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 và với các mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO
8608:1995 để xác định tải trọng làm dữ liệu tham khảo khi thiết kế
đường.
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 742S-01CERTIFICATE có 02 cầu.
Phương pháp nghiên cứu

1.1 Tổng quan
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 động theo thuật ngữ Anh “Moving dynamic Load”.
Các nghiên cứu sau đây đều sử dụng tải trọng:
- Khi nghiên cứu về cầu/đường không những cần tải trọng
cực đại để xác định ứng xuất phá hủy mà còn cần tải trọng chu kỳ.
- Nghiên cứu độ bền của khung vỏ, dầm cầu.
- Xác định tham số cấu trúc cho đoàn xe.
Tải trọng đoàn xe phụ thuộc các yếu tố sau:
- Mấp mô mặt đường: chiều cao mấp mô và vận tốc xe (tần
số kích động);
- Các lực quán tính phương dọc, phương ngang của đoàn xe
khi phanh, tăng tốc và quay vô lăng. Sự thay đổi tải trên 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. Ảnh hưởng


3
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.
1.2 Tình hình nghiên cứu tải trọng động ô tô
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
(a) Nghiên cứu lý thuyết
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].
Vấn đề nghiên cứu tải trọng động của ô tô trong các nghiên

4
1.2.2 Tình hình nghiên cứu tải trọng động ở Việt Nam
Hiện nay, ở Việt Nam đang áp dụng hai tiêu chuẩn tính
toán thiết kế mặt đường mềm là 22TCN 211 - 06 và 22TCN 274 –
01 [11].
Qua nhiều kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã khẳng định
độ lớn của tải trọng trục, khoảng cách giữa các trục, cụm trục,
chủng loại bánh xe, áp lực bánh xe trên mặt đường, áp suất trong
bánh xe đều có ảnh hưởng tới tuổi thọ của kết cấu mặt đường.
Trong đó, độ lớn của áp lực bánh xe có ảnh hưởng nhiều nhất tới
biến dạng và các hư hỏng các lớp phía trên bề mặt mặt đường.
Từ đó ta thấy rằng, khi thiết kế hay thẩm định đường cần
hai thông số là tải trọng tương đương của cầu và tải trọng động.
Tải trong cầu xe là tải trọng tĩnh tương đương được luật quy định.
Yếu tố thứ 2 là tải trọng động phụ thuộc phía xe, bao gồm vấn đề
nghiên cứu hoàn thiết kết cầu giảm tải trọng động và nghiên cứu
các yếu tố ảnh hưởng trọng đến đường.
Nhu cầu sử dụng tải trọng động để nghiên cứu trong ngành
cầu đường và ngành ô tô là rất lớn. Tuy nhiên, việc đánh giá tải
trọng động còn hạn chế, chỉ nghiên cứu cho các dòng xe cỡ nhỏ và
trung bình, chỉ dừng lại ở mô hình ¼ hoặc 1/2. Hiện chưa có một
công trình nào về nghiên cứu xác định tải trọng động đoàn xe.
1.2.3 Tiêu chuẩn đánh giá
Khi đánh giá ảnh hưởng của tải trọng động ô tô đến cầu
đường, trong các nghiên cứu trước đây thường sử dụng các tiêu chí
đánh giá là hệ số tải trọng động, hệ số áp lực đường.
Do đó khi thiết kế đường người ta chọn tải trọng tĩnh
(tương đương) và nhân với hệ số tải trọng động. Tải trọng tĩnh quy
đổi hiện nay ở Việt Nam cũng như trên thế giới cũng chọn không
thống nhất [11].

tiêu chuẩn ISO 8608:1995 nhằm xác định một bộ dữ liệu về tải
trọng để ngành cầu đường có thể tham khảo khi thiết kế đường.
1.5 Nội dung luận án
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 sơmi rơmoóc
Chương 3: Ứng dụng mô hình xác định tải trọng động xuống
đường
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 2. MÔ HÌNH TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐXSMRM
2.1 Phân tích cấu trúc đoàn xe SMRM
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.
2.2 Phương pháp lập mô hình toán
Đoàn xe SMRM có cấu trúc phức tạp nên phương pháp tách
cấu trúc hệ nhiều vật MBS là phù hợp. Thiết lập hệ phương trình
theo Newton-Euler tổng quát.
2.3 Định nghĩa hệ tọa độ cho đoàn xe SMRM
Để có thể thiết lập được hệ phương trình vi phân cho mô hình, ta


6
cần định nghĩa các hệ tọa độ như hình 2.1:

Hình 2.1 Hệ tọa độ của ĐXSMRM

2.4 Lực và mômen tác dụng lên đoàn xe SMRM
Khi đoàn xe có 7 khối lượng được tách theo nguyên lý tách cấu
trúc ta có các lực tác dụng lên các vật như hình 2.2:


'
'
'
F

F
(

)
h

h
(
F

)
r

h
)(
F

F
(


x32 )( hC 1  r3 )
x31
k1
C1

M

)w
F

F

F

F
(

T3
T2
T1
kx
3
K 31
C 31
K 31
C 31

 m (&
&
&
F

F

F

'
'
'

)( hC 2  r5 )
 Fx52
)( hC 2  r4 )  ( Fx51
 Fx42
 Fkz 2lk 2  ( Fx41

M

M

M

M

)
h

h
(
F

52
51
42
41
k



z&
mAi &

Ai  FCLi1  FKLi1  FCLi 2  FKLi 2  FCi1  FKi1  FCi 2  FKi 2

&
&
 J Axi  Ai  ( FCi1  FKi1  FCi 2  FKi 2 )wi  ( FCLi 2  FKLi 2  FCLi1  FKLi1 )bi



j 2

i 3
3
( m  m )x&
&
Ai
C1   Fxij  Fwx  Fkx1
 C1 
i 1
i , j 1

j 2

i 5
5
( ii )

Xác định tải trọng bánh xe
Tải trọng bánh xe: Fzij = FGij  Fz ,dyn
Trong đó : FG ij là tải trọng tĩnh; Fz,dyn là tải trọng động.
Fz ,dyn ij  FCl ij  CLij ( hij   Aij )

Fz ,dyn ij  mAij&&
Aij  ( FCij  FK ij )

(2.24)

&&
Fz ,dyn ij  mCij &
z&
Cij  mAij  Aij
2.7 Cấu trúc mô hình mô phỏng xác định tải trọng ĐXSMRM

Hình 2.16 Cấu trúc chương trình

Chương 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC
ĐXSMRM XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG ĐỘNG XUỐNG ĐƯỜNG


9
3.1 Định nghĩa thông số đầu vào
3.1.1 Thông số từ mặt đường
Dựa vào ISO 8608, có 4 dạng mấp mô chuẩn lấy tương
ứng với hmax=[0.015 0.025 0.05 0.1] theo các chỉ số A-B; B-C; CD; D-E với các thông số đường ngẫu nhiên [21,49], ta tính được Ci
từ các tần số fmin=0,05Hz, fmax=50Hz dựng ra được biên dạng
đường và chạy ở cùng mức vận tốc v=40km/h. Hình 3.1 là biên
dạng 4 loại đường “rất tốt A-B”, “tốt B-C”, “trung bình C-D” và

c1,0  xc 2,0  0

 x&c1,0  x&c1,0  V0

(3.4)

(3) Điều kiện đầu các phương trình động lực học bánh xe
Từ 10 phương trình động lực học bánh xe (2.11) sẽ xác


10
định vận tốc góc các bánh xe

φ&ij của ĐXSMRM. Điều kiện đầu

của các phương trình là:
 & V0
ij,0  r
(3.5)
ij ,0

&
ij,0  0
&
3.1.4 Thông số cấu trúc
Thông số cấu trúc của ĐXSMRM: kích thước hình học, khối
lượng, mô men quán tính, độ cứng lốp, độ cứng nhíp, hệ số giảm
chấn, như bảng 3.1
3.1.5 Thông số đánh giá
- Hệ số tải trọng động (kd) [ 15, 49]. Hệ số kd được tính như


i 1,j 1

3.2 Nội dung khảo sát
Bảng 3.2 Các phương án khảo sát đối với kích động mặt đường là
loại đường ngẫu nhiên

3.3 Kết quả khảo sát
Kết quả khảo sát với 04 loại đường theo tiêu chuẩn ISO 8608


11
i) Các giá trị khảo sát của bánh xe 21 tương ứng với 4 loại
đường

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

Nhận xét hệ số tải trọng cực đại của bánh xe 21: Tương
ứng các loại đường A-B, C-D, D-E, E-F hệ số tải trọng tăng đến
1.5; 1.67; 1.79; 2.48 tại vận tốc 120 km/h. Cùng một loại đường xu
hướng của hệ số max(kd21) có xu hướng tăng lên khi vận tốc tăng.
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


12
Căn cứ bảng 3.4, ta thấy giá trị tải trọng động lớn nhất khi
xe chạy với vận tốc 120km/h tương ứng loại đường xấu nhất (D-E,
Fz21,max= 77,470N). Cùng 1 loại đường, giá trị này tăng khi vận

Bảng 3.6 Tổng hợp quan hệ giữa các tham số khảo sát với loại đường A-B

Bảng 3.7 Tổng hợp quan hệ giữa các tham số khảo sát với loại đường B-C


14
Bảng 3.8 Tổng hợp quan hệ giữa các tham số khảo sát với loại
đường C-D

Bảng 3.9 Tổng hợp quan hệ giữa các tham số khảo sát với loại
đường D-E


15
Căn cứ vào phương án khảo sát nêu ra bảng 3.2, các tiêu
chuẩn về tốc độ tối đa cho phép xe lưu thông trên các loại đường
và các bảng 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, ta có thể đề xuất ra bảng 3.10 các
tham số tải trọng tham khảo cho thiết kế đường bộ.
Bảng 3.10 Giá trị các tham số tải trọng đề xuất tham khảo thiết
kế đường bộ

Với bảng 3.10 này các giá trị hệ số tải trọng động cực đại
(hay còn gọi là hệ số xung kích) được đưa ra với một ngưỡng khác
với các tài liệu thiết kế đường hiện hành [4] (giá trị hiện hành được
chọn là 1.2 cho các loại đường).
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1 Mục tiêu thí nghiệm
Trong nghiên cứu của luận án, chương 4 cần đạt 2 mục tiêu như
sau:
- Kiểm chứng mô hình lý thuyết được thiết lập ở chương 2;

Hình 4.6 Cảm biến đo vận tốc
góc encoder

Hình 4.5 Cảm biến siêu âm
US-015

Hình 4.4 Hình dạng và sơ đồ
Hình 4.8 Hộp xử lý tín hiệu &
chân của cảm biến MMA7361L
kết nối máy tính NI USB-6210
4.5 Quy trình thí nghiệm
Trong luận án, so sánh các thông số sau:
(i) Gia tốc khối lượng được treo
(ii) Gia tốc khối lượng không được treo
(iii) Chuyển vị tương đối giữa khối lượng được treo và không
được treo
(iv) Chuyển vị tương đối lốp-đường (biến dạng hướng kính
của lốp)
4.6. So sánh kết quả
i) Tham số so sánh
Đối tượng được chọn để thiết lập ở mô hình lý thuyết trong
chương 2 và mô hình thí nghiệm là SMRM tương đương về tham
số cấu trúc. Thông số đầu vào tương đương giữa thí nghiệm và mô
phỏng (theo thí nghiệm) là vận tốc xe và mấp mô. Mấp mô được
tạo ra cố định trên mặt đường, là mấp mô đơn có chiều cao
H=0.05m (hình 4.10). Khi thí nghiệm không ổn định được vận tốc
nên vận tốc được đo và làm thông số đầu vào cho mô phỏng.
ii) Các thông số thí nghiệm
- Các thông số đầu vào: mấp mô h(t) và v(t).
- Tải thí nghiệm và mô phỏng: Do điều kiện thí nghiệm

cứu đi qua hết mấp mô, là thời gian tính sai số. Hai dạng đồ thị
giữa thí nghiệm và mô phỏng có dáng điệu tương đồng.


19

Hình 4.11 Chuyển vị tương đối
hệ thống treo khi v= 6km/h

Hình 4.12 Chuyển vị điểm dưới
hệ thống treo khi v= 6km/h

Hình 4.13 Gia tốc khối lượng
được treo khi v=6km/h

Hình 4.14 Gia tốc khối lượng
không được treo khi v=6km/h

(b) Thí nghiệm với vận tốc v=12 km/h:

Hình 4.15 Chuyển vị tương đối
hệ thống treo khi v=12 km/h

Hình 4.16 Chuyển vị điểm dưới hệ
thống treo khi v=12 km/h

Hình 4.17 Gia tốc khối lượng
không được treo cầu trước khi
v=12km/h



R=

yTNi



-a yTN a yMPi -a yMP



i=1

 a
N

i 1

yTNi

-a yTN

  a
2 N

i 1

yMPi

-a yMP


21
4.8. Xác định tải trọng gián tiếp
(i) Nhu cầu xác định tải trọng bằng thực nghiệm
Bằng thực nghiệm có thể xác định tải trọng theo 2 cách: đo
trên đường và đo trên xe. Đo trên đường có hạn chế là phải nhiều
cảm biến, phải đào đường, cố định vị trí đo, cho kết quả trung bình
nên không sử dụng được cho nghiên cứu động lực học. Đo tải
trọng phía xe là phương pháp gián tiếp, gắn các cảm biến lên xe,
xác định các thông số có thể đo được và tính gián tiếp tải của các
bánh xe. Phương pháp đo trên xe có ưu điểm là dùng ít cảm biến,
cơ động, có khả khả năng đáp ứng các bài toán nghiên cứu sau đây:
(a) Các nghiên cứu về động lực học trên đường sau đây đều
cần xác định tải trọng bánh xe như nghiên cứu về quá trình phanh,
quay vòng, ổn định trượt, ổn định lật, các bài toán nghiên cứu về
các hệ thống điều khiển tích cực.
(b) Khi nghiên cứu về cầu/đường ta cần các tải trọng theo
thời gian khi xe chạy (thí nghiệm) trên đường làm thông số ngoại
lực cho thí nghiệm cầu đường.
(c) Khi kiểm chứng mô hình động lực học ta cần so sánh
(mô hình) thí nghiệm với mô phỏng.
(ii) Cơ sở lý thuyết xác định tải bằng thí nghiệm phía xe
Ở chương 2, ta đã xác lập 3 công thức tính tải trọng động
(công thức 2.24). Công thức thứ nhất, tải trọng động xác định được
khi đo được biến dạng hướng kính lốp, phương án này khó thực
thi. Phương pháp 2 là xác định tải trọng động thông qua xác định
gia tốc cầu và nội lực hệ thống treo, phương pháp này dùng tối
thiểu 3 cảm biến và khó bố trí. Phương án 3 là đo gia tốc khối
lượng được treo và không được treo, phương án này dễ thực hiện.
Trong mục này, NCS đề xuất xác định tải bằng đo gia tốc


&
&
Fz12  FG12  mC12 &
z&
C12  mA12 A12

Hình 4.24 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng trong thí nghiệm


23
4.9 Kết luận chương 4
i) Đã xây dựng được hệ thống đo dao động khi xe chuyển
động. Hệ thống đo này đã đáp ứng mục tiêu thí nghiệm kiểm
chứng và gián tiếp xác định tải trọng, là thông số quan trọng trong
các nghiên cứu tải trọng động của ô tô đối với cầu đường.
ii) Đã thí nghiệm dao động đoàn xe với kích động tường
minh. Đại lượng thứ nhất so sánh là các thông số gia tốc phương
thẳng đứng của cầu xe và thân xe, đại lượng thứ 2 dùng để so sánh
là các khoảng cách từ thân xe xuống cầu xe và từ cầu xe xuống
đường cả 2 phương pháp đo được so sánh với kết quả chạy từ mô
hình đều có dáng điệu gần trùng nhau, có hệ số R bé nhất là 0.609,
cao nhất là 0.907. Như vậy, mô hình chương 2 đã được kiểm
chứng, mô hình này được dùng khảo sát các trường hợp để đáp ứng
mục tiêu đã đặt ra ban đầu.
iii) Đã xác định (gián tiếp) phản lực Fz bằng thực nghiệm.
Kết quả đo có dáng điệu tương đồng giữa thí nghiệm và mô phỏng.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết quả đạt được và đóng góp mới của luận án
(i) Đã xây dựng được một mô hình động lực học của

(iv) Đã đề xuất mô hình mô phỏng đề so sánh khí thí
nghiệm.
2. Một số hạn chế
Mô hình thành lập chương 2 mới chỉ khảo sát một loại
kích động ngẫu nhiên với kích động 2 phía giống nhau và chỉ xác
định được các tham số tải trọng động cho thiết kế đường. Mô hình
trên có thể khảo sát ảnh hưởng của đường khi bị hư hỏng (đường
lồi/lõm [3]) bằng các kích động đơn lồi/lõm để xác định mức độ
cần duy tu của đường. Có thể khảo sát kích động 2 phía khác pha.
3. Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Luận án mới chỉ xác định được hệ số tải trọng động và hệ
số áp lực đường mà bên thiết kế đường có thể tham khảo. Tuy
nhiên quan hệ nội hàm giữa đường-xe là vô cùng phức tạp
(Vehicle-Road-Interaction). Tác động của xe xuống đường không
những ảnh hưởng bởi tải trọng động, hệ số xung kích, lực xung
kích như tính toán trong luận án, tương tác của xe ảnh hưởng đến
tuổi thọ đường, đến độ bền phá hủy còn phụ thuộc công thức bánh
xe, khoảng cách trục, diện tích vết tiếp xúc, mức độ quá tải. Điều
này sẽ có kết quả khi có sự kết hợp nghiên cứu giữa ngành đường
và xe trong một mô hình động lực học công trình (Vehicle-RoadModel) để xác định tuổi thọ của đường một cách chính xác hơn.
- Có thể dùng mô hình để khảo sát các mấp mô đơn cho
trước (1 phía, 2 phía, 2 phía lệch nhau, nhiều mấp mô đơn liên
tiếp...) để tìm ra vận tốc tối đa cho phép xe lưu thông qua những
đoạn đường này nhằm làm giảm tải trọng động gây thêm hư hỏng
đường cũng như bảo đảm an toàn giao thông.