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

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

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

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


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



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



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,

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


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




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


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 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

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

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:

(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

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

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