Lý thuyết ôtô - Tính toán sức kéo cho ôtô

Tính toán sức kéo ôtô là xác định những thông số chủ yếu của động cơ, hệ thống truyền lực, đảm bảo tốc độ chuyển động của ôtô là lớn nhất khi ôtô chuyển động ở đường bằng và ôtô

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN SỨC KÉO CHO ÔTÔ

***********

I.CÁC DẠNG TÍNH TOÁN SỨC KÉO

Tính toán sức kéo là thiết lập mối quan hệ định lượng giữa các thông số chấtlượng kéo, thông số vận tốc với các thông số kết cấu của toàn xe và các cụm củanó.Nói cách khác tính toán sức kéo của xe là việc xác định những thông số cơ bảncủa động cơ và hệ thống truyền lực để đảm bảo cho xe có được vận tốc lớn nhất trênđường tốt và có khả năng chuyển động trên các loại đường có hệ số cản lớn (trênđường xấu và không đường)

Tính toán sức kéo gồm hai dạng: tính toán kéo kiểm nghiệm và tính toán kéothiết kế

1.Tính toán kéo kiểm nghiệm

Dạng tính toán này áp dụng đối với xe đã có sẵn; các thông số kết cấu cơ bảncủa nó đã được biết

a.Mục đích của việc tính toán kéo kiểm nghiệm là xác định các thông số đánh

giá chất lượng kéo, chất lượng vận tốc, tìm ra khả năng hoạt động của xe

Để tính toán kéo kiểm nghiệm cần biết trước các thông số sau:

- Trọng lượng xe, trọng lượng rờ-moóc kéo, trọng lượng hàng hóa hoặchành khách

- Công thức bánh xe và bán kính bánh xe

- Đặc tính tốc độ của động cơ (đã kể đến những tỗn thất trong thiết bị củađộng lực)

- Các tỉ số truyền của hệ thống truyền lực, các tỉ số truyền của truyền lựccạnh

- Hệ số khối lượng vận động quay

- Các thông số khí động học của xe

- Điều kiện đường, hệ số cản lăn, hệ số bám, độ dốc của đường

Khi tính toán kéo kiểm nghiệm,nếu các thông số trên cho không đầy đủ thì cóthể chọn thêm từ các xe tham khảo cùng loại và cùng công dụng

b.Nhiệm vụ cần giải quyết, khi tính toán kéo kiểm nghiệm là:

- Xác định khả năng chuyển động của xe theo điều kiện đường cho trướchoặc xác định vận tốc có thể có được của xe ở điều kiện đường đã cho

- Xác định lực cản lớn nhất mà xe có thể khắc phục được

- Xác định lực kéo dư (lực kéo dư này có thể dùng tăng tải cho xe, để kéorờ-moóc, để khắc phục lực cản hoặc để tăng tốc)

- Xác định các thông số động lực đánh giá khả năng tăng tốc, quãngđường tăng tốc, thời gian tăng tốc.

- Xác định các thông số động lực đánh giá chất lượng phanh như: gia tốcphanh, thời gian phanh và quãng đường phanh

2.Tính toán kéo thiết kế

Dạng tính toán này được áp dụng khi thiết kế xe mới

Mục đích của tính toán kéo thiết kế là xác định các thông số kết cấu cơ bảncủa xe và của các cụm nhằm thỏa mãn chất lượng động lực học – kéo của xe.Nhưvậy tính toán kéo thiết kế và tính toán kéo kiểm nghiệm là hai quá trình ngược nhau

Các thông số cho trước khi tính toán kéo thiết kế thường nằm trong yêu cầu kỹthuật của xe, gồm có:

- Trọng tải xe (cũng có thể chỉ rõ kích thước khoan chứa tải hoặc kíchthước thùng xe): nếu là xe dùng để chở người hoặc hàng hóa thì trọngtải xe là số lượng người hoặc hàng hóa cần chuyên chở, nếu là xe dùngđể kéo thì trọng tải xe là số lượng và trọng lượng rờ-moóc kéo

- Vận tốc chuyển động lớn nhất của xe

- Khả năng vượt chướng ngại của xe: góc dốc lớn nhất, khoảng sáng gầm

xe, các loại lực cản

Nhiệm vụ cần giải quyết khi tính toán kéo thiết kế:

- Xác định trọng lượng xe

- Xác định tổng số cầu xe và số cầu chủ động

- Xác định công suất động cơ, từ đó có thể chọn động cơ có sẵn hoặc yêucầu thiết kế động cơ mới

- Xác định khoảng vận tốc, số lượng số truyền và vận tốc chuyển độngcủa xe ở từng số truyền (phân chia vận tốc chuyển động của xe theotừng số truyền)

- Xác định tỉ số truyền của tất cả các cụm trong hệ thống truyền lực

- Tính toán kiểm nghiệm để kiểm tra xem các thông số tính được có phùhợp với các thông số theo yêu cầu đã cho hay không

Dưới đây chúng ta sẽ tiến hành khảo sát các giai đoạn cơ bản của quá trìnhtính toán kéo kiểm nghiệm đối với xe sử dụng hệ thống truyền lực có cấp.Quá trìnhtính toán kéo thiết kế sẽ được trình bày trong một giáo trình khác

II.XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH KÉO VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE

1.Đặc tính kéo

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực kéo tính theo động cơ và vận tốcchuyển động của xe ở tất cả các số truyền của hộp số được gọi là đặc tính kéo củaxe.Tức là theo quan hệ: Pk = P(v), hay:

tl i

e ki

v

N

P = η (2-1)Trong đó:

Pki –lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động ở số truyển thứ i [N];

Ne –công suất động cơ [W];

vi –vận tốc chuyển của xe [m/s];

ηtl –hiệu suất của hệ thống truyền lực

Với chuyển động tịnh tiến của xe thì tốc độ chuyển động của mọi điểm trên xelà như nhau.Do đó:

vi = vk = rk.ωkTrong đó:

rk –bán kính tính toán bánh xe [m]

ωk –vận tốc góc của bánh xe [rad/s]

vk –vận tốc chuyển động tịnh tiến của bánh xe [m/s]

Bởi vì:

tl e

tl e

tl

e k

i

n i

n

1.30

=

=

=ω πω

Nên

tl

k e i

i

r n

Theo công thức (2-2), xác định các vận tốc của xe ở từng số truyền (lần lượt làcác số truyền I, II, III, …).Để xác định được vận tốc vi cần phải biết được tỉ số truyềncủa hệ thống truyền lực itl.Sau đó, theo công thức (2-1) tính lực kéo của xe.Hiệu suấtcủa hệ thống truyền lực trong công thức (2-1) có thể coi là không đổi hoặc là mộthàm của vận tốc chuyển động

* Thí dụ: xác định vận tốc chuyển động và lực kéo tính toán theo điều kiện

động cơ ở số truyền I của xe có động cơ mà đường đặc tính ngoài của nó cho trênhình (2-1).Hiệu suất của hệ thống truyền lực coi như không đổi và bằng i = 0,87 ; itl =

Tốc độ chuyển động tịnh tiến v1:

1 0,87

v

N v

N

tl e

Đường đặc tính kéo đã xây dựng cho phép xác định được trị số lực kéo lớnnhất (theo điều kiện động cơ) với một vận tốc chuyển động cho trước của xe, bởi vìnó được tính toán ứng với giá trị công suất lớn nhất (đặc tính ngoài).Với đặc tính cụcbộ của động cơ – khi giảm mức cung cấp nhiên liệu, chỉ xác định được những giá trịlực kéo nhỏ hơn.Đặc tính kéo cũng cho phép xác định được lực kéo lớn nhất ở từng số

truyền và lực kéo lớn nhất của ôtô

Hình 2-1.Đặc tính ngoài của ôtô Hình 2-2.Đặc tính kéo của ôtô

Tuy nhiên, dựa vào đặc tính kéo chưa có thể đánh giá hết chất lượng kéo của

xe và không thể so sánh chất lượng kéo của các xe khác nhau được.Ví dụ, xe có cùnglực kéo nhưng trọng lượng xe khác nhau và hình dạng khí động học khác nhau, chấtlượng kéo vì vậy cũng khác nhau Rõ ràng khi cùng lực kéo thì xe nào có trọng lượngnhỏ và dạng khí động tốt thì chất lượng kéo sẽ tốt hơn

Vì vậy, để đánh giá chất lượng kéo của xe, người ta dùng một đặc tính khác:đặc tính động lực học của xe

2.Nhân tố động lực học và đặc tính động lực học của xe

a.Nhân tố động lực học

Từ phương trình cân bằng lực kéo (1-3) có thể rút ra:

Pk -Pω = Pψ +

dt

dv g

G

δ + Pmk (2-3)Chia cả hai vế của phương trình (2-3) cho toàn bộ trọng lượng xe ta được:

G

P dt

dv g G

P G

P

++

P k − ω và gọi D là nhân tố động lực học của xe.

Vậy, nhân tố động lực học của xe là tỉ số giữa hiệu lực kéo của xe theo động

cơ với lực cản không khí và trọng lượng của xe

Giữa nhân tố động lực học D và các thông số đặc trưng cho lực cản chuyểnđộng của xe có mối quan hệ sau:

P dt

dv g G

P dt

dv g G

P

D= ψ +δ + mk =ψ +δ + mk (2-5)Khi xe không kéo rờ-moóc ta có:

dt

dv g

D=ψ +δ (2-6)Khi xe không kéo rờ-moóc và chuyển động đều:

D =ψ

Từ vế trái của công thức (2-4) thấy rằng: khi lực cản không khí nhỏ, có thể coi

Pω= 0 Khi đó D = = ξ

G

Pk và gọiζ là lực kéo riêng của xe theo điều kiện động cơ

b.Đặc tính động lực học của xe

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhân tố động lực học D và vận tốc chuyển

động tịnh tiến của xe v gọi là đặc tính động lực học của xe.

Đồ thị hình 2-3 mô tả đặc tính động lực học của xe có 5 số truyền

Trên đồ thị trục tung biểu diễn nhân tố động lực học D, trục hoành biểu diễnvận tốc chuyển động v của xe

Dạng của đồ thị đặc tính động lực học cũng tương tự như đồ thị đặc tính kéo,nhưng chỉ khác là chúng có độ dốc lớn hơn so với các đường đặc tính kéo, nhất là ởcác vận tốc lớn (vì ở vận tốc lớn, lực cản không khí càng tăng nhanh)

Trên đường đặc tính có những điểm đặc biệt sau (ví dụ ở tay số I):

Đ –điểm bắt đầu; K –điểm kết thúc; M –điểm tương ứng với Dmax.Thực tế vậntốc chuyển động của xe ở từng số truyền bị hạn chế trong giới hạn vth÷ vmax.Ứng vớicác giá trị Dmax ở từng số truyền có các vận tốc tới hạn ở từng số truyền và được kíhiệu là vthI, vthII, vthn.Ở những vận tốc lớn hơn vận tốc tới hạn là khu vực làm việc ổnđịnh của xe ở số truyền đó.Bởi vì khi sức cản của xe tăng lên làm cho vận tốc chuyểnđộng của xe giảm đi nhưng nhân tố động lực học của xe sẽ tăng lên, do đó xe có khảnăng khắc phục sức cản của mặt đường tăng lên tức thời đó.Ở những vận tốc nhỏ hơnvận tốc tới hạn thì khi sức cản của đường tăng, vận tốc của xe giảm và nhân tố độnglực học của xe cũng giảm, nên xe sẽ không thể khắc phục được sức cản này.Khoảngtốc độ từ vmin đến vth ở mỗi tay số được gọi là khu vực làm việc không ổn định.Nhưvậy, vận tốc tới hạn vthi là điểm để xác định khu vực làm việc ổn định của xe khiđộng cơ làm việc ở chế độ toàn tải.Trong thực tế xe thường không làm việc ở khu vựckhông ổn định của đường đặc tính.

3.Nhân tố động lực học theo điều kiện bám

Khi xây dựng các phương trình về lực (1-3) và cân bằng công suất (1-7) ở trên

ta đã coi rằng lực kéo đặt tại bánh xe chủ động chỉ phụ thuộc vào các thông số củađộng cơ (Ne, Me, ne) và của hệ thống truyền lực (itl,ηtl).Tuy nhiên, trong nhiều trườnghợp nó bị giới hạn bởi điều kiện bám của bánh xe chủ động với mặt đường.Khi bánh

xe chủ động bị trượt, xe có thể không sử dụng hết khả năng động lực học của nó,nghĩa là không phát huy hết lực kéo lớn nhất theo điều kiện động cơ.Ví dụ, khi xechuyển động trên đường trơn, ẩm ướt có hệ số bám nhỏ, lực kéo tiếp tuyến lớn nhấtchỉ bằng lực bám:

Pkmax = Pϕ =ϕ.Gϕ

Trong đó:

Pϕ -lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động với mặt đường theo điềukiện bám;

ϕ -hệ số bám của bánh xe với đường

Gϕ -trọng lượng bám của xe.Với xe có 1 cầu chủ động, Gϕ bằng trọnglượng của xe đặt lên cầu chủ động đó.Với xe có tất cả các cầu là chủ động, Gϕ = G

Như vậy, theo điều kiện bám, nhân tố động lực học Dϕ của xe sẽ là:

G

P P

Dϕ ϕ − ω

= (2-7) Trong đó: (Pϕ - Pω) –lực kéo tự do theo điều kiện bám

Trên hình 2-3, các đường cong nét đứt mô tả đặc tính động lực học của xe theođiều kiện bám.Các đường đặc tính Dϕ có dạng cong xuống ở các vận tốc lớn.Bởi vì ởcác vận tốc lớn, lực cản không khí và sự trượt tăng lên nhiều do đó làm cho Dϕ giảm

Như vậy, điều kiện cần và đủ để đảm bảo khả năng chuyển động của ôtô theonhân tố động lực học là:

Dϕ≥ D ≥ ψ (2-8)

4.Sử dụng đặc tính động lực học của xe

Đặc tính động lực học của xe cho phép xác định một loạt các thông số đánhgiá chất lượng kéo và chất lượng vận tốc của xe, bao gồm:

a.Xác định vận tốc chuyển động có thể có được của xe theo điều kiện đườngcho trước.Thí dụ, khi xe chuyển động đều và không kéo rờ-moóc: cho trước hệ số cảntổng cộng của đường, có thể xác định được vận tốc tối đa của xe ở điều kiện đườngđó

b.Xác định được lực cản có thể có được của xe khi xe chuyển động với vận tốckhắc phục cho trước ở một số truyền nhất định.Đây là bài toán ngược của trường hợpthứ nhất

c.Xác định được khả năng tăng tốc của xe.Sử dụng phương trình 5) hoặc 6) tương ứng với điều kiện cụ thể và sử dụng đồ thị đặc tính động lực học của xe ta cóthể xác định được gia tốc của xe ở từng số truyền, thời gian tăng tốc và quãng đườngtăng tốc từ vận tốc ban đầu v1 = 0 đến khi bắt đầu đạt vận tốc tối đa v2 = vmax

(2-d.Xác định được lực kéo rờ-moóc của xe.Lực kéo rờ-moóc có thể được xácđịnh khi xe chuyển động đều, trên loại đường cho trước theo công thức sau đây:

Pmk = (D -ψ).G

Ví dụ: Xác định gia tốc lớn nhất có thể có được của ôtô khi động cơ làm việc ở

chế độ cung cấp nhiên liệu hoàn toàn (ứng với đặc tính ngoài của động cơ)

Gia tốc Jv của ôtô được xác định theo công thức:

i v

g D

J

δ

ψ)( −

Hình 2-4.Mối quan hệ giữa gia tốc J v và tốc độ chuyển động v

Đánh giá khả năng tăng tốc của ôtô một cách chính xác khi căn cứ vào đồ thị

Jv = f(v) trên các loại đường có hệ số cản tổngψ giống nhau là không đơn giản, bởi vìvới các ôtô khác nhau, chúng không chỉ khác nhau về Jmax ở mỗi số truyền mà cònkhác nhau cả ở đặc tính Jv = f(v) và số tay số có trong hệ thống truyền lực

Sử dụng đặc tính động lực học cũng có thể xác định được khả năng khắc phụcsức cản mặt đường của ôtô bằng động năng dự trữ mà nếu nó chuyển động đều thì sẽkhông thể vượt qua được đoạn đường nói trên

Từ phương trình (2-9) có thể thấy rằng ôtô chuyển động với v = const ở chế độcung cấp nhiên liệu hoàn toàn có thể xảy ra khi nhân tố động lực học D (tương ứngvới tốc độ này) bằng hệ số cản tổng cộngψ.Nếu ψ > D thì Jv< 0.Khi v > vth việc giảmtốc độ sẽ làm tăng D.Và với tốc độ giảm đó lại có thể tạo ra sự cân bằng mới ψ =D.Khi đó, chuyển động của ôtô lại có v = const.Khả năng tự thích ứng với sự thay đổilực cản của đường có thể xảy ra cho đến khiψ ≤ Dmax (ở từng số truyền)

Nếu v < vth thì khi tăng ψ lên với bất kì giá trị nào cũng sẽ làm giảm tốc độchuyển động của ôtô cùng với việc tăng gia tốc chậm, bởi vì khi giảm v sẽ làm giảmD.Khi tốc độ giảm đến trị số ổn định tối thiểu (vmin) động cơ sẽ bị chết máy

Trong quá trình giảm tốc độ đến (vmin) xe có thể tiếp tục lăn bánh thêm mộtđoạn đường nhờ năng lượng không chỉ từ động cơ truyền đến mà còn bằng động năngcủa xe.Nếu đoạn đường có ψ > D ngắn hơn đoạn đường nói trên thì xe vẫn có thểchuyển động mà không cần đổi số (về số thấp hơn)

Trong thực tế, thông thường để có động năng lớn đi đến đoạn đường cần phảivượt bằng tăng tốc (thí dụ: khi lên dốc) người ta sẽ chạy xe với tốc độ lớn hết cỡ chophép để khỏøi phải giảm số.

Ngoài ra, trên cơ sở đồ thị đặc tính động lực học của xe ứng với trường hợp xeđầy tải (100% tải) còn có thể xây dựng được đặc tính động lực học của xe ứng với tảitrọng bất kì (khi quá tải hoặc chưa đầy tải).Đồ thị đặc tính động lực học khi tải trọngthay đổi được gọi là đồ thị tia

CHƯƠNG III LÝ THUYẾT PHANH ÔTÔ

************

I.KHÁI NIỆM CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH PHANH

Sự chuyển động an toàn của xe với vận tốc lớn được quyết định bởi hiệu quảcủa quá trình phanh

Khi xe chuyển động với vận tốc ban đầu nào đó, ta cắt nguồn động lực truyềntừ động cơ xuống bánh xe chủ động, xe sẽ chạy chậm dần hoặc dừng hẳn lại.Như vậynăng lượng quán tính (động năng của xe) sẽ bị tiêu hao cho lực cản chuyển động củađường (Pψ) và lực cản không khí (Pω)

Ở vận tốc ban đầu cho trước, hiệu quả phanh được đánh giá bằng quãng đườngphanh hoặc thời gian phanh (thời gian từ khi bắt đầu phanh cho đến khi xe dừng hẳn)

Để giảm quãng đường phanh, người ta bố trí trên xe hệ thống phanh nhằm tạothêm lực cản nhân tạo để tiêu hao năng lượng quán tính của xe.Lực cản nhân tạo ởđây chính là lực ma sát trong cơ cấu phanh (ma sát giữa má phanh và tang trốngphanh)

Trong thực tế, quá trình phanh được phân theocác dạng sau: phanh cấp tốc,phanh chậm dần và phanh dừng xe trên dốc

Phanh cấp tốc là quá trình phanh với gia tốc chậm dần khi lực phanh lớnnhất.Gia tốc phanh trung bình của xe khi chuyển động với vận tốc ban đầu là v1 đếnvận tốc v2 bằng tỉ số giữa hiệu hai vận tốc đó và thời gian phanh trong cùng một điềukiện chuyển động.Nếu gia tốc phanh lớn thì thời gian phanh nhỏ.Khi phanh cấp tốcđộng năng của xe chủ yếu bị tiêu hao do lực cản nhân tạo (chiếm 90%).Còn phầnđộng năng bị tiêu hao do lực cản đường và lực cản không khí nhỏ.Số lần phanh cấptốc chiếm từ (5÷10)% tồng số các lần phanh

Phanh chậm dần được sử dụng để dừng xe ở vị trí đã định trước hoặc để giảmtừ từ vận tốc chuyển động của xe.Khi phanh chậm dần, động năng được tiêu hao bởilực cản của đường, lực cản không khí và lực cản nhân tạo.Gia tốc phanh chậm dầnnhỏ hơn so với gia tốc phanh cực đại (khi phanh cấp tốc)

Phanh dừng trên dốc được sử dụng để cố định xe tại chỗ (v= 0), trên đườngbằng hoặc đứng trên dốc (đầu xe có thể quay lên hoặc quay xuống dốc).gia tốc phanhtrong trường hợp này bằng không

Ngoài hệ thống phanh của xe, động cơ cũng được sử dụng làm phanhphụ.Phương pháp phanh xe bằng động cơ được thực hiện khi không cắt động cơ khỏihệ thống truyền lực.Lực pahnh trên các bánh xe là do mô-men phanh của động cơ,mô-men ma sát trong hệ thống truyền lực và ở các bánh xe sinh ra.Phương pháp này

thường được sử dụng khi cần giảm từ từ tốc độ chuyển động của xe hoặc cho xechuyển động với vận tốc không đổi khi xuống dốc dài.

Khi phanh, trên may-ơ bánh xe sẽ tác dụng mô-men phanh, còn trên bánh xetác dụng phản lực tiếp tuyến của đường hướng ngược với chiều chuyển động.Phản lựcnày được gọi là lực phanh

Lực phanh của xe bằng tổng các lực phanh trên các bánh xe.Khác với các lựcnhân tạo, lực phanh có thể điều chỉnh từ 0 đến trị số lớn nhất tương ứng với trườnghợp phanh cấp tốc

Nếu bánh xe được phanh không bị trượt lết trên đường thì động năng của xe sẽchuyển thành công ma sát trong cơ cấu phanh và một phần là công của các lực cản tựnhiên.Khi phanh với cường độ lớn, bánh xe có thể bị hãm cứng.Trong trường hợp này,bánh xe sẽ bị trượt lết và động năng sẽ chuyển thành công ma sát giữa lốp với mặtđường

Bảng 3-1 trình bày sự phân bố động năng theo các dạng lực cản khi phanh xetừ vận tốc ban đầu v = 54km/h đến khi xe dừng hẳn trên đường bằng với cường độphanh khác nhau.Cường độ phanh phụ thuộc vào lực tác dụng lên bàn đạp phanh.Hệsố bám của đường trong trường hợp này làϕ = 0,6; hệ số cản lăn f = 0,025

Bảng 3-1 SỰ PHÂN BỐ ĐỘNG NĂNG THEO CÁC DẠNG LỰC CẢN

KHI PHANH XE

Phanh khi các bánh xe chưa bịhãm cứng với lực trên bàn đạpphanh tính bằng [N]

Phanh khi các bánh

xe bị hãm cứngCác dạng lực cản

0 200 400 600 Ở cầutrước Ở cả haicầu

* Ma sát trong cơ cấu phanh

(%)

* Lực cản lăn và ma sát trong

hệ thống truyền lực (%)

* Lực cản không khí (%)

* Sự trượt của lốp (%)

090

100

83,513

30,5

888

22

905

14

603

136

00

199

Từ bảng 3-1 ta thấy, phần lớn động năng của xe bị hấp thụ bởi ma sát trong cơcấu phanh, sau đó đến lực cản lăn.Khi phanh với cường độ lớn, phần động năng dolực cản hấp thụ bị giảm xuống.Lực cản không khí trong mọi trường hợp đóng vai tròkhông đáng kể

Khi tăng cường độ phanh, động năng tổn hao do sự trượt của lốp tăng, do đótăng sự mài mòn của lốp.Sự mài mòn lốp sẽ rất lớn khi bánh xe bị hãm cứng (ωk = 0),trượt với vận tốc lớn trên mặt đường cứng.

Theo các điều kiện về an toàn chuyển động, quá trình phanh đưa đến việc hãmcứng các bánh xe là không có lợi.Bởi vì khi bánh xe bị hãm cứng, lực phanh giảm đirất nhiều so với truờng hợp phanh gần giới hạn hãm cứng.Trị số giới hạn của lựcphanh được quyết định bởi hệ bám của bánh xe với đường:

Ppmax =ϕ.Gϕ =ϕ.Pz (3-1)Trong đó:

Gϕ -trọng lượng bám của bánh xe

ϕ -hệ số bám dọc của bánh xe với đường

Pz –phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên bánh xeKhi bị hãm cứng, các bánh xe sẽ bị trượt lết và hệ số bám giữa bánh xe vớiđường sẽ giảm nhiều.Theo các số liệu thực nghiệm, lực phanh khi bánh xe bị hãmcứng cũng có thể giảm từ (25÷30)%.Do vậy quãng đường phanh sẽ tăng lên

Ngoài ra, khi các bánh xe bị trượt lết trên đường, xe sẽ mất tính dẫn hướng và

bị mất ổn định chuyển động thẳng

Khi phanh xe, sự hãm cứng của các bánh xe cầu trước và cầu sau thường xảy

ra không đồng thời

Nếu các bánh xe cầu trước bị hãm cứng trước thì xe sẽ mất tính dẫn hướng.Bởi

vì khi đó hướng chuyển động của xe sẽ được quyết định không phải do góc quay củabánh xe dẫn hướng mà là hướng của vec-tơ vận tốc trượt.Nếu các bánh xe cầu sau bịhãm cứng trước và có lực ngang tác dụng thì chúng sẽ trượt ngang và xe sẽ quay vòngtheo hướng tác dụng của lực ngang xung quanh cầu trước.Vì vậy, để đảm bảo cácđiều kiện an toàn chuyển động, hiện nay trên một số xe người ta bố trí thiết bị chốnghãm cứng các bánh xe (ABS_Antilock Breaking Systems)

II.PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE KHI PHANH

Xét trường hợp ôtô chuyển động trên đường bằng, không kéo rờ-moóc.Khiphanh, trên xe chịu tác dụng của các lực và mô-men: Pj, Pω, Pf, Pp …(hình 3-1)

Lập phương trình cân bằng động lực học của xe khi phanh ta có:

Pk + Pj – Pp -Pω -Pf= 0 (3-2)Xét trường hợp phanh xe có cắt ly hợp nên Pk = 0; do đó:

δk = (1,02÷ 1,04) ≈ 1

G –trọng lượng toàn bộ của xe

Pp –lực phanh do cơ cấu phanh sinh ra, đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánhxe

với mặt đường Pp = Mp/rk, với Mp là mô-men phanh do cơ cấu phanhsinh

ra

Biến đổi biểu thức (3-3) ta được gia tốc chậm dần khi phanh Jp:

g G

KFv f

G P dt

dv

2

++

=

Có thể bỏ qua lực cản của không khí, nên:

Jp = (γp + f).gTrong đó:

Jp = γp.g [m/s2]

JPmax = ϕ.g [m/s2]

Khi phanh không cắt động cơ khỏi hệ thống truyền lực, ngoài lực phanh tạonên bằng cơ cấu phanh còn có lực phanh sinh ra do lực cản của động cơ quy dẫn vềbánh xe chủ động được phanh:

tl k

tl mse pe

r

i M P

Mmse -mô-men ma sát của động cơ

itl,ηtl -tỉ số truyền và hiệu suất của hệ thống truyền lực

rk -bán k ính tính toán bánh xe

Mô-men ma sát của động cơ Mmse được xác định bằng công thức kinhnghiệm.Tuy nhiên, trong quá trình phanh và không cắt động cơ khỏi hệ thống truyềnlực thì phanh chỉ có hiệu quả khi Mmse > Mje, trong đóMje là mô-men quán tính củađộng cơ.Mô-men này cản trở quá trình phanh khi không cắt li hợp

III.SỬ DỤNG TRỌNG LƯỢNG BÁM TRONG QUÁ TRÌNH PHANH

Như trên đã biết, lực phanh tỉ lệ với trọng lượng của xe khi phanh (Pp = γp.G)hay tỉ lệ với phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe khi phanh (Pp =

γp.Pz).Để đảm bảo sử dụng được trọng lượng bám trong quá trình phanh thì lực phanhđơn vị trên tất cả các cầu xe phải bằng nhau:

Trong đó: Pzi –tổng phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các

bánh xe của cầu thứ INhư vậy, các lực phanh phải tỉ lệ thuận với phản lực pháp tuyến:

Pp1 =γp.Pz1 (3-5)

Pp2 =γp.Pz2Nếu điều kiện (3-5) không được thỏa mãn thì trước hết, các bánh xe của mộtcầu nào đó sẽ bị hãm cứng (khi Ppi > γp.Pzi), sau đó đến các bánh xe của các cầukhác.Kết quả sẽ làm mất độ ổn định chuyển động của xe và xe có thể bị trượtngang.Khi có sự phân bố lí tưởng các lực phanh, gia tốc phanh lớn nhất sẽ được xácđịnh theo công thức:

Jpmax = g.γpmax =ϕ.g [m/s2]Gia tốc phanh trong trường họp này không phụ thuộc vào trọng lượng xe màchỉ phụ thộc vào hệ số bám của bánh xe với mặt đường

Tuy nhiên, trong quá trình phanh, phản lực pháp tuyến của đường luôn biến

Phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu saulà:

=

G

h KFv g

h J b L

h J a L

G

2 1

Khi bỏ qua lực cản không khí Pω:







 +

=

g

h J b L

G

Như vậy, phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe luôn thayđổi, và phụ thuộc vào các thông số kết cấu của xe (a,b,hg,G), vào gia tốc chậm dầnkhi phanh Jp, theo quan hệ:

g p

g p

z

z

h J a g

h J b g P

P

.

.

=

g

h J b L

G

P p2 γp. p. g

và:

g p

g p

p

p

h J a g

h J b g P

P

.

.

Hình 3-2.Đặc tính phân bố mô men phanh theo điều kiện lý tưởng

Đồ thị hình 3-2 (góc phần tư thứ nhất) biểu diễn mối quan hệ giữa các mô-menphanh cầu trước Mp1, cầu sau Mp2 với gia tốc phanh Jp khi lực phanh được phân bốtheo điều kiện lý tưởng.Như vậy, tỉ số mô-men phanh giữa hai cầu (Mp1/Mp2) thay đổikhông tuyến tính tùy thuộc vào sự thay đổi của gia tốc phanh Jp.để thỏa mãn đượcmối quan hệ trên, trong dẫn động phanh phải có cơ cấu tự điều chỉnh lực phanh vàmô-men phanh.cơ cấu đó thường gọi là bộ điều hòa lực phanh

Tuy nhiên, lực phanh thực tế (tương ứng là mô-men phanh thực tế) lại thay đổitheo một quy luật khác.dolực ép guốc phanh Q tỉ lệ thuận với áp suất dẫn động (tronghệ thống phanh dẫn động bằng thủy lực hoặc khí nén) nên mô-men phanh M’p do cơcấu phanh sinh ra cũng phụ thuộc vào áp suất trong dẫn động phanh.Do vậy ta có thểxác định mô-men phanh do cơ cấu phanh sinh ra theo biểu thức:

M’p = k.poTrong đó:

k –hệ số tỉ lệ

po –áp suất trong dẫn động phanh

Hệ số k phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và nó có thể thay đổi trong một phạm

vi rộng.Tuy nhiên, đối với một ôtô cụ thể, khi trong dẫn động phanh không có các bộđiều hòa lực phanh, hệ số k có thể coi là hằng số; và giá trị của k được xác định bởicác thông số kết cấu của từng hệ thống phanh ôtô.Như vậy, lực phanh do cơ cấuphanh sinh ra ở các bánh xe cầu trước và các bánh xe cầu sau bằng:

P’p1 = k1.p0P’p2 = k2.p0Khi đó, phương trình chuyển động của ôtô khi phanh:

0 2 1 ' 2 '

hay:

)(

.2 1 0

k k g

J G

k g

G

)(

2 1

1 '

k g

G

)(

2 1

2 '

1 1 ' 2

' 1

Q k

Q k M

M C

Q Q

Q1, Q2 –lực ép guốc phanh ở các bánh xe cầu trước, cầu sau

Khi hệ số ma sát của má phanh với tang trống phanh không đổi thì các hệ số

k1Q, k2Q có thể coi như không đổi

Nếu trong dẫn động phanh không có cơ cấu tự điều chỉnh lực phanh thì tỉ sốgiữa các lực ép guốc phanh là hằng số

2 1 2

1

d

d Q

Từ đồ thị hình 3-2, có thể thấy rằng:

- Khi phanh xe trên đường trơn (ϕmin < ϕ0), lực tác dụng lên bàn đạp phanhđược giới hạn bởi điều kiện hãm cứng các bánh xe cầu trước (ứng với F1, có M’p1 =

Mp1) trong khi mô-men phanh do cơ cấu phanh sinh ra ở cầu sau M’p2 nhỏ hơn Mp2(theo điều kiện lý tưởng).Điều đó làm giảm hiệu quả phanh của toàn xe.Mặt khác,phanh làm bó cứng các bánh xe cầu trước khi đi trên đường trơn sẽ không có lợi bởikhi đó xe sẽ mất tính điều khiển và có thể gây ra tại nạn

- Khi phanh xe trên đường tốt, có hệ số bám lớn (chẳng hạn phanh với hệ sốbám ϕmax> ϕ0), để sử dụng hoàn toàn trọng lượng bám phân bố lên cầu sau, thì lựctác dụng lên bàn đạp phanh phải là F2 (ứng với F2 có M’p2 = Mp2).Khi đó M’p1 < Mp1.Như vậy trọng lượng bám phân bố lên cầu trước sẽ không được sử dụng hoàntoàn.Hiệu quả phanh của toàn xe cũng giảm.Nếu tiếp tục tăng lực tác dụng lên bànđạp phanh (F < F2) thì các bánh xe cầu sau sẽ bị bó cứng, và xe có thể bị trượt ngang

Chỉ có một giá trị hệ số bám trên đường ϕ0 (ứng với một gia tốc phanh xácđịnh) thỏa mãn điều kiện mô-men phanh sinh ra ở cả hai cầu (dưới tác dụng của lựcđặt trên bàn đạp phanh F = F0) đồng thời bằng mô-men bám theo điều kiện lý tưởng

Như vậy, khi tỉ số giữa các mô-men phanh không đổi, trọng lượng bám chỉđược sử dụng hoàn toàn tại một điểm ứng với một gia tốc phanh xác định.Ngoài ra ởcác điểm khác trọng lượng bám sẽ không được sử dụng hoàn toàn; gia tốc phanh của

xe sẽ nhỏ hơn gia tốc lớn nhất có thể có được.Hiệu quả phanh vì vậy sẽ giảm.Hệthống phanh các ôtô hiện đại ngày nay đã khắc phục được nhược điểm nêu trên củahệ thống phanh “cổ điển” nhờ trên nó được bố trí thêm nhiều cụm hệ thống như: bộđiều hòa lực phanh, hệ thống chống hãm cứng bánh xe, van hạn chế áp suất

IV.CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG PHANH

Khi đánh giá tính năng tăng tốc của xe người ta đã sử dụng các thông số thờigian tăng tốc và quãng đường tăng tốc

Phanh xe là một quá trình hoàn toàn ngược lại với quá trình tăng tốc.Bởi vậy,thời gian phanh và quãng đường phanh cũng được sử dụng làm thông số đánh giá chấtlượng phanh

1.Thời gian phanh

Nếu gọi vận tốc chuyển động của xe lúc bắt đầu phanh là v1, ở thời điểm cuốiquá trình phanh là v2 thì thời gian phanh được tính theo biểu thức sau:

dv J

dt

p

.1

Từ phương trình động lực học của xe khi phanh (3-2) và sau khi biến đổi biểuthức (3-4), gia tốc phanh được xác định theo biểu thức sau:

=

G

KFv f

g

k p

2 γ

p

G

KFv f

g

dv t

γ δNếu lực phanh đơn vị đạt giá trị lớn nhất trong cả quá trình phanh (tương đươngvới Ppmax trong cả quá trình phanh); thanh phần cản lăn và c ản không khí coi nhưkhông đáng kể thì thời gian phanh sẽ đạt giá trị nhỏ nhất (tpmin) tính đến khi v2 = 0trên mặt đường khô, nằm ngang là:

Ở đây hệ số ảnh hưởng của khối lượng quayδk = 1 vì khi phanh có cắt li hợp

2.Quãng đường phanh

dS= .

Tích phân phương trình đó ta có:

∫

++

p

G

KFv f

g

dv v S

γδ

Tương tự như điều kiện đã được nêu ra khi xác định thời gian phanh tối thiểu,

ta có quãng đường phanh tối thiểu Spmin:

ϕ

2

2 1 min

g

v

Như vậy, quãng đường phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào bình phương vận tốc của

xe lúc bắt đầu phanh và hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường

Khi có kể đến lực cản không khí với xe có tốc độ lớn v1 > 100 km/h, quãngđường phanh trong trường hợp này là:

F K g

G

S p

2 1

3.Giản đồ phanh

Hình 3-3.Giản đồ phanh

Các thông số đánh giá chất lượng phanh ở trên khác xa với các thông số chấtlượng phanh thực tế vì khi xác định chúng ta đã giả thiết phanh xảy ra trong các điềukiện tối ưu (Pp = Ppmax trong cả quá trình phanh).Trong thực tế, các thông số đánh giáchất lượng phanh còn chịu ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố

Thời gian phanh không chỉ tính từ khi phanh bắt đầu có hiệu quả (thời điểm xebắt đầu giảm tốc độ) cho đến khi xe dừng hẳn, mà phải tính từ khi người lái nhậnđược tính hiệu phải phanh.Như vậy, thời gian phanh sẽ lớn hơn và quãng đường phanhsẽ dài hơn so với các giá trị đã được tính toán ở trên

Để xác định được các thông số đánh giá chất lượng phanh, chúng ta phải biếtđược tính chất thay đổi của gia tốc phanh theo thời gian, nghĩa là phải biết được mốiquan hệ giữa gia tốc phanh và thời gian phanh.Mối quan hệ này được thể hiện quagiản đồ phanh (hình 3-3)

Trên giản đồ, gốc tọa độ được coi là thời điểm người lái bắt đầu phát hiện rachướng ngại vật.Thời gian chuẩn bị phanh và thời gian phanh được phân thành cácgiai đoạn sau:

t1 –thời gian phản xạ của người lái.Thời gian này được tính từ khi người láiphát hiện ra chướng ngại vật, cần phải phanh đến lúc đặt chân lên bàn đạpphanh.Thời gian t1 phụ thuộc vào phản xạ của từng người lái, trình độ lái xe, mức độ

chú ý của người lái xe, trạng thái thần kinh của người lái xe…Thông thường t1 = (0,3

÷1,8)s

t2 –thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh.Thời gian này được tính từ khingười lái bắt đầu tác dụng lên bàn đạp phanh cho đến khi phanh bắt đầu có hiệuquả.Thời gian t2 dùng để khắc phục hành trình tự do trong hệ thống phanh

Với phanh dẫn động thủy lực t2 = (0,05÷ 0,1)s

Với phanh dẫn động khí nén t2 = (0,2÷ 0,4)s

t3 –thời gian tăng gia tốc phanh.Ở phanh dẫn động thủy lực, đoạn 2a là đoạnthẳng và t3 = (0,25 ÷ 0,4)s.Đối với phanh dẫn động bằng khí nén, gia tốc phanh tăngtheo một đường cong.Song, trong hầu hềt các trường hợp sự tăng của gia tốc phanh từ

Jp = 0 đến Jp = 0,9.Jpmax gần như theo quy luật tuyến tính.Do vậy, đoạn này của giảnđồ có thể coi như đường thẳng.Thời gian t3 của dẫn động phanh khí nén bằng (0,5 ÷

0,75)s

t4 –thời gian phanh với gia tốc cực đại Jp = Jpmax

t5 –thời gian nhả phanh sau khi xe dừng:

t5 = (0,1÷ 0,5)s

Như vậy thời gian phanh tổng cộng, kể từ lúc phát hiện ra chướng ngại vật đếnkhi xe dừng hẳn được tính theo biểu thức sau:

tp = t1 + t2 + t3 + t4Tương ứng với thời gian phanh tp, quãng đường phanh tổng cộng sẽ là:

Sp = S1 + S2 + S3 + S4Khi người lái bắt đầu nhấc chân khỏi bàn đạp ga để chuyển sang chân phanh,tốc độ của xe bắt đầu bị giảm.Nhưng vì khoảng thời gian t1 và t2 không lớn lắm nêncó thể coi vận tốc trên quãng đường chạy S1 và S2 là đều.Vì vậy với vận tốc ban đầu

v1, quãng đưừong chạy trong thời gian (t1 + t2) là:

S1 + S2 = v1(t1 + t2)Quãng đường chạy được trong thời gian t3 là:

S3 = v1.t3 –Jpmax

6

2 3

2 2 12 4

v v g

G P

=Trong đó:

Pp –lực phanh của xe ứng với gia tốc phanh đạt giá trị lớn nhất

max

p

g G

P =

v12 = v1 - Jpmax.

2 3

t

v2 –vận tốc của xe ở cuối đoạn đường S4.Vì sau khi đi hết đoạn đường

S4, xe dừng hẳn nên v2 = 0.Do đó ta có quãng đường S4:

8

.2

2

2 3 max 3

1 max

22

2 3 max max

2 1 3

1 1

t J J

v t

t t v

p

−+

Quãng đường trượt (St) của các bánh xe khi bị hãm cứng (chính là vết lết củacác bánh xe để lại trên đường khi phanh) bằng quãng đường phanh với gia tốc phanhlớn nhất (S4), nên:

8

.2

2

2 3 max 3

1 max

2 1 4

t J t v J

v S

2

Trong đó thời gian t3 được xác định theo loại và kết cấu của hệ thống phanh.Trong bàng 3-2 trình bày Tiêu chuẩn đánh giá hiệu quả phanh ôtô do Bộ GiaoThông vận tải của nước ta quy định năm1995.Tiêu chuẩn ứng với chế độ thử phanhkhi ôtô không tải, chạy trên đường nhựa khô, nằm ngang ở vật tốc bắt đầu phanh 8,33m/s (30km/h)

Bảng 3-2 TIÊU CHUẨN VỀ HIỆU QUẢ PHANH CHO PHÉP ÔTÔ LƯU HÀNH

TRÊN ĐƯỜNG BỘ (Bộ giao thông vận tải, việt nam –1995)

Loại ôtô Quãng đường phanh,[m], không lớn hơn Gia tốc phanh lớn nhất,[m/s2], không nhỏ hơn

- Ôtô con và các loại ôtô khác thiết kế

trên cơ sở ôtô con

- Ôtô tải trọng lượng toàn bộ nhỏ hơn

80 kN và ôtô khách có chiều dài toàn

bộ dưới 7,5m

- Ôtô tải hoặc ôtô đoàn có trọng lượng

toàn bộ lớn hơn 80 kN và ôtô khách có

chiều dài toàn bộ lớn hơn 7,5 m

7,29,511

5,85,04,2

Cần lưu ý rằng tiêu chuẩn cho phép và hiệu quả phanh ở mỗi nước mộtkhác.Việc đề ra tiêu chuẩn cụ thể cho từng nước tuỳ thuộc vào nhiều vần đề như:nguồn cung cấp ôtô sử dụng (ôtô nhiều chủng loại của nhiền nước), điều kiện đườngsá, trình độ tổ chức kiểm tra kỹ thuật, trang thiết bị kiểm tra…

Trên bảng 3-3 trình bày tiêu chuẩn khi thử phanh trong điều kiện cơ cấu phanhnguội (nhiệt độ trống phanh <1000C), khi xe đầy tải (tiêu chu ẩn của châu Âu và LiênHiệp Quốc)

Bảng 3-3 TIÊU CHUẨN KHI THỬ PHANH

Loại ôtô Tốc độ bắtđầu phanh,

[m/s], [km/h]

Lực trênbàn đạpphanh, [N]

Gia tốc phanhkhông nhỏhơn, [m/s2]

Quãng đườngphanh khônglớn hơn, [m]+ Ôtô du lịch

+ Ôtô khách với trọng

lượng toàn bộ đến 50 kN

+ Ôtô khách với trọng

lượng toàn bộ trên 50 kN

+ Ôtô tải với trọng lượng

19,44 –7013,88 –5011,11 –40

500700700

700700700

7,07,06,0

5,55,55,5

43,225,832,1

44,825,017,2Đoàn xe với trọng lượng

700700700

5,55,55,5

46,926,518,4

V.ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ SỬ DỤNG ĐẾN QUÃNG ĐƯỜNG PHANH

1.Trạng thái kỹ thuật của hệ thống phanh

Hành trình tự do của hệ thống phanh có ảnh hưởng lớn đến quãng đườngphanh.Khi tăng khe hở trong dẫn động phanh và cơ cấu phanh, thời gian chậm tácdụng t2 của hệ thống phanh tăng lên, do đó quãng đường phanh cũng tăng lên

Nếu khe hở giữa má phanh và tang phanh tăng lên 0,5 mm thì quãng đườngphanh có thể tăng từ (10-25%)

Aùp suất khí nén cũng ảnh hưởng đến quãng đường phanh, áp suất tăng, quãngđường phanh giảm.Thông thường, áp suất khí nén trong hệ thống phanh là (0,7-0,8)Mpa.Ở một số hệ thống phanh hiện đại người ta đang nghiên cứu để tăng áp suấtphanh trong hệ thống lên tới (1,5-2)Mpa

Khi có dầu, mỡ nước…dính vào má phanh và tang phanh, quãng đường phanhsẽ tăng lên do giảm hệ số ma sát trong cơ cấu phanh.Vì vậy, để đảm bảo phanh xe cóhiệu quả, trong quá trình sử dụng, hệ thống phanh cần được chăm sóc và bảo dưỡng

2.Aûnh hưởng của trọng lượng toàn bộ xe đến quãng đường phanh

Khi tăng trọng lượng toàn bộ xe, quãng đường phanh sẽ tăng lên.Trong thực tếsử dụng cho thấy, khi tăng trọng lượng xe lên 10.000 N, quãng đường phanh có thểtăng tới 1m.Một số nước như Italia, Mỹ, Pháp, Thụy Sĩ, người ta căn cứ vào trọnglượng toàn bộ của xe để quy định quãng đường phanh tối đa cho ôtô khi lưu thôngtrên đường

3.Trạng thái mặt đường

Hệ số bám của bánh xe với đường ảnh hưởng lớn đến quãng đường phanh.Trên đường có hệ số bám lớn, gia tốc chậm dần khi phanh Jpmax lớn do đóquãng đường phanh sẽ giảm.Ví dụ: với vận tốc lúc bắt đầu phanh của ôtô v1 = 32km/h, thì quãng đường phanh là 10m khi hệ số bám dọcϕ = 0,75; và bằng 16,5m khiϕ

= 0,3

4.Vận tốc chuyển động của xe

Vận tốc chuyển động của xe khi bắt đầu phanh v1 càng lớn thì quãng đườngphanh càng dàiVí dụ: v1 = 96 km/h, ϕ = 0,75, yêu cầu Sp ≤ 74,7 m; còn khi v1 = 32km/h, ϕ = 0,75, thì Sp ≤ 10 m (Tiêu chuẩn Mỹ –FMVSS –121).Trong quy định số 13của Ủy ban kinh tế châu Aâu thuộc Liên hiệp quốc đã xác định quãng đường phanhcho phép tối đa Sp của ôtô phụ thuộc vào vận tốc ban đầu của xe khi phanh v1 [km/h]như sau:

][11515

,0

2 1

Phanh có dẫn động khí nén Jpmax = (6,5 -7) m/s2; phanh có dẫn động thủy lực

Jpmax đạt tới (7-8) m/s2.Vì vậy, với hai xe cùng loại có trọng lượng như nhau và trongcùng điều kiện vận tốc thì xe có dẫn động phanh kiểu thủy lực sẽ có hiệu quả phanhcao hơn

CHƯƠNG IV LÝ THUYẾT QUAY VÒNG VÀ ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ

**************

I.CÁC PHƯƠNG TIỆN QUAY VÒNG

Các bánh xe hơi hiện nay có thể quay vòng bằng ba phương pháp: phươngpháp thay đổi phương chuyển động của bánh xe dẫn hướng; phương pháp quay vòngtheo kiểu xe bánh xích và phương pháp quay vòng nhờ sự quay vòng các phần khácnhau của xe

Phương pháp quay vòng bằng cách thay đổi phương chuyển động của bánh xedẫn hướng là phương pháp được sử dụng phổ biến hơn cả.Ở phương pháp này, bánh

xe dẫn hướng được quay quanh trụ đứng sao cho đường kéo dài của các trục bánh xedẫn hướng cắt nhau tại một điểm.Điểm này gọi là tâm quay vòng.Trên hình 4-1 mô tả

sơ đồ quay vòng của xe hai cầu có một cầu dẫn hướng (hình 4-1, a) và hai cầu dẫnhướng (hình 4-1, b)

Với cùng góc quay vòng như nhau thì xe bố trí theo sơ đồ hình 4-1, b sẽcó bán kính quay vòng Rqv nhỏ hơn và tính linh hoạt của xe cao hơn so với sơ đồ 4-1,a

Trên ôtô, số lượng cầu dẫn hướng càng tăng thì tính linh hoạt của xe càng tốtvà càng giảm sự mài mòn lốp.Tuy nhiên tăng số lượng cầu dẫn hướng sẽ làm cho kết

cấu dẫn động điều khiển phức tạp lên, đặc biệt là khi sử dụng cầu sau là cầu dẫnhướng.

Vì vậy số lượng các bánh xe dẫn hướng cần được chọn cho thích hợp để vừađảm bảo tính linh hoạt, vừa ít ảnh hưởng đến các yêu cầu khác của xe

II.ĐỘNG HỌC QUAY VÒNG CỦA XE BÁNH HƠI

QuaÙ trình quay vòng của xe có thể chia thành các giai đoạn khác nhau.Giaiđoạn thứ nhất là giai đoạn bắt đầu đi vào đường vòng.Giai đoạn này được đặt trưngbằng bán kính quay vòng giảm dần.Giai đoạn thứ hai là giai đoạn quay vòng.Ở giaiđoạn này, góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng không thay đổi.Xe thực hiệnquay vòng đều, nghĩa là xe quay vòng với bán kính và vận tốc quay vòng khôngđổi.Giai đoạn thứ ba là giai đoạn xe đi ra khỏi đường vòng.Ở giai đoạn này góc quayvòng của các bánh xe dẫn hướng giảm dần và bán kính quay vòng tăng dần.Kết thúcgiai đoạn thứ ba, các bánh xe dẫn hướng được đưa về vị trí xe đi thẳng (Rqv=∞)

Chúng ta chỉ khảo sát động học quay vòng đều của xe (bán kính quay vòng Rqv

= const; vận tốc góc quay vòngΩ = const) bởi vì giai đoạn này là giai đoạn đặc trưnghơn cả trong quá trình quay vòng của xe

Từ môn học “Cơ lý thuyết” ta biết rằng, nếu một vật rắn, phẳng chuyển độngquay thì tâm quay vòng của nó sẽ là giao điểm của hai đường thẳng vuông góc vớihai véctơ vận tốc của hai điểm bất kì trên vật thể đó.Đồng thời bằng phương pháp đồthị cũng có thể xác định được Rqv vàΩ (hình 4-2)

Hình 4-2.Sơ đồ quay vòng a)Vật rắn; b) Ôtô

Trên xe, điểm a và b thuộc về thân xe (khung xe), còn thân xe có thể coi là vậtrắn.Bởi vậy, quy luật quay vòng của vật rắn hoàn toàn phù hợp với xe

Để xe quay vòng không bị trượt bên (lệch bên) thì các đường thẳng đi qua tâmtrục các bánh xe phải cắt nhau tại một điểm.Điểm này được gọi là tâm quay vòngcủa xe.Chỉ có như vậy thì vận tốc của các bánh xe mới nằm trong mặt phẳng lăn củachúng khi xe quay vòng.

Đối với xe hai cầu có cầu trước là cầu dẫn hướng, để các bánh xe lăn hoàntoàn (không trượt bên hoặc lệch bên) thì tâm quay vòng của xe phải name trên đườngthẳng đi qua trục các bánh xe cầu sau (hình 4-3, a)

Hình 4-3, b mô ta sơ đồ quay vòng của xe ba cầu.Từ sơ đồ ta thấy các bánh xecầu giữa sẽ bị trượt khi quay vòng do các véctơ vận tốc không nằm trong mặt phẳnglăn của các bánh xe cầu này.để đảm bảo cho xe ba cầu khi quay vòng không bị trượtthì xe ít nhất là hai cầu dẫn hướng

Trường hợp tổng quát, xe có n cầu, để xe quay vòng không bị trượt bến thì sốlượng cầu dẫn hướng phải bằng (n-1)

Song, ngay đối với các bánh xe dẫn hướng, để đảm bảo sự trượt không xảy rathì góc quay của chúng phải khác nhau và tuân theo một quy luật nhất định.Nghĩa là:

L

B R g

2cot

2cot

0 0

βα

L

B0

Trong đó:

α,β -là góc quay của các bánh xe phía ngoài và phía trong (hình 4-3, a)

L, B0 –các kích thước cơ sở của xe (hình 4-3, b)

Rqv –bán kính quay vòng trung bình

Như vậy nếu góc quay của các bánh xe dẫn hướng thỏa mãn biểu thức thìchúng sẽ không bị trượt khi quay vòng.

Mối quan hệ giữa hai góc α vàβ sẽ thỏa mãn biểu thức ( 4-1) khi sử dụng cơcấu dẫn động lái kiểu bốn khâu bản lề.Cơ cấu này được gọi là hình thang lái

III.XÁC ĐỊNH BÁN KÍNH QUAY VÒNG NHỎ NHẤT VÀ CHIỀU RỘNG HÀNH LANG QUAY VÒNG

Ngoài vận tốc quay vòng, tính linh hoạt của xe còn được xác định bởi bán kínhquay vòng nhỏ nhất (Rqv min)và chiều rộng hành lang quay vòng (Hqv)

Bán kính quay vòng nhỏ nhất (hình 4-4) là khoảng cách từ tâm quay vòng đếnđiểm giữa của bề mặt tỳ của bánh xe dẫn hướng phía ngoài khi góc quay của nó làlớn nhất (α = αmax)

Chiều rộng hành lang quay vòng là chiều rộng của vệt đường mà ở bán kínhquay vòng nhỏ nhất, xe hoàn toàn nội tiếp trong vệt đường đó

Các trị số Rqv min và Hqv khi xe quay vòng không có trượt bên và nếu có trượtbên là rất khác nhau

1.Xác định bán kính quay vòng nhỏ nhất

Từ sơ đồ hình 4-4 ta có:

(Rqv min –bn) sin(βmax -αmax) = B0.sinβmax

−

=

)sin(

sin

max max

max 0

min

αββ

Trong đó:

B0 –khoảng cách giữa hai trụ đứng

Bn –chiều dài của ngõng quay.Trị số này có thể bỏ qua

Nếu biết trước αmaxvà βmax ta có thể xác định được tọa độ dọc của tâm quayvòng:

L’ = (Rqv min –bn).sinαmaxThường L’= L (L_chiều dài cơ sở của xe).Đối với xe ba cầu có sơ đồ bố tríchung theo hình 4-4, kích thước L’ cần được lựa chọn sao cho tâm quay vòng của xenằm giữa cầu sau và cầu trước.Khi đó các bánh xe của cầu sau và cầu giữa ở cùngphía sẽ lăn trên cùng một vết, do vậy giảm được xác suất xuất hiện sự tuần hoàncông suất giữa hai cầu.Khi giữa chúng không bố trí vi sai

2.xác định hành lang quay vòng

Chiều rộng hành lang quay vòng được xác định theo công thức sau:

L H

max max

' sin

'

β α

Với xe hai cầu có moat cầu dẫn hướng thì: L = L’ và R qv = L +b n

max min

sinα

Nếu cả hai cầu là cầu dẫn hướng thì L L

2

1 ' = , do đó: R qv = L +b n

max min

sin

• Khi cả hai cầu đều là cầu dẫn hướng:

1

max max

VI.ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE KHI QUAY VÒNG

Khi bánh xe tham gia quay vòng sẽ có các lực bên tác dụng lên nó, đáng kể làlực ly tâm.Ngoài lực ly tâm, trên bánh xe còn có các lực ngang khác như : lực của gió,phản lực của trọng lượng xe trên đường nghiêng ngang

Giả sử trên bánh xe tác dụng lực ngang Py nào đó.Lực Py này làm cho bánh xe

bị biến dạng.Tại vị trí tiếp xúc của bánh xe với mặt đường sẽ xuất hiện phản lực theophương ngang Ry, có trị số bằng lực bên Py.Khi không có lực bên tác dụng, bánh xe sẽlăn trong mặt phẳng lăn của nó, nghĩa là lăn theo hướng vận tốc v.Khi có lực bên tácdụng, bánh xe sẽ có xu hướng lăn theo hướng của vận tốc v’ lệch so với hướng củavận tốc v một góc là δ (hình 4-5).Góc δ được gọi là góc lệch bên của bánh xe đànhồi

Góc lệch bênδ có thể được xác định theo công thức sau:

δ = Kđh.RyTrong đó: Kđh–hệ số đàn hồi bên của lốp.Hệ số này phụ thuộc vào đường kínhmay-ơ bánh xe, chiều rộng của lốp và áp suất hơi lốp

Lấy một bánh xe dẫn hướng thứ i nào đó của xe khi xe quay vòng đều quanhtâm O (hình 4-6), (R = const, Ω = const).Rõ ràng bánh xe thứ i cũng xe quay vòngxung quanh tâm O đó

Vị trí tâm O được xác định bằng tọa độ cho trước (trong hệ tọa độ OXY, trục

OX song song với trục dọc xe).Tọa độ của tâm O sẽ là bán kính quay vòng R vàkhoảng cách x từ tâm quay vòng đến trục OY

Bánh xe cũng như toàn bộ xe sẽ quay vòng đều xung quanh tâm O với vận tốcgóc làΩ.Khi biết đượcΩ và khoảng cách từ tâm quay vòng đến trục bánh xe, có thểxác định được vận tốc chuyển động tịnh tiến v’i của trục bánh thứ i

Nếu bánh xe được coi là hoàn toàn cứng và không có trượt bên thì véc tơ vậntốc v’i (vận tốc chuyển động của tâm trục bánh xe) sẽ nằm trong mặt phẳng lăn củanó, nghĩa là trùng với trục dọc của bánh xe.Song trong thực tế, do lốp có tính đàn hồi,nên dưới tác dụng của lực Yi làm cho lốp bị lệch bên.Do sự lệch bên nên véc tơ v’i sẽ

bị lệch khỏi trục dọc của bánh xe một góc δi.Nếu chiếu v’i lên trục dọc của bánh xe

ta sẽ nhận được vận tốc vòng của bánh xe v’i:

vi =ωk.rlăn và vi = v’i.cosδI

từ đó suy ra: v’I =

với: ωk –vận tốc góc của bánh xe

rlăn –bán kính lăn của bánh xe

Do vi ≠ v’i nên xe bị trượt bên khi quay vòng sẽ xuất hiện các phản lực bên

Yi.Vì vậy quá trình quay vòng của xe trong thực tế khác với quá trình quay vòng theođiều kiện lý tưởng

V.ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA XE

Tập hợp các tính chất đảm bảo sự chuyển động của xe theo một quỹ đạo chotrước gọi là tính điều khiển của xe

Tính điều khiển của xe phụ thuộc vào sự điều khiển (quay vòng) nặng hoặcnhẹ và ổn định chuyển động thẳng của xe

Độ ổn định chuyển động thẳng là khả năng của xe tự khôi phục lại phươngchuyển động thẳng khi phương chuyển động đó bị sai lệch do có lực bên tác dụng màkhông cần có sự tham gia của người lái

Tính điều khiển của xe và sự ổn định của bánh xe dẫn hướng có ảnh hưởngđến độ ổn định chuyển động thẳng

Như đã nêu trên, khi xe chuyển động trên đường, các bánh xe đàn hồi bị biếndạng dưới tác dụng của lực ngang (lực bên) và đặc trưng cho biến dạng này là góclệch bên δ.Trong thực tế sử dụng nhân tố này có ảnh hưởng ở mức độ nhất định tớitính năng quay vòng và tính an toàn chuyển động của ôtô, đặc biệt ở những xe có vậntốc lớn

Dưới đây chúng ta sẽ khảo sát độ ổn định chuyển động thẳng của xe haicầu.Tất cả những kết quả nhận được hoàn toàn có thể áp dụng cho xe nhiều cầu

A.QUAY VÒNG ĐÚNG, QUAY VÒNG THIẾU, QUAY VÒNG THỪA

Trên hình 4-7 biểu thị chuyển động trên đường vòng của ôtô có lốp đàn hồitheo hướng bên.Thành phần theo phương ngang Pjy của lực quan tính được đặt tạitrọng tâm C của xe.Dưới tác dụng của lực ly tâm này các bánh xe sẽ bị lệch bên.Góclệch bên của các bánh xe cầu trước, giả sử làδ1 và của các bánh xe cầu sau làδ2

Ở các bánh xe trước, ngoài góc lệch δ1, chúng còn được quay thêm gốc α1, dođó hướng của vétơ của trục trước sẽ tạo với trục dọc của xe một góc bằng (α1-δ1).

Từ sơ đồ ta có thể xác định được bán kính quay vòng như sau:

Chiều dài cơ sở L của xe:

L = AC + BC với AC = Rqv tg(α1 -δ1)

xe mà chỉ phụ thuộc vào góc quay của bánh xe dẫn hướng

Trường hợp xe mang tính chất quay vòng đúng (δ1 = δ2), khi xe chuyển độngthẳng mà có lực bên Py tác dụng tạo nên sự lệch bên của các bánh xe cũng khônglàm cho xe bị quay vòng, vì khi đó Rqv =∞ (hình 4-8)

2 1

α (với RT là bán kính lý thuyết)Trường hợp này xe sẽ quay vòng với bán kính lớn hơn bán kính lýthuyết.Nghĩa là xe sẽ có xu hướng quay vòng ít hơn so với góc quay tương ứng củacác bánh xe dẫn hướng.Quay vòng như vậy gọi là quay vòng thiếu

Xe mang tính chất quay vòng thiếu khi chuyển động thẳng, nếu gặp lực ngangtác dụng, nó sẽ có xu hướng quay vòng quanh tâm tức thời.Khi đó sẽ sinh ra lực lytâm có chiều ngược với chiều ngang của lực tác dụng.Do đó góc lệch bên của cácbánh xe sẽ giảm, và nhờ đó xe chuyển động ổn định.Tuy nhiên, việc điều khiển xe cótính chất quay vòng thiếu sẽ nặng nề hơn

Khi góc lệch bên của các bánh xe cầu sau loon hơn góc lệch bên của các bánh

=

1 2

α

Như vậy xe sẽ quay vòng với bán kính nhỏ hơn bán kính lý thuyết.Quay vòngnhư vậy gọi là quay vòng thừa.Xe mang tính chất quay vòng thừa sẽ có xu hướng

quay vòng nhiều hơn so với góc quay tương ứng của các bánh xe dẫn hướng.Do đóđiều khiển xe quay vòng sẽ nhẹ nhàng hơn.

Xe mang tính chất quay vòng thừa khi chuyển động thẳng nếu gặp lực ngangtác dụng, sẽ có xu hướng quay vòng quanh tâm tức thời.Khi đó sẽ sinh ra lực ra lực lytâm có chiều trùng với chiều của lực ngang.Do đó góc lệch bên càng tăng.Điều nàysẽ dẫn tới sự tăng liên tục của lực ly tâm và nếu người lái không kịp thời quay cácbánh xe dẫn hướng ngược trở lại thì xe sẽ chuyển động theo một đường cong có bánkính giảm liên tục, làm cho sẽ dễ bị trượt ngang hoặc có nguy cơ bị lật

Qua phân tích ở trên ta thấy, tốt hơn cả là xe nên mang tính chất quay vòngđúng.Song thực tế, trong mọi điều kiện chuyển động của xe, tính chất quay vòngđúng khó có thể thực hiện được.Lý do vì tính đàn hồi của lốp không giống nhau vàcác phản lực bên tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau không bằng nhau.Vìvậy khi thiết kế xe , tuỳ theo từng điều kiện hoạt động đặc trưng của nó mà người tacó thể chọn tính chất quay vòng này hoặc quay vòng kia

Khi mang tính chất quay vòng thiếu mặc dù điều khiển xe có nặng nề hơn,nhưng khả năng tự quay vòng của xe ở vận tốc lớn ít hơn, nên xe chuyển động sẽ antoàn hơn

B.SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BÁNH XE DẪN HƯỚNG

Sự ổn định của bánh xe dẫn hướng là khả năng bánh xe giữ được vị trí trunggian khi xe chuyển động thẳng và khả năng tự trở về vị trí trung gian khi bánh xe bịlệch khỏi vị trí đó.Điều khiển xe có tính ổn định của bánh xe dẫn hướng kém sẽ khókhăn vì các bánh xe dẫn hướng luôn bị lệch về một phía.Ở những xe này, người láiluôn phải quay vành lái để giữ cho xe chuyển động theo một hướng đã định

Sự ổn định của bánh xe dẫn hướng được thực hiện nhờ tính đàn hồi của lốp vànhờ sự bố trí thích hợp của trụ đứng hệ thống lái

1.Sự ổn định đàn hồi của bánh xe dẫn hướng

Khi các bánh xe dẫn hướng lăn trên đường có lực bên tác dụng dưới dạng xung(lực này có thể thể hiện dưới dạng xung lực bên P và mô-men xung quay vòng Mqvgây nên sự quay của bánh xe dẫn hướng) thì đường sẽ tác dụng lên bánh xe phản lựcbên Y và mô-men ổn định đàn hồi Môđ (hình 4-9, a)

Khi xung lực bên hết tác dụng, phản lực bên và mô-men đàn hồi sẽ cân bằngvới lực quán tính của bánh xe và sau một vài dao động bánh xe sẽ tự trở về vị trítrung gian (hình 4-9, b).

2.Sự ổn định của bánh dẫn hướng nhờ bố trí hợp lý trụ đứng

a.Trụ đứng đặt nghiêng một gócβ trong mặt phẳng thẳng đứng ngang xe

Góc nghiêng ngang β của trụ đứng có tác dụng giảm mô-men cản lăn lên hệthống lái do giảm cánh tay đòn bn (hình 4-10) và có tác dụng đưa bánh xe dẫn hướngvề vị trí trung gian khi nó bị lệch khỏi vị trí đó

Khi xe lăn trên đường gặp phải vật cản làm cho bánh xe dẫn hướng lệch khỏi

vị trí trung gian, nghĩa là làm cho bánh xe dẫn hướng quay quanh trụ đứng.Nhưng vìbánh xe dẫn hướng đặt nghiêng một gócβ nên điểm tiếp xúc giữa lốp với mặt đườngphải dịch chuyển trong mặt phẳng vuông góc với trụ đứng và chứa đường BB’.Nhưvậy, hoặc là bánh xe lún xuống mặt đường hoặc là phần trước của xe được nânglên.Khi đó, trên bánh xe sẽ có một mô-men tác dụng.Mô-men này sẽ đưa bánh xe về

vị trí trung gian

Nếu xem như bánh xe không có góc doãng thì ta có thể phân phản lực thẳngđứng của đất R làm hai thành phần: R.cosβ song song với đường tâm trụ quay đứngvà R.sinβ vuông góc với nó.

Trên hình 4-11 biểu thị bánh xe và các lực tác dụng lên nó trong mặt phẳngđường.Giả sử bánh xe được quay đi một gócα, khi đó lực R.sinβ có thể được chia ralàm hai thành phần: R.sinβ.cosα tác dụng trong mặt phẳng đi qua đường tâm của camquay và R.sinβ.sinα tác dụng trong mặt phẳng đi giữa của bánh xe

Từ hình 4-11 ta tính được mô-men ổn định tạo nên bởi tác động của phản lựcthẳng đứng của đất tác dụng lên bánh xe và độ nghiêng bên của trụ đứng:

Trong đó: bn –khoảng cách từ tâm bề mặt tựa của bánh xe tới đường tâm

của trụ đứngMô-men ổn định Môđ tăng lên cùng với sự tăng của góc quay vòng α.Ứng vớinhững góc quay vòng nhỏ của các bánh xe dẫn hướng, mô-men Môđnhỏ và ảnh hưởngcủa nó đến tính ổn định không lớn.Mô-men này có ý nghĩa chủ yếu là làm cho cácbánh xe dẫn hướng tự động quay về vị trí trung gian, sau khi thực hiện quay vòng

Khi quay vòng bánh xe dẫn hướng, mô-men ổn định Môđsẽ chống lại sự quayvòng, vì vậy cần phải tăng thêm lực tác dụng lên vành tay lái.Tuy nhiên, nhờ độnghiêng ngang của trụ đứng mà mô-men do phản lực tiếp tuyến của đất tác dụng lênbánh xe sẽ giảm xuống vì cánh tay đòn bn của nó được giảm đi

Trị số của góc nghiêng ngang của trụ đứng ở các ôtô hiện nay thường dao độngtrong giới hạn 6÷120