Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh là trung tâm kinh tế và đô thị đông dân nhất Việt Nam, nơi có mật độ phương tiện giao thông rất cao cùng mạng lưới đường sá phức tạp. Hệ thống giao thông nội đô tồn tại nhiều tuyến đường, ngõ hẻm có bề rộng hạn chế (nhiều đoạn nhỏ hơn 2 mét) hoặc rơi vào tình trạng "thắt cổ chai" do lòng đường bị chiếm dụng. Thực trạng này tạo ra trở ngại lớn cho công tác vận chuyển, bốc dỡ hàng hóa và lắp ráp thiết bị cơ khí, công trình. Bên cạnh đó, hoạt động vận tải hàng hóa nội thành phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định của nhà nước về tải trọng cho phép, giới hạn kích thước bao và khung giờ lưu thông nhằm bảo đảm an toàn giao thông và giảm thiểu ùn tắc.

Trước đòi hỏi thực tiễn trên, đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế cải tạo phương tiện chuyên dùng nhằm kết hợp hai chức năng bốc dỡ và vận chuyển trên cùng một phương tiện.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án bao gồm:

  1. Khảo sát công dụng, điều kiện làm việc, phân tích ưu nhược điểm của các phương án bốc dỡ (càng lật dọc, cần trượt, cần cẩu thủy lực) để xác định phương án thiết kế phù hợp với đô thị.
  2. Lựa chọn ô tô cơ sở (xe nền) và thiết bị cẩu thủy lực đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, tải trọng và khả năng vận hành linh hoạt.
  3. Thiết kế bố trí chung về mặt kích thước hình học, kiểm tra tính tương thích theo các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia hiện hành.
  4. Thiết kế kết cấu thùng hàng, khung bệ lắp cẩu và hệ thống liên kết giữa thùng xe, bệ cẩu với khung sát-xi.
  5. Tính toán xác định khối lượng, tọa độ trọng tâm và phân bố tải trọng lên các trục của xe ở các trạng thái không tải và đầy tải.
  6. Tính toán động lực học ô tô (xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ, xác định nhân tố động lực học, thời gian và quãng đường tăng tốc, kiểm tra khả năng vượt dốc theo điều kiện bám).
  7. Tính toán kiểm nghiệm ổn định tĩnh dọc (lên dốc, xuống dốc), ổn định tĩnh ngang và xác định vận tốc giới hạn khi quay vòng.
  8. Tính toán kiểm tra bền các cụm chi tiết chịu lực then chốt: dầm ngang sàn thùng hàng, bu lông quang treo thùng xe chống trượt ngang và nhóm bu lông liên kết bệ cẩu với khung sát-xi.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là ô tô sát-xi tải ISUZU FRR90NE4 và cẩu thủy lực UNIC UR-V344. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quá trình thiết kế cải tạo, bố trí hệ thống chuyên dùng và kiểm nghiệm tính năng kỹ thuật của xe tải gắn cẩu hoạt động trong điều kiện giao thông đường bộ Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án được xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở pháp lý, quy chuẩn giao thông đường bộ và các phương pháp tính toán kỹ thuật chuyên ngành cơ khí ô tô:

  • Văn bản quy phạm pháp luật và tiêu chuẩn kỹ thuật:
    • Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 09:2015/BGTVT về chất lượng an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trường đối với xe ô tô.
    • Thông tư số 42/2014/TT-BGTVT của Bộ Giao thông Vận tải quy định về thùng xe của xe ô tô tải tham gia giao thông đường bộ (quy định về kích thước giới hạn, chiều dài đuôi xe, chiều cao thành thùng hàng).
    • Hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) liên quan đến phương tiện giao thông cơ giới đường bộ và thiết bị nâng hạ.
  • Khung lý thuyết chuyên ngành:
    • Lý thuyết ô tô: Phương trình cân bằng công suất, phương trình cân bằng lực kéo; công thức thực nghiệm S. Laydecman dùng để mô hình hóa và xây dựng đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ đốt trong ($N_e$, $M_e$ theo số vòng quay trục khuỷu $n_e$); công thức xác định nhân tố động lực học $D$; phương pháp tích phân đồ thị gia tốc để xác định thời gian và quãng đường tăng tốc của phương tiện.
    • Cơ học kết cấu và sức bền vật liệu: Lý thuyết xác định tọa độ trọng tâm hệ nhiều vật thể; lý thuyết ổn định tĩnh khi xe đứng trên dốc nghiêng dọc, nghiêng ngang; phương pháp phân tích lực tác dụng lên dầm chịu uốn phân bố đều; lý thuyết tính bền bu lông chịu kéo, cắt và uốn dưới tác động của lực quán tính ly tâm khi quay vòng, lực quán tính phanh gấp và mô men lật khi nâng tải.
  • Phương pháp nghiên cứu thực hiện:
    • Phương pháp phân tích - so sánh kỹ thuật: Đối chiếu các phương án kết cấu cơ cấu nâng bốc dỡ hàng để chọn giải pháp tối ưu.
    • Phương pháp tính toán giải tích kết hợp phương pháp đồ thị: Sử dụng các công thức giải tích cơ học để tính tọa độ trọng tâm, tải trọng trục, ứng suất; sử dụng phương pháp đồ thị vi phân/tích phân để xác định các chỉ tiêu động lực học.
  • Nguồn dữ liệu: Hồ sơ thông số kỹ thuật chính hãng của xe ô tô sát-xi ISUZU FRR90NE4, thông số hình học và biểu đồ tải trọng làm việc của cẩu tự hành UNIC UR-V344 do nhà sản xuất cung cấp.

Thiết kế kỹ thuật và bố trí hệ thống

Đồ án triển khai thiết kế hệ thống kỹ thuật chuyên dùng dựa trên nguyên lý hoán cải xe sát-xi tải nguyên thủy thành xe tải tự cẩu bốc dỡ hàng:

1. Lựa chọn tổng thành cơ sở và thiết bị chuyên dùng

  • Xe cơ sở: Chọn xe sát-xi tải ISUZU FRR90NE4 (công thức bánh xe 4x2). Xe trang bị động cơ Diesel ISUZU 4HK1E4CC, 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, làm mát bằng nước, tăng áp, dung tích công tác 5193 $\text{cm}^3$, tỷ số nén 17,5:1, hệ thống phun nhiên liệu điện tử. Động cơ đạt công suất lớn nhất 140 kW tại 2600 vòng/phút, mô men xoắn cực đại 513 N.m tại 1600 vòng/phút. Hộp số cơ khí gồm 6 số tiến, 1 số lùi, có khả năng trích công suất qua hộp trích công suất (PTO).
  • Thiết bị cẩu: Chọn cẩu UNIC UR-V344 gồm 4 đoạn cần lồng, sức nâng định mức tối đa 3030 kg tại tầm với 2,6 m (ở tầm vươn xa nhất 9,81 m, cẩu nâng được 480 kg), chiều cao nâng móc tối đa 11,4 m, góc nâng cần từ 1° đến 78°, góc quay cần 360° liên tục. Trọng lượng bản thân cẩu là 1145 kg.
  • Hệ thống thủy lực: Sử dụng bơm dầu bánh răng SHIMADZU kiểu 23-2690 được dẫn động từ hộp trích công suất (PTO) của hộp số ô tô. Hệ thống van phân phối điều khiển độc lập các cơ cấu: nâng/hạ chân chống trước trái/phải, tời nâng hạ cáp, xi lanh nâng hạ cần cẩu, xi lanh ra vào cần và động cơ thủy lực quay mâm cẩu. Trang bị an toàn gồm van giảm áp mạch dầu, van đối trọng chống rơi cần, van kiểm tra chân chống, chỉ báo tải, hãm tời cơ tự động và còi báo quấn cáp quá căng.

2. Bố trí chung và kiểm tra kích thước theo quy chuẩn

Quá trình cải tạo thực hiện bằng cách dời thùng tải về phía sau, lắp đặt cụm cẩu và khung đế vào khoảng không giữa cabin và thùng hàng, gia cường sát-xi xe. Kích thước sau thiết kế được đối chiếu với QCVN 09:2015/BGTVT và Thông tư 42/2014/TT-BGTVT:

Thông số kích thước Giá trị thiết kế (mm) Giới hạn theo quy định / Tiêu chuẩn Đánh giá
Kích thước bao (Dài x Rộng x Cao) 8548 x 2491 x 3121 Rộng $\le$ 2500 mm; Cao $\le$ 4000 mm Thỏa mãn
Chiều dài cơ sở ($L_{cs}$) 4990 Giữ nguyên theo xe cơ sở (4990 mm) Thỏa mãn
Kích thước lọt lòng thùng (DxRxC) 6010 x 2370 x 575 Thùng hàng hở không mui phủ Thỏa mãn
Chiều cao thành thùng hàng ($H_c$) 575 $H_c \le 0,3 \times W_t = 0,3 \times 1930 = 579$ mm Thỏa mãn
Chiều dài đuôi xe ($L_{ROH}$) 2408 (hoặc 2410) $L_{ROH} \le 0,6 \times L_{cs} = 0,6 \times 4990 = 2994$ mm Thỏa mãn
Khoảng sáng gầm xe 210 210 mm theo xe cơ sở Thỏa mãn
Tấm che bánh xe trục sau cùng Rộng 575; Hở đất 176 Khoảng hở mép chắn bùn so mặt đất < 230 mm Thỏa mãn

3. Kết cấu thùng hàng và liên kết bệ cẩu

  • Khung đế lắp cẩu: Kết cấu bằng thép CT3 cán định hình chữ U [120x46x5], dùng tấm thép CT3 hàn la tạo thành dầm hộp chịu xoắn; đà ngang đế cẩu dùng thép U [120x46x4] hàn la tạo hộp.
  • Sàn thùng hàng: Gồm 15 dầm ngang bằng thép CT3 dập định hình U [100x45x4], 2 dầm dọc bằng thép U [120x58x5], liên kết với nhau qua các bát liên kết V 40x40x3 bằng mối hàn hồ quang điện. Mặt sàn phủ thép tấm CT3 dày 3 mm.
  • Các thành vách thùng hàng: Vách trước, vách hông và vách sau đều có khung xương thép định hình (U [60x60x1,5], U [80x40x2], U [40x40x1,5]), trụ đứng [40x30x3], trụ giữa và trụ cuối [140x58x6]; bọc ngoài bằng thép tấm CT3 dập sóng dày 1,5 mm.
  • Liên kết thùng với sát-xi: Dầm dọc thùng hàng đặt trên sát-xi có lót đệm cao su giảm chấn dày 20 mm; cố định bằng hệ thống bu lông quang M18 phân bố dọc xe, kết hợp các bát chống xô giữ chặt bằng bu lông M10, M12 và M14 để chống hiện tượng dịch chuyển dọc.
  • Liên kết bệ cẩu với sát-xi: Bố trí 8 gu giông chịu lực M18 (4 bu lông phía trước, 4 bu lông phía sau) bắt chặt bệ chân cẩu với dầm dọc sát-xi.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Công dụng, điều kiện làm việc, yêu cầu và phương án thiết kế

Phần này trình bày tính cấp thiết của xe tải cẩu trong điều kiện giao thông TP. Hồ Chí Minh. Tác giả tiến hành so sánh ba phương án kỹ thuật nâng hạ hàng hóa:

  1. Phương án dùng càng lật dọc: Kết cấu cơ khí đơn giản, bốc dỡ nhanh ở cự ly gần; nhược điểm là quỹ đạo bốc dỡ cố định theo hành trình quay của càng, phạm vi thao tác rất hẹp.
  2. Phương án dùng cần trượt: Cơ cấu dẫn động cáp đơn giản, vùng làm việc rộng hơn càng lật dọc; nhược điểm là cần cố định không thu ngắn được, chỉ bốc dỡ được phía sau xe, tính ổn định khi di chuyển kém.
  3. Phương án dùng cần cẩu thủy lực: Cơ cấu làm việc linh hoạt, tầm với điều chỉnh được, quay tròn bốc dỡ hàng xung quanh xe, cần cẩu được gấp gọn lại khi xe lưu thông giúp hạ thấp trọng tâm và tăng độ ổn định.

Từ kết quả phân tích, tác giả lựa chọn phương án hoán cải lắp cần cẩu thủy lực dạng ống lồng kết hợp chân chống cân bằng.

Phần II: Thiết kế bố trí chung

Tác giả thuyết minh cơ sở lựa chọn xe nền ISUZU FRR90NE4 và cẩu UNIC UR-V344, kiểm tra các tiêu chuẩn kích thước thùng xe theo quy chuẩn hiện hành, mô tả chi tiết vật liệu chế tạo thùng hàng, đồng thời lập mô hình giải tích xác định tải trọng và tọa độ phân bố khối lượng:

Thành phần khối lượng Khối lượng tổng (kg) Phân bố lên trục 1 (kg) Phân bố lên trục 2 (kg)
Ô tô sát-xi cơ sở ($G_{cs}$) 3255 2055 1200
Thùng hàng và thiết bị phụ ($G_{th}$) 1200 169 1031
Cần cẩu và thiết bị chuyên dùng ($G_{cc}$) 1145 447 698
Khối lượng bản thân xe thiết kế ($G_0$) 5600 2671 2929
Khối lượng kíp lái (03 người, $G_{kl}$) 195 195 0
Khối lượng hàng chuyên chở cho phép ($G_{hh}$) 5205 734 4471
Khối lượng toàn bộ xe thiết kế ($G_a$) 11000 3600 7400
Khả năng chịu tải cho phép lớn nhất trên trục - 3600 7400

Kết quả tính toán khẳng định sự phân bố tải trọng của xe sau cải tạo nằm hoàn toàn trong giới hạn tải trọng cho phép của từng trục xe cơ sở (trục trước chịu đúng 3600 kg, trục sau chịu 7400 kg khi đầy tải).

Phần III: Tính toán động lực học

Chương này thiết lập các phương trình vi phân và giải tích chuyển động của ô tô tải cẩu:

  • Áp dụng công thức S. Laydecman tính toán công suất động cơ: $$N_e = N_{e\max} \left[ a\frac{n_e}{n_N} + b\left(\frac{n_e}{n_N}\right)^2 - c\left(\frac{n_e}{n_N}\right)^3 \right]$$ với các hệ số thực nghiệm đối với động cơ Diesel $a = 0,9898$; $b = 0,0544$; $c = 0,0442$. Từ đó tính mô men xoắn $M_e$ tương ứng và dựng đường đặc tính tốc độ ngoài.
  • Xác định lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động $P_k$ qua 6 cấp số tiến (tỷ số truyền từ 6,369 đến 0,720) và lực cản không khí $P_w$ với hệ số cản $k = 0,05 \text{ kg.s}^2/\text{m}^4$.
  • Xây dựng đồ thị nhân tố động lực học $D = (P_k - P_w)/G$ theo vận tốc chuyển động.
  • Sử dụng phương pháp tích phân đồ thị gia tốc $j$ để tính thời gian tăng tốc tổng cộng $t$ và quãng đường tăng tốc $S$ từ vận tốc khởi hành đến các dải vận tốc làm việc.
  • Kiểm tra khả năng vượt dốc cực đại theo điều kiện bám của bánh xe chủ động với mặt đường: góc dốc cực đại khắc phục được $i_{\max} = (m \cdot Z \cdot \varphi / G) - f$, chứng minh phương tiện có khả năng vượt dốc lớn khi xe đầy tải trên đường có hệ số bám $\varphi = 0,7$ và hệ số cản lăn $f = 0,02$.

Phần IV: Tính toán ổn định và động lực học

Nội dung chương tập trung xác định tọa độ không gian của trọng tâm xe và kiểm nghiệm các chỉ tiêu ổn định tĩnh:

  • Tọa độ trọng tâm theo chiều dài: Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm trục trước ($a_1$) và trục sau ($a_2$):
    • Trường hợp không tải: $a_{01} = 2607,275$ mm; $a_{02} = 2382,725$ mm.
    • Trường hợp đầy tải: $a_1 = 3341$ mm; $a_2 = 1649$ mm.
  • Chiều cao trọng tâm ($h_G$): Tính toán từ tọa độ cao của các cụm khối lượng thành phần (sát-xi: 900 mm; thùng hàng: 1150 mm; cần cẩu: 2200 mm; hàng hóa: 1400 mm; người: 1400 mm):
    • Trường hợp không tải: $h_{G0} = 1225$ mm.
    • Trường hợp đầy tải: $h_G = 1307$ mm.
  • Các chỉ số góc ổn định và vận tốc giới hạn:
Tiêu chí ổn định Ký hiệu Trạng thái không tải Trạng thái đầy tải Điều kiện an toàn
Góc ổn định tĩnh dọc khi lên dốc $\alpha_L$ 62,78° 51,60° Lớn hơn góc trượt bám (38,65°)
Góc ổn định tĩnh dọc khi xuống dốc $\alpha_X$ 52,69° 68,63° Lớn hơn góc trượt bám (38,65°)
Góc ổn định tĩnh ngang $\beta$ 38,23° 36,44° Quy chuẩn $\ge 35°$ (không tải)
Vận tốc lật giới hạn khi quay vòng ($R_{\min} = 7,2$ m) $v_{\max}$ 26,86 km/h 26,02 km/h Điều kiện bám đạt 27 km/h

So sánh với quy định trong QCVN 09:2015/BGTVT (yêu cầu góc ổn định tĩnh ngang khi không tải của xe tải phải lớn hơn 35°), xe thiết kế đạt $\beta_0 = 38,23° > 35°$, đáp ứng đầy đủ quy chuẩn.

Phần V: Tính toán kiểm tra bền các chi tiết và tổng thành

Chương này thực hiện kiểm nghiệm độ bền cơ học của các bộ phận chịu lực chính:

  1. Kiểm tra bu lông quang treo thùng xe chống trượt ngang khi quay vòng:
    • Xét trường hợp xe đầy tải quay vòng với bán kính nhỏ nhất $R_{\min} = 7,2$ m, vận tốc nguy hiểm $V_n = 6,7$ m/s, tổng tải trọng hệ {thùng + hàng + cẩu} là $G_h = 7550$ kg.
    • Lực ly tâm phát sinh: $P_{ltn} = 4798$ kg.
    • Lực siết yêu cầu chống trượt (với hệ số ma sát giữa đà dọc và khung sắt-xi $f = 0,18$): $V = 19926$ kg. Lực siết mỗi bu lông (10 bu lông quang) là $v = 1993$ kg.
    • Ứng suất kéo sinh ra trong thân bu lông M18: $\sigma = 173 \text{ N/mm}^2$.
    • So sánh với ứng suất kéo cho phép của thép làm bu lông $[\sigma] = 300 \text{ N/mm}^2$: bu lông bảo đảm an toàn bền.
  2. Tính bền dầm ngang sàn thùng:
    • Dầm làm từ thép CT3 ([100x45x4]), số lượng 15 dầm, chịu tải trọng phân bố đều $q = 187,35 \text{ kg/m}$.
    • Mô men uốn cực đại xuất hiện tại tiết diện nguy hiểm A-A: $M_{u\max} = 59,95 \text{ kG.m}$.
    • Ứng suất uốn phát sinh trong dầm: $\sigma_u = 17,963 \times 10^5 \text{ kG/m}^2$ (khoảng $17,6 \text{ MPa}$).
    • So sánh với ứng suất uốn cho phép của vật liệu thép CT3: $[\sigma_u] = \sigma_{ch} / [1,5 \cdot (K_d + 1)]$ (với giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 24 \times 10^6 \text{ kG/m}^2$): kết cấu dầm ngang bảo đảm độ bền uốn.
  3. Tính bền liên kết bệ cẩu với khung xe (8 gu giông M18):
    • Chống trượt dọc khi phanh xe gấp trên dốc: Lực phanh quán tính với gia tốc chậm dần $J_p = 6 \text{ m/s}^2$ sinh ra lực trượt tổng cộng $P = 934$ kg. Ứng suất cắt trung bình trong thân 8 bu lông là $\tau = 4,5 \text{ N/mm}^2$, nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất cắt cho phép của thép 45 là $[\tau] = 100 \text{ N/mm}^2$.
    • Chống lật khi nâng tải cực đại: Mô men lật lớn nhất $M_{L\max} = 8,18 \text{ kG.m}$ tạo ra lực kéo lớn nhất lên bu lông phía trước là $F_{BL} = 50788,48$ N. Ứng suất kéo phát sinh $\sigma = 199,69 \text{ N/mm}^2$, nhỏ hơn ứng suất kéo cho phép $[\sigma] = 300 \text{ N/mm}^2$ của thép 45. Kết cấu liên kết bệ cẩu hoàn toàn đủ bền.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Hoàn thành phương án thiết kế ô tô tải tự bốc dỡ hàng gắn cần cẩu thủy lực trên xe cơ sở ISUZU FRR90NE4 với tải trọng hàng hóa chuyên chở hợp pháp là 5205 kg và tổng tải trọng thiết kế là 11000 kg.
  • Kích thước bao xe (8548 x 2491 x 3121 mm) và kích thước lòng thùng xe (6010 x 2370 x 575 mm) được kiểm chứng phù hợp với QCVN 09:2015/BGTVT và Thông tư 42/2014/TT-BGTVT.
  • Cân bằng động lực học đạt yêu cầu: giá trị nhân tố động lực học $D$ ở các tay số đều thắng được lực cản mặt đường khi xe chuyển động thẳng trên đường bằng.
  • Góc ổn định tĩnh ngang không tải đạt 38,23° (vượt mức tiêu chuẩn tối thiểu 35°), đảm bảo xe không bị lật đổ trong điều kiện vận hành nghiêng ngang cho phép.

2. Khuyến nghị và quy tắc an toàn vận hành

Văn bản đưa ra các chỉ dẫn an toàn bắt buộc khi vận hành ô tô tải cẩu:

  • Tuyệt đối không được cẩu hàng qua phía trước cabin và không cẩu hàng khi xe đang đỗ trên mặt đường nghiêng.
  • Trước khi cẩu, xe phải dừng hẳn trên nền phẳng vững chắc, kéo phanh tay, cài hộp trích công suất (ngắt ly hợp khi gài/nhả) và hạ toàn bộ các chân chống thủy lực chạm đất cho đến khi hệ thống bánh xe bắt đầu được giảm tải.
  • Khối lượng nâng cho phép của cẩu thay đổi nghịch biến theo tầm với (đạt cực đại 3030 kg ở tầm với 2,6 m và giảm dần còn 480 kg ở tầm vươn xa 9,81 m); khi tính toán tải trọng nâng thực tế phải trừ đi tự trọng của cụm móc treo (30 kg) và các thiết bị phụ trợ treo buộc hàng.

3. Đóng góp kỹ thuật của đề tài

Đồ án đã cung cấp một chu trình tính toán cải tạo xe chuyên dùng hoàn chỉnh từ khâu lựa chọn thiết bị, bố trí kết cấu hình học, phân bổ khối lượng trục, tính toán động lực học cho đến kiểm nghiệm bền liên kết. Giải pháp hoán cải giúp tận dụng tối đa công suất của xe nền ISUZU FRR90NE4 và cẩu UNIC UR-V344, tạo ra phương tiện có tính cơ động cao, phù hợp cho hạ tầng giao thông đô thị Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các mô hình tính bền kết cấu thùng hàng và liên kết bu lông trong đồ án được xây dựng dựa trên phương pháp giải tích truyền thống với các giả thiết đơn giản hóa (coi tải trọng hàng hóa phân bố đều trên sàn thùng, giả thiết các bu lông chịu tải đều nhau, bỏ qua biến dạng cục bộ của khung xe). Đồ án chưa thực hiện mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) đối với khung sát-xi dưới tác động uốn xoắn phức tạp khi cần cẩu quay ở các góc quay nguy hiểm ngoài mặt phẳng đối xứng dọc của xe.
  • Hướng mở rộng: Mở rộng nghiên cứu áp dụng các phần mềm chuyên ngành (như ANSYS, SolidWorks Simulation) để khảo sát trường ứng suất động và dao động xoắn của hệ khung gầm - bệ cẩu; khảo sát độ bền mỏi của các bu lông liên kết sau thời gian dài khai thác; nghiên cứu tích hợp hệ thống cảm biến an toàn điện tử tự động ngắt hoạt động khi cẩu làm việc vượt quá góc nghiêng cho phép.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Máy xây dựng và Nâng chuyển đang thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế cải tạo ô tô chuyên dùng.
  • Kỹ sư thiết kế tại các nhà máy đóng thùng, cơ sở cải tạo phương tiện cơ giới đường bộ.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo cao gồm:
    • Phương pháp kiểm tra kích thước thùng hàng và đuôi xe theo Thông tư 42/2014/TT-BGTVT và QCVN 09:2015/BGTVT.
    • Bảng biểu và thuật toán phân bố tải trọng lên từng trục khi bố trí thêm thiết bị chuyên dùng nặng giữa cabin và thùng xe.
    • Phương pháp tính toán kiểm nghiệm bền bu lông quang treo và bu lông bệ cẩu chịu tải trọng phức hợp (chống trượt dọc do phanh, trượt ngang do lực ly tâm và chống lật do tải nâng).

Câu hỏi thường gặp

1. Ô tô cơ sở và thiết bị cẩu thủy lực được lựa chọn trong đồ án có các thông số kỹ thuật then chốt nào?
Xe cơ sở là ISUZU FRR90NE4 (4x2), tải trọng toàn bộ thiết kế 11000 kg, sử dụng động cơ Diesel 4HK1E4CC có công suất cực đại 140 kW (2600 vòng/phút), mô men xoắn cực đại 513 N.m (1600 vòng/phút), hộp số cơ khí 6 số tiến có cổng trích công suất PTO. Cẩu được chọn là UNIC UR-V344 (4 đoạn cần lồng), tự trọng 1145 kg, sức nâng tối đa 3030 kg tại tầm với 2,6 m và 480 kg tại 9,81 m, chiều cao móc nâng tối đa 11,4 m, vận hành hoàn toàn bằng hệ thống thủy lực với bơm SHIMADZU 23-2690.

2. Kích thước thùng hàng và các thông số bao của xe thiết kế có đáp ứng các quy chuẩn giao thông hiện hành không?
Có. Xe có kích thước bao $8548 \times 2491 \times 3121$ mm (chiều rộng nhỏ hơn 2500 mm, chiều cao cẩu gập nhỏ hơn 4000 mm). Chiều cao thành thùng thiết kế là 575 mm, nhỏ hơn giới hạn $0,3 \times 1930 = 579$ mm theo quy định của Thông tư 42/2014/TT-BGTVT. Chiều dài đuôi xe $L_{ROH} = 2408$ mm, nhỏ hơn giới hạn cho phép $0,6 \times 4990 = 2994$ mm. Tất cả đều thỏa mãn QCVN 09:2015/BGTVT và Thông tư 42/2014/TT-BGTVT.

3. Khối lượng hàng hóa cho phép chở của xe sau cải tạo là bao nhiêu và tải trọng phân bố lên các trục xe như thế nào?
Sau khi lắp thêm cẩu (1145 kg) và thùng hàng mới (1200 kg), tự trọng bản thân xe đạt 5600 kg. Khối lượng hàng chuyên chở cho phép là 5205 kg, cùng kíp lái 3 người (195 kg), đưa tổng tải trọng toàn bộ lên 11000 kg. Tải trọng này phân bố lên trục trước là 3600 kg và trục sau là 7400 kg, trùng khớp với giới hạn chịu tải tối đa của trục 1 và trục 2 do nhà sản xuất xe cơ sở quy định.

4. Góc ổn định tĩnh ngang của xe ở trạng thái không tải đạt bao nhiêu độ và có đáp ứng quy định kiểm định an toàn không?
Ở trạng thái không tải, chiều cao trọng tâm xe là $h_{G0} = 1225$ mm, góc ổn định tĩnh ngang tính toán được là $\beta_0 = 38,23°$. Đối chiếu với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 09:2015/BGTVT quy định góc ổn định tĩnh ngang đối với ô tô tải khi không tải phải đạt từ 35° trở lên, giá trị thiết kế $38,23° > 35°$ hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật.

5. Nhóm bu lông liên kết bệ cẩu với khung sát-xi được kiểm tra trong những trường hợp chịu lực nào và kết quả ra sao?
Bệ cẩu được liên kết với dầm dọc sát-xi qua 8 gu giông M18 (thép 45). Liên kết được kiểm nghiệm trong hai trường hợp nguy hiểm: trượt dọc khi xe phanh đột ngột xuống dốc (gia tốc phanh $J_p = 6 \text{ m/s}^2$) sinh ra ứng suất cắt $\tau = 4,5 \text{ N/mm}^2$ (thấp hơn nhiều so với $[\tau] = 100 \text{ N/mm}^2$); và chống mô men lật khi nâng tải lớn nhất ($M_{L\max} = 8,18 \text{ kG.m}$) sinh ra ứng suất kéo lớn nhất $\sigma = 199,69 \text{ N/mm}^2$ (nhỏ hơn $[\sigma] = 300 \text{ N/mm}^2$). Kết quả khẳng định nhóm bu lông bệ cẩu bảo đảm an toàn làm việc.

Kết luận

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật cải tạo xe sát-xi tải ISUZU FRR90NE4 thành ô tô tải tự bốc dỡ gắn cẩu thủy lực UNIC UR-V344 phục vụ nhu cầu vận chuyển và xếp dỡ hàng hóa tại khu vực đô thị. Mọi thông số hình học, phân bố tải trọng trục, chỉ tiêu động lực học và độ ổn định tĩnh của xe sau hoán cải đều được kiểm nghiệm đạt các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật theo QCVN 09:2015/BGTVT và Thông tư 42/2014/TT-BGTVT. Các kết cấu chịu lực chính gồm sàn thùng hàng, dầm ngang, bu lông quang treo và bu lông liên kết bệ cẩu đều thỏa mãn điều kiện bền uốn, cắt và kéo trong các tình huống vận hành khắc nghiệt nhất.