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 năm trở lại đây, số lượng chủng loại loại phương tiện giới tăng lên nhanh chóng, đặc biệt xe vận tải hành khách hàng hóa, tạo áp lực lớn cơng trình giao thơng đường Đồng thời phương tiện thường xuyên liên tục chở tải trọng tốc độ cho phép, bên cạnh kết cấu hạ tầng giao thông chưa phát triển, chất lượng đường chưa tốt gây an tồn giao thơng Thực tế việc giám sát tải trọng xe lưu thông đường Việt Nam tập trung lại việc xây dựng lắp đặt trạm cân tải trọng cố định di động đường, hiệu sử dụng chưa cao chưa phù hợp với thực tế Yêu cầu đặt cần phải có hệ thống giám sát tải trọng xe cách liên tục xác để đảm bảo an tồn cho cơng trình đường nâng cao tuổi thọ cho phương tiện Trong báo tác giả nghiên cứu hướng để tính tốn xây dựng thuật toán giám sát tải trọng chuyên chở cho loại xe giới, đặc biệt xe khách, làm sở cho việc khảo sát, thiết kế chế thử hệ thống giám sát tải trọng để lắp đặt xe thực tế Đặt vấn đề: Trong năm trở lại đây, hệ thống cơng trình giao thông cầu đường nước xuống cấp trầm trọng, chí cơng trình xây dựng nghiệm thu đưa vào khai thác sử dụng Thực tế dẫn đến lãng phí lớn cho kinh tế quốc dân Một nguyên nhân thực trạng phương tiện giao thơng ln hoạt động với tình trạng chở hàng hóa, hành khách tải khổ Có nhiều xe chở tải mà bị nổ lốp, gãy nhíp, gãy cầu xe, hệ thống phanh hiệu lực gây nguy hiểm cho xe an tồn giao thơng nói chung Việc chở q tải trọng cho phép ngồi cịn ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn chuyển động xe nhiều góc độ như: tính dẫn hướng, tính động lực học chuyển động, giảm hiệu làm việc hệ thống treo, giảm tác dụng hiệu hệ thống phanh, giảm tính êm dịu chuyển động, đồng thời làm tăng lực cản lăn gây phá hủy đường làm giảm tính kinh tế nhiên liệu phương tiện Hệ thống cầu đường bị hư hại cách nghiêm trọng, ví dụ: Cầu Đại Tân QL18 mặt cầu liên hợp bị hư hỏng nặng, phải làm cầu tạm để đảm bảo giao thông Cầu Đuống QL1A cũ bị thủng lớn mặt cầu Cầu Hạc cầu Bố (Thanh Hóa) QL1A bị vỡ bê tông đầu dầm Cầu Yên, cầu Vũng Trắm, cầu Cẩm Tiên (QL1A) bị thủng lớn mặt cầu Cầu Phố Giàng, cầu Ngòi Lực QL70 bị vỡ bê tông… Các tuyến đường quốc lộ, liên tỉnh, liên huyện bị xuống cấp trầm trọng xe 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 xuất vết lồi lõm, bong tróc nguy hiểm Phương tiện chở tải trọng gây phá hủy cầu, đường tải trọng tác động lên kết cấu, hiệu ứng tải ứng lực mặt cắt, ứng suất mặt cắt, nói cách khác đặc trưng cho tác động xuống cơng trình giao thơng Khi tải trọng thực tế vượt giới hạn chịu tải cầu, đường gây nhiều hậu quả, cụ thể là: Làm hư hỏng khe co giãn: Khe co giãn cầu bị hư hỏng, gây tượng nước đất cát bẩn cầu chảy xuống mặt cầu, hệ liên kết ngang, dầm, gối cầu Ảnh hưởng đến việc lại không êm thuận phương tiện, gây xung kích cho phận kết cấu cầu Tải trọng phá hủy mặt đường: làm cho mặt đường bị bong tróc lớp bê tông nhựa, rạn nứt theo hướng dọc hướng ngang, làm cho nước mưa thấm vào lớp bên gây phá hủy, lâu ngày tạo sóng hay ổ gà đường 3 Làm hư hỏng liên kết ngang: Hư hỏng ảnh hưởng lớn đến sơ đồ làm việc khơng gian tồn kết cấu nhịp cầu làm việc cục dầm ngang hay mặt cầu Hư hỏng chủ yếu tụt hay đứt cáp, khe dầm nối ngang bị bong vỡ lớp bê tông lộ cốt thép bên gây gỉ Làm hư hỏng gối cầu: gối cầu bị gỉ vẩy, gối cao su bị lão hóa gây bẹp lún khơng đều, lăn gối bị nghiêng lệch giới hạn cho phép, lực hãm phanh tải trọng gây Thực tế việc giám sát tải trọng chuyên chở phương tiện vận tải, xe tải cỡ lớn, xe khách cỡ lớn loại xe máy chuyên dùng nhiều hạn chế, dừng lại việc lắp đặt sử dụng trạm cân cố định lưu động Nhưng việc giám sát tải trọng cách liên tục xác, gây khó khăn cho công tác giám sát quản lý doanh nghiệp Nhà nước Do đó, sở tài liệu tham khảo xe thực tế, báo đưa cách tính tốn để xác định mối quan hệ biến dạng hệ thống treo khí nén điện tử với tải trọng xe, qua xây dựng thuật toán để thiết kế hệ thống giám sát tải trọng phù hợp với Việt Nam Vật liệu phương pháp nghiên cứu Trong báo tác giả sử dụng đối tượng nghiên cứu xe khách Hyundai Aero Space 45 chỗ ngồi Loại xe có sử dụng hệ thống treo khí nén điện tử, kết hợp thêm cảm biến độ cao vị trí sàn xe, cho phép xây dựng cách tính tốn khả thi việc thiết kế hệ thống giám sát tải trọng Bài báo đưa phương pháp nghiên cứu cách nghiên cứu thay đổi áp suất buồng khí nén hệ thống treo tải trọng thay đổi, kéo theo thay đổi phần tử điện áp, thông qua hoạt động cảm biến đo chiều cao sàn xe cảm biến áp suất, qua xây dựng đường cong đặc tính tải phần tử đàn hồi khí nén, để làm sở tính tốn 4 Cơ sở lý thuyết phận đàn hồi Bộ phận đàn hồi hệ thống treo khí nén buồng khí có mơi chất khí nén, áp lực khí nén tạo phụ thuộc vào tải trọng bên Với Fp: Tải trọng đặt lên buồng đàn hồi; pa: Áp suất khí p: Áp suất khí nén buồng đàn hồi; S: Diện tích làm việc buồng đàn hồi Fpi = (pi -pa).S hay Fpi = pz S [N] (1) Trong pz: Độ chênh lệch áp suất buồng khí nén S=  d w với dw đường kính buồng khí nén Khi d w thay đổi S thay đổi nên ta 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 áp suất khí nén trạng thái tĩnh a) Buồng xếp b) Buồng gấp Hình 1: Mối quan hệ Fp z Với loại buồng gấp, khoảng làm việc định, buồng đàn hồi bị nén lại làm giảm diện tích làm việc, cần thiết phải tạo dáng pittơng cách thích hợp 5 Trên đường đặc tính xác định z = 0, tương ứng với chiều cao tĩnh buồng đàn hồi, quan hệ áp suất p z không thay đổi Trong thực tế đường cong xác định cho: áp suất p z giữ không cho thay đổi (khoảng 0,5 Mpa) Như vậy, quan hệ F z trạng thái tĩnh cho với áp suất không đổi Sự biến đổi S theo khoảng nhỏ dz gọi 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 U sau: U > – diện tích làm việc tăng lên U = – diện tích làm việc khơng đổi U < – diện tích làm việc giảm Giá trị U biểu thị nhờ thể tích bên khơng gian làm việc bên Nếu thể tích làm việc giảm xuống, ta có quan hệ biến đổi thể tích buồng khí nén dV = - dS.dz hay dV = - dS dz dS d 2V Đạo hàm lần nữa: = - = -U dz dz Ở đây: U = - (4) (5) d2V gọi hệ số biến đổi diện tích thay đổi chiều cao dz Đặc tính tải buồng đàn hồi: Quan hệ S = f(z), S = f(pp) hay V = f(z) gọi đặc tính hình học buồng đàn hồi 6 Ở trạng thái tĩnh buồng đàn hồi đặc trưng thông số: - Chiều cao tĩnh buồng đàn hồi h s (chiều cao cần đạt buồng đàn hồi) - Tải trọng tĩnh 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 áp suất thể tích: p.Vn = const [Mpa.m3] (6) Quan hệ trạng thái: ps.Vns = p.Vn [Mpa.m3] (7) Trong đó: - ps = pPs + pa: Áp suất tuyệt đối khí nén với chiều cao tĩnh buồng đàn hồi - p = pp + pa: Áp suất tuyệt đối khí nén với chiều cao thay đổi buồng khí nén Thay vào cơng thức (3.5) biến đổi: pp = Vs �2 � � �.(pps+pa)-pa �V � [Mpa] Trong đó: pa: Áp suất khí - pps: Áp suất đàn hồi chiều cao tĩnh hs - pp: Áp suất buồng đàn hồi chiều cao tức thời - V: Thể tích buồng đàn hồi chiều cao tức thời - Vs: Thể tích buồng đàn hồi chiều cao tĩnh (8) Để giả thiết khí nén buồng đàn hồi phải thỏa mãn giả thiết sau: Khi biến dạng, lưu lượng buồng đàn hồi không thay đổi, tức làm việc buồng đàn hồi không nạp xả khí nén van điều chỉnh Khi bị nén, pittơng dịch chuyển đoạn z Thể tích buồng khí nén 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 chiều cao làm việc tức thời (z) 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 thay đổi nhỏ S thay đổi áp suất) Quan hệ biểu diễn đồ thị với áp suất không đổi Hay lực tác dụng (pp= f(z)).Quan hệ F = f(z) gọi đặc tính tải buồng đàn hồi Hệ số mũ đa biến (n) phụ thuộc vào tốc độ thay đổi thể tích buồng đàn hồi, nhiệt độ mơi trường, tốc độ dịng khí mơi trường Ta giả thiết sau: - Khi xe chạy đường không phẳng, thay đổi thể tích nhanh n = 1.38 (hay n =1,40) Ứng với trạng thái pVn = const - Khi xe chạy vào đường vịng quay vịng (có nghiêng ngang thân xe) thay đổi thể tích chậm n = Ứng với trạng thái pV = const - Quan hệ F = f(z) n = Ứng với trạng thái pp = const 8 Ta có đường đặc tính tham khảo Hình 2: Đặc tính tải phần tử đàn hồi khí nén Đường cong n = 1,0 gọi đặc tính tải tĩnh buồng đàn hồi Đường cong n = 1,4 gọi đặc tính tải động buồng đàn hồi * Buồng đàn hồi tích phụ: Hình3 : Ảnh hưởng buồng tích phụ tới đặc tính tải Thể tích phụ có ảnh hưởng lớn đến đường đặc tính tải phần tử đàn hồi Các thể tích phụ buồng dự trữ hộp dự trữ hình Nếu tính buồng thể tích phụ Vd thể tích trạng thái tĩnh là: Vs+Vd, chịu tải thay đổi V+Vd Như vậy: F n � � �Vs  Vd   � p  p =� � � s a �S V  Vd   � � � � � � [N] (12) Phương trình gọi đặc tải tính tải buồng đàn hồi có bình khí phụ Cùng với tăng Vd tỉ lệ Nếu Vd � �thì Vs  Vd � V  Vd 1, Vs  Vd V  Vd giảm, có nghĩa giảm lực F F = f(z) có quy luật n = Độ cứng phần tử đàn hồi khí nén Độ cứng buồng đàn hồi xác định từ đường đặc tính tải trọng thực nghiệm cách xây dựng đường tiếp tuyến đường cong F = f(z) điểm khảo sát Cơng thức tính lân cận điểm z = hình vẽ, với: C= F ( z  10)  F ( z  0) 10 [N/m] (13) 10 Hình 4: Xác định độ cứng buồng đàn hồi Mặt khác, độ cứng buồng đàn hồi được xác định theo lý thuyết Định nghĩa độ cứng sau: C= �dF � � � �dz � (N/m) (14) Nếu coi F=S.pp, với thay đổi thể tích buồng đàn hồi dẫn tới thay đổi áp suất khí nén diện tích truyền tải trọng thì: C= n �dF �= n ps V s S � � n 1 �dz � (Vs  S z ) [N/m] (15) Từ (3.13) thấy độ cứng phần tử đàn hồi C bao gồm hai thành phần: Độ cứng thay đổi thể tích V, độ cứng độ cứng thay đổi diện tích S Độ cứng thể tích tạo nên thay đổi thể tích phụ thuộc vào áp suất tuyệt đối ps áp suất khí nén pps Độ cứng diện tích tạo nên thay đổi diện tích làm việc hữu ích Sự giảm thấp độ cứng C thực tế tiến hành thay đổi diện tích làm việc pittông Ở trạng thái tĩnh (f = 0) độ cứng buồng đàn hồi xác định: Cs= n ps S [N/m] Vs (16) Với ps áp suất tuyệt đối tương ứng với chiều cao tĩnh buồng đàn hồi (Hs) Với tải trọng đặt lên buồng đàn hồi: F = Fs = pps.S = (ps-pa).S 11 Độ cứng trạng thái tĩnh là: Cs = n( Fs  pa S ).S Vs [N/m] (17) Ở trạng thái làm việc buồng đàn hồi, độ cứng buồng đàn hồi xác định: Cz = n( Fz  pa S ).S V [N/m] Trong đó: Fz tải trọng trạng thái làm việc đặt lên buồng đàn hồi Khi tải trọng thay đổi áp lực khí nén xác định: Fz  pa S S P= (18) Trong trường hợp khối lượng khí khơng đổi, tồn thay đổi thể tích khí thay đổi nhỏ tải trọng thì: p F  p S s a s V = p Vs = F  p S Vs z a (19) Độ cứng phần tử đàn hồi đó: Cz = n.( Fz  pa S ).S = n.( Fz  pa S ) S V ( Fs  pa S ).Vs (20) Tính tốn xây dựng đường đặc tính buồng thể tích đến đặc tính tải Chọn buồng khí nén cho hệ thống treo trước: Căn vào bảng thơng số buồng khí tiêu chuẩn hệ thống treo trước có hai buồng khí nén, chọn buồng khí nén kí hiệu B70 (loại buồng gấp) với thơng 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 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 áp suất buồng khí p Thể tích buồng khí lúc V Ta có F p = (pi-pa) S Fp = Fpi+Ft Do p.V = pi.Vi nên p Vi S h h    pi V S (h  z ) h  z Thay p p0 vào ta có: Fp  pa h  S hz pi Fpi  S  Ft F  pa pi  t S S  pi pi Biến đổi biểu thức ý: V=S.h ta thu được: Ft  z pi S V  S z z V Ft S Ft  pi.S 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,  48.z (kN) 13 Nếu chọn p0 lấy giá trị khác p i= 6, 7, 8,9 bar F t tương ứng xác định theo biểu thức: Ft  z.60.4,82 7,  48.z (kN) Ft  z.70.4,82 7,  48.z (kN) Ft  z.80.4,82 7,  48.z (kN) Chọn vài giá z.90.4,82 F  giá trị Ft tương t 7,  48.z trị rời rạc z để tính (kN) ứng ta có bảng sau: Bảng 1: Bảng giá trị Ft tương ứng theo z z -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Ft(pi=5 bar) -9.290 -8.055 -6.595 -4.840 -2.691 3.469 8.112 14.644 24.510 41.142 Ft(pi=6 bar) -11.148 -9.667 -7.914 -5.808 -3.229 4.163 9.735 17.572 29.412 49.371 Ft(pi=7 bar) -13.006 -11.278 -9.233 -6.776 -3.768 4.857 11.357 20.501 34.314 57.6 Ft(pi=8 bar) -14.864 -12.889 -10.55 -7.744 -4.306 5.551 12.980 23.430 39.217 65.828 Ft(pi=9 bar) -16.722 -14.500 -11.871 -8.712 -4.844 6.245 14.602 26.359 44.119 74.057 14 Hình 5: Biểu đồ mơ tả quan hệ z Ft Kết luận: Bài báo đề xuất hướng xây dựng thuật toán để thiết kế hệ thống giám sát tải trọng ô tô, sở ban đầu xây dựng đường đặc tính thể mối quan hệ biến dạng z tải trọng tĩnh Ft Kết hợp với cảm biến độ cao sàn xe cảm biến áp suất để mở hướng khả thi chế thử sản xuất hệ thống Việt Nam DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 TS Trương Hữu Trí TS Võ Thị Ri Giáo trình điện tử NXB: Khoa học kỹ thuật 15 Trần Thủy Hồn Giáo trình lý thuyết ô tô Trường Đại học Giao thông vận tải Nguyễn Ngọc Toản Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng phần trăm tải trọng đến số tính sử dụng tơ tải Dương Hữu Trí Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng tải trọng đến hiệu bàn đạp phanh