Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông đường bộ tại Việt Nam trong bối cảnh cơ sở hạ tầng chưa phát triển tương xứng đã dẫn đến tình trạng ùn tắc giao thông và gia tăng tai nạn giao thông nghiêm trọng. Bên cạnh đó, một lượng lớn phương tiện cũ, hoạt động trong tình trạng quá tải và không đảm bảo chất lượng kỹ thuật, thường xuyên gặp sự cố giữa đường, đặc biệt tại các đô thị lớn và các tuyến quốc lộ. Theo số liệu của Tổng cục Thống kê năm 2017 được trích dẫn trong văn bản, cả nước xảy ra 20.280 vụ tai nạn giao thông (gồm 9.770 vụ từ ít nghiêm trọng trở lên và 10.310 vụ va chạm), làm 8.279 người chết, 5.587 người bị thương nặng và 11.453 người bị thương nhẹ. Vấn đề cấp bách đặt ra là giải tỏa ách tắc và vận chuyển phương tiện hư hỏng về cơ sở sửa chữa. Các phương pháp kéo xe truyền thống bộc lộ nhiều nhược điểm đối với các dòng xe hiện đại (hộp số tự động, dẫn động 4 bánh, hệ thống điều khiển điện tử phức tạp), đòi hỏi giải pháp cứu hộ bằng phương thức chở toàn bộ xe trên sàn trượt.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế xe cứu hộ sàn trượt trên cơ sở xe Hyundai HD72" do sinh viên Vương Ngọc Sang thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng (Đà Nẵng, tháng 5/2018) nhằm giải quyết bài toán kỹ thuật cải tạo phương tiện cơ sở thành xe chuyên dùng cứu hộ giao thông.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 5 nội dung chính:

  1. Trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu.
  2. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế xe cứu hộ.
  3. Khảo sát tổng quát xe cơ sở Hyundai HD72.
  4. Tính toán thiết kế xe cứu hộ sàn trượt.
  5. Tính toán các đặc tính động học và động lực học của xe sau cải tạo.

Đối tượng nghiên cứu là ô tô tải sát-xi Hyundai HD72 do Hàn Quốc sản xuất và hệ thống chuyên dùng sàn trượt chở xe. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế kết cấu sàn chở xe, hệ thống dẫn động thủy lực, cụm tời kéo, kiểm nghiệm bền các mối liên kết bu lông chịu lực, tính toán ổn định và các đặc tính động lực học của xe trong điều kiện vận hành tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết thiết kế ô tô chuyên dùng, cơ học ô tô, lý thuyết truyền động thủy lực và sức bền vật liệu:

  • Khung lý thuyết và mô hình tính toán: Lý thuyết tính toán sức kéo, cân bằng công suất, cân bằng lực kéo; lý thuyết ổn định chuyển động của ô tô (ổn định dọc tĩnh, ổn định dọc động khi lên/xuống dốc và ổn định ngang khi quay vòng); lý thuyết tính toán bền chi tiết máy (trục, then, bu lông chịu cắt - uốn - kéo); lý thuyết tính toán bộ truyền trục vít - bánh vít theo độ bền tiếp xúc và độ bền uốn.
  • Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích so sánh kỹ thuật - kinh tế để lựa chọn phương án bố trí chung; phương pháp giải tích kỹ thuật cơ khí để xác định kích thước hình học, tải trọng, ứng suất và kiểm nghiệm bền; phương pháp đồ thị để xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ, đồ thị cân bằng lực kéo, đồ thị cân bằng công suất, đồ thị nhân tố động lực học và đồ thị gia tốc.
  • Nguồn dữ liệu: Hồ sơ kỹ thuật và thông số chuẩn của xe cơ sở Hyundai HD72; số liệu thống kê an toàn giao thông năm 2017 của Tổng cục Thống kê; các tiêu chuẩn cơ tính của vật liệu chế tạo cơ khí (thép SS400, CT380, thép hình chữ U [120, [100, thép 45 tôi bề mặt, đồng thanh không thiếc nhôm - sắt - niken).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống xe cứu hộ sàn trượt được triển khai thiết kế dựa trên việc cải tạo khung sàn và tích hợp các cụm cơ cấu công tác chuyên dùng lên khung sát-xi của xe tải Hyundai HD72:

Kiến trúc tổng thể và cơ cấu sàn trượt

Xe sau cải tạo giữ nguyên chiều dài cơ sở của xe Hyundai HD72 và đóng mới cụm sàn trượt chuyên dùng kích thước dài 5.185 mm, rộng 2.200 mm, cao 1.228 mm. Vật liệu sử dụng chính là thép hình chữ U [120, [100 và thép tấm CT380, SS400. Cụm sàn được cấu thành từ 10 bộ phận chính:

STT Tên chi tiết Số lượng Kích thước Dài x Rộng x Cao (mm) Nhiệm vụ kỹ thuật
1 Khung ngoài (Outer Frame) 1 2750 x 763 x 475 Liên kết khung trong, ty đẩy; giá đỡ cho sàn trượt; bố trí con lăn
2 Khung trong (Inner Frame) 1 2560 x 539 x 130 Liên kết khung ngoài và ty đẩy; làm giá đỡ cho ty đẩy và sàn trượt
3 Khung liên kết (Feeding Frame) 1 270 x 499 x 211 Liên kết sàn trượt và khung trong; làm giá đỡ cho bộ phận tời kéo
4 Khung phụ (Sub Frame) 1 500 x 781 x 388 Liên kết với sát-xi xe; làm giá đỡ cho ty thủy lực phía sau
5 Chân chống ngoài (Outrigger) 2 321 x 745 x 330 Liên kết khung ngoài; làm giá đỡ ty thủy lực; tăng tính ổn định
6 Chân chống trong (Outrigger Inner) 2 170 x 897 x 420 Liên kết chân chống ngoài; chịu tải trọng khi sàn gập thấp xuống đường
7 Sàn kéo (Drawbar) 2 2400 x 595 x 40 Liên kết sàn trượt; làm giá đỡ dẫn hướng cho xe bị nạn lên sàn
8 Con lăn dẫn hướng (Roller Guide) 4 698 x 75 x 201 Liên kết với sát-xi; làm giá đỡ và dẫn hướng cho sàn trượt di chuyển
9 Sàn chính (Deck) 1 5185 x 2200 x 220 Liên kết các bộ phận phụ trợ; bề mặt trực tiếp chứa xe bị nạn
10 Bửng trước (Front Panel) 1 2100 x 1228 x 119 Liên kết với sàn trượt; chắn hàng và cân đối tải trọng sàn trượt

Hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực

Hệ thống sử dụng hộp trích công suất (PTO) kiểu cơ khí nhận mô-men trực tiếp từ hộp số của xe tải Hyundai HD72, dẫn động bơm dầu thủy lực lưu lượng $q_b = 50\text{ lít/phút}$ qua trục các-đăng. Hệ thống van phân phối điều khiển dòng áp suất cao cung cấp cho các cơ cấu chấp hành:

  • Hai xi lanh thủy lực nâng hạ góc nghiêng của sàn trượt.
  • Hai xi lanh hạ sàn đỡ tiếp xúc với mặt đất.
  • Một xi lanh đẩy tịnh tiến sàn trượt ra phía sau và thu về.
  • Động cơ thủy lực piston hướng trục (lưu lượng riêng $q_{đc} = 28\text{ cm}^3\text{/vòng}$) dẫn động cụm tời kéo.

Nguyên lý làm việc: Người điều khiển đóng mở van phân phối để đẩy sàn trượt ra sau, nâng sàn tạo độ dốc nghiêng và hạ chân chống tiếp đất. Tời kéo móc cáp kéo xe bị nạn lên sàn; sau đó các xi lanh thu hồi sàn về vị trí nằm phẳng trên khung xe, chèn bánh và chằng buộc cố định bằng dây tăng trước khi vận chuyển.

Cụm tời kéo và hộp giảm tốc trục vít

Cụm tời kéo được thiết kế với đường kính tang tời $d_{tg} = 120\text{ mm}$, vận tốc quay tang $n_{tg} = 16\text{ vòng/phút}$. Lực kéo lớn nhất tính toán khi kéo xe có trọng lượng $2.070\text{ kg}$ bị bó cứng 4 bánh (hệ số bám $\varphi = 0,6$) là $F_k = 12.184\text{ N}$, mô-men cuốn cáp yêu cầu $M_{tg} = 731,04\text{ Nm}$. Bộ giảm tốc sử dụng truyền động trục vít - bánh vít với tỷ số truyền $i = 35$ ($Z_1 = 1$, $Z_2 = 35$, hệ số đường kính $q = 10$). Trục vít làm bằng thép 45 thấm cacbon có độ cứng bề mặt HRC > 45, bánh vít bằng đồng thanh không thiếc nhôm - sắt - niken.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Chương 1 khái quát thực trạng an toàn giao thông, phân tích sự cần thiết của phương tiện cứu hộ chuyên dùng tại Việt Nam. Tác giả phân loại xe cứu hộ theo 3 tiêu chí:

  • Phân loại theo trọng lượng: Xe hạng nhẹ (xe cơ sở 2,5 tấn, sức nâng càng 4 tấn, kéo xe dưới 25 chỗ hoặc tải 5 tấn); xe hạng trung (xe cơ sở 5 tấn, càng nâng 8 tấn, tời 10 tấn, kéo xe dưới 45 chỗ); xe hạng lớn (xe cơ sở 11 tấn, càng và tời 15 tấn); xe hạng siêu trọng (xe cơ sở từ 10 tấn trở lên, trang bị cẩu vươn xa cứu hộ máy công trình, xe container).
  • Phân loại theo nhiệm vụ: Xe có cần cẩu, xe dùng càng nâng thủy lực, xe đưa phương tiện lên sàn trượt.
  • Phân loại theo phương án cứu hộ: Dùng chân chống kết hợp tấm trượt, dùng hai tấm trượt độc lập, dùng cơ cấu sàn trượt thủy lực toàn phần.

Chương 2. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế

Tác giả phân tích ưu, nhược điểm của các phương án cứu hộ:

  • Kéo xe bằng càng nâng thủy lực: Ưu điểm là thao tác nhanh, kéo được xe hỏng hệ truyền động; nhược điểm là không kéo được xe mất khả năng lăn bánh, không phù hợp cho xe số tự động/hai cầu.
  • Chở xe trên sàn có gắn cần cẩu: Phạm vi cứu hộ rộng, xử lý được xe lật hoặc rơi xuống vực, nhưng kết cấu phức tạp, tự trọng lớn và chi phí cao.
  • Chở xe bị nạn trên sàn trượt: Đưa xe lên sàn dễ dàng, vận hành an toàn cho các dòng xe cao cấp, tính cơ động cao, giá thành hợp lý. Tác giả lựa chọn phương án sàn trượt đóng mới trên xe tải hạng trung Hyundai HD72.

Chương 3. Khảo sát tổng quát xe Hyundai HD72

Chương này khảo sát toàn diện cấu tạo và thông số kỹ thuật của xe cơ sở Hyundai HD72:

Thông số kỹ thuật Giá trị / Đặc tính kỹ thuật
Kiểu động cơ D4DB, Diesel 4 kỳ, 4 xi-lanh thẳng hàng, tăng áp, làm mát bằng nước
Dung tích xi-lanh / Đường kính x Hành trình $3.907\text{ cm}^3$ / $104 \times 115\text{ mm}$
Công suất cực đại / Mô-men xoắn cực đại $130\text{ Ps (96 kW) / 2900 rpm}$ / $372\text{ Nm / 1800 rpm}$
Tiêu chuẩn khí thải Euro II
Ly hợp 01 đĩa, ma sát khô, dẫn động thủy lực, trợ lực chân không
Hộp số chính Cơ khí M035S5 (5 số tiến, 1 số lùi), $i_{h1}=5,380; i_{h2}=3,208; i_{h3}=1,700; i_{h4}=1,000; i_{h5}=0,722; i_R=5,38$
Tỷ số truyền lực chính $i_0 = 5,428$
Hệ thống lái / Hệ thống phanh Trục vít - êcu bi trợ lực thủy lực / Tang trống thủy lực 2 dòng trợ lực chân không
Kích thước tổng thể ($D \times R \times C$) $5.290 \times 2.000 \times 2.240\text{ mm}$ (trước cải tạo)
Chiều dài cơ sở / Vệt bánh xe trước - sau $3.735\text{ mm}$ / $1.650 - 1.495\text{ mm}$
Trọng lượng bản thân / Toàn bộ cho phép $3.115\text{ kg}$ / $6.900\text{ kg}$

Chương 4. Tính toán thiết kế xe cứu hộ sàn trượt

Chương này tập trung tính toán kỹ thuật chi tiết cho các cụm cơ cấu cải tạo:

  • Tính trọng lượng sàn xe: Trọng lượng dầm dọc $G_d = 107,85\text{ kg}$ (2 thanh thép U120 dài $5,185\text{ m}$); dầm ngang $G_{dn} = 366,08\text{ kg}$ (16 thanh U120); be bên sàn $G_{bs} = 89,08\text{ kg}$ (thép U100); tấm trượt $G_{tt} = 140\text{ kg}$; cơ cấu khung trượt $G_{cct} = 179\text{ kg}$ (khung ngoài $93\text{ kg}$, khung trong $86\text{ kg}$); tổng trọng lượng sàn thiết kế đạt xấp xỉ $1.106\text{ kg}$.
  • Kiểm nghiệm bền liên kết bu lông:
    • Bu lông chống trượt dọc: 22 bu lông M12 (thép 45, $[\tau] = 100\text{ N/mm}^2$). Khi phanh đột ngột trên dốc $45^\circ$ với gia tốc phanh cực đại $J_p = 6\text{ m/s}^2$, lực xê dịch sàn tổng cộng $P = 35.300,2\text{ N}$, ứng suất cắt thực tế $\tau = 38,18\text{ N/mm}^2 < [\tau]$, đảm bảo an toàn.
    • Bu lông quang M14/M12 chống trượt ngang khi quay vòng ổn định với bán kính quay vòng nhỏ nhất $R_{min} = 7,3\text{ m}$: Ứng suất kéo phát sinh trong mỗi bu lông $\sigma = 132,82\text{ N/mm}^2 < [\sigma] = 300\text{ N/mm}^2$, thỏa mãn điều kiện bền.
  • Tính toán hệ thống dẫn động tời: Bơm thủy lực cung cấp lưu lượng hiệu dụng $Q = 40.000\text{ cm}^3\text{/phút}$, đáp ứng lưu lượng tiêu thụ của động cơ thủy lực $Q_{đc} = 15.680\text{ cm}^3\text{/phút}$. Hộp giảm tốc trục vít ($i=35$) có công suất trục vào $P_1 = 1,64\text{ kW}$, trục ra $P_2 = 1,22\text{ kW}$, mô-men sinh ra tại tang tời đạt $M'{tg} = 2.300,4\text{ Nm} > M{tg\text{ yêu cầu}} = 731,04\text{ Nm}$.

Chương 5. Tính toán các đặc tính động học và động lực học của xe

Chương 5 tính toán các chỉ tiêu ổn định và kéo của xe sau khi cải tạo:

  • Xác định tọa độ trọng tâm, tính toán phân bố tải trọng lên các trục ở trạng thái không tải và đầy tải.
  • Tính toán góc lật ổn định dọc tĩnh và ổn định dọc động khi xe lên dốc, xuống dốc và góc lật nghiêng ngang khi quay vòng.
  • Xây dựng đồ thị đường đặc tính ngoài của động cơ D4DB, đồ thị cân bằng công suất ($N_e, N_k, N_\omega, N_f$), đồ thị cân bằng lực kéo ($P_k$), đồ thị nhân tố động lực học ($D$) và đồ thị gia tốc ($j$) theo từng tay số truyền từ số 1 đến số 5.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế hệ thống chuyên dùng cho xe cứu hộ sàn trượt với các kết quả cụ thể:

  • Xác lập được bộ thông số hình học và tải trọng hoàn chỉnh cho cụm sàn trượt kích thước $5.185 \times 2.200 \times 1.228\text{ mm}$, tải trọng chuyên chở cho phép đạt $3.500\text{ kg}$, phù hợp vận chuyển hầu hết các dòng xe con từ 4 đến 9 chỗ và xe tải nhẹ.
  • Tính toán và lựa chọn chính xác hệ thống truyền động thủy lực: Sử dụng PTO trích công suất từ hộp số chính, bơm thủy lực $50\text{ lít/phút}$, động cơ thủy lực piston hướng trục $28\text{ cm}^3\text{/vòng}$, hộp giảm tốc trục vít tỷ số truyền $i = 35$, đảm bảo lực kéo tời $12.184\text{ N}$.
  • Kiểm nghiệm độ bền kết cấu khung sàn và hệ thống bu lông chịu lực (bu lông M12 chịu cắt $\tau = 38,18\text{ N/mm}^2$, bu lông quang M14 chịu kéo $\sigma = 132,82\text{ N/mm}^2$) đều nằm trong giới hạn bền cho phép theo tiêu chuẩn vật liệu thép 45.
  • Đóng góp thực tiễn của đề tài là cung cấp giải pháp cải tạo xe tải thương mại thông dụng tại Việt Nam (Hyundai HD72) thành phương tiện cứu hộ chuyên dùng với giá thành chế tạo thấp hơn xe chuyên dùng nhập khẩu, đồng thời khắc phục triệt để nhược điểm làm hư hại hệ thống truyền động của phương pháp cứu hộ bằng càng kéo truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Phạm vi thiết kế của đồ án chỉ cho phép chuyên chở duy nhất 01 xe bị nạn trên sàn trượt trong một lượt vận chuyển do giới hạn chiều dài sát-xi và tải trọng xe cơ sở. Cơ cấu sàn trượt hoạt động kém ổn định tại các địa hình có độ dốc gồ ghề, không bằng phẳng và không thể cứu hộ các phương tiện bị lật ngã ở xa lòng đường hoặc rơi xuống vực sâu do không trang bị cần cẩu tầm với lớn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Nghiên cứu tích hợp thêm cơ cấu càng nâng kéo phụ ở đuôi xe để nâng cao hiệu suất cứu hộ (chở 1 xe trên sàn và kéo thêm 1 xe phía sau); nghiên cứu lắp đặt thêm cụm cần cẩu quay gắn trên sát-xi để mở rộng khả năng cứu hộ tại các cung đường đèo dốc, vực sâu; tự động hóa hệ thống điều khiển van thủy lực bằng cụm điều khiển điện tử từ xa (remote control).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Giao thông và Kỹ thuật Cơ khí Động lực khi thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Thiết kế tính toán ô tô chuyên dùng. Nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao nhất bao gồm:

  • Toàn bộ quy trình tính toán thiết kế chi tiết bộ truyền trục vít - bánh vít dẫn động tang tời kéo (Chương 4).
  • Phương pháp tính toán kiểm nghiệm bền các mối liên kết bu lông chịu cắt và chịu kéo khi sàn xe làm việc trong điều kiện phanh gấp và quay vòng (Chương 4).
  • Bảng thông số kỹ thuật chi tiết của dòng xe tải Hyundai HD72 và phương pháp xây dựng các đồ thị động lực học ô tô sau cải tạo (Chương 3 và Chương 5).

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn phương án cứu hộ bằng sàn trượt thay vì dùng càng kéo thủy lực? Phương án dùng sàn trượt đưa toàn bộ xe bị nạn lên thân xe giúp bảo vệ an toàn cho các dòng xe hiện đại có trang bị hộp số tự động, hệ thống dẫn động 4 bánh toàn thời gian hoặc xe gầm thấp. Với phương pháp kéo bằng càng nâng thông thường, dù đã tắt máy, các hệ thống điều khiển điện tử trên xe bị kéo vẫn có thể bị kích hoạt sai lệch dẫn đến hư hỏng hệ thống truyền lực.

2. Vật liệu nào được sử dụng để chế tạo các dầm chịu lực của cụm sàn trượt? Dầm dọc chính ($2\text{ thanh}$, chiều dài $5.185\text{ mm}$) và dầm ngang ($16\text{ thanh}$, chiều dài $2.200\text{ mm}$) của sàn xe được chế tạo từ thép hình chữ U [120 ($10,4\text{ kg/m}$). Be bên sàn xe sử dụng thép hình chữ U [100 ($8,59\text{ kg/m}$). Các tấm sàn và tấm trượt sử dụng thép CT380 và SS400 có trọng lượng riêng $7.800\text{ kg/m}^3$.

3. Kết quả kiểm nghiệm bền mối liên kết bu lông chống trượt dọc khi xe phanh gấp xuống dốc như thế nào? Mối liên kết sử dụng 22 bu lông M12 bằng vật liệu thép 45 có ứng suất cắt cho phép $[\tau] = 100\text{ N/mm}^2$. Khi xe đầy tải phanh đột ngột trên dốc $45^\circ$ với gia tốc phanh $J_p = 6\text{ m/s}^2$, lực xê dịch sàn tổng cộng là $35.300,2\text{ N}$, ứng suất cắt phát sinh trên mỗi bu lông là $\tau = 38,18\text{ N/mm}^2$. Do $\tau < [\tau]$ nên liên kết bu lông hoàn toàn đủ bền.

4. Cụm tời kéo sử dụng loại hộp giảm tốc nào và tỷ số truyền là bao nhiêu? Cụm tời kéo sử dụng hộp giảm tốc trục vít - bánh vít với tỷ số truyền $i = 35$ (gồm trục vít có số đầu mối ren $Z_1 = 1$ và bánh vít có số răng $Z_2 = 35$, hệ số đường kính $q = 10$). Hộp giảm tốc nhận công suất vào $1,64\text{ kW}$ tại số vòng quay $560\text{ vòng/phút}$ từ động cơ thủy lực piston hướng trục và truyền ra trục tang mô-men xoắn $731.040\text{ Nmm}$ ở tốc độ $16\text{ vòng/phút}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Vương Ngọc Sang đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm kỹ thuật xe cứu hộ sàn trượt dựa trên xe cơ sở tải trọng trung Hyundai HD72. Kết cấu sàn trượt và hệ thống dẫn động thủy lực được tính toán đồng bộ, đảm bảo đầy đủ các chỉ tiêu về độ bền chi tiết máy, độ bền liên kết và tính năng ổn định động lực học khi vận hành chở tải. Đây là công trình nghiên cứu mang tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp tài liệu kỹ thuật chuẩn xác cho lĩnh vực thiết kế cải tạo phương tiện giao thông chuyên dùng tại Việt Nam.