo khí nén và sử dụng cho mô hình động lực học không gian ĐXSMRM là một hướng tiếp cận phù hợp; cần đánh giá một các tổng quát hơn các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động bao gồm vận tốc xe, loại đường và mức tải
b) Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam
Ở Việt Nam chưa có nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống treo khí nén, đặc biệt hệ thống treo khí nén cho SMRM Có một số công trình nghiên cứu về dao động của ô tô khách sử dụng hệ thống treo khí nén như sau: luận án tiến sĩ của tác giả Trương Mạnh Hùng [50], đã nghiên cứu về dao động của xe khách sử dụng hệ thống treo khí nén Luận án này đã tham khảo phương pháp xây dựng mô hình
hệ thống treo khí nén sử dụng mô hình GENSYS của tác giả
Một số công trình nghiên cứu về tải trọng động như: Công trình nghiên cứu của tác giả Đào Mạnh Hùng [51], công trình nghiên cứu của tác giả Lê Văn Quỳnh [52], luận án tiến sĩ của tác giả Phan Tuấn Kiệt [11], đã nghiên cứu về tải trọng động của ĐXSMRM Qua phân tích các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam, luận án đã lựa chọn mô hình GENSYS và kế thừa phương pháp xây dựng mô hình hệ thống treo khí nén của SMRM, kế thừa phương pháp xây dựng mô hình động lực học của ĐXSMRM với hệ thống treo sử dụng nhíp, kế thừa một số kết quả đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động Trên cơ sở đó, luận án thực hiện các nội dung nghiên cứu liên quan đến tải trọng động theo Hình 1.4
Trang 9Hình 1.4 Các yếu tố liên quan đến tải trọng động
1.5 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
a) Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đánh giá khả năng giảm tải trọng động và thời gian tách bánh của hệ thống treo khí nén trên SMRM so với hệ thống treo sử dụng nhíp
b) Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là SMRM sử dụng hệ thống treo khí nén sản xuất lắp ráp tại Việt Nam
c) Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:
- Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình động lực học ĐXSMRM theo phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật (MBS) và phương trình Newton-Euler, trong đó lực liên kết giữa khối lượng được treo và không được treo được mô tả bởi hai mô hình con là
“nhíp” và “ballon khí” Sử dụng mô hình này để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng gồm vận tốc xe, loại đường và mức tải; đánh giá theo 5 tiêu chí gồm hệ số tải trọng động (DLC), hệ số áp lực đường động (DLSF), hệ số tải trọng (kdmax, kdmin), phản lực bánh xe lớn nhất (Fz,max) và thời gian tách bánh (ttachbanh) Kết quả khảo sát của mô hình với hai loại hệ thống treo được so sánh với nhau để thấy tính ưu việt của hệ thống treo khí nén trong việc giảm tải trọng động và tăng tính
an toàn động lực học
- Nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm kiểm chứng mô hình động lực học ĐXSMRM đã xây dựng thông qua việc đo các thông số chuyển vị, gia tốc theo phương thẳng đứng và vận tốc dài của xe
d) Phạm vi nghiên cứu
Trang 10Luận án tập trung vào vấn đề giảm tải trọng động cho SMRM thông qua việc sử dụng hệ thống treo khí nén Vấn đề độ êm dịu chỉ dừng ở mức không làm hư hỏng hàng hóa, có thể được thực hiện với các giải pháp khác như sử dụng hệ thống treo phụ trợ, nên không được đề cập trong luận án này
1.6 Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu lựa chọn mô hình hệ thống treo khí nén;
- Nghiên cứu lựa chọn các tiêu chí đánh giá tải trọng;
- Nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học ĐXSMRM với hai mô hình con cho hai loại hệ thống treo (nhíp và khí nén);
- Khảo sát với 4 phương án về tải trọng động và an toàn động lực học;
- Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng mô hình
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐOÀN
XE SƠ MI RƠ MOÓC ĐỂ NGHIÊN CỨU TẢI TRỌNG ĐỘNG 2.1 Thiết lập mô hình động lực học ĐXSMRM
Mô hình động lực học không gian của ĐXSMRM với SMRM
sử dụng hai loại hệ thống treo được xây dựng thành 2 mô hình con, trong đó hệ thống treo khí nén được xây dựng dựa trên mô hình GENSYS Mô hình ĐXSMRM được xây dựng dựa trên phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật (MBS) và phương trình Newton-Euler
Hình 2.1 Cấu trúc và hệ tọa độ ĐXSMRM
Trang 11ĐXSMRM gồm 8 khối lượng, cụ thể như sau:
- Khối lượng được treo của XĐK (m1) đặt tại trọng tâm C1;
- Khối lượng được treo của SMRM (m2) đặt tại trọng tâm C2;
- Khối lượng không được treo của 6 cầu (mAi) đặt tại trọng tâm
Ai của các cầu, (i=1:1:6)
- Mô men quán tính của 4 thanh cân bằng dọc hệ thống treo nhíp SMRM, (JyCB21, JyCB22, JyCB31, JyCB32)
- Khối lượng dòng khí quy đổi trong hệ thống treo khí nén tại
2 k 2 kx 2 k 2 kz2 2 bx x 4 j x5 j x 6 j
j 1
4 j 5 j 6 j 6
x 2 2 i Ci1 Ki1 Ci2 Ki 2 Ti
i 4
A1 A1 A1 A1 CL11 CL12 C11 C12 K11
- (h - h )F -(h - h )F - l F - (h - r )(F F F ) (ii)
Ai Ai Ai Ai CLi1 CLi2 CKi1 CKi 2
Axi Ai i CLi1 CLi2 i CKi2 CKi1 Ti
Axi Ai i CLi1 CLi2 i Ci2 Ki2 Ci1 Ki1 Ti
Trang 12bánh xe với mặt đường, lực liên kết của khớp nối Đối với hệ thống treo khí nén, lực liên kết hệ thống treo được xác định từ mô hình GENSYS sau đây
2.2 Mô hình hệ thống treo khí nén
Mô hình GENSYS theo phương thẳng đứng được xây dựng gồm 3 thành phần: đàn hồi, cản và quán tính của dòng khí
Hình 2.9 Mô hình hệ thống treo khí nén sử dụng mô hình GENSYS
- Phương trình xác định lực liên kết của hệ thống treo:
e ez
Trang 13CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT TẢI TRỌNG ĐỘNG VÀ THỜI GIAN
TÁCH BÁNH CỦA XE SƠ MI RƠ MOÓC
