Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ thiết bị thí nghiệm xác định hệ số bám

Khi mô men trên bánh xe vượt quá một giá trị nhất định, lốp còn bị trượt trên mặt đường: khi chịu mô men chủ động bánh xe sẽ trượt quay và khi chịu mô men phanh bánh xe sẽ trượt lết.. Tr

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS DƯƠNG NGỌC KHÁNH

Hà Nội – Năm 2017

i

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn

của TS Dương Ngọc Khánh Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên

dụng, Viện Cơ khí Động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội Các số liệu, kết

quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ

ii

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của Luận văn này, tôi xin bài tỏ lòng biết ơn chân

thành đến TS Dươn N ọc Kh nh, TS Trần Thanh Tùn các thầy đã hướng

dẫn, tư vấn và hỗ trợ cho tôi hết sức tận tình để thực hiện luận văn theo đúng tiến

độ đã đề ra

Đồng thời, tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến Quý thầy, cô ở Trường đại

học Bách khoa Hà Nội và cơ sở đối tác của Trường, lời cảm ơn đến quý Lãnh đạo

và các anh, chị đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện về cơ sở vật chất, thiết bị

trong thời gian tôi học và làm đề tài luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể học viên lớp

15BCKĐL-VL, gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm, động viên và chia sẻ

với tôi trong thời gian học tập và làm luận văn

T c

Lê Thuyết Lãm

iii

Mục lục

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chươn 1: Tổn quan 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Cấu tạo các bộ phận liên quan 4

1.4.1 Bánh xe 4

1.4.2 Lốp xe 5

1.4.2.1 Sơ lược về sự ra đời và phát triển của lốp xe 5

1.4.2.2 Sơ lược cấu tạo của lốp xe 6

1.4.2.3 Ký hiệu lốp xe 9

1.4.3 Bán kính bánh xe 10

1.4.3.1 Bán kính thiết kế r 0 10

1.4.3.2 Bán kính tĩnh r t 11

1.4.3.3 Bán kính động lực học r d 11

1.4.3.4 Bán kính lăn r l 12

1.4.3.5 Bán kính làm việc trung bình r b 13

1.5 Kết luận chương 1 14

Chươn 2: Cơ sở lý thuyết 15

2.1 Động lực học bánh xe 15

2.1.1 Phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe 15

2.1.1.1 Khi xe đứng yên 15

2.1.1.2 Khi xe chuyển động 15

2.1.2 Động lực học bánh xe 16

2.1.2.1 Trường hợp tổng quát 16

iv

2.1.2.2 Bánh xe chủ động 18

2.1.2.3 Bánh xe chịu mô men phanh 20

2.1.2.4 Bánh xe bị động 23

2.2 Sự trượt của bánh xe 24

2.2.1 Bánh xe chủ động 24

2.2.2 Bánh xe chịu mô men phanh 25

2.3 Khả năng bám của bánh xe ô tô và hệ số bám mặt đường 27

2.3.1 Khả năng bám 27

2.3.2 Lực bám 27

2.3.3 Hệ số bám 29

2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám 30

2.3.5 Bánh xe chịu lực ngang 32

2.3.5.1 Góc trượt ngang 32

2.3.5.2 Đặc tính góc của lốp 33

2.4 Phương trình động lực học 34

2.4.1 Viết cho thân xe 34

2.4.2 Viết cho bánh xe trước 35

2.4.3 Viết cho bánh xe sau 35

2.5 Các thành phần lực 35

2.5.1 Phương trình cân bằng lực dọc 35

2.5.2 Các thành phần lực 37

2.5.2.1 Lực kéo 37

2.5.2.2 Lực quán tính 38

2.5.2.3 Lực cản lăn 39

2.5.2.4 Lực cản không khí 40

2.6 Xác định hệ số bám 41

2.7 Phương án thu thập dữ liệu 41

2.8 Kết luận chương 2 42

Chươn 3: Th ết kế bộ đo 43

3.1 Thiết bị thí nghiệm 43

v

3.1.1 Load cell (Cảm biến lực) 44

3.1.2 Phần tử Gain (Phần từ khuếch đại) 46

3.1.3 Phần tử thu thập và xử lý tín hiệu 48

3.2 Phần mềm 50

3.2.1 Thuật toán 50

3.2.2 Bộ lọc Kalman 52

3.2.3 Giao diện trên máy tính 55

3.3 Kết luận chương 3 56

Chươn 4: Thí n h ệm đo hệ số b m và hệ số c n lăn 57

4.1 Điều kiện thí nghiệm 57

4.2 Quy trình thí nghiệm 57

4.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm 57

4.2.2 Tiến hành thí nghiệm 57

4.3 Kết quả thí nghiệm 60

4.3.1 Thí nghiệm xác định hệ số cản lăn 61

4.3.2 Thí nghiệm xác định hệ số bám 63

4.4 Kết luận chương 4 65

Kết luận chung 66

Tà l ệu tham kh o 67

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

21 Hình 3.5: Cơ cấu gá kẹp load cell

22 Hình 3.6: Phần tử khuếch đại INA128

23 Hình 3.7: Sơ đồ mạch của phần tử INA128

24 Hình 3.8: Sơ đồ kết nối phần tử INA128 với Load cell và Arduino

25 Hình 3.9: Phần tử thu thập và xử lý tín hiệu Arduino NANO

26 Hình 3.10: Đường đặc tính tuyến tính

viii

29 Hình 4.1: Cân tải trọng xe

30 Hình 4.2: Lắp đặt cảm biến

35 Hình 4.7: Xử lý số liệu trên Excel

36 Hình 4.8: Đồ thị lực kéo quá trình thí nghiệm ở vận tốc 20 km/h trên đường nhựa khô

37 Hình 4.9: Đồ thị lực kéo khi giữ nguyên vận tốc 20 km/h trên đường nhựa khô

38 Hình 4.10: Đồ thị lực kéo quá trình thí nghiệm ở vận tốc 20 km/h trên

đường nhựa ướt

39 Hình 4.11: Đồ thị lực kéo khi giữ nguyên vận tốc 20 km/h trên đường nhựa ướt

1

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, việc phát triển các nghành khoa học kỹ thuật là vô cùng cần thiết và quan trọng Trong đó sản xuất ô tô hiện nay là một trong những lĩnh vực đã và đang được nhà nước hết sức quan tâm Trên thế giới sản xuất ô tô tăng vượt bậc, ô tô trở thành phương tiện vận chuyển quan trọng về hành khách

và hàng hoá cho các ngành kinh tế quốc dân Ở nước ta số lượng ô tô gia tăng cùng với sự phát triển và tăng trưởng của nền kinh tế Mật độ xe trên đường ngày càng tăng điều này dẫn đến vấn đề tai nạn giao thông mà chúng ta đang là vấn đề bức thiết đối với các nhà quản lý

Trong những năm gần đây, công nghệ xây dựng cơ sở hạ tầng giao thông đường bộ đã có những bước phát triển mới, đặc biệt là mặt đường Việc kiểm nghiệm và đo đạc các thông số của mặt đường, trong đó có hệ số bám là cực kỳ quan trọng, ảnh hưởng tới tính kỹ thuật và an toàn, nhưng hiện chưa có các công cụ để đo đạc và thu thập các thông số mặt đường với độ chính xác cao, khiến cho các nghiên cứu trở nên khó khăn

Đề tài:” “N h ên cứu th ết kế chế tạo bộ th ết bị thí n h ệm x c định

hệ số b m” được thực hiện với mong muốn góp một số vấn đề nhỏ trong lĩnh

vực nghiên cứu về hệ số bám của của đường nhằm giảm tai nạn giao

Đề tài chỉ tập trung vào các nội dung chính:

ơn chân thành nhất tới TS Dương Ngọc Khánh, TS Trần Thanh Tùng đã tận

2

tình chỉ bảo, giúp đỡ trong việc định hướng nghiên cứu và các phương pháp

giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu còn hạn chế

nên đề tài khó tránh khỏi các sai sót, tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự

quan tâm, đóng góp ý kiến của các thầy, cô và các bạn đồng nghiệp nhằm bổ

sung cũng như hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu tiếp theo

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017

Tác giả

Lê Thuyết Lãm

- Với những lý do như đã đề cập, tôi đã lựa chọn đề tài “N h ên cứu

th ết kế chế tạo bộ th ết bị thí n h ệm x c định hệ số b m” làm đề tài cho

luận văn thạc sỹ kỹ thuật của mình

1.2 Mục t êu n h ên cứu

- Thiết kế và chế tạo bộ đo hệ số bám đường của bánh xe ô tô;

- Thí nghiệm xác định hệ số bám của đường

1.3 Nộ dun n h ên cứu

- Thiết kế bộ đo lực kéo, cụm gá lắp thiết bị;

- Nghiên cứu lựa chọn và gá lắp cảm biến lực Nghiên cứu kết nối, hiển thị và xử lý tín hiệu cảm biến;

- Điều khiển và kết nối máy tính, hiển thị kết quả, kiếm tra và phân tích các kết quả thí nghiệm, mô phỏng

 Giảm tác động từ mặt đường lên xe

vòng

 Kiểm soát hướng chuyển động của ô tô

Khả năng chuyển động của ô tô phụ thuộc các lực thẳng đứng Fz, lực dọc

Fx và lực ngang Fy, ta gọi là các lực tương tác bánh xe - mặt đường

5

tạo như hình 1.1 gồm có lốp (2), vành bánh xe (3), van không khí (4) Bánh xe hình 1.1.a là bánh xe với lốp có săm (1) Đây là loại bánh xe thông dụng trước đây, khi mà công nghệ làm kín chưa phát triển Không khí được chứa trong săm, săm đặt trong lốp Ngày nay do có thể làm kín tốt người ta dần bỏ săm đi

và bánh xe với lốp không săm có cấu tạo như hình 1.1.b

Nghiên cứu tương tác giữa bánh xe và đường, người ta chia làm hai loại:

- Bánh xe đàn hồi trên nền cứng

- Bánh xe đàn hồi trên nền đường không có kết cấu bền vững

Loại thứ nhất có ý nghĩa cho nghiên cứu ô tô trên đường giao thông, còn loại thứ hai có ý nghĩa cho xe quân sự, công trường, vùng mỏ, nông nghiệp Trong phạm vi luận văn này chúng ta chỉ xét bánh xe đàn hồi trên nền cứng Khi nghiên cứu động lực học bánh xe có 3 vấn đề quan trọng đầu tiên cần được đề cập là cản lăn, bám và sự trượt của bánh xe

1.4.2 Lốp xe

1.4.2.1 Sơ lược về sự ra đờ và ph t tr ển của lốp xe

Lốp xe ngày nay là phần quan trọng nhất của bánh xe Tuy nhiên lốp cũng chỉ mới ra đời và phát triển hơn 150 năm, nghĩa là sau khi ô tô ra đời Chúng ta có thể xem chiếc ô tô ra đời năm 1770, bánh của nó không có lốp

Hình 1.2: Bánh xe không có lốp

6

Có lẽ loài người đã biết về cây cao su từ xa xưa, mủ của nó có tính đàn hồi rất cao nhưng nếu để tự nhiên thì khả năng sử dụng của nó cho cuộc sống con người còn rất hạn chế Đến năm 1839, Charles Goodyear đã tìm ra công nghệ lưu hóa cao su (cho lưu huỳnh vào mủ cao su) Cao su được lưu hóa có đặc tính hơn hẳn cao su tự nhiên và cao su được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực của cuộc sống Mặc dầu vậy cũng phải đến năm 1845, lốp hơi đầu tiên mới được ra đời do Robert Willam Thompson chế tạo Chiếc lốp hơi đầu tiên này được mô tả là gồm một vài ống cao su mỏng được bơm hơi vào, bên ngoài phủ một lớp da [6]

Năm 1888 John Boyd Dunlop đăng ký phát minh lốp hơi cho xe đạp và năm 1893 Công ty lốp Dunlop (The Dunlop Pneumatic and Tyre Co.) đã ra đời

ở Hanau Công hòa Liên bang Đức [7]

Có một câu chuyện kể lại rằng năm 1895, André và Edoard Michelin đã sản xuất lốp hơi cho xe Feugeot chạy thử nghiệm hành trình Paris – Bordeaux – Paris (720 dặm ≈ 1158 km), xe bị xẹp lốp 50 lần và phải thay mất 22 bộ săm Năm 1899 ở châu Âu người ta đã chế tạo được lốp bền hơn (chạy được khoảng 500 km)

Năm 1904 người ta cho các bon vào cao su tạo nên lốp đen

Năm 1908 Frank Seiberling làm lốp có khía rãnh, làm tăng khả năng bám cho lốp

Năm 1922 Dunlop cho ra đời lốp có vành thép ở mép lốp

Năm 1943 lốp không săm được đăng ký bản quyền ở châu Âu

Năm 1946 lốp hướng kính (radian) ra đời

1.4.2.2 Sơ lược cấu tạo của lốp xe

Lốp là một balông khí có cấu tạo như phần tử cơ bản có ý nghĩa của lốp

là các lớp mành Mành lốp được đan bởi nhiều sợi ni lông có độ đàn hồi cao; các sợi mành tạo thành các lớp bố trong cao su có khả năng đàn hồi Tùy theo

7

các thiết kế, các góc chạy của sợi mành có thể làm với mặt phẳng lốp một góc nào đó gọi là góc mành Góc mành có vai trò quyết định đến thuộc tính của lốp Nếu góc mành bé, đặc tính ngang của lốp là tốt nhưng lốp lăn không được êm Ngược lại nếu lốp mành đan 90o có thể tạo ra đặc tính êm dịu khi chuyển động nhưng đặc tính ngang là không tốt Để lợi dụng được hai thuộc tính trên, người

ta thực hiện giải pháp trung hòa là các mành phải đan góc lớn hơn 40o, phải có nhiều hơn hai lớp và đan lệch hướng nhau Do đó khi chuyển động, các phần tử cao su (của một thiết diện lốp) co vào, giãn ra giữa lốp và đường gây mòn lốp

và tăng hệ số cản lăn (với lốp mành chéo, các phần tử cao su có khả năng co giãn ngang nhiều hơn) Do hạn chế đó nên ngày nay phần lớn các lốp xe cao tốc có cấu trúc mành vuông góc 90o

Về cấu trúc, lốp có 3 lớp: Lớp trong cùng là lớp mành, gồm các sợi nilông bền chắc đan lại với nhau Tùy theo góc đan mà có loại lốp mành vuông góc (sợi ni lông vuông góc với mặt phẳng bánh xe) và lốp mành chéo Trên lớp mành là lớp đệm, nằm giữa lớp mành và bề mặt lốp Lớp đệm được đan bởi sợi

tạo thành lớp đệm đàn hồi ngang, nhằm hỗ trợ khả năng đàn hồi ngang cho lốp hướng kính, tăng cường khả năng ổn định chuyển động Lớp ngoài cùng là bề mặt lốp là lớp cao su khi chuyển động sẽ tiếp xúc với mặt đường [1]

Hình 1.3: Lốp xe

8

Đối với lốp mành vuông góc, do

chuyển động ngang của lốp so với đường

giảm, nhiệt năng sinh ra trong lốp ít hơn

60% so với lốp mành chéo trong điều

kiện tương tự nên tuổi thọ của lốp hướng

kính tăng gấp 2 lần Mặt khác loại lốp

này áp suất nền hầu như không thay đổi

trong bề mặt tiếp xúc Ngược lại lốp

mành chéo, áp suất nền thay đổi theo

từng điểm trên bề mặt tiếp xúc, tạo ra các

chuyển động tương đối của các phần tử cao su của bề mặt lốp Lớp đệm đan chéo trong lốp mành vuông góc có vai trò tăng cường đàn hồi ngang như lốp mành chéo, làm tăng cứng cho bề mặt lốp

Qua một số đặc điểm kết cấu ta dễ dàng thấy khả năng truyền lực của lốp là khác nhau, phụ thuộc cấu trúc, áp suất lốp và vì vậy chúng có đặc tính không giống nhau Tính chất truyền lực phụ thuộc hai thuộc tính là biến dạng của lốp (cấu trúc lốp) và tương tác lốp - đường (quan hệ tương tác) Lốp hiện đại ngày nay có thành phần là hỗn hợp của thép, sợi, cao su và một số chất khác

Ví dụ lốp 195/50 R15 ContiEcoContact nặng 8,5 kg có thành phần như sau:

Thành phần tăng cường: thép, tơ tổng hợp, ni lông: 16%,

Cao su thiên nhiên/tổng hợp: 38%;

Các chất pha trộn (compounds): cacbon, sa thạch, đá vôi,… : 30%;

9

1.4.2.3 Ký h ệu lốp xe

Hình 1.4 thể hiện một số kích thước của lốp:

Chiều rộng B; chiều cao H; bán kính ngoài r0; bán kính trong rv: bán kính này tương đương với bán kính vành lốp (larăng) Đường kính trong của lốp (tức đường kính vành lốp): d = 2r0

Loại lốp tôrôit được lắp cho các loại xe trước đây và nay còn được lắp trên một số xe tải có B = H Loại lốp này nếu là lốp áp suất thấp (áp suất = 0,08

÷ 0,5 MN/m2) thì có ký hiệu: “B – d” Khi đó bán kính lốp được tính:

2

20

B d

(1.1)

Các loại lốp này nay (đặc biệt lốp lắp trên xe du lịch) thường có H < B Loại lốp này có ký hiệu thể hiện được nhiều thông số Ví dụ lốp có ký hiệu: P215/65R15 95H Ký hiệu này được hiểu như sau:

P: loại xe: ký tự này cho ta biết lốp sử dụng cho loại xe nào: P

“Passenger”: lốp dùng cho xe chở khách Một số ký tự khác: LT “Light Truck”:

xe tải nhẹ, bán tải; T “Temporary”: lốp thay thế tạm thời

95: tải trọng mà lốp có thể chịu được Thông thường vị trí này có số từ

75 đến 105 tương đương với tải trọng 380 đến 925 kg

H: ký tự này chỉ giới hạn vận tốc tối đa (vmax) mà lốp có thể hoạt động bình thường: H tương ứng với vận tốc tối đa 210 km/h vmax có thể tra bảng sau đây (bảng 1.1):

vmax(km/h)

Ký hiệu

vmax(km/h)

Ký hiệu

vmax(km/h)

Ngoài những thông số chính, trên lốp xe còn có các ký hiệu khác:

Treadwear: Khả năng chịu mòn của lốp: Giá trị tiêu chuẩn là 100, chỉ số

này càng cao thì khả năng chịu mòn của lốp càng cao

Traction: Khả năng bám của lốp Theo thứ tự từ cao xuống thấp: AA, A,

Khoảng cách từ tâm trục bánh xe đến mặt đường khi xe chuyển động Có

thể coi đây là bán kính thực tế của xe khi xe chuyển động

Bán kính rd phụ thuộc: tải trọng thẳng đứng, vật liệu lốp, áp suất lốp, mô

men trên bánh xe, vận tốc xe Yếu tố vận tốc xe thực chất là lực li tâm khi bánh

xe quay tuy nhiên yếu tố này tác động không nhiều đến bán kính rd

Trên hình 1.5 thể hiện kết quả thí nghiệm xác định mức độ ảnh hưởng

được tiến hành trên bệ thử tang trống, bán kính thiết kế của bánh xe r0 = 420

mm, tải trọng thẳng đứng 6000 N, vận tốc quay của tang trống quy ra vận tốc

xe là 20 km/h

a) b)

Hình 1.6: Biến dạng tiếp tuyến của lốp xe khi chịu mô men xoắn

a) Khi chịu mô men chủ động b) Khi chịu mô men phanh

biến dạng khi làm việc,

không trượt lết, trượt quay

và cùng vận tốc góc và

vận tốc dài như bánh xe

thực tế

Giả sử bánh xe thực

tế quay n vòng và đi được

một quãng đường s, khi đó bánh xe giả định cũng quay được n vòng và đi được quãng đường S Ta có biểu thức sau đây:

n



 (1.2)

đứng, vật liệu lốp, áp suất lốp, mô men trên bánh xe, vận tốc xe, trong đó yếu

tố ảnh hưởng nhiều nhất là mô men trên bánh xe

mức độ định tính có thể được thể hiện trên hình 1.6 Dưới tác dụng của mô men các thớ lốp bị nén lại hay căng ra Ở hình 1.6.a mô men trên bánh xe là mô men chủ động, các thớ lốp trước khi vào vùng tiếp xúc với mặt đường bị nén lại, sau khi ra khỏi vùng tiếp xúc bị căng ra; ở hình 1.6.b là mô men trên bánh xe là mô men phanh thì hiện tượng xảy ra ngược lại Hiện tượng này làm thay đổi quãng

Hình 1.7: Ảnh hưởng của mô men chủ động

đến bán kính lăn của bánh xe

13

đường đi được thực tế S của bánh xe thay đổi: khi chịu mô men chủ động S giảm đi và khi chịu mô men phanh S tăng lên

Kết quả là khi có mô men xoắn tác dụng vào bánh xe (mô men chủ động

giảm đi và khi chịu mô men phanh rl tăng lên Trên hình 1.7 thể hiện kết quả thí nghiệm trên bệ thử tang trống xác định mức độ ảnh hưởng của mô men chủ động trên bánh xe đến bán kính lăn rl

Khi mô men trên bánh xe vượt quá một giá trị nhất định, lốp còn bị trượt trên mặt đường: khi chịu mô men chủ động bánh xe sẽ trượt quay và khi chịu

mô men phanh bánh xe sẽ trượt lết

Như vậy khi mô men chủ động trên bánh xe tăng lên, bán kính lăn giảm

đi, đến một lúc nào đó, bánh xe bị

trượt quay hoàn toàn, bánh xe đứng

tại chỗ và S = 0, do đó trong trường

hợp này rl = 0, lúc này

mô men chủ động đạt cực đại

Ngược lại, khi mô men phanh

trên bánh xe tăng lên, bán kính lăn

tăng lên, đến một lúc nào đó, bánh xe

bị trượt lết hoàn toàn, bánh xe không

quay và nb = 0, do đó rl = ∞ và đồng thời mô men phanh đạt cực đại

1.4.3.5 B n kính làm v ệc trun bình r b

Là bán kính có kể đến biến dạng của lốp do ảnh hưởng của các thông số

đã trình bày ở trên Bán kính này sẽ được sử dụng trong quá trình tính toán động lực học cũng như thiết kế ô tô

Nội dung liên quan đến tổng quan về cơ sở lý thuyết của lốp xe, bánh xe làm cơ sở để khảo động lực học của xe khi phanh cũng đã được đề cập

2.1.1 Ph n lực thẳn đứn từ mặt đườn t c dụn lên b nh xe

2.1.1.1 Kh xe đứn yên

Khi đứng trên mặt đường, bánh xe và mặt đường biến dạng tạo nên vùng tiếp xúc với mặt đường Áp lực từ mặt đường lên bánh xe phân bố đối xứng qua trục thẳng góc đi qua tâm bánh xe và hợp lực của chúng là Fz cũng nằm trên trục đó Mặt khác bánh xe chịu trọng lượng của xe tác dụng lên bánh xe G’b và trọng lượng của chính bánh xe G”b

về phía trước (theo hướng chuyển động của xe) Áp suất tại diện tích tiếp xúc cũng phân bố lệch về phía trước Do vậy hợp lực Fz nằm lệch về phía trước một khoảng e so với trục thẳng góc đi qua tâm bánh xe (hình 2.1.b)

16

2.1.2 Độn lực học b nh xe

2.1.2.1 Trườn hợp tổn qu t

Xét một bánh xe đang chuyển động (hình 2.2) Bánh xe có khối lượng m,

mô men quán tính khối lượng I, bán kính động lực học rd Bánh xe (và xe) chuyển động tịnh tiến theo chiều x, chuyển động quay theo chiều φ Trong trường hợp tổng quát bánh xe chịu các lực và mô men ngoại lực sau đây:

 Từ phía khung xe: Lực dọc Fx’ và lực thẳng đứng Fz’;

 Từ phía mặt đường: Phản lực pháp tuyến Fz , phản lực tiếp tuyến Fx;

Phương trình chuyển động tổng quát của bánh xe như sau:

(2.1) a) b)

Hình 2.1: Phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe [2]

mg chính là trọng lượng bản thân bánh xe; khi xe không dao động thẳng

đứng thì Fz’ là trọng lượng xe phân bố lên bánh xe

Đặt: Gb = Fz’ + mg

Ta có: Fz = Gb (2.4)

Từ 2.3 ta có: (2.5)

Khảo sát các thành phần của Fx trong biểu thức 2.5:

 Thành phần chỉ có khi xe chuyển động có gia tốc;

 Thành phần này có khi xe chuyển động (khi xe đứng yên e = 0),

 Biểu thức 2.5 cho thấy thành phần này ngược dấu với Fx có nghĩa là

ngược chiều chuyển động (xem hình 2.2)

Như vậy ta thấy thành phần này cản trở chuyển động của bánh xe và

được định nghĩa là lực cản lăn ký hiệu Ff

 (2.7)

f là một hệ số không thứ nguyên được gọi là hệ số cản lăn

Như vậy: Ff = fFz = fGb

có khi bánh xe chịu tác động của mô men (mô men chủ

động hoặc mô men phanh)

Từ 2.1 ta có:

Biểu thức 2.9 là phương trình cân bằng các lực dọc tác dụng lên bánh xe

khi chuyển động trong trường hợp tổng quát Sau đây ta sẽ xét từng trường hợp

cụ thể

2.1.2.2 B nh xe chủ độn

Đối với bánh xe chủ động thì mô men M tác dụng vào bánh xe được

của xe là động cơ đốt trong với mô men Me, hệ thống truyền lực có tỉ số truyền

it, hiệu suất truyền lực ηt thì Mk được xác định bằng biểu thức:

Mk = Meitηt (2.10)

Hình 2.2 Hình 2.3

19

Lúc này

d

M r

trong biểu thức 2.9 trở thành k

d

M r

và trục bánh xe tác dụng vào khung xe (lực F’x) Lực này sẽ thông qua khung

xe đẩy vào bánh xe bị động đồng thời khắc phục các lực cản chuyển động của

xe Trường hợp xe chuyển động ổn định (không có gia tốc) thành phần quán tính sẽ không có Như đã nói ở trên, khi khảo sát chuyển động của cả xe, thành phần này được gộp vào thành phần quán tính của thân xe và các bánh xe khác thành lực quán tính chung của cả xe

Để đánh giá khả năng truyền lực kéo của bánh xe người ta đưa ra thông

số hệ số lực kéo pk Hệ số lực kéo được định nghĩa là tỉ số giữa lực kéo Fk và phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng vào bánh xe Fz

k k z

F p F

 (2.13)

Để tiện lợi cho việc khảo sát bánh xe ta quy ước vẽ bánh xe chủ động với các lực tác dụng như trên hình 2.3 trong đó ta đặt phản lực thẳng đứng từ mặt

phản lực tiếp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe lúc này có 2 thành phần: lực cản lăn Ff và lực kéo tiếp tuyến Fk, thành phần lực quán tính được gộp vào lực cản quán tính của cả xe

20

2.1.2.3 B nh xe chịu mô men phanh

Đối với bánh xe khi phanh thì mô men M tác dụng vào bánh xe là mô

men phanh Mp do cơ cấu phanh sinh ra Mp có chiều ngược với chiều quay của

chiều chuyển động của xe (ngược với chiều của F’x trên hình 2.2) Khi phanh

có chiều ngược với chiều chuyển động của xe (chiều x) và có chiều ngược

với chiều quay của bánh xe (chiều φ)

trong biểu thức 2.14 được định nghĩa là lực phanh, ký

hiệu Fp

Biểu thức 2.14 trở thành: (2.15)

của bánh xe, phần còn lại (lực F’x) thông qua bánh xe tác dụng lên khung xe để

cản lại chuyển động của xe khi phanh và là lực tạo ra gia tốc chậm dần của xe

khi phanh Lúc này lực cản lăn ở bánh xe cũng như lực cản khác của xe (như

lực cản không khí) có tác dụng hỗ trợ cho lực phanh Tương tự như đối với

bánh xe chủ động, khi khảo sát chuyển động của cả xe, thành phần này được

gộp vào thành phần quán tính của thân xe và các bánh xe khác thành lực quán

tính chung của cả xe

21

Để đánh giá khả năng truyền lực phanh của bánh xe người ta đưa ra thông số hệ số lực phanh pp Hệ số lực phanh được định nghĩa là tỉ số giữa lực phanh Fp và phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng vào bánh xe Fz

Hình 2.4 Hình 2.5

Hình 2.6: Sơ đồ thiết bị đo khoảng dịch chuyển của phản lực thẳng đứng lên bánh xe

22

p p p

Đối với bánh xe chịu mô men phanh, khoảng cách e (khoảng dịch chuyển về phía trước của phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng vào bánh xe) phụ thuộc nhiều vào giá trị Mp Các nhà khoa học Xô viết đã chế tạo ra thiết bị đơn giản để đo được giá trị a khi chịu mô men phanh Thiết bị này có

sơ đồ như trên hình 2.6

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị này như sau:

Bánh xe 1 được đặt trên một tấm phẳng nằm ngang 2 Bánh xe được treo một vật nặng 5 sao cho tổng trọng lượng của 1, 3 và 5 là Gb Trên trục bánh xe được lắp cần 3 để kéo bánh xe Tại vị trí A của cần 3 được tác động một lực kéo F’x Lực kéo F’x được tạo bởi một động cơ điện (không có trong sơ đồ) qua ròng rọc 4 Cũng tại ví trí A của cần 3 theo phương thẳng đứng người ta đặt một thiết bị đo lực thẳng đứng S

phát sinh khi kéo bánh xe

Khi kéo bánh xe chuyển động,

tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe với

tấm 2 có phản lực pháp tuyến Fz và

phản lực tiếp tuyến Fx Phản lực Fx

cân bằng với lực kéo F’x Phản lực

Fz sẽ bị lệch về phía trước một

khoảng a, điều này được thể hiện

bằng việc xuất hiện lực S

Cân bằng mô men với tâm

bánh xe ta có:

Hình 2.7: Sự thay đổi của khoảng cách dịch chuyển e theo lực phanh

23

Fze = Sc do đó:

z

Sc e F



Bánh xe thí nghiệm có lắp cơ cấu phanh và do đó dễ dàng tạo ra mô men

phanh khi thí nghiệm Kết quả thí nghiệm với bánh xe của xe ГАЗ-АА với kết

quả như trên hình 2.7

Khi không phanh (tương ứng với bánh xe bị động) e = 7 mm Khi giá trị

lực phanh Fp (không xét đến dấu), trên hình vẽ là Fx hay Fb) tăng lên thì e giảm

xuống (hình 2.7) Khi lực phanh đạt 2000N thì e = 0, nghĩa là lúc đó phản lực

Fz đi qua tâm bánh xe Khi phanh cực đại (bánh xe bị trượt lết), e = -4 mm

Như vậy khi phanh cực đại phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe

dịch chuyển ra phía sau (theo chiều chuyển động của xe) vì thế thành phần “lực

d

e

F

r lúc này có giá trị âm Tuy nhiên như đã nói ở trên giá trị Ff << Fp

nên để đơn giản khi khảo sát bánh xe chịu mô men phanh ta có thể bỏ qua lực

cản lăn Ff

2.1.2.4 Bánh xe bị độn

Bánh xe bị động là bánh xe không có mô men từ động cơ truyền xuống

(không có mô men chủ động), như vậy M = 0 Bánh xe bị động chuyển động

được là nhờ lực đẩy từ khung xe F’x do đó F’x cùng chiều với chiều chuyển

động của xe (ngược với chiều của F’x trên hình 2.2) [3]

Biểu thức 2.9 lúc này trở thành:

(2.17)

Nhìn vào biểu thức 2.17 ta thấy để bánh xe chuyển động được, lực đẩy từ

khung xe phải thắng lực cản lăn và lực cản quán tính của bánh xe Trường hợp

xe chuyển động ổn định (không có gia tốc) thành phần quán tính sẽ không có

24

và lực đẩy từ khung xe chỉ phải thắng lực cản lăn của bánh xe Tương tự như

đối với bánh xe chủ động và bánh xe khi phanh, khi khảo sát chuyển động của

cả xe, thành phần quán tính của bánh xe được gộp vào thành phần quán tính

của thân xe và các bánh xe khác thành lực quán tính chung của cả xe

Tuy nhiên trên thực tế có thể xảy ra s ≠ 2nπrd Hiện tượng s ≠ 2nπrđ

được gọi là hiện tượng trượt của bánh xe

Một cách khác đi khi bánh xe lăn không trượt với vận tốc góc ωb thì vận

tốc dài v của xe là:

v = ωbrd (2.19) Hiện tượng v ≠ ωbrd được gọi là hiện tượng trượt của bánh xe Chúng ta biết rằng sự lăn không trượt (lăn tinh) chỉ có thể có ở bánh xe

lý tưởng Đối với bánh xe không có mô men xoắn (bánh xe bị động không

phanh) sự trượt thường không đáng kể Tuy nhiên đối với các bánh xe có mô

Mp thì luôn có sự trượt

2.2.1 Bánh xe chủ độn

v < ωbrd.

Hiện tượng v < ωbrd được gọi là hiện tượng trượt của bánh xe chủ động

Để đánh giá mức độ trượt người ta đưa ra hệ số trượt đối với bánh xe chủ

động λk Hệ số trượt λk được định nghĩa như sau:

25

1

b d k

Khi v = 0: bánh xe bị trượt quay hoàn toàn, khi đó λk = 1

Sự trượt của bánh xe chủ động xảy ra chủ yếu theo hai quá trình và do hai nguyên nhân chính sau đây:

 Trượt do biến dạng của lốp: Lốp làm bằng vật liệu cao su có tính đàn

bị nén lại, các thớ lốp ra khỏi vùng tiếp xúc phía sau sẽ bị căng ra (hình 1.4.a) Hiện tượng này làm cho quãng đường s giảm đi và sự trượt ở giai đoạn này là trượt do biến dạng Giai đoạn này độ trượt λk và mô men Mk (hay lực kéo Fk) có quan hệ gần như là tuyến tính

- Trượt do có chuyển động tương đối giữa hai bề mặt lốp và đường: Khi

còn tuyến tính nữa Đến một giá trị nào đó, mô men Mk đạt giá trị cực đại và nếu

sự trượt tiếp tục tăng thì mô men Mk giảm đi Điều này được lý giải là do có sự trượt giữa bề mặt lốp và đường làm sinh nhiệt làm hỏng vật liệu lốp (và cả đường nếu đường là bê tông nhựa) Kết quả các thí nghiệm cho thấy hệ số lực kéo đạt cực đại khi độ trượt đạt khoảng 0,15 ÷ 0,2 (15 ÷ 20%)

2.2.2 B nh xe chịu mô men phanh

Đối với bánh xe khi phanh tức bánh xe chịu mô men phanh Mp xảy ra v >

ωbrd.

Hiện tượng v > ωbrd được gọi là hiện tượng trượt của bánh xe khi phanh

Để đánh giá mức độ trượt người ta đưa ra hệ số trượt đối với bánh xe phanh λp Hệ số trượt λp được định nghĩa như sau:

26

Khi v = ωbrd: bánh xe không bị trượt, khi đó λp = 0;

Khi ωb = 0: bánh xe bị trượt lết hoàn toàn, khi đó λp = -1

Tương tự như bánh xe chủ động, sự trượt của bánh xe chịu lực phanh xảy

ra chủ yếu theo hai quá trình và do hai nguyên nhân chính sau đây:

 Trượt do biến dạng của lốp: Khi có mô men phanh Mp, các thớ lốp trước khi vào vùng tiếp xúc bị căng ra, các thớ lốp ra khỏi vùng tiếp xúc phía sau sẽ bị nén lại (hình 1.4.b) Hiện tượng này làm cho quãng đường s tăng lên và

sự trượt ở giai đoạn này là trượt do biến dạng Giai đoạn này độ trượt λp và mô men Mp (hay lực phanh Fp) có quan hệ gần như là tuyến tính

mô men phanh Mp đạt đến một giá trị nhất định, sẽ có sự chuyển động tương đối

tuyến tính nữa Đến một giá trị nào đó, mô men Mp đạt giá trị cực đại và nếu sự trượt tiếp tục tăng thì mô men Mp giảm đi Điều này cũng là do có sự trượt giữa

bề mặt lốp và đường làm sinh nhiệt làm hỏng vật liệu lốp (và cả đường nếu đường là bê tông nhựa) Kết quả các thí nghiệm cho thấy hệ số lực phanh đạt cực đại khi độ trượt đạt khoảng -0,2 ÷ -0,15 (tương tự như khi chịu lực chủ động) [4]

Hình 2.8: Khả năng truyền lực dọc của bánh xe

2.3 Kh năn b m của b nh xe ô tô và hệ số b m mặt đườn

2.3.1 Kh năn b m

Khả năng bám là khả năng giữ cho bánh xe không bị trượt khi có mô

men xoắn tác dụng vào bánh xe Có 2 trường hợp:

Khả năng bám của bánh xe chủ động: là khả năng giữ cho bánh xe không

bị trượt quay khi có mô men chủ động Mk

Khả năng bám của bánh xe khi phanh: là khả năng giữ cho bánh xe không bị trượt lết khi có mô men phanh Mp

Khả năng bám của bánh xe phụ thuộc vào vật liệu lốp, cấu tạo hoa văn

và tình trạng của lốp, vật liệu đường và tình trạng mặt đường

2.3.2 Lực b m

Xét bánh xe đứng trên mặt đường chịu mô men xoắn M

Từ phía mặt đường có các phản lực: phản lực thẳng đứng Fz, phản lực tiếp tuyến Fx

Ta có:

28

Ta thấy rằng: khi M tăng, Fx cũng sẽ tăng;

nhưng chỉ tăng đến một giá trị nhất định rồi

không tăng được nữa, nếu M tiếp tục tăng thì

bánh xe sẽ bị trượt Khi đó phản lực tiếp tuyến

Fx đạt giá trị cực đại Fxmax Giá trị cực đại Fxmax

lúc này được gọi là lực bám và ký hiệu Fφ

Hình 2.9: Động lực học bánh xe học

Lực bám là lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường, như đã nói ở trên

do ma sát giữa hai bề mặt lốp và đường đồng thời do các vấu tế vi của bánh xe

và mặt đường cài vào nhau, truyền lực như bánh răng nhưng do các vấu tế vi mềm nên nếu lực truyền vượt quá một giá trị nhất định thì các vấu bị biến dạng, thậm chí bị gãy và bánh xe bị trượt so với mặt đường, nếu trượt nhiều sinh nhiệt và làm cháy lốp và đường

chính là lực kéo Fk Nếu mô men xoắn M là mô men phanh Mp thì phản lực tiếp tuyến Fx chính là lực phanh Fp Như vậy về giá trị (không xét đến dấu) lực kéo

và lực phanh cực đại bị khống chế bởi lực bám Khi giá trị lực kéo vượt quá lực bám bánh xe sẽ bị trượt quay còn lực phanh vượt quá lực bám bánh xe sẽ bị

trượt lết

Lực bám là lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường, nó là sự kết hợp giữa truyền lực ma sát và các kết cấu tế vi của bánh xe và mặt đường gài vào nhau, truyền lực như bánh răng ăn khớp Do các vấu tế vi mềm nên nếu lực truyền quá một giá trị nhất định thì các vấu biến dạng, gãy dẫn đến bánh xe bị trượt so với mặt đường, nếu trượt nhiều sinh nhiệt làm cháy lốp và mặt đường