Nghiên cứu thiết kế thiết bị xác định góc lật ngang tĩnh cho xe bus hai tầng sản xuất tại việt nam phục vụ công tác kiểm định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

VŨ DUY TÂN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH
GÓC LẬT NGANG TĨNH CHO XE BUS HAI TẦNG
SẢN XUẤT TẠI VIỆT NAM PHỤC VỤ CÔNG TÁC KIỂM ĐỊNH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. DƢƠNG NGỌC KHÁNH

Hà Nội – Năm2016


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................................... 2
1.1. Tình hình trên thế giới liên quan tới vấn đề nghiên cứu .......................................... 2
1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam.......................................................................... 5
1.3. Tiêu chuẩn liên quan đến độ ổn định tĩnh ngang ..................................................... 5

1.4. Mục đích, nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................ 6
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH NGANG Ô TÔ ............................. 8
2.1. Lý thuyết về ổn định ngang của ô tô ........................................................................ 8
2.1.1. Ổn định ngang khi ô tô quay vòng trên đƣờng bằng ............................................. 8
2.1.2. Ổn định của ô tô khi chuyển động thẳng trên đƣờng nghiêng ngang ................... 9
2.1.3. Ổn định ngang ô tô khi quay vòng trên đƣờng nghiêng ngang ........................... 10
2.1.4. Các thông số ảnh hƣởng đến ổn định ngang của ô tô ......................................... 11
2.1.5 Sự thay đổi của tải trọng thẳng đứng và vấn đề ổn định của ô tô ....................... 16
2.2. Nguyên lý đo độ ổn định tĩnh ngang ...................................................................... 18
2.2.1. Hệ thống dẫn động cơ khí và thủy lực ................................................................ 20
2.2.2. Nguyên lý bảo vệ quá tải ..................................................................................... 24
2.3. Nguyên lý đo góc nghiêng ..................................................................................... 29
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH GÓC LẬT NGANG TĨNH XE
BUS 2 TẦNG GHẾ SẢN XUẤT LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM .................................... 33
3.1. Thiết kế chế tạo khung dƣới của thiết bị ................................................................ 34
3.1.1 Phân tích lựa chọn phƣơng án thiết kế ................................................................. 34
3.2. Thiết kế chế tạo sàn nghiêng (khung trên) của thiết bị .......................................... 39
3.2.1. Phân tích lựa chọn phƣơng án thiết kế ................................................................ 39
3.2.2. Tính toán kích thƣớc của khung trên .................................................................. 39
3.2.3. Kết cấu của khung trên ........................................................................................ 39
3.3. Thiết kế chế tạo cụm gá trục xoay ......................................................................... 44


3.3.1. Phân tích lựa chọn phƣơng án thiết kế ................................................................ 44
3.3.2. Tính toán kích thƣớc của cụm gá trục xoay: ....................................................... 44
3.3.3. Kết cấu của cụm gá trục xoay ............................................................................. 46
3.4. Thiết kế chế tạo cụm gá xy lanh ............................................................................ 51
3.4.1. Phân tích lựa chọn phƣơng án thiết kế ................................................................ 51
3.4.2. Kết cấu của cụm gá xy lanh ................................................................................ 52
3.5. Thiết kế chế tạo mặt sàn ......................................................................................... 58

3.5.1. Phân tích lựa chọn phƣơng án thiết kế ................................................................ 58
3.5.2. Tính toán kích thƣớc của mặt sàn ....................................................................... 58
3.5.3. Kết cấu của mặt sàn............................................................................................. 59
3.6. Thiết kế chế tạo cơ cấu nâng sàn và gia tải ............................................................ 59
3.6.1. Phân tích lựa chọn phƣơng án thiết kế ................................................................ 59
3.6.2. Tính chọn xy lanh thủy lực ................................................................................. 64
3.6.3. Kết cấu của xy lanh thủy lực ............................................................................... 67
3.7. Thiết kế chế tạo bộ nguồn thủy lực ........................................................................ 67
3.7.1. Tính chọn động cơ điện và bơm nguồn............................................................... 68
3.7.2. Tính chọn van an toàn ......................................................................................... 69
3.7.3. Thiết kế chế tạo thùng chứa dầu ......................................................................... 70
3.8. Thiết kế, thi công hố móng .................................................................................... 71
3.8.1. Phƣơng án thiết kế............................................................................................... 71
3.8.2. Kết cấu của hố móng lắp thiết bị ......................................................................... 72
3.9. Xây dựng quy trình xác định góc lật tĩnh ngang cho xe bus 2 tâng ghế ................ 74
3.9.1. Chuẩn bị mẫu thử ................................................................................................ 74
3.9.2. Kiểm tra tổng quan xe: ........................................................................................ 75
3.9.3. Quá trình tăng tải:................................................................................................ 76
3.9.4. Quá trình giảm tải: .............................................................................................. 76
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 78


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Vũ Duy Tân. Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của
tôi. Nếu tôi có bất cứ hành vi gian lận nào thì tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc nhà
trƣờng.
Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2016
Học viên

Vũ Duy Tân


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Thiết bị đo góc lật ngang tĩnh của Công ty Man – Đức .................................. 3
Hình 1.2 .Thiết bị đo góc lật ngang tĩnh ......................................................................... 4
Hình 1.3. Thiết bị đo góc lật ngang tĩnh của NATC ....................................................... 4
Hình 2.1. Tính góc ổn định tĩnh ngang ......................................................................... 12
Hình 2.2. Mô hình động lực học của xe trong quay vòng ổn định ............................... 13
Hình 2.3. Ảnh hƣởng của một số yếu tố đến ổn định lắc ngang của ô tô ..................... 15
Hình 2.4. Phƣơng pháp đo góc ổn định tĩnh ngang ...................................................... 17
Hình 2.5. Đồ thị liên hệ giữa góc ổn định tĩnh ngang và gia tốc bên ........................... 18
Hình 2.6. Sàn nghiêng Thiết bi đo góc lật ngang tĩnh .................................................. 19
Hình 2.7. Hình ảnh thiết bị đo góc lật ngang tĩnh ......................................................... 20
Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống gia tải thủy lực ..................................................................... 21
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống gia tải thủy lực ............................. 23
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van phân phối ........................................... 23
Hình 2.11. Sơ đồ van phân phối .................................................................................... 24
Hình 2.12. Van an toàn ................................................................................................. 25
Hình 2.13. Van an toàn tác động trực tiếp .................................................................... 25
Hình 2.14. Trạng thái van mở hoàn toàn ...................................................................... 26
Hình 2.15. Phần tử chống rung ..................................................................................... 27
Hình 2.16. Van an toàn tác động gián tiếp .................................................................... 28
Hình 2.17. Thƣớc đo góc .............................................................................................. 29
Hình 2.18. Cảm biến đo góc nghiêng............................................................................ 29
Hình 2.19. Sơ đồ đo góc nghiêng .................................................................................. 30
Hình 2.20. Đo góc nghiêng sử dụng con lắc đơn và rotary encoder ............................. 31
Hình 2.21. Hình ảnh Rotary Encoder ............................................................................ 31
Hình 2.22. Sơ đồ nguyên tắc đo của rotary encoder ..................................................... 32
Hình 3.1. Hình ảnh xe bus TB 120S ............................................................................. 33

Hình 3.2. Kết cấu khung dƣới của thiết bị .................................................................... 36
Hình 3.3. Kết cấu thanh dầm dọc .................................................................................. 37
Hình 3.4. Kết cấu thanh dầm ngang .............................................................................. 37


Hình 3.5. Kết cấu tấm đệm............................................................................................ 37
Hình 3.6. Kết cấu bích hàn ............................................................................................ 38
Hình 3.7. Kết cấu bích gá .............................................................................................. 38
Hình 3.8. Kết cấu khung trên của thiết bị ..................................................................... 39
Hình 3.9. Kết cấu thanh dầm dọc .................................................................................. 40
Hình 3.10. Kết cấu thanh dầm ngang ............................................................................ 41
Hình 3.11. Kết cấu cột gá lan can ................................................................................. 41
Hình 3.12. Hình ảnh cột gá lan can ............................................................................... 42
Hình 3.13. Kết cấu thanh đỡ phụ .................................................................................. 42
Hình 3.14. Kết cấu gân tăng cứng ................................................................................. 42
Hình 3.15. Kết cấu móc treo xích ................................................................................. 43
Hình 3.16. Hình ảnh móc treo xích .............................................................................. 43
Hình 3.17. Hình ảnh móc treo xích ............................................................................... 44
Hình 3.18. Kết cấu tấm đệm.......................................................................................... 44
Hình 3.19. Kết cấu của cụm gá trục xoay ..................................................................... 46
Hình 3.20. Tấm đế hàn trên, dƣới ................................................................................. 48
Hình 3.21. Cụm gá trên ................................................................................................. 48
Hình 3.22. Cụm gá dƣới ................................................................................................ 49
Hình 3.23. Kết cấu trục ................................................................................................. 49
Hình 3.24. Kết cấu bạc trƣợt ......................................................................................... 50
Hình 3.25. Kết cấu bích chặn ........................................................................................ 50
Hình 3.26. Kết cấu bạc đỡ ............................................................................................. 51
Hình 3.27. Kết cấu bạc chặn ......................................................................................... 51
Hình 3.28. Kết cấu của cụm gá trục xoay ..................................................................... 53
Hình 3.29. Kết cấu tấm đế dƣới .................................................................................... 54

Hình 3.30. Kết cấu tấm đế trên ..................................................................................... 55
Hình 3.31. Kết cấu cụm gá dƣới ................................................................................... 55
Hình 3.32. Kết cấu cụm gá trên..................................................................................... 56
Hình 3.33. Kết cấu trục ................................................................................................. 56
Hình 3.34. Kết cấu bạc đỡ ............................................................................................. 57


Hình 3.35. Kết cấu bích chặn ........................................................................................ 57
Hình 3.36. Kết cấu mặt sàn ........................................................................................... 59
Hình 3.37. Cơ cấu nâng sử dụng xy lanh thủy lực ........................................................ 61
Hình 3.38. Xy lanh một chiều ....................................................................................... 61
Hình 3.39. Xy lanh hai chiều ........................................................................................ 62
Hình 3.40. Xy lanh đơn ................................................................................................. 63
Hình 3.41. Xy lanh nhiều tầng ...................................................................................... 63
Hình 3.42. Mô hình tính toán xy lanh thủy lực ............................................................. 64
Hình 3.43. Xy lanh thủy lực .......................................................................................... 66
Hình 3.44. Các kích thƣớc cơ bản của xy lanh thủy lực ............................................... 66
Hình 3.45. Xy lanh thủy lực .......................................................................................... 67
Hình 3.46. Kết cấu hố móng lắp đặt thiết bị ................................................................. 72
Hình 3.47. Bơm nƣớc tự động....................................................................................... 73


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật của thiết bị ........................................................................ 3
Bảng 1.2. Thông số kỹ thuật thiết bị đo góc lật ngang tĩnh của NACT .......................... 5
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật xe bus TB 120S............................................................... 33
Bảng 3.2. Số lƣợng và vật liệu chế tạo khung dƣới thiết bị .......................................... 37
Bảng 3.3. Số lƣợng và vật liệu chế tạo khung trên thiết bị ........................................... 40
Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật của cụm gá trục xoay ...................................................... 45
Bảng 3.5. Kích thƣớc lắp ghép của cụm gá trục xoay .................................................. 45

Bảng 3.6. Số lƣợng và vật liệu chế tạo cụm gá trục xoay ............................................. 47
Bảng 3.7. Số lƣợng và vật liệu chế tạo cụm gá xy lanh ................................................ 54
Bảng 3.8. Hiệu suất của xy lanh thủy lực theo áp suất ................................................. 64
Bảng 3.9. Thông số kỹ thuật của xy lanh thủy lực ........................................................ 66
Bảng 3.10. Thông số kỹ thuật của động cơ điện ........................................................... 69
Bảng 3.11. Thông số kỹ thuật của thùng chứa dầu ....................................................... 71
Bảng 3.12. Thông số kỹ thuật của bơm nƣớc ............................................................... 74


LỜI NÓI ĐẦU
Độ ổn định tĩnh ngang là một chỉ tiêu quan trọng cần phải kiểm tra đối với xe
cơ giới sản xuất lắp ráp, cải tạo. Ở các nƣớc có nền công nghiệp phát triển nhƣ Mỹ,
Nhật, châu Âu thì chỉ tiêu về độ ổn định tĩnh ngang là chỉ tiêu kiểm tra bắt buộc đối
với xe cơ giới trƣớc khi đƣa ra thị trƣờng. Việc đo góc lật ngang tĩnh có ý nghĩa
trong thử nghiệm ổn định của ô tô, làm cơ sở thiết kế ô tô và đƣờng giao thông. Mặt
khác thiết bị này có thể sử dụng để xác định trọng tâm của xe cũng nhƣ nghiên cứu
đặc tính của hệ thống treo khi xe hoạt động trên đƣờng nghiêng. Vì vậy việc nghiên
cứu, thiết kế, lắp đặt thiết bị đo góc lật ngang tĩnh là rất cần thiết.
Hiện nay, thiết bị đo góc lật ngang tĩnh của ô tô đã đƣợc sản xuất và bán tại
các nƣớc có nền công nghiệp phát triển, tuy nhiên giá thành rất cao. Nhằm tiết kiệm
kinh phí khi nhập khẩu thiết bị nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc các yêu cầu kỹ thuật phù
hợp với tiêu chuẩn quốc tế, khu vực và Việt Nam, việc nghiên cứu chế tạo thiết bị
đo góc lật ngang tĩnh của ô tô là rất cần thiết. Nhờ sự hƣớng dẫn tận tình của của TS
Dƣơng Ngọc Khánh thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế thiết bị xác định góc
lật ngang tĩnh cho xe bus hai tầng sản xuất tại Việt Nam phục vụ công tác kiểm
định”
Trong lúc làm đề tài cũng không tránh khỏi thiếu sót. Em sẽ cố gắng hoàn
thiện nghiên cứu. Em xin đƣợc trân trọng cảm ơn Thầy Dƣơng Ngọc Khánh đã hỗ
trợ trong quá trình thực hiện đề tài này.

1


1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình trên thế giới liên quan tới vấn đề nghiên cứu
Tại các nƣớc có nền công nghiệp phát triển, thiết bị đo góc lật ngang tĩnh của
ô tô đƣợc trang bị hầu hết tại các Trung tâm thử nghiệm lớn, các viện nghiên cứu
thiết kế, các Trung tâm kiểm định. Các nhà sản xuất đã sản xuất ra những thiết bị có
tính năng hiện đại và tự động hóa cao, ứng dụng đƣợc các công nghệ mới nhất của
khoa học. Tại Mỹ, các thiết bị kiểm tra đo góc lật ngang tĩnh của ô tô tại Trung tâm
thử nghiệm Nevada cho phép kiểm tra đƣợc góc lật ngang tĩnh của các đoàn xe, xe
chở công ten nơ, các xe khách đƣờng dài, xe tải hạng nặng, xe ô tô quân sự… tại
Đức, Pháp các hãng chế tạo thiết bị lớn cũng chế tạo thiết bị cho phép thử đƣợc các
xe siêu trƣờng siêu trọng. Tại Nhật Bản hãng NIPPON TOKKI cũng sản xuất các
thiết bị hiện đại xuất khẩu sang Châu Âu, Trung Quốc…
Thiết bị đo góc lật ngang tĩnh dùng để kiểm tra, đánh giá ổn định và giới hạn
lật của ô tô. Nó cũng hữu ích nhƣ là một phƣơng tiện nghiêng cứu quá trình lật và
phản ứng của hệ thống treo, định lƣợng một số thông số quan trọng của xe ảnh
hƣởng đến mức độ ổn định. Ngoài ra thiết bị này còn đƣợc sử dụng để xác định
trọng tâm của xe. Các loadcell đƣợc đặt dƣới các lốp xe để đo tải trọng tức thời, các
thiết bị đƣợc dùng để giám sát độ võng của hệ thống treo.
Do phƣơng tiện và đƣờng có mối liên hệ chặt chẽ với nhau nên việc nghiên
cứu ổn định của xe là rất cần thiết. Thiết bị đo góc lật ngang tĩnh có thể đƣợc sử
dụng để nghiên cứu ổn định của xe giúp cho việc phát triển các dòng xe của các
công ty sản xuất ô tô, cũng nhƣ giúp cho việc thiết kế đƣờng giao thông. Vì vậy
thiết bị này đƣợc sử dụng khá phổ biến ở nhiều nƣớc trên thế giới. Hiện nay, một số
hãng chế tạo thiết bị thử nghiệm ở nƣớc ngoài có thể cung cấp các thiết bị này
nhƣng ở dạng đơn chiếc theo đơn đặt hàng và giá thành cao. Ví dụ: Trung tâm thử
nghiệm ô tô Nevada - Mỹ (NATC), Trung tâm Millbrook – Anh, Trung tâm nghiên
cứu đƣờng giao thông Australia, Công ty Man – Đức, Viện nghiên cứu đƣờng và

giao thông quốc gia Thụy Điển …
 Một số thiết bị đo góc lật ngang tĩnh trên thế giới

2


- Một thiết bị khác đƣợc nghiên cứu bởi Công ty MAN (Đức) hợp tác với Đại học
Hanover. Thiết bị này sử dụng cơ cấu nâng là cơ cấu trục vít – đai ốc.

Hình 1.1. Thiết bị đo góc lật ngang tĩnh của Công ty Man – Đức
- Liên quan đến việc nghiên cứu đƣờng giao thông, Viện nghiên cứu đƣờng và giao
thông quốc gia Thụy Điển mới đây đã chế tạo thiết bị đo góc lật ngang tĩnh của ô tô.
Thiết bị này sử dụng hệ thống xy lanh thủy lực làm cơ cấu đẩy và có thể điều chỉnh
đƣợc phần di động phù hợp với vị trí trục của mỗi chiếc xe đƣợc thử nghiệm. Thiết
bị này đƣợc sử dụng để nghiên cứu và đƣa ra một chỉ tiêu về lật ngang trong tiêu
chuẩn của Thụy Điển cho các xe tải có tải trọng lớn.
- Trung tâm nghiên cứu công nghiệp Quebec – Canada: Các thông số của thiết bị
đƣợc cho trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật của thiết bị
Tổng chiều dài

120 feet

Chiều rộng tối đa

15 feet

Tải trọng tối đa của xe

200.000 lbs

Góc nghiêng tối đa

35 độ

Ngoài ra còn có các dụng cụ, thiết bị phụ trợ: các loadcell đƣợc đặt ở dƣới mỗi
cầu (9 cầu). Góc nghiêng đƣợc thu thập và chuyển đổi đƣa về bộ vi xử lý để xác
định trọng tâm của xe.

3


Hình 1.2 .Thiết bị đo góc lật ngang tĩnh
Ngoài ra còn có một số trung tâm khác nhƣ: Viện nghiên cứu giao thông Đại học
Michigan – Mỹ (UMTRI), Bushman Avontec – Mỹ …
- Trung tâm thử nghiệm ô tô Nevada – Mỹ (NATC): Thiết bị của NATC có bề mặt
rộng hơn 800 feet vuông và có khả năng nâng tải xấp xỉ 35.000 pounds. Thiết bị này
có thể sử dụng để xác định ngƣỡng ổn định tĩnh ngang của nhiều kiểu loại và kích
cỡ xe nhƣ: xe khách, xe tải, xe kéo moóc, xe cứu hỏa, xe cứu thƣơng, xe công trình,
xe khai thác mỏ, máy nông nghiệp.

Hình 1.3. Thiết bị đo góc lật ngang tĩnh của NATC
Thiết bị đo góc lật ngang tĩnh ngoài việc đo góc lật ngang tĩnh, xác định trọng
tâm của xe còn sử dụng để thử nghiệm động lực học của xe bao gồm giới hạn làm
việc trên dốc nghiêng, khả năng làm việc của hệ thống treo và thử nghiệm chứng
nhận theo tiêu chuẩn của MIL-STD và FMVSS. Các thông số kỹ thuật của thiết bị
đƣợc cho trong (bảng 1.1).
4

Bảng 1.2. Thông số kỹ thuật thiết bị đo góc lật ngang tĩnh của NACT
Dài

89 feet

Rộng

9 feet (mở rộng tới 12 feet)

Góc nghiêng cực đại

60 độ

Tốc độ nghiêng

0,9 độ/ s

Độ chính xác góc đo

± 0,1 độ

Khả năng nâng tải

350.000 pounds

Cơ cấu nâng

Trục vít – đai ốc

1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Thiết bị đo góc lật ngang tĩnh của ô tô là thiết bị cần thiết phục vụ công tác
thử nghiệm xe cơ giới cải tạo, sản xuất lắp ráp theo tiêu chuẩn, quy chuẩn và quy
định hiện hành.
Hiện nay, trên thế giới, tại hầu hết các nƣớc đều đƣợc trang bị thiết bị này
(Mỹ, Đức, Đài Loan, Nhật Bản,...), tuy nhiên ở Việt Nam do giá thành nhập khẩu
thiết bị cao (từ 5 đến 16 tỷ VNĐ tùy theo cấu hình) và điều kiện kinh tế khó khăn
nên chƣa đƣợc trang bị thiết bị này để phục vụ công tác kiểm tra cải tạo, kiểm tra xe
sản xuất lắp ráp.
Cùng với sự phát triển của hạ tầng giao thông, các xe cơ giới tham gia giao
thông trên đƣờng với tốc độ cho phép ngày càng cao, tải trọng lớn nên đòi hỏi tính
ổn định của ô tô phải nâng cao, do đó việc kiểm tra đo góc lật ngang tĩnh của ô tô là
bắt buộc, trong đó cần áp dụng sử dụng thiết bị để kiểm tra. Với các xe cải tạo và
sản xuất lắp ráp, xác định việc cải tạo phù hợp với tính toán thiết kế, nâng cao độ
chính xác, giảm đƣợc sức lao động và nâng cao năng suất.Đặc biệt là các loại xe bus
có chiều cao trọng tâm lớn nhƣ xe bus hai tầng ghế
1.3. Tiêu chuẩn liên quan đến độ ổn định tĩnh ngang
 Tiêu chuẩn Châu Âu:
- ECE R107: Uniform provisions concerning the approval of double-deck
larger passenger vehicles with regard to their general construction
-

ECE R111: Uniform provisions concerning the approval of tank

vehicles of categories N and O with regard to rollover stability
5


- Directive 2001/85/EC: Relating special provisions for vehicles used for the
carriage of passengers comprising more than eight seats in addition to the driver’s
seat

-

ISO 14791: Road vehicles – Heavy commercial vehicle combinations

and articulated buses – Lateral stability test procedures
-

ISO 16333 : Heavy commercial vehicles and buses – Steady- state

rollover threshold – Tilt- table test method
 Tiêu chuẩn Mỹ:
-

SAE J2180 : A tilt table procedure for measuring the static rollover

threshold for heavy trucks
 Tiêu chuẩn Trung Quốc:
GB/T 14172 : Static roll stability test method for motor vehicles
 Tiêu chuẩn, quy chuẩn Việt Nam:
Tại Việt Nam hiện nay, đã có chỉ tiêu đánh giá góc ổn định tĩnh ngang trong 2
quy chuẩn QCVN 09:2011/BGTVT và QCVN 10:2011/BGTVT nhƣng chƣa có
trung tâm, viện nghiên cứu nào nghiên cứu ứng dụng thiết bị đo góc lật ngang tĩnh
của ô tô trong công tác thử nghiệm xe cơ giới. Việc đo góc lật ngang tĩnh có ý nghĩa
trong thử nghiệm ổn định của ô tô, làm cơ sở thiết kế ô tô và đƣờng giao thông. Mặt
khác thiết bị này có thể sử dụng để xác định trọng tâm của xe cũng nhƣ nghiên cứu
đặc tính của hệ thống treo khi xe hoạt động trên đƣờng nghiêng. Vì vậy việc nghiên
cứu, thiết kế, lắp đặt thiết bị đo góc lật ngang tĩnh là rất cần thiết. Hiện tại cục đăng
kiểm xe cơ giới tại Hà Nội đang có các thiết bị đo góc lật tĩnh ngang cho xe bus có
chiều dài 8,5m.
1.4. Mục đích, nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu
Xe khách hiện đƣợc thiết kế với hiệu quả vận chuyển tối đa mà vẫn đảm bảo tính
ổn định chuyển động. Ngày nay xe khách đƣợc thiết kế với kích thƣớc lớn và bố trí
nhiều tầng khách. Vì vậy khả năng xe bị mất ổn định là lớn nên đề tài đƣợc thực
hiện với mục tiêu thiết kế mô hình thiết bị góc lật tĩnh ngang cho 1 loại xe khách

6


lớn có hai tầng ghế nhằm xác định góc lật ngang tĩnh trong trƣờng hợp quay vòng
đều giả định.
Phƣơng pháp nghiên cứu:
Đề tài mới thực hiện bằng phƣơng pháp lý thuyết thông qua sử dụng các tính toán
và phần mềm thiết kế để thiết kế các hệ thống, cụm chi tiết của một bố thiết bị xác
định góc lật tĩnh ngang cho loại xe bus 2 tầng ghế sản xuất lắp ráp tại Việt Nam.
Nội dung nghiên cứu
Đề tài đƣợc thực hiện theo 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về ổn định ngang của ô tô
Chƣơng 3 : Thiết kế thiết bị xác định góc lật ngang tĩnh cho xe bus 2 tầng sản xuất
lắp ráp tại Việt Nam

7


2

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH NGANG Ô TÔ

2.1. Lý thuyết về ổn định ngang của ô tô

Tính ổn định của ô tô là một trong những tính chất khai thác quan trọng của
ô tô. Trong trƣờng hợp tổng quát nó đƣợc hiểu là khả năng đảm bảo giữ đƣợc quỹ
đạo chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện khai thác khác nhau nhƣ khi
quay vòng, khi phanh hoặc khi chuyển động trên đƣờng dốc… Trong những điều
kiện khai thác phức tạp nhƣ vậy, ô tô cần giữ đƣợc quỹ đạo chuyển động sao cho
không bị trƣợt hoặc bị lật đổ. Tính ổn định của ô tô kém sẽ làm giảm tốc độ an toàn
chuyển động và dễ gây ra các tai nạn nguy hiểm.
Hiện tƣợng mất ổn định ngang thƣờng xuất hiện do sự trƣợt ngang các bánh
xe, hoặc lật đổ ô tô trong mặt phẳng thẳng góc với trục dọc của nó. Các thông số
giới hạn của ổn định ngang là: tốc độ giới hạn theo điều kiện trƣợt ngang vght
(km/h), tốc độ giới hạn theo điều kiện lật đổ vghl (km/h), góc ổn định tĩnh ngang: hệ
số ổn định ngang.
Vấn đề ổn định ngang của ô tô có thể chia làm 3 trƣờng hợp:
-

Khi ô tô quay vòng trên đƣờng bằng;

-

Khi ô tô chuyển động thẳng trên đƣờng nghiêng ngang;

-

Khi ô tô quay vòng trên đƣờng nghiêng ngang.

2.1.1. Ổn định ngang khi ô tô quay vòng trên đƣờng bằng
Xét trƣờng hợp ô tô quay vòng ổn định trên đƣờng bằng, bỏ qua ảnh hƣởng
độ nghiêng ngang của thùng xe và độ đàn hồi của lốp, sự trƣợt ngang của các bánh
xe có thể xuất hiện do tác dụng của lực quán tính li tâm ở thời điểm lực ngang bằng
lực bám ngang của bánh xe với mặt đƣờng.

Tốc độ giới hạn theo điều kiện trƣợt ngang vght đƣợc tính theo công thức:

vght  3,6 gRY

(2.1)

Trong đó:
R – Bán kính quay vòng
φY – Hệ số bám ngang
Khi ô tô quay vòng ở tốc độ v = vght sự trƣợt ngang có thể không xảy ra trừ
trƣờng hợp có thêm lực kích thích nhƣ gió bên, va đập bên của bánh xe với đƣờng
8


không bằng phẳng, hoặc tăng tốc độ chuyển động hay giảm bán kính quay vòng làm
tăng lực quán tính li tâm.
Khi quay vòng trên đƣờng bằng, lực quán tính li tâm không chỉ gây ra trƣợt
ngang mà còn gây lật đổ ô tô. Sự lật đổ ô tô sẽ xảy ra quanh các bánh xe phía ngoài
tâm quay vòng của nó. Tốc độ giới hạn theo điều kiện lật đổ vght đƣợc tính theo
công thức:

vghl  3, 6

gRB
2h g

(2.2)

Khi ô tô quay vòng trên đƣờng bằng với tốc độ v = v ghl thì sự lật đổ có thể
chƣa xảy ra, trừ trƣờng hợp có thêm sự tác dụng của lực ngang hoặc tăng tốc độ hay

giảm bán kính quay vòng.
Xét từ góc độ an toàn chuyển động thì trƣờng hợp ô tô bị lật đổ nguy hiểm
hơn trƣờng hợp bị trƣợt ngang. Điều kiện để ô tô bị trƣợt ngang xảy ra trƣớc khi bị
lật đổ là vghl > vght nghĩa là

B
 Y
2h g

(2.3)

Trong đó:
B – Chiều rộng vết bánh xe
hg – Chiều cao trọng tâm của xe
2.1.2. Ổn định của ô tô khi chuyển động thẳng trên đƣờng nghiêng ngang
Khi ô tô chuyển động thẳng trên đƣờng nghiêng ngang thì lực ngang gây mất
ổn định ngang là thành phần trọng lƣợng song song với mặt phẳng nghiêng. Góc
giới hạn nghiêng ngang của đƣờng theo điều kiện trƣợt ngang đƣợc xác đinh theo
công thức:

tgght  Y

(2.4)

Góc giới hạn nghiêng ngang của đƣờng theo điều kiện lật đổ đƣợc xác đinh theo
công thức:

tgghl 

B

2h g

(2.5)

9


Trong các giới hạn ổn định ngang còn có một thông số khác đó là hệ số ổn định
ngang:

n 

B
2h g

(2.6)

Trong thực tế khai thác thì hệ số ổn định ngang luôn thay đổi vì chiều cao
trọng tâm phụ thuộc vào mức độ tải trọng và loại hàng hóa xếp trên xe. Do vậy, khi
tính toán thiết kế cần sử dụng giá trị cực đại của hệ số bám ngang.
φYmax = 0,7 – 0,9
Vì các biểu thức trên chƣa tính đến độ nghiêng ngang của thùng xe nên ngƣời ta
mong muốn n  1 . Giá trị hệ số ổn định ngang càng lớn thì ổn định chống lật
ngang càng cao. Thông thƣờng giá trị này phụ thuộc vào loại ô tô:
 Ô tô tải ηn = 0,55 – 0,8
 Ô tô con ηn = 0,9 – 1,2
 Ô tô buýt ηn = 0,5 – 0,6
Cần chú ý rằng nếu chọn đúng hệ số ηn sẽ giảm đƣợc nguy hiểm lật ngang nhƣng
không loại trừ hoàn toàn đƣợc nó vì các lý do sau:
- Trƣớc khi bị lật đổ thì ô tô bị trƣợt ngang, lúc đó xuất hiện lực quán tính li

tâm ở giá trị nào đó có thể gây ra lật ngang ngay cả khi n  1
- Ở thời điểm các bánh xe ngừng trƣợt ngang (do va chạm vào chƣớng ngại
vật) nhƣng do quán tính tác dụng trọng tâm còn tiếp tục di chuyển, khi đến vị trí
nhất định ô tô sẽ bị lật ngang.
2.1.3. Ổn định ngang ô tô khi quay vòng trên đƣờng nghiêng ngang
Trong thực tế khai thác còn thƣờng gặp trƣờng hợp ô tô quay vòng trên
đƣờng nghiêng ngang. Trƣờng hợp này ngoài thành phần trọng lƣợng song song với
mặt đƣờng còn xuất hiện lực quán tính li tâm gây mất ổn định ngang.
Tốc độ giới hạn theo điều kiện trƣợt ngang vght và theo điều kiện lật đổ vghl đƣợc
tính theo công thức (2.7) và (2.8)

vght  3, 6

(Y  )gR
1  Y 
10

(2.7)


vghl  3, 6

(B  2h g)gR
2h g  B

2.8)

Khi biết giá trị vận tốc v và bán kính quay vòng R ta xác định đƣợc góc giới hạn
nghiêng ngang theo công thức:

ghl  arctg

BRg  2v 2 h g
2h g Rg  Bv 2

(2.9)

Biểu thức (2.9) cho thấy βghl càng nhỏ khi v càng nhỏ và R càng lớn. Giá trị cực tiểu
của βghl khi v = 0 hoặc R   (đối với trƣờng hợp ô tô đứng yên hoặc chuyển
động thẳng trên đƣờng nghiêng ngang). Khi đó:

ghl  arctg

B
2h g

(2.10)

2.1.4. Các thông số ảnh hƣởng đến ổn định ngang của ô tô
Có rất nhiều thông số khai thác và thông số kết cấu ảnh hƣởng đến độ ổn
định ngang của ô tô. Chúng ta xét ảnh hƣởng của một số thông số cơ bản nhƣ góc
nghiêng thân xe, trọng tâm ô tô và vết bánh xe, cách xếp hàng hóa trong thùng xe,
chất lƣợng mặt đƣờng, bán kính quay vòng và độ nghiêng ngang của mặt đƣờng.
 Chiều cao trọng tâm ô tô hg và chiều rộng tâm vết bánh xe
Trọng tâm có một vai trò rất quan trọng trong ổn định của ô tô. Trọng tâm là
một điểm mà khối lƣợng của vật thể tập trung tại đó. Có thể hiểu rằng ổn định của ô
tô rất quan trọng trong việc ngăn ngừa tai nạn do lật xe. Lật xe xảy ra khi xe chuyển
động vì vậy ta cần xác định trọng tâm động lực học. Một số yếu tố ảnh hƣởng đến
vị trí của trọng tâm động lực học là: hệ thống treo, kích cỡ và đặc tính lốp, khối
lƣợng toàn bộ và phân bố khối lƣợng của xe.

Khi ngƣời lái quay vòng, có một lực bên tác dụng lên xe làm thay đổi giá trị
phản lực thẳng đứng, chuyển vị vủa hệ thống treo và làm biến dạng lốp thay đổi. Đó
là nguyên nhân làm thay đổi trọng tâm của xe. Thiết bị để xác định trọng tâm của xe
là thiết bị đo góc lật ngang tĩnh của ô tô có thể mô phỏng lực bên tác dụng lên xe và
những dịch chuyển của hệ thống treo. Với thiết bị này khi nghiêng xe theo chiều
dọc, phân bố khối lƣợng của xe thay đổi làm dịch chuyển hệ thống treo, làm thay
11


đổi trọng tâm của xe. Xe nghiêng đến giới hạn cực đại của ổn định và xảy ra hiện
tƣợng lật, góc cực đại gọi là góc ổn định tĩnh ngang. Hiện tƣợng lật xảy ra khi Nr
gần tới 0. Công thức xác định góc ổn định tĩnh ngang  :
B

Bc

y


Nr

hg

x

Nl

Hình 2.1. Tính góc ổn định tĩnh ngang
Trong đó:
Nl : Lực tác dụng lên bánh xe trái

Nr : Lực tác dụng lên bánh xe phải
B : Chiều rộng vết bánh xe
Bc : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến bánh xe trái
hg : Chiều cao trọng tâm
 : Góc ổn định tĩnh ngang

 F  N  N  F cos  0
 M  F h sin   N B  F B cos  0
y

l

l

r

m

m

r

m

C

Nr 

Fm BCcos  Fm h sin 
B

Nl 

Fm (B  BC )cos  Fm h sin 
B

(2.11)
(2.12)
(2.13)
(2.14)

Hiện tƣợng lật xảy ra tại hg = hg max khi Nr = 0

Fm BCcos  Fm h max sin 
0
B

Khi đó:

Nr 

=>

t g 

BC
h g max

(2.15)

(2.16)
12


Trƣờng hợp trọng tâm của xe không thay đổi: Bc = B/2 khi đó

t g 

B
2h g max

(2.17)

 Góc nghiêng thân xe và hiện tƣợng lắc ngang
Khi xác định các thông số ổn định ngang của ô tô, chúng ta chƣa tính đến
góc nghiêng thân xe do tác dụng của lực ngang PjY và ảnh hƣởng của các phần tử
đàn hồi. Góc nghiêng thân xe đƣợc tính theo công thức:

n 

PjY .h n

(2.18)

(CY  Gh n )

Khi đó

vghl  3, 6

(B  2h g  n )gR
2h g

(2.19)

So sánh biểu thức (2.2) và (2.12) có thể thấy rằng góc nghiêng thân xe đã làm giảm
tốc độ giới hạn lật đổ của ô tô. Góc nghiêng thân xe ψn càng lớn thì vghl càng cao, độ
ổn định ngang của ô tô càng giảm.
Khi nghiên cứu về ổn định của ô tô có một vấn đề không thể bỏ qua đó là
vấn đề lắc ngang. Khi nghiên cứu vấn đề này ta xây dựng một mô hình phẳng nhƣ
hình 2.2: xe quay vòng đều, lốp và hệ thống treo quy dẫn vào thành một cấu trúc
tƣơng đƣơng.

hg

B

Hình 2.2. Mô hình động lực học của xe trong quay vòng ổn định
13


Phƣơng trình cân bằng mô men qua trung điểm của vết bánh xe.

W.h.a y  (F2  F1 ).B / 2  W. y

(2.20)

Trong đó:
ay – Gia tốc bên
Fi – Tải trọng phân bố lên lốp thứ i

hg – Chiều cao trọng tâm
B – Chiều rộng vết bánh xe
W – Khối lƣợng của xe
Δy – Chuyển vị của trọng tâm theo phƣơng ngang
φ – Góc nghiêng của xe
Hiện tƣợng lật xảy ra khi F1 = 0 và F2 = W. Và ngƣời ta đã tính toán ra đƣợc
các giới hạn lật đối với mỗi mô hình nhƣ hình 2.3 dƣới đây. Trong mô hình này có
một số yếu tố ảnh hƣởng đến ổn định lắc ngang của ô tô nhƣ: lốp, hệ thống treo,
khung ô tô, cơ cấu giá đỡ mâm xoay và tải trọng chất lên xe.
- Coi thân xe là cứng tuyệt đối:
Δy = 0, Khi đó a y  a y max 

B
2h g

(2.21)

Khi giá trị ay = 0,45g là giới hạn ổn định
- Nếu tính đến ảnh hƣởng của lốp và hệ thống treo thì giới hạn này là 0,36g.
- Cấu trúc tƣơng đƣơng của hệ thống treo và khung xe và vị trí lệch tâm của phụ tải
là nguyên nhân dịch chuyển trọng tâm của xe.


Ảnh hƣởng của phần tử đàn hồi, thanh ổn định đến ổn định của ô tô

* Mô men đàn hồi chống lật của các cầu, độ cứng góc nghiêng thân xe
Khi xem xét góc nghiêng thân xe ψ, có thể coi là mặt đƣờng nghiêng đi một góc
tƣơng ứng. Sự nghiêng này xảy ra do sự thay đổi của phản lực thẳng đứng giữa hai
bên bánh xe của một cầu. Mô men đàn hồi chống lật đƣợc tính theo công thức:

M'ni  Cg 

(2.22)

Bi2
Cg  C k
2

(2.23)
14


Trong đó:
M’ni – Mô men đàn hồi chống lật của xe
Cg – Độ cứng góc nghiêng cầu xe [N.m/rad]
Ck – Độ cứng của phần tử đàn hồi đặt tại bánh xe [N/m]
Bi – Chiều rộng vết bánh xe thứ i.
Góc nghiêng thân xe đƣợc tính bằng tổng độ cứng góc nghiêng của các cầu xe

Lốp

Gia tốc bên

Hệ thống treo

Hệ thống
treo và mâm
xoay

Hệ thống treo

& khung

Đặt lệch tâm
phụ tải

Hình 2.3. Ảnh hưởng của một số yếu tố đến ổn định lắc ngang của ô tô

Cgoto 

C

gi

(2.24)

* Ảnh hƣởng của phần tử đàn hồi, thanh ổn định đến ổn định của ô tô
15


Sự tăng góc nghiêng thân xe ψ dẫn tới sai lệch tải trọng thẳng đứng các bánh
xe của cùng một cầu sẽ lớn. Để giảm ψ thƣờng yêu cầu C g lớn hợp lý, vì rằng Cg
ảnh hƣởng đến độ êm dịu chuyển động, tính điều khiển, tính ổn định của ô tô.
Từ lý thuyết ô tô về độ êm dịu rút ra: độ cứng của phần tử đàn hồi lớn gây
nên gia tốc dao động thẳng đứng của thân xe sẽ cao, làm xấu tính tiện nghi của ô tô
trong sử dụng. Bởi thế phải có phần tử đàn hồi sao cho đảm nhận chức năng tăng độ
cứng chỉ khi thân xe bị nghiêng. Thanh ổn định ngang đảm bảo chức năng này.
Thanh ổn định ngang làm tăng sai lệch của phản lực thẳng đứng ΔZ, bởi vậy tăng
đƣợc mô men đàn hồi chống lật, giảm đƣợc góc nghiêng thân xe. Ngƣợc lại đối với
ô tô quay vòng thiếu, cần giảm sự sai lệch của phản lực thẳng đứng, hoặc giảm nhỏ
mô men đàn hồi chống lật của cầu xe.

2.1.5 Sự thay đổi của tải trọng thẳng đứng và vấn đề ổn định của ô tô
Khi xe quay vòng hoặc chạy trên đƣờng nghiêng, do tác động của lực bên,
gia tốc bên, sự thay đổi phân bố tải trọng dẫn đến làm dịch chuyển trọng tâm của xe
và gây lật. Trong nhiều cấu trúc của hệ treo, sai lệch của tải trọng thẳng đứng của
bánh xe phía phải và phía trái làm thay đổi góc lệch bên của bánh xe trên cùng một
cầu và tạo nên sự thay đổi góc lệch tâm trục cầu xe (góc lệch hƣớng cầu xe). Khi sự
sai lệch tải trọng thẳng đứng càng lớn làm tăng góc lệch hƣớng của xe càng nhiều.
Do vậy dẫn tới sự làm xấu tính chất quay vòng của ô tô.
Khi nghiêng xe, tải trọng của xe đƣợc chia làm 2 thành phần hình 2.4
- Thành phần lực W.sinβ mô phỏng lực bên
- Thành phần lực W.cosβ mô phỏng tải trọng tác dụng lên sàn nghiêng

16


Tải trọng thẳng
đứng Wcosβ

β

Hình 2.4. Phương pháp đo góc ổn định tĩnh ngang
Tỷ lệ giữa hai thành này mô phỏng gia tốc bên đƣợc tính theo công thức:

a ys  t g  w.sin  / w.cos

(2.25)

Trong đó:
ays – Gia tốc bên
β – Góc nghiêng của sàn nghiêng

W – Khối lƣợng của xe
Giá trị của tgβ nhƣ một định mức về ổn định tĩnh ngang. Khi nghiêng xe cả
tải trọng thẳng đứng và tải trọng bên đều giảm bởi hệ số cosβ. Bởi vì tải trọng thẳng
đứng quy đổi của xe do ảnh hƣởng của lốp và hệ thống treo có thể làm tăng nhẹ
chiều cao trọng tâm xe, do đó làm giảm ổn định tĩnh ngang ở mức thấp. Đồng thời
tải trọng bên cũng bị giảm do hệ số cosβ, xu hƣớng làm giảm ổn định tĩnh ngang ở
mức cao.
Đồ thị liên hệ giữa góc ổn định tĩnh ngang và gia tốc bên cho trong hình 2.5

17