Nghiên cứu xác định một số tính chất đàn hồi và giảm chấn của bánh lốp ô tô tải nhỏ

luận văn thạc sĩ, tiến sĩ, cao học, luận văn

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học nông nghiệp hà nội

-
-

Bùi tiên phong

Nghiên cứu xác định một số tính chất đàn hồi

và giảm chấn của bánh lốp ô tô tải nhỏ

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Tôi xin cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này

ñã ñược cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 1 tháng 11 năm 2011

Tác giả luận văn

Bùi Tiên Phong

LỜI CẢM ƠN

để hoàn thành luận văn này tôi ựã nhận ựược sự hướng dẫn rất nhiệt tình của thầy giáo TS Bùi Việt đức cùng với sự ựóng góp quý báu của các thầy giáo, cô giáo Bộ môn động lực cũng như các thầy giáo, cô giáo Khoa cơ ựiện, Viện đào tạo sau ựại học của Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới những sự giúp ựỡ quý báu ựó

Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn động lực, Viện Phát triển công nghệ

cơ ựiện Trường đại Học Nông Nghiệp Hà Nội, Trường Cao ựẳng Kỹ thuật Công nghiệp, ựã tạo ựiều kiện cho tôi trong việc thu thập số liệu và những thông tin cần thiết cho việc nghiên cứu luận văn

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới gia ựình, ựồng nghiệp và bạn bè những người ựã luôn bên tôi giúp ựỡ về vật chất cũng như tinh thần trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Hà nội, ngày 1 tháng 11 năm 2011

Tác giả

Bỉi Tiến Phong

MỤC LỤC

Lời cam ñoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục bảng v

Danh mục hình vi

Danh mục viết tắt vii

2.3 Ảnh hưởng của kết cấu và thông số bánh lốp tới trạng thái làm

2.3.7 Ảnh hưởng áp suất lốp 14

3.2 Thiết lập phương trình vi phân dao ñộng mô hình ½ ô tô (cho 1 cầu) 37

Danh môc h×nh

Hình 3.3 Mô hình không gian 37

Hình 5.5 ðồ thị chuyển vị của thân xe khi chịu tác ñộng kích thích dạng bậc 57

1 MỞ ðẦU

1.1 Cơ sở khoa học và tính cấp thiết của ñề tài

Bánh lốp là bộ phận có kết cấu và ñiều kiện làm việc phức tạp Tình trạng

kỹ thuật của bánh lốp có ảnh hưởng lớn ñến sự ổn ñịnh chuyển ñộng, tính an toàn và khả năng cơ ñộng của phương tiện di chuyển trên ñường giao thông

Nghiên cứu tính chất của bánh xe ô tô trong các ñiều kiện ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu (áp suất hơi, ñộ mòn, góc lệch ) và trạng thái làm việc ( tốc ñộ, mô men, tải trọng ) thay ñổi là một công việc cần thiết trong thiết kế chế tạo và sử dụng ô tô Các thông số ñộ cứng, hệ số giảm chấn của bánh lốp trên thực tế sẽ có sự thay ñổi giá trị khi chịu tác ñộng của các yếu tố ảnh hưởng Các kết quả khảo sát ñộng lực học của ô tô nói chung và của bánh lốp nói riêng sẽ gần với thực tế hơn khi các quan hệ giữa các thông số bánh lốp với các yếu tố ảnh hưởng ñược xem xét trong việc xây dựng mô hình tính toán Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu có thể ñược sử dụng làm cơ sở ñể phân tích, ñánh giá khả năng thích ứng của các cơ cấu, hệ thống, chi tiết, cụm chi tiết khi các ñiều kiện làm việc thay ñổi, từ ñó có thể ñề xuất các phương án thích hợp trong sử dụng, cải tiến, thiết kế và chế tạo ô tô

ðược sự phân công của khoa Cơ ðiện, Bộ môn ðộng lực và sự giúp ñỡ của thầy giáo TS Bùi Việt ðức – Bộ môn ðộng lực – Khoa Cơ ñiện – Trường ñại học Nông nghiệp Hà Nội, tôi ñã lựa chọn ñề tài:

“Nghiên cứu xác ñịnh một số tính chất ñàn hồi và giảm chấn của bánh lốp ô tô tải nhỏ”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài

Xác ñịnh các hệ số ñàn hồi và giảm chấn có xét ñến ảnh hưởng của tải trọng và áp suất của bánh xe nhằm thiết lập các mối quan hệ toán học giữa các thông số này, phục vụ cho việc tính toán mô phỏng mô hình ô tô

1.3 Phương pháp nghiên cứu

1.3.1.Nghiên cứu tổng quan

- Tình hình chế tạo và sử dụng lốp xe ở Việt nam và trên thế giới

- ðặc ñiểm thông số của bánh lốp

- Ảnh hưởng của thông số lốp tới trạng thái làm việc của phương tiện

- Tổng quan về tình hình nghiên cứu ñộng lực học bánh xe

1.3.2.Nghiên cứu lý thuyết

- Xây dựng mô hình mô phỏng 1/4, 1/2 ô tô tải nhỏ có xét tới ảnh hưởng của phần tử ñàn hồi, giảm chấn bánh lốp

- Xây dựng chương trình khảo sát một số quá trình ñộng lực học của phương tiện dưới tác ñộng thay ñổi của ñiều kiện làm việc

- Khảo sát một số quá trình ñặc trưng và so sánh với các kết quả khảo nghiệm thực tế ñể ñánh giá tính chính xác của mô hình

1.3.3 Nghiên cứu thực nghiệm

Xây dựng hệ thống thực nghiệm với các trang thiết bị cần thiết ñể xác ñịnh các thông số kết cấu bánh xe (áp suất, ñộ cứng, hệ số giảm chấn) dưới tác ñộng thay ñổi của tải trọng

2 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

2.1 Tình hình chế tạo và sử dụng lốp xe ở Việt nam và trên thế giới

Tại Việt Nam trong năm gần ñây ñã hình thành và phát triển nhiều nhà máy sản xuất lốp ô tô ñiển hình là công ty công nghiệp cao su miền nam (CASUMINA) ñã sản xuất thành công lốp ôtô radial bố thép theo thiết kế với tính năng phù hợp tiêu chuẩn của Nhật Bản JIS D4230 ñạt kỹ thuật quy ñịnh, ñược khách hàng trong nước và nước ngoài chấp nhận Cho ñến nay, CASUMINA là nhà sản xuất lốp ô tô radial ñầu tiên của Việt Nam, bắt kịp công nghệ mới tiên tiến của thế giới trên lĩnh vực này

Lốp ô tô radial mới có cỡ vành 13 - 14 dùng cho xe du lịch 4 - 7 chỗ ngồi mang thương hiệu CASUMINA ñã lắp cho xe taxi của công ty Mai Linh tại TPHCM và một số xe chạy trên tuyến ñường TPHCM - Hà nội và ngược lại, ñã chạy an toàn từ 35.000 ñến 40.000 km mà lốp vẫn ñang còn tốt

Hiện nay, các nước trên thế giới và ASEAN ñều sử dụng ngày càng phổ biến lốp ô tô radial với số lượng ngày càng tăng Lốp radial ñược sản xuất theo công nghệ mới nên có nhiều ưu ñiểm nổi bật như : ñảm bảo xe chạy êm

và an toàn với tốc ñộ cao, không phát nhiệt, ñộ bền tốt hơn, tiết kiệm ñược năng lượng cho nhà sử dụng lốp, giá thành sản phẩm thấp và tăng sức cạnh tranh cho nhà sản xuất Ở nước ta, 100% xe 4-12 chỗ ngồi và 30% tổng số xe khách, xe tải nhẹ, phần lớn xe chuyên dùng và một số ñáng kể xe tải nặng ñã dùng lốp radial nhập khẩu Riêng năm nay cả nước phải nhập tới 800.000 lốp

ô tô radial các loại Do ñó việc ñầu tư sản xuất lốp ô tô radial là rất cần thiết

và ñúng lúc

Qua nghiên cứu thực tế ở nhiều nước và khu vực trên thế giới, CASUMINA nhận thấy thiết bị, công nghệ sản xuất lốp ô tô radial của Nhật Bản là phù hợp với ñiều kiện và hoàn cảnh nước ta, nhất là các hệ thống máy

thành phần; máy dập hình lốp 2 giai ựoạn, cùng với các thiết bị chuyên dụng kiểm tra sản xuất và ựánh giá chất lượng

CASUMINA ựã ựược UBND tỉnh đồng Nai cấp ban ựầu 24.000 m2 ựất tại KCN Biên Hoà 1 ựể xây dựng nhà máy mới hiện ựại sản xuất lốp ôtô radial với công suất giai ựoạn 1 500.000 lốp/năm, gồm nhiều chủng loại cho các xe du lịch, xe chở khách, xe tải nhẹ, xe chuyên dụng chở nhiên liệu, hàng ựông lạnh Nhà máy sẽ chắnh thức hoạt ựộng vào quý IV/2004 và sử dụng các loại cao su bán thành phẩm ựã qua cán, luyện tại nhà máy luyện cao su Bình Dương Quy trình sản xuất không thải khắ và nước gây ô nhiễm, ựảm bảo vệ sinh môi trường, sản xuất ổn ựịnh, lâu dài

CASUMINA là doanh nghiệp hàng ựầu của ngành công nghiệp cao su Việt Nam hiện nay, kể cả doanh nghiệp có vốn ựầu tư nước ngoài Những năm gần ựây, Công ty ựã giữ nhịp ựộ tăng trưởng bình quân trên 25%/năm và

có mức lợi nhuận cao nhất trong ngành công nghiệp cao su Các sản phẩm cao

su mang thương hiệu CASUMINA luôn chiếm thị phần dẫn ựầu trên thị trường trong nước và xuất khẩu với số lượng ngày càng nhiều đặc biệt, Công

ty ựã có bước phát triển nhanh và vững chắc về sản xuất lốp ô tô các loại Năm 2000 Công ty mới bắt ựầu ựầu tư sản xuất lốp ô tô tại Xắ nghiệp lốp ô tô Bình Lợi Năm 2001 Công ty ựã cung cấp cho thị trường 130.000 chiếc Năm

2002 ựã tăng lên 232.000 chiếc, lần ựầu tiên xuất khẩu 11.000 lốp ô tô sang thị trường đông Nam Á Năm nay, Công ty có khả năng ựạt trên 300.000 chiếc, trong ựó xuất khẩu trên 40.000 chiếc lốp ô tô các loại

Thêm nhà máy mới với công nghệ hiện ựại chuyên sản xuất các loại lốp

ô tô radial có nhiều tắnh năng ưu việt, CASUMINA sẽ tăng thêm nguồn lực mới ựể ựáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu, tạo ựiều kiện phát triển vững chắc khi ựất nước hội nhập một cách ựầy ựủ thị trường khu vực và thế giới Nhà máy sản xuất lốp ô tô radial chắnh thức ựi vào hoạt ựộng sẽ giúp

Công ty tăng nhanh cả giá trị sản xuất công nghiệp, doanh thu, nộp ngân sách Nhà nước, lợi nhuận và thu nhập của người lao ñộng

2.2 ðặc ñiểm kết cấu và các thông số bánh lốp

Bánh lốp là bộ phận rất ñặc biệt, ñược kết cấu từ nhiều loại vật liệu khác nhau như cao su, sợi tổng hợp, thép…ñể có thể: [ 2]

- Gánh chịu toàn bộ trọng lượng xe và hàng hóa

- Tạo ma sát giữa bánh xe và mặt ñường

- Giảm chấn, ổn ñịnh chuyển ñộng của xe

Hình 2.1: Kết cấu lốp

H – Chiều cao profile lốp

B – Chiều rộng profile lốp

D – ðường kính ngoài của lốp

rh – Bán kính cong bề mặt lăn của lốp

bh – Chiều rộng bề mặt lăn của lốp

h – ðộ cong cung bề mặt lăn của lốp

- Lớp khung lốp có thể ñược dệt từ các loại sợi bông, vitcozin hoặc sợi polime tổng hợp Tốt nhất là sợi polime tổng hợp vì nó có khả năng chịu tải, chịu nhiệt tốt nhất

- Lớp ñệm 2 nằm giữa lớp cao su bọc ngoài và lớp khung lốp Lớp này

có chiều dày từ 2÷7mm chủ yếu chịu các lực va ñập và phân bố ñều lực tác dụng lên bánh xe lên khắp bề mặt lốp Do vậy trong quá trình làm việc, nhiệt

- Chiều rộng lớp cao su bọc ngoài bh=(0,7÷0,8)B

- Thành lốp 4 bằng cao su có chiều dày 1,5÷2,5mm có tác dụng bảo vệ lớp khung lốp

- Thành phần, tính chất vật liệu và kết cấu của lốp có ảnh hưởng rất lớn ñến trạng thái hoạt ñộng và tính chất của bộ phận này

2.3 Ảnh hưởng của kết cấu và thông số bánh lốp tới trạng thái làm việc của phương tiện

2.3.1 Ảnh hưởng của hoa lốp

Hoa lốp là phần vật liệu cao su phân bổ trên toàn bộ bề mặt ngoài lốp, có tác dụng tăng cường ñộ bám của bánh xe với mặt ñường, kết cấu hoa lốp rất

ña dạng tùy thuộc vào ñiều kiện làm việc của phương tiện

+ Các xe thường hoạt ñộng trên ñường có lớp phủ cứng như xe du lịch, xe buýt…có hoa lốp là những ñường vân nhỏ Hoa lốp loại này ñảm bảo xe chạy

êm, bền mòn cao, chống trượt tốt trên ñường trơn khi phanh

+ Các xe vận tải hoạt ñộng cả trên ñường có lớp phủ cứng và ñường biến dạng sử dụng lốp có hình hoa ña năng

+ Các xe hoạt ñộng trên ñường ñất mềm sử dụng hoa lốp có chiều rộng và chiều cao lớn ñể ñảm bảo khả năng bám tốt của bánh xe

2.3.2 Ảnh hưởng ñường kính ngoài của lốp (D)

Trên ñường cứng, D tăng sẽ làm tăng chiều dài vết tiếp xúc nên sẽ tăng diện tích tiếp xúc, tăng bám của lốp với ñường và giảm sự trượt quay Nhưng trên ñường ñất mềm nếu tăng D, do bánh xe bị nún ít hơn vì phân bố áp lực riêng ñều hơn nên chiều dài vết tiếp xúc không tăng mà lại giảm Chất lượng bám của bánh xe với ñường ñất khi thay ñổi D sẽ thay ñổi tùy thuộc vào tính chất của ñất

Lực cản lăn trên mọi loại ñất sẽ giảm khi tăng D Chiều cao của vách ñứng

xe có thể vượt qua và chiều sâu cho phép của vết bánh xe tỷ lệ thuận với bán kính bánh xe, nghĩa là tỷ lệ thuận với ñường kính D

Khi tăng D sẽ giảm chu kỳ chịu tải của các phần tử lốp trên ñoạn ñường chạy cho trước, nên tăng ñược vận tốc chuyển ñộng của xe theo ñiều kiện

Tuy nhiên khi D tăng sẽ dẫn ñến tăng khối lượng lốp, tăng mô men quán tính bánh xe và chiều cao trọng tâm xe

2.3.3 Ảnh hưởng của chiều rộng profile lốp

Tăng chiều rộng profile lốp B khi chiều cao profile H và ñường kính ngoài

D của lốp không ñổi (hình 2.2) sẽ làm tăng chiều rộng vết tiếp xúc, tức là diện tích tiếp xúc tăng tỷ lệ với B Biến dạng của lốp lớn nhất không thay ñổi Trong hầu hết các trường hợp khi tăng B, chiều sâu vết bánh xe giảm rất nhiều do vậy lực cản lăn Pf giảm xuống Lực bám của bánh xe với ñất khi B tăng thường tăng tương ứng với việc tăng diện tích tiếp xúc, trừ ñường ñất mềm có hệ số bám không ñồng nhất theo chiều sâu

Hình 2.2: Ảnh hưởng của chiều rộng profile lốp

Lực cản lăn của bánh xe trên ñất mềm trong trường hợp này ñược xác ñịnh bởi chiều sâu, chiều rộng của vết bánh xe

Trong hầu hết các trường hợp khi tăng B, chiều sâu vết bánh xe giảm rất nhiều ( chiều sâu giảm nhiều hơn so với sự tăng chiều rộng vết bánh xe) và do vậy lực cản lăn Pf giảm xuống

Lực bám của bánh xe với ñất khi B tăng thường tăng tương ứng với việc tăng diện tích tiếp xúc, trừ ñường ñất mềm có hệ số bám không ñồng nhất theo chiều sâu ( ví dụ như ñường ñất sét cứng sau cơn mưa, bề mặt ñường phủ một ñất mềm nhão, trên loại ñường này giảm áp suất trên ñường bằng cách tăng diện tích tiếp xúc dẫn ñến giảm khả năng bám của bánh xe với ñường do các vấu bám không tỳ ñược vào phần ñất cứng ở phía dưới)

Khi thể tích của bánh xe là như nhau ( nếu coi bánh xe là một khối trụ với

= ) thì việc tăng chiều rộng profile lốp sẽ có hiệu quả hơn so với tăng

ñường kính ngoài khi xe hoạt ñộng ở vùng ñất dạng ñầm lầy Còn trên ñường ñất ñá sét sự khác nhau là không ñáng kể

Hình 2.3: Ảnh hưởng của ñường kính profile lốp

Khi tăng dp sẽ tăng cả chiều rộng lẫn chiều cao profile lốp Khi ñó biến dạng hướng kính của lốp tăng lên, vết tiếp xúc tăng cả chiều rộng lẫn chiều dài, cho phép mở rộng khả năng ñiều chỉnh áp suất hơi lốp

B

H

d

d p1 1

2.3.5 Ảnh hưởng hình dạng profile lốp (H/B)

Hình dạng profile lốp ñược quyết ñịnh bởi tỷ số H/B

Mô tả hình dạng profile lốp ở trạng thái không tải với các giá trị H/B là 1,00; 0,75; 0,50; 0,25 và mối quan hệ giữa fN và kt với tỷ số H/B ở từng loại ñất khác nhau

Khi giảm H/B ñộ cứng của lốp tăng rất nhanh, chiều rộng vết tiếp xúc tăng, diện tích vết tiếp xúc ñạt giá trị lớn nhất khi H/B=0,5 Khi giảm H/B từ 1,0 ñến 0,5 diện tích tiếp xúc tăng 30%, ñộ ñàn hồi giảm tới 65% Khi giữ nguyên chu vi profile lốp và D=const sẽ tăng diện tích tiếp xúc nếu giảm tỷ số H/B tới 0,5 nhưng sẽ làm giảm ñộ ñàn hồi của lốp

Khi giảm H/B dưới 0,5 diện tích tiếp xúc không tăng nhưng ñộ ñàn hồi giảm xuống rất nhiều

2.3.6 Ảnh hưởng kết cấu bề mặt lăn của lốp

Các thông số bề mặt lăn sẽ ảnh hưởng ñến quá trình chuyển ñộng của ô tô

+ Khi tăng bh sẽ giảm áp lực riêng, song sẽ làm tăng chiều dày thành bên

bề mặt lăn, nên tăng tổn thất cho nội ma sát và tăng nhiệt ñộ, tăng ñộ cứng thành bên và ứng suất trong lớp khung bố ở bên

+ Khi tăng rh tới giới hạn xác ñịnh sẽ giảm tổn thất cho quá trình lăn và sự mài mòn bề mặt lốp do giảm sự biến dạng của các phần tử của lốp và sự trượt của chúng so với ñường Song khi tăng rh sẽ làm rh tăng sự khác biệt giữa bán kính cong bề mặt lăn và bán kính lớp khung bố, do vậy dẫn ñến sự quá tải cho lớp ñệm và làm tăng sự phân bố không ñều áp lực riêng theo chiều rộng bề mặt lăn của lốp khi lốp biến dạng nhiều

+ Tăng hệ số ñiền ñầy hoa lốp kh dẫn ñến giảm áp lực riêng trên ñường và giảm sự mài mòn của lốp Tuy nhiên sẽ làm giảm khả năng bám của bánh xe trên ñường ướt bẩn, ñường ñất mềm Từ thực tế sử dụng cho thấy ñối với các loại ñường ô tô giá trị tối ưu của kh=0,6÷0,8

+ Tăng chiều cao vấu bám sẽ làm tăng ñộ bền lâu của lốp và tăng khả năng bám của bánh xe trên ñường ñất mềm Nhưng sẽ tăng tổn thất cho quá trình lăn, tăng khối lượng và mô men quán tính của bánh xe

+ Tăng tổn thất cho quá trình lăn khi tăng chiều cao vấu bám là do tăng tổn thất cho ma sát trong, tăng sự trượt của các vấu bám so với ñường(ñường cứng) Trên ñường ñất mềm, bề mặt lăn của lốp trước hết phải ñảm bảo cho

xe có lực bám lớn theo phương tiếp tuyến

Hình 2.5 a, b, c [2] Mô tả mối quan hệ giữa hệ số bám ϕ với hệ số ñiền ñầy hoa lốp kh, chiều cao vấu bám ∆h và khoảng cách giữa các vấu bám l’h

Ba ñồ thị này ñược xây dựng từ thực nghiệm

(a) (b)

(a) (b)

(c)

0.1 0.2 0.3

1

2 ϕ

∆h(mm)

0.1 0.2 0.3

150 100 50

1

2

ϕ

+ Ảnh hưởng của kh ñến lực bám là khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ giữa lực

ma sát ñường – lốp P’’ms với lực cản trượt của ñất Ptr Khi Ptr<P’’ms( ñặc trưng cho ñất cát) tốt nhất là tăng hệ số kh Nếu Ptr>P’’ms( ñặc trưng cho ñất dính kết: ñất sét ẩm) tốt nhất là giảm kh

Sự ảnh hưởng của khoảng cách giữa các vấu bám ít ñược nghiên cứu

hơn Trên ñất mềm dính kết, khi giá trị trượt quay nhỏ, lực bám sẽ lớn ñối với lốp có khoảng cách l’h không lớn Khi giá trị trượt quay lớn, lực bám sẽ tăng lên theo mức ñộ tăng l’h ñến giới hạn xác ñịnh Kết luận trên ñược ñưa ra khi chưa kể ñến sự tự làm sạch bề mặt lăn của lốp Khoảng cách l’h càng lớn, sự

tự làm sạch của lốp càng tốt Trường hợp khi các vấu bám của lốp không lún hết vào ñất(áp suất nhỏ, ñất chặt, vấu bám bao) lực cản cắt chủ yếu trong ñất quyết ñịnh Quá trình cắt xuất hiện dưới dạng trượt nghiêng một góc so với mặt phẳng nằm ngang Khi ñó tăng l’h sẽ làm giảm lực bám

Sự ảnh hưởng của chiều cao vấu bám ∆h ñến lực bám của bánh xe với ñất thể hiện khác nhau tùy thuộc vào loại ñất và trạng thái của nó Trên ñất cát, vấu bám có chiều cao lớn sẽ không tốt bởi vì lực bám trong trường hợp này

do ma sát trong của ñất và một phần do ma sát giữa ñường và lốp tạo nên (lực bám dính rất nhỏ) Trên nền ñất dính kết không có lớp ñất cứng nằm ở dưới, chiều cao của vấu bám có ảnh hưởng rất lớn ñến lực bám của bánh xe lăn trên ñường có lớp mỏng ñất mềm ở trên còn phía dưới là nền ñất cứng và trên ñường ñất không ñồng nhất (mật ñộ tăng theo chiều sâu vết bánh xe)

Hình dạng vấu bám ảnh hưởng ñến lực bám, khả năng tự làm sạch và ñộ ñàn hồi của lốp Tăng góc nghiêng bề mặt tỳ của vấu bám αy ( hình 2.6) sẽ làm tăng sự lèn ñất giữa các vấu bám, dẫn ñến tăng lực cản cắt(trượt) của ñất giữa các vấu bám, do vậy tăng lực bám của bánh xe với ñất

Hình 2.6 Góc nghiêng bề mặt tỳ của vấu bám

Khi góc αy quá lớn có thể tạo nên sự trượt giữa lốp và ñất mà không có sự cắt các vấu ñất Khi ñó lực bám của bánh xe giảm xuống do không sử dụng ñược lực cản trượt của ñất (Ptr=Pb+P’ms)

Sự ảnh hưởng của αy ñến khả năng tự làm sạch mang tính chất trái ngược nhau Khi αy tăng, một mặt giảm khả năng dính kẹt ñất giữa các vấu bám, mặt khác do ñộ cứng uốn của các vấu bám tăng lên dẫn ñến giảm tính linh hoạt của các vấu bám so với bề mặt lăn, do vậy khả năng tự làm sạch giảm xuống Khi tăng ñáng kể αy và giữ nguyên hệ số kh(kh=const), chân các vấu bám rộng

ra do vậy ñộ cứng bề mặt lăn tăng lên và khối lượng phần hoa lốp cũng tăng

và bề dày lớp ñất biến dạng thì qot giảm xuống

Thông số của vết tiếp xúc phụ thuộc vào áp suất hơi lốp qot Các thông số này quyết ñịnh ñến chất lượng bám của bánh xe với ñất Trên ñất ñồng nhất yếu tố quyết ñịnh ñến chất lượng bám là diện tích tiếp xúc Sự thay ñổi lực bám tùy thuộc và lực bám dính của ñất Trên ñất yếu, khả năng chịu tải của ñất thường hạn chế trị số lực bám Trong trường hợp này ϕmax<tgϕo(ϕo – góc

αy

ma sát trong của ñất) Khi qo rất thấp, tại phần giữa của vết tiếp xúc lốp bị uốn ngược lên, do ñó khả năng chịu tải của ñất tăng lên, dẫn ñến tăng lực bám của bánh xe với ñất

2.3.8 Ảnh hưởng của ñộ cứng bánh xe

Do chịu nhiều tác ñộng khi chuyển ñộng, bánh xe ô tô bị biến theo các phương: hướng kính, tiếp tuyến và phương ngang Sự biến dạng này phụ thuộc vào ñộ cứng theo các phương của lốp

Thực tế khi vận hành, ñộ cứng của bánh lốp không phải là hằng số, giá trị của ñộ cứng thay ñổi phụ thuộc vào các yếu tố kết cấu và ñiều kiện làm việc Các quan hệ giữa ñộ cứng và các yếu tố tác ñộng cũng rất phức tạp, nhiều công trình nghiên cứu về bánh lốp ñã xác ñịnh ñược các quan hệ này thường

là phi tuyến ðường cong khi tăng tải và giảm tải không trùng nhau do tính chất hao tán của vật liệu Mất mát năng lượng do hao tán sẽ làm tăng lực cản lăn và làm nóng lốp xe

2.3.9 Ảnh hưởng của tính ñàn nhớt

2.3.9.1 Các vật thể tuyến tính phức tạp

Các vật thể trong thực tế ñồng thời vừa có tính ñàn hồi, vừa có tính nhớt, tính dẻo trong các dạng và các quan hệ khác nhau Tổ hợp các mô hình ñơn giản xét ở trên có thể cho các môi trường phức tạp tương ứng với tính chất của các loại vật liệu thực tế Phân biệt các vật thể tuyến tính và phi tuyến tùy thuộc các ñịnh luật biến dạng là tuyến tính hay phi tuyến Nghiệm của các bài toán ñối với các vật thể tuyến tính rất ñơn giản và có nhiều tính chất ñơn giản

Vì vậy, phân bố ứng suất (hay dịch chuyển) trong nhiều trường hợp cũng giống như trong vật thể ñàn hồi

2.3.9.2 Môi trường dầu KENVIN

Ta coi rằng mỗi hạt vật thể gồm một phân tử ñàn hồi và một phân tử nhớt kết hợp song song Khi ñó ứng suất sẽ bằng tổng ứng suất gây ra biến

1 1

d E

EΕ 0 ; nếu tại thời ñiểm t = 0 cho ứng suất không ñổi σ 1 = const = σ 0, thì biến dạng tăng dần ñến giá trị theo quy luật mũ

0

t T

e E

σ

ε = − − ( 1.3)

Các tính chất này cho thấy:

- Nếu ứng suất là hàm cho trước của thời gian thì biến dạng ñược tính theo công thức (1.2)

- Mô hình môi trường ñàn nhớt có tác dụng giải thích sự tắt dần của các dao ñộng sự tắt dần này gây ra do ma sát trong (tính nhớt)

- Các phương trình của môi trường ñàn nhớt trong trạng thái ứng suất phức tạp nhận ñược bằng cách cộng các vế phải của các phương trình Húc và phương trình Niu tơn

- Nếu ñộ nhớt lớn thì không thể có các dao ñộng, sự kích ñộng sẽ tắt ñi một cách ñơn giản Nếu ñộ nhớt không lớn quá thì các dao ñộng dọc gồm một

số hữu hạn dao ñộng ñiều hòa tắt dần và "cái ñuôi" của các chuyển ñộng tắt dần không tuần hoàn Sự tắt dần của mỗi chu kỳ không ñều: chu kỳ càng ở trên càng tắt nhanh hơn Từ thời ñiềm nào ñó trở ñi thanh sẽ dao ñộng trong tần số cơ bản

Môi trường ñàn nhớt ñã ñược Phôikhơ, Tômxơn, Gheraximốp v.v nghiên cứu

2.3.9.3 Môi trường dầu Macxoen

Cho các phần tử ñàn hồi và nhớt kết hợp nối tiếp (hình 2.7) khi ñó cần phải cộng các vận tốc biến dạng tương ứng với cùng một ứng suất, tức là

Hình 2.7 Mô hình môi trường chùng ứng suất Macxoen

Nếu cho trước biến dạng không ñổi (thí dụ thanh bị kéo rồi cố ñịnh hai ñầu lại như liên kết ngàm - ñinh ốc ) thì ε 1 = const = ε 0 Khi ñó từ biểu thức (1.2) suy ra

1

t T

o e o E o

σ = σ − σ = ε (1.6) Tức là ứng suất giảm theo thời gian (chùng ứng suất)

Lược ñồ Macxoen với tính nhớt phi tuyến thuộc cơ sở của một trong những lý thuyết của từ biến - lý thuyết chảy Tính chất dão của ứng suất là tính chất cơ học quan trọng nhất của môi trường Macxoen

Các dao ñộng trong môi trường Macxoen cũng tắt dần, nhưng ñộ suy giảm lôga của sự tắt dần là như nhau với mọi thành phần ñiều hòa

Ðể có các phương trình môi trường Macxoen trong trạng thái ứng suất phức tạp cần phải vi phân ñinh luật Húc (2) theo thiời gian và cộng vế phải của nó với vế phải của ñịnh luật nhớt Niu tơn suy rộng (6)

2.3.9.4 Môi trường tuyến tính suy rộng

Các mô hình phức tạp hơn cho phép xấp xỉ tốt hơn các tính chất cơ học của các vật liệu thực Các mô hình này tạo thành bằng cách kết hợp các phần

tử ñàn hồi và nhớt có trong các hệ số ñàn hồi và nhớt khác nhau Mô hình này chỉ chứa các ñạo hàm bậc nhất theo thời gian, ñược vẽ trên hình 5; mô hình này chứa ba tham số El, E2; µ và ñôi khi ñược gọi là môi trường tuyến tính suy rộng Ðịnh luật biến dạng của môi trường này có thể rút ra từ các ñịnh luật biến dạng của các phần tử ñơn giản I, II, III

Hình 2.8 Mô hình môi trường tuyến tính chuẩn

2.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ñộng lực học bánh lốp xe ôtô

2.4.1 Các tính chất của bánh hơi (bánh lốp có săm)

Trên các ô tô và máy kéo bánh xe hầu hết là sử dụng bánh hơi Các tính chất biến dạng ñàn hồi của bánh xe có ảnh hưởng lớn ñến hầu hết các chỉ tiêu sử dụng máy Các biến dạng ñó có thể chia thành 4 loại : biến dạng pháp tuyến, biến dạng tiếp tuyến, biến dạng ngang và biến dạng góc

2.4.1.1 Biến dạng pháp tuyến

Biến dạng pháp tuyến (hoặc còn gọi là biến dạng hướng kính) xuất hiện

do tác ñộng của tải trọng pháp tuyến Gk và ñược ñặc trưng bởi ñộ giảm của bán kính ∆r ðặc tính biến dạng pháp tuyến ñược trình bày trên Hình 2.9.b

Do có biến dạng dư, ñặc tính biến dạng khi tăng tải sẽ khác với khi thoát tải Qua ñó cho thấy rằng với cùng ñộ biến dạng như nhau khi thoát tải lực cần thiết gây ra ñộ biến dạng ñó sẽ nhỏ hơn so với lúc tăng tải

Hình 2.9 ðặc tính biến dạng pháp tuyến và biến dạng tiếp tuyến của lốp

a− sơ ñồ biến dạng

b− ñặc tính biến dạng pháp tuyến

c− ñặc tính biến dạng tiếp tuyến

c) b)

2.4.1.2 Biến dạng tiếp tuyến

Dưới tác ñộng của mô men M k (Hình 2.9.a) phần lốp ở phía trước sẽ bị nén, còn ở phần sau sẽ ñược giãn ra hồi phục lại trạng thái ban ñầu Do biến dạng trục bánh xe sẽ bị xoay ñi một góc α so với trạng thái không chịu tải Mk Trường hợp cố ñịnh trục bánh xe và tác ñộng lên bánh xe một lực tiếp tuyến Pk thì sự biến dạng tiếp tuyến của lốp cũng xảy ra tương tự Trong trường hợp này ñộ biến dạng tiếp tuyến ñược ñánh giá bởi ñộ dịch chuyển x của các phần tử lốp ở mặt tiếp xúc so với vị trí ban ñầu

Trên Hình 2.9.c trình bày ñặc tính biến dạng tiếp tuyến của lốp khi chịu lực tiếp tuyến Trong giai ñoạn ñầu ñộ dịch chuyển x phụ thuộc gần như tuyến tính với lực tiếp tuyến Pk, sau ñó ñộ biến dạng tăng nhanh hơn Khi lực tiếp tuyến ñạt ñến giá trị Pk = Pϕ thì sẽ xảy ra trượt hoàn toàn do bánh

2.4.1.3 Biến dạng ngang

Khi bánh xe chịu tác dụng lực ngang Yk (Hình 2.10) lốp sẽ bị biến dạng ngang (bị uốn ngang) ðộ biến dạng ngang ñược ñánh giá bởi ñộ dịch chuyển y của bánh xe so với vị trí ban ñầu khi chưa chịu lực ngang ðặc tính biến dạng ngang y = f(Yk) có dạng như hình 2.10b

Hình 2.10 ðặc tính biến dạng ngang của lốp

a) Sơ ñồ biến dạng;

b) ðặc tính biến dạng ngang;

c) ðặc tính chuyển ñộng lệch

Cần lưu ý rằng do có biến dạng dư nên ñường cong y = f(Yk) khi tăng tải

và khi thoát tải sẽ không trùng nhau, tương tự như ñã khảo sát ñặc tính biến dạng pháp tuyến Trên Hình 2.10b chỉ trình bày ñặc tính biến dạng ngang khi tăng tải

Sự biến dạng ngang của lốp gây ảnh hưởng ñến phương chuyển ñộng của bánh xe Nếu không có lực ngang véc tơ vận tốc v (Hình 2.10a) nằm trên mặt phẳng lăn sẽ trùng với mặt phẳng quay của bánh xe Khi bị biến dạng ngang bánh xe sẽ lăn trong mặt phẳng nghiêng với mặt phẳng quay một góc δ và tất nhiên véc tơ vận tốc v' cũng sẽ nghiêng với véc tơ vận tốc v một góc là δ Hiện tượng chuyển ñộng như vậy ñược gọi là sự chuyển ñộng lệch của lốp và ñặc trưng bởi góc lệch δ

Mối quan hệ giữa góc lệch δ và lực ngang Yk (Hình 2.10c) cũng tương

tự như mối quan hệ giữa ñộ lệch ngang và lực ngang y - Yk

lệch ngang Ky, ñược xác ñịnh bởi tỷ số giữa lực ngang Yk và góc lệch δ:

K y = Y k

δ (2.1)

Khi góc lệch còn nhỏ, mối quan hệ δ − Yk gần như tuyến tính và hệ số

Ky có thể xem như là ñại lượng không ñổi Theo các số liệu thực nghiệm, ở ñoạn tuyến tính của ñường ñặc tính δ − Yk giá trị hệ số chống lệch ngang

Ky = 14 ÷ 36kN/ñộ ñối với bánh sau

Khả năng chống biến dạng ngang và chống chuyển ñộng lệch của lốp phụ thuộc vào tải trọng pháp tuyến, tải trọng tiếp tuyến và áp suất trong lốp

2.4.1.4 Biến dạng góc

Hiện tượng biến dạng góc của lốp xuất hiện khi bánh xe chịu tác ñộng

mô men M nằm trong mặt phẳng song song với mặt ñường (hình 2.11) Khi ñó bánh xe sẽ xoay ñi một góc β so với phương ban ñầu và profin của lốp ở vùng tiếp xúc với mặt ñường sẽ bị uốn trong mặt phẳng ngang Mô men xoay M sẽ ñược cân bằng với mô men ma sát sinh ra tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt ñường

Mối quan hệ giữa góc xoay β và mô men M là phi tuyến (hình 2.11b) Khi M = Mϕ sẽ xảy ra hiện tượng trượt hoàn toàn Giá trị Mϕ phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe với mặt ñường theo phương ngang

2.4.2 Khái niệm về các loại bán kính bánh xe

Do biến dạng của lốp bán kính của bánh ô tô, máy kéo không phải chỉ có một giá trị duy nhất, mà sẽ bị thay ñổi tùy thuộc vào tải trọng tác ñộng và ñiều kiện làm việc của các bánh xe Do vậy ñể tiện cho việc nghiên cứu ñộng lực học bánh xe người ta ñưa ra một số khái niệm về bán kính bánh xe như sau : bán kính danh nghĩa, bán kính tĩnh, bán kính ñộng lực học, bán kính lăn và bán kính làm việc trung bình

2.4.2.1 Bán kính danh nghĩa

Bán kính danh nghĩa (bán kính thiết kế) ro là bán kính của bánh xe khi

nó không chịu tải trọng và ñược xác ñịnh theo kích thước tiêu chuẩn của lốp, cụ thể là xác ñịnh theo ñường kính vành d và bề rộng của lốp B theo công thức :

2.4.2.3 Bán kính ñộng lực học

Bán kính ñộng lực học rñ là khoảng cách từ trục bánh xe ñến phương tác dụng của phản lực tiếp tuyến lên bánh xe Trị số của bán kính ñộng lực học phụ thuộc vào tải trọng pháp tuyến, áp suất trong lốp, mô men chủ ñộng Mk hoặc mô men phanh Mp và phụ thuộc vào các tính chất cơ lý của ñất Trên Hình 2.12b là trường hợp bánh chủ ñộng cứng lăn trên ñường biến dạng Do mặt ñường biến dạng, bề mặt tiếp xúc là mặt cong và do ñó tâm hợp lực dịch sang phía trước Bán kính ñộng lực học r nhỏ hơn bán kính tĩnh học r

Hình 2.12 Sơ ñồ xác ñịnh các loại bán kính bánh xe

a) Xác ñịnh bán kính tĩnh học; b) Xác ñịnh bán kính ñộng lực học; 2.4.2.4 Bán kính lăn

Bán kính lăn (hay bán kính ñộng học) rl là bán kính của bánh xe tưởng tượng lăn không trượt, có vận tốc góc ω và vận tốc tịnh tiến v như bánh xe thực tế Giá trị của bán kính lăn rl chính bằng khoảng cách từ tâm quay tức thời ñến tâm hình học bánh xe

Bán kính lăn là một thông số quan trọng dùng ñể ñánh giá tính chất ñộng học của bánh xe Giá trị của rl phụ thuộc vào mức ñộ trượt của bánh xe và chỉ có thể xác ñịnh bằng thực nghiệm

Nếu bánh xe lăn không trượt thì bán kính lăn chính bằng bán kính tĩnh học rl = rt và trong trường hợp này nó ñược gọi là bán kính lăn lý thuyết Khi bánh xe bị trượt quay hoặc trượt lê sẽ nhận ñược bán kính lăn thực tế Như vậy khi trượt quay bán kính lăn thực tế sẽ nhỏ hơn bán kính lăn lý thuyết và khi trượt lê bán kính lăn thực tế sẽ lớn hơn bán kính lăn lý thuyết

2.4.2.5 Bán kính làm việc trung bình

Bán kính tĩnh, bán kính ñộng lực học và bán kính lăn của bánh xe phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, do vậy giá trị của chúng chỉ có thể xác ñịnh chính xác bằng thực nghiệm

b) a)

Khi tính toán thiết kế có thể sử dụng bán kính làm việc trung bình rb và

ñược tính theo công thức: r

Trong ñó : λ là hệ số biến dạng pháp tuyến của lốp:

ñối với các bánh xe máy kéo λ = 0,8 ÷ 0,85,

ñối với ô tô tải : λ = 0,8 ÷ 0,9

2.4.3 ðộng lực học bánh xe bị ñộng

Tùy thuộc vào ñặc ñiểm cấu tạo và ñiều kiện làm việc, sự lăn của các bánh xe ô tô máy kéo có thể rơi vào một trong các trường hợp sau :

− Sự lăn của bánh xe ñàn hồi trên nền không biến dạng (ñường cứng);

− Sự lăn của bánh xe ñàn hồi trên nền biến dạng (ñường mềm);

− Sự lăn của bánh xe cứng trên nền biến dạng

2.4.3.1 ðộng lực học bánh xe ñàn hồi lăn trên ñường cứng

Khi các bánh hơi lăn trên ñường nhựa hoặc trên nền xi măng có thể xem như là bánh xe mềm lăn trên ñường cứng

Trong trường hợp này chỉ có lốp bị biến dạng Các phần tử lốp ở phía trước lần lượt tiếp xúc với mặt ñường và bị nén lại, còn các phần tử phía sau lần lượt ra khỏi vùng tiếp xúc và phục hồi trạng thái ban ñầu

Như vậy, phần trước của lốp là phần tăng tải và phần sau là phần thoát tải Do ñó theo ñặc tính biến dạng của các bánh xe ñàn hồi ta có thể suy ra rằng, biểu ñồ ứng suất pháp tuyến sẽ phân bố không ñều − ở phần trước sẽ

có ứng suất pháp tuyến lớn hơn phần sau

Trên hình 2.13 trình bày sơ ñồ lực và mô men tác ñộng lên bánh xe bị ñộng khi chuyển ñộng ổn ñịnh trên ñường cứng

Các ngoại lực tác ñộng lên bánh xe bao gồm:

− Tải trọng của bánh xe theo phương pháp tuyến Gn

− Lực ñẩy từ khung tác ñộng lên trục bánh xe Pn, có chiều cùng với chiều chuyển ñộng

− Phản lực pháp tuyến Zn của mặt ñường tác dụng lên bánh xe

− Hợp lực các phản lực tiếp tuyến của mặt ñường Pfn , có chiều chống

lại sự chuyển ñộng và ñược gọi là lực cản lăn

Hợp lực của các thành phần phản lực pháp tuyến Zn sẽ có ñiểm ñặt lùi về phía trước một ñoạn an và tạo thành mô men cản lăn :

Từ (2.5) ta sẽ rút ra ñược :

a r

fn n

n n n n n

trong ñó : rn − bán kính ñộng lực học của bánh bị ñộng;

an − khoảng cách từ ñiểm ñặt hợp lực Zn ñến mặt phẳng vuông

góc với phương chuyển ñộng và ñi qua tâm trục bánh xe

Qua so sánh các công thức trên còn rút ra ñược :

− Hệ số cản lăn : fn = an/rn (2.6)

− Mô men cản lăn : Mfn = Pfn rn (2.7)

− Lực cản lăn : Pfn = fnZn = fnGn (2.8)

Từ sự phân tích trên có thể rút ra nhận xét rằng, những yếu tố ảnh hưởng

ñến lực cản lăn và hệ số cản lăn là : tải trọng tác dụng lên bánh xe, vật liệu

chế tạo lốp, áp suất không khí trong lốp và tính chất cơ lý của ñường

Khi chuyển ñộng có gia tốc còn có lực quán tính và mô men của các lực

quán tính tiếp tuyến ðối với các máy kéo gia tốc chuyển ñộng thường không

lớn nên có thể bỏ qua các thành phần lực và mô men này

2.4.3.2 ðộng lực học bánh xe ñàn hồi lăn trên ñường biến dạng

Trong trường hợp này cả lốp và mặt ñường ñều bị biến dạng Bề mặt tiếp

xúc giữa bánh xe và mặt ñường sẽ là mặt cong, diện tích tiếp xúc ở phần

trước của bánh xe lớn hơn diện tích phần sau

ðây cũng là nguyên nhân làm tăng thêm ñộ dịch chuyển của ñiểm ñặt phản

lực pháp tuyến Zn về phía trước, nghĩa là khoảng cách an sẽ lớn hơn so với

trường hợp bánh mềm lăn trên ñường cứng Cũng do nguyên nhân trên,

phương của phản lực tiếp tuyến Pfn sẽ dịch lên một ñoạn nào ñó so với mặt

phẳng tiếp xúc, tức là bán kính ñộng lực học sẽ nhỏ hơn bán kính tĩnh học

Trên hình 2.14 chỉ ra sơ ñồ lực tác dụng lên bánh xe ñàn hồi lăn trên

ñường mềm với tốc ñộ chuyển ñộng ổn ñịnh

Hình 2.14.Các lực tác dụng lên bánh bị ñộng ñàn hồi

khi lăn trên ñường mềm

Các thành phần lực cũng tương tự như ở trường hợp bánh mềm lăn trên ñường cứng

Qua phân tích trên ta thấy rằng, nếu ñất càng mềm thì ñộ sâu vết bánh xe càng lớn, ñộ dịch chuyển an càng lớn và do ñó sẽ làm tăng mô men cản lăn

và lực cản lăn Do vậy ñể giảm lực cản lăn cần phải giảm áp suất trong lốp hoặc sử dụng loại lốp có bề rộng lớn Tuy nhiên, nếu giảm áp suất không khí sẽ làm tăng ñộ biến dạng của lốp, ñó cũng là một nguyên nhân làm tăng

mô men cản lăn

2.4.3.3 ðộng lực học bánh xe cứng lăn trên ñường mềm

Các lực tác dụng lên bánh xe cũng tương tự như trường hợp bánh mềm lăn trên ñường mềm, song chỉ khác là trong trường hợp này chỉ có mặt ñường bị biến dạng Sơ ñồ nghiên cứu ñược biểu thị trên hình 2.15

Cần lưu ý rằng, nếu bánh xe chuyển ñộng ñều thì tổng hợp lực của Zn và

Pfn sẽ ñi qua tâm trục bánh xe vì trường hợp này bánh xe không bị biến dạng Việc xác ñịnh lực cản lăn Pfn, mô men cản lăn Mfn và hệ số cản lăn cũng tương tự như hai trường hợp trước Nếu kích thước của 2 loại bánh xe như nhau thì ñộ sâu vết bánh xe do bánh cứng tạo ra sẽ sâu hơn so với bánh mềm và do ñó lực cản lăn của bánh cứng sẽ lớn hơn

Hình 2.15 Sơ ñồ lực tác dụng lên bánh xe cứng

khi lăn trên ñường biến dạng 2.4.4 ðộng lực học bánh xe chủ ñộng

2.4.4.1 Cân bằng lực và mô men

Sự lăn của các bánh xe chủ ñộng cũng xảy ra ba trường hợp như ñã khảo sát các bánh bị ñộng ở ñây chỉ xét một trường hợp chung là sự lăn của bánh

xe ñàn hồi trên nền biến dạng (Hình 2.16)

Hình 2.16 Sơ ñồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ ñộng