chương 5 tính ổn định của ô tô, môn học lý thuyết ôtô

chương 5, tính ổn định của ô tô, môn học lý thuyết ôtô

CHƯƠNG V : TíNH ổn định của ô tô - máy kéo

khái niệm chung về tính ổn định

Nói một cách khái quát, tính ổn định của ô tô - máy kéo là khả năng đảm bảo giữ đợc quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu trong mọi

điều kiện chuyển động khác nhau Tùy thuộc điều kiện sử dụng, ô tô-máy kéo có thể chuyển động hoặc đứng yên trên dốc ( đờng có góc ngiêng ngang hoặc góc ngiêng dọc), có thể quay vòng hoặc

phanh ở các loại đờng khác nhau (đờng tốt, đờng xấu,…) Trong

những điều kiện chuyển động phức tạp nh vậy, ô tô- máy kéo phải dữ đợc quỹ đạo chuyển động của nó sao không bị lật đổ, không bị trợt hoặc thùng xe không bị ngiêng, cầu xe quay lệch trong giới hạn chophép để đảm bảo cho chúng chuyển động an toàn Mục đích của việc thiết kế tính toán các cụm chi tiết cũng nh việc sử dụng, đều nhằm tăng khả năng an toàn chuyển động để nâng cao vận tốc chuyển động của xe, có nghĩa là tăng tính kinh tế và tính ổn định của ô tô-máy kéo trong mọi điều kiện làm việc

Tính ổn định của ô tô-máy kéo khi chuyển động, quay vòng hoặc khi phanh sẽ đợc khảo sát ở phần II : đi ngiên cứu tính ổn định của ô tô-máy kéo nhằm đảm bảo khả năng không bị lật không bị lật

đổ hoặc bị trợt trong các điều kiện chuyển động khác nhau Sau

đây là trình bày từng trờng hợp

khả năng đảm bảo cho xe không bị lật hoặc bị trợt khi đứng yên trên

G đợc phân ra làm hai thành phần Gcos và Gsin

+) Gcos : Phơng vuông góc mặt đờng +) Gsin : Phơng song song với mặt đờngHợp lực của các phản lực thẳng đứng của đờng tác dụng lên bánh

xe trớc là Z1 và bánh xe sau là Z2 Ta có : Z1 +Z2 = G.cos

Do tác dụng của thành phần trọng lợng Gsin, xe có thể bị trợtxuống dốc mặc dù có mômen cản lăn ( Mf ) Trị số của mômen cản lănnhỏ nên phải đặt phanh ở các bánh xe sau Lực phanh là Pp

Khi đó ta tính mômen tại B (Vì xe đng yên nên không có lực quántính và lực cản không khí ) sẽ đợc:

MB = Z1L - Gbcos1+ Ghgsin1=0 (V-1)Rút gọn Z1 = 0 ( vi xe bị lật quanh diểm A ) ta đợc :

tg1=

g

h b

(V-2)

Trong đó : 1 là góc giới hạn mà xe bị lật khi đứng quay đầu lêndốc.

Một số trị số của góc dốc giới hạn ở một số loại ôtô khi đứng trêndốc

+) Đối với xe du lịch và vận tải khi không tải: 1=600

+) Xe vận tải khi đẩy tải: 1=30 đến 400

+)Xe tự đổ khi không tải 1 = 20 350

Sự mất ổn định dọc của ôtô không chỉ do sự lật đổ dọc mà còn

do sự trợt trên dốc do không đủ lực phanh hoặc do bám không tốt giữacác bánh xe và mặt đờng trong trờng hợp này để tránh cho khỏi trợtlăn xuống dốc ngời ta thờng bố trí phanh ở các bánh xe Khi lực phanhlớn nhất đạt đến giới hạn bám, xe có thể bị trợt xuống dốc góc dốc giớihạn khi xe bị trợt đợc xác định nh sau:

Ppmax=Gsint = Z2 (V-3)Trong đó:

Ppmax : lực phanh lớn nhất đặt ở bánh xe sau

 : hệ số bám dọc của bánh xe với đờng

Z2 : hợp lực của các phản lực thẳng góc từ đờng tác dụng lênbánh xe sau

Theo phơng pháp xác đinh ở chơng II ( không có lực quán tínhcủa không và mômen quán tính) ta có :

a





 (V-4) với 't : góc dốc giới hạn trợt khi xe quay đầu lên

Để đảm bảo an toàn khi xe đứng trên dốc ngời ta thờng để điềukiện xe bị trợt trớc khi bị lật đổ, điều đó đợc xác định bằng biểuthức

tgt < tgl; (V-5)hay:

h b h

b h L a







(V-6)

Qua các trờng hợp trên, ta có nhận xét rằng góc giới hạn khi ôtô

đứng trên dốc bị trợt hoặc lật đổ chỉ phụ thuộc vào tạo độ trọngtâm của xe và chất lợng mặt đờng

+> dốc bên trái ( Quang Phái )

Tính ổn định dọc tĩnh của ô tô – máy kéo bánh xe là khả năng

đảm bảo cho xe không bị lật hoặc bị trợt khi đứng yên trên đờngdốc dọc

Hình V-2: trình bày sơ đồ lực và mômen tác dụng lên máy kéo bánh xe khi

đứng trên dốc.

L

a

b Gsina

Khi ô tô – máy kéo đứng trên dốc nghiêng quay đầu lên dốc sẽchịu tác dụng của các lực nh sau:

+Trọng lợng của ô tô - máy kéo đặt tại trọng tâm xe là G Do cógóc dốc 

nên G đợc phân ra làm hai phần G.cos và G.sin

+Hợp lực cảu các phản lực thẳng đứng của đờng tác dụng lênbánh xe trớc là Z1 và các bánh xe sau là Z2 Ta có Z1 + Z2 = Gcos

+Do tác dụng của thành phần trọng lợng Gsin , xe có thể bị trợtxuống dốc mặc dù có mômen cản lăn cản lại.Trị số cảu mômen cản lănnhỏ nên phải đặt phanh ở các bánh xe phía sau

Trờng hợp xe đứng yên trên dốc quay đầu lên(hình V- 2), khi gócdốc của tăng dần cho tới khi bánh xe trớc nhấc khỏi mặt đờng , lúc

đó hợp lực Z1 = 0 và xe sẽ bị lật quanh điểm O2 (O2 là giao điểm của

đờng và trục thẳng đứng qua tâm bánh xe sau) Để xác định gócdốc giới hạn mà xe bị lật đổ khi đứng yên quay đầu lên dốc, ta lậpphơng trình mômen của tất cả các lực đối với điểm O2 rồi rút gọn với

Z1 = 0 sẽ đợc:

Gbcos1 - Ghgsin1 0 ; (V – 7)

tg 1 = (V – 8)Trong đó : 1 - góc dốc giới hạn mà xe bị lật khi đứng quay đầulên dốc

Trờng hợp xe đứng yên trên dốc quay đầu xuống ta cũng làm tơng

tự bằng cách lấy mômen đối với điểm O1, thay Z2 =0 rồi rút gọn ta đợc:

Ppma=Gsin t= φ Z2 (V - 10)Trong đó :

tg t = φ (V - 11)Khi xe đứng trên dốc quay đầu xuống ,ta cũng xác định đợc góc dốc giới hạn khi xe bị trợt bằng cách tơng tự nh khi xe đứng quay đầu lên dốc :

tg ’1 = φ (V - 12)Trong đó :

t - góc dốc giới hạn bị trợt khi xe đứng yên trên dốc quay đầu lên ;

’t góc dốc giới hạn bị trợt khi xe đứng trên dốc quay đầu xuống ;

Đối với ô tô , cơ cấu phanh đợc bố trí ở tất cả các bánh xe.Do đó lực phanh cực đại Ppmax = φ.G.cos Cũng xác

định tơng tự nh trên ta có điều kiện để xe đứng trên dốc bị trợt nh sau:

tg t = tg ’t = φ (V - 13)

Để đảm bảo an toànkhi xe đứng yên trên dốc ngời ta thờng để

điều kiện xe bị trợt trớc khi bị lật đổ, điều đó đợc xác định bằng biểu thức :

tg t tg l ; (V - 14)

hay : (V - 15)

Qua các trờng hợp trên,ta có nhận xét rằng góc giới hạn khi ô tô – máy kéo đứng trên dốc bị trợt hoặc bị lật đổ chỉ phụ thuộc vào tọa

dộ trọng tâm của xe và chất lợng của mặt đờng

b Trờng hợp xe đứng trên dốc quay đầu xuống.

Là một trờng hợp rất rất ít thấy trong thực tế, thờng ngời lái xe khi phanh trên dốc thờng sử dụng phanh tay để phanh trên dốc, do đó th-ờng thấy là phanh quay đầu nên dốc Nhng trong quá trình tìm hiểu chơng này nhằm tìm hiểu sâu hơn về tính ổn định của xe trên dốc

l b

Hình vẽ : thể hiện sơ đồ lục và mômen tác dụng lên ô tô

Đứng yên quay đầu xuống dốc.

Khi ô tô đứng yên quay đầu xuống dốc sẽ chịu các lực tác dụng sau:

- Trọng lợng của ô tô đặt tại trọng tâm xe là G do góc nghiêng á nên G đợc phân ra làm hai thành phần G.cosα và G.sinα

- Hợp lực của các phản lực thẳng đứng của đờng tác dụng lên bánh xe trớc là Z1, bánh sau là Z2 ta có:

xe trớc) Để xác định góc dốc giới hạn α mà xe bị lật, ta lập

ph-ơng trình mômen của tất cả các lực đối với điểm O1

Ta có phơng trình mômen tại điểm O1: óMo1 = G.cosα.a –

G.sinα.hg – Z2.L = 0

Khi xe lật Z2 = 0 phơng trình mômen có dạng :

ómo1 = G.cosα.a – G.sinα.hg = 0

Một số trị số của góc giới hạn ở một số lạo ô tô khi đứng yên trên dốc.

+ Đối với xe du lịch và vân tải khi không tải :

Pmax = G.sinα = φ.Z2 (V-18)

Trong đó :

Pmax - Lực phanh lớn nhất đặt ở bánh xe sau;

 - Hệ số bám dọc của bánh xe với đờng;

Z2 - Hợp lực của các phản lực thẳng góc từ đờng tác dụng lên bánh xe sau

Theo phơng pháp xác định ở chơng II ta có :

Z2=

L

h G a

G.cos  g.sin

Thay giá trị Z2 vào (V-18) ta có : G.sin = φ

L

h G a

G.cos  g.sin

 Tangα = φ

g

h L

Để đảm bảo an tonà khi xe đứng trên dốc ngời ta thờng để

điều kiện khi xe bị trợt trớc khi lật đổ, điều đó đợc xác định bằng biểu thức :

φ

g

h L

a



 < a/hg (V - 20)

Qua trờng hợp ta xét trên, ta có nhận xét rằng góc giới hạn khi ô tô

đứng trên dốc bị trợt hoặc lật đổ chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe và chất lợng mặt đờng +> dốc bên phải ( Văn Tính )

Tính ổn định của ô tô máy kéo bánh xe là khả năng đảm bảo cho xe không bị lật hoặc bị trợt khi đứng yên trên đờng dốc dọc

Khi ô tô máy kéo đứng yên trên đờng dốc nghiêng quay đầu xuống dốc sẽ chiu tác dụng của các lục sau :

+ Trọng lợng của ô tô máy kéo đặt tại trọng tâm G của xe Do gócdốc α nên G đợc phân tích thành hai thành phần Gsinα và Gcosα

+ hợp lực của các phản lực thẳng đứng của đờng tác dụng lên bánh xe trớc là và bánh xe sau là ta có : + = Gcosα

+ Do tác dụng thành phần trọng lợng Gsinα nênxe có thể bị trợt xuống dốc mặc dù có mô men cản lăn cản lại trị số của mô men

cảnlawn nhỏ nên phải đặt phanh ở bánh xe sau

Khi α tăng dần cho tới lúc bánh xe sau nhấc khỏi mặt đờng lúc đóhợp lực = 0 và xe bị lật quanh Để xác định góc dốc giới hạn mà

xe bi lật đổ khi đứng quay đầu xuống dốc ta lập phơng trình mô men của tất cả các lực đối với :

∑ = G - G a + L = 0

= 0 => = (V - 21)

Trong đó: α : - góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ đứng khi xe quay

đầu xuống dốc

a: khoảng cách từ trọng tâm xe đén tâm cầu trớc

: khoảng cách từ đờng tới tâm xe

Cần chú ý rằng trong các phơng trình trên đã bỏ qua mô men cảnnhằm tăng tính ổn định của xe

Qua các biểu thức trên ta thấy rằng góc dốc giới hạn bị lật đoor tĩnh chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe

Sự mất ổn định dọc tĩnh của xe không chỉ do sự lật đỏ dọc màcon do sự trợt trên dốc do không đủ lực phanh hoặc do bàm ko tốt giữa bánh xe và đờng để tránh cho xe khỏi trợt lăn xuống dốc , ngời

ta bố trí phanh ở các bánh xe khi lực phanh lớn nhất đạt đến giới hạn bám ,xe có thể bị trợt xuống dốc ,góc dốc giới hạn khi xe bị trợt đợc xác

định nh sau :

= G = φ (V - 22)Trong đó :

: Lực phanh lớn nhất ở bánh xe sau: Hệ số bám dọc của xe với môi trờng

 G =

α: góc giới hạn bị trợt khi xe quay đầu xuống

Đối với ô tô cơ cấu phanh đợc bố trí ở tất cả các bánh xe do đó lựcphanh cực đại = G .cosα xác định tơng tự ta có điều kiện đẻ

5.1.1.2Tính ổn định dọc động

a Trờng hợp tổng quát

+> Trờng hợp xe chuyển động lên dốc (Ngọc Quân)

)

(

)

(

P m G m(f cos sin) (V - 28)

M

G - trọng lượng toàn bộ của mooc

Thay thế biểu thức (V - 27) và (V-26 ) vào (V-26a ) , rót gọn ta được:

L

h P h P P G

fr b G

L

h P h P P G

fr a G

Gãc dốc giới hạn khi xe bị lật đổ khi xe lªn dèc lµ :

Thay vào (V-29a ) ta được :

)(

cos

g

g g

b

h G

h P h

G

fr b G

Gãc dốc giới hạn khi xe bị lật đổ khi xe xuèng dèc lµ:

Thay vào (V-29b) ta được :

 Gcos(a fr b)(Gsin P)h g 0

 Gcos(a fr b)Ph g Gsin.h g

 Tg d= cos.(cos ) . cos

g

g g

b

h G

h P h

G

fr a G

+> Trờng hợp xe chuyển động xuống dốc (Văn Quân)

Khi ôtô- máy kéo chuyển động trên đờng dốc có thể bị mất ổn

định(bị lật đổ hoặc bị trợt) dới tác dụng của các lực và mômen hoặc

bị lật đổ khi ôtô chuyển động ở tốc độ cao trên đờng bằng ở đây

ta chỉ xét khả năng xe bị lật, còn khả năng dẫn hớng sẽ đợc nghiên cứu ở chơng VIII

Hình VII- 2: Trình bày sơ đồ lức và mômen tác dụng lên ôtô- máy kéo khi chuyển động xuống dốc không ổn định có kéo mócTrong đó:

L – chiều dài cơ sở của xe

a,b – khoảng cách từ trọng tâm đến trục bánh xe trớc và sau:

hg – toạ độ trọng tâm của xe theo chiều cao

h - khoảng cách từ điểm đặt lực cản của không khí đếnmặt đờng trong tính toán để đơn giản coi h  hg.

hm – khoảng cách từ điểm đặt lực kéo moóc đến mặt ờng

đ- - góc dốc của đờng trong mặt phẳng dọc

- Trọng lợng của ôtô- máy kéo đặt tại trọng tâm xe là G Do có gócdốc  nên G đợc phân ra làm hai thành phần Gcos và Gsin

Z1, Z2- hợp lực của các phản lực thẳng góc từ đờng tác dụng lênbánh xe trớc và sau Hợp lực của các phản lực thẳng đứng của các đ-

ờng tác dụng lên bánh xe trớc là Z1 và bánh xe sau là Z2 Ta có Z1 +Z2 =Gcos.

pk – lực kéo tiếp tuyến bánh xe chủ động

pf1 – lực cản lăn ở bánh xe bị động

Pf2 – lực cản lăn ở bánh xe chủ động

p - lực cản không khí

z1 , z2 phản lực pháp tuyến của mặt đờng tác dụng lên các bánh

xe ở cầu trớc và cầu sau

Pj – lực cản quán tính khi xe chuyển động không ổn định

Mj1,Mj2 – mômen cản quán tính của bánh xe thởng trị số của nónhỏ nên có thể bỏ qua

fr a G

Z

L

h P h P P G

b fr G

Z

m m g j

b

m m g j

(cos

sin)

(cos

2 1

Khi tăng góc dốc  đến giá trị giới hạn thì xe sẽ bị lật đổ ứng vớilúc Z2 = 0, bánh xe sau bị nhấc khỏi mặt đờng Cách làm tơng tự nhphần ổn định tĩnh, ta xác định đợc ngay góc dốc giới hạn mà xe bịlật đổ khi chuyển động lên dốc hoặc xuống dốc

Để đơn giản ta xét trờng hợp ôtô- máy kéo chuyển động ổn

định xuống dốc, không kéo moóc Do đó lực quán tính Pj = 0 và Pm =

Z1

Gcosa

Gsina G

Pk

a

b h

g

L

Trờng hợp này Pj = 0 ; Pm = 0 và Pf = 0 vì lực cản lăn nhỏ có thể bỏqua Do đó ta xác định đợc góc dốc giới hạn khi xe chuyển động lên dốc bị lật đổ :

Để tránh cho xe không bị lật đổ khi chuyển động trên dốc

nghiêng ta ,cần xác định điều kiện để xe trợt trên dốc:Khi lực kéo ở bánh xe chủ động đạt đến giới hạn bám thì xe bắt đầu trợt ,chỉ số của lực kéo đợc xác định nh sau :

Pkmax = P =  Z2 = Gsin; (V - 34)Mặt khác ta có :

P =  Z2 =  

L

h a

G  g 

 cos  sin

; ( V - 35)Rút gọn công thức (VII-13) và (VII-14) ta xác định đợc góc dốc giới hạn mà xe bị trợt :

tgđ =

g

h L

 – Hệ số bám dọc của bánh xe với đờng

c Trờng hợp xe chuyển động xuống dốc với tốc độ nhỏ, không kéo mooc và chuyển động ổn định ( Văn Sơn )

Khi ô tô - máy kéo chuyển động trên đờng dốc có thể bị mất

ổn định (bị lật đổ hoặc bị trợc) dới tác dụng của lực và mômenhoặc bị lật đổ khi ô tô chuyển động ở tốt độ cao trên đờng bằng ở

đây ta chỉ xét khả năng xe bị lật đổ, còn khả năng dẫn hớng sẽ đợcnghiên cứa ở chơng VIII

 Trờng hợp xe chuyển động xuống dốc với tốc độ nhỏ không kéomooc, chuyển

động ổn định,cầu sau chủ động

Trờng hợp nàypi  0 do ô tô chuyển động xuống dốc, p �j 0do ô tôchuyển động xuống dốc,p � 0 do ô tô chuyển động xuống dốc vớitốc độ nhỏ nên ta có thể bỏ qua lực cản không khí, P �f 0vì lực cảnlăn nhỏ lên bỏ qua

Hình dới đây sẽ trình bày các lực và mômen tác dụng lên xe khichuyển động xuống dốc với vận tốc nhỏ không kéo móoc và chuyển

động ổn định

 Trong đó:

1 L: chiều dài cơ sở của xe

2 a: khoảng cách từ trọng tâm đến tâm của cầu trớc

đ-6 M Mf1, 2:lần lợt là mômen cản lăn tại các bánh xe cầu

trớc và cầu sau

7 PK: lực kéo tiếp ở bánh xe chủ động

8 G :trọng tâm của xe, G đợc phân tích thành haithành phần:

+G sin  : - phơng song song với mặt đờng

- chiều theo chiều chuyển động,

có vai trò là thành phần lực hỗ trợ chuyển động

+ : - phơng vuông góc với mặt đờng

- chiều hớng từ trên xuống dới

g g

h

 

Để tránh cho xe không bị lật đổ khi chuyển động trên dốcnghiêng , ta cần xác định điều kiện để xe trợt trên dốc: khi lực kéo ởbánh xe chủ động đạt đến giới hạn bám thì xe bắt đầu bị trợt, trị sốcủa lực kéo đợc xác định nh sau:

: hệ số bám dọc của bánh xe với đờng.

g

a tg

th-d

tg tg

g g

.( )

Trên đây ta đã trình bày tính năng động lực học của ô tô khichuyển động xuống dốc với vận tốc nhỏ,chuyển động ổn định vàkhông kéo moóc Ngoài trờng hợp trên thi khi xuống dốc thờng thì ô tôchuyển động với vận tốc lớn (chuyển động nhanh dần đều).Trongthực tế thì khi xuống dốc ngời lái phải sử dụng phanh một cách tối uhoặc đi ở số thấp hơn đồng thời giảm và nhả côn.Trong chơng nàycha xét tới ảnh hởng của phanh tới tính năng động lực của ô tô khichuyển động,phần này sẽ đợc trình bày ở chơng IX.Để hiểu rõ hơn

về tính năng động lực học của ô tô khi chuyển động xuống dốc,ta đixét trờng hợp:

 Xe chuyển động xuống dốc với vận tốc lớn(chuyển động nhanhdần ) không kéo moóc cho xe 2 cầu chủ động

Hình dớc đây sẽ trình bày các lực và momen tác dụng lên xe khichuyển động

Trong đó:

1 L: chiều dài cơ sở của xe

2 a: khoảng cách từ trọng tâm đến tâm của cầu trớc

đ-6 M Mf1, 2:lần lợt là mômen cản lăn tại các bánh xe cầu

trớc và cầu sau

7 PK: lực kéo tiếp ở bánh xe chủ động

8 G :trọng tâm của xe, G đợc phân tích thành haithành phần:

+G sin  : - phơng song song với mặt đờng

- chiều theo chiều chuyển động,

có vai trò là thành phần lực hỗ trợ chuyển động

+ : - phơng vuông góc với mặt đờng

- chiều hớng từ trên xuống dới

9 P Pf1, 2: lần lợt là lực cản lăn tác dụng lên bánh

xe cầu trớc và cầu sau

10 P : lực quán tính của ô tô khi chuyển động j

11.M : momen tiếp tuyến ở bánh xe chủ động K

.cos ( ) ( sin ) 0

( sin ) cos ( )

.sin ( ) cos ( ) .sin cos ( ) ( ).cos .sin cos ( )

.sin

2

Z

cos �0

phải tính toán độ dốc của đờng theo giới hạn cho phép.Để trách nguy hiểm cho xe.Vì vậy việc tinh toán góc dốc giới là công việc rất quan trọng.

d Trờng hợp xe kéo mooc chuyển động nên dốc với vận tốc nhỏ và ổn định ( Văn Thanh)

phẳng thẳng đứng đi qua trục bánh xe sau ):

G

Gcosα

- G trọng lợng toàn bộ xe ;

- L chiều dài cơ sở của xe ;

- a , b khoảng cách từ trọng tâm đến trục bánh xe trớc và sau ;

- hg toạ độ trọng tâm của xe theo chiều cao ;

- h mkhoảng cách từ điểm đặt lực kéo moóc tới mặt đờng ;

- góc dốc của đờng trong mặt phẳng dọc ;

Gm trọng lợng toàn bộ của moóc

Thay thế biểu thức ( 1.2 ) vào ( 1.1 ) và rút gọn ta đợc :

Z 1 =

L

h P h G r f b

Gcos.(  b) sin g  m m

( 2.1 )

Để xác định hợp lực thẳng góc ở bánh xe sau Z2 ta lập phơng trình mômen của tất cả các ngoại lực đối với điểm B ( B là giao điểmcủa đờng với mặt phẳng thẳng đứng đi qua trục bánh xe trớc ) :

M B Z2.L Gsin.h g  P m.h m Gcos.a0 ( 1.4 )

Thay thế biểu thức ( 1.2 ) vào ( 1.4 ) rút gọn ta đợc :