δi Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay α1 Góc lệch hướng cầu trước 0.. - Xe ô tô bị mất lái do trục trặc kỹ thuật xe thường gặp như: xe bị mất phanh, xe bị lệch
NGHIÊN CỨU SỰ TRƯỢT VÀ ĐẶC TÍNH TRƯỢT KHI KÉO VÀ
Khái niệm về sự trượt của xe
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào hiện tượng trượt của bánh xe khi thực hiện kéo và phanh trên bề mặt đường cứng, mà không xem xét đến sự biến dạng của mặt đường.
2.1.1.1 Lực kéo và lực phanh
Sơ đồ 2.1 Truyền năng lượng từ động cơ đến bánh xe chủ động
Công suất động cơ Pe được truyền qua hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động, tạo ra công suất trên trục bánh xe chủ động Pk Mô men xoắn động cơ Me chuyển thành mô men xoắn trên trục bánh xe chủ động Mk, trong khi tốc độ góc động cơ 𝜔 𝑒 trở thành tốc độ góc của bánh xe chủ động 𝜔 𝑘 Mô men xoắn Mk cùng với sự tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường tạo ra phản lực Fk từ mặt đường tác động lên bánh xe theo chiều chuyển động.
(P e , 𝜔 𝑒 , M e ) Hệ thống truyền lực Bánh xe chủ động
Lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động, ký hiệu là Fk, được đặt tại tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.
𝑟 𝑏 (N) (2.1) Với: Fk là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động [N]
Mk mô men xoắn trên trục bánh xe chủ động [N.m] rb là bán kính tính toán của bánh xe [m]
Hình 2.1 Lực kéo tiếp tuyến F k
Khi đạp phanh thì cơ cấu phanh của xe sẽ tạo ra mô men ma sát gọi là mô men phanh
Khi bánh xe tiếp xúc với mặt đường, lực phanh Fp sẽ được sinh ra, có hướng ngược lại với chiều chuyển động và điểm đặt lực này nằm tại tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.
Với: Fp là lực phanh của bánh xe [N]
Mp mô men phanh sinh ra từ cơ cấu phanh [Nm] rb là bán kính tính toán của bánh xe [m]
2.1.1.2 Bán kính tính toán và bán kính lăn của bánh xe
Bán kính bánh xe là một thông số hình học quan trọng, được phân loại thành nhiều loại như bán kính danh định, bán kính tự do và bán kính tĩnh Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào hai loại bán kính chính: bán kính tính toán và bán kính lăn của bánh xe.
* Bán kính tính toán của bánh xe r b :
Bán kính tính toán của bánh xe, hay còn gọi là bán kính làm việc trung bình, được sử dụng trong thiết kế thực tế với độ sai lệch nhỏ so với giá trị bán kính thực Bán kính rb được tính theo công thức cụ thể.
𝑟 𝑏 = 𝑟 0 𝜆 (m) (2.3) Trong đó: 𝑟 0 là bán kính thiết kế của bánh xe (bán kính bán xe không quay, không tải, được quy định bởi nhà sản xuất) [m]
𝜆 là hệ số biến dạng pháp tuyến của lốp
Ngoài ra, có thể lấy bán kính tính toán bằng bán kính lăn của bánh xe bị động rl0
(khi bánh xe bị động không có tác dụng của lực kéo và lực phanh nào)
* Bán kính lăn của bánh xe r l :
Bán kính lăn là một thông số quan trọng trong động học của xe, liên quan đến sự trượt của bánh xe trên mặt đường Nó được tính bằng tỉ số giữa vận tốc thực tế của xe và vận tốc góc của bánh xe, được xác định theo công thức cụ thể.
𝜔 𝑘 (m) (2.4) Trong đó: 𝑟 𝑙 là bán kính lăn của bánh xe [m] v là vận tốc thực tế của xe (có liên quan đến sự trượt) [m/s]
𝜔 𝑘 là tốc độ góc của bánh xe chủ động [rad/s]
Khi tăng ga hoặc đạp phanh, xe luôn xảy ra hiện tượng trượt, ảnh hưởng đến vận tốc thực tế của xe Bán kính lăn của bánh xe (\$r_l\$) phụ thuộc vào vận tốc thực tế và lực kéo tiếp tuyến (\$F_k\$) cũng như lực phanh (\$F_p\$) tại bánh xe Mối quan hệ này được thể hiện qua một công thức cụ thể.
𝑟 𝑙 = 𝑟 𝑙0 − 𝜆 𝑓 𝐹 𝑝 (m) (2.6) Trong đó: 𝑟 𝑙0 là bán kính lăn của bánh xe bị động khi không có tác động của lực kéo và lực phanh (Fk = Fp = 0)
𝜆 𝑓 là hệ số thực nghiệm cho trước (phụ thuộc vào loại đường, tình trạng mặt đường, tải trọng pháp tuyến)
Hình 2.3 Sự phụ thuộc bán kính lăn r l vào lực kéo và lực phanh
Từ đồ thị 𝑟 𝑙 (F) trên ta có một số nhận xét như sau:
- Khi lực kéo Fk tăng dần thì bán kính lăn rl giảm dần, cho đến khi lực kéo cực đại Fkmax thì 𝑟 𝑙 = 0 (trượt quay hoàn toàn)
Khi lực phanh Fp tăng dần, bán kính lăn rl cũng tăng theo Đến khi lực phanh đạt giá trị cực đại Fpmax, bán kính lăn sẽ trở thành vô hạn, dẫn đến hiện tượng trượt lết hoàn toàn.
2.1.1.3 Vận tốc lý thuyết, vận tốc thực tế và vận tốc trượt
* Vận tốc lý thuyết của xe (𝑣 0 ): là vận tốc của xe khi chuyển động không có tính đến sự trượt Ta có:
𝜔 𝑘 là tốc độ góc của bánh xe
𝑟 𝑏 là bán kính tính toán của bánh xe
* Vận tốc thực tế của xe (𝑣): là vận tốc chuyển động thực tế của xe khi tính đến ảnh hưởng của sự trượt bánh xe Ta có:
𝜔 𝑘 là tốc độ góc của bánh xe [rad/s]
𝑟 𝑙 là bán kính lăn của bánh xe [m]
Vận tốc trượt (𝑣 𝛿) là sự khác biệt giữa vận tốc thực tế và vận tốc lý thuyết của xe khi có sự trượt giữa bánh xe và mặt đường Sự chênh lệch này được gọi là vận tốc trượt.
2.1.2 Các trạng thái động học của bánh xe
Có ba trạng thái động học của bánh xe:
- Trạng thái lăn không trượt (bánh xe bị động không phanh)
- Trạng thái lăn có trượt quay (bánh xe chủ động có lực kéo)
- Trạng thái lăn có trượt lết (tất cả bánh xe có lực phanh)
2.1.2.1 Trạng thái lăn không trượt
Trong trạng thái lăn không trượt của bánh xe, bánh xe bị động không chịu lực phanh, dẫn đến bán kính lăn \( r_l \) bằng bán kính tính toán \( r_b \) (tương đương với bán kính lăn ở bánh xe bị động \( r_{l0} \)) Khi đó, vận tốc lý thuyết \( v_0 \) sẽ bằng vận tốc thực tế của xe \( v \).
2.1.2.2 Trạng thái lăn có trượt quay
Khi bánh xe trượt, vận tốc thực tế của xe sẽ bị ảnh hưởng Nếu bánh xe trượt quay, điều này cho thấy bánh xe vẫn đang có lực kéo, ảnh hưởng đến tốc độ của tâm bánh.
Tốc độ thực tế 𝑣 của xe nhỏ hơn tốc độ lý thuyết 𝑣 0, dẫn đến tâm quay tức thời P nằm trong vòng bánh xe, với điều kiện 𝑟 𝑙 < 𝑟 𝑏 Khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường sẽ xuất hiện một vận tốc trượt 𝑣 ngược hướng với trục x.
Hình 2.5 Trạng thái lăn có trượt quay của bánh xe
Sự trượt của bánh xe khi kéo được thể thiện qua hệ số trượt 𝛿 𝑘 , biến thiên giá trị từ
Hệ số trượt khi kéo 𝛿 𝑘 luôn dương do bán kính lăn rl nhỏ hơn bán kính tính toán rb Khi xe di chuyển, lực kéo Fk biến thiên, dẫn đến sự thay đổi của bán kính lăn rl.
Hình 2.3) Khi rl = 0 tức là lực kéo đạt cực đại Fkmax (giới hạn bám) thì giá trị 𝛿 𝑘 = 1 (xảy ra hiện tượng trượt quay hoàn toàn)
2.1.2.3 Trạng thái lăn có trượt lết
Trong trường hợp này, tốc độ thực tế 𝑣 vượt quá tốc độ lý thuyết 𝑣₀, với cực P nằm bên ngoài bánh xe và 𝑟ₗ lớn hơn 𝑟𝑏 Tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, tốc độ trượt 𝑣ₖ cũng xuất hiện, hướng theo chiều dương của trục x.
Hình 2.6 Trạng thái lăn có trượt lết của bánh xe
Sự trượt của bánh xe khi phanh được thể thiện qua hệ số trượt 𝛿 𝑝 , biến thiên giá trị từ - 1 đến 0:
Sự bám và đặc tính trượt khi kéo và phanh
2.2.1 Sự bám của bánh xe với mặt đường
Theo đồ thị về sự phụ thuộc của bán kính lăn 𝑟 𝑙 vào lực kéo và lực phanh, khi xe đạt lực kéo cực đại Fkmax, bán kính lăn 𝑟 𝑙 bằng 0, tức là xảy ra trượt quay hoàn toàn Ngược lại, khi lực phanh cực đại Fpmax, bán kính lăn 𝑟 𝑙 trở thành vô cực, tương ứng với tình trạng trượt lết hoàn toàn Fkmax được gọi là giới hạn bám khi kéo.
Fpmax là giới hạn bám khi phanh, phản ánh khả năng tiếp nhận lực kéo và lực phanh của bánh xe Giới hạn bám càng lớn cho phép tăng cường lực kéo và phanh Nó được xác định bằng tải trọng tác dụng lên bánh xe nhân với hệ số bám 𝜑.
Hệ số bám là chỉ số quan trọng thể hiện độ bám giữa bánh xe và mặt đường Tùy thuộc vào hướng của phản lực mặt đường tác động lên bánh xe, hệ số bám có thể mang những tên gọi khác nhau Khi xem xét khả năng bám theo chiều dọc, tức là khi dưới bánh xe chỉ có phản lực dọc như lực kéo hoặc lực phanh, hệ số bám được gọi là hệ số bám dọc 𝜑 𝑥 và được định nghĩa một cách cụ thể.
𝐹 𝑘𝑚𝑎𝑥 là lực kéo tiếp tuyến cực đại giữa bánh xe với mặt đường [N]
𝐹 𝑧 là tải trọng pháp tuyến tác dụng lên bánh xe (trọng lượng bám) [N]
Hệ số bám \$\phi_x\$ giữa bánh xe chủ động và mặt đường phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguyên liệu làm đường, nguyên liệu chế tạo lốp, tình trạng mặt đường, kết cấu hoa lốp, tải trọng tác dụng lên bánh xe và áp suất lốp Ngoài ra, hệ số này còn bị ảnh hưởng bởi tình trạng trượt của bánh xe, mà sự trượt lại phụ thuộc vào lực kéo và lực phanh mà người lái có thể điều khiển Do đó, người lái có thể tận dụng lực kéo và lực phanh để tăng khả năng bám cho xe Hệ số \$\phi_x\$ luôn biến thiên và giá trị tức thời của nó được biểu hiện qua các hệ số khác nhau.
Các hệ số trong công thức 𝐹 𝑧 (2.20) cho thấy khả năng của mặt đường trong việc tiếp nhận lực kéo (lực phanh) so với tải trọng pháp tuyến tác động lên bánh xe.
Hình 2.7 Trạng thái lăn của bánh xe chịu lực dọc F x và lực ngang F y
Hệ số bám ngang $\phi_y$ được xác định từ hình 2.7, với hợp lực $F = \sqrt{F_x^2 + F_y^2}$ Lực $F$ là lực ma sát và bị giới hạn bởi điều kiện $F_{max} \leq Z \cdot \phi$ Khi $F_x = F_{max}$, thì $F_y$ phải bằng 0, dẫn đến tình huống bánh xe không có lực dọc theo phương y.
Khi lực dọc \$F_x\$ tăng lên, khả năng bám ngang của xe giảm, dẫn đến lực ngang \$F_y\$ cũng giảm theo Khi xe trượt dọc hoàn toàn, lực bám ngang gần như bằng 0, tức là \$F_y \approx 0\$.
2.2.2 Đặc tính trượt khi kéo và khi phanh
Sự phụ thuộc của hệ số ma sát 𝜇 𝑘 và 𝜇 𝑝 vào lực kéo và lực phanh được thể hiện qua đồ thị đặc tính trượt Trong vùng kéo, có một điểm 𝜇 𝑘 tương ứng với mọi loại đường, nằm trong khoảng độ trượt từ 10% - 20%, cho thấy khả năng tiếp nhận lực kéo lớn nhất Khi vượt qua khoảng độ trượt này, 𝜇 𝑘 giảm xuống giá trị 𝜇 𝑘𝑡 không đổi cho đến khi độ trượt đạt 100% Tương tự, trong vùng phanh, khi độ trượt tăng, điểm 𝜇 𝑝 cũng nằm trong khoảng 10% - 20% và có giá trị 𝜇 𝑝𝑡 không đổi khi xe trượt lết hoàn toàn.
Giá trị 𝜇 𝑝đ và 𝜇 𝑝𝑡 được xác định qua thực nghiệm cho các loại đường khác nhau Khi lực kéo tiếp tuyến và độ trượt dọc tăng, lực ngang giảm, dẫn đến hệ số bám ngang 𝑦 giảm Khi lực kéo đạt cực đại với độ trượt bằng 1, 𝑦 gần bằng 0 Do đó, trong nghiên cứu về đặc tính trượt, chúng ta cần chú ý không chỉ đến khả năng tiếp nhận lực kéo mà còn đến khả năng tiếp nhận lực ngang thông qua sự biến thiên của hệ số bám ngang 𝑦 Sự thay đổi của hệ số bám ngang theo độ trượt có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu ổn định khi phanh và ổn định khi quay vòng của ô tô.
Hình 2.8 Đồ thị đặc tính trượt khi kéo và khi phanh và bảng thông số các loại đường
2.2.3 Ảnh hưởng của sự thay đổi tải trọng pháp tuyến khi xe chuyển động thẳng có gia tốc đến sự trượt ngang của xe
Sự trượt ngang xảy ra khi lực ngang vượt quá giới hạn bám ngang, và giới hạn này càng lớn thì xe càng ổn định trước các lực tác động Giới hạn bám ngang phụ thuộc vào hệ số bám ngang 𝜑 𝑦 và tải trọng pháp tuyến (Y≤ 𝑌 𝑚𝑎𝑥 = 𝑍 𝜑 𝑦) Bài viết này sẽ phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi tải trọng pháp tuyến khi có gia tốc đến giới hạn bám ngang của xe.
2.2.3.1 Sự thay đổi tải trọng pháp tuyến khi xe chuyển động thẳng có gia tốc
Giả sử xe chuyển động thẳng, mặt đường cứng tuyệt đối – đường nghiêng với góc dốc là 𝜃, khối lượng của xe là m
Hình 2.9 Sơ đồ các lực tác dụng lên xe khi lên dốc Ý nghĩa ký hiệu:
- G là trọng lượng toàn bộ xe
- L là chiều dài cơ sở của xe
- a, b lần lượt là khoảng cách từ trục bánh xe trước và sau đến trọng tâm
- h g là toạ độ trọng tâm của xe theo chiều cao
- h ω là khoảng cách từ điểm đặt lực cản của không khí đến mặt đường, để đơn giản trong tính toán ta xem hg = hω
- F k là lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động
- F f1 , F f2 lần lượt là lực cản lăn của các bánh xe trước và sau
F j là lực cản quán tính khi xe chuyển động có gia tốc, được tính bằng công thức \$F_j = \delta_i \cdot m \cdot j\$, trong đó \$\delta_i\$ là hệ số phản ánh ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay, và \$j\$ là gia tốc chuyển động tịnh tiến của xe.
- 𝐺𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝐹 𝑖 là lực cản lên dốc
- F ω là lực cản không khí (Fω = 0,625.Cx.S.v 2 - với Cx là hệ số cản gió của xe, S là
- diện tích cản gió của xe, v là vận tốc tức thời của xe)
Z1 và Z2 là phản lực pháp tuyến tác động lên bánh trước và bánh sau của xe Để xác định các giá trị tải trọng pháp tuyến khi xe di chuyển, ta sử dụng phương trình cân bằng moment tại các điểm O1 và O2 Kết quả cho thấy tải trọng pháp tuyến của cầu trước và cầu sau lần lượt là Z1 và Z2.
Lực cản dốc Fi được xác định bằng dấu “+” khi xe di chuyển lên dốc và dấu “-” khi xe di chuyển xuống dốc Đối với lực cản quán tính Fj, sử dụng dấu “+” khi xe tăng tốc và dấu “-” khi xe giảm tốc.
Nhận xét: Khi so sánh với tải trọng tĩnh (xe đứng yên trên đường nằm ngang) của xe:
Sự thay đổi tải trọng pháp tuyến trên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi xe gia tốc phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
Độ dốc mặt đường 𝜃 ảnh hưởng đến tải trọng tác dụng lên hai cầu xe Khi xe di chuyển với cùng một vận tốc không đổi, nếu lên dốc, tải trọng Z1 sẽ giảm và Z2 sẽ tăng; ngược lại, khi xuống dốc, Z1 tăng và Z2 giảm Đặc biệt, độ dốc càng lớn thì sự thay đổi tải trọng trên hai cầu càng rõ rệt.
Kết luận chương 2
- Sự trượt sẽ phụ thuộc vào lực kéo Fk hoặc lực phanh Fp, lực kéo hoặc lực phanh càng lớn thì sự trượt càng nhiều
- Sự trượt ảnh hưởng đến tốc độ thực tế của ô tô khi kéo thông qua rl
Sự trượt ảnh hưởng đến khả năng bám của ô tô thông qua đặc tính trượt, tác động đến sự bám dọc và gây mất mác tốc độ Quá trình tiếp nhận lực phanh cũng bị ảnh hưởng, đặc biệt là hệ bám ngang Hệ số bám ngang ảnh hưởng trực tiếp đến giới hạn bám ngang, và chính hệ số này là nguyên nhân chính dẫn đến việc xe bị mất lái.
Khi xe chuyển động thẳng với gia tốc, có hai trường hợp xảy ra: khi xe tăng tốc, tải trọng pháp tuyến tại các bánh xe cầu trước sẽ giảm, trong khi tải trọng tại các bánh xe cầu sau lại tăng lên.
Khi ô tô trượt ngang, nó dễ bị mất ổn định chuyển động thẳng do hiện tượng quay vòng thiếu dưới tác dụng của lực ngang, đặc biệt khi tải trọng tĩnh là 17 Khi xe giảm tốc (phanh), tải trọng pháp tuyến tại các bánh xe cầu sau giảm, trong khi tải trọng tại các bánh xe cầu trước tăng, dẫn đến hiện tượng quay vòng thừa và làm tăng nguy cơ mất ổn định chuyển động thẳng.
NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH HƯỚNG VÀ ỔN ĐỊNH HƯỚNG KHI
Đặc tính hướng
Bánh xe ô tô là một phần tử đàn hồi, do đó nó sẽ biến dạng khi chịu lực Trong quá trình di chuyển, bánh xe phải đối mặt với nhiều trạng thái lực ngang, đặc biệt khi ô tô quay vòng, cũng như khi có gió ngang hoặc mặt đường nghiêng Khi bánh xe chịu lực ngang, sẽ xuất hiện một góc lệch hướng 𝛼.
Khi lực ngang Y tác động lên bánh xe, vecto tốc độ của tâm bánh xe sẽ không còn nằm trùng với mặt phẳng đối xứng dọc của bánh xe, mà sẽ bị lệch một góc 𝛼 so với phương ban đầu.
Góc lệch hướng của bánh xe ảnh hưởng đến chuyển động của ô tô, gây ra sự mất ổn định trong hướng di chuyển Khi bánh xe bị lệch, phương tốc độ thực tế của ô tô cũng bị ảnh hưởng, dẫn đến việc điều khiển xe trở nên khó khăn hơn.
Góc lệch hướng 𝛼 phụ thuộc vào 2 hiện tượng:
Hiện tượng biến dạng ngang của lốp do lực ngang Y tác động tạo ra thành phần đầu tiên của góc lệch hướng 𝛼, được xác định thông qua tỉ số.
Độ cứng ngang của lốp, ký hiệu là \(C_y\), ảnh hưởng đến góc lệch hướng \(\alpha\) Khi lốp cứng hơn, độ cứng ngang \(C_y\) tăng, dẫn đến góc lệch hướng \(\alpha\) giảm Nếu lốp có độ cứng tuyệt đối \(C_y = \infty\), thì \(\alpha\) sẽ bằng 0 Do đó, góc lệch hướng tỉ lệ thuận với lực ngang \(Y\) và tỉ lệ nghịch với độ cứng \(C_y\) của lốp.
Hiện tượng trượt ngang của lốp do lực ngang Y tác động tạo ra góc lệch hướng Khi trượt ngang tăng, góc lệch hướng cũng tăng do tốc độ bánh xe tại tâm bánh xe có hai thành phần: thành phần dọc và thành phần trượt ngang Sự gia tăng trượt ngang làm tăng thành phần tốc độ trượt ngang, dẫn đến tốc độ thực tế là hợp của tốc độ dọc và tốc độ ngang, từ đó làm tăng góc lệch hướng Góc lệch hướng do trượt ngang phụ thuộc vào lực ngang Y và độ bám ngang, mà độ bám này lại phụ thuộc vào lực dọc (đặc tính trượt).
Y = f(α) mô tả lực ngang tác dụng lên lốp xe, trong đó 𝛼 là góc lệch hướng Mối quan hệ này là phi tuyến và chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như X, Z, 𝜑 và cấu tạo của lốp.
Khi không có đặc tính thực nghiệm, ta có thể sử dụng phương trình toán học sau để tính toán:
Fx là lực tiếp tuyến [N]
Fz là lực pháp tuyến [N]
Độ cứng hướng cơ sở 𝑢 ∗ phản ánh góc lệch hướng do biến dạng ngang của lốp, và nó phụ thuộc vào cấu tạo, áp suất lốp và tải trọng pháp tuyến.
650 – 800 với lốp radial r là bán kính hình học bánh xe [m] s là chiều rộng của lốp [m] p là áp suất lốp [MPa]
Kết hợp hai phân tích, góc lệch hướng 𝛼 phụ thuộc vào biến dạng ngang của lốp và trượt ngang của lốp Cụ thể, góc lệch hướng 𝛼 chịu ảnh hưởng từ lực ngang Y, tải trọng Z, lực dọc X, độ cứng ngang của lốp Cy và loại đường Mối quan hệ giữa góc lệch hướng 𝛼 và các yếu tố này được gọi là đặc tính hướng, thường được xác định qua thực nghiệm hoặc mô tả bằng nhiều công thức thực nghiệm khác nhau.
Ổn định hướng khi xe quay vòng
Khi ô tô di chuyển, không phải lúc nào cũng theo đường thẳng; việc quay vòng là cần thiết tùy thuộc vào tình huống và điều kiện đường xá Quá trình này chuyển quỹ đạo từ đường thẳng sang đường cong, dẫn đến sự xuất hiện của vận tốc góc và gia tốc góc, cùng với các lực ngang và mômen quán tính Khi xe quay vòng với tốc độ thấp, lực ngang tác động vào bánh xe nhỏ, khiến biến dạng lốp theo phương ngang không đáng kể Tuy nhiên, khi tốc độ cao, lực ngang lớn có thể gây ra biến dạng lốp lớn và trượt ngang, ảnh hưởng đến quỹ đạo di chuyển của xe Chúng ta sẽ nghiên cứu động học quay vòng của xe trong cả hai trường hợp có và không có biến dạng ngang của lốp, cùng với các vấn đề liên quan khác.
3.2.1 Quá trình quay vòng của ô tô không tính biến dạng ngang và trượt ngang của lốp
Trong trường hợp bánh xe không đàn hồi, tức là bánh xe không bị biến dạng, khi xe quay vòng với vận tốc thấp, lực ly tâm có thể được bỏ qua Do đó, bánh xe có thể được coi là không biến dạng theo phương ngang, và quá trình này được gọi là quá trình quay vòng lý thuyết.
Khi xe quay vòng, việc thay đổi hướng chuyển động của các bánh xe trước là rất quan trọng Để tránh tình trạng các bánh xe bị cưỡng bức lẫn nhau, chúng cần quay quanh cùng một tâm, tức là trục quay của các bánh xe phải cắt nhau tại một điểm.
Do bánh sau không thay đổi hướng, trục của nó cố định, vì vậy tâm quay phải nằm trên đường trục bánh xe sau Giả sử trục quay của các bánh xe cắt nhau tại tâm quay O1.
Hình 3.2 Động học quay vòng xe bỏ qua biến dạng ngang và trượt ngang của lốp Ý nghĩa ký hiệu:
L là chiều dài cơ sở của xe [m] m là khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng tại vị trí đặt cam quay của các bánh xe dẫn hướng [m]
𝑅 0 là bán kính quay vòng lý thuyết [m]
Góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong được ký hiệu lần lượt là 𝛽 1 và 𝛽 2, so với tâm quay O 1 [0] Vận tốc chuyển động tịnh tiến của tâm cầu trước và tâm cầu sau được ký hiệu là v 1 và v 2.
Do góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng 𝛽 nhỏ, ta có thể đặt 𝛽 = 𝛽 1 = 𝛽 2 Để thuận tiện cho việc khảo sát, sơ đồ hai vết (Hình 3.2) được đơn giản hóa thành sơ đồ một vết.
Hình 3.3 Động học quay vòng xe bỏ qua biến dạng ngang và trượt ngang của lốp
Bán kính quay vòng lý thuyết 𝑅 0 được tính từ tâm O 1 đến trục dọc của ô tô, thể hiện quỹ đạo chuyển động quay vòng lý thuyết của xe Dựa vào quan hệ hình học, ta có thể xác định các thông số liên quan đến chuyển động này.
Theo biểu thức (3.4), ta có mối quan hệ giữa bán kính quay vòng 𝑅 0 và góc lái 𝛽, trong đó 𝑅 0 hoàn toàn phụ thuộc vào 𝛽 Khi người lái điều chỉnh góc vô lăng tương ứng với góc 𝛽 của bánh dẫn hướng, họ có thể đạt được quỹ đạo mong muốn với bán kính quay vòng 𝑅 0 mà không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác.
3.2.2 Quá trình quay vòng tính đến biến dạng ngang và trượt ngang của lốp
Khi lốp xe bị biến dạng ngang, hướng chuyển động của lốp sẽ bị lệch, dẫn đến việc tâm quay tức thời của xe không còn nằm trên trục sau Các bánh trước sẽ bị lệch hướng với các góc 𝛼’1 và 𝛼”1 (trung bình là 𝛼1), trong khi các bánh sau cũng bị lệch với các góc 𝛼’2 và 𝛼”2 (trung bình là 𝛼2) Tâm quay vòng 𝑂2 sẽ có vị trí như trong hình vẽ (Hình 3.4).
Hình 3.4 Động học quay vòng khi biến dạng ngang của lốp Ý nghĩa ký hiệu:
F lt là lực quán tính ly tâm, điểm đặt tại trọng tâm xe C
R là bán kính quay vòng thực tế (khi có biến dạng ngang của lốp)
Y1, Y2 lần lượt là phản lực ngang tác dụng lên bánh trước và bánh sau
Dựa vào các mối quan hệ hình học ta có:
→ 𝑅 = 𝐿 tan(𝛽−𝛼 1 ) +tan(𝛼 2 ) (m) (3.8) Dựa vào biểu thức (3.6) ta có một số nhận xét sau:
- Bán kính quay vòng thực tế R phụ thuộc vào ba thông số: góc quay của bánh dẫn hướng 𝛽, góc lệch hướng bánh trước 𝛼 1 và góc lệch hướng bánh sau 𝛼 2
Người lái chỉ có thể điều khiển góc 𝛽 thông qua việc đánh lái vô lăng, trong khi hai thông số 𝛼 1 và 𝛼 2 là những yếu tố ngoài tầm kiểm soát Điều này dẫn đến việc khó khăn trong việc kiểm soát bán kính quay vòng thực tế R của xe, khiến xe lệch khỏi quỹ đạo chuyển động lý thuyết Hai góc lệch hướng 𝛼 1 và 𝛼 2 là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng mất lái trên ô tô.
Mặc dù việc tính toán độ lớn của các góc 𝛼 1 và 𝛼 2 có thể gặp khó khăn, nhưng chúng ta có thể xác định ba trường hợp có thể xảy ra: 𝛼 1 bằng 𝛼 2, 𝛼 1 lớn hơn 𝛼 2, và 𝛼 1 nhỏ hơn 𝛼 2 Những trường hợp này dẫn đến các trạng thái quay vòng khác nhau của xe, bao gồm quay vòng trung tính, quay vòng thiếu và quay vòng thừa.
3.2.3 Các trạng thái quay vòng của xe
Ta sẽ đi khảo sát các đặc điểm của các trạng thái quay vòng khác nhau
Hình 3.5 Các trạng thái quay vòng
3.2.3.1 Trạng thái quay vòng trung tính
Trường hợp quay vòng trung tính rất hiếm gặp trong thực tế do giá trị 𝛼 1 và 𝛼 2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Tình huống này xảy ra khi góc lệch hướng của các bánh xe trước và sau bằng nhau, tức là 𝛼 1 = 𝛼 2 Khi đó, bán kính quay vòng thực tế R chỉ phụ thuộc vào các yếu tố cụ thể.
25 góc quay bánh xe dẫn hướng 𝛽 mà không phụ thuộc vào yếu tố nào khác và bằng với giá trị bán kính quay vòng lý thuyết R0:
Hình 3.6 Trạng thái quay vòng trung tính
Khi xe quay vòng trung tính, bán kính quay vòng giữ nguyên nếu góc quay vô lăng không thay đổi, dẫn đến việc xe di chuyển trên quỹ đạo có bán kính cố định Trong điều kiện này, nếu xe di chuyển thẳng và chịu tác động của lực ngang Y (như gió hoặc đường nghiêng), các bánh xe sẽ bị biến dạng với một góc giống nhau, khiến xe lệch hướng nhưng quỹ đạo di chuyển vẫn là đường thẳng.
3.2.3.2 Trạng thái quay vòng thiếu
Trạng thái quay vòng thiếu xảy ra khi góc lệch hướng của bánh xe trước lớn hơn bánh xe sau, tức là 𝛼 1 > 𝛼 2 Trong trường hợp này, bán kính quay vòng thực tế R sẽ lớn hơn bán kính quay vòng lý thuyết R0, dẫn đến quỹ đạo chuyển động của ô tô trở nên rộng hơn Để duy trì bán kính quay vòng R theo ý muốn, người lái cần tăng góc quay bánh xe dẫn hướng 𝛽, tức là phải tăng góc quay vô lăng.
Còn nếu giữ nguyên góc quay vô lăng thì bán kính quay vòng xe sẽ tăng lên làm xe lệch quỹ đạo mong muốn
Hình 3.7 Trạng thái quay vòng thiếu
Khi xe vào cua hoặc đánh lái khi xe ở tốc độ cao thì lực ly tâm sẽ vô cùng lớn (𝐹 𝑙𝑡 𝑀 𝑣 2
Các xe ô tô du lịch có dẫn động cầu trước hoặc hai cầu thường gặp tình trạng trượt ngang ở bánh trước, làm giảm khả năng tiếp nhận lực ngang và dễ dẫn đến hiện tượng thiếu lái (𝛼 1 >> 𝛼 2) Khi mặt đường trơn trượt hoặc tài xế phanh gấp, hiện tượng thiếu lái trở nên nghiêm trọng, khiến xe không thể chuyển hướng dù vô lăng đã được đánh hết cỡ Trong điều kiện quay vòng thiếu, nếu xe di chuyển thẳng với tốc độ cao và có lực ngang Y tác động, các bánh xe sẽ bị biến dạng với các góc khác nhau (𝛼 1 > 𝛼 2), dẫn đến lệch hướng Lực ly tâm 𝐹 𝑙𝑡𝑦 sẽ xuất hiện để chống lại lực ngang Y, và nếu 𝐹 𝑙𝑡𝑦 triệt tiêu hoàn toàn lực Y, xe sẽ tiếp tục di chuyển thẳng Ngược lại, nếu 𝐹 𝑙𝑡𝑦 không triệt tiêu hết lực Y, xe sẽ bị lệch hướng và người lái cần phải điều chỉnh.
27 đánh hướng ngược lại Đây là một ưu điểm khi mà của góc lệch hướng cầu trước 𝛼 1 lớn hơn góc lệch hướng cầu sau 𝛼 2
Hình 3.8 Xe chuyển động thẳng có lực ngang Y tác động (𝛼 1 > 𝛼 2 )
Ta có thể rút ra một số kết luận như sau:
Phân tích các yếu tố gây ra sự mất ổn định hướng khi quay vòng
3.3.1 Ảnh hưởng của vận tốc xe đến sự ổn định hướng khi quay vòng
Vận tốc xe đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định khi quay vòng Lực ly tâm, lực ngang xuất hiện khi xe quay, tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc và tỷ lệ nghịch với bán kính quay vòng Chúng ta sẽ phân tích vận tốc mà ô tô có thể bị trượt ngang khi chạy trên đường nghiêng và đường nằm ngang dưới tác động của lực ly tâm.
3.3.1.1 Xe quay vòng trên mặt đường nghiêng ngang
Thông thường, những khúc cua sẽ làm đường nghiêng vào trong (hướng nghiêng cùng phía với trục quay vòng) nên ta chỉ xét trường hợp này
Hình 3.11 Sơ đồ mômen và lực tác dụng lên xe khi quay vòng trong đường nghiêng vào trong
- R là bán kính quay vòng thực tế
- Mqt là mômen quán tính chống lại sự lật của xe
- G là trọng lượng toàn bộ của xe
- 𝜃 là góc nghiêng ngang của mặt đường
- 𝐹lt là lực ly tâm
- 𝐵 là chiều rộng cơ sở của xe
- ℎg là toạ độ trọng tâm xe theo chiều cao
- 𝑌 ′ và 𝑌′′ lần lượt là lực ngang từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe bên phải và bên trái
- 𝑍 ′ và 𝑍′′ lần lượt là phản lực pháp tuyến tác dung lên các bánh xe bên phải và bên trái
Xét điều kiện trượt ngang:
𝑍 ′ + 𝑍 ′′ = 𝐹 𝑙𝑡 𝑠𝑖𝑛𝜃 + 𝐺 𝑐𝑜𝑠𝜃 (3.12) Kết hợp cả ba phương trình trên ta được:
Khi xe bắt đầu trượt, xe có cầu trước chủ động sẽ có bánh xe cầu trước trượt trước, dẫn đến hiện tượng thiếu lái (α1 > α2) do lực kéo tiếp tuyến và giới bám ngang thấp hơn cầu sau Ngược lại, xe có cầu sau chủ động thường gặp hiện tượng thừa lái (α1 < α2).
Khi vào cua, vận tốc tối đa để xe không bị trượt phụ thuộc vào ba yếu tố chính: bán kính quay vòng R, hệ số bám ngang 𝜑 𝑦 và góc nghiêng của mặt đường.
- Khi R và 𝜑 𝑦 càng nhỏ thì giới hạn vận tốc càng nhỏ, xe rất dễ bị trượt ngang
- Góc nghiêng 𝜃 lớn thì xe càng khó trượt và ngược lại
- Khi vào cua nên đi với vận tốc thấp, đặc biệt là trời mưa (hệ số bám thấp) ô tô dễ bị trượt ngang
3.3.1.2 Xe quay vòng trên mặt đường nằm ngang
Hình 3.12 Sơ đồ mômen và lực tác dụng khi ô tô quay vòng trên đường nằm ngang
Trong trường hợp ô tô quay vòng trên đường nằm ngang, vận tốc giới hạn khi ô tô bị trượt là:
So sánh với vận tốc giới hạn trên đường nghiêng ngang có cùng bán kính quay vòng R và hệ số bám ngang 𝜑 𝑦, vận tốc giới hạn trên đường nằm ngang nhỏ hơn Điều này cho thấy xe đang chuyển động thẳng trên đường nằm ngang khi quay vòng có vận tốc giới hạn thấp hơn khi vào cua, dẫn đến nguy cơ trượt ngang cao hơn, đặc biệt trong điều kiện mặt đường có hệ số bám thấp.
3.3.2 Ảnh hưởng của việc tăng tốc, giảm tốc đột ngột đến ổn định hướng khi quay vòng
Khi xe quay vòng, việc tăng tốc hoặc giảm tốc đột ngột sẽ tạo ra gia tốc lớn, ảnh hưởng đến sự phân bố tải trọng lên các cầu Điều này có thể làm mất tính ổn định hướng của xe.
33 khi quay vòng của xe Để tiện khảo sát, ta sử dụng mô hình một vết (không tính đến biến dạng lốp)
Hình 3.13 Sơ đồ động lực học khi xe quay vòng có gia tốc
Flt là lực quán tính ly tâm jC là gia tốc tiếp tuyến của trọng tâm xe C jh là gia tốc hướng tâm của trọng tâm xe C
𝜀 là gia tốc góc của xe khi quay vòng quanh tâm O1.
𝑗 𝐶 = 𝜀 𝑅 𝐶 ; 𝑗 ℎ = 𝜔 2 𝑅 𝐶 (3.18) Với: RC là bán kính quay vòng của trong tâm C
Tổng hợp các vectơ gia tốc theo phương x và phương y, ta được:
Dựa vào quan hệ hình học (Hình 3.13) ta có: 𝑅 𝐶 𝑐𝑜𝑠𝜓 = 𝑅 0 ; 𝑅 𝐶 𝑠𝑖𝑛𝜓 = 𝑏, ta thay vào (3.19) và (3.20):
Ta tính được độ lớn của lực quán tính ly tâm theo phương x và phương y:
Giả sử xe di chuyển trên đường bằng phẳng với góc dốc 𝜃 = 0, xe đang tăng tốc với lực Fj = Fltx mang dấu “+” Theo công thức (2.21) và (2.22), tải trọng pháp tuyến tại các bánh xe ở cầu trước và cầu sau được xác định lần lượt.
Xe chuyển động trên đường bằng nên góc dốc θ = 0, xe giảm tốc nên Fj = Fltx mang dấu
“-” Theo công thức (2.21) và (2.22), tải trọng pháp tuyến tại các bánh xe ở cầu trước và cầu sau lần lượt là:
- Tải trọng phân bố chủ yếu phụ thuộc vào độ lớn gia tốc, vận tốc và bán kính quay vòng của xe
Khi xe quay vòng và tăng tốc, tải trọng cầu sau (Z2) sẽ lớn hơn tải trọng cầu trước (Z1), dẫn đến xu hướng quay vòng thiếu do các bánh trước có giới hạn bám ngang nhỏ Hiện tượng này càng dễ xảy ra ở xe có cầu trước chủ động Lực quán tính ly tâm theo phương y (Flty) sẽ trở thành lực ngang tác động, gây ra các hiện tượng thừa lái và thiếu lái.
Khi xe quay vòng và giảm tốc đột ngột, tải trọng trên cầu trước sẽ tăng lên so với cầu sau, dẫn đến nguy cơ xe quay vòng thừa Điều này xảy ra do giới hạn bám ngang của cầu sau nhỏ, khiến các bánh sau dễ bị trượt.
- Khi quay vòng mà phanh gấp ở giữa khúc cua rất dễ gây ra hiện tượng thừa lái, gây nguy hiểm cho người lái.
Kết luận chương 3
- Khi bánh xe quay vòng sẽ có lực ngang tác dụng làm xuất hiện góc lệch hướng 𝛼 Góc
Hướng 𝛼 phụ thuộc vào hai hiện tượng chính: biến dạng ngang và trượt ngang Mối quan hệ giữa góc lệch hướng 𝛼 và các yếu tố như (Y, X, Z, Cy, loại đường ) được gọi là đặc tính hướng Đặc tính này thường được xác định thông qua thực nghiệm hoặc có thể được mô tả bằng nhiều công thức thực nghiệm khác nhau.
Sự khác biệt trong góc lệch hướng giữa bánh trước và bánh sau khi quay vòng (𝛼 1 , 𝛼 2 ) gây ra hiện tượng thừa lái và thiếu lái, dẫn đến tình trạng mất ổn định trên ô tô.
Khi thực hiện quay vòng, cần kiểm soát tốc độ của xe để không vượt quá vận tốc trượt ngang (vtrượt), đặc biệt trong điều kiện mặt đường có hệ số bám thấp và khi quay vòng gấp.
- Khi hai hiện tượng thừa lái và thiếu lái xuất hiện đột ngột thì người lái không kip xử lí gây ra hiện tượng mất lái trên ô tô
Cả hai hiện tượng đều gắn liền với kỹ thuật lái xe của người điều khiển, bao gồm tốc độ xe, cách sử dụng phanh và ga, cũng như phản xạ của người lái, bên cạnh các nguyên nhân kỹ thuật khác.
NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH HƯỚNG KHI PHANH
Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh
Trong trường hợp ô tô phanh với cường độ cực đại trên đường bằng, hệ thống phanh thường dẫn đến hiện tượng các bánh xe bị bó cứng và trượt lết Các lực tác động lên ô tô trong quá trình phanh được minh họa rõ ràng trong hình 4.1.
Hình 4.1 Lực tác dụng lên ô tô khi phanh
Từ hình 4.1 ta có phương trình cân bằng lực: ΣFp = Fp1 + Fp2 = Fjp - Fw (N) (4.1) Trong đó: ΣFp = Fp1 + Fp2 là tổng lực phanh tác dụng lên ô tô [N]
Fjp = mjjp là lực quán tính của ô tô trong quá trình phanh [N]
Fw = 0,63CxV 2 S là lực cản gió tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động [N]
Vì lúc này V giảm rất nhanh nên Fw có thể bỏ qua
Lực cản lăn Ff bằng không khi bánh xe ô tô bị hãm cứng và trượt lết Trong tình huống này, lực phanh đạt giới hạn bám, được biểu diễn bằng công thức: \$\Sigma F_p = F_{pmax} = Z \cdot \varphi = mg \cdot \varphi\$, trong đó Z1 và Z2 là các phản lực tại bánh xe.
Khi đó phương trình còn lại:
Fpmax = Z = Fjp = mjjpmax (N) (4.3) Trong đó:
Z = Z1 + Z2 là phản lực tác dụng lên bánh xe là hệ số bám
4.1.2 Xác định các thông số đánh giá hiệu quả phanh (hãm cứng)
- Gia tốc chậm dần cực đại:
Từ phương trình (4.3) dễ dàng ta tính được jpmax: jpmax = 𝑔.𝜑
- Thời gian phanh: tpmin được xác định: là thời gian (s) tính từ lúc bánh xe bắt đầu được hãm cứng cho đến khi ô tô dừng hẳn (V2 = 0)
𝑔.𝜑 (s) với V1 là tốc độ khi phanh (4.5)
Thời gian phanh nên được tối ưu hóa để càng nhỏ càng tốt Thời gian phanh tỉ lệ nghịch với độ trơn của mặt đường; khi mặt đường trơn, thời gian phanh lớn sẽ gây nguy hiểm Ngược lại, khi tốc độ V1 giảm, thời gian phanh nhỏ sẽ đảm bảo an toàn, đặc biệt là trên những đoạn đường trơn.
- Quãng đường phanh cực tiểu Spmin: là quãng đường ô tô bắt đầu phanh cho đến khi dừng hẳn Tức là quãng đường ô tô trượt lết
Quãng đường phanh nên được giữ ở mức tối thiểu, và điều này phụ thuộc vào hệ số ma sát 𝜑; khi 𝜑 càng nhỏ, quãng đường phanh càng dài, dẫn đến nguy hiểm Hơn nữa, quãng đường phanh tỉ lệ với bình phương tốc độ; tức là, khi tốc độ tăng, quãng đường phanh cũng sẽ tăng lên.
Để đảm bảo an toàn khi phanh, tốc độ V1 nên được giữ ở mức càng nhỏ càng tốt Trong điều kiện đường trơn, việc giảm tốc độ V1 sẽ giúp giảm quãng đường phanh cần thiết, từ đó tăng cường sự an toàn trong quá trình di chuyển.
4.1.3 Sự hãm cứng của bánh xe khi phanh
4.1.3.1 Hãm cứng khi xe chuyển động thẳng
Mô hình bánh xe hai vết được sử dụng để mô phỏng chuyển động của xe, trong đó bánh xe phía trước đại diện cho cầu trước và bánh xe phía sau đại diện cho cầu sau Giả thiết rằng khi phanh, lực ngang sẽ tác động lên xe.
Y tác dụng tại trọng tâm của xe từ bên phải hướng nhìn của người lái
- Khi hãm cứng ở các bánh sau:
Hình 4.2: Các bánh xe ở cầu sau bị hãm cứng
Khi phanh, nếu các bánh xe cầu sau bị hãm cứng, phản lực ngang Y2 sẽ bằng 0, dẫn đến tình trạng trượt ngang của các bánh xe cầu sau Mặc dù xe đang di chuyển về phía trước, bánh xe cầu sau sẽ trượt lết theo hướng v2 Hướng chuyển động của bánh xe cầu sau bị hãm cứng v2 tạo với hướng chuyển động của bánh xe cầu trước v1 một góc lệch hướng α1 rất lớn.
Khi các bánh xe cầu trước chưa bị hãm cứng, chúng vẫn duy trì lực bám ngang, tạo ra phản lực Y1 Điều này dẫn đến việc bánh xe trượt ngang với mức độ tương đối nhỏ.
39 chuyển theo hướng v1 tạo với hướng chuyển động của bánh xe lúc bắt đầu phanh một góc α2 tương đối nhỏ
Do góc lệch hướng α2 < α1, đường vuông góc với v1 và v2 tại tâm mỗi bánh xe sẽ giao nhau tại điểm O Điểm O là tâm quay vòng của ô tô trong trường hợp này.
Khi phanh mà bánh sau bị hãm cứng, lực ngang tác động sẽ khiến ô tô lệch hướng sang trái so với hướng ban đầu Đuôi xe có xu hướng văng về phía trước, và nếu ô tô phanh ở tốc độ cao, thân xe có thể xoay tròn, gây mất ổn định và tiềm ẩn nguy hiểm.
- Khi hãm cứng ở các bánh trước:
Khi bánh xe ở cầu trước bị hãm cứng, chúng không còn phản lực để chống lại lực ngang, dẫn đến hiện tượng trượt ngang hoàn toàn với Y1 = 0 Mặc dù phanh trước bị hãm cứng, bánh xe vẫn tiếp tục di chuyển về phía trước, gây ra trượt theo hướng v1 và tạo với hướng chuyển động ban đầu một góc α2 lớn.
Khi bánh sau chưa bị hãm cứng, phản lực Y2 vẫn tồn tại, dẫn đến việc bánh xe trượt tương đối nhỏ và góc α1 cũng nhỏ Sự xuất hiện của góc lệch hướng α1 nhỏ hơn α2 khiến đường vuông góc với v1, v2 tại tâm mỗi bánh xe giao nhau tại điểm O, là tâm quay vòng của ô tô Hình 4.3 cho thấy khi phanh, nếu bánh xe trước bị hãm cứng và có lực ngang Y tác dụng, thì hướng chuyển động sẽ bị lệch sang trái so với hướng ban đầu.
Khi bánh trước của xe du lịch bị hãm cứng, xe sẽ mất độ bám và không thể điều khiển qua hệ thống lái, dẫn đến tình trạng mất ổn định hướng.
Bởi vậy, khi phanh nếu các bánh xe trước bị hãm cứng và có lực ngang tác dụng là trạng thái chuyển động không ổn định và nguy hiểm
Khi phanh xe đang di chuyển trên đường thẳng, để đảm bảo xe chuyển động ổn định, cần tránh tình trạng hãm cứng ở các bánh xe cầu trước hoặc cầu sau Điều này nhấn mạnh rằng an toàn khi phanh phụ thuộc vào việc không để xảy ra hãm cứng.
4.1.3.2 Hãm cứng khi xe quay vòng
Cầu sau bị hãm cứng
Gây mất ổn định hướng chuyển động Ta có thể khắc phục bằng cách quay ngược vòng tay lái hoặc giảm bớt lực phanh ở cầu sau
Cầu trước bị hãm cứng
Xe di chuyển theo hướng mở rộng bán kính quay vòng, dẫn đến bánh xe trước không còn nhận được phản lực ngang St, làm mất tính bám Hệ quả là xe không thể điều chỉnh hướng di chuyển, dẫn đến việc mất kiểm soát.
Hai cầu đồng thời bị hãm cứng
Ổn định hướng khi phanh
4.2.1 Khái niệm về mất ổn định hướng chuyển động khi phanh
Khi phanh, đặc biệt là phanh đột ngột trên đường trơn, ô tô có thể bị lệch hướng hoặc mất lái Hiện tượng này xảy ra do quỹ đạo chuyển động của ô tô không tuân theo sự điều khiển của người lái Nguyên nhân chính gây ra sự mất ổn định hướng khi phanh là sự chênh lệch lực phanh giữa bánh xe bên trái và bên phải.
Khi phanh, tổng các lực phanh tại các bánh xe trái tạo ra một mômen xoay, giống như một ngoại lực tác động lên ô tô Điều này dẫn đến việc quỹ đạo chuyển động của ô tô bị lệch, gây ra hiện tượng mất ổn định hướng khi phanh.
Nguyên nhân chênh lệch lực phanh là do:
- Tình trạng kĩ thuật của hệ thống phanh không tốt do sau một thời gian sử dụng
Do sự khác biệt trong khả năng bám và khả năng tiếp nhận lực phanh giữa hai bên, điều này có thể xảy ra do tình trạng mặt đường, tải trọng pháp tuyến hoặc sự nẩy của bánh xe.
4.2.2 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến góc xoay khi phanh Để nghiên cứu sự ổn định khi phanh chúng ta dùng sơ đồ hình 4.3 Giả sử Ô tô đang chuyển động trên đường thì phanh với cường độ cực đại vì thế ô tô bị xoay một góc 𝛽 do tổng lực phanh hai bên khác nhau ( Fpp ≠ Fpt ), ở các bánh xe bên phải có các lực phanh
Fp.p1 ở trục trước và Fp.p2 ở trục sau còn ở các bánh xe bên trái có các lực phanh Fp.t1 ở trục trước và Fp.t2 ở trục sau
Hình 4.4 Sơ đồ các lực khi phanh
Tổng các lực phanh ở các bánh xe bên phải là:
Fp.p = Fp.p1 + Fp.p2 (N) và tổng các lực phanh ở các bánh xe bên trái bằng:
Khi tổng lực phanh bên phải \$F_{p.p}\$ lớn hơn tổng lực phanh bên trái \$F_{p.t}\$, tổng lực phanh \$F_p\$ sẽ tạo ra một mômen quay xung quanh trọng tâm Mômen quay vòng \$M_q\$ được xác định theo biểu thức:
2 (Nm) Khi ô tô xoay, xuất hiện mômen quán tính chống lại sự xoay:
Mqt = Iz 𝛽̈, trong đó Iz là mômen quán tính khối lượng Bánh xe cầu trước và cầu sau sẽ bị trượt, dẫn đến sự xuất hiện của lực ma sát hoặc lực bám ngang, chống lại sự xoay.
Viết phương trình cân bằng mômen:
Với trường hợp xe đang phanh hãm cứng (trượt lết hoàn toàn) nên φY = 0 và có thể bỏ qua Y12, Y34 Cuối cùng:
Góc 𝛽 càng nhỏ càng tốt càng lớn càng nguy hiểm vì nó chính là góc mất ổn định gây ra hiện tượng lệch hướng mất lái khi phanh ô tô
Các yếu tố ảnh hưởng đến góc 𝛽:
Góc 𝛽 phụ thuộc vào mômen quay Mq, điều này có nghĩa là nó liên quan đến sự chênh lệch lực phanh Do đó, việc giảm độ chênh lệch giữa các bánh xe sẽ giúp giảm Mq một cách hiệu quả.
- Đối với xe du lịch Iz nhỏ, Iz càng nhỏ thì góc 𝛽 càng lớn càng dễ mất ổn định
- Thời gian phanh t càng nhỏ thì góc 𝛽 càng nhỏ, thời gian phanh tỉ lệ với gia tốc chậm dần khi phanh và tỉ lệ lực phanh (hiệu quả phanh)
Trong trường hợp xe phanh ABS, khi phanh ở độ trượt s = 0.1- 0.2 (đặc tính trượt) thì hệ số bám ngang φY đủ lớn mà = Z12 φy , Y34 = Z34 φycho nên không thể bỏ Y12 và Y34:
Từ biểu thức trên ta được : 𝛽′ = 𝑀 𝑞 −𝑌 12 𝑎−𝑌 34 𝑏
Giá trị Y13 và Y34 chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như góc lệch hướng, lực phanh và biến dạng ngang của lốp Khi hai giá trị Y12 và Y34 lớn và có chiều chống lại mômen xoay của xe, tử số sẽ giảm, dẫn đến góc xoay nhỏ hơn, giúp ô tô ổn định hơn so với phanh thông thường.
Kết luận chương 4
Trượt ngang và biến dạng ngang ở các bánh xe ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống phanh, dẫn đến khả năng tiếp nhận lực phanh tại từng bánh xe không đồng nhất.
- Để ổn định hướng của ô tô khi phanh phải làm giảm góc xoay 𝛽x
Góc 𝛽x có thể nhỏ hoặc lớn tùy thuộc vào các yếu tố như thông số cấu tạo Iz và Mq, liên quan đến chênh lệch lực phanh cũng như thời gian phanh, ảnh hưởng đến hiệu quả phanh.
- Ở phanh ABS thì có thêm yếu tố lực ngang Y chống lại mômen xoay xe làm giảm góc 𝛽x sẽ ổn định hơn phanh thường
ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT VÀ PHƯƠNG PHÁP ỨNG XỬ CỦA LÁI XE
Một số giải pháp kĩ thuật
6.1.1 Các hệ thống khắc phục hiện tượng ô tô bị mất lái
6.1.1.1 Hệ thống kiểm soát lực kéo ASR
ASR, viết tắt của Anti Slip Regulation, cùng với TCS/ASR/TRC, đều chỉ hệ thống kiểm soát lực kéo Hệ thống này giúp ngăn chặn tình trạng bánh xe bị trượt quá mức, từ đó cải thiện khả năng bám đường Nó cần có khả năng hạn chế sự quay của bánh xe trong quá trình tăng tốc ban đầu hoặc khi di chuyển trong các điều kiện khó khăn.
– Khi làn đường trơn trượt ở một hoặc cả hai bên
– Khi phương tiện đi ra từ các bãi đậu xe đóng băng và đường cao tốc
– Trong khi tăng tốc khi vào cua
Hình 6.1 Hệ thống kiểm soát lực kéo ASR
Hệ thống nhằm ổn định chuyển động của ô tô trong các tình huống gia tốc và quay vòng, đặc biệt trên đường trơn trượt, thông qua việc giảm mômen của động cơ Việc giảm mômen này giúp giảm tốc độ bánh xe, từ đó làm giảm độ trượt.
Giá trị tối ưu 48 giúp ô tô duy trì chuyển động ổn định Hệ thống phanh được điều khiển riêng cho từng bánh xe, cho phép tận dụng lực kéo hiệu quả hơn ở những bánh có hệ số bám cao trên các bề mặt đường khác nhau.
Hệ thống điều khiển lực kéo tự động cho phép người lái xe tập trung hơn vào việc điều khiển phương tiện Nhờ vào các mục tiêu điều khiển mà hệ thống đạt được, ô tô có thể hoạt động an toàn trên nhiều loại đường khác nhau.
6.1.1.2 Hệ thống chống hãm cứng ABS
Hệ thống phanh chống bó cứng ABS (Anti-Lock Brake System) là một công nghệ an toàn quan trọng trên xe ô tô ABS giúp ngăn chặn hiện tượng hãm cứng bánh xe trong các tình huống khẩn cấp, từ đó giảm thiểu nguy cơ văng trượt và nâng cao khả năng kiểm soát hướng lái cho người điều khiển Hệ thống này đảm bảo sự ổn định cho thân xe, góp phần tăng cường an toàn khi lái xe.
Hệ thống phanh chống hãm cứng ABS rất quan trọng cho xe hơi, vì những xe không được trang bị hệ thống này dễ gặp tình trạng trượt Khi độ bám đường giảm xuống dưới mức cho phép, lực truyền cho bánh xe không đủ để giúp ô tô tiến lên, dẫn đến nguy cơ mất kiểm soát.
Hệ thống phanh ABS hoạt động bằng cách điều chỉnh lực phanh để giữ độ trượt trong khoảng 0.1-0.2, giúp tối ưu hóa khả năng bám đường Khi độ trượt được duy trì ở mức này, hiệu quả phanh đạt tối đa và đảm bảo sự ổn định trong quá trình phanh.
6.1.1.3 Hệ thống cân bằng điện tử ESC
Hệ thống cân bằng điện tử ESC (Electronic Stability Control) hay còn gọi là ESP
Hệ thống Electronic Stability Program (ESP) được trang bị rộng rãi trên ô tô, giúp tăng cường an toàn và giảm thiểu nguy cơ mất lái, cũng như chệch hướng khi xe đang di chuyển.
Hình 6.3 Hệ thống cân bằng điện tử
Hệ thống này rất quan trọng khi xe di chuyển trong điều kiện địa hình hoặc thời tiết không ổn định, như mặt đường ướt, trơn trượt do mưa hoặc băng tuyết, có độ bám kém do sỏi đá, hoặc trong các tình huống cần đánh lái gấp để tránh chướng ngại vật.
Hệ thống ESP hoạt động dựa trên sự hỗ trợ của hai công nghệ an toàn là ABS và ASR
Cả hệ thống ABS và ASR đều có vai trò quan trọng trong việc kiểm soát độ bám đường của bánh xe Hệ thống ABS hoạt động khi xe phanh, trong khi ASR được kích hoạt khi xe tăng tốc đột ngột, đặc biệt hữu ích trong điều kiện mặt đường ướt hoặc trơn trượt.
Trong quá trình lái xe, người lái có thể gặp phải nhiều nguy hiểm như lệch góc lái, trượt bánh, văng đầu xe, và trượt đuôi xe, đặc biệt khi vào cua hoặc di chuyển với tốc độ cao.
Hệ thống cân bằng điện tử ESC trên ô tô cung cấp hỗ trợ quan trọng cho người lái trong việc kiểm soát các tình huống rủi ro, đặc biệt khi điều khiển xe gầm cao Xe gầm cao dễ bị văng hoặc lật khi đánh lái gấp hoặc va chạm, nhưng với ESC, những rủi ro này được giảm thiểu đáng kể Hệ thống ESC cũng cải thiện khả năng bám đường của bánh xe, giúp tránh mất lái khi tăng tốc đột ngột và duy trì sự cân bằng tối đa cho ô tô.
6.1.2 Các công nghệ cảnh báo và hạn chế tai nạn khi ô tô bị mất lái
Để giải quyết vấn đề mất kiểm soát tay lái và lái xe với tốc độ cao, nhiều nhà sản xuất ô tô trên toàn cầu đã phát triển các công nghệ mới nhằm hỗ trợ người lái Những công nghệ này giúp ngăn chặn va chạm và giảm thiểu tai nạn giao thông.
6.1.2.1Hệ thống cảnh báo, giữ làn đường
Hệ thống cảnh báo chệch làn đường (LDWS) là công nghệ an toàn ô tô giúp người lái nhận biết khi xe di chuyển ra khỏi làn đường Hệ thống này cảnh báo bằng hình ảnh trên bảng đồng hồ, âm thanh và rung vô lăng Được đánh giá cao toàn cầu, LDWS nhắc nhở người lái khi có dấu hiệu mất tập trung hoặc buồn ngủ Nếu người lái tiếp tục chệch làn, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh lái để đưa xe về đúng làn, đảm bảo an toàn và tránh va chạm.
Hình 6.4 Hệ thống cảnh báo lệch làn đường LDWS
Hệ thống này ra mắt lần đầu vào năm 2000, được phát triển bởi công ty Iteris của
Hệ thống cảnh báo lệch làn đường (LDWS) đã được ứng dụng trên mẫu xe tải Mercedes Actros và ngày càng trở nên phổ biến trên nhiều mẫu xe phổ thông như Toyota Fortuner, Toyota Hilux, Mazda CX-30, Mazda CX-5, và Ford Ranger Ban đầu, LDWS chỉ có mặt trên các dòng ô tô hạng sang, nhưng hiện nay, nó đã được trang bị rộng rãi hơn Để đảm bảo tính chính xác, hệ thống LDWS chỉ phát tín hiệu cảnh báo trong những điều kiện nhất định nhằm tránh đưa ra cảnh báo nhầm lẫn.
Tốc độ xe nằm trong khoảng từ 70 – 180 km/h
Xe đang chạy trên đường thẳng hoặc độ cua nhẹ
Không bật đèn xi nhan
Không chủ động tăng tốc
Phương pháp ứng xử của lái xe
6.2.1 Kiểm soát vận tốc xe
Kiểm soát vận tốc xe là yếu tố quan trọng để ngăn ngừa tình trạng mất lái Khi xe di chuyển với vận tốc an toàn, sẽ giảm thiểu các rủi ro và tình huống nguy hiểm trên đường.
- Người lái xe không kịp xử lí khi xuất hiện hiện tượng thừa lái, thiếu lái đột ngột
- Hạn chế sự trượt ngang khi quay vòng
- Giảm được lực quán tính khi phanh xe đột ngột
6.2.2 Xử lí khi thiếu lái
Để khắc phục tình trạng thiếu lái, cần làm cho hai bánh trước lấy lại độ bám với mặt đường, vì thiếu lái xảy ra khi bánh trước mất độ bám Giảm tốc độ xe bằng cách nhả chân ga là phương pháp hiệu quả nhất, giúp xe từ từ giảm tốc mà không gây trơn trượt Tránh phanh gấp, vì điều này có thể dẫn đến hiện tượng bó cứng phanh và làm tăng tình trạng mất ma sát Đồng thời, đánh vô lăng về hướng thẳng lái (ngược lại hướng cua) sẽ giảm căng thẳng cho hai bánh trước, giúp chúng nhanh chóng lấy lại độ bám Khi cảm nhận xe đã ổn định, có thể bắt đầu đánh lái nhiều hơn về phía ôm cua.
6.2.3 Xử lí khi thừa lái
Hiện tượng thừa lái thật sự khó khắc phục hơn hiện tượng thiếu lái Dưới đây là một vài cách khắc phục khi gặp hiện tượng thừa lái:
- Giảm tốc độ trước khi phanh (phanh ABS sẽ có tác dụng hiệu quả khi triệt tiêu lực bó)
- Một số hệ thống hiện đại hỗ trợ, khắc phục thừa lái như giảm lực hoặc tác động lực phanh khác nhau lên hai bánh sau
Kỹ năng điều khiển vô lăng, chân ga và phanh đúng thời điểm là yếu tố quan trọng để khắc phục tình trạng thừa lái Khi kết hợp nhuần nhuyễn, các kỹ năng này giúp cân bằng góc biến dạng của lốp trước và lốp sau, tăng cường ma sát của bánh sau với mặt đường và hạn chế hiện tượng phanh gấp khi vào giữa cua.
Kỹ năng đánh lái ngược là rất quan trọng để kiểm soát tình trạng "văng đuôi" khi xe vào khúc cua, giúp duy trì độ bám đường khi xe trở lại chuyển động thẳng Để thực hiện, người lái cần nhìn về hướng xe dự định di chuyển, đánh lái theo hướng đã định (ngược lại với hướng ôm cua) và nhấn nhẹ ga để tác động lên hai bánh sau, từ đó lấy lại độ bám đường.