NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT TẢI TRỌNG TRÊN XE KHÁCH HYUNDAI AERO SPACE.ThS. Nguyễn Công TuấnTS. Nguyễn Quang Anh

1

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CỦA HỆ THỐNG GIÁM
SÁT TẢI TRỌNG TRÊN XE KHÁCH HYUNDAI AERO SPACE
ThS. Nguyễn Công Tuấn
TS. Nguyễn Quang Anh
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghệ GTVT

Abstract: Trong những năm trở lại đây, số lượng và chủng loại các loại
phương tiện cơ giới tăng lên nhanh chóng, đặc biệt là các xe vận tải hành
khách và hàng hóa, tạo ra áp lực lớn đối với các cơng trình giao thơng
đường bộ. Đồng thời các phương tiện này thường xuyên và liên tục chở quá
tải trọng và quá tốc độ cho phép, bên cạnh đó kết cấu hạ tầng giao thông
chưa phát triển, chất lượng đường bộ chưa tốt gây mất an tồn giao thơng.
Thực tế hiện nay việc giám sát tải trọng của các xe lưu thông trên đường ở
Việt Nam hiện nay mới tập trung lại ở việc xây dựng và lắp đặt các trạm
cân tải trọng cố định và di động trên đường, nhưng hiệu quả sử dụng chưa
cao và chưa phù hợp với thực tế. Yêu cầu đặt ra là cần phải có một hệ
thống giám sát tải trọng của xe một cách liên tục và chính xác để đảm bảo
an tồn cho các cơng trình đường bộ và nâng cao tuổi thọ cho phương tiện.
Trong bài báo này các tác giả đã nghiên cứu một hướng đi mới để tính tốn
xây dựng một thuật toán giám sát được tải trọng chuyên chở cho các loại xe
cơ giới, đặc biệt là xe khách, làm cơ sở cho việc khảo sát, thiết kế và chế
thử hệ thống giám sát tải trọng để lắp đặt trên xe thực tế.
Đặt vấn đề:
Trong những năm trở lại đây, hệ thống cơng trình giao thơng cầu
đường bộ trong nước đang xuống cấp trầm trọng, thậm chí cả những cơng
trình mới được xây dựng được nghiệm thu đưa vào khai thác sử dụng. Thực
tế này dẫn đến sự lãng phí rất lớn cho nền kinh tế quốc dân. Một trong
những nguyên nhân chính của thực trạng này là do các phương tiện giao
thơng ln hoạt động với tình trạng chở hàng hóa, hành khách quá tải và

quá khổ. Có rất nhiều xe do chở quá tải mà bị nổ lốp, gãy nhíp, gãy cầu xe,


2

hệ thống phanh mất hiệu lực gây nguy hiểm cho chính xe đó và mất an tồn
giao thơng nói chung. Việc chở q tải trọng cho phép ngồi ra cịn ảnh
hưởng trực tiếp đến an toàn chuyển động của xe về nhiều góc độ như: tính
dẫn hướng, tính động lực học chuyển động, giảm hiệu quả làm việc của hệ
thống treo, giảm tác dụng và hiệu quả của hệ thống phanh, giảm tính êm
dịu chuyển động, đồng thời làm tăng lực cản lăn gây phá hủy đường và làm
giảm tính kinh tế nhiên liệu của phương tiện. Hệ thống cầu đường vì thế đã
bị hư hại một cách nghiêm trọng, ví dụ: Cầu Đại Tân trên QL18 bản mặt
cầu liên hợp bị hư hỏng nặng, phải làm cầu tạm để đảm bảo giao thông.
Cầu Đuống trên QL1A cũ bị thủng lớn bản mặt cầu. Cầu Hạc và cầu Bố
(Thanh Hóa) trên QL1A bị vỡ bê tông đầu dầm. Cầu Yên, cầu Vũng Trắm,
cầu Cẩm Tiên 2 (QL1A) bị thủng lớn bản mặt cầu. Cầu Phố Giàng, cầu
Ngòi Lực QL70 bị vỡ bê tông… Các tuyến đường quốc lộ, liên tỉnh, liên
huyện cũng bị xuống cấp trầm trọng do xe quá tải trọng. QL 23, QL 5, QL
1, QL 6, QL 23… nhiều cung đường, mặt cầu bị hư hỏng nghiêm trọng.
Nhiều tuyến đường chưa hết thời hạn bảo hành nhưng đã xuất hiện các vết
lồi lõm, bong tróc nguy hiểm.
Phương tiện chở quá tải trọng gây phá hủy cầu, đường có thể là tải
trọng tác động lên kết cấu, có thể là hiệu ứng tải nào đó như ứng lực mặt
cắt, ứng suất trên một mặt cắt, nói cách khác nó đặc trưng cho tác động
xuống cơng trình giao thơng. Khi tải trọng thực tế vượt quá giới hạn chịu
tải của cầu, đường sẽ gây ra rất nhiều hậu quả, cụ thể là:
Làm hư hỏng khe co giãn: Khe co giãn của cầu bị hư hỏng, gây ra hiện
tượng nước và đất cát bẩn trên cầu chảy xuống bản mặt cầu, hệ liên kết
ngang, dầm, gối cầu. Ảnh hưởng đến việc đi lại khơng êm thuận của các

phương tiện, có thể gây ra xung kích cho các bộ phận kết cấu của cầu.
Tải trọng phá hủy mặt đường: làm cho mặt đường bị bong tróc lớp bê tơng
nhựa, rạn nứt theo hướng dọc và hướng ngang, làm cho nước mưa thấm
vào các lớp bên trong gây phá hủy, lâu ngày tạo sóng hay ổ gà trên đường.


3

Làm hư hỏng liên kết ngang: Hư hỏng này ảnh hưởng lớn đến sơ đồ làm
việc khơng gian của tồn bộ kết cấu nhịp cầu cũng như làm việc cục bộ của
dầm ngang hay bản mặt cầu. Hư hỏng chủ yếu là tụt hay đứt cáp, tại các
khe dầm nối ngang bị bong vỡ lớp bê tông lộ cốt thép bên trong gây gỉ.
Làm hư hỏng gối cầu: gối cầu bị gỉ vẩy, gối cao su bị lão hóa gây bẹp lún
không đều, con lăn của gối bị nghiêng lệch quá giới hạn cho phép, do lực
hãm phanh của tải trọng gây ra.
Thực tế hiện nay việc giám sát tải trọng chuyên chở trên các phương tiện
vận tải, nhất là các xe tải cỡ lớn, xe khách cỡ lớn và các loại xe máy
chuyên dùng còn nhiều hạn chế, mới chỉ dừng lại ở việc lắp đặt và sử dụng
các trạm cân cố định và lưu động. Nhưng việc này không thể giám sát tải
trọng một cách liên tục và chính xác, gây khó khăn cho cơng tác giám sát
và quản lý của doanh nghiệp cũng như của Nhà nước. Do đó, trên cơ sở tài
liệu tham khảo và xe thực tế, bài báo đưa ra một cách tính tốn để xác định
mối quan hệ giữa biến dạng của hệ thống treo khí nén điện tử với tải trọng
của xe, qua đó xây dựng thuật tốn để thiết kế một hệ thống giám sát tải
trọng phù hợp với Việt Nam.
Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
Trong bài báo này các tác giả sử dụng đối tượng nghiên cứu là xe khách
Hyundai Aero Space 45 chỗ ngồi. Loại xe này có sử dụng hệ thống treo
bằng khí nén điện tử, kết hợp thêm cảm biến độ cao vị trí của sàn xe, cho
phép xây dựng một cách tính tốn khả thi trong việc thiết kế hệ thống giám

sát tải trọng. Bài báo đưa ra phương pháp nghiên cứu bằng cách nghiên cứu
sự thay đổi áp suất trong buồng khí nén của hệ thống treo khi tải trọng thay
đổi, kéo theo sự thay đổi của phần tử điện áp, thông qua hoạt động của các
cảm biến đo chiều cao sàn xe và cảm biến áp suất, qua đó xây dựng đường
cong đặc tính tải của phần tử đàn hồi khí nén, để làm cơ sở tính tốn.


4

Cơ sở lý thuyết của bộ phận đàn hồi
Bộ phận đàn hồi của hệ thống treo khí nén là các buồng khí có mơi chất là
khí nén, áp lực khí nén được tạo ra phụ thuộc vào tải trọng bên ngoài.
Với Fp: Tải trọng đặt lên buồng đàn hồi; pa: Áp suất khí quyển.
p: Áp suất khí nén trong buồng đàn hồi; S: Diện tích làm việc buồng đàn
hồi. Fpi = (pi -pa).S hay Fpi = pz .S [N]

(1)

Trong đó pz: Độ chênh lệch áp suất của buồng khí nén.
S=

 2
.d w với dw là đường kính buồng khí nén. Khi d w thay đổi thì S thay
4

đổi nên ta có thể viết S = f(z). Ở trạng thái tĩnh tải trọng đặt lên buồng đàn
hồi là:

Fs = (ps- pa).S

[N]

(2)

Trong đó: ps là áp suất khí nén ở trạng thái tĩnh.

a) Buồng xếp

b) Buồng gấp

Hình 1: Mối quan hệ của Fp và z
Với loại buồng gấp, trong khoảng làm việc nhất định, buồng đàn hồi
khi bị nén lại có thể làm giảm diện tích làm việc, do đó cần thiết phải tạo
dáng pittơng một cách thích hợp.


5

Trên đường đặc tính trên xác định tại z = 0, tương ứng với chiều cao
tĩnh của buồng đàn hồi, quan hệ của áp suất p z là không thay đổi. Trong
thực tế các đường cong này còn được xác định sao cho: áp suất p z được giữ
không cho thay đổi (khoảng 0,5 Mpa). Như vậy, quan hệ giữa F và z ở
trạng thái tĩnh cho với áp suất không đổi.
Sự biến đổi của S theo khoảng nhỏ dz gọi là hệ số biến đổi diện tích
làm việc:

U=

dS
dz

(3)

Khi z = 0, áp suất khí nén khoảng 0,5 Mpa. Giá trị này của U như
sau:
U > 0 – diện tích làm việc tăng lên.
U = 0 – diện tích làm việc khơng đổi.
U < 0 – diện tích làm việc giảm đi.
Giá trị U có thể biểu thị nhờ thể tích bên trong khơng gian làm việc
bên trong. Nếu như thể tích làm việc giảm xuống, ta có quan hệ về sự biến
đổi thể tích của buồng khí nén.
dV = - dS.dz

hay

dV
= - dS
dz

dS
d 2V
Đạo hàm một lần nữa: 2 = - = -U
dz
dz

Ở đây: U = -

(4)
(5)

d2V
gọi là hệ số biến đổi diện tích khi thay đổi chiều cao.
dz 2

Đặc tính tải của buồng đàn hồi:
Quan hệ S = f(z), S = f(pp) hay V = f(z) được gọi là đặc tính hình học
của buồng đàn hồi.


6

Ở trạng thái tĩnh buồng đàn hồi được đặc trưng bởi các thông số:
- Chiều cao tĩnh của buồng đàn hồi h s (chiều cao cần đạt của buồng đàn
hồi).
- Tải trọng tĩnh của buồng đàn hồi F.
- Diện tích làm việc Ss hay hệ số biến đổi diện tích làm việc Us.
Ta có phương trình trạng thái biểu thị quan hệ của áp suất và thể tích:
p.Vn = const [Mpa.m3]

(6)

Quan hệ của các trạng thái: ps.Vns = p.Vn [Mpa.m3]

(7)

Trong đó:
- ps = pPs + pa: Áp suất tuyệt đối của khí nén với chiều cao tĩnh của buồng
đàn hồi
- p = pp + pa: Áp suất tuyệt đối của khí nén với chiều cao thay đổi của
buồng khí nén.

Thay vào công thức (3.5) và biến đổi:
pp =

Vs �2
�
� �.(pps+pa)-pa
�V �

[Mpa]

Trong đó: pa: Áp suất khí quyển.
- pps: Áp suất đàn hồi ở chiều cao tĩnh hs.
- pp: Áp suất buồng đàn hồi ở chiều cao tức thời.
- V: Thể tích buồng đàn hồi ở chiều cao tức thời.
- Vs: Thể tích buồng đàn hồi ở chiều cao tĩnh.

(8)


7

Để giả thiết trên là đúng thì khí nén trong buồng đàn hồi phải thỏa mãn giả
thiết sau: Khi biến dạng, lưu lượng của buồng đàn hồi không thay đổi, tức
là khi làm việc buồng đàn hồi không nạp và xả khí nén bằng van điều
chỉnh.
Khi bị nén, pittơng dịch chuyển một đoạn z. Thể tích buồng khí nén ở trạng
thái tức thời:

V = Vs - S.z [m3]

Ta có:

pp =

Vs �n
�
� �.
�V �

ps = ps .

(9)
� Vs �n
�
�
V  S .z �
�

[Mpa]

(10)

Tải trọng F đặt lên buồng đàn hồi ở chiều cao làm việc tức thời (z) và diện
tích tức thời S:
F=

F = S.pp [N]

Vs �
�

[ �V �n.ps � �

pa].S =

� Vn
�
s
 
p

p
 .S
�
s   
a�
n
 Vs  S.z    
�
�
�
�

[N]

(11)

Trong công thức (10), V = f(z) (bỏ qua sự thay đổi nhỏ của S bởi sự thay
đổi áp suất). Quan hệ này có thể biểu diễn bằng đồ thị với áp suất không
đổi. Hay lực tác dụng (pp= f(z)).Quan hệ F = f(z) gọi là đặc tính tải của
buồng đàn hồi.

Hệ số mũ đa biến (n) phụ thuộc vào tốc độ thay đổi thể tích của buồng đàn
hồi, nhiệt độ mơi trường, tốc độ dịng khí của mơi trường.
Ta có thể giả thiết như sau:
- Khi xe chạy trên đường không bằng phẳng, sự thay đổi thể tích nhanh
n = 1.38 (hay n =1,40). Ứng với trạng thái pVn = const.
- Khi xe chạy vào đường vịng hoặc quay vịng (có sự nghiêng ngang thân
xe) sự thay đổi thể tích chậm n = 1. Ứng với trạng thái pV = const.
- Quan hệ F = f(z) khi n = 0. Ứng với trạng thái pp = const.


8

Ta có đường đặc tính tham khảo.

Hình 2: Đặc tính tải của phần tử đàn hồi khí nén
Đường cong khi n = 1,0 gọi là đặc tính tải tĩnh của buồng đàn hồi.
Đường cong khi n = 1,4 gọi là đặc tính tải động của buồng đàn hồi.
* Buồng đàn hồi có thể tích phụ:

Hình3 : Ảnh hưởng của buồng thế tích phụ tới đặc tính tải


9

Thể tích phụ có ảnh hưởng lớn đến đường đặc tính tải của phần tử đàn hồi.
Các thể tích phụ có thể là buồng dự trữ hay là hộp dự trữ như ở hình 3.
Nếu tính cả buồng thể tích phụ Vd này thì thể tích tại trạng thái tĩnh là:
Vs+Vd, khi chịu tải thay đổi V+Vd. Như vậy:
F

n
�
�
�Vs  Vd   �
p

p
=�
�
� s
a �S
V  Vd   �
�
�
�
�
�

[N]

(12)

Phương trình này gọi là đặc tải tính tải của buồng đàn hồi có bình khí phụ.
Cùng với sự tăng của Vd tỉ lệ
Nếu Vd � �thì

Vs  Vd
�
V  Vd 1,

Vs  Vd
V  Vd

càng giảm, có nghĩa là giảm lực F.

hay là F = f(z) có quy luật khi n = 0.

Độ cứng của phần tử đàn hồi khí nén.
Độ cứng của buồng đàn hồi có thể xác định từ đường đặc tính tải trọng
thực nghiệm bằng cách xây dựng đường tiếp tuyến của đường cong F = f(z)
tại điểm khảo sát. Cơng thức của nó được tính tại lân cận điểm z = 0 như
trên hình vẽ, với:
C=

F ( z  10)  F ( z  0)
10

[N/m]

(13)


10

Hình 4: Xác định độ cứng của buồng đàn hồi
Mặt khác, độ cứng của buồng đàn hồi còn được còn được xác định
theo lý thuyết. Định nghĩa độ cứng như sau:
C=

�dF �

� �
�dz �

(N/m)

(14)

Nếu coi F=S.pp, với sự thay đổi thể tích của buồng đàn hồi dẫn tới thay
đổi áp suất khí nén và diện tích truyền tải trọng thì:
C=

n
2
�dF �= n. ps .V s .S
� �
n 1
�dz � (Vs  S .z )

[N/m]

(15)

Từ (3.13) thấy độ cứng của phần tử đàn hồi C bao gồm hai thành phần: Độ
cứng do thay đổi thể tích V, độ cứng độ cứng thay đổi diện tích S.
Độ cứng thể tích tạo nên bởi sự thay đổi thể tích và phụ thuộc vào áp
suất tuyệt đối ps và áp suất khí nén pps.
Độ cứng diện tích được tạo nên bởi sự thay đổi diện tích làm việc hữu
ích. Sự giảm thấp độ cứng C trong thực tế được tiến hành bằng sự thay đổi
diện tích làm việc của pittơng.
Ở trạng thái tĩnh (f = 0) độ cứng của buồng

đàn hồi được xác định:
Cs=

n. ps .S 2
[N/m]
Vs

(16)

Với ps là áp suất tuyệt đối tương ứng với chiều cao
tĩnh của buồng đàn hồi (Hs).
Với tải trọng đặt lên buồng đàn hồi:
F = Fs = pps.S = (ps-pa).S


11

Độ cứng ở trạng thái tĩnh là:
Cs =

n( Fs  pa .S ).S
Vs

[N/m]

(17)

Ở trạng thái làm việc của buồng đàn hồi, độ cứng của buồng đàn hồi được
xác định:

Cz =

n( Fz  pa .S ).S
V

[N/m]

Trong đó: Fz là tải trọng ở trạng thái làm việc đặt lên buồng đàn hồi.
Khi tải trọng thay đổi thì áp lực của khí nén được xác định:
Fz  pa .S
S

P=

(18)

Trong trường hợp khối lượng khí khơng đổi, tồn tại sự thay đổi thể tích khí
do sự thay đổi nhỏ của tải trọng thì:
p

F  p .S

s
a
s
V = p .Vs = F  p .S .Vs
z
a

(19)

Độ cứng của phần tử đàn hồi khi đó:
2
Cz = n.( Fz  pa .S ).S = n.( Fz  pa .S ) .S

V

( Fs  pa .S ).Vs

(20)

Tính tốn xây dựng đường đặc tính của buồng thể tích đến đặc tính tải
Chọn buồng khí nén cho hệ thống treo trước:
Căn cứ vào bảng thơng số buồng khí tiêu chuẩn và hệ thống treo trước có
hai buồng khí nén, chọn buồng khí nén kí hiệu B70 (loại buồng gấp) với
những thông số sau:
Fmax = 30 [kN] ; Dmax = 320 [mm] ;


12

pi = 0,5 Mpa = 0,5.106 Pa = 0,5.106 N/m2 = 500 (kN/m2)
V = 7,6 [dm3]; S = 4,8 [dm2]
b. Tính tốn
Ở trạng thái tĩnh V = 7,6 dm3 =7,6.10-3 m3 ; S = 4,8 dm2 = 4,8.10-2 m2
Do V = S.h nên chiều cao của buồng khí :
h = V/S = 7,6.10-3/4,8.10-2 = 0,1583 (m)
Và ta có Fpi = (pi - pa).S hay

pi  pa 

Fpi
S

Khi thêm tải, tải tác dụng lên buồng khí lực F t . Khi đó áp suất của
buồng khí là p. Thể tích của buồng khí lúc này là V. Ta có F p = (pi-pa). S và
Fp = Fpi+Ft . Do p.V = pi.Vi nên
p Vi
S .h
h
 

pi V S .(h  z ) h  z

Thay p và p0 vào ta có:
Fp

 pa

h
 S
hz
pi

Fpi
 S



Ft

F
 pa pi  t
S
S

pi
pi

2
Biến đổi biểu thức trên và chú ý: V=S.h ta thu được: Ft  z. pi .S
V  S .z

z

V .Ft
S .Ft  pi.S 2

Thay V= 7,6 dm3 = 7,6.10-3 m3 ; S = 4,8 dm2 = 4,8.10-2 m2 ; pi= 500
(kN/m2) vào biểu thức ta có: F  z.50.4,82
t

7, 6  48.z

(kN)


13

Nếu chọn p0 lần lượt lấy các giá trị khác nhau p i= 6, 7, 8,9 bar thì F t tương
ứng được xác định theo biểu thức:

Ft 

z.60.4,82
7, 6  48.z

(kN)

Ft 

z.70.4,82
7, 6  48.z

(kN)

Ft 

z.80.4,82
7, 6  48.z

(kN)

Chọn một vài giá

z.90.4,82
F 
các giá trị Ft tương t 7, 6  48.z

trị rời rạc của z để tính được
(kN)

ứng ta có bảng sau:

Bảng 1: Bảng các giá trị Ft tương ứng theo z
z

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04 -0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Ft(pi=5 bar) -9.290 -8.055 -6.595

-4.840 -2.691

0

3.469 8.112

14.644 24.510 41.142

Ft(pi=6 bar) -11.148 -9.667 -7.914

-5.808 -3.229

0

4.163 9.735

17.572 29.412 49.371

Ft(pi=7 bar) -13.006 -11.278 -9.233

-6.776 -3.768

0

4.857 11.357 20.501 34.314 57.6

Ft(pi=8 bar) -14.864 -12.889 -10.55

-7.744 -4.306

0

5.551 12.980 23.430 39.217 65.828

Ft(pi=9 bar) -16.722 -14.500 -11.871 -8.712 -4.844

0

6.245 14.602 26.359 44.119 74.057


14

Hình 5: Biểu đồ mơ tả quan hệ giữa z và Ft
Kết luận:
Bài báo đề xuất một hướng xây dựng thuật toán để thiết kế hệ thống giám
sát tải trọng của ô tô, trên cơ sở ban đầu là xây dựng đường đặc tính thể
hiện mối quan hệ giữa sự biến dạng z và tải trọng tĩnh Ft. Kết hợp với các
cảm biến độ cao sàn xe và cảm biến áp suất để mở ra một hướng đi khả thi
trong chế thử và sản xuất hệ thống này ở Việt Nam.

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.
2.
3.
4.

Inform.wabco-auto.com/intl/pdf/815/01/78/01/464006.pdf.
Dl.acm.org/citation.cfm?id=2095260
www.vehicledynamics-expo.com/09vdx.../10_Vijay_Kumar.pdf
www.volkspage.net/technik/ssp/ssp/SSP_243.pdf
Trang tin điện tử Bộ Giao thơng vận tải. www.mt.gov/vn.
5. TS Trương Hữu Trí. TS Võ Thị Ri. Giáo trình cơ điện tử. NXB: Khoa học

kỹ thuật.


15

6. Trần Thủy Hồn. Giáo trình lý thuyết ơ tơ. Trường Đại học Giao thông vận
tải.
7. Nguyễn Ngọc Toản. Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng của phần
trăm tải trọng đến một số tính năng sử dụng cơ bản của ơ tơ tải.
8. Dương Hữu Trí. Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng đến
hiệu quả của bàn đạp phanh.