Chương 5 tính dẫn hướng của ô tô

Sơ đồ động lực học quay vòng của ô tô có hai bánh dẫn hướng phía trước.. Để ôtô quay vòng không bị trượt bên lệch bên thì các đường thẳng đi qua tâm trục các bánh xe phải cắt nhau tại mộ

BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT Ô TÔ

GIẢNG VIÊN: VŨ THẾ TRUYỀN

CHƯƠNG 5 TÍNH DẪN HƯỚNG CỦA ÔTÔ

5.1 Động học và động lực học quay vòng của ô tô

5.2 Ảnh hưởng của độ đàn hồi của lốp tới tính năng quay vòng của ô tô

5.3 Tính ổn định của bánh xe dẫn hướng

5.4 Sự dao động của bánh xe dẫn hướng

NỘI DUNG

5.1.1 Quỹ đạo chuyển động của ô tô.

Trên hình chỉ ra quỹ đạo chuyển động của ôtô là một đường cong xác định bởi các vị trí liên tiếp của trọng tâm ôtô T Vận tốc tức thời của ôtô là v đặt tại trọng tâm ôtô Hệ tọa độ cố định (hệ tọa độ mặt đường) ký hiệu là Ox o y o z o , hệ tọa độ di động (hệ tọa độ gắn với trọng tâm ô tô) ký hiệu là Txyz Như vậy vận tốc v tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động và nghiêng đi với trục dọc ô tô là α (góc này được gọi tên là góc lệch hướng chuyển động của ô tô) Góc quay tương đối giữa hai hệ tọa độ là ε,

và cũng là góc quay của trục dọc ô tô khi chuyển động.

5.1 Động học và động lực học quay vòng của ô tô

Hình 5-1 Quan hệ động học của ô tô trong mô hình phẳng tổng quát.

5.1.1 Quỹ đạo chuyển động của ô tô.

5.1 Động học và động lực học quay vòng của ô tô

- Chiếu vận tốc v lên hai trục Ox o và Oy o ta có ;

5.1.1 Quỹ đạo chuyển động của ô tô.

5.1 Động học và động lực học quay vòng của ô tô

Hình 5-2 Xác định vị trí trọng tâm của ô tô tại một thởi điểm nhất định.

5.2 Động học và động lực học quay vòng của ô tô.

a Các phương pháp quay vòng.

Các xe bánh hơi hiện nay có thể quay vòng bằng ba phương pháp: Phương pháp thay đổi phương chuyển động của bánh xe dẫn hướng, phương pháp quay vòng theo kiểu xe xích và phương pháp quay vòng nhờ sự quay vòng các phần khác nhau của xe.

Hình 4-4 Sơ đồ quay vòng của xe hai cầu.

a Có một cầu dẫn hướng b Có hai cầu dẫn hướng.

Trên hình 4-4 mô tả sơ đồ

quay vòng của xe hai cầu có

một cầu dẫn hướng (hình 4-4a)

và hai cầu dẫn hướng (hình

Trên ôtô, số lượng cầu dẫn hướng càng tăng thì tính linh hoạt của xe càng tốt và càng giảm sự mài mòn lốp Tuy nhiên, tăng số lượng cầu dẫn hướng sẽ làm cho kết cầu dẫn động điều khiển phức tạp lên, đặc biệt khi sử dụng cầu sau

Từ hình ( 4-5 ) ta thấy mối quan hệ các góc quay α 1 và α 2 :

g

L

B R g

Hình 4-5 Sơ đồ động lực học quay vòng của ô tô có hai bánh dẫn hướng phía

trước.

Hình 4-7 Sơ đồ quay vòng của ô tô có

bốn bánh dẫn hướng

Từ sơ đồ hình ( 4-5 ) ta xác định được mối quan hệ giữa bán kính quay vòng

R, và chiều dài cơ sở của xe L và góc quay vòng α.

( 4.8 ) Trường hợp tất cả các bánh xe dẫn hướng như hình (4-7) thì ứng với một góc quay α, bán kính quay vòng của xe sẽ giảm đi một nửa :

( 4.9 ) Vận tốc của xe khi quay vòng là :

( 4.10 ) Gia tốc trọng tâm của xe gồm có gia tốc tác dụng dọc trục của ô tô J x và vuông góc với nó J y ;

+ Hướng theo trục dọc của xe : ( 4.15 )

+ Hướng vuông góc với trụ dọc của xe :

( 4.16 )

L R

tgα

=

2

L R

= − = +

Lực quán tính tác dụng dọc theo trục của ô tô P jx và vuông góc với trục P jy  :

2 2

jx

G bv P

gR

=

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

Đối với xe hai cầu có cầu trước là cầu dẫn hướng, để các bánh xe lăn hoàn toàn (không trượt bên hoặc lệch bên) thì tâm quay vòng của ôtô phải nằm trên đường thẳng đi qua trục các bánh xe cầu sau (hình 4-9).

Hình 4-9 Quay vòng của ôtô

hai cầu (a) và ôtô ba cầu (b).

4.3 Quay vòng lý tưởng, quay vòng thiếu, quay vòng thừa.

Hình 4-10 Sơ đồ chuyển động quay vòng của ô tô khi lốp bị biến dạng bên

Từ hình (4-10) ta có thể xác định được :

(4.19)

Với giá trị các góc nhỏ ta có :

(4.20)

4.3.1 Quay vòng lý tưởng, (quay vòng định mức).

Trong trường hợp này ta có : , xe có tính năng quay vòng định mức Ở trường hợp này để giữ cho xe chuyển động thẳng khi có lực bên tác động thì người lái cần quay vòng tay lái như thế nào đó để xe lệch khỏi trục đường một góc là:

2 ( 1)

L R

4.3.2 Quay vòng thiếu.

Trong trường hợp này: xe

có tính năng quay vòng thiếu

Hình 4-11 Sơ đồ chuyển động của ô tô có

tính năng quay vòng thiếu.

δ δ >

4.3.3 Quay vòng thừa.

Hình 4-12 Sơ đồ chuyển động của ô tô có

tính năng quay vòng thừa.

Ở trường hợp này: xe có

tính năng quay vòng thừa

Trong trường hợp này xe mất

khả năng chuyển động thẳng ổn

định vì chiều của lực ly tâm P jy

trùng với chiều của lực tác động

Y Sự mất ổn định càng lớn khi

vận tốc của xe càng cao, vì lực

ly tâm tỷ lệ bậc hai với vận tốc

Để tránh lật đỏ xe trong những

trường hợp này, người lái xe

phải nhanh chóng đánh tay lái

ngược trở lại với chiều xe bị

lệch để mở rộng bán kính quay

vòng

δ δ <

4.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến tính năng dẫn hướng của ô tô 4.4.1 Các góc đặt của bánh xe dẫn hướng.

- Với góc camber âm: Trường hợp này nếu xe có góc camber âm thì bánh xe sẽ được giữ không bị nghiêng khi chạy vào đường vòng và duy trì lực quay vòng thích hợp

- Với góc camber bằng không: nó giúp cho lốp xe mòn đều Nếu bánh xe có camber dương hoặc âm thì góc nghiêng của bánh xe so với mặt đường sẽ làm cho bán kính quay vòng của phần phía trong và phía ngoài khác nhau, và lốp xe sẽ mòn không đều Camber bằng không giúp ngăn ngừa hiện tượng này.

- So với góc Camber âm thì góc Camber dương có ưu điểm sau:

+ Thứ nhất; nó giúp giảm tải trọng thẳng đứng trong trường hợp góc Camber bằng không, tảu trọng tác dụng lên trục bánh xe theo hướng F’ Khi có góc Camber dương tải trọng này chuyển thành lực lái F tác dụng the hướng cam lái Nhờ thế mà mômen tác dụng lên trục bánh xe và cam lái giảm xuống.

+ Thứ hai; Ngăn ngừa tuột bánh xe ra khỏi trục, tải trọng F tác dụng lên bánh xe

có thể chia ra thành hai thành phần F1 và F2 F2 là lực theo chiều trục có xu hướng đẩy bánh xe vào phía trong, giữ cho bánh xe không bị tuột ra khỏi trục.

+ Thứ ba; ngăn ngừa phát sinh Camber âm ngoài ý muốn do tải trọng, giữ cho phía trên của bánh xe không bị nghiêng về phía trong do sự biến dạng của các bộ phận của hệ thống treo và bạc lót gây ra bởi trọng lượng của hàng hóa hay hành khác.

+ Thứ tư; giảm lực lái

b Góc caster.

Hình 4-17 Góc Caster và khoảng Caster.

Góc caster có ảnh hưởng đến độ ổn định khi xe chạy trên đường thẳng, còn khoảng caster thì ảnh hưởng đến tính năng hồi vị bánh xe sau khi chạy xe trên đường vòng

Đối với những xe có góc caster, độ ổn định khi chạy trên đường thẳng sẽ tăng Vì khi trục xoay đứng quay để xe chạy vào đường vòng, nếu các bánh xe có góc caster thì lốp sẽ bị nghiêng đi so với mặt đường và tạo ra mômen “kích”, có

xu hướng nâng thân xe lên Mômen kích này đóng vai trò như một lực hồi vị bánh xe, có xu hướng đưa thân xe trở về vị trí nằm ngang và duy trì độ ổn định trên đường thẳng của xe.

c Góc Kingpin (Góc nghiêng của trụ xoay đứng)

Góc lệch được tạo thành giữa trục xoay đứng và đường thẳng đứng gọi là góc kingpin hay góc nghiêng của trục lái Trục xoay đứng là trục mà trên đó bánh xe có thể xoay về phía phải hoặc trái Trục này được xác định bằng cách vạch một đường thẳng tưởng tượng đi qua tâm của ổ bi đỡ trên của bộ giảm chấn

và khớp cầu của đòn treo dưới (đối với trường hợp hệ thống treo kiểu thanh giằng) Nhìn từ phía trước xe, đường thẳng này nghiêng về phía trong.

Hình 4-18 Góc Kingpin

Khoảng cách L từ giao điểm giữa trục xoay đứng và mặt đường đến giao điểm giữa đường tâm bánh xe và mặt đường được gọi là “độ lệch hay độ lệch kingpin”.

Vai trò của góc kingpin là làm giảm lực đánh lái Một tác dụng khác của góc kingpin là làm giảm lực phản hồi và lực kéo lệch sang một bên Nếu khoảng lệch quá lớn, lực dẫn động (lực đẩy xe) hoặc lực hãm sẽ tạo ra một mômen quay quanh trục xoay đứng lớn, tỷ lệ thuận với khoảng lệch Mặt khác, mọi chấn động tác dụng lên bánh xe sẽ làm cho vô lăng bị dật lại hoặc phản hồi Những hiện tượng này có thể được cải thiện bằng cách giảm khoảng lệch Nếu góc nghiêng của các trục xoay đứng bên phải và bên trái khác nhau thì xe sẽ bị kéo lệch về phía có góc nghiêng nhỏ hơn (có khoảng lệch lớn hơn) Trong các xe FF có động cơ đặt trước

và bánh trước chủ động, khoảng lệch thường là nhỏ (bằng không hoặc âm) để ngăn ngừa hiện tượng truyền chấn động từ lốp xe (do phanh hoặc chạy qua vật cản) lên vô lăng, và giảm thiểu mômen quay quanh trục xoay đứng do động lực tạo

ra khi khởi động nhanh hoặc tăng tốc.

d Góc chụm (độ chụm)

Khi phần phía trước của các bánh xe gần nhau hơn so với phần phía sau thì được gọi là “độ chụm”, và nếu ngược lại thì được gọi là “độ choãi”.

Hình 4-20 Góc chụm

Thông thường, mục đích ban đầu của góc chụm là khử bỏ lực đẩy ngang do góc camber tạo ra Vì vậy, góc chụm ngăn ngừa bánh xe mở ra hai bên khi có camber dương Tuy nhiên, mục đích chính của góc chụm là đảm bảo độ ổn định chạy trên đường thẳng Khi xe chạy trên đường nghiêng, thân xe nghiêng về một bên Khi đó

xe có khuynh hướng quay về phía nghiêng Nếu phần phía trước của mỗi bánh xe chụm vào trong (Độ chụm), thì xe có khuynh hướng chạy theo hướng ngược lại hướng nghiêng Vì vậy độ ổn định khi chạy trên đường thẳng được duy trì.

Tuy nhiên nếu độ chụm vào quá lớn, độ trượt bên sẽ làm cho lốp xe mòn không đều Nếu độ choãi ra quá lớn thì khó đảm bảo độ ổn định chạy đường thẳng.

e Góc quay vòng.

Hình (4-21) Bán kính quay vòng, góc quay vòng của bánh xe phía trước bên trái

và bên phải khi chạy trên đường vòng Với góc quay của bánh xe trước bên trái và bên phải giống nhau lốp xe bên trong hoặc ngoài sẽ bị trượt về một bên và không thể quay xe một cách nhẹ nhàng Điều này cũng làm cho lốp xe mòn không đều Với góc quay của các bánh xe bên phải và bên trái khác nhau, phù hợp với tâm quay của cả bốn bánh xe thì độ ổn định của xe chạy trên đường vòng sẽ tăng lên.

4.4.2 Độ đàn hồi của lốp.

Hình 4-22 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị

biến dạng dưới tác dụng của lực bên

Giả sử lực tác dụng lên bánh xe

chưa vượt quá lực bám của bánh xe

với mặt đường, khi đó sẽ xảy ra hiện

tượng lệch bên của lốp, có nghĩa là

vùng tiếp xúc của lốp với mặt đường

sẽ bị lệch đi một góc δ so với mặt

phẳng quay của bánh xe mà người ta

gọi đó là góc lệch bên

Sự đàn hồi của lốp này sinh ra

các trường hợp như quay vòng lý

tưởng, quay vòng thiếu, quay vòng

thừa mà ta đã xét ở mục (4.3)

4.4.3 Sự dao động của bánh xe dẫn hướng.

Những bánh xe dẫn hướng của ô tô trong những điều kiện nhất định bị dao động góc có tính chất chu kỳ xung quanh trụ đứng Hiện tượng này thường được cảm nhận ở tay người lái Những dao động mạnh ở bánh dẫn hướng có thể làm mất tính năng dẫn hướng của ô tô.

Hình 4-24 Sơ đồ các lực cản lăn có trị số khác

nhau tác động đến bánh xe dẫn hướng

Khi ô tô làm việc trên

đường lực cản lăn ở bánh xe trái

và bên phải có thể khác nhau rất

về trị số những lực này với cánh

tay đòn a hình (4-24) sẽ tạo nên

mô men và Dưới tác động của

hiệu hai mô men và Các bánh

xe quay quanh trụ đứng và tạo

nên những dao động góc

lực ly tâm hình (4-25) Lực có thể

phân thành hai thành phần : nằm

ngang và thẳng đứng Thành phần

nằm ngang với cánh tay đòn a có su

hướng làm quay bánh xe xung

quanh trụ đứng tần số thay đổi của

các mô men gây nên bởi các lực và

phụ thuộc vào chuyển động của ô

tô.

Hình 4-25 Sơ đồ lực ly tâm tác động

lên một bánh dẫn hướng.

Nếu các bánh xe dẫn

hướng quay mà các khối

lượng không cân bằng

của chúng nằm ở hai phía

đối diện đối với trục trước

Hình 4-27 Sơ đồ về sự phối

hợp động học giữa hệ thống

treo nhíp và dẫn động lái

Nếu khi các bánh dẫn hướng dịch chuyển thẳng đứng mà động học của các điểm giữ bánh xe hoặc trục trục trước với nhíp và của đòn quay ngang với thanh kéo dọc hệ thống lái không có sự phối hợp đúng thì cũng có thể gây nên những giao động góc của bánh dẫn hướng Thí dụ động học của bộ phận đàn hồi hệ thống treo có thể làm cho tâm bánh xe di chuyển theo cung AA với tâm dao động của các điểm 4 của khớp quay trước của nhíp 1 hình (4-27a), còn động học của thanh kéo dọc 3 lại làm cho hai bánh xe di chuyển theo cung BB với tâm quay ở khớp cầu 2 của đòn quay đứng, điều này sẽ đẫn đến việc làm nảy sinh những dao động góc của các bánh xe dẫn hướng do tác động của những dao động thẳng đứng.

Để phối hợp động học đúng của hệ thống treo và dẫn động lái, người ta sử dụng các cách bố trí như biểu thị trên hình (4-27b) và (4-27c) với mục đích để quỹ đạo dao động của nửa nhíp và thanh kéo dọc có cùng hướng