Ổn định chuyển động thẳng và quay vòng của xe nhiều cầu chủ động (4x4)

Ta đặc biệt quan tâm đến xe có cầu chủ động là bởi vì nguyênnhân chủ yếu khiến cho ô tô bị mất ổn định khi chuyển động thẳng và quay vònglà do góc lệch hướng tại các bánh xe, mà góc lệch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ỔN ĐỊNH (QUAY VÒNG VÀ CHUYỂN ĐỘNG THẲNG) CHUYỂN ĐỘNG XE NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG (4X4)

SVTH: TRẦN THANH QUÂN MSSV: 13145207

SVTH: HUỲNH KHỞI MINH MSSV: 13145159

GVHD: TS LÂM MAI LONG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Tên đề tài:

ỔN ĐỊNH (QUAY VÒNG VÀ CHUYỂN ĐỘNG THẲNG) CHUYỂN ĐỘNG XE NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG (4X4)

SVTH: TRẦN THANH QUÂN MSSV: 13145207

SVTH: HUỲNH KHỞI MINH MSSV: 13145159

GVHD: TS LÂM MAI LONG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép chúng em gửi lời cảm ơn đến nhà trường, khoa Cơ khíĐộng lực đã tạo điều kiện, cung cấp các tài liệu tham khảo và tạo môi trường chochúng em thực hiện đề tài tốt nghiệp Thứ hai, chúng em đặc biệt cảm ơn thầy LâmMai Long, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi

để chúng em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức về chuyên môn của chúng emcòn nhiều hạn hẹp, nên mong quý thầy cô, các bạn có thể đóng góp nếu có mọi saisót, để đề tài được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn và chúc các thầy cô sức khỏe và thành đạt

TÓM TẮT

Đề tài tốt nghiệp nghiên cứu về sự ổn định chuyển động khi quay vòng vàchuyển động thẳng của xe ô tô du lịch nhiều cầu chủ động Đề tài thực hiện việcnghiên cứu về cơ học lăn của bánh xe – góc lệch hướng, đặc tính hướng, sựtruyền năng lượng trên xe nhiều cầu chủ động, lý thuyết về ổn định chuyển độngthẳng và quay vòng sử dụng mô hình phẳng một vết, lập mô hình và tính toán ổnđịnh chuyển động Kết quả thu được cho thấy, khi ta tăng vận tốc chuyển động khiquay vòng thì tính chất quay vòng thiếu càng thể hiện rõ ở xe có cầu trước chủđộng, thể hiện ít nhất ở xe có cầu sau chủ động, đối với trường hợp 2 cầu chủ động

là trung tính Xe có cầu trước chủ động thì độ mất ổn định cao nhất, cần đánh thêmtay lái nhiều nhất, sau đó đến xe 2 cầu và cuối cùng là xe có cầu sau chủ động Sựthay đổi vận tốc tỉ lệ thuận với bán kính quay vòng thực tế của xe Đối với trườnghợp ổn định chuyển động thẳng, khi khảo sát với một vận tốc không đổi thì không

có sự khác biệt rõ rệt về bán kính quay vòng ở xe có cầu trước, cầu sau và 2 cầuchủ động

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1.Lời mở đầu 1

1.2.Mục đích của đề tài 1

1.3.Giới hạn của đề tài 2

1.4.Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2: CƠ HỌC LĂN – GÓC LỆCH HƯỚNG – ĐẶC TÍNH HƯỚNG 3

2.1.Bánh xe 3

2.1.1.Bán kính thiết kế r0 3

2.1.2.Bán kính tự do rtd 4

2.1.3.Bán kính tĩnh rt 4

2.1.4.Bán kính động lực học rd 4

2.1.5 Bán kính lăn rl 4

2.1.6.Bán kính tính toán (bán kính làm việc trung bình) r 6

2.2.Động học lăn của bánh xe không biến dạng 6

2.2.1.Các khái niệm 6

2.2.2.Các quan hệ động học khi bánh xe lăn 7

2.3 Động lực học chuyển động bánh xe 10

2.3.1.Bánh xe bị động không phanh (Mk = 0, MP = 0) 10

2.3.2.Bánh xe chủ động (Mk≠ 0, Mp = 0) 11

2.3.3.Bánh xe chủ động hoặc bị động bị phanh (Mp ≠ 0, Mk = 0) 12

2.4.Sự bám và đặc tính trượt của bánh xe 13

2.4.1.Khả năng bám 13

2.4.2.Hệ số bám φ 13

2.4.3.Điều kiện bám 14

2.4.4.Đặc tính trượt 15

2.5.Góc lệch hướng và đặc tính hướng 17

2.5.1.Khái niệm góc lệch hướng 17

2.5.2.Đặc tính hướng 20

Chương 3: SỰ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG TRÊN XE NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG .24 3.1.Quá trình truyền năng lượng từ động cơ tới bánh xe chủ động 24

3.1.1.Sự truyền và biến đổi năng lượng trong hệ thống truyền lực 24

3.1.2.Quá trình biến đổi năng lượng trong hệ thống chuyển động 26

3.2.Phân phối công suất trên ô tô 27

3.2.1.Sự phân phối công suất của vi sai ở cầu chủ động 27

3.2.1.1.Động học của cơ cấu vi sai 28

3.2.1.2.Động học và mô men của vi sai bánh xe 29

3.2.1.3.Quan hệ mô men 31

3.2.1.4 Quan hệ về lực của cầu có vi sai 33

3.2.2.Phân phối công suất không vi sai 35

3.2.2.1.Các quan hệ động học và moment 36

3.2.2.2.Nghiên cứu quá trình chuyển động thẳng 38

3.2.2.3.Trạng thái lăn của cầu – Hiện tượng lưu thông công suất 40

Chương 4: LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG 44

4.1.Xây dựng hệ trục tọa độ khảo sát 44

4.2.Các lực tác dụng lên ô tô 46

4.2.1.Trong mặt phẳng dọc 46

4.2.1.1.Lực kéo Fk 47

4.2.1.2.Lực cản lăn Ff 47

4.2.1.3.Mô men cản lăn Mf 48

4.2.1.4.Phản lực pháp tuyến Z1, Z2 48

4.2.1.5.Lực cản không khí Fω 49

4.2.1.6.Lực cản quán tính Fj 50

4.2.2.Trong mặt phẳng ngang 51

4.2.2.1.Lực bên (lực ngang) Fy 51

4.2.2.2 Mô men đàn hồi Mz: 53

4.2.2.3.Lực ly tâm Flt 55

4.3.Mô hình khảo sát và các quan hệ động học, động lực học ô tô 1 cầu và 2 cầu chủ động 56

4.3.1.Các giả thiết 56

4.3.2.Động lực học ô tô 1 cầu chủ động 57

4.3.2.1.Cầu trước chủ động 57

4.3.2.2.Cầu sau chủ động 59

3.2.3 Động lực học ô tô 2 cầu chủ động 60

4.4.Ảnh hưởng của góc lệch hướng đến động lực học quay vòng của ô tô 61

CHƯƠNG 5: LẬP MÔ HÌNH VÀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE Ô TÔ DU LỊCH 4X4 67

5.1.Các thông số kỹ thuật cơ bản Toyota Fortuner 2.7V 4x4 67

5.2.Các thông số tính toán 68

5.3.Tính toán ổn đinh quay vòng 69

5.4.Mô phỏng quỹ đạo chuyển động quay vòng trên labview 73

5.5.Mô tả quỹ đạo ổn định chuyển động thẳng 81

5.5.1.Cơ sở lý thuyết 82

5.5.2.Tính toán bán kính R(Yw) 84

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2 1: Đặc tính quan hệ giữa bán kính lăn và lực kéo rl(Fk) 5

Hình 2 2: Bánh xe lăn không trượt 8

Hình 2 3: Bánh xe chủ động trượt quay 8

Hình 2 4: Bánh xe phanh 9

Hình 2 5: Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động khi lăn 10

Hình 2 6: Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động khi lăn 11

Hình 2 7: Bánh xe phanh 12

Hình 2 8: Đặc tính trượt toàn bộ của lực Fk và X 16

Hình 2 9: Đặc tính trượt của các bánh xe 17

Hình 2 10: Bánh xe dưới tác dụng của lực ngang 18

Hình 2 11: Góc lệch hướng của bánh xe 19

Hình 2 12: Đồ thị Kamm biểu diễn mối quan hệ của khả năng truyền lực dọc Fx và lực bên Fy của bánh xe 20

Hình 2 13: Ảnh hưởng của lực dọc đến đặc tính lệch bên của bánh xe 21

Y Hình 3 1: Hệ thống truyền lực của xe VAZ 2121 24

Hình 3 2: Sự truyền năng lượng từ động cơ xuống bánh xe chủ động 25

Hình 3 3: Sơ đồ truyền lực xe nhiều cầu chủ động 28

Hình 3 4: Sơ đồ truyền động vi sai bánh rang nón 29

Hình 3 5: Sơ đồ quay vòng của cầu chủ động 30

Hình 3 6: Quan hệ về lực của cầu có vi sai khi làm việc 34

Hình 3 7: Các sơ đồ phân phối công suất không vi sai 35

Hình 3 8: Đặc tính lực của bán kính lăn 38

Hình 3 9: Trường hợp bánh xe tới giới hạn bám 40

Hình 3 10: Trạng thái chuyển động của cầu với lực Fk khác nhau 41

Hình 4 1: Quan hệ động học của ô tô trong mô hình phẳng 44

Hình 4 2: Xác định vị trí trọng tâm ô tô tại một thời điểm xác định 45

Hình 4 3: Các lực tác dụng lên ô tô 46

Hình 4 4: Sơ đồ xác định diện tích cản chính diện của ô tô 50

Hình 4 5: Quan hệ giữa lực bên và góc lệch hướng 52

Hình 4 6: Sự thay đổi của vết tiếp xúc và các mối quan hệ động học, động lực học của bánh xe khi v = 0 và v ≠ 0 54

Hình 4 7: Mô men đàn hồi bánh xe Mz 55

Hình 4 8: Mô hình động lực học của ô tô cầu trước chủ động 58

Hình 4 9: Mô hình động học của ô tô cầu sau chủ động 59

Hình 4 10: Mô hình động học của ô tô hai cầu chủ động 60

Hình 4 11: Động học quay vòng ô tô không có biến dạng của lốp 62

Hình 4 12: Động học quay vòng của ô tô có kể đến biến dạng của lốp 63

Hình 4 13: Sơ đồ chuyển động của ô tô có tính chất quay vòng trung tính 64

Hình 4 14: Sơ đồ chuyển động của ô tô có tính chất quay vòng thiếu 65

Hình 4 15: Sơ đồ chuyển động của ô tô có tính chất quay vòng thừa 66

Hình 5 1: Quỹ đạo chuyển động của ô tô cầu trước chủ động khi thay đổi vận tốc74 Hình 5 2: Đồ đặc tính trượt toàn bộ của lực kéo Fk 75

Hình 5 3: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của hệ số bám dọc và bám ngang theo độ trượt 75

Hình 5 4: Quỹ đạo chuyển động của ô ô cầu sau chủ động khi thay đổi vận tốc 76

Hình 5 5: Quỹ đạo chuyển động của ô tô 2 cầu chủ động khi thay đổi vận tốc 77

Hình 5 6: Quỹ đạo chuyển động của cả 3 trường hợp với v = 20 m/s 78

Hình 5 7: Quỹ đạo chuyển động của cả 3 trường hợp với v = 25 m/s 79

Hình 5 8: Quỹ đạo chuyển động của cả 3 trường hợp với v = 30 m/s 80

Hình 5 9: Sơ đồ chuyển động của ô tô có tính chất quay vòng thiếu 83

Hình 5 10: Sơ đồ chuyển động của ô tô có tính chất quay vòng thừa 84

Hình 5 11: Đồ thị bán kính quay vòng thực tế R(Yw) 87

DANH MỤC CÁC BẢN Bảng 3 1: Bảng quy ước về dấu của mô men và tốc độ góc 31

Bảng 4 1: Giá trị của hệ số cản lăn f0 48

Bảng 4 2: Giá trị của hệ số cản không khí Cx và diện tích cản chính diện S 50

Bảng 5 1: Các thông số kỹ thuật Toyota Fortuner 2.7V 4x4 67

Bảng 5 2: Bảng giá trị khảo sát ổn định chuyển động thẳng 86

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

1.1.Lời mở đầu

Tính ổn định của ô tô là khả năng đảm bảo giữ cho quỹ đạo chuyển độngtheo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau Tùy thuộc điều kiện sửdụng, ô tô có thể đứng yên, chuyển động trên đường dốc (đường có gốc nghiêngdọc hoặc nghiêng ngang) có thể phanh hoặc quay vòng ở các loại đường khácnhau (đường xấu hoặc đường tốt…)

Ổn định chuyển động của ô tô là một yêu cầu rất quan trọng Khái niệmchuyển động ổn định của ô tô là khi ô tô chuyển động thẳng, thì nó phải duy trìđược hướng chuyển động thẳng và không bị lệch, nếu như người lái không đánh

vô lăng hay không lý do gì đánh vô lăng thì ô tô phải duy trì được hướng chuyểnđộng thẳng của nó Nhưng thực tế ô tô cũng khó giữ được quỹ đạo chuyển độngthẳng, nó sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố làm cho sự ổn định chuyển độngthẳng của ô tô bị ảnh hưởng Còn khái niệm chuyển động khi quay vòng là khingười lái đánh vô lăng để điều khiển hướng chuyển động mong muốn, nhưng khiđánh vô lăng như vậy thì trạng thái quay vòng của ô tô nó sẽ chịu ảnh hưởng củarất nhiều yếu tố, trong lý thuyết ô tô thì người có phân ra làm ba trạng thái quayvòng: quay vòng thiếu, quay vòng thừa, quay vòng trung tính Và chúng ta sẽphân tích ba trạng thái quay vòng này để đánh giá tính ổn định chuyển động của ôtô

1.2.Mục đích của đề tài

Nội dung của đề tài là xây dựng được mô hình nghiên cứu lý thuyết để thiếtlập các phương trình mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng mô hình phẳngmột vết Khảo sát quỹ đạo chuyển động của xe khi biết trước quy luật đánh lái,xem xét các nhân tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động khi ô tô quay vòng có

kể đến các đặc tính biến dạng của lốp, sự phân bố tải trọng lên các bánh xe, phânphối công suất, thay đổi vận tốc của xe, điều đó làm thay đổi quỹ đạo chuyển

động của ô tô Ta đặc biệt quan tâm đến xe có cầu chủ động là bởi vì nguyênnhân chủ yếu khiến cho ô tô bị mất ổn định khi chuyển động thẳng và quay vòng

là do góc lệch hướng tại các bánh xe, mà góc lệch hướng của ô tô của cầu trước,cầu sau không chỉ phụ thuộc vào lực ngang mà còn phụ thuộc chủ yếu vào việc

bố trí cầu chủ động, lực kéo có hay không có, lực kéo lớn hay lực kéo nhỏ, nhưvậy việc phân bố lực kéo ở các cầu chủ động sẽ làm ảnh hưởng đến sự trượt củacầu đó Vì vậy, ta sẽ nghiên cứu về ổn định chuyển động thẳng và quay vònggiữa ô tô có hai cầu chủ động xem nó khác với ô tô một cầu chủ động như thếnào

1.3.Giới hạn của đề tài

Để giải quyết các vấn đề trên, đề tài “Ổn định (quay vòng và chuyển

động thẳng) chuyển động xe nhiều cầu chủ động (4x4)” chỉ nghiên cứu tập

trung vào các nội dung sau:

 Tính toán các thông số quay vòng của xe

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quay vòng

 Xây dựng phương trình quay vòng của ô tô

1.4.Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu: trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu cóliên quan đến lý thuyết quay vòng của xe ô tô, tính ổn định của các bánh

xe dẫn hướng, thu thập tài liệu qua sách, luận văn thạc sĩ, qua Internet vàcác tiêu chuẩn quốc tế về quay vòng

 Phương pháp giải hệ phương trình bằng cách sử dụng phần mềmLabview để giải quyết các thuật toán, giải phương trình quay vòng

 So sánh đánh giá

CHƯƠNG 2

CƠ HỌC LĂN – GÓC LỆCH HƯỚNG – ĐẶC TÍNH HƯỚNG

2.1.Bánh xe

Chức năng chính của bánh xe:

- Chịu tác dụng của trọng lượng xe

- Một phần tử giảm chấn

- Là một bộ phận chuyển đổi năng lương cơ học của chuyển động quaythành chuyển động tịnh tiến

- Là bộ phận điều khiển lái

Bánh xe là phần tử nối giữa xe và mặt đường, nhờ có bánh xe mà công suất

từ động cơ được truyền xuống đến mặt đường và giúp cho xe chuyển động Cácđặc tính của bánh xe sẽ gây ảnh hưởng rõ rệt đến các đặc tính của xe như đặctính kéo, tính kinh tế nhiên liệu, tính điều khiển và ổn định chuyển động của xe Vìvậy, nghiên cứu cơ học lăn của bánh xe là phần tất yếu khi muốn nghiên cứu vềtính ổn định chuyển động của xe

Trước tiên, chúng ta đi vào khái niệm các loại bán kính bánh xe Bán kínhbánh xe là một thông số quan trọng, có nhiều liên hệ trong việc nghiên cứu về cácđặc tính của bánh xe cũng như ổn định chuyển động của ô tô

2.1.1.Bán kính thiết kế r 0

r0 là bán kính của bánh xe không quay, không chịu tải, áp suất trong lốp ởmức danh định Bán kính này được xác định theo kích thước tiêu chuẩn trên lớp,được cho bởi nhà chế tạo.

2.1.3.Bán kính tĩnh r t

Bán kính tĩnh rt là khoảng cách từ tâm bánh xe tới mặt đường khi bánh xeđứng yên và chịu lực tác dụng theo chiều thẳng đứng Giá trị của rt phụ thuộc vàocác lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe và áp suất không khí trong lốp

2.1.4.Bán kính động lực học r d

Bán kính động lực học rd là khoảng cách từ tâm bánh xe đến mặt đường khibánh xe đang lăn và chịu các lực tác dụng theo cả 3 chiều dọc, đứng và ngangGiá trị rd phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe

- Lực ly tâm khi bánh xe quay

- Mômen chủ động Mk hoặc mômen phanh Mp

- Áp suất không khí trong lốp

2.1.5 Bán kính lăn r l

Bán kính lăn rl không phải là thông số hình học mà là thông số động học, nó tỷ

lệ giữa vận tốc tịnh tiến thực tế v và vận tốc góc ωk của bánh xe Bán kính lăn đượcxác định:

r l= v

Như vậy, bán kính lăn là bán kính của một bánh xe ảo, nó chuyển động không

có trượt với vận tốc tịnh tiến tương đương với bánh xe thực tế rl có thể coi làkhoảng cách từ tâm bánh xe tới cực P của chuyển động tương đối giữa bánh xevới mặt đường

Giá trị rl phụ thuộc vào các thông số sau:

- Tải trong tác dụng lên bánh xe

- Áp suất không khí trong lốp

- Độ đàn hồi của vật liệu chế tạo lốp

- Khả năng bám của bánh xe với đường

- Giá trị mô men chủ động Mk hoặc mô men phanh Mp

Sự phụ thuộc giữa bán kính lăn rl vào lực kéo Fk hoặc mô men chủ động Mk

hoặc lực phanh Fp hoặc mô men phanh Mp được sử dụng phù hợp khi khảo sát sựphân phối công suất cho nhiều cầu chủ động qua hợp phân phối mà không sử dụng

vi sai

Hình 2 1: Đặc tính quan hệ giữa bán kính lăn và lực kéo r l (F k )

Để đơn giản hóa thì mối quan hệ rl(Fk) thường được tuyến tính hóa trongtoàn bộ vùng tác dụng của mô men theo công thức:

r l=r l 0−λ M M k=r l 0−λ f F k (2.3)Hoặc:

r l=r l 0−λ M M p=r l 0−λ f F p (2.4)

Ở đây:

λM (có đơn vị N-1); λf (có đơn vị N-1.m) là các hệ số thay đổi bán kính lăn (hoặc

hệ số biến dạng vòng)

Giá trị của chúng thay đổi theo phạm vi khá rộng, phụ thuộc vào loại lốp

Bán kính rlo là bán kính lăn của bánh xe bị động, mà trên nó không có tác dụngbất kỳ mô men nào (Mk = Mp = 0)

Khi giá trị lực kéo (hoặc mô men chủ động Mk) tác dụng lên bánh xe tăng dần

và xuất hiện sự trượt quay giữa bánh xe với mặt đường thì rl giảm xuống Khi bánh

xe bị trượt quay hoàn toàn (Fk = Fkmax = Fφ: lực bám) thì rl = 0

Khi giá trị lực phanh (hoặc mô men phanh Mp) tác dụng lên bánh xe tăng dần

và xuất hiện sự trượt lết giữa bánh xe với mặt đường thì rl sẽ tăng lên Khi bánh xe

bị trượt lết hoàn toàn (Fp = Fpmax = Fφ) thì rl → ∞

2.1.6.Bán kính tính toán (bán kính làm việc trung bình) r

Trong tính toán thực tế, người ta thường sử dụng bán kính của bánh xe có

kể đến sự biến dạng của lốp do ảnh hưởng của nhiều tố tố khác nhau.Giá trị củabán kính này so với bán kính thực tế có sai lệch không nhiều

Sl – Quãng đường lý thuyết mà bánh xe đã lăn

t – Thời gian bánh xe đã lăn

r – Bán kính tính toán của bánh xe

Nb – Tổng số vòng quay của bánh xe

ωk – Vận tốc góc của bánh xe

 Vận tốc chuyển động thực tế v:

- v là vận tốc chuyển động của xe khi có tính đến ảnh hưởng của sự trượtcủa bánh xe với mặt đường

St – Quãng đường thực tế mà bánh xe đã lăn.

rl – Bán kính lăn của bánh xe

 Vận tốc trượt v δ :

Khi xe chuyển động, xuất hiện sự trượt giữa bánh xe và mặt đường thì vậntốc thực tế của xe và vận tốc lý thuyết sẽ khác nhau Sự chênh lệch của 2 vận tốcnày chính là vận tốc trượt:

v δ=v−v0=ω k r l−ω k r (2.8)

 Hệ số trượt và độ trượt:

 Hệ số trượt và độ trượt khi kéo:

Sự trượt của bánh xe thể hiện qua thông số trượt δk:

 Hệ số trượt và độ trượt khi phanh:

Trong trường hợp phanh, ta có hệ số trượt và độ trượt như sau:

2.2.2.Các quan hệ động học khi bánh xe lăn

Khi bánh xe lăn có thể xảy ra hiện tượng trượt (trượt quay khi kéo hoặctrượt lết khi phanh), điều này sẽ làm ảnh hưởng đến vận tốc thực tế của xe Cóthể có 3 trạng thái lăn:

 Bánh xe lăn không trượt:

Trong trường hợp này, tốc độ của tâm bánh xe bằng với tốc độ vòng Nghĩa

là tốc độ lý thuyết bằng với tốc độ thực tế (v = v0 = r.ωk):

Hình 2 2: Bánh xe lăn không trượt

Do vậy, tâm quay tức thời P của bánh xe nằm trên vành bánh xe và bán kínhlăn bằng bán kính tính toán: rl = r

Trạng thái này chỉ có được ở bánh xe bị động với Mp = 0, lúc đó vδ = 0

 Bánh xe lăn có trượt quay:

Trường hợp này bánh xe đang có lực kéo, tốc độ của tâm bánh xe (tốc độthực tế) v nhỏ hơn tốc độ lý thuyết v0, do vậy cực P nằm trong vòng bánh xe và rl

< r Trong vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường, theo quy luật phân bố vậntốc sẽ xuất hiện một vận tốc trượt Vδ ngược hướng trục X

Vδ = V - V0 < 0

Vδ = V-V0 > 0

2.3.1.Bánh xe bị động không phanh (M k = 0, M P = 0)

Hình 2 5: Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động khi lăn

Khi đó bánh xe sẽ chịu các lực sau đây:

Từ khung xe: Tải trọng thẳng đứng, ký hiệu là Gb và lực đẩy đặt tại tâm trục

và bánh xe, hướng theo chiều chuyển động, ký hiệu là Fx Hợp lực của Fx và Gb điqua ổ trục và nghiêng một góc αcắt mặt đường ở khoảng cách a

Từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe các phản lực tiếp tuyến mà hợp lựccủa chúng ký hiệu là X và các phản lực pháp tuyến mà hợp lực của chúng là Z.Phản lực tiếp tuyến xuất hiện là do tại tâm trục bánh xe tồn tại lực Fx Mà lựcnày có xu hướng đẩy vết tiếp xúc giữa đường với lốp về phía trước theo chiềuchuyển động Do đó tại vết tiếp xúc sẽ xuất hiện lực X, chống lại sự dịch chuyển

đó, xét về giá trị ta có:

Với:

Z – Phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên bánh xe

Gb – Trọng lượng tác dụng lên bánh xe

Phản lực tiếp tuyến X ngược chiều chuyển động của xe, được coi là lực cảnlăn Ff, lực cản lăn phải được khắc phục bằng lực đẩy Fx, vì vậy ta có:

F x=X=F f=Z f (2.12)

Với f là hệ số cản lăn.

Phương trình cân bằng mômen tại tâm bánh xe:

Z a=F f r =f Z r=M f (2.13)

Trong đó mômen Mf được đưa vào sơ đồ nếu giả thiết các phản lực tác

dụng từ mặt đường nằm tại giao điểm của trục thẳng đứng đối xứng của bánh xevới mặt đường Mômen Mf gọi là mômen cản lăn của bánh xe Từ sơ đồ ta có:

mô men chủ động) Ta có các quan hệ sau:

Hình 2 6: Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động khi lăn

 Fx: lực đẩy vào khung ngược chiều chuyển động của xe

 X: Phản lực tiếp tuyến, khi phanh nó ngược chiều chuyển động của xe

2.4.1.Khả năng bám

Điều kiện để ô tô chuyển động được là ở các bánh xe chủ động phải cómômen xoắn chủ động truyền đến và tại bề mặt tiếp xúc giữa các bánh xe và mặtđường phải có độ bám nhất định, thì mặt đường mới có thể tiếp nhận công suấttruyền xuống và đẩy xe chạy Vì vậy, khả năng bám là khả năng bánh xe chuyểnđộng bình thường không có trượt quay dưới tác dụng của mô men chủ động hoặcbánh xe không có trượt lết khi bánh xe đang chịu mô men phanh

2.4.2.Hệ số bám φ

Để cho ô tô có thể chuyển động được thì ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe vàmặt đường phải có độ bám nhất định được đặc trưng bằng hệ số bám Nếu độbám (hệ số bám) thấp thì bánh xe có thể bị trượt quay khi có mô men xoắn lớntruyền từ động cơ đến bánh xe chủ động Trường hợp này thường xảy ra khibánh xe chủ động đứng trên mặt đất lầy hoặc đứng trên băng Hệ số bám giữabánh xe với mặt đường đặc trưng cho sự trượt, có ý nghĩa lớn trong việc nghiêncứu động lực học quay vòng của xe Hệ số này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:chất lượng mặt đường, kết cấu và trạng thái kỹ thuật của lốp, tải trọng tác dụnglên bánh xe và sự trươt bánh xe

Nếu xét khả năng bám theo chiều dọc (khi dưới bánh xe chỉ có tác dụngcủa lực dọc: lực kéo hoặc lực phanh), thì hệ số bám là hệ số bám dọc φx Hệ

số bám dọc φx giữa bánh xe chủ động với mặt đường là tỷ số giữa lực kéo tiếptuyến cực đại (sinh ra tại điểm tiếp xúc của bánh xe chủ động với mặt đường) trêntải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe chủ động

φ x=F kmax

Ngoài ra, nếu xét khả năng bám theo chiều ngang (khi dưới bánh xe chỉ

có phản lực ngang Yb), thì hệ số bám là hệ số bám ngang φy và được địnhnghĩa như sau:

Khi nói tới ma sát là nói tới sự trượt và trong quá trình ô tô chuyển độngkhông thể không có trượt và công suất kéo Pk phải mất đi một lượng đáng kể chocông suất trượt mất mát này (P δ = Fk.V δ) Như đã biết trong phần bán kính lănthì sự trượt liên quan đến lực kéo hay lực phanh Lực này càng lớn thì trượtcàng nhiều (bán kính lăn càng thay đổi) Khi lực kéo hoặc lực phanh đạt giá trịcực đại thì bánh xe sẽ ở trạng thái trượt hoàn toàn Chính vì vậy ta có thể nói:lực kéo hoặc lực phanh không thể lớn tùy ý mà bị giới hạn bởi lực bám

Lực kéo tiếp tuyến cực đại phát sinh theo điều kiện bám giữa bánh xechủ động với mặt đường như sau:

bám Fφ, cho nên muốn sử dụng hết lực kéo tiếp tuyến Fkmax do động cơ truyềnxuống để thắng lực cản chuyển động thì cần thiết phải tăng lực bám Fφ nghĩa

là phải tăng hệ số bám hay tăng tải trọng Z hoặc cùng tăng cả hai

Điều này thể hiện ở ô tô có tính năng cơ động cao Để tăng lực bám Z thì

ở các ô tô này dùng lốp có vấu cao nhằm tăng hệ số bám φ và dùng nhiềucầu chủ động để sử dụng toàn bộ trọng lượng của ô tô làm trọng lượng bám.Khi dưới bánh xe có phản lực ngang tác dụng thì khả năng bám theochiều ngang được thể hiện qua lực bám ngang Fφy:

Nếu khi ô tô chuyển động ở vận tốc cao trên đường vòng hoặc đườngnghiêng, lực ly tâm sẽ đóng vai trò lực ngang, nếu lực ly tâm tăng đến một giátrị nào đó lớn hơn giới hạn bám ngang của các bánh xe với mặt đường sẽ gây

ra hiện tượng trượt ngang làm mất tính ổn định hoặc tính dẫn hướng của ô tô

Vì vậy để cho bánh xe không bị trượt ngang thì phản lực ngang cực đại phảinhỏ hơn hoặc bằng lực bám ngang:

2.4.4.Đặc tính trượt

Khi giá trị lực kéo Fk (hoặc lực phanh FP) tác dụng lên bánh xe thayđổi, độ trượt giữa bánh xe với mặt đường cũng thay đổi theo Sự phụ thuộccủa hệ số trượt vào các lực Fk hoặc X: δ(Fk); δ(X) được biểu diễn ở hình 2.8trong cả 2 vùng: vùng trượt quay và vùng trượt lết

Hình 2 8: Đặc tính trượt toàn bộ của lực F k và X

Thông thường thay cho các lực, người ta sử dụng các thông số khôngthứ nguyên µx, µk, µp Hệ số µx, µp nói lên khả năng tiếp nhận lực kéo Fk và lựcphanh Fp của mặt đường ứng với tải trọng Z nào đó Vì thế nó tương đương với

Z: phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe

Lúc đó các quan hệ µx(δ), µk(δ) được gọi là các đặc tính trượt vàchúng được biểu diễn trên hình 2.9

Hình 2 9: Đặc tính trượt của các bánh xe

a – bánh xe chủ động

b – bánh xe đang phanh

f0 – hệ số cản lăn của bánh xe bị độngĐối với bánh xe chủ động, đăc tính trượt thường bao gồm các mối quan

hệ µx(δ) xác định từ lực X và µk(δ) được xác định từ mô men xoắn Mk Đặc tínhnày có ý nghĩa quan trọng đặc biệt đối với các xe chuyển động trên đường đấtmềm hoặc khi khảo sát về “Hệ thống tự động điều khiển lực kéo” Trong cácđặc tính này, khi µx, µk tăng, hệ số cản lăn f =µx - µk sẽ tăng theo

2.5.Góc lệch hướng và đặc tính hướng

2.5.1.Khái niệm góc lệch hướng

Giả sử khi ô tô đang chuyển động thẳng và bánh xe lăn không có lực ngang

Fy tác dụng, thì bánh xe chỉ chịu tác dụng của lực Gb, lực đẩy X, lực cản lăn Ff.Lúc này vết tiếp xúc của bánh xe với mặt đường sẽ trùng với đường đối xứng quamặt phẳng dọc của bánh xe Nếu có lực ngang tác dụng (ví dụ: lực gió ngang) thìbánh xe lăn sẽ bị biến dạng ngang, các thớ lốp bị uốn cong, vết tiếp xúc giữabánh xe với mặt đường bị lệch đi so với đường đối xứng qua mặt phẳng dọc củabánh xe và chuyển động của xe sẽ bị lệch đi so với hướng chuyển động thẳng 1

góc nhất định Góc này được gọi là góc lệch hướng, góc lệch hướng là góc hợpbởi véctơ tốc độ thực tế của bánh xe với mặt phẳng đối xứng dọc của bánh xe

Hình 2 10: Bánh xe dưới tác dụng của lực ngang

Trong quá trình xe lăn lệch, các phần tử lốp ở khu vực phía trước của vếttiếp xúc (đoạn kk hình 2.11b) bị biến dạng ngang nhỏ hơn so với các phần tử lốp

ở phía sau (đoạn nn hình 2.11b), vì vậy các phản lực ngang riêng phần ở phíatrước của vết tiếp xúc sẽ nhỏ hơn ở phần sau Hợp lực Y của các phản lực ngang

có trị số bằng Fy và bị dịch chuyển ra phía sau so với tâm của vết tiếp xúc mộtđoạn c1 (hình 2.11c)

Hình 2 11: Góc lệch hướng của bánh xe

Góc lệch α phụ thuộc vào trị số của lực ngang và góc nghiêng của bánh xevới mặt phẳng thẳng đứng Khi phản lực ngang Yb hướng theo phía nghiêng củabánh xe thì góc lệch tăng và ngược lại thì góc lệch giảm xuống

Góc lệch α và lực ngang Fy được biểu thị bằng biểu thức sau (khi trị số của

 α: góc lệch hướng của bánh xe (góc lệch bên)

 Cα: hệ số chống lệch bên Hệ số này phụ thuộc và kích thước lốp, kết cấu

tiếp đến tính năng dẫn hướng và tính năng ổn định của xe

Góc lệch hướng α phụ thuộc và rất nhiều các yếu tố Ca, Z, X, Fy, loại lốp…trong đó chủ yếu là phụ thuộc vào lực ngang và độ đàn hồi của lốp

Hình 2 12: Đồ thị Kamm biểu diễn mối quan hệ của khả năng truyền lực dọc

F x và lực bên F y của bánh xe

Từ đồ thị, ta thấy:

R = √F2x

Với R là hợp lực của lực dọc Fx và lực bên Fy

Xét trong mối quan hệ Fy = f(αi) và đồ thị Kamm, đường đặc tính lệch bên củabánh xe khi không có mặt lực dọc có dạng biểu diễn như hình 2.13

Hình 2 13: Ảnh hưởng của lực dọc đến đặc tính lệch bên của bánh xe.

Từ đồ thị thấy nếu Fx = Fxmax thì Fy = 0 tức là khi đó bánh xe không có khảnăng tiếp nhận lực bên Ngược lại nếu Fy = Fymax thì Fk = 0 khi đó bánh xekhông có khả năng tiếp nhận lực dọc Như vậy đường tròn vẽ nên bởi đầu mútcủa Rkmax là giới hạn khả năng tiếp nhận lực tổng hợp từ lực dọc và lực ngangcủa bánh xe Kèm theo khả năng tiếp nhận lực dọc và lực bên của bánh xe làhiện tượng trượt dọc và trượt ngang của bánh xe: khi có lực dọc cực đại (kéo,phanh) bánh xe dễ dàng bị trượt bên, và ngược lại khi có lực bên cực đại, bánh

xe dễ dàng bị trượt dọc Góc lệch hướng với lực ngang và lực dọc có mối quan

hệ mật thiết với nhau

Theo công thức (2.31) và (2.32), ta có thể xác định góc lệch hướng như sau:

tại điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đường của các bánh xe, dẫn đến làm tănggóc lệch hướng α.

Ngoài ra, khi ta tăng vận tốc của xe thì lực kéo xe cũng sẽ tăng theo côngthức:

F k=F f+F w=mgf +0,63 C x v2 S (2.35)Lực Fk ở đây là lực kéo cần thiết để ô tô có thể chuyển động được

Theo đặc tính trượt toàn bộ của lực Fk như trên thì khi lực Fk tăng thì độ trượt

δk cũng sẽ tăng

Theo đồ thị biểu diễn sự thay đổi của hệ số bám dọc và bám ngang theo độ

trượt thì khi độ trượt tăng hệ số bám ngang sẽ giảm, điều này dẫn đến việc dễxảy ra hiện tượng trượt ngang và sẽ làm tăng góc lệch hướng Như vậy góc lệchhướng α và lực dọc (lực kéo tiếp tuyến) có mối quan hệ mật thiết với nhau, nếu tatăng lực Fk thì sẽ ảnh hưởng nhiều đến góc lệch hướng.

Nói tóm lại, góc lệch hướng là thành phần chịu sự tác động của nhiều yếu tố,ngoài lực ly tâm khi quay vòng , lực kéo tiếp tuyến Fk, lực gió ngang, còn có thể

do đặc tính đàn hồi của lốp, loại lốp, kiểu hoa lốp,… Sự phụ thuộc của góc lệchhướng vào tất cả các nhân tố ảnh hưởng đến góc lệch hướng đó là đặc tínhhướng Đặc tính hướng chính là nhân tố chính ảnh hưởng đến tính ổn địnhchuyển động khi quay vòng nói riêng, hoặc ổn định chuyển động của ô tô nóichung

Chương 3

SỰ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG TRÊN XE NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG

3.1.Quá trình truyền năng lượng từ động cơ tới bánh xe chủ động

3.1.1.Sự truyền và biến đổi năng lượng trong hệ thống truyền lực

Hình 3 1: Hệ thống truyền lực của xe VAZ 2121

1 – Cơ cấu khóa vi sai giữa hai cầu

2 – Vi sai giữa hai cầu

Khi truyền năng lượng từ động cơ tới khung xe bằng hệ thống truyền lực và

hệ thống chuyển động sẽ xảy ra các hiện tượng sau:

 Tốc độ, mô men hay lực bị biến đổi.

 Một phần năng lượng truyền đi sẽ bị tiêu hao

 Tích lũy năng lượng ở hai dạng: động năng do khối lượng của các chi tiếttrong hệ thống và thế năng do tính đàn hồi của nó Sự chuyển hóa qua lạicủa 2 dạng năng lượng này là nguyên nhân của hiện tượng dao động củatrong hệ thống

Chúng ta khảo sát quá trình truyền năng lượng với các giả thiết sau:

 Dòng công suất truyền tới các bánh xe chủ động hay tới các cầu chủ độngcủa xe nhiều cầu là như nhau Do đó, có thể coi chỉ có một dòng công suấtduy nhất truyền từ động cơ tới một bánh xe chủ động đại diện mà thôi(dùng model phẳng một vết)

 Không để ý đến quá trình chuyển tiếp xảy ra khi đóng, tách ly hợp và khichuyển số

 Các đặc tính của động cơ và hệ thống truyền lực sẽ giữ nguyên khi chuyểnđộng ổn định và không ổn định

 Khi chuyển động đều, giả thiết là không xảy ra tích lũy năng lượng trong

hệ, nghĩa là các phần tử trong hệ được coi là không có khối lượng và tuyệtđối cứng

Quá trình truyền và biến đổi năng lượng từ động cơ đến các bánh xe chủ độngthông qua hệ thống truyền lực như hình 3.2

Hình 3 2: Sự truyền năng lượng từ động cơ xuống bánh xe chủ động

Công suất động cơ: P e=M e ω e

Công suất tại bánh xe: P k=M k ω k

Với:

 Me, ωe là mô men xoắn và tốc độ góc của động cơ

 Mk, ωk là mô men xoắn và tốc độ góc của bánh xe chủ động

Mặt khác, để thể hiện các mối quan hệ chức năng của hệ thống truyền động,chúng ta sử dụng các khái niệm sau:

- Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực:

ip – Tỷ số truyền của hộp số phụ (hoặc hộp phân phối)

io – Tỷ số truyền của truyền lực chính

ic – Tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng

- Hiệu suất truyền động:

ηl – Hiệu suất của ly hợp.

ηh – Hiệu suất của hộp số

ηp – Hiệu suất của hộp số phụ (hoặc hộp phân phối)

ηcđ – Hiệu suất của cac đăng

ηo – Hiệu suất của truyền lực chính

ηc – Hiệu suất của truyền lực cuối cùng

3.1.2.Quá trình biến đổi năng lượng trong hệ thống chuyển động

Công suất của động cơ được truyền đến bánh xe chủ động của ô tô qua hệthống truyền lực Trong khi truyền, công suất bị tổn hao do ma sát trong hệ thốngtruyền lực nên công suất ở bánh xe chủ động sẽ nhỏ hơn công suất của động cơphát ra Công suất ở bánh xe chủ động thể hiện qua hai thông số là mô men xoắn

Mk và số vòng quay của bánh xe chủ động ωk Nhờ có mô men xoắn Mk và nhờ

có sự tiếp xúc của bánh xe chủ động với mặt đường cho nên tại vùng tiếp xúc củabánh xe chủ động và mặt đường sẽ phát sinh lực kéo tiếp tuyến Fk hướng theochiều chiều chuyển động Lực kéo Fk chính là lực của mặt đường tác dụng lênbánh xe chủ động

Hệ thống chuyển động biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnhtiến, nghĩa là biến đổi mô men Mk và tốc độ góc ωk trên trục bánh xe thành lực kéocủa bánh xe (Fk) và tốc độ tịnh tiến (V)

Quan hệ các thông số trên như sau:

 r là bán kính tính toán của xe, có thể coi r = const.

 rl là bán kính lăn của bánh xe, nó thay đổi phụ thuộc vào tải trọng và tốc độcủa xe

Như vậy, từ các mối quan hệ trên cho thấy rằng hệ thống chuyển động biến đổi lực với một tỷ lệ không đổi, còn sự truyền tốc độ không phải là ổn định Trên đường tốt và tốc độ cao có thể coi rl = r, ngược lại trên đường xấu và tốc độ thấp thì rl khác r, trong trường hợp này phải quan tâm tới trượt

3.2.Phân phối công suất trên ô tô

3.2.1.Sự phân phối công suất của vi sai ở cầu chủ động

Ở phần trước chúng ta đã giả thiết chỉ có một đường truyền công suất duynhất từ động cơ đến bánh xe chủ động Thực chất, ô tô có ít nhất hai dòng côngsuất từ động cơ dẫn đến hai bánh xe trái, phải của cầu chủ động Ở xe nhiều cầuchủ động thì dòng công suất tăng lên gấp bội Nghiên cứu phân phối công suất lànghiên cứu qui luật phân phối công suất (mô men xoắn và tốc độ góc) từ động cơđến các cầu chủ động và đến các bánh xe của cầu chủ động, đồng thời cũngkhảo sát các hiện tượng xảy ra trong quá trình phân phối này

Việc phân phối công suất được thực hiện bằng cơ cấu phân phối công suất:

 Bộ vi sai ở cầu chủ động: Vi sai đặt ở cầu chủ động cho phép các bánh xechủ động quay với các vận tốc góc khác nhau, đồng thời nó phân bố mômen xoắn cho hai bán trục theo một tỷ lệ nhất định Tỷ lệ này phụ thuộcvào hiệu suất riêng của vi sai