Lựa chọn các thông số của hệ thống treo để Toa xe khách chuyển động êm dịu

Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn ThS Nguyễn Bá Nghị vì sự giúp
đỡ và dìu dắt tận tình của Thầy trong suốt quá trình em làm đồ án.
Đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Cơ khí –
trường đại học Giao Thông Vận Tải II, những người đã truyền dạy cho em những kiến
thức quý báu trong suốt quá trình em theo học tại trường.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn giúp đỡ và động viên
em hoàn thành đồ án này.
Do thời gian làm bài đồ án và kiến thức còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những
sai sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và bạn bè để em phát
triển và hoàn thiện mình hơn nữa.
Sinh viên
Nguyễn Thị Trang

SVTH: Nguyễn Thị Trang

1

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Tuy ra đời không sớm hơn các phương tiện vận tải khác nhưng đường sắt mau
chóng trở thành phương tiện vận tải chủ lực trong sự phát triển kinh tế của Quốc gia. Vận
tải Đường sắt là cầu nối giữa các vùng dân cư lãnh thổ là phương tiện chuyên chở tốt nhất
nguyên vật liệu cho sản xuất công nghiệp, phục vụ giao lưu giữa các địa phương, phục vụ
quốc phòng, vận chuyển ứng cứu các vùng bị lũ lụt, vận chuyển hành khách nội đô, đồng
thời là phương tiện vận chuyển liên quốc gia thuận lợi, an toàn và hiệu quả.
Đường sắt Việt Nam được xây dựng năm 1881. Trải qua hai cuộc đấu tranh, tuyến
Đường sắt của ta bị tàn phá nặng nề nhưng ngành đường sắt nhưng ngành đường sắt Việt
Nam luôn hoàn thành được nhiệm vụ trong việc vận chuyển người, hàng hóa góp phần
trong thắng lợi của đất nước.
Ngày nay trong sự phát triển của đất nước thì ngành đường sắt có vai trò quan trọng
trong việc vận chuyển hàng hóa và nhu cầu đi lại của con người. Với ưu điểm là an toàn,
ổn định, giá thành rẻ, chuyên chở được 1 số lượng hàng hóa lớn đi xa, không gây ách tắc
giao thông … thì đường sắt là lựa chọn hàng đầu của đại bộ phận quần chúng nhân dân.
Để đáp ứng được ngày càng tốt hơn nhu cầu đi lại vận chuyển hàng hóa ngoài việc
mở rộng mạng lưới giao thông Đường sắt thì cùng với đó việc nâng cao chất lượng động
lực học của toa xe cũng rất cần thiết nhất là đối với toa xe khách vì nó liên quan trực tiếp
đến sức khỏe hành khách đi tàu. Do đó phải tiến hành các nghiên cứu để xác định các
thông số động học, động lực học để làm tăng độ êm dịu của toa xe khách đáp ứng nhu
cầu của ngành Giao thông vận tải nói riêng và ngành Đường sắt nói chung. Đó cũng là lý
do em chọn đề tài: “Lựa chọn các thông số của hệ thống treo để Toa xe khách chuyển
động êm dịu”.
2. Mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu
Mục đích của đề tài là trên cơ sở nghiên cứu các dao động theo phương đứng của
toa xe khách để từ đó ta tìm ra được các thông số động lực học cho toa xe như: độ êm dịu
SVTH: Nguyễn Thị Trang

2

Lớp: Cơ – Điện tử K49

Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

ổn định… với các thông số có sẵn và đề xuất các thông số mới sao cho độ êm dịu khi
chạy tàu là phù hợp nhất.
Để đáp ứng được các mục đích trên, nhiệm vụ đặt ra là:
-

Xây dựng được bài toán dao động (tự do, cưỡng bức) theo phương thẳng
đứng.

-

Tìm ra được độ êm dịu của toa xe khách đang nghiên cứu.

-

Lựa chọn các thông số của toa xe khách sao cho độ êm dịu chạy tàu là hợp lý
nhất.

3. Kết cấu của đồ án
Đồ án tốt nghiệp gồm 4 chương, 93 trang. Ngoài phần mở đầu, kết luận, chương
trình Matlab, phần nội dung chính được kết cấu thành 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về toa xe khách
Chương 2: Giới thiệu về hệ thống treo toa xe khách
Chương 3: Bài toán dao động toa xe khách trong mặt phẳng thảng đứng
Chương 4: Xác định thông số của hệ thống treo để tăng độ êm dịu cho toa xe khách.

SVTH: Nguyễn Thị Trang

3

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị
MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TOA XE KHÁCH .......................................................... 7
1.1

Khái niệm cơ bản .................................................................................... 7

1.2

Phân loại toa xe ....................................................................................... 8

1.3

Giá chuyển hƣớng toa xe ...................................................................... 10

1.4

Hệ thống lò xo và giảm chấn ................................................................ 11

1.5

Bộ trục bánh xe ..................................................................................... 13

1.6

Bầu dầu ................................................................................................. 15

1.7

Tác dụng tƣơng hỗ giữa bánh xe và ray theo phƣơng thẳng đứng .... 15

1.7.1

Chuyển động của một trục bánh xe trên vùng lồi lõm .................................. 15

1.7.2

Chuyển động của bánh xe có vết mòn vẹt trên mặt lăn ................................ 19

1.7.3

Chuyển động của bánh xe qua mối nối đầu ray ............................................ 20
1.8

Các yêu cầu cơ bản của toa xe khi chạy trên đƣờng sắt ..................... 20

CHƢƠNG II: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG QUANG TREO SỬ DỤNG TRÊN
ĐƢỜNG SẮT VIỆT NAM .......................................................................................... 22

2.1

Hệ thống quang treo và tác dụng ......................................................... 22

2.2

Một số loại hệ thống treo sử dụng trên đƣờng sắt Việt Nam .............. 23

2.2.1 Hệ thống treo lắp trên giá chuyển hƣớng Đƣờng trƣờng sơn cũ ..... 23

SVTH: Nguyễn Thị Trang

4

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

2.2.2 Giá chuyển hƣớng Kawasaki (Nhật) ............................................... 25
2.2.3 Giá chuyển hƣớng toa xe Ấn Độ ....................................................... 25
CHƢƠNG III: PHƢƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA TOA XE TRONG MẶT
PHẲNG THẲNG ĐỨNG DỌC ................................................................................... 28
3.1

Khái niệm về các dạng dao động .......................................................... 28

3.2

Dao động trên phƣơng thẳng đứng Toa xe khách ............................... 29

3.2.1

Mô hình toán học của toa xe khách ............................................................... 29

3.2.2

Phƣơng trình vi phân chuyển động ............................................................... 31
3.3

Phƣơng trình dao động tự do ............................................................... 37

3.4

Phƣơng trình dao động cƣỡng bức thân xe. ........................................ 44

3.5

Lực tác động lên thân xe....................................................................... 50

3.6

Hiện tƣợng cộng hƣởng ........................................................................ 52
........................ 60

CHƢƠNG IV: XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG TREO ĐỂ
................................................................. 60
TĂNG ĐỘ ÊM DỊU CHO TOA XE KHÁCH

......................................... 60
4.1

Đánh giá mức độ êm dịu của toa xe khách.

4.2

........................................................................... 61
Một số chỉ tiêu êm dịu
................................................................................ 61

4.2.1

Chỉ tiêu êm dịu theo ISO
SVTH: Nguyễn Thị Trang

5

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị
........................................................... 65

4.3 Độ êm dịu của toa xe khách theo Sperling
4.4

Lựa chọn các thông số cho hệ thống treo toa xe .................................. 65

CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 70
CHƢƠNG TRÌNH MATLAB .......................................................................................... 71
1.

Chƣơng trình dao động: “tsr0.m”. .......................................................... 71

2.

Chƣơng trình tính dao động cƣỡng bức ................................................. 71

4.

Chƣơng trình tính độ êm dịu của TXK theo Sperling............................ 79

5.

Xác định thông số của hệ thống treo ....................................................... 81

Tài liệu tham khảo ............................................................................................................ 90

SVTH: Nguyễn Thị Trang

6

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TOA XE KHÁCH
1.1 Khái niệm cơ bản
Toa xe là một thành phần của đoàn tàu chuyển động trên đường sắt, dùng để chuyên
chở hành khách hoặc hàng hóa.
Các loại toa xe phụ thuộc vào công dụng và kết cấu, được bao gồm từ 4 bộ phận cơ
bản nhất: Bộ phận chạy (còn gọi là giá chuyển hướng), thùng xe, thiết bị đầu móc nối,
thiết bị hãm.

Hình 1 -1 Toa xe khách
Toa xe là một thành phần của đoàn tàu, đảm nhiệm việc chuyên chở hành khách và
hàng hóa. Các loại toa xe phụ thuộc vào công dụng và kết cấu, tuy nhiên chúng đều có
cấu tạo chung từ bốn bộ phận cơ bản là: Bộ phận chạy, thùng xe, thiết bị đầu móc nối, và
thiết bị hãm.
SVTH: Nguyễn Thị Trang

7

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Bộ phận chạy: Được cấu tạo từ các bộ trục bánh, bầu dầu, lò xo. Trong các loại toa
xe hiện đại, bộ phận chạy được bao gồm từ các chi tiết độc lập, được gọi là giá chuyển
hướng. Ngoài các chi tiết kể trên, giá chuyển hướng còn khung giá chuyển hoặc má giá,
trên đó được lắp các chi tiết của hệ thống treo lò xo, hệ thống giằng hãm và các chi tiết

phụ.
Thùng xe: Dùng để chứa hành khách đối với toa xe khách hoặc để chứa hàng hóa
đối với toa xe hàng. Bệ xe là thành phần cơ bản của thùng xe, chúng bao gồm từ các xà
ngang và các xà dọc hợp thành. Trên bệ của thùng xe lắp đặt thiết bị đầu đấm móc nối và
một phần của thiết bị hãm và một số thiết bị khác.
Thiết bị đầu đấm móc nối: Dùng để nối các các toa xe với nhau và nối với đầu máy,
tiếp nhận và truyền lực kéo hoặc lực đấm từ đầu máy và từ toa xe này đến toa xe khác.
Thiết bị hãm: Dùng để tạo lực cản nhân tạo đoàn tàu chuyển động hoặc cho riêng
một toa xe nhằm điều chỉnh tốc độ chuyển động, dừng tàu hay giữ đoàn tàu ở một vị trí
nào đó trên đường.
1.2 Phân loại toa xe
Toa xe hiện đại được phân loại bằng sự đa dạng của loại toa xe và kết cấu của
chúng.
Toa xe thường có toa xe tự chạy và toa xe không tự chạy. Toa xe tự chạy là toa xe
chuyển động không cần đầu máy kéo, trên toa xe có nguồn động lực riêng hoặc nhận
năng lượng từ lưới điện bên ngoài (như đoàn tàu điện hoặc mêtro, toa xe trên đó có lắp
động cơ Diesel…)
Toa xe không tự chạy là toa xe được chuyển động nhờ đầu máy kéo. Toa xe được
phân chia theo công dụng, theo đặc trưng kỹ thuật hoặc theo vị trí sử dụng.
Theo công dụng toa xe được phân chia thành hai nhóm cơ bản là toa xe khách và
toa xe hàng:

SVTH: Nguyễn Thị Trang

8

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Toa xe khách dùng để chuyên chở hành khách và một số loại toa xe đặc biệt khác
cũng được liệt kê vào loại này như: Toa xe hàng ăn, toa xe bưu vụ, toa xe hành lý và các
toa xe chuyên dùng đặc biệt.
Phụ thuộc vào quãng đường chuyên chở toa xe khách được phân thành:
-

Toa xe đường dài: Để vận chuyển hành khách trên những tuyến đường

chính liên vận giữa các vùng hoặc các nước với nhau.
Hành khách đi trên tàu với thời gian dài, nên toa xe có giường nằm cứng hoặc mềm
cho hành khách, có thể chia thành các phòng riêng hoặc không chia phòng.
-

Toa xe chạy đường ngắn dùng để chuyên chở hành khách trên những quãng

đường không dài, thời gian trung bình khỏang 1 ngày. Trong các toa xe này được trang bị
các ghế ngồi cứng hoặc mềm.
-

Toa xe chạy ngoại ô: Để chuyên chở hành khách trên các vùng ngoại ô,

đường ngắn và được phân bố nhiều ga lên xuống. Thời gian hành khách lên tàu khoảng 12h, toa xe này được trang bị đa số là ghế cứng để ngồi.
-

Toa xe hàng ăn: Để phục vụ ăn uống cho hành khách trên tàu. Trên toa xe

này bố trí khu thực phẩm, bếp để nấu phòng phục vụ và phòng ăn rộng cho khách ngồi.

Ngoài ra còn có các thiết bị khác cho nhân viên phục vụ trên tàu.
-

Toa xe hành lý: Để vận chuyển hành khách đi trên tàu. Trên toa xe này bố

trí phòng tiếp nhận, phòng phân loại, kho chứa…
-

Toa xe bưu vụ: Để chở bưu phẩm, thư từ, báo chi, tài liệu.

-

Toa xe bưu vụ - hành lý: Thực hiện cả 2 chức năng của 2 loại toa xe.

-

Một số loại toa xe khách có công dụng đặc biệt như: Toa xe phòng thí

nghiệm, toa xe công vụ, toa xe câu lạc bộ, toa xe y tế…
Toa xe hàng phụ thuộc vào dạng hàng hóa được chuyên chở chia thành các loại cơ
bản sau:
-

Toa xe hàng có mui: Để chứa các loại hàng hóa cần được bảo quản, thùng

xe là một thùng kín với các cửa xếp dỡ hàng, cửa sổ, thông gió…

SVTH: Nguyễn Thị Trang

9

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp
-

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Toa xe thành cao: Để chứa các loại hàng hóa không cần phải bảo quản (như

than đá, quặng, đá sỏi..). Thùng xe có dạng một bệ có các thành dọc và ngang cao với các
cửa bốc xếp hoặc xả hàng hợp lý.
-

Toa xe thấp và toa xe mặt bằng: để chứa các loại hàng hóa nặng và có kích

thước cồng kềnh.
-

Toa xe xitec: Để chuyên chở hàng lỏng, bột hoặc chất khí. Thân toa xe là

một dạng xitec với các đôm hơi, van xả hoặc van an toàn.
-

Toa xe ướp lạnh: Để chuyên chở các loại hàng hóa dễ hư hỏng trong một

thời gian ngắn như: thịt , cá, sữa, hoa quả tươi…
Các toa xe hàng có công dụng đặc biệt: Để chuyên chở các loại hàng hóa cần phải
có điều kiện đặc biệt, các hàng hóa có trọng lượng tập trung và rất nặng, cồng kềnh.

1.3 Giá chuyển hƣớng toa xe
Giá chuyển hướng là bộ phận chạy của toa xe. Nhờ có giá chuyển hướng cho phép
chế tạo được các toa xe có tải trọng lớn và cự ly cối chuyển dài. Có giá chuyển hướng
làm cho các toa xe dài, có tải trọng lớn, thông qua đường cong dễ dàng kể cả đường cong
có bán kính nhỏ, sức cản của đường sắt tác dụng vào bánh xe cũng giảm.

Hình 1-2: Giá chuyển hướng toa xe khách
Toa xe lắp giá chuyển hướng tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm tra và sửa chữa
bộ phận chạy cũng như phần bệ xe khi cần thiết.
SVTH: Nguyễn Thị Trang

10

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Giá chuyển hướng toa xe khách được làm bao gồm thường bao gồm các bộ phận cơ
bản sau: Trục bánh, bầu dầu, khung giá, bộ phận liên kết giữa trục bánh và khung giá, hệ
thống treo lò xo, bộ phận phục hồi ngang, xà nhún, bộ phận truyền động hãm…
Giá chuyển hướng toa xe hàng khác giá chuyển hướng toa xe khách ở bộ phận treo
lò xo (quang treo) và bộ phận liên kết giữa bầu dầu và khung giá.
Một số loại giá chuyển hướng toa xe khách vận hành trên đường sắt Việt Nam gồm
có: giá chuyển hướng Rumani, giá chuyển hướng Kawasaki, giá chuyển hướng Đường
Trường Sơn - Trung Quốc, giá chuyển hướng Ấn Độ…
Để đảm bảo an toàn và chuyển động ổn định trên đường sắt thì giá chuyển hướng
toa xe phải có khối lượng nhỏ đặc biệt là các chi tiết dưới lò xo. Ngoài ra lò xo phải có độ

đàn hồi cần thiết để đảm bảo tần số thấp dao động riêng của thùng xe, đối với toa xe
khách khoảng 1-1,1Hz. Đối với toa xe hàng độ cứng của lò xo phải được qui định trong
phạm vi cho phép của chiều cao đầu đấm móc nối toa xe có tải và không tải nhằm thuận
tiện cho công tác lập tàu.
1.4 Hệ thống lò xo và giảm chấn
Lò xo và thiết bị giảm chấn gọi chung là trang trí lò xo. Là một bộ phận quan trọng
không thể thiếu được của toa xe. Chúng tham gia vào việc truyền tải trọng giữa thùng xe
và bộ trục bánh xe, làm dịu bớt va chạm từ bộ trục bánh xe truyền cho thùng xe và dập tắt
dao động của thùng xe trong quá trình toa xe chuyển động.
Các loại lò xo thường dùng trong toa xe: Lò xo xoắn ốc, nhíp, lò xo cao su, lò xo
không khí, lò xo vòng, lò xo thanh xoắn…
Chức năng dập tắt dao động do bộ giảm chấn đảm nhiệm, giảm chấn thường dùng
trong toa xe là: giảm chấn ma sát, giảm chấn thủy lực.

SVTH: Nguyễn Thị Trang

11

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

a. Lò xo và nhíp lá
Các loại lò xo sử dụng trên toa xe thường là lò xo trụ và lò xo côn. Trong đó lò xo
hình trụ cho khả năng đàn hồi tốt, độ nhún lớn khi kích thước nhỏ và khối lượng bé, chế
tạo đơn giản, tiết kiệm vật tư và rẻ tiền hơn các loại khác.
Độ nhún của các lò xo được lựa chọn theo điều kiện đảm bảo độ ổn định và bình ổn

cần thiết của toa xe, hiệu số chiều cao đầu đấm móc nối giữa các toa xe

Lò xo bầu dầu (lò xo sơ cấp)

Lò xo trung ương (lò xo thứ cấp)

Hình 1.3 Lò xo sử dụng trên toa xe khách
Lò xo hình côn dùng trong các trường hợp yêu cầu có đặc trưng lực không tuyến
tính tới độ nhún của nó, đảm bảo tính không có chu kỳ của dao động, giảm mức độ nguye
hiểm khi bị cộng hưởng.
Lò xo côn có khả năng thay đổi độ cứng trong quá trình chịu nén.
Nhíp lá có đặc điểm quan trọng là vừa có khả năng hòa hoãn, giảm lực xung kích và
có khả năng giảm chấn động do ma sát sinh ra giữa các nhíp lá với nhau khi chúng chịu
tải trọng.
Nhíp lá được ghép thành 2 dạng: Cánh cung và elip.

Hình 1-4: Lò xo nhíp lá

SVTH: Nguyễn Thị Trang

12

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Lò xo nhíp lá không có khả năng đàn hồi theo phương ngang, có khối lượng lớn, chế

tạo và sửa chữa khó khăn hơn lò xo tròn, lực ma sát không ổn định giữa các lá.
b. Giảm chấn
Giảm chấn là thiết bị tạo ra lực điều hòa hoặc khuyết tán cần thiết để tiêu hao,
khuyết tán hay giải phóng năng lượng của các dao động, hạn chế hoặc dập tắt dần biên độ
dao động của các toa xe hoặc các bộ phận của nó.
Tùy theo tính chất và lực tiêu hao năng lượng dao động gọi là lực cản bộ giảm chấn
dùng trên toa xe chia ra hai loại chính: ma sát và thủy lực. Trong đó giảm chấn thủy lực
được sử dụng rộng rãi trên toa xe khách nó có khối lượng không lớn và khả năng dập tắt
dao động tốt.
Lực cản của bộ giảm chấn thủy lực được tạo ra nhờ ma sát xuất hiện khi chất nhớt
chảy qua lỗ tiết lưu.
Nguyên tắc hoạt động của giảm chấntiết lưu và trong hành trình ngược lại chất
thủy lực là: Trong khi piston 6 chuyển dịch,lỏng chuyển động qua van một chiều.
chất lỏng có độ nhớt chuyển động qua rãnh
Khi chất lỏng chuyển động qua các rãnh tiết lưu, năng lượng dao động của toa xe
được biến thành dạng nhiệt do đó nó làm dập tắt dao động. Trong giảm chấn thủy lực, lực
cản thay đổi phụ thuộc vào chế độ dao động của toa xe. Giảm chấn thủy lực làm việc ổn
định, tin cậy, nâng cao tính bình ổn và độ êm dịu.
Bộ giảm chấn thủy lực có ưu điểm: gọn nhẹ, tính năng dập tắt dao động hợp lý, bảo
đảm giảm nhỏ dao động, khi đoàn tàu chuyển động trong tốc độ cộng hưởng, cải thiện rõ
rệt độ êm dịu khi chạy tàu. Điều này ta sẽ khảo sát trong phần tính toán dao động khi
đoàn tàu chạy với tốc độ cộng hưởng.
1.5 Bộ trục bánh xe
Bộ trục bánh xe là bộ phận quan trọng của toa xe, đóng vai trò dẫn hướng toa xe
chạy trên đường ray và tiếp nhận mọi tải trọng từ toa xe truyền tới đường ray và ngược
lại.
SVTH: Nguyễn Thị Trang

13

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Sự chuyển động an toàn của đoàn tàu trên đường sắt phụ thuộc rất nhiều cấu tạo, vật
liệu, công nghệ chế tạo, sửa chữa, bảo dưỡng.

Hình 1-6 Bộ trục bánh xe
Bộ trục bánh xe gồm có trục 1 và 2 bánh xe. Trục và bánh xe được lắp ghép với
nhau thành một khối.
Mặt lăn bánh xe được chế tạo dạng
hình chóp để tránh sự mài mòn không đều
trên bề rộng của mặt lăn giúp toa xe thông
qua đường cong dễ dàng, cũng giúp trục
dọc của toa xe và đường sắt dễ dàng trùng
hợp nhau khi chuyển động trên đường
thẳng. Mặt lăn của bánh có hai độ chóp
khác nhau ở phần sát gờ là 1/20 và ở phần
Hình 1-7: Dạng mặt lăn bánh xe.

tiếp theo là 1/7.

Khi lăn trên đường bình thường phần mặt lăn thoải tiếp xúc với đường ray, chỉ trên
đoạn đường cong bán kính phần nhỏ phần mặt lăn có độ chóp lớn mới tiếp xúc với đường
ray. Do có độ chóp nên đường kính mặt cắt ngang của bánh xe thay đổi theo chiều rộng.
Để tránh bộ trục bánh xe nghiêng lệch và trượt trên ray sai khác về đường kính của
bánh xe trong một bộ không vượt quá 1mm.

SVTH: Nguyễn Thị Trang

14

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

1.6 Bầu dầu
Bầu dầu dùng để truyền tải trọng từ giá chuyển hoặc bệ của thùng xe tới cổ trục,
giới hạn các dịch chuyển ngang và dọc của cặp bánh xe, đảm bảo cho chuyển động quay
của trục bánh xe khi toa xe chuyển động.
Các yêu cầu cơ bản khi thiết kế bầu dầu là đảm bảo an toàn và tuổi thọ làm việc
trong một khoảng thời gian dài, có khối lượng không lớn, các chi tiết có tính tiêu chuẩn
và thay thế cao, thuận tiện và dễ dàng trong lắp ghép, bảo dưỡng và sửa chữa.
Theo dạng ổ trục được dùng, bầu dầu được chia thành 2 nhóm:
-

Bầu dầu ổ lăn (vòng bi).

-

Bầu dầu ổ trượt (lắp bạc).

Nói chung hiện nay, toàn bộ toa xe khách và phần lớn toa xe hàng được trang bị bầu
dầu ổ lăn, bầu dầu ổ trượt ngày càng hạn chế việc chế tạo, sử dụng. Trong toa xe sử dụng
ba loại ổ lăn: ổ lăn con lăn hình đũa trụ, con lăn hình tang trống, và con lăn hình chóp

thường dùng là con lăn hình đũa trụ, dựa trên thực tế và nghiên cứu đã chỉ ra rằng với
cùng kích thước ổ bi đũa trụ có tuổi thọ cao hơn ổ bi chóp và ổ bi tang trống 68 lần. Tuy
nhiên ổ bi đũa trụ có hệ số ma sát cao.
1.7 Tác dụng tƣơng hỗ giữa bánh xe và ray theo phƣơng thẳng đứng
Khi toa xe chuyển động, đặc biệt là khi đi vào lồi lõm thì nó chịu tác dụng của
nhiều lực không chỉ tác dụng theo phương ngang mà còn tác dụng theo phương đứng gây
nên các lực quán tính tác dụng xuống đường, thông qua hệ thống lò xo chúng sẽ kích
thích lên bộ phận trên lò xo gây dao động cho toa xe.
1.7.1

Chuyển động của một trục bánh xe trên vùng lồi lõm

a. Phương trình vùng lõm
Như chúng ta đã biết, trên thực tế đường sắt không bằng phẳng. Nguyên nhân gây
nên sự không bằng phẳng này là:
-

Có sự biến dạng vĩnh cửu và biến dạng đàn tính tại vị trí nối tiếp của ray

-

Nơi nối tiếp giữa các ray tồn tại khe hở và mặt ray chênh lệch

SVTH: Nguyễn Thị Trang

15

Lớp: Cơ – Điện tử K49

Đồ Án Tốt Nghiệp
-

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Mặt đường ray biến dạng khác nhau

Tất cả các nguyên nhân gây nên dao động nói trên của đường có thể chia thành 2
loại:
1- Loại có tính chất chu kì, là loại ngẫu nhiên, gây nên dao động cưỡng bức của
ĐMTX.
2- Loại đột xuất ngẫu nhiên thường gây nên xung kích đối với ĐMTX.
Trên hình 1: Biểu thị sự biến dạng của đường ray

Hình 1-8: Biến dạng sóng đường ray
Ta nhận thấy: Đường AB là biểu thị đường ray lý tưởng
A1B1: Đường ray thực tế đã có biến dạng vĩnh cửu
A2B2: Đường ray khi có toa xe chạy qua (hay là quỹ tích của các điểm tiếp xúc
giữa bánh xe và ray)
h: Độ chênh lệch giữa điểm đầu và điểm giữa ray
Theo số liệu thống kê trị số h phụ thuộc vào chất lượng ray
-

Đối với ray tốt:

h  6 mm.

-

Đối với ray trung bình:

h  12mm.

-

Đối với ray xấu

12  h  24 mm.

SVTH: Nguyễn Thị Trang

16

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Để thuận lợi cho việc phân tích chấn động cưỡng bức của toa xe, chúng ta xem như
độ lồi lõm của ray như mặt đường sóng lượn hình sin có chiều dài bước sóng bằng chiều
dài của ray và biên độ lớn nhất bằng h
Các vùng lồi lõm thường có nhiều hình dạng khác nhau nhưng ta thường gặp các
vùng lồi lõm có dạng hình sin được biểu diễn bằng phương trình:
ZL 

h
2
(Cos

 1)
2
L

Trong đó: L và h là chiều dài và chiều sâu vùng lõm
b. Trường hợp bỏ qua biến dạng của nền đường.
Xét một trục bánh xe lăn với vận tốc đều v theo phương của trục X biểu diễn bởi
p.trình trên.

Hình 1-9: Vùng lõm hình sóng
Nếu nền đường hoàn toàn cứng thì trọng tâm của bánh xe sẽ vẽ nên một quỹ đạo Z
có hình dạng giống hệt như hình dạng của vùng lõm, do đó nó cũng được biểu diễn bằng
phương trình trên. Thay X = vt và chọn gốc là gốc tọa độ ta được:
Z
h
2

h
2

hay Z  cos t hoặc Z  sin t
Trong đó:  

h
2
cos
vt
2
L

(2)

2v
gọi là tần số vòng của chuyển động bánh xe trên vùng lõm.
L

Để xác định gia tốc thẳng đứng của bánh xe, ta đạo hàm hai lần biểu thức (2)
h
Wc  Z   2 cos t
2

SVTH: Nguyễn Thị Trang

17

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Lực tác dụng của bánh xe xuống ray theo phương thẳng đứng:
h
Pd  mZ  m cos t
2

Lực và gia tốc sẽ lớn nhất khi bánh xe lăn qua giữa vùng lõm, nghĩa là khi X=L/2
Wcmax 

h 2
h
 và Pdmax  m  2
2
2

c. Trường hợp nền đường có độ cứng Cr
Ta đưa vào một số giả thiết để đơn giản hóa bài toán:
Vùng lõm có hình dạng giống nhau cả ở hai bên đường ray
Ma sát cảu hệ thống không tiêu tốn năng lượng
Dạng và biên độ dao động của ray trên toàn vùng lõm là giống nhau
Khi đó bánh xe và thanh ray dao động trên lò xo có độ cứng Cr ta có p/trình dao
động của hệ gồm bánh xe và ray là:
Mz  C r ( z  z L )  0

Trong đó: M là khối lượng trục bánh và thanh ray cùng tham gia dao động
M = m+mr
Như vậy trục bánh đồng thời tham gia 2 dao động:
Dao động tự do: Là nghiệm của phương trình thuần nhất
  C Z  0
MZ
r

Dao động này có dạng:
Z1 = Acost + Bsint
Trong đó:  

Cr
Gọi là tần số vòng dao động trên ray.
M

Dao động tự do là nghiệm riêng của phương trình không thuần nhất:
h
MZ  Cr Z  Cr Z L  Cr (cos t  1) .
2

Dao động này có dạng:
SVTH: Nguyễn Thị Trang

18

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị





 h 2

h
1
Z2  
cos

t


1
cos t  1
   2
2
2
2 

 2 
1



  

  


Dao động tổng cộng của trục bánh là:

h 2
Z  Z1  Z 2  A cos t  B sin t   2
cos t  1
2
2 


Với điều kiện ban đầu: Tại thời điểm t = 0 thì Z = 0 và Z  0
Ta xác định được các hằng số
h  2 

 và B=0
A   2
2     2 


h 2
2
cos t  2
cos t 
Khi đó: Z   2
2
2
2 
 


Đạo hàm hai lần biểu thức này ta được gia tốc của bánh xe khi chuyển động trên
vùng lõm đàn hồi
W  Z 

h 2 2
cos t  cos t   Wcmax KW
 2
2
2
 

Trong đó: Wcmax là gia tốc lớn nhất của trục bánh khi chuyển động trên vùng lõm
KW 

2
 2  2

cos t  cos t  : là hệ số gia tốc có tính đến độ cứng của

nền đường.
KW là hàm số của thời gian và là hàm số của các tỉ số các tần số vòng.
1.7.2

Chuyển động của bánh xe có vết mòn vẹt trên mặt lăn

Những vết mòn vệt trên mặt lăn do hậu quả của việc bánh xe bị lết trên mặt ray khi
lực hãm quá lớn (hiện tượng bó hãm) hoặc bánh xe bị kẹp chặt không quay được trong
thời gian dài, khi toa xe chuyển động qua những vết mòn này trọng tâm trục bánh sẽ có
SVTH: Nguyễn Thị Trang

19

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

sự di chuyển thẳng đứng và gây ra các lực xung kích tác dụng một cách có chu kỳ xuống
mặt đường, phá hỏng mặt đường và kích thích bộ phận trên lò xo dao động.
1.7.3

Chuyển động của bánh xe qua mối nối đầu ray

Một số giả thiết cho rằng khi toa xe
chuyển động trên đường sự kích thích chủ
yếu làm cho bộ phận trên lò xo của toa xe
dao động là các lực xung kích sinh ra khi
bánh xe lăn qua mối mối ở đầu các thanh
ray. Lực kích thước trong trường hợp này là
xung lực vì thời gian tác dụng rất ngắn.

Hình 1-10: Chuyển động của bánh xe qua
mối nối đầu ray

Hiện tượng xảy ra đối với trọng tâm khi bánh xe lăn qua mối nối có chiều dài khe
hở là l hoàn toàn tương tự khi trên bánh xe đó có vết mòn chiều dài l, vì trong cả hai
trường hợp trọng tâm bánh xe chuyển động trên những quỹ đạo có hình dạng giống nhau
và trong cùng một khoảng thời gian trọng tâm bánh xe nhận được một lượng biến tốc
theo phương thẳng đứng là V như nhau.
1
Ta dễ dàng tính được: V  v
r

Và từ đó xung lượng của mối nối đầu ray tác dụng lên trục bánh là:
S  mV  mv

Trong đó:

1
r

M – là khối lượng của trục bánh

V – vận tốc chuyển động

1.8 Các yêu cầu cơ bản của toa xe khi chạy trên đƣờng sắt
Hiện nay trên đường sắt đang sử dụng nhiều loại sức kéo hiện đại, điều đó cho phép
lập các đoàn tàu hàng tải trọng lớn (6000 - 8000)tấn, tăng tốc độ chuyển động của đoàn
SVTH: Nguyễn Thị Trang

20

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

tàu và tăng đáng kể khoảng cách chạy tàu không dừng lại ở các ga dọc đường. Như vậty
toa xe phải có yêu cầu rất cao nhằm đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ của kết cấu ví không
có thời gian thõa mãn các điều kiện kiểm tra dọc đường.
Yêu cầu quan trọng nhất đối với một toa xe nói chung và từng bộ phận của nó nói
riêng là phải đảm bảo an toàn chuyển động của đoàn tàu trên đường sắt.
Toa xe phụ thuộc vào từng dạng, cần đảm bảo vận hành an toàn và tin cậy khi đoàn
tàu chuyển động với tốc độ cao, giá thành nhỏ trong chế tạo,kinh tế trong vận dụng, phù
hợp với kết cấu, các tham số của đường sắt và các phương tiện thông tin tín hiệu trên
đường phù hợp với các điều kiện của các xí nghiệp vận dụng và sửa chữa toa xe trong
ngành.
Ngoài ra toa xe hàng cần đảm bảo hàng hóa được chuyên chở theo yêu cầu, phù hợp
với kết cầu của các thiết bị bốc và dỡ hàng, sử dụng tối đa tải trọng của toa xe và tải trọng
của đường sắt.
Đối với các toa xe khách phải đảm bảo một mức độ nhất định nhu cầu của hành

khách khi đi tàu, đảm bảo điều kiện vệ sinh môi trường, đảm bảo một số tiêu chuẩn thẩm
mỹ nhất định.
Các tham số cơ bản đặc trưng cho hiệu quả kinh tế kĩ thuật của toa xe hàng là trọng
tải, trọng bì, số truc xe, thể tích riêng (thể tích) thùng xe, tải trọng trục và tải trọng trên
một mét chiều dài của đường sắt, các tham số kích thước của xe.
Các tham số đặc trưng cơ bản của toa xe khách là trọng bì, số lượng hành khách
(theo tính toán), các tham số kích thước, tốc độ chuyển động và gia tốc khung gian
chuyển động.

SVTH: Nguyễn Thị Trang

21

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

CHƢƠNG II: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG QUANG TREO SỬ DỤNG
TRÊN ĐƢỜNG SẮT VIỆT NAM
2.1 Hệ thống quang treo và tác dụng
Khi chạy trên đường sắt, đặc biệt là khi chạy với tốc độ cao toa xe chịu nhiều tác
dụng của các lực tác dụng lên nó:
-

Lực tác dụng thẳng đứng: trọng tải (hành khách, hàng hóa), tải trọng của các
khối lượng trên lò xo.

-

Tải trọng ngang sườn: bao gồm lực ly tâm, sức ép của gió và lực động trong
mặt phẳng nằm ngang phát sinh từ đường ray. Tải trọng ngang sườn giữa
đường ray với toa xe xảy ra khi giá chuyển hướng đi vào đường cong .

-

Tải trọng dọc: là lực (kéo hoặc nén) đặt tại đầu đấm móc nối giữa các toa xe
trong khi đoàn tàu chạy trên đường sắt và lúc dồn phóng lập tàu ở các ga.

Các lực này có thể tác dụng cùng lúc lên toa xe và tròn điều kiện bất lợi nhất có thể
làm toa xe mất ổn định gây hiện tượng trật bánh hay lật tàu.
Toa xe khách thường có hai hệ lò xo lò xo trung ương và hệ lò xo bầu dầu
Do đó trên Đầu máy toa xe thì hệ thống treo là một thiết bị quan trọng không thể
thiếu được. Trang trí lò xo góp phần rất lớn vào nâng cao tính năng động lực cho toa xe.
Khi toa xe chuyển động trên đường đặc biệt là lúc đi vào đường gồ ghề bộ trục bánh xe
chịu tải trọng động rất lớn nếu không có trang trí lò xo thì thùng xe sẽ tiếp nhận mọi tác
dụng động, trên đầu máy toa xe lắp bộ phận giảm chấn để dập tắt dao động, thường dùng:
bộ giảm chấn ma sát và thủy lực.
Nói chung hệ thống treo trên đầu máy toa xe phải thỏa mãn:
-

Đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi chuyển động (độ êm dịu này được đánh giá
qua các thông số như: tần số dao động riêng, biên độ dao động lớn nhất, gia
tốc dao động, độ cứng của các hệ lò xo, hệ số cản của giảm chấn…)

-

Biến dạng của sóng đường ray không ảnh hưởng lớn đến độ êm dịu của toa

xe khách.

-

Đảm bảo bền, độ tin cậy, tuổi thọ lớn, đơn giản để thuận lợi cho việc kiểm
tra, bảo dưỡng, sửa chữa.

SVTH: Nguyễn Thị Trang

22

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Trong giá chuyển hướng toa xe khách thứ tự truyền tải trọng thẳng đứng từ thùng xe
xuống như sau: thùng xe  cối chuyển hướng  xà nhún  lò xo trung ương  bộ
quang treo  khung giá chuyển hướng  lò xo bầu dầu  bầu dầu  ổ trục  bánh xe
 đường sắt.
2.2 Một số loại hệ thống treo sử dụng trên đƣờng sắt Việt Nam
2.2.1 Hệ thống treo lắp trên giá chuyển hƣớng Đƣờng trƣờng sơn cũ
Đây là loại giá chuyển hướng cối chịu lực. Khung giá làm bằng thép hình. Trên
khung giá có các tay treo để bắt với hệ thống hãm, xà nhún…
Bầu dầu kiểu ke trượt nên có độ hở ngang, dọc là lớn để thông qua đường cong dễ
dàng hơn.
Động lực học theo chiều ngang khá tốt do cự ly lò xo trung ương lớn.
Lò xo bầu dầu là lò xo tròn được bát giữa khung giá và bầu dầu.

Lò xo trung ương là loại nhíp do đó nó vừa có thể làm dịu được va đập vừa dập tắt
được dao động. Tuy nhiên chức năng giảm chấn của nhíp không ổn định. Các cụm nhíp
được lắp thành hình elip có khối lượng lớn, chiếm khoảng không gian rộng nên khó chế
tạo, bảo dưỡng, sửa chữa.
Quang treo đảm bảo khả năng phục hồi khi toa xe dao động cũng như khi đi vào
đường cong.

SVTH: Nguyễn Thị Trang

23

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Hình 2 – 1: Giá chuyển hướng Đường trường sơn cũ.
2.2.2 Giá chuyển hƣớng Rumani
Đây là giá chuyển cối chịu lực (nên thường xuyên phải kiểm tra, sửa chữa) gồm:
Cối gồm cối trên và cối dưới bắt vào nhau, cối trên được bắt trên toa xe, cối dưới được
bắt vào xà nhún. Do đó trong quá trình lắp ghép thì bàn trượt được lắp cách nhau khoảng
từ 3 – 5 mm để khi đi vào đường cong thì toa xe tựa trên bàn trượt, giữ cho toa xe không
bị nghiêng quá.
Ổ bi thay thế cho ổ trượt nên tốc độ
được nâng cao và ít hư hỏng.
Giảm chấn thủy lực được đặt nghiêng
nên tính năng động học được cải thiện
nhưng dầu hay lọt ra ngoài.

Hình 2-2: Giá chuyển hướng Rumani
Là toa xe hai hệ lò xo: lò xo trung ương và bầu dầu:
SVTH: Nguyễn Thị Trang

24

Lớp: Cơ – Điện tử K49


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: Th.S Nguyễn Bá Nghị

Lò xo trung ương gồm 2 lò xo trong lồng ghép vào nhau, các lò xo được đặt

-

ngược chiều nhau để chống bị kẹt trong quá trình vận dụng.
Lò xo bầu dầu là lò xo tròn. Bệ đỡ lò xo, lò xo trung ương và giảm chấn thủy

-

thủy lực được hệ thống tay treo và quang treo lên khung giá bằng liên kết
khớp quay.
2.2.2 Giá chuyển hƣớng Kawasaki (Nhật)
-

Kết cấu giá chuyển hướng làm bằng thép đúc nên độ cứng vững và độ bền
cao. Sử dụng bầu dầu ổ bi.

-

Lò xo trung ương gồm lò xo tròn kết hợp với giảm chấn

-

Do sử dụng hệ thống quang treo với đầu trên tay treo ngắn ở ngoài thân giá
chuyển cho phép nới rộng khoảng cách hệ thống lò xo trung ương

-

Loại giá chuyển hướng này sử dụng bàn trượt đặt trên thân giá chuyển
hướng cho phép toa xe thông qua đường cong dễ dàng và tăng mức ổn định
của toa xe

-

Có độ nhún tổng lớn nên độ êm dịu tốt

Tuy nhiên giá chuyển bằng thép đúc tương đối nặng làm tăng tải trọng trục, kết cấu
cồng kềnh
2.2.3 Giá chuyển hƣớng toa xe Ấn Độ
-

Đây là loại giá chuyển hướng kiểu bàn trượt chịu lực, nó được nhập khẩu vào
Việt Nam từ rất lâu và là một trong những loại giá chuyển hướng được sử
dụng nhiều nhất ở nước ta hiện nay

-

Khung giá làm bằng tôn hàn ghép nên độ bần tốt, kết cầu đơn giản.

-

Lò xo trung ương là lò xo tròn kết hợp với giảm chấn thủy lực. Ngoài ra giá
chuyển hướng toa xe còn sử dụng ống giảm chấn dầu 1 chiều ở bầu dầu nên
cải thiện tính năng êm dịu.

SVTH: Nguyễn Thị Trang

25

Lớp: Cơ – Điện tử K49