Nghiên cứu xác định tải trọng động thẳng đứng của đoàn xe lên mặt đường (tt)

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

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
- Nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng nguyên lý tách cấu trúc
hệ nhiều vật MBS để thiết lập mô hình động lực học xe kéo sơ-mi
rơmoóc theo Newton-Euler.
- Nghiên cứu thực nghiệm:Thí nghiệm trên hiện trường
để kiểm chứng mô hình lý thuyết và xác định tải trọng động.
Phạm vi nghiên cứu


2
Luận án nghiên cứu các thông số tải trọng động có ảnh hưởng
đến đường. Những phần nghiên cứu có liên quan đã được trình bày
ở các nghiên cứu trước đây.
Các kết quả đã đạt được của Luận án
- Đã xây dựng mô hình động lực học phương thẳng đứng
đoàn xe SMRM trong chuyển động nhằm xác định tải trong động.
- Đã khảo sát xác định tải trọng động của đoàn xe khi
chuyển động trên 4 loại đường ngẫu nhiên theo ISO 8608:1995.
- 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.
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 sơ-mi
rơmoóc
Chương 3: Ứng dụng mô hình động lực học ĐXSMRM xác
định tải trọng động xuống đường
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU TẢI
TRỌNG Ô TÔ

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

cứu của thế giới thường được gắn liền chặt chẽ với bài toán nghiên
cứu dao động ô tô. Đây là lĩnh vực đã được nghiên cứu hoàn chỉnh
bao gồm các mảng nghiên cứu: hàm kích động (tuần hoàn, xung và
ngẫu nhiên [12, 31, 34, 37, 58]); các mô hình dao động (1/4, 1/2 và
mô hình 4/4); các đánh giá về dao động theo tiêu chí êm dịu, tải
trọng động; các yếu tố phi tuyến trong mô hình (hệ thống treo,
lốp,…). Cụ thể như sau:
- Tiêu chí đánh giá tải trọng động: Bánh xe có 2 hành trình
nén và trả. Hành trình nén gây tải trọng động làm hỏng chi tiết ô tô
và phá hủy đường. Yếu tố gây tổn hại đường được đánh giá qua hệ
số tải trọng, giá trị cực đại tải trọng động (hệ số xung kích), hệ số
áp lực đường [17, 45]. Hành trình trả làm giảm tải trọng tổn hại
đến khả năng truyền lực và được đánh giá bằng hệ số tải trọng
động cực tiểu.
- Về mô hình xác định tải trọng động: Tải trọng động
thường được mô tả bằng các mô đun trong mô hình dao động của ô
tô. Trong các nghiên cứu của thế giới, mô hình dao động đã khá
hoàn chỉnh.
(b) Nghiên cứu thực nghiêm
+ Phương pháp đo trực tiếp trên đường được David Cebon [17]
sử dụng, cảm biến được sử dụng là điện áp, khoảng cách cảm biến
là 0.4 m.
+Phương pháp đo biến dạng hướng kính của lốp bằng Laser
[33].Hạn chế của phương pháp này là khó khăn khi lắp cảm biến vì
bánh xe luôn quay.
+Xác định tải trọng theo Woodroff [33]: Tải trọng động được xác
định theo công thức FZ  FSher  m &
z&

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].

Hệ số tải động cực đại max (kd) được ngành cầu đường gọi
là hệ số xung kích IM [3, 6, 11]). Theo Tiêu chuẩn Nga ОДН
218.046-01, Việt Nam cũng sử dụng tiêu chuẩn này, hệ số tải trọng
được chọn khi thiết kế là 1.3.
1.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp, nội dung và phạm vi
nghiên cứu
1.3.1 Mục tiêu
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


5
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.
1.3.2 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-01CERTIFICATE có 02 cầu.
1.3.3 Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
1.4 Phạm vi nghiên cứu
Từ mục tiêu nghiên cứu được đề ra luận án cần thực hiện
những nội dung sau:
(i) Xây dựng mô hình động lực học xác định tải trọng
động của ĐXSMRM; xây dựng mô hình động lực học cho thí
nghiệm khi không biết mấp mô đường;
(ii) Xây dựng hệ thống đo dao động, kiểm chứng mô
hình lý thuyết bằng thực nghiệm.
(iii) Khảo sát xác định tải trọng động trên các loại đường

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:

Hình 2.2 Sơ đồ lực và mômen ngoại lực và liên kết của ĐXSMRM


7
(i)
Nội lực hệ thống treo FCij, FKij ;
(ii)
Nội lực lốp-đường Fxij, Fzij với (i=1(1)5); j=1(1)2;
(iii)
Lực liên kết khớp yên ngựa Fkx, Mkx.
2.5 Phương trình động lực học đoàn xe SMRM
& &
z&
mC 1 ( &
C 1  C 1 xC 1 )  FC 11  FK 11  FC 12  FK 12  FC 21  FK 21

 FC 22  FK 22  FC 31  FK 31  FC 32  FK 32  Fkz1

 J yC 1&
&
C 1  ( FC 11  FK 11  FC 12  FK 12 )l1  ( FC 21  FK 21  FC 22  FK 22 )l2

'
'

)( hC 1  r1 )
 Fx12
 ( FC 31  FK 31  FC 32  FK 32 )l3  Fkz1lk  ( Fx11

'

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

kx
2
C1
x 22
x 21

 M 11  M 12

&  ( F  F  F  F )w  ( F  F  F  F )w
 J xC 1 &
2
K 22
C 22
K 21
C 21
1
K 12
C 12
K 11
C 11
C1

)
M

M

M
(


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


F

F

F

)
x


 C 2 z&
K 51
C 51
K 42
C 42
K 41
C 41
C2 C2
C2
(i )

 FC 52  FK 52  Fkz 2

 J yC 2&
&
C 2  ( FC 41  FK 41  FC 42  FK 42 )l4  ( FC 51  FK 51  FC 52  FK 52 )l5


'

'
'
'

)( 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

C2
kx

 J &
&  ( F  F  F  F )w  ( F  F  F  F )w
5
K 52
C 52
K 51
C 51
4
K 42
C 42
K 41
C 41
 xC 2 C 2
)
M

M
(

M


5
T
4
T
kx



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 )

( m  m )x&
&

 Fxij  Fkx2
Ai
C2
 C2 
i 4
i  4 , j 1

&
 J Ayij&
ij  M Aij  M Bij  ( Fxij  f ij Fzij )rdij i  1( 1 )5; j  1( 1 )2



2.6 Xác định các lực và mômen liên kết
Mô hình dao động đoàn xe được trình bày từ biểu thức (2.1)
đến (2.11), có 28 phương trình: có 18 phương trình dao động từ
(2.1) đến (2.8); 2 phương trình chuyển động thẳng (2.9), (2.10) và
10 phương trình động lực học bánh xe (2.11).


8
Để giải được hệ phương trình Newton-Euler từ (2.1) đến (2.11)
(gồm 28 phương trình), cần xác định các nội lực sau:
(i) Nội lực hệ thống treo FCij, FKij ;
(ii) Lực/mô men khớp yên ngựa Fkx, Fkz, Mkx ;
(iii) Lực tương tác bánh xe Fxij tính theo mô hình lốp; lực
Fz ij tính theo biến dạng hướng kính lốp.

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

“đường xấu C-E”.

Hình 3.1 Biên dạng đường ngẫu nhiên

3.1.2 Hàm mô men điều khiển
Giả sử khi bắt đầu khảo sát ĐXSMRM chuyển động thẳng
đều, ta có:

&
&
&
&
&
x&
c1,0  xc2,0  0, ij ,0  0

3.1.3 Điều kiện đầu của các tọa độ suy rộng
(1) Các phương trình động lực học phương thẳng đứng
Các phương trình động lực học phương thẳng đứng từ
(2.1) đến (2.11) (trừ (2.9) và (2.10)), được thiết lập từ điều kiện
cân bằng tĩnh nên điều kiện đầu của tọa độ suy rộng các phương
trình này đều bằng ”0”.
(2) Điều kiện đầu của các phương trình chuyển động trong mặt
phẳng đường
Điều kiện đầu của các phương trình (2.9), (2.10) là:

&
&
&
 xC1,0  xC 2,0  x&

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

sau:

kd 

Fzdyn  FG
FG

(3.6)

- Khi kd đạt giá trị cực đại (kd,max ) thì nó chính là hệ số xung
kích (IM trong ngành cầu đường).
- Tiêu chí áp lực đường (dynamic wear factor) cho toàn xe
với ij bánh xe:
i  5 ,j 2

W



w ijFGij

i 1,j 1

(3.8)

i  5 ,j 2



FGij

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

tốc tăng (giống qui luật của kd21).
ii) Hệ số áp lực đường w tương ứng với 4 loại đường
Bảng 3.5 Giá trị cực đại của hệ số áp lực đường (max(w)) phụ thuộc vào
vận tốc và các loại đường

Giá trị này cũng có xu hướng tăng khi vận tốc tăng, cùng 1
loại đường. Đối với đường A-B và B-C độ dốc của 2 đường này ít
hơn đường C-D và D-E, là hàm mũ 4 (công thức 3.7) nên giá trị
này tăng nhảy bậc khi đường xấu. Tiêu chuẩn đánh giá hệ số này
chưa có, thông thường người ta dùng để tham khảo, đối với ô tô
người ta dùng để so sánh tác động xuống đường của xe này với xe
khác (nó còn được gọi là hệ số thân thiện với đường).
Bảng 3.5 là tổng hợp giá trị của hệ số max(w), đối với
đường A-B giá trị này cao nhất là 1.55, tương ứng với vận tốc cao
nhất 120km/h; các đường khác có xu hướng tăng. Các giá trị này
mang tính chất tham khảo khi thiết đường.
Từ các kết quả trên và kết quả ở phụ lục 2, ta đưa về các
bảng tổng hợp sau để có thể đánh giá một cách tổng quát hơn.
(bảng 3.6, 3.7, 3.8, 3.9)
Nhận xét: Cùng một loại đường A-B, cùng mức vận tốc hệ
số tải trọng động cực đại bánh 21 và 31 là lớn nhất, bánh 41 và 51
nhỏ hơn nhưng lớn hơn bánh 11.
Tải trọng động cực đại (max(Fz)) của các bánh xe cũng có
xu hướng tăng khi vận tốc tăng (đã nhận xét trong phần bánh xe
21); tải trọng động cực đại của bánh 41 và 51 là lớn nhất (vì đây là
cầu chất tải); tải trọng động cực đại bánh 21 (max(Fz21)) và 31
(max(Fz31)) lớn hơn tải trọng động cực đại bánh 11 (max(Fz11)).


13

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;

- Xác định tải trọng động bằng thực nghiệm.
4.2 Đối tượng thí nghiệm
Thực nghiệm được thực hiện trên đoàn xe sơ-mi rơmoóc. Đoàn
xe có 05 cầu, xe đầu kéo Huyndai HD 700 có 03 cầu, sơ-mi
rơmoóc Tân Thanh KCT - Model: 742-S-01 CERTIFICATE, có 02
cầu.
4.3 Sơ đồ thí nghiệm

Hình 4.2 Vị trí lắp đặt cảm biến đo


16

Hình 4.3a Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo và các cảm biến tương ứng

Sơ vị trí cảm biến như hình 4.2: các cảm biến lắp tại bánh xe
cầu trước, ký hiệu theo các số La Mã I, II, III, IV,V:
I: Cảm biến đo gia tốc theo phương z của khối lượng được treo.
II: Cảm biến đo khoảng cách từ thân xe xuống cầu xe.
III: Cảm biến đo gia tốc theo phương z của khối lượng không
được treo.
IV: Cảm đo khoảng cách từ cầu xe xuống mặt đường.
V: Cảm biến đo vận tốc (Encoder) gốc của bánh xe.

Hình 4.3b Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo và các cảm biến tương ứng


17
4.4 Thiết bị thí nghiệm

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

không cho phép chất đầy tải, nên tải thí nghiệm chỉ đạt đến khối
lượng như đã nêu ở mục 4.2; tải mô phỏng để kiểm chứng cũng
dựa trên cơ sở này.
- Thông số so sánh: trong thí nghiệm chương 4, NCS chọn 4
thông số để so sánh (bảng 4.1) :


18
Bảng 4.1. Các thông số thí nghiệm

Sai số của mô hình phần lớn do sai số tham số cấu trúc
(các thông số cơ bản) và các giả thiết của mô hình. Tham số cấu
trúc của mô hình chương 2 được tham khảo từ nhà chế tạo, xác
định tương đương từ TruckSim [44]. Các khối lượng được xác
định bằng cách cân trên hiện trường khi thí nghiệm.
Cho xe chạy thẳng qua mấp mô như hình 4.10 với vận tốc
khoảng 5, 10, 15km/h nhưng để điều kiện đầu vào như nhau, khi
thí nghiệm có đo vận tốc góc của bánh xe số 5, vận tốc đo được
thực tế là 6, 12, 16km/h. Vì vậy, vận tốc mô hình lý thuyết khi đưa
vào khảo sát là 6, 12, 16 km/h. Mấp mô đường và vận tốc xe được
đưa vào mô hình và có cùng điều kiện như thí nghiệm.

Hình 4.10 Mấp mô khảo sát

iii) So sánh các kết quả đo với mô phỏng
(a) Thí nghiệm với vận tốc 6 km/h: Đồ thị 4.11, 4.12 là
chuyển vị tương đối giữa điểm trên và điểm dưới hệ thống treo,
tâm cầu và mặt đường (biến dạng hướng kính lốp-đường). Hình
4.13, 4.14 là gia tốc thẳng đứng khối lượng được treo và không
được được treo. Trong khoảng 2 giây là khoảng bánh xe nghiên

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

Hình 4.18 Gia tốc khối lượng
được treo khi v=12km/h


20
(c) Thí nghiệm với vận tốc v=16 km/h:

Hình 4.19 Chuyển vị tương đối
hệ thống treo khi v=16 km/h

Hình 4.20 Chuyển vị điểm dưới
hệ thống treo khi v=16 km/h

Hình 4.21 Gia tốc khối lượng
được treo trước khi v=16 km/h,
mấp mô h=0.05 m

Hình 4.22 Gia tốc khối lượng
không được treo cầu trước khi
v=16 km/h

Nhận xét các đồ thị từ 4.11 đến 4.22: Các đồ thị giữa mô
phỏng (đường màu đen) và thí nghiệm (đường màu xanh chấm
đứt) có dáng điệu như nhau. Các sai số xem bảng 4.2.
4.7. Tính sai số theo Pearson
Có nhiều hệ số tương quan, hệ số tương quan thông dụng
nhất: hệ số tương quan Pearson R được định nghĩa sau:

 a
N

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



(4.1)
2

Bảng 4.2 Bảng hệ số Pearson

Thời gian
z B1
 A1
Pearson
ξA1
ξA1-zB1
so sánh (s)
v=6 km/h
1÷3
0.845 0.742 0.907
0.832
v=12 km/h
1÷3
0.894 0.680 0.838
0.847
v=16 km/h
1÷3
0.862 0.609 0.799
0.854
Nhận xét chung: Các kết quả đo thể hiện trong các đồ thị
có dáng điệu phù hợp, hệ số tương quan bé nhất là 0.609.

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

(khả thi) để xác định tải trọng theo 4.2. Kết quả so sánh giữa đo
gián tiếp tải và mô phỏng như hình 4.23. Nhìn vào hình 4.23 ta
thấy dáng điệu giữa mô phỏng và thí nghiệm (tính gián tiếp) có
dáng điệu như nhau.
&
&
(4.2)
Fz12  FG12  mC12 &
z&
C12  mA12 A12
Như vậy, từ phía xe ta có thể xác định được các gia tốc và tính
được phản lực lốp đường khi xe đang chạy và đáp ứng được các
yêu cầu đề ra ở các mục 4.8 (a,b,c).
iii) Đề xuất mô hình mô phỏng để so sánh khi thí nghiệm


22
Như thí nghiệm ở chương 4, ta đã tạo ra mấp mô nhân tạo
và điều kiện chỉ tương đương trong chu kỳ đi qua mấp mô. Từ
công thức 2.24 ta thấy rằng, trong mô phỏng lý thuyết, hàm kích
động mặt đường được dùng để xác định phản lực Fz. Công thức
2.24 dùng xác định tải trọng động, 3 công thức là tương đương,
trong đó có một công thức phải sử dụng mấp mô mặt đường “h”.
Khi thí nghiệm ta không biết mấp mô mặt đường. Do điều kiện
tương đương nên có thể dùng hai công thức không chứa “h” của
2.24 để tính phản lực Fz trong mô hình mô phỏng dùng để so sánh
khi thí nghiệm. Khi đó sơ đồ tính được suy ra từ hình 2.27 như
hình 4.24.

Hình 4.23 Tải trọng bánh xe 12 giữa mô phỏng và tính theo công thức 4.2

&
&
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

ĐXSMRM 28 bậc tự do bằng phương pháp hệ nhiều vật và hệ
phương trình Newton-Euler có thể khảo sát dao động đoàn xe khi
chuyển động với các kích động khác nhau, đặc biệt là kích động
ngẫu nhiên. Với phương pháp tách cấu trúc, các lực liên kết như
nội lực hệ thống treo, khớp yên ngựa có thể được xác định riêng rẽ,
thuận lợi cho việc tối ưu hệ thống treo khi cần thiết. Đã trình bày
phương pháp mô tả hệ thống treo cân bằng dọc và mô hình mô tả ở
thái cân bằng tĩnh nên dễ dàng xác định điều kiện đầu.
(ii) Đã khảo sát kích động ngẫu nhiên cho 4 loại đường theo
tiêu chuẩn theo ISO 8608:1995 đặc trưng cho đường cao tốc (rất
tốt), đường tốt và tốt vừa, đường xấu. Đã xác định được các hệ số
đặc trưng khi thiết kế đường như hệ số tải trọng động, hệ số xung
kích, hệ số áp lực đường. Hiện nay ngành cầu đường sử dụng hệ số
xung kích IM=1.3 để thiết kế. Các giá trị tính toán trong luận án có
giá trị khác nhau cho từng loại đường, được đưa ra trong bảng 3.6;
3.7;3.8; 3.9. Đây là kết quả có thể tham khảo khi thiết kế đường.
Giá trị tham khảo được đề xuất như sau (bảng 3.10): giá trị cực đại
của hệ số tải trọng động cho đường A-B, vận tốc tối đa 120km/h là
kd,max=1.499; đường B-C, vận tốc tối đa 90km/h là kd,max=1.557;


24
đường C-D, vận tốc tối đa 80km/h là kd,max=1.919; đường D-E, vận
tốc tối đa 60km/h là kd,max=1.777.
(iii) 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. Có hệ số
R bé nhất là 0.609, cao nhất là 0.907, nằm trong phạm vi chấp
nhận được.

(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.