Bài giảng Lý thuyết ô tô: Chương 5 - Trường CĐ Công nghệ

Bài giảng Lý thuyết ô tô: Chương 5 Phân bố tải trọng pháp tuyến, khả năng bám và tính ổn định của ô tô, cung cấp cho người học những kiến thức như: Phân bố tải trọng và khả năng bám của ô tô; tính ổn định của ô tô. Mời các bạn cùng tham khảo!

 5.1 PHÂN BỐ TẢI TRỌNG VÀ KHẢ NĂNG BÁM CỦA Ô TÔ:

 5.1.1 Xác định phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên các bánh xe trong mặt phẳng dọc:

 Như chúng ta đã biết: Tính ổn định của ô tô phụ thuộc vào sự phân bố tải trọng lên các cầu và khả năng bám giữa các bánh xe với mặt đường

 Trong đó khả năng bám lại phụ thuộc vào phản lực thẳng góc của đường tác dụng các bánh xe và hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

Khi xe chuyển động, các phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe luôn thay đổi tuỳ thuộc vào trạng thái và điều kiện chuyển động

Giá trị của các phản lực này có ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ tiêu kỹ thuật của ô tô như: khả năng kéo và bám, chất lượng phanh, tính ổn định và tuổi thọ của các chi tiết

Bởi vậy, chúng ta sẽ xác định các phản lực đó trong các trường hợp cụ thể sau:

 5.1.1.1 Trường hợp chuyển động tổng quát:

Xét ô tô chuyển động lên dốc không ổn định có kéo rơmóc

Hình 5.1: Sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ôtô khi chuyển động

lên dốc

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

Trên hình 5.1 trình bày sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ôtô

đang chuyển động tăng tốc ở trên dốc Ý nghĩa của các ký hiệu ở

trên hình vẽ như sau:

G – Trọng lượng toàn bộ của ôtô

Pk – Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động

Pf1 – Lực cản lăn ở các bánh xe cầu trước

Pf2 – Lực cản lăn ở các bánh xe cầu sau

P𝜔 – Lực cản không khí

Pi – Lực cản lên dốc

Pj – Lực cản quán tính khi xe chuyển động không ổn định cĩ gia tốc)

Pm – Lực cản ở móc kéo

Mf1 – Mômen cản lăn ở các bánh xe cầu trước

Mf2 – Mômen cản lăn ở các bánh xe cầu sau

𝛼– Góc dốc của mặt đường

f – Hệ số cản lăn

rb –Bán kính tính toán của bánh xe

hg– Tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao

hm– Khoảng cách từ điểm đặt lực kéo móc đến mặt đường

L – Chiều dài cơ sở của ô tô

lm – Khoảng cách từ tâm bánh xe sau đến điểm đặt lực kéo

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

Qua việc lấy mômen lần lượt đối với điểm O2, O1 (O1, O2 là giao điểm của mặt đường với mặt phẳng thẳng đứng qua trục của bánh xe cầu trước, cầu sau) và rút gọn ta được:

 5.1.1.2 Trường hợp xe chuyển động ổn định trên đường nằm

ngang, không kéo rơmóc :

Trong trường hợp này thì: Xe chuyển động ổn định nên Pj = 0;

không kéo rơmóc nên Pm = 0, và xe chuyển động trên đường bằng

= 0 nên Pi = Gsin = 0

Hình 5.2: Sơ đồ mômen và lực tác dụng lên ô tô chuyển động trên

đường nằm ngang

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

 Để xác định các lực Z1k, Z2k ta lập phương trình mômen đối với điểm O2 và O1 rồi rút gọn, ta được:

 5.1.1.3 Trường hợp xe đang phanh trên đường nằm ngang,

không kéo rơmóc:

Hình 5.3: Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh trên đường nằm

ngang, khơng kéo rơ moc

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

 Trong trường hợp này ta coi lực cản không khí ,mômen cản lăn

Mf 0, lực quán tính cùng chiều chuyển động của xe

Tương tự như trên ta cũng xác định được Z1p và Z2p thông qua việc lấy mômen đối với điểm O2 và O1, rồi rút gọn ta được:

 5.1.1.4 Trường hợp xe đứng yên trên đường nằm ngang, không kéo rơmóc:

 Trong trường hợp này chỉ còn ba lực tác dụng lên xe: Trọng lượng toàn bộ của xe G và các phản lực thẳng đứng tác dụng lên các

bánh xe của cầu trước và cầu sau ở trạng thái tĩnh Z1t và Z2t

j g 1p

j g 2p

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

Hình 5.4: Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi đứng yên

Z1t và Z2t cũng được xác định bằng cách lấy mômen đối với điểm O2và O1:

 5.1.1.5 Hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe của ô tô:

 Trong thực tế, ô tô làm việc ở những điều kiện khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện đường xá và sự điều khiển của người lái Do đó trị số các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên các bánh

xe cũng bị thay đổi theo Tuy nhiên, các hợp lực Z1 + Z2 vẫn luôn bằng trọng lượng của xe Nghĩa là khi chuyển động tiến, thì trọng lượng phân ra cầu trước sẽ giảm đi và trọng lượng phân ra cầu sau sẽ tăng lên

 Khi phanh ô tô, trọng lượng phân ra cầu sau giảm đi, còn phần trọng lượng phân ra cầu trước sẽ tăng lên

 Để đánh giá sự phân bố tải trọng người ta ra đưa khái niệm hệ số phân bố tải trọng và được đặc trưng bởi tỉ số :

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

 Để đánh giá sự phân bố tải trọng người ta ra đưa khái niệm hệ số phân bố tải trọng và được đặc trưng bởi tỉ số :

ª Hệ số phân bố tải trọng được xác định ứng với từng trường hợp cụ thể sau

1 1

2 2

Z

n =

G Z

 5.1.1.5.1 Xe đứng yên trên đường nằm ngang, không kéo rơmóc:

Thay các giá trị của Z1 và Z2 ở (5.5) vào (5.6) ta được

1t 1t

2t 2t

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

 5.1.1.5.2 Xe chuyển động ổn định trên đường nằm ngang,

không kéo rơmóc

Thay các giá trị Z1 và Z2 ở biểu thức (5.3) vào (5.6) ta được:

b ω g b ω g 1k

 5.1.1.5.3 Xe đang phanh trên đường nằm ngang không kéo

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

 Qua các trường hợp nghiên cứu trên ta có nhận xét sau:

• Sự phân bố tải trọng lên các bánh xe phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe

• Tọa độ trọng tâm của xe ảnh hưởng tới chất lượng bám của bánh

xe với mặt đường, cũng như tính ổn định và tính dẫn hướng của

xe

• Khi phanh ô tô, lực quán tính hướng về phía trước nên phản lực tác dụng lên cầu trước lớn hơn cầu sau

• Đối với ô tô du lịch, thông thường : Z1 = Z2 = 0,5G

• Đối với xe tải, thông thường : Z2 = (0,7 0,75)G

 5.1.1.6 Hệ số thay đổi tải trọng lên các bánh xe của ô tô:

 Khi xe chuyển động, do trạng thái và điều kiện chuyển động luôn thay đổi, bởi vậy tải trọng tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và cầu sau cũng luôn thay đổi so với xe đứng yên trên đường nằm ngang Để thấy được tải trọng động thay đổi tăng hay giảm so với tải trọng tĩnh, chúng ta sẽ đưa ra khái niệm: Hệ số thay đổi tải trọng ( hoặc là: hệ số thay đổi phản lực) lên các bánh xe và được tính như sau:

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

Z1t, Z2t – Tải trọng tĩnh tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và cầu sau

 Khi xe tăng tốc ( hoặc lên dốc, hoặc chuyển động ngược chiều gió) thì m1 < 1,

m2 >1 và sẽ được kí hiệu là m1k, m2k

Khi xe đang phanh (hoặc xuống dốc, hoặc chuyển động thuận chiều gió) thì m1 > 1, m2 < 1 và sẽ được ký hiệu là m1p, m2p

Các hệ số m1, m2 được sử dụng thường xuyên khi tính toán các hệ thống phanh, treo, lái và các cầu xe

 5.1.2.Xác định phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên các bánh xe ô tô trong mặt phẳng ngang:

 5.1.2.1 Trường hợp chuyển động tổng quát:

Xe chuyển động quay vòng trên đường nghiêng ngang:

Hình 5.5: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ô tô khi quay vòng

trên đường nghiêng ngang

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

 Trong trường hợp này ta giả thuyết rằng vết của bánh xe trước và sau trùng nhau, trọng tâm của xe nằm trong mặt phẳng đối xứng dọc, lực và mômen tác dụng lên ô tô gồm:

G – Trọng lượng toàn bộ của ô tô và được phân ra các thành

phần theo góc nghiêng ngang

Mjn – Mômen của các lực quán tính tiếp tuyến của các phần quay của động cơ và hệ thống truyền lực tác dụng trong mặt phẳng ngang khi xe chuyển động không ổn định

Pm – Lực kéo ở móc kéo ( phương của lực Pm trùng với phương nằm ngang của mặt đường)

Pl – Lực ly tâm

2 l

Gv

P =

gR

 Ở đây:

v – Vận tốc chuyển động của xe

R – Bán kính quay vòng của ô tô

g – Gia tốc trọng trường

Z’1, Z”1 và Z’2, Z”2 – Các phản lực thẳng góc của đường tác

dụng lên bánh xe bên phải và bên trái ở cầu trước và cầu sau

Y’1, Y”1 và Y’2 và Y”2 – Các phản lực ngang từ đường tác dụng lên bánh xe bên phải và bên trái ở cầu trước và cầu sau

C – Chiều rộng cơ sở của ô tô

YY – Trục quay vòng của ô tô

𝛽 – Góc nghiêng ngang của đường

 Để xác định trị số các phản lực bên trái, ta lập phương trình cân bằng mômen đối với đường thẳng đi qua hai điểm tiếp xúc ( hai điểm A – hình 5.5 ) của các bánh xe bên phải với mặt đường, ta được:

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

Z” = Z”1 + Z”2 = G( cosβ h sinβ) P (h cosβ + sinβ) M P (h cosβ + sinβ)c g m m c jn l g c

Z’ = Z’1 + Z’2 = G( cosβ + h sinβ) + P (h cosβ sinβ) + M + P (h cosβ sinβ)c g m m c jn l g c

Y1 = Y’1 + Y”1 = Gbsinβ + P bcosβ P l cosβ l m m

L

- Tương tự như trên, ta lập phương trình mômen đối với đường thẳng

đi qua hai điểm tiếp xúc ( hai điểm O1 ) của các bánh xe trước với mặt đường để xác định phản lực ngang Y2:

Y2 = Y’2 + Y”2 = Gasinβ + P acosβ + P (l + L)cosβ l m m

L

ª Trong đó:

Y1 – Phản lực ngang của đường tác dụng lên các bánh xe trước

Y2 – Phản lực ngang của đường tác dụng lên các bánh xe sau

lm – Khoảng cách từ điểm đặt lực kéo móc đến điểm O2 (xem hình 5.1)

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

 5.1.2.2.Trường hợp xe đứng yên trên dốc nghiêng ngang, không kéo rơmóc :

● Trong trường hợp này thì lực ly tâm Pl = 0 và lực kéo móc Pm = 0

● Rút gọn biểu thức (5.12) và (5.13) ta xác định được các phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên các bánh xe bên trái và bên phải như sau:

G c ( cosβ h sinβ)

G c ( cosβ + h sinβ)

 Từ các biểu thức tính toán trên, ta có nhận xét sau:

 Trị số của các phản lực thẳng góc cũng như các phản lực ngang từ đường tác dụng lên các bánh xe phụ thuộc vào trị số, điểm đặt và chiều tác dụng của các ngoại lực tác dụng trong mặt phẳng của ô tô

 Các phản lực này ảnh hưởng đến tính ổn định và tính năng dẫn hướng của ô tô

 5.2 TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ :

 Tính ổn định của ô tô là khả năng đảm bảo giữ cho quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau

 Tuỳ thuộc điều kiện sử dụng, ô tô có thể đứng yên, chuyển động trên đường dốc ( đường có góc nghiêng dọc hoặc nghiêng ngang) có thể phanh hoặc quay vòng ở các loại đường khác nhau ( đường xấu, đường tốt…)

 Trong những điều kiện phức tạp như vậy, ô tô phải giữ được quỹ đạo của nó sao cho không bị lật đổ, không bị trượt hoặc thùng xe không bị nghiêng, cầu xe bị quay lệch trong giới hạn cho phép để đảm bảo chúng chuyển động an toàn, nâng cao vận tốc chuyển động của xe có nghĩa là tăng tính kinh tế và tính ổn định của ô tô trong mọi điều kiện làm việc

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

 Trong phần này, chúng ta nghiên cứu tính ổn định của ô tô để đảm bảo khả năng không bị lật đổ hoặc bị trượt trong những điều kiện chuyển động khác nhau

 5.2.1 Tính ổn định dọc của ô tô:

 5.2.1.1 Tính ổn định dọc tĩnh:

Tính ổn định dọc tĩnh của ô tô là khả năng đảm bảo cho xe không

bị lật đổ hoặc bị trượt khi đứng yên trên đường dốc dọc

Hình 5.6: Sơ đồ lực và mômen

tác dụng lên ô tô khi đứng yên

a- Ô tô đứng quay đầu trên dốc

b- Ô tô đứng quay đầu xuống dốc

 Xét ổn định theo điều kiện lật đổ :

 Xe đậu trên dốc đầu hướng lên (hình 5.6a):

 Xu hướng lật đổ: Xe có xu hướng lật quanh trục nằm trong mặt phẳng của đường và đi qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe cầu sau với mặt đường (điểm O2 ) theo phương dọc

 Trạng thái giới hạn lật đổ: Khi góc tăng dần đến góc (góc giới hạn mà xe bị lật khi đứng quay đầu lên dốc) thì các bánh xe cầu trước nhấc khỏi mặt đường: Z1 = 0

 Ta lập phương trình mômen đối với điểm O2 :

h



BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

 Tương tự khi ô tô quay đầu xuống dốc (hình 5.6b), thì xe có xhướng lật quanh trục nằm trong mặt phẳng của đường và đi qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe cầu trước với mặt đường (điểm O1) , khi góc tăng dần đến góc (góc giới hạn mà xe bị lật khi đứng quay đầu

xuống dốc) thì các bánh xe cầu sau nhấc khỏi mặt đường: Z2 = 0 , lấy mômen đối với điểm O1 và rút gọn thì ta được :

' t

g

atgα =

 Nhận xét : Góc dốc giới hạn lật đổ tĩnh chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe

Một số góc dốc giới hạn ở một số loại ô tô khi đứng trên dốc:

+ Đối với xe du lịch: + Xe tải khi đầy tải: + Xe tự đổ khi không tải:

 *Xét ổn định theo điều kiện trượt:

Sự mất ổn định dọc tĩnh của ô tô không chỉ do sự lật đổ dọc mà còn do trượt trên dốc do không đủ lực phanh hoặc do lực bám không tốt giữa các bánh xe và mặt đường

● Trường hợp thứ nhất: Nếu phanh tay là phanh hệ thống truyền lực và xe chỉ có cầu sau chủ động:

Khi lực phanh đạt tới giới hạn bám, xe có thể bị trượt xuống dốc, góc dốc khi xe bị trượt được xác định như sau:

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

P = Gsinα = φZ

 Trong đó:

P – Lực phanh lớn nhất đặt ở các bánh xe sau

𝜑 – Hệ số bám dọc của bánh xe với đường

Z2 – Hợp lực của các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên

g

aφ tgα =

L φh Khi ô tô đứng trên dốc quay đầu xuống, làm tương tự ta được:

tφ

g

aφ tgα =

L + φh

 Trong đó:

- Góc dốc giới hạn bị trượt khi xe đứng yên trên dốc quay đầu

lên và xuống

 Trường hợp thứ hai: nếu phanh tay sử dụng chung cơ cấu phanh với phanh chân, lúc đó tất cả các bánh xe đều được phanh

pmax

P = φGcosα

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

 Tương tự ta có điều kiện để ô tô trên dốc bị trượt như sau:

'

tgα = tgα = φ

 Để đảm bảo an toàn khi ô tô đứng yên trên dốc thì hiện tượng

trượt phải xảy ra trước khi lật đổ, được xác định bằng biểu thức:

 5.2.1.2 Tính ổn định dọc động:

Khi ô tô chuyển động trên đường dốc có thể bị mất ổn định (lật đổ hoặc trượt) dưới tác dụng của các lực và mômen hoặc bị lật đổ khi ô tô chuyển động ở tốc độ cao trên đường bằng

 5.2.1.2.1 Trường hợp chuyển động tổng quá t:

xe bị lật đổ khi chuyển động lên dốc hoặc xuống dốc

 Để đơn giản, ta xét trường hợp ô tô chuyển động ổn định lên dốc, không kéo rơmóc nghĩa là: Pj = 0, Pm = 0

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

 Sau khi rút gọn biểu thức (5.1) ta được góc dốc giới hạn khi xe bị

lật đổ là:

tg

 5.2.1.2.2 Trường hợp xe chuyển động lên dốc với vận tốc nhỏ, không kéo rơmóc và chuyển động ổn định:

Ở trường hợp này ta có: Pj = 0 , Pm = 0, , Pf 0 (lực cản lăn nhỏ

có thể bỏ qua)

*Xét ổn định theo điều kiện lật đổ:

° Ô tô có xu hướng lật đổ quanh trục qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe ở cầu sau với mặt đường

° Thế các giá trị trên vào (5.1) và làm tương tự như ở trường hợp ổn định dọc tĩnh ta xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ khi

xe chuyển động lên dốc:

 Vì 𝛼 nhỏ nên ta có thể coi cos = 1

 Xét ổn định theo điều kiện trượt:

 Khi lực kéo chủ động đạt tới giới hạn bám thì xe bắt đầu trượt( xét trường hợp chỉ có cầu sau chủ động):

kmax φ 2

P = P = φZ = Gsinα

• Mặt khác ta có:

P𝛼 = 𝜑 𝑍2 = 𝜑.𝐺𝐿 (acos𝛼𝜑đ + ℎ𝑔𝑠𝑖𝑛𝛼𝜑đ) Với Z2 được xác định bằng cách lấy mômen đối với điểm O1

Từ (5.29) và (5.30) : Ta xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị trượt:

Pkmax – Lực kéo tiếp tuyến lớn nhất ở bánh xe chủ động

P𝜑 – Lực bám của bánh xe chủ động

𝜑– Hệ số bám dọc của bánh xe với mặt đường

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ƠTƠ – KHOA CƠ KHÍ

Điều kiện để đảm bảo cho ô tô trượt trước khi bị lật đổ la :ø

 5.2.1.2.3 Trường hợp xe kéo rơmóc chuyển động lên dốc với vận tốc nhỏvà ổn định:

Ở trường hợp này ta có: Pj = 0,P𝜔 ≈ 0 , Pf ≈ 0 , cos≈ 1

*Xét ổn định theo điều kiện lật đổ:

Xe có xu hướng lật đổ quanh trục qua điểm tiếp xúc của hai bánh

xe cầu sau với mặt đường (điểm O2)

Khi tăng góc dốc đến giá trị giới hạn thì bánh xe cầu trước nhấc khỏi mặt đường: Z1 = 0

tg𝛼𝜑đ <tg𝛼