Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Giao thông vận tải đường bộ giữ vai trò nòng cốt trong sự phát triển kinh tế - xã hội và lưu thông hàng hóa tại Việt Nam. Trong đó, nhu cầu vận chuyển, phân phối các sản phẩm xăng dầu từ các kho cảng, đầu mối tiếp nhận về các đại lý phân phối trên toàn quốc ngày càng gia tăng. Do xăng dầu là loại hàng hóa nguy hiểm, có tính chất cháy nổ cao và dễ tổn thất, việc vận chuyển đòi hỏi các phương tiện chuyên dùng phải đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn về an toàn kỹ thuật, bảo vệ môi trường và độ ổn định khi di chuyển trên các điều kiện đường sá phức tạp.

Đề tài "Phương án thiết kế ô tô xitéc trên xe cơ sở Hino 500 FM2635" (hay "Tính toán thiết kế xe bồn chở nhiên liệu dung tích 16.000 lít trên xe cơ sở HINO FM2635") được thực hiện bởi sinh viên Võ Tấn Lực (lớp Kỹ thuật ô tô 2 k61, Trường Đại học Giao thông Vận tải - Phân hiệu tại TP. Hồ Chí Minh), dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Văn Lợi.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đề tài bao gồm các nội dung chính sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về ô tô xitéc, phân tích các tính chất vật lý, hóa học, tính nguy hiểm cháy nổ và tĩnh điện của nhiên liệu xăng dầu.
  2. Lựa chọn dạng thân bồn xitéc phù hợp, thiết kế chi tiết kết cấu bồn dung tích 16.000 lít bằng thép CT3 cùng các trang thiết bị công nghệ chuyên dùng đi kèm (bơm nhiên liệu, van hô hấp, hệ thống van đường ống, khớp nối nhanh, trang bị phòng chống cháy nổ).
  3. Lập quy trình công nghệ gia công, chế tạo và lắp ráp xitéc lên xe cơ sở Hino 500 FM2635.
  4. Tính toán phân bố tải trọng của ô tô thiết kế ở trạng thái không tải và đầy tải lên các trục.
  5. Xác định tọa độ trọng tâm, bán kính quay vòng và kiểm nghiệm tính ổn định động học, động lực học của xe (ổn định dọc tĩnh, ổn định dọc động, ổn định ngang trên dốc nghiêng và ổn định khi quay vòng).
  6. Khảo sát kết cấu của các hệ thống phanh, treo và lái của xe cơ sở.
  • Đối tượng nghiên cứu: Xe ô tô sát-xi cơ sở Hino 500 FM2635 (công thức bánh xe 6x4) và thùng bồn chứa nhiên liệu dung tích thiết kế 16.000 lít cùng các trang thiết bị chuyên dùng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế hoán cải, lắp ráp thùng xitéc chở xăng dầu vận hành trên mạng lưới giao thông đường bộ Việt Nam; thời gian hoàn thành vào tháng 11 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đề tài dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán động học và động lực học ô tô, lý thuyết cân bằng lực và mô-men trong cơ học kỹ thuật ô tô, cùng các quy định pháp luật và tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành:

  • Tiêu chuẩn kỹ thuật: TCVN 4162-85 về ô tô xitéc chứa xăng dầu; các quy định của Tổng cục Tiêu chuẩn – Đo lường – Chất lượng.
  • Văn bản pháp lý và quy chuẩn ngành:
    • Quyết định 34/2005/QĐ-BGTVT của Bộ Giao thông Vận tải về sản xuất lắp ráp ô tô mang nhãn hiệu trong nước.
    • Nghị định 13/2003/NĐ-CP ngày 19/02/2003 quy định về vận chuyển hàng nguy hiểm bằng đường bộ.
    • Nghị định 35/2003/NĐ-CP hướng dẫn Luật Phòng cháy và chữa cháy.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Nghiên cứu đặc tính lý - hóa của nhiên liệu lỏng (nhiệt độ bắt cháy, tự cháy, giới hạn nổ, khả năng tích tĩnh điện, độ bay hơi, tính ăn mòn), tham khảo kết cấu xe bồn thực tế đang lưu hành để chọn phương án tối ưu.
  • Phương pháp thiết kế hình học và cơ khí: Lựa chọn tiết diện thùng hình elip, tính toán kích thước bao, vách chắn sóng, bát liên kết và bu-lông quang.
  • Phương pháp tính toán giải tích cơ học ô tô: Xác định tọa độ khối tâm theo 3 chiều không gian; thiết lập phương trình cân bằng giới hạn để tính góc nghiêng lật, góc trượt tĩnh/động và vận tốc tới hạn khi xe quay vòng hoặc chịu tác động của lực gió ngang.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu đầu vào sử dụng thông số kỹ thuật của xe sát-xi Hino 500 FM2635 và bảng tỷ trọng, nhiệt độ bắt cháy, nhiệt độ tự cháy của các loại nhiên liệu dầu mỏ.


Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan ô tô xitéc và phương án thiết kế kết cấu bồn

Chương 1 hệ thống hóa khái niệm, phân loại ô tô xitéc (theo khung cơ sở, mục đích sử dụng, áp suất, hình dạng thùng, vật liệu và tính chất nhiệt). Tác giả tiến hành so sánh 4 dạng tiết diện thùng chứa: tròn, elip, chữ nhật và hình thang. Kết quả phân tích chỉ ra dạng elip tối ưu nhất do hạ thấp được trọng tâm xe, tạo dáng mỹ thuật cân đối, dung tích chứa lớn và đảm bảo độ ổn định khi xe vào cua hoặc đi đường dốc.

Nội dung chương giới thiệu chi tiết các thông số của xe sát-xi Hino 500 FM2635 và xe ô tô xitéc thiết kế:

Thông số Xe cơ sở Hino FM2635 Xe ô tô xitéc thiết kế
Loại phương tiện / Công thức bánh xe Sát-xi tải / 6x4 Ô tô xitéc chở nhiên liệu / 6x4
Kích thước bao (Dài x Rộng x Cao) (mm) 7845 x 2490 x 2905 7845 x 2490 x 3270
Chiều dài cơ sở ($L_0$) (mm) 4155 4155
Khoảng sáng gầm xe (mm) 250 250
Góc thoát trước / sau (độ) 34 / 21 26 / 18
Trọng lượng bản thân (kg) 7083 (Cầu trước: 3800; Cầu sau: 3283) 9497 (Cầu trước: 3465; Cầu sau: 5940)
Trọng lượng toàn bộ cho phép (kg) 26500 26500 (Cầu trước: 6500; Cầu sau: 20000)
Động cơ (Model / Kiểu loại) Hino A09C-UR, Diesel 4 kỳ, 6 xi-lanh thẳng hàng, turbo tăng áp Hino A09C-UR
Dung tích xi-lanh / Tỉ số nén 8866 $\text{cm}^3$ / 17:1 8866 $\text{cm}^3$ / 17:1
Công suất cực đại / Mô-men xoắn cực đại 350 kW tại 1800 v/ph / 1422 Nm tại 1100 v/ph 350 kW tại 1800 v/ph / 1422 Nm tại 1100 v/ph
Hộp số Cơ khí, 9 số tiến, 1 số lùi Cơ khí, 9 số tiến, 1 số lùi (có trích công suất PTO)
Cỡ lốp (Trục trước / Trục sau) 10.00R20-16PR 10.00R20-16PR (11 lốp gồm cả dự phòng)

Về thiết kế bồn chứa, tác giả lựa chọn dung tích thiết kế 16.000 lít, vật liệu thép hợp kim CT3 dày 4 mm (mảng đáy dày 2 mm), chia làm 4 ngăn độc lập có nắp thăm riêng, trang bị vách ngăn chắn sóng cao 1640 mm (lỗ thông 170 mm) để triệt tiêu dao động sóng chất lỏng. Thân bồn liên kết với khung sát-xi thông qua 10 bu-lông quang M20x1,5 và 6 bát chống xô (mỗi bên 3 bát cố định bằng bu-lông M16x1,5).

Hệ thống trang thiết bị công nghệ bao gồm:

  • Bơm cánh gạt/ly tâm lưu lượng $60\text{ m}^3/\text{h}$ dẫn động từ trục trích công suất (PTO) của hộp số.
  • Nắp bồn đường kính 900 mm, hoạt động ở dải nhiệt độ $-40^\circ\text{C}$ đến $+50^\circ\text{C}$.
  • Van hô hấp 2 chiều (lưu lượng $17 \div 20\text{ m}^3/\text{h}$, áp suất làm việc $0,0063 \div 0,0080\text{ MPa}$, áp suất chân không $0,0025 \div 0,0032\text{ MPa}$).
  • Thiết bị hạn chế tràn nhiên liệu (áp suất $0,55\text{ MPa}$, khối lượng 3,2 kg).
  • Trang bị an toàn PCCC: chuyển đổi cụm ống xả và giảm âm lên đầu cabin chếch sang bên phải; 01 xích tiếp đất bằng kim loại duy trì ít nhất 2 mắt chạm mặt đường; 01 bình chữa cháy khí $\text{CO}_2$ MT3 áp suất cao 120 at; dán biểu trưng cảnh báo "CẤM LỬA" chữ màu đỏ cao trên 200 mm.

Chương 2: Tính toán các thông số động học, động lực học và khảo sát hệ thống

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán cơ học ô tô nhằm kiểm tra độ an toàn của xe sau khi lắp bồn xitéc.

  1. Phân bố tải trọng: Lấy tỷ trọng nhiên liệu trung bình $\rho = 0,8\text{ kg/lít}$, khối lượng hàng hóa 16.800 kg cộng với tự trọng bồn và người lái (180 kg) cho tổng tải trọng thiết kế 26.500 kg (phân bố cầu 1: 6500 kg, cầu sau 2+3: 20000 kg), hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép của nhà sản xuất Hino FM2635.
  2. Tọa độ trọng tâm:
    • Khi không tải: Tọa độ dọc cách trục trước $a_0 = 3019\text{ mm}$, cách trục sau $b_0 = 1761\text{ mm}$; chiều cao trọng tâm $h_{G0} = 1352\text{ mm}$.
    • Khi đầy tải: Tọa độ dọc cách trục trước $a = 3136\text{ mm}$, cách trục sau $b = 1019\text{ mm}$; chiều cao trọng tâm $h_G = 1600\text{ mm}$.
  3. Bán kính quay vòng nhỏ nhất: Bán kính quay vòng theo vết bánh xe trước phía ngoài đạt $R_{\text{qv min}} = 9050\text{ mm}$ ($9,05\text{ m}$) với góc quay lái trung bình $\theta = 32^\circ$.
  4. Kiểm tra độ ổn định dọc:
    • Ổn định dọc tĩnh khi lên dốc: Góc dốc giới hạn lật khi không tải $\alpha_l = 52,4^\circ$, khi có tải $\alpha_l = 32,3^\circ$; góc dốc giới hạn trượt khi có tải $\alpha_t = 35,5^\circ$ (với hệ số bám $\phi = 0,7$).
    • Ổn định dọc tĩnh khi xuống dốc: Góc dốc giới hạn lật không tải $\alpha_x = 65,8^\circ$, có tải $\alpha_x = 62,6^\circ$; góc dốc giới hạn trượt $\alpha'_t = 22,4^\circ$.
    • Ổn định dọc động khi chuyển động lên dốc: Góc dốc lật $\alpha_đ = 62,6^\circ$, góc dốc trượt $\alpha_b = 35,5^\circ$.
    • Ổn định khi chạy trên đường bằng ở tốc độ cao: Vận tốc giới hạn lật do áp lực gió cản chính diện đạt $V_n = 275\text{ km/h}$.
  5. Kiểm tra độ ổn định ngang:
    • Trên đường nghiêng ngang: Góc nghiêng giới hạn trượt ngang $\beta_t = 17^\circ$ (hệ số bám ngang $\phi_n = 0,3$), góc nghiêng giới hạn lật ngang $\beta = 29,5^\circ$.
    • Khi quay vòng trên đường bằng: Với bán kính quay vòng nhỏ nhất, vận tốc giới hạn trượt ngang $V_t = 5,16\text{ m/s}$ ($18,58\text{ km/h}$), vận tốc giới hạn lật ngang $V_l = 7,14\text{ m/s}$ ($25,7\text{ km/h}$). Xe luôn xảy ra hiện tượng trượt trước khi lật.
  6. Khảo sát hệ thống phanh, treo, lái:
    • Phanh: Phanh chính khí nén toàn phần 2 dòng độc lập, cơ cấu cam phanh chữ S, tang trống; phanh đỗ dạng bầu phanh tích năng lò xo lốc-kê tác dụng lên trục 2; trang bị thêm phanh khí xả động cơ.
    • Treo: Phụ thuộc, trục trước dùng nhíp lá bán elip kết hợp giảm chấn thủy lực 2 lớp vỏ; trục sau dùng cụm nhíp chính - nhíp phụ đa lá làm từ thép hợp kim đàn hồi ($55\text{C}_2$, $60\text{C}_2\text{A}$).
    • Lái: Cơ cấu trục vít - ê-cu bi tuần hoàn trợ lực thủy lực tích hợp, cột lái thay đổi được độ nghiêng và chiều cao.

Thiết kế và quy trình công nghệ chế tạo

Tác giả xây dựng quy trình công nghệ 7 bước chế tạo và lắp đặt ô tô xitéc:

Bước thực hiện Nội dung công việc Phương pháp & Thiết bị gia công Yêu cầu kỹ thuật chính
Bước 1: Gia công bồn chứa Cuốn thép tấm CT3 thành thân elip, cắt tạo hình nắp bồn, vách chắn sóng, mảng đầu và đuôi. Máy cuốn tôn, máy chấn, máy dập, máy cắt tôn, hàn MIG, hàn que. Kích thước đúng bản vẽ thiết kế, mối hàn ngấu kín khít, chịu áp suất dư $\ge 0,8\text{ at}$.
Bước 2: Gia công chi tiết lắp ghép Cắt, uốn và hàn các cụm bát bồn (chân đế bồn). Máy cắt thép, máy hàn, máy mài, đe, búa. Mối hàn ngấu chắc, các mặt phẳng chân bồn đồng phẳng.
Bước 3: Lắp bồn lên sát-xi Khoan lỗ $\varnothing 14$ trên sát-xi xe cơ sở, cố định bát bồn, bắt bu-lông quang, gia công thang leo và sàn thao tác. Máy khoan, pa-lăng điện, cờ-lê cân lực, máy uốn ống. Lực siết bu-lông đạt tiêu chuẩn, kết cấu cứng vững, không nứt sát-xi.
Bước 4: Lắp thiết bị phụ Gia công và cố định dè chắn bùn, thanh cản hông, cản sau, hệ thống đèn tín hiệu và đường ống đáy. Máy cắt, máy hàn hồ quang, thiết bị siết bu-lông. Cản hông, cản đuôi đúng quy chuẩn hình học TCVN.
Bước 5: Kiểm tra tổng thể Đo kiểm kích thước phủ bì, kiểm tra độ kín các mối ghép, hoạt động của van, bơm và hệ thống điện. Thước đo, thiết bị kiểm tra áp suất, dụng cụ đo lực siết. Các cơ cấu hoạt động trơn tru, không rò rỉ khí/nhiên liệu.
Bước 6: Xử lý bề mặt và sơn Tẩy rỉ, làm sạch bề mặt kim loại, phun sơn lót chống rỉ và sơn phủ hoàn thiện. Giấy nhám, súng phun sơn, khí nén. Bề mặt sơn phẳng, bóng, có độ bám dính cao và chịu ăn mòn.
Bước 7: Kiểm tra xuất xưởng Chạy thử nghiệm trên đường, kiểm tra phanh, đèn chiếu sáng, vệ sinh tổng thể. Chạy thử nghiệm thực tế, trạm kiểm định. Xe vận hành ổn định, an toàn, đạt tiêu chuẩn xuất xưởng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Thiết kế tổng thể hoàn chỉnh: Thiết lập thành công phương án bố trí thùng bồn elip 16.000 lít trên xe cơ sở Hino 500 FM2635 với kích thước tổng thể $7845 \times 2490 \times 3270\text{ mm}$, tải trọng toàn bộ 26.500 kg.
  2. Đảm bảo tính năng phân bố tải: Sự phân bố tải trọng lên các trục cầu trước (6.500 kg) và cụm cầu sau (20.000 kg) ở trạng thái đầy tải không vượt quá giới hạn tải trọng cầu cho phép của xe nguyên thủy Hino FM2635.
  3. Thỏa mãn tiêu chuẩn ổn định chuyển động:
    • Trọng tâm xe ở mức an toàn ($h_G = 1600\text{ mm}$ khi đầy tải).
    • Góc ổn định lật và trượt dọc đều vượt qua các điều kiện dốc thông thường tại Việt Nam (lật khi lên dốc đầy tải $\alpha_l = 32,3^\circ$, trượt khi lên dốc $\alpha_t = 35,5^\circ$).
    • Vận tốc an toàn chống lật do gió bão trên đường bằng đạt $275\text{ km/h}$.
    • Khi quay vòng với bán kính nhỏ nhất $R_{\text{qv min}} = 9050\text{ mm}$, xe xảy ra trượt ở tốc độ $18,58\text{ km/h}$ trước khi đạt tới ngưỡng lật ($25,7\text{ km/h}$), đảm bảo đặc tính an toàn chủ động (trượt cảnh báo trước khi lật).

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Cung cấp một bộ hồ sơ tính toán cơ học và bản vẽ quy trình công nghệ hoàn chỉnh cho việc đóng mới thùng chở xăng dầu 16 khối trên dòng xe Hino FM2635 tại Việt Nam.
  • Đưa ra giải pháp cải tạo hệ thống an toàn phòng chống cháy nổ đồng bộ: di chuyển cụm ống xả ra đầu xe, thiết kế xích tiếp địa chống tĩnh điện, tích hợp van hô hấp và thiết bị chống tràn đạt chuẩn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các phép tính động lực học và phân bố tải trọng trong đề tài được thực hiện trên mô hình bài toán phẳng tĩnh và động đơn giản hóa, giả định chất lỏng bên trong thùng là khối đồng nhất đứng yên; chưa mô phỏng chi tiết ảnh hưởng dao động của sóng chất lỏng tự do (sloshing effect) lên tính ổn định động lực học khi xe phanh gấp hoặc chuyển làn đột ngột.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Ứng dụng các phần mềm mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) và phần mềm phần tử hữu hạn (FEM) để tính toán độ bền ứng suất của thân bồn, tối ưu hóa vật liệu (chuyển đổi sang hợp kim nhôm để giảm tự trọng) và phân tích tương tác chất lỏng - kết cấu khi xe vận hành.

Giá trị tham khảo

Đề tài là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật ô tô, Cơ khí giao thông: Sử dụng làm tài liệu mẫu cho đồ án môn học Ô tô chuyên dùng, đồ án Thiết kế tính toán ô tô hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành thiết kế cải tạo phương tiện giao thông đường bộ.
  • Kỹ sư thiết kế tại các nhà máy đóng thùng, cơ sở hoán cải xe cơ giới: Tham khảo quy trình công nghệ 7 bước gia công bồn xitéc kim loại, quy cách lắp đặt cụm bơm PTO, van hô hấp và hệ thống phụ trợ phòng cháy chữa cháy theo quy chuẩn Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Xe cơ sở Hino 500 FM2635 được lựa chọn có những thông số động cơ và truyền lực nổi bật nào?

Xe Hino FM2635 sử dụng động cơ Diesel A09C-UR 4 kỳ, 6 xi-lanh thẳng hàng, tăng áp, dung tích $8866\text{ cm}^3$, sản sinh công suất cực đại 350 kW tại 1800 v/ph và mô-men xoắn cực đại 1422 Nm tại 1100 v/ph. Hộp số cơ khí gồm 9 số tiến, 1 số lùi kết hợp cổng trích công suất (PTO) dẫn động bơm nhiên liệu. Hệ dẫn động 2 cầu sau chủ động (6x4) với tỷ số truyền lực chính 6,69:1.

2. Thùng xitéc thiết kế có thông số kết cấu và vật liệu như thế nào?

Thùng bồn có dung tích chứa 16.000 lít, tiết diện hình elip kích thước bao $5515 \times 2020 \times 1390\text{ mm}$ (hoặc chiều cao bao phủ $1850\text{ mm}$), được chế tạo từ thép tấm CT3 dày 4 mm (mảng sàn đáy dày 2 mm). Bồn được chia làm 4 khoang độc lập, bên trong bố trí các vách ngăn chắn sóng cao 1640 mm với lỗ thông 170 mm.

3. Tại sao ống xả của xe cơ sở bắt buộc phải chuyển về phía trước đầu cabin?

Việc chuyển cụm ống xả và bộ giảm âm lên phía trước đầu xe, với miệng xả quay chúc xuống về phía bên phải, nhằm cách ly hoàn toàn nguồn nhiệt độ cao và tia lửa tiềm ẩn từ khí thải ra xa khối bồn chứa xăng dầu phía sau, đáp ứng yêu cầu an toàn phòng chống cháy nổ theo tiêu chuẩn ngành và Nghị định 35/2003/NĐ-CP.

4. Tọa độ trọng tâm và bán kính quay vòng nhỏ nhất của xe xitéc sau thiết kế là bao nhiêu?

Khi xe đầy tải, tọa độ trọng tâm cách tâm trục trước $a = 3136\text{ mm}$, cách tâm trục sau $b = 1019\text{ mm}$, chiều cao trọng tâm $h_G = 1600\text{ mm}$. Bán kính quay vòng nhỏ nhất của xe tính theo vết bánh xe trước phía ngoài đạt $R_{\text{qv min}} = 9050\text{ mm}$ ($9,05\text{ m}$).

5. Giới hạn vận tốc an toàn chống lật và chống trượt khi xe quay vòng trên đường bằng là bao nhiêu?

Khi xe thực hiện quay vòng với bán kính quay vòng nhỏ nhất ($9,05\text{ m}$), vận tốc tới hạn xảy ra hiện tượng trượt ngang là $V_t = 18,58\text{ km/h}$ ($5,16\text{ m/s}$) và vận tốc tới hạn xảy ra lật ngang là $V_l = 25,7\text{ km/h}$ ($7,14\text{ m/s}$). Do $V_t < V_l$, xe sẽ trượt ngang trước khi bị lật, giúp tài xế kịp thời xử lý giảm tốc độ.


Kết luận

Đề tài đã hoàn thành việc tính toán thiết kế ô tô xitéc chở xăng dầu dung tích 16.000 lít trên nền xe sát-xi Hino 500 FM2635 đảm bảo đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật và an toàn. Các kết quả tính toán động học và động lực học chứng minh xe đạt độ ổn định dọc và ngang tin cậy trong các điều kiện làm việc đầy tải, đường dốc và quay vòng. Đồng thời, quy trình công nghệ 7 bước và hệ thống thiết bị chuyên dùng PCCC được thiết kế phù hợp với tiêu chuẩn TCVN và năng lực sản xuất thực tế tại Việt Nam.