TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong cuộc sống hiện đại như ngày này, nhu cầu về sử dụng các phương tiện đi lại cũng như vận chuyển hàng hóa trở nên vô cùng thiết yếu trong việc phát triển kinh tế và phục vụ đời sống của con người Với sự tiện ích cao, che chở được với mọi loại thời tiết khác nhau, tính cơ động cao, khả năng chuyên chở được nhiều loại hàng hóa đa dạng, thì ô tô là phương tiện được sử dụng nhiều nhất hiện nay.
Vậy một chiếc ô tô được gọi là chuyển động tốt, đạt tiêu chuẩn sử dụng thì phải được đánh giá qua các yếu tố sau Thứ nhất đó là “Động lực học ô tô”, nghĩa là chiếc ô tô đó chuyển động mạnh mẽ hay không được thể hiện qua 3 thông số quan trọng đó là: tốc độ cực đại Vmax, gia tốc cực đại Jmax, khả năng leo dốc cực đại Imax.
Thứ hai đó là vấn đề liên quan đến an toàn và ổn định chuyển động, vấn đề này liên quan đến hệ thống phanh, ổn định hướng, không bị văng, mất lái trong quá trình chuyển động của ô tô Ngoài ra, một ô tô được đánh giá là tốt thì phải đảm bảo được tính cơ động và còn liên quan đến vấn đề tiêu hao nhiên liệu không quá lớn.
Những yêu cầu để đánh giá một chiếc ô tô được nói ở trên đều chịu ảnh hưởng đến một hiện tượng quan trọng khi ô tô chuyển động đó là sự ma sát, sự trượt của bánh xe và mặt đường Lý thuyết ô tô đã chứng mình rằng khi ô tô chuyển động tức là có lực kéo, lực phanh (lực dọc) hoặc lực ngang khi quay vòng là sẽ có trượt dọc hoặc trượt ngang Sự trượt (tổn thất khi trượt) là một phần không thể thiếu trong quá trình truyền năng lượng giữa bánh xe và mặt đường Đây cũng là vấn đề mà nhóm thực hiện tìm hiểu và nghiên cứu.
Sau một thời gian học tập tại Trường Đại Học Sư phạm kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, được sự định hướng của thầy hướng dẫn, chúng em đã chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của sự trượt tại bánh xe tới chuyển động của ô tô” để tiến hành nghiên cứu đánh giá tác động sự trượt đến chuyển động của ô tô từ đó đưa ra các kết luận và một số giải pháp giảm sự trượt.
Mục tiêu
- Tìm hiểu tổng quan về đề tài.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về sự trượt tại bánh xe khi lăn.
- Phân tích ảnh hưởng của sự trượt tới động lực học chuyển động thẳng, tới an toàn khi phanh, an toàn khi quay vòng và tới tiêu hao nhiên liệu.
- Giới thiệu các giải pháp giảm trượt.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là ảnh hưởng của sự trượt tại bánh xe tới chuyển động của ô tô. Đề tài chỉ mang tính chất nghiên cứu, phân tích, giải thích nguyên nhân và đề ra các giải pháp hạn chế hiện tượng trên.
Phương pháp nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu sử dụng 2 phương pháp chính:
- Phương pháp khảo sát và tìm hiểu các tài liệu có liên quan đến đề tài.
- Phương pháp phân tích và tổng hợp và đưa ra kết luận: phân tích các tài liệu có liên quan đến đề tài và tổng hợp có chọn lọc các nội dung để đưa vào bài báo cáo và rút ra kết luận.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỰ TRƯỢT TẠI BÁNH XE KHI LĂN
Các khái niệm
2.1.1 Lực kéo và lực phanh
Lực kéo tiếp tuyến : Động cơ Bánh xe chủ động
Hình 2 1 Sơ đồ truyền năng lượng từ động cơ đến bánh xe chủ động
Công suất của động cơ P e được truyền qua hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động thành công suất trên trục bánh xe chủ động P k Khi đó, mô men xoắn động cơ M e sẽ trở thành mô men xoắn trên trục bánh xe chủ động M k , tốc độ góc động cơ thành tốc độ góc của bánh xe chủ động Do mô men xoắn M k và sự tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường đã sinh ra phản lực F k từ mặt đường tác động lên bánh xe hướng theo chiều chuyển động của xe Phản lực F k này được gọi là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động có điểm đặt tại tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường Ta có:
Với: F k là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động (N).
M k mô men xoắn trên trục bánh xe chủ động (N.m). i tl là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực. n tl là hiệu suất của hệ thống truyền lực. r b là bán kính tính toán của bánh xe (m).
Hình 2.2 Lực kéo tiếp tuyến Fk
Khi đạp phanh thì cơ cấu phanh của xe sẽ tạo ra mô men ma sát gọi là mô men phanh M p Lúc này điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường sẽ sinh ra lực phanh F p , có chiều ngược với chiều chuyển động và điểm đặt cũng tại tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường Ta có:
Với: F p là lực phanh của bánh xe (N).
M p mô men phanh sinh ra từ cơ cấu phanh (Nm). r b là bán kính tính toán của bánh xe (m).
2.1.2 Bán kính lăn và bán kính tính toán.
Bán kính bánh xe là một thông số hình học cơ bản của bánh xe Người ta phân loại ra nhiều loại bán kính bánh xe như bánh kính danh định, bán kính tự do, bán kính tĩnh, … Trong phạm vi đề tài chúng ta chỉ nghiên cứu đến bán kính tính toán và bán kính lăn của bánh xe.
Bán kính tính toán của bánh xe r b :
Bán kính tính toán của bánh xe hay còn gọi là bán kính làm việc trung bình được sử dụng cho việc tính toán thiết kế trong thực tế (với độ sai lệnh với giá trị bán kính thực ít) Bán kính r b được tính như sau: r b = r 0 λ (m) (2.3)
Trong đó: r 0 là bán kính thiết kế của bánh xe (bán kính bán xe không quay, không tải, được quy định bởi nhà sản xuất) (m). λ là hệ số biến dạng pháp tuyến của lốp.
Ngoài ra, có thể lấy bán kính tính toán bằng bán kính lăn của bánh xe bị động r l0 (khi bánh xe bị động không có tác dụng của lực kéo và lực phanh nào).
Bán kính lăn của bánh xe r l :
Bán kính lăn là một thông số động học liên quan đến trạng thái chuyển động của xe, cụ thể liên quan đến sự trượt của bánh xe với mặt đường Bán kính lăn là tỉ số giữa vận tốc thực tế của xe và vận tốc góc của bánh xe (hai thông số động học), được xác định theo công thức sau: r l = v
Trong đó: r l là bán kính lăn của bánh xe (m). v là vận tốc thực tế của xe (có liên quan đến sự trượt) (m/s). ω k là tốc độ góc của bánh xe chủ động (rad/s).
Thực tế, khi ta tăng ga hay đạp phanh thì xe luôn xuất hiện sự trượt (dù nhiều hay ít), sự trượt lại ảnh hưởng đến vận tốc thực tế của xe mà bán kính lăn lại phụ thuộc vào vận tốc thực tế của xe Như vậy, bán kính lăn của bánh xe r l cũng phụ thuộc vào lực kéo tiếp tuyến F k và lực phanh F p tại bánh xe đó Mối quan hệ đó được thể hiện qua công thức sau: rl = rl0 − λf Fk
Trong đó: 0 là bán kính lăn của bánh xe bị động khi không có tác động của lực kéo và lực phanh (F k = F p = 0). λ f là hệ số thực nghiệm cho trước (phụ thuộc vào loại đường, tình trạng mặt đường, tải trọng pháp tuyến).
F k là lực kéo tiếp tuyến.
F p là lực phanh do các cơ cấu phanh sinh ra.
Hình 2.4 Sự phụ thuộc bán kính lăn r l vào lực kéo và lực phanh.
Từ đồ thị r l (F) trên ta có một số nhận xét như sau:
- Đặc tính trong vùng kéo từ F pmax đến F kmax là đường tuyến tính.
- Giao điểm giữa đường tuyến tính và trục tung r l0 đây là trạng thái không có cả lực kéo và lực phanh gọi bán kính của bánh xe bị động hay bán kính tính toán.
- Trong vùng kéo nửa bên phải của đồ thị, khi lực kéo F k tăng dần, sự trượt kéo cũng tăng lên thì bán kính lăn r l giảm dần, cho đến khi lực kéo cực đại F kmax thì rl = 0 điều này đồng nghĩa với vận tốc xe của xe cũng sẽ bằng không Lúc này cho dù lực kéo có đạt giá trị cực đại thì xe cũng không chuyển động được nữa (đây là hiện tượng trượt quay hoàn toàn).
- Trong vùng phanh nửa bên trái của đồ thị khi lực phanh F p tăng dần (do lực phanh ngược chiều chuyển động nên khi thay vào biểu thức ta lấy giá trị tuyệt đối của lực phanh), sự trượt lết cũng tăng lên thì bán kính lăn r l tăng dần, cho đến khi lực phanh cực đại F pmax thì bán kính r l = ∞, khi đó tốc độ góc của bánh xe cũng bằng không tức là lúc này phanh hãm cứng (trượt lết hoàn toàn).
2.1.3 Vận tốc lý thuyết, vận tốc thực tế và vận tốc trượt.
Vận tốc lý thuyết của xe (v 0 ): là vận tốc của xe khi chuyển động không có tính đến sự trượt Ta có: v 0 = ω k r b (m/s)
Trong đó: ω k là tốc độ góc của bánh xe. r b là bán kính tính toán của bánh xe.
Vận tốc thực tế của xe (v): là vận tốc chuyển động thực tế của xe khi tính đến ảnh hưởng của sự trượt bánh xe Ta có: v = ω k r l (m/s)
Trong đó: ω k là tốc độ góc của bánh xe (rad/s). r l là bán kính lăn của bánh xe (m).
Vận tốc trượt ( ): khi xe chuyển động có sự trượt giữa bánh xe với mặt đường thì vận tốc thực tế và vận tốc lý thuyết của xe có sự khác nhau Sự chênh lệch này gọi là vận tốc trượt Ta có: v δ = v − v 0 = ω k r l − ω k r b = ω k (r l − r b ) (m/s) (2.9)
2.1.4 Các trạng thái động học của bánh xe
Sự bám và đặc tính trượt khi kéo và phanh
2.2.1 Sự bám của bánh xe với mặt đường
Theo đồ thị về sự phụ thuộc của bán kính lăn vào lực kéo và lực phanh (Hình 2.4), ta thấy khi xe đạt đến một lực kéo cực đại F kmax thì r l = 0 (trượt quay hoàn toàn), khi lực phanh cực đại F pmax thì r l = ∞ (trượt lết hoàn toàn) Ta gọi F kmax là giới hạn bám khi kéo và F pmax là giới hạn bám khi phanh Có thể hiểu giới hạn bám là khả năng tiếp nhận lực kéo và lực phanh của bánh xe Giới hạn càng lớn thì càng cho phép tăng lực kéo và phanh Giới hạn bám được xác định bằng tải trọng tác dụng lên bánh xe nhân cho một hệ số φ (gọi là hệ số bám):
Hệ số bám đặc trưng cho độ bám giữa bánh xe với mặt đường Tùy theo chiều của phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe mà hệ số bám sẽ có tên gọi khác nhau Nếu xét khả năng bám theo chiều dọc (khi dưới bánh xe chỉ có phản lực dọc: lực kéo hoặc lực phanh), thì hệ số bám được gọi là hệ số bám dọc φ x và được định nghĩa như sau: φ x =
F kmax là lực kéo tiếp tuyến cực đại giữa bánh xe với mặt đường (N).
F z là tải trọng pháp tuyến tác dụng lên bánh xe (trọng lượng bám) (N).
Hệ số bám x giữa bánh xe chủ động với mặt đường trước hết phụ thuộc vào nguyên liệu làm đường, nguyên liệu chế tạo lốp, tình trạng mặt đường, kết cấu của hoa lốp, tải trọng tác dụng lên bánh xe, áp suất lốp, …Ngoài ra, hệ số x còn phụ thuộc vào tình trạng trượt của bánh xe với mặt đường, sự trượt lại phụ thuộc vào lực kéo và lực phanh mà người
10 lái có thể điều khiển Như vậy, người lái có thể tận dụng lực kéo và lực phanh để tăng khả năng bám cho xe Vì x phụ thuộc vào sự trượt giữa bánh xe với mặt đường nên luôn biến thiên Giá trị tức thời của nó biểu hiện qua các hệ số:
Các hệ số này cho thấy mặt đường có thể tiếp nhận được lực kéo (lực phanh) bằng bao nhiêu lần so với tải trọng pháp tuyến tác dụng lên bánh xe.
Hình 2 8 Trạng thái lăn của bánh xe chịu lực dọc Fx và lực ngang Fy
Về hệ số bám ngang , từ hình 2.8 ta có hợp lực F = √F x 2
+ F y 2 Vì lực F là lực ma sát nên bị giới hạn bởi bám
F max ≤ Z φ Nếu F x = F max thì F y phải = 0 tức là = 0 nên bánh xe không còn khả năng bám ngang Có thể nói lực dọc Fx càng lớn trượt dọc càng nhiều thì khả năng bám ngang càng kém tức là lực ngang F y càng nhỏ Khi trượt dọc hoàn toàn thì y ≈ 0.
2.2.2 Đặc tính trượt khi kéo và khi phanh
Sự phụ thuộc μ k , μ p vào lực kéo và lực phanh (hay phụ thuộc vào độ trượt) được mô tả trong đồ thị đặc tính trượt khi kéo và khi phanh
(Hình 2.9) Ở trong vùng kéo, có một điểm đ ứng với mọi loại đường và luôn nằm trong khoảng độ trượt khi kéo từ 10% - 20% là điểm có khả năng tiếp nhận lực kéo lớn nhất Khi vượt qua khoảng độ trượt trên thì μ k sẽ giảm xuống đến giá trị μ kt không đổi đến khi độ trượt là 100% (xe trượt quay hoàn toàn) Tương tự vùng phanh, khi giá trị độ trượt tăng dần thì ta cũng có một điểm μ pđ nằm trong khoảng 10% - 20% và một giá trị μ pt không đổi (xe trượt lết hoàn toàn) Các giá trị μ pđ , μ pt là giá trị tính bằng thực nghiệm (Hình 2.9) ứng các loại đường khác nhau Khi lực kéo tiếp tuyến tăng lên và độ trượt dọc tăng lên như đồ thị thì lực ngang càng giảm dần tức là hệ số bám ngang y càng giảm Khi lực kéo đạt giá trị cực đại mà độ trượt bằng 1 thì y gần bằng 0 Như vậy trên đặc tính trượt chúng ta không chỉ quan tâm đến sự biến thiên của khả năng tiếp nhận lực kéo tức lực dọc mà chúng ta còn quan tâm đến khả năng tiếp nhận lực ngang thông qua hệ số bám ngang y biến thiên theo đồ thị đặc tính trượt Ý nghĩa của sự thay đổi của hệ số bám ngang theo sự trượt rất quan trọng trong các phần nguyên cứu về ổn định khi phanh, ổn định khi quay vòng của ô tô.
Hình 2 9 Đồ thị đặc tính trượt khi kéo và khi phanh và bảng thông số các loại đường
Kết luận chương 2
Sự trượt là hiện tượng bản chất và quan trọng của quá trình lăn bánh xe Vì để xe chuyển động được thì cần có sự ma sát giữa các bánh xe và mặt đường hay là sự truyền năng lượng giữa bánh xe và mặt đường.
Thực tế, trong quá trình xe di chuyển lúc nào cũng xảy ra sự trượt dù ít hay nhiều, khi ta tăng và giảm ga hoặc đạp phanh thì tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường sẽ sinh ra phản lực kéo tiếp tuyến F k hoặc lực phanh F p Hay nói cách khác khi có lực kéo F k hoặc lực phanh F p là có trượt.
Theo như đồ thị sự phụ thuộc của bán kính lăn r l vào lực kéo và lực phanh, ta thấy khi lực kéo càng tăng cho đến cực đại F kmax thì r l = 0 (trượt quay hoàn toàn), khi lực phanh cực đại F pmax thì r l = ∞ (trượt lết hoàn toàn) Vậy lực kéo hoặc lực phanh càng lớn thì sự trượt càng lớn Ta gọi F kmax là giới hạn bám khi kéo và F pmax là giới hạn bám khi phanh Giới hạn bám là khả năng tiếp nhận lực kéo và lực phanh của bánh xe.
Khi xảy ra hiện tượng trượt hoàn toàn khả năng tiếp nhận lực kéo và lực phanh không phải là lớn nhất Sự trượt ảnh hưởng đến vận tốc thực tế của ô tô khi kéo thông qua r l làm giảm tốc độ của xe, làm tổn hao công suất của động cơ làm giảm hiệu quả khi kéo. Đối với hệ thống phanh hãm cứng thì sự trượt có thể đạt đến giá trị cực đại và làm xe trượt lết trên đường làm giảm hiệu quả phanh – không giảm được tốc độ nhanh chóng, mất ổn định khi phanh.
Sự trượt dọc hoàn toàn thì khả năng bám ngang càng giảm Sự trượt ảnh hưởng đến khả năng bám của ô tô thông qua đặc tính trượt chính là ảnh hưởng đến sự bám dọc x , mất mác tốc độ, quá trình tiếp nhận lực phanh và đặc biệt nó ảnh hưởng đến hệ bám ngang y
Hệ số bám ngang y lại ảnh hưởng trực tiếp đến giới hạn bám ngang Chính hệ số bám ngang này là nguyên nhân chính dẫn đến xe bị mất lái.
ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TRƯỢT TỚI ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG
Các lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp chuyển động tổng quát
Giả sử xe chuyển động thẳng đang tăng tốc và leo dốc, mặt đường cứng tuyệt đối – đường nghiêng với góc dốc là α, khối lượng của xe là m Lúc này xe chịu tác dụng của các lực sau đây, tất cả các lực này được thể hiện qua hình vẽ sau:
Hình 3.1 Sơ đồ các lực tác dụng lên xe khi lên dốc. Ý nghĩa ký hiệu:
- G là trọng lượng của xe.
- L là chiều dài cơ sở của xe.
- a, b lần lượt là khoảng cách từ trục bánh xe trước và sau đến trọng tâm.
- h g là toạ độ trọng tâm của xe theo chiều cao.
- h w là khoảng cách từ điểm đặt lực cản của không khí đến mặt đường, để đơn giản trong tính toán ta xem h g = h w
- F k là lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động.
- F f1 , F f2 lần lượt là lực cản lăn của các bánh xe trước và sau.
- F j là lực cản quán tính khi xe chuyển động có gia tốc
- F i là lực cản lên dốc.
- F w là lực cản không khí
- Z 1 , Z 2 lần lượt là phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh trước và bánh sau.
Lúc này có hai vị trí chịu tác dụng của lực như sau:
Tại trọng tâm xe có các lực như sau:
- Trọng lượng G của xe được xác đinh bởi công thức: G = m.g Vì ô tô chuyển động leo dốc với góc α nên trọng lượng G phân làm 2 thành phần:
Thành phần vuông góc với mặt đường là G.cos α.
Thành phần song song với mặt đường gọi là lực cản dốc:
- Lực cản quán tính F j do xe chuyển động với gia tốc j Được xác định bởi công thức sau:
Trong đó: m (kg) là khối lượng của xe. δ j là hệ số khối lượng quay. j (m/s 2 ) là gia tốc của xe.
- Lực cản gió F w do xe lúc này chuyển động với một vận tốc là V trong một không gian có không khí nên xuất hiện lực cản gió xác định bởi công thức sau:
Trong đó: C x là hệ số cản không khí nó phụ thuộc vào hình dạng khí động học và bề mặt tiếp xúc của ô tô với không khí.
V (m/s) là vận tốc chuyển động của ô tô.
S (m 2 ) là diện tích cản gió.
Tại vùng tiếp xúc của bánh xe và mặt đường:
- Lực cản lăn: Khi bánh xe chuyển động trên mặt đường sẽ có lực cản lăn tác dụng song song với mặt đường và ngược chiều chuyển động tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường Được xác định bởi công thức sau:
• Lực cản lăn tại bánh xe cầu trước:
• Lực cản lăn tại bánh xe cầu sau:
Trong đó: f là hệ số cản lăn.
- Tải trọng pháp tuyến cầu trước Z1, và tải trọng pháp tuyến cầu sau Z2.
- Lực kéo tiếp tuyến F k là lực từ động cơ truyền xuống bánh xe chủ động theo chiều cùng với chiều chuyển động Được xác định bởi công thức sau:
Phương trình cân bằng lực kéo và phương trình cân bằng công suất
3.2.1 Phương trình cân bằng lực kéo
Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động dùng để khắc phục các lực cản chuyển động Biểu thức cân bằng giữa lực kéo ở các bánh xe chủ và các lực cản được gọi là phương trình cân bằng lực kéo theo phương tốc độ V (qui ước là chiều dương).
Trong trường hợp tổng quát ta có:
F k −F f −F w ±F i ± F j = 0 Ở lực : dấu (+) dùng khi xe lên dốc, dấu (-) dùng khi xe xuống dốc. Ở lực : dấu (-) dùng khi xe tăng tốc, dấu (+) dùng khí xe giảm tốc.
Thay các giá trị của các lực vào phương trình trên, ta có:
3.2.2 Phương trình cân bằng công suất
Phương trình cân bằng công suất: Lực nhân với tốc độ hoặc mô men nhân với tốc độ góc sẽ cho các giá trị công suất tương ứng:
Phương trình cân bằng lực kéo được nhân hai vế với tốc độ V sẽ cho ra phương trình cân bằng công suất:
Trong đó: P k là công suất của động cơ đã truyền đến các bánh xe bị động (w).
P e là công suất do động cơ phát ra (w). η tl là hiệu suất của hệ thống truyền lực (w).
P f là công suất cản lăn (w).
Pw là công suất cản không khí (w).
P i Công suất cản lên dốc (w).
P j Công suất cản quán tính (w).
Khái niệm công suất trượt:
Bên cạnh đó như đã giới thiệu ở chương 1, công suất do động cơ sinh ra sẽ bị mất mát đi do sự trượt tại các bánh xe Khi lực kéo càng lớn thì sự trượt càng nhiều hay nói cách khác sự tổn hao công suất do trượt càng lớn Ta có công thức tính công suất thực tế như sau:
Trong đó: P δ là công suất trượt, biểu thị cho sự mất mát năng lượng của động cơ hay tiêu hao công suất do ảnh hưởng của sự trượt.
Ta hoàn toàn có thể xây dựng được phương trình cân bằng công suất có tính đến sự trượt như sau:
Ta có công thức tính công suất trượt như sau:
Với F k là lực kéo tại cầu bị trượt.
V δ là vận tốc trượt - xem công thức (2.9).
Nhận xét: Qua việc xây dựng công thức trên, ta thấy được công suất trượt hay sự trượtt phụ thuộc vào:
- Thứ nhất là lực kéo tiếp tuyến F k , nó phụ thuộc vào mô men xoắn của động cơ Me hay tỉ số truyền của hệ thống truyền lực, hiệu suất của hệ thống truyền lực và bánh kính tính toán của bánh xe.
- Thứ hai là vận tốc trượt V δ công thức (2.9), phụ thuộc vào bán kính lăn nên nó cũng phụ thuộc vào các thông số như: Khả năng bám của bánh xe với mặt đường, lực kéo F k và lực phanh F p , tải trọng tác dụng lên các bánh xe ngoài ra còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như áp suất không khí trong lốp và độ đàn hồi của vật liệu chế tạo lốp.
Như đã đề cập ở chương 1, ta có vận tốc trượt được xác định bởi công thức:
Trong đó: ω e là tốc độ góc của động cơ. i tl là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực. λ f là hệ số thực nghiệm cho trước phụ thuộc vào loại đường và tình trạng mặt đường, tải trọng pháp tuyến. Nhận xét phương trình cân bằng công suất:
- Công suất của động cơ dùng để khắc phục các công suất cản chuyển động Là mối quan hệ giữa công suất động cơ và các thông số: cấu tạo, vận hành, mặt đường, chuyển động.
- Từ phương trình cân bằng công suất trên ta có thể xác định cũng như đưa ra nhận xét về các giá trị như vận tốc xe cực đại V max , khả năng leo dốc I max và gia tốc cực đại
J max , đây cũng chính là ba thông số động lực học cơ bản của chuyển động thẳng Từ đó thấy được ảnh hưởng của sự trượt đến động lực học truyền thẳng của ô tô.
Xác định các thông số cơ bản của động lực học chuyển động thẳng bằng phương trình cân bằng công suất có tính đến trượt
phương trình cân bằng công suất có tính đến trượt.
3.3.1 Xác định vận tốc cực đại V max
- Xe đạt tốc độ cực đại khi chuyển động trên đường bằng tức là góc leo dốc bằng không (Sinα = 0) Bỏ qua lực cản dốc.
- Xe đạt tốc độ cực đại thì luôn luôn là một giá trị ổn định, không thể tăng tốc được nữa Tức là gia tốc j bằng không Lúc này bỏ qua lực quán tính.
- Xe đạt tốc độ cực đại ở tay số cuối (số n).
- Xe vận tốc V max thì công suất cực đại P e p
Giải: với các giả thuyết ở trên, ta có thể viết được phương trình cân bằng công suất ứng với chế độ V max có ảnh hưởng của sự trượt:
Giải phương trình trên ta hoàn toàn có thể xác định được V max
Nhận xét: vận tốc cực đại là một trong những thông cơ bản của động lực học chuyển động thẳng Vận tốc cực đại là một thông số vô cùng quan trọng để đánh giá hiệu suất của một chiếc xe ô tô được thiết kế Nếu tốc độ càng lớn thì công suất càng lớn và ngược lại, một chiếc xe có công suất càng lớn thì càng dễ dàng đạt được vận tốc cao Vậy nên lúc nào các nhà thiết kế cũng mong muốn tăng công suất cực đại và tăng vận tốc cực đại.
Qua quá trình xác định V max trên ta thấy được:
- Ảnh hưởng của sự trượt đối với vận tốc cực đại là không đáng kể vì lúc này lực kéo tiếp tuyến F k là cực tiểu.
3.3.2 Xác định gia tốc cực đại J max
- Ở chế độ gia tốc cực đại vận tốc rất nhỏ nên bỏ qua lực cản gió.
- Ô tô đang đi ở tay số 1.
- Chuyển động trên đường bằng tức là không có lực cản dốc.
- Ở chế gia tốc cực đại thì động cơ làm việc với mô men xoắn cực đại M e M
Khi mô men xoắn là cực đại thì lực kéo cũng đạt cực đại Như đã đề cập ở chương
1, thì lúc này sự trượt sẽ là lớn nhất.
Từ các giả thuyết ở trên ta hoàn toàn có thể xây dựng được phương trình cân bằng công suất ở chế độ gia tốc cực đại có ảnh hưởng của sự trượt:
Thay (3.20) vào phương trình (3.19) Sau đó giải phương trình bậc 1 (3.19) trên ta hoàn toàn có thể xác định được J max
Nhận xét: gia tốc cực đại là một trong những thông số cơ bản của động lực học chuyển động thẳng, để đánh giá hiệu suất của một chiếc xe ô tô được thiết kế vì nó thể hiện cho sức mạnh của ô tô xem nó có thể kéo nhanh hay không và có thể chở được nhiều hàng hóa hay không Nếu gia tốc càng lớn thì mô men xoắn cũng phải lớn và ngược lại, một chiếc xe có mô men xoắn càng lớn thì càng dễ dàng đạt được vận tốc cao và chở được nhiều hàng hóa nặng Vậy nên lúc nào các nhà thiết kế cũng mong muốn tăng gia tốc cực đại
Qua quá trình xác định Jmax trên ta thấy được:
- Ảnh hưởng của sự trượt đối với gia tốc cực đại của ô tô là rất lớn, vì ở chế độ này mô men xoắn là cực đại, tỷ số truyền cũng là lớn nhất nên lực kéo là cực đại và ảnh hưởng của sự trượt là lớn nhất hay nói cách khác công suất tổn hao do trượt ở bánh xe lúc này là lớn nhất, nên nó làm giảm J max rất nhiều.
3.3.3 Xác định khả năng leo dốc cực đại
- Khi xe leo dốc cực đại ô tô không thể chuyển động nhanh nên có thể bỏ qua lực cản gió.
- Ô tô chuyển động ở tay số 1.
- Chuyển động lúc này là ổn định khi leo dốc cao thì ô tô không có khả năng tăng tốc nữa, tức là vận tốc không đổi nên ta có thể bỏ qua lực quán tính.
- Ở chế gia tốc cực đại thì động cơ làm việc với mô men xoắn cực đại M e M
Khi mô men xoắn là cực đại thì lực kéo cũng đạt cực đại Như đã đề cập ở chương
1, thì lúc này sự trượt sẽ là lớn nhất.
Từ các giả thuyết ở trên ta hoàn toàn có thể xây dựng được phương trình cân bằng công suất ở chế độ leo dốc cực đại có ảnh hưởng của sự trượt:
Các phương pháp làm giảm ảnh hưởng của sự trượt
ô tô có thể vượt qua trên một đường bằng ở tốc độ thấp Nếu khả năng leo dốc cực đại càng lớn thì ô tô có thể chuyển động ở đa dạng địa hình hơn Vậy nên lúc nào các nhà thiết kế cũng mong muốn tăng khả năng leo dốc cực đại i max
Qua quá trình xác định i max trên ta thấy được:
- Ảnh hưởng của sự trượt đối với khả năng leo dốc cực đại của ô tô là rất lớn, vì ở chế độ này mô men xoắn là cực đại nên lực kéo là cực đại và ảnh hưởng của sự trượt là lớn nhất hay nói cách khác công suất tổn hao do trượt ở bánh xe lúc này là lớn nhất, nên nó làm giảm i max rất nhiều.
3.4 Các phương pháp làm hạn chế ảnh hưởng của sự trượt.
3.4.1 Hệ thống kiểm soát lực kéo ASR ( Anti Slip Regulator)
Giả sử một xe ô tô sử dụng bộ vi sai có ma sát đang chuyển động trên đường tốt (có hệ số bám tốt) thì một bánh bị sa lầy trượt quay, trở thành bánh xe quay nhanh ex (hệ số bám kém, φ ex ≈ 0) Lúc này do hệ số bám kém nên giới hạn bám bị giảm xuống dẫn đến lực kéo tiếp tuyến của bánh xe này cũng giảm ( F kex = 0). Điều này thể hiện qua công thức:
Vì xe ô tô lúc này sử dụng vi sai không ma sát, nên ta có:
Trong đó: M ex và M in là lần lượt là mô men xoắn truyền đến bán trục quay nhanh ex và bán trục quay chậm in. η r là hiệu suất riêng của vi sai.
Suy ra: M ex = M in = M = M k = M e i tl n tl
Trong đó: Mo là lượt là mô men xoắn truyền đến vỏ của bộ vi sai.
Trong đó: F kex và F kin là lượt là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe quay nhanh ex và bánh xe quay chậm in.
Dẫn đến, ở bánh xe kia (bánh bám tốt) quay chậm in, lực kéo tiếp tuyến F kin cũng sẽ giảm theo do nguyên lý hoạt động của bộ vi sai không ma sát (3.25) Kết quả lực kéo tổng cộng trên cả cầu bị giảm xuống, dẫn đến không đủ lực kéo để xe có thể thoát khỏi vũng lầy.
Hiện nay để khắc phục hiện tượng trên, xe ô tô sẽ được trang bị hệ thống kiểm soát lực kéo (ASR - Anti Slip Regulator) Hệ thống này hoạt động, cho phép phanh bánh xe bị trượt quay trong trường hợp này là bánh ex với một mô men phanh là M p và lực phanh là F p nào đó.
Lúc này tại bánh bám kém (bánh ex), ta có:
M ex = M p và F kex = F p Đồng thời theo nguyên lý của vi sai không ma sát và công thức (3.25), tại bánh bám tốt (bánh in), ta có:
Lúc này sẽ có các lực và mô men xoay cầu M ∆ được phân bố như hình dưới và chính nhờ mô men xoay cầu này mà xe có thể thoát khỏi vũng lầy.
Hình 3.2 Lực và mô men phân bố trên cầu xe khi hệ thống ASR hoạt động.
Vậy ta thấy được hệ thống ASR khắc phục được sự trượt quay hoàn toàn khi sa lầy nói riêng hay ảnh hưởng của sự trượt tới chuyển động của ô tô nói chung Hệ thống này thường được trang bị trên các ô tô có hệ thống phanh có ABS.
3.4.2 Vi sai chống trượt và tính năng cơ động của ô tô
Tương tự như trường hợp xe bị sa lầy ở phần 3.4.1 Để hạn chế hiện tượng trượt quay hoàn toàn, đối với các xe phải thường xuyên di chuyển ở các điều kiện mặt đường xấu, bám kém, người ta trang bị cho ô tô vi sai ma sát hay còn gọi là vi sai hạn chế trượt.
Khái niệm hiệu suẩt riêng của vi sai:
Hiệu suất riêng η r của vi sai là một thông số cấu tạo của vi sai Nó là một thông số biểu thị cho sự tổn hao do ma sát trong quá trình truyền lực từ bánh này sang bánh kia hoặc ngược lại, khi vỏ vi sai đứng yên Vi sai chống trượt là vi sai có hiệu suất riêng η r < 1 và ở các xe hiện đại có thể thay đổi được hiệu suất riêng.
Trong đó: M ex và M in là lượt là mô men xoắn truyền đến bán trục quay nhanh ex và bán trục quay chậm in.
Nguyên lý giảm hiệu suất riêng của vi sai
Bộ vi sai hạn chế trượt có cấu tạo gồm nhiều lò xo nén hình trụ được lắp giữa hai bánh răng bán trục để giữ các vòng đệm chặn luôn ép vào các đĩa ly hợp Qua đó làm hãm các vòng đệm chặn vào các đĩa ly hợp nối với các bánh răng bán trục Các vòng đệm chặn thì có bốn vấu lồi để gắn với vỏ vi sai.
Hình 3.3 Cấu tạo của bộ vi sai hạn chế trượt
Khi có sự chênh lệch tốc độ giữa hai bánh, bánh xe bị sa lầy có tốc độ càng tăng bánh răng bán trục quay càng nhanh thì lực ép của lò xo lên các đĩa ly hợp càng lớn Do đó mô men ma sát được tạo ra giữa các đĩa ly hợp và vòng đệm chặn, mô men ma sát càng lớn thì hiệu suất riêng càng nhỏ, lúc này Mex < Min tức là mô men xoắn sẽ truyền cho bánh nào có hệ số bám tốt hơn (bánh xe trượt ít quay chậm) Bánh xe bị sa lầy (bám thấp) quay chậm lại, bánh xe không bị sa lầy (bám tốt) được truyền công suất và quay Nhờ tận dụng được lực bám của bánh này, xe thoát khỏi tình trạng sa lầy một cách dễ dàng.
3.4.3 Khả năng tăng tốc và leo dốc của ô tô 4x4.
Trong thực tế, ô tô phải chuyển động trên đa dạng các loại địa hình, không phải lúc nào cũng bằng phẳng, mà còn có những mặt đường xấu: cản mặt đường lớn, đường trơn(khả năng bám kém), đường có hệ số bám chênh lệch nhau ở dưới các bánh xe chủ động.
Do đó để di chuyển một cách thuận lợi trên các loại mặt đường trên thì xe 4x4 ra đời Xe 4×4 (4WD- Four-wheel drive) được hiểu là xe mà cả 4 bánh đều nhận được lực từ động cơ hay được còn gọi là xe 2 cầu Đây là loại xe được thiết kế tận dụng tối đa khả năng bám và hạn chế sự trượt. Để thấy được ưu điểm của xe ô tô 2 cầu chủ động so với ô tô một cầu chủ động, cũng như khả năng chuyển động tốt của nó trên mặt đường xấu (cản mặt đường lớn), đường trơn (bám kém) Ta thực hiện bài toán so sánh khả năng tăng tốc và leo dốc của xe ô tô 4x4 và 4x2.
Giả thiết: Ô tô đang leo dốc đường trơn.
Vì điều kiện xe đang leo dốc và áp dụng phương trình cân bằng công suất ta hoàn toàn có được:
Như đã trình bày ở trên, lực kéo của ô tô không thể lớn tùy ý mà bị hạn chế bởi khả năng bám của cầu chủ động được biểu thị qua công thức sau:
Với Z là tải trọng pháp tuyến trên cầu chủ động và φ là hệ số bám rất nhỏ do đường trơn Xét hai trường hợp sau:
- Ứng với xe 4x2, một là dẫn động cầu trước thì tải trọng pháp tuyến trên cầu này là Z= Z 1 , tương tự với dẫn động cầu sau Z=Z 2
- Ứng với xe 4x4, hai cầu chủ động nên tải trọng pháp tuyến lúc này bằng tổng tải trọng pháp tuyến trên trên cầu chủ động là Z=Z 1 +Z 2
Kết luận chương 3
Thứ nhất, động lực học chuyển động thẳng (sức mạnh của ô tô) phụ thuộc vào sức mạnh của động cơ Vì động cơ càng mạnh thì công suất của ô tô sẽ càng lớn dễ dàng đạt tốc độ cực đại; động cơ mạnh cũng sẽ cung cấp cho ô tô một mô men xoắn lớn giúp xe leo dốc tốt hơn, kéo được hàng hóa nhanh và mạnh hơn.
Thứ hai, tuy nhiên sức mạnh động cơ không thể lớn tùy ý mà còn phải phụ thuộc vào khả năng tiếp nhận lực kéo và công suất của mặt đường tức là phụ thuộc vào giới hạn bám để hạn chế hiện tượng trượt quay Bên cạnh đó qua quá trình xác định xây dựng phương trình công suất và xác định các thông số như V max , J max , I max có tính đến trượt, cũng cho ta thấy được sự trượt ảnh hưởng rất nhiều đối với động lực học truyền thẳng của ô tô – làm tiêu hao công suất, mô men xoắn của động cơ truyền đến các bánh xe chủ động.
Trong quá trình nghiên cứu nhóm thấy được sự trượt cần phải được hạn chế tối đa, và khuynh hướng ngày nay là: phân phối lực kéo hợp lý cho các bánh xe và các cầu (hệ thống kiểm soát lực kéo ASR) - Từ đó giúp người lái kiểm soát tốt lực kéo khi xe bắt đầu tăng tốc và di chuyển ổn định ở các mặt đường trơn trượt (bám kém) Hay tận dụng tốt trọng lượng bám ở cầu chủ động (xe 4x4) để tăng giới hạn bám, từ đó tăng khả năng tiếp nhận lực kéo của mặt đường giúp xe leo dốc và tăng tốc tốt hơn cũng như di chuyển tốt trên các mặt đường xấu, bám kém.
ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TRƯỢT TỚI AN TOÀN KHI PHANH
Đặt vấn đề
Hệ thống phanh là một hệ thống quan trọng bậc nhất của ô tô, nằm trong những hệ thống an toàn trên xe với những nhiệm vụ cụ thể như:
Nhiệm vụ an toàn chuyển động, phanh ô tô đảm bảo an toàn chuyển động nhất là trong những tình huống khẩn cấp người lái xe phải nhanh chóng giảm tốc độ để tránh tai nạn thì khi đó chúng ta phải sử dụng hệ thống phanh.
Nhiệm vụ điều khiển ô tô, khi ta tham gia giao thông bằng ô tô trên đường ngoài việc điều khiển vô lăng ta còn phải điều khiển ga và phanh, tùy theo điều kiện chuyển động trên đường mà tốc độ xe có thể thay đổi nhờ vào ga và phanh.
Tuy nhiên trên thực tế khi di chuyển trên đường xe luôn chịu tác động của sự trượt giữa bánh xe và mặt đường, sự trượt này sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất truyền động cũng như sự an toàn của xe khi xe phanh.
Bản chất quá trình phanh là quá trình trượt cụ thể là trượt lết giữa bánh xe và mặt đường bởi vì trong quá trình chuyển động lực phanh hay lực kéo càng lớn thì sự trượt càng lớn Đối với hệ thống phanh hãm cứng thì sự trượt còn có thể đạt đến giá trị cực đại và làm xe trượt lết trên đường Ở chương này chúng ta cùng tìm hiểu ảnh hưởng của sự trượt tại bánh xe đến sự an toàn của hệ thống phanh thông qua hai vấn đề chính:
- Vấn đề hiệu quả phanh.
- Vấn đề ổn định khi phanh.
Các lực tác dụng lên xe ô tô khi phanh
Hình 4.1 Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh
- Lực phanh F p1 , F p2 do cơ cấu phanh sinh ra
Phương trình cân bằng lực khi phanh:
Nếu bỏ qua lực và mô men cản lăn (rất nhỏ so với lực phanh) thì ta sẽ có phương trình cân bằng lực theo phương chuyển động của xe:
Xét trường hợp phanh cực đại, tốc độ V giảm rất nhanh nên bỏ qua lực cản gió F w , khi đó ta có phương trình cân bằng:
Trong đó: m: là khối lượng của xe δ j : hệ số khối lượng quay j p : gia tốc chậm dần
Từ công thức (4.1) cho thấy rằng:
+ Muốn cho phanh ăn thì gia tốc chậm dần khi phanh (j p ) phải lớn, muốn j p lớn thì lực phanh phải lớn.
+ Ô tô càng nặng (m càng lớn) thì lực phanh F p càng phải lớn để có thể duy trì một gia tốc chậm dần j p yêu cầu.
+Tuy nhiên lực F p không thể lớn tùy ý mà nó bị giới hạn bởi giới hạn bám. Khi phanh với cường độ cực đại, các bánh xe hãm cứng và trượt lết hoàn toàn thì:
Gia tốc chậm dần khi phanh thể hiện khả năng giảm tốc độ của xe trong một khoảng thời gian nhất định khi mà xe phanh Mà muốn cho xe phanh hiệu quả thì yêu cầu xe phải có một gia tốc chậm dần j p càng lớn càng tốt.
Theo công thức j pmax = gφ mà δ j ≥ 1, g = 10m/s 2 , φ lớn nhất trên đường bê tông khô ráo là 0,8 δj
Trong đó δ j là hệ số khối lượng quay, nó phụ thuộc vào khối lượng quán tính của các chi tiết chuyển động quay và tỉ số truyền của hệ thống truyền lực trong quá trình phanh δ j sẽ là nhỏ nhất khi ta tách hệ thống truyền lực ra khỏi động cơ khi phanh, đồng nghĩa với cách phanh mà có đạp li hợp Trong các bài toán nghiên cứu ta thường cho δ j có giá trị nhỏ nhất là bằng 1.
Vậy khi δ j = 1 thì giá trị của gia tốc chậm dần lúc này sẽ phụ thuộc vào hệ số bám φ, có nghĩa là đường càng trơn gia tốc chậm dần của xe càng nhỏ và xe sẽ càng khó dừng lại khi phanh hơn.
Từ đó suy ra gia tốc chậm dần cực đại của hệ thống phanh ô tô không thể lớn một cách tùy ý mà lớn nhất chỉ rơi vào khoảng 7 → 8 m/s 2
Qua đó có thể thấy độ trượt hay khả năng bám của bánh xe và mặt đường ảnh hưởng đến gia tốc chậm dần cực đại khi phanh của xe ô tô cụ thể ở đây là tỉ lệ nghịch với gia tốc
31 cực đại chậm dần và khi tác động đến gia tốc chậm dần thì sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả phanh của ô tô.
Ảnh hưởng của sự trượt đến hiệu quả phanh
Như môn Lý thuyết ô tô đã chúng minh bản chất quá trình phanh bản chất là quá trình trượt giữa bánh xe và mặt đường, do đó sự trượt này ảnh hưởng trực tiếp thậm chí là quyết định đến hiệu quả trong quá trình xe ô tô phanh, mà hiệu quả phanh được thể hiện qua các thông số:
+ Thời gian phanh cực tiểu
+ Quãng đường phanh cực tiểu
4.3.1 Sự trượt và thời gian phanh
Thời gian phanh được xác định trong quá trình phanh là thời gian được tính ra giây từ lúc bánh xe bắt đầu được hãm cứng cho đến khi ô tô dừng hẳn hay V 2 = 0 (tốc độ cuối cùng) Thời gian phanh càng nhỏ càng tốt và được xác định theo công thức:
(Với V 1 là tốc độ khi phanh, V 2 là tốc độ cuối cùng và bằng 0)
Theo công thức ta có thể thấy thời gian phanh phụ thuộc vào các yếu tố sau:
Thứ nhất đó là tốc độ khi phanh V 1 , điều này có nghĩa là xe chạy càng nhanh thì khi phanh thời gian phanh càng lâu, đó là điều hiển nhiên nếu xe duy trì một gia tốc chậm dần cụ thể, tuy nhiên gia tốc chậm dần luôn thay đổi do điều kiện tình trạng mặt đường.
Ta có thể thấy nhiều ví dụ như việc lái xe tốc độ cao và không chú ý đường cho tới khi gần va chạm thì phanh gấp, chắc chắn thời gian phanh với tốc độ cao sẽ lâu hơn khi là chạy với tốc độ chậm và gây nguy hiểm cho người ngồi trên xe hơn vì rất dễ va chạm do không thể phanh xe kịp lúc được Vậy nếu muốn phanh có hiệu quả và an toàn thì phải chạy chậm.
Yếu tố thứ hai là yếu tố thể hiện ảnh hưởng của sự trượt tới thời gian phanh đó là hệ số bám φ Với t pmin = gφ δ j
V 1 thì ngoài 1 thì một thông số khác có thể ảnh hưởng thậm chí là nhiều đến giá trị của t pmin là
Theo như công thức (4.2) thì hệ số bám hệ số bám biểu hiện cho khả năng tiếp nhận giữa bánh xe và mặt đường, nếu khả năng này kém đồng nghĩa sự trượt càng lớn và xe càng khó kiểm soát. Điều nay là đúng theo thực tế, trong thực tế nhiều trường hợp xe bị mất phanh do mặt đường trơn trượt dẫn tới việc xe cứ trôi mặc dù đã đạp cứng phanh, điều này đồng nghĩa với việc thời gian phanh sẽ lâu hơn khi xe phanh trên đường khô ráo Đây cũng là bằng chứng cho thấy sự trượt ảnh hưởng trực tiếp thậm chí là quyết định đến thời gian phanh của ô tô.
Tuy nhiên thời gian phanh vẫn là yếu tố khó để mà người lái nhận ra do nó không thể hiện một cách hiện hữu để điều chỉnh, bên cạnh đó có một yếu tố khác có thể dễ dàng nhìn thấy và điều chỉnh được đó là quãng đường phanh.
4.3.2 Sự trượt và quãng đường phanh cực tiểu Spmin
Quãng đường phanh là một thông số đánh giá hiệu quả phanh rất là thực tế bởi vì nó cho phép người điều khiển có thể quan sát, canh chỉnh trong quá trình phanh bằng tầm nhìn, cho nên quãng đường phanh là một thông số cực kì quan trọng.
Quãng đường phanh là quãng đường ô tô còn chuyển động được tính từ lúc mà bánh xe hãm cứng cho tới khi ô tô dừng hẳn, và đây cũng là quãng đường trượt lết của ô tô khi phanh Tuy nhiên khi sự trượt càng lớn thì nó sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến quãng đường hãm xe.
Quãng đường phanh được tính như sau:
Bằng cách tích phân ds trong giới hạn từ thời điểm bắt đầu phanh ứng với vận tốc v 1 đến thời điểm cuối qúa trình phanh ứng với vận tốc v 2 ta sẽ xác định được quãng đường phanh S.
Quãng đường phanh này càng nhỏ càng tốt, theo như biểu thức (4.4) quãng đường phanh nhỏ nhất S pmin phụ thuộc vào các yếu tố:
Yếu tố thứ nhất cũng tương tự như thời gian phanh thì quãng đường phanh cũng bị càng lớn hơn hệ quả là làm cho quãng đường phanh càng dài Điều này là hợp lí vì khi chạy nhanh không thể nào bắt xe dừng lại ngay lập tức được bởi mỗi xe đều có một gia tốc chậm dần và nó không thể lớn tùy ý do đó muốn phanh hiệu quả thì chạy chậm là yêu cầu tiên quyết.
Thứ hai là φ đường càng trơn, φ càng nhỏ thì bánh xe sẽ dễ bị trượt và quãng đường phanh sẽ càng dài Ở điều kiện bám tiêu chuẩn trên đường nhựa khô ráo thì ta có bảng khoảng cách an toàn theo từng tốc độ như sau:
Bảng 4.1 Khoảng cách an toàn giữa hai xe khi tham gia giao thông trên đường theo thông tư 31/2019/TT-BGTVT
Tuy nhiên khi gặp vào điều kiện mặt đường không được tối ưu như đường tuyết, cát, khi trời mưa thì để đảm bảo an toàn các chuyên gia khuyến cáo nên tăng khoảng cách an toàn lên bằng sự điều chỉnh của bản thân bởi vì khi đường trơn trượt thì quãng đường phanh sẽ bị tăng lên (có thể gấp 10 lần) do khả năng tiếp nhận ma sát giữa bánh xe và mặt đường kém đi dẫn tới ma sát bị hao hụt thì độ hãm xe sẽ không cao và xe sẽ bị trượt lết trên đường.
Hình 4.2 Xe ô tô phanh trên đường trơn trượt
Hình 4.3 Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất theo tốc độ lúc bắt đầu phanh và hệ số bám φ
Hình trên là đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh theo tốc độ lúc bắt đầu phanh và theo hệ số bám Từ đồ thị ta thấy rằng vận tốc lúc bắt đầu phanh càng cao thì quãng đường phanh càng lớn, hệ số bám càng cao thì quãng đường phanh càng nhỏ. Đặc biệt đường càng trơn φ càng nhỏ mà còn chạy với V 1 lớn thì cực kì nguy hiểm do quãng đường phanh càng dài Như vậy muốn đảm bảo hiệu quả phanh không chỉ là chạy chậm mà còn phải chạy cẩn thận trên các bề mặt đường trơn trượt.
Ảnh hưởng của sự trượt đến ổn định khi phanh
Thực tế khi phanh nhất là phanh đột ngột trên đường trơn thì thường xảy ra hiện tượng ô tô bị lệch hướng khi phanh hay mất lái khi phanh hay nói một cách chính xác hơn là quỹ đạo chuyển động của ô tô khi phanh không tuân theo sự điều khiển của người lái.
Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến việc mất ổn định khi phanh nhưng nguyên nhân chủ yếu là do trong quá trình phanh xuất hiện sự chênh lệch lực phanh giữa bên trái và bên phải Ta biết ô tô có 4 bánh thì khi phanh lẽ ra tổng lực phanh bên trái phải bằng tổng lực phanh bên phải để giữ cho ô tô ổn định Sự chênh lệch này tạo ra một cái mô men làm xoay xe kết hợp với chuyển động thẳng quán tính của xe sẽ dẫn tới hiện tượng lệch quỹ đạo chuyển động.
Nguyên nhân của sự chênh lệch này là do: tình trạng kỹ thuật, khả năng bám (tiếp nhận lực phanh) hai bên khác nhau (do tình trạng mặt đường, tải trọng pháp tuyến, sự nẩy cảu bánh xe)
Khi ô tô phanh với cường độ cực đại vì lí do nào đó lực phanh hai bên khác nhau
Hình 4.4 Các lực tác dụng khi xe phanh với lực phanh hai bên khác nhau
+ F pp = (F pp1 + F pp2 ) > F pt = (F pt1 + F pt2 )(lực phanh bên phải lớn hơn lực phanh bên trái)
+ Tổng hợp lực phanh: F p = (F pp + F pt )
+ Mô men quay xe: M q = (F pp − F pt ) B 2
+ Do lực phanh chênh lệch hai bên nên xe xuất hiện một mô men làm quay xe và cụ thể là xe bị lệch đi một góc (chuyển động xiên)
+ Xe bị trượt ngang nên xuất hiện phản lực ngang Y 12 = Z 12 φ y ở cầu trước và 34 = Z 34 φ y ở cầu sau
+ Khi ô tô quay xuất hiện mô men quán tính M qt = I z β ̈ với giá trị được tính bằng thực nghiệm (với I z là mô men quán tính khối lượng của ô tô trong chuyển động xoay xung quanh trục Z, β ̈ là gia tốc góc của chuyển động xoay xung quanh trục Z đi qua trọng tâm)
● Phương trình cân bằng mô men tại trọng tâm xe:
M q − M qt − Y 12 a − Y 34 b = 0 Xét trường hợp phanh hãm cứng thì φ y ≈ 0 ta có thể bỏ qua Y 12 và Y 34
Hay β ̈ = Mq suy ra β = Mq t 2 (4.4)
Góc này càng nhỏ càng tốt càng lớn càng nguy hiểm bởi nó thể hiện sự ổn định hướng trong chuyển động của xe Vậy góc β phụ thuộc vào các đại lượng nào, thì theo biểu thức (4.1) đầu tiên góc β chịu ảnh hưởng bởi mô men quay mà mô men quay này thì bằng sự chênh lệch của lực phanh trái phải Nếu như nguyên nhân của sự chênh lệch là do lỗi kỹ thuật thì việc khắc phục là khả thi chỉ cần bảo dưỡng định kì là được, còn nếu nguyên nhân đến từ khả năng bám với mặt đường thì không có cách nào để khác phục do điều kiện mặt đường là luôn thay đổi và khả năng tiếp nhận của mỗi bánh xe là khác nhau (độ trượt của các bánh xe thì khác nhau).
Thứ hai là I z , vì I z thuộc về thông số cấu tạo do đó không thể thay đổi trong quá trình điều khiển mà nó chỉ được tính toán từ khâu thiết kế, vậy nếu muốn giảm góc β thì yêu cầu khi thiết kế ô tô làm thế nào để tăng hết mức có thể ( là thông số phụ thuộc vào kết cấu, khối lượng của ô tô, …)
Cuối cùng là thời gian phanh, thời gian phanh càng nhỏ thì góc β sẽ càng nhỏ nếu có lỡ bị lệch hướng thì khi phanh ăn trong thời gian ngắn thì cũng an toàn hơn nhiều Để phanh ăn thì đòi hỏi phải tận dụng được tối đa khả năng bám đường của xe.
● Xét trường hợp ô tô dùng hệ thống phanh ABS thì φ y ≠ 0 lúc này ta không thể bỏ qua Y 12 và Y 34
Bởi vì khi phanh với hệ thống ABS hệ số trượt từ 0.1 − 0.2 thì hệ số bám ngang φ y đủ lớn để bánh xe không bị trượt lết, mà Y 12 và Y 34 lại bằng Z 12 φ y và Y 34 φ y Cho nên không thể bỏ qua Y 12 và Y 34 Lúc này ta sẽ có công thức mô men quay xe theo phương trình cân bằng mô men.
Lúc này tử số của biểu thức tính góc lệch β sẽ phải trừ thêm một lượng Y 12 a và Y 34 b, điều này làm cho góc β sẽ nhỏ hơn so với trường hợp xe sử dụng phanh hãm cứng và đồng nghĩa với việc xe ít bị xoay và ổn định hơn khi phanh.
Giá trị Y 13 và Y 34 phụ thuộc nhiều yếu tố như góc lệch hướng, lực phanh, biến dạng ngang của lốp, … Nếu như hai giá trị Y 12 và Y 34 lớn có chiều chống lại mômen xoay xe làm cho tử số giảm nên góc xoay sẽ nhỏ nên ô tô sẽ ổn định tốt hơn so với phanh thường.
Hệ thống phanh ABS
Theo như ta đã biết muốn phanh càng ăn thì lực phanh phải càng lớn tuy nhiên lực phanh không thể lớn tùy ý mà phụ thuộc vào khả năng tiếp nhận của mặt đường tức là hệ số bám φ. Ở hệ thống phanh thường (phanh hãm cứng) thì φ không phải là giá trị cực đại nên hiệu quả phanh là không tốt nhất, đặc biệt ở hệ thống phanh thường này độ trượt có thể đạt giá trị 100% (s = 1, trượt lết hoàn toàn) khi đó φ (ta gọi φ là hệ số bám dọc) sẽ không đạt giá trị lớn nhất đồng thời hệ số bám ngang φ y cũng không còn nữa, lúc này xe không còn khả năng bám ngang nên rất dễ bị văng ngang và mất ổn định, điều này là cực kì nguy hiểm thậm chí còn nguy hiểm hơn rất nhiều lần so với việc phanh không ăn Cho nên việc duy trì khả năng bám ngang φ y là rất cần thiết. Để khắc phục việc tiêu hao năng lượng và giảm hiệu quả phanh do sự trượt cũng như đảm bảo sự ổn định của ô tô trong quá trình phanh thì người ta đã nghiên cứu và chế tạo ra hệ thống phanh ABS hệ thống phanh chống hãm cứng.
Hình 4.5 Đồ thị đặc tính trượt
Theo như đồ thị đường đặc tính trượt ta có thể quan sát đối với hệ thống phanh thường giá trị của hệ số bám dọc φ không phải là lớn nhất có nghĩa là phanh chưa phải là ăn nhất Đồng thời khi phanh với cường độ cực đại thì hệ số bám ngang φ y gần như bằng 0 đồng nghĩa với việc hầu như ô tô không còn bám ngang được và chỉ cần một tác động nhẹ cũng có thể làm ô tô lệch hướng Đó là những bất lợi mà hệ thống phanh hãm cứng có thể gây ra, xu hướng hiện nay chính là chống lại sự hãm cứng đó để đạt được hai chuyện đó là hiệu quả phanh và ổn định phanh. Đó là lí do hệ thống phanh chống hãm cứng ABS ra đời, hệ thống phanh ABS hoạt động và duy trì độ trượt trong khoảng từ 0.1 đến 0.2, thì theo như đường đặc tính trượt đây là khoảng mà giá trị hệ số bám dọc φ đạt giá trị cực đại mà hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại thì xe đã tận dụng được tối đa khả năng tiếp nhận của mặt đường.
Khi bắt đầu phanh, bánh xe quay với tốc độ giảm dần, khi bánh xe đạt tới giá trị gần bó cứng tín hiệu của các cảm biến gửi về bộ điều khiển trung tâm (ECU) ECU tiếp nhận và lựa chọn chế độ đưa ra tín hiệu điều khiển van điều chỉnh áp suất các đường dầu từ xilanh chính đến xilanh bánh xe do vậy lực phanh ở cơ cấu phanh không tăng được nửa,bánh xe lại có xu hướng lăn với tốc độ cao lên, tín hiệu từ cảm biến lại đưa về bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển điều khiển van điều chỉnh mở đường dầu tăng thêm áp suất dẫn ra xylanh bánh xe thực hiện tăng lực phanh gây ra do cơ cấu phanh.
Nhờ đó bánh xe lại bị phanh và giảm tốc độ quay tới khi gần bị bó cứng, quá trình xảy ra được lặp lại theo chu kỳ liên tục cho tới khi bánh xe dừng hẳn Quá trình này coi như là hành động nhấp phanh liên tục của người lái xe khi phanh, nhưng mức độ chuẩn xác và tần số lớn hơn rất nhiều so với người lái xe có kinh nghiệm.
Nhờ vào việc duy trì độ trượt trong khoảng cho phép thì ABS đã giúp khắc phục phần lớn ảnh hưởng xấu của sự trượt đến quá trình phanh giúp phanh hiệu quả hơn.
Hình 4.6 So sánh xe có ABS và không có ABS
Bên cạnh đó khi độ trượt = 0.1 → 0.2 thì giá trị của hệ số bám ngang φy đủ lớn để giữ xe ổn định chuyển động khi phanh Đối với phanh hãm cứng khi tất cả các bánh xe đặc biệt là bánh xe dẫn hướng bị bó cứng thì việc trượt lết là không tránh khỏi Tuy nhiên vấn đề chưa dừng lại ở đó, nếu trên quãng đưuòng trượt lết có chướng ngại vật thì xe không có ABS thì không thể tránh được Một ưu điểm nữa của ABS là giúp xe có thể điều khiển tránh chướng ngại vật nhờ vào khả năng nhấp nhả phanh liên tục.
Qua đó có thể nhận định rằng hệ thống phanh chống hãm cứng ABS là giải pháp tối ưu để khắc phục tình trạng xe phanh hãm cứng làm mất hiệu quả và an toàn khi phanh.
Kết luận chương 4
Tương tự như kéo thì phanh cũng là động lực học chuyển động theo phương thẳng của ô tô Và ta nói hiệu quả phanh có cao không là phụ thuộc vào độ lớn mô men phanh mà cơ cấu phanh sinh ra đồng thời là sự tiếp nhận ma sát giữa bánh xe và mặt đường tức là sự bám và sự trượt. Độ trượt càng lớn thì hiệu quả phanh càng kém (gia tốc chậm dần giảm, thời gian phanh tăng, quãng đường phanh tăng), mà phanh càng kém thì càng nguy hiểm cho người điều khiển cũng như các xe xung quanh. Độ trượt làm xe mất ổn định khi chuyển động được thể hiện thông qua giá trị góc β.
Do khả năng tiếp xúc mỗi bánh xe khác nhau dẫn tới khi phanh phanh độ trượt ở mỗi bánh là khác nhau Độ trượt bên nào lớn hơn thì xe có xu hướng bị xoay một góc về phía còn lại làm mất ổn định hướng khi phanh, điều này là cực kỳ nguy hiểm. Điều này có nghĩa xu thế là càng giảm độ trượt càng tốt, tận dụng khả năng bám của mỗi bánh xe là cần thiết Độ trượt đã cho thấy những tác động tiêu cực của nó đến quá trình chuyển động nói chung và quá trình phanh nói riêng Do đó để khắc phục tình trạng lệch hướng khi phanh cũng như tăng hiệu quả phanh trên các con đường trơn trượt thì vấn đề chống hãm cứng là rất cần thiết. Để giải quyết bài toán về vấn đề hiệu quả và tính ổn định khi phanh, phần lớn các xe ô tô hiện nay đều trang bị cơ cấu chống hãm cứng bánh xe khi phanh, tức là chống hiện tượng trượt lết của bánh xe, gọi là “Anti-Lock Braking System’’ và thường được viết và gọi tắt là ABS.
ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TRƯỢT TỚI AN TOÀN KHI QUAY VÒNG
Động học quay vòng lý thuyết
Trước tiên ta xét trường hợp bánh xe không đàn hồi có nghĩa là bánh xe không bị biến dạng Trên thực tế khi xe quay vòng ở vận tốc chuyển động thấp, ta có thể bỏ qua lực ly tâm và do đó có thể coi bánh xe không bị trượt ngang cũng như không bị biến dạng theo phương ngang Ta gọi quá trình quay vòng này là quá trình quay vòng lý thuyết. Ở trạng thái quay vòng lý thuyết ô tô được cho là chạy với tốc độ chậm, bán kính quay vòng lớn Các bánh xe lăn trên các vòng tròn đồng tâm O 1 (tâm quay lý thuyết) với bán kính quay vòng lý thuyết R o , các góc quay cầu trước khác nhau (β 1 , β 2 ).
Hình 5.1 Động học quay vòng xe bỏ qua biến dạng ngang và trượt ngang của lốp Ý nghĩa ký hiệu:
L là chiều dài cơ sở của xe (m). m là khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng tại vị trí đặt cam quay của các bánh xe dẫn hướng (m).
0 là bán kính quay vòng lý thuyết (m).
1 , 2 lần lượt là góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm quay O 1 ( o ) ( 1 ≠ 2 : cot 1 − cot 2 = ) v 1 , v 2 lần lượt là vận tốc chuyển động tịnh tiến của tâm cầu trước và tâm cầu sau.
Đặc tính hướng
Ta xét phần tử bánh xe, bánh xe là bộ phận trực tiếp tiếp xúc với mặt đường, nhận và truyền công suất từ xe xuống đường giúp xe di chuyển Tuy nhiên bánh xe là một phần tử đàn hồi nên sẽ bị biến dạng khi chịu tác dụng của một lực nào đó Trong quá trình di chuyển rất nhiều trạng thái xuất hiện lực ngang tác dụng lên bánh xe chủ yếu là khi ô tô quay vòng, ngoài ra lực ngang tác dụng khi có gió ngang hoặc mặt đường nghiêng ngang.
Và khi bánh xe chịu tác dụng của lực ngang sẽ xuất hiện một góc lệch hướng
Khi chịu tác dụng của lực ngang Y phương vecto tốc độ của tâm bánh xe không còn trùng với mặt phẳng đối xứng dọc của bánh xe mà bị lệch đi một góc so với phương thẳng đứng khi chưa có lực ngang Và góc được gọi là góc lệch hướng, là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng mất ổn định khi quay vòng, mất ổn định hướng ô tô.
Khi lực ngang càng lớn thì lại tạo ra một góc lệch hướng lớn mà α lại là một hàm số phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Tổng quát = ( , , , , ,
Góc lệch hướng phụ thuộc vào 2 hiện tượng:
+ Hiện tượng biến dạng ngang của lốp do lực ngang Y tác dụng: biến dạng ngang của bánh sẽ tạo ra thành phần thứ nhất của góc lệch hướng
= ( C y là độ cứng ngang của lốp)
Lốp càng cứng ngang thì càng khó biến dạng ngang, hay C y càng lớn thì sẽ càng nhỏ và xe sẽ ít mất ổn định hướng hơn.
+ Hiện tượng trượt ngang của lốp do lực ngang Y tác dụng: thành phần thứ hai tạo ra góc lệch hướng là trượt ngang Trượt ngang càng lớn thì góc lệch hướng càng lớn bởi vì khi đó tốc độ bánh xe tại tâm bánh xe sẽ có hai thành phần, thứ nhất là thành phần dọc và thành phần thứ hai là tốc độ theo phương ngang chính là tốc độ trượt ngang Như vậy sự trượt ngang càng lớn thì thành phần tốc độ trượt ngang sẽ lớn và tốc độ thực tế sẽ là hợp của tốc độ dọc và tốc độ ngang cho nên góc lệch hướng sẽ lớn.
Góc lệch hướng do sự trượt ngang phụ thuộc vào lực ngang Y và bám ngang mà bám ngang phụ thuộc vào bám dọc mà sự bám dọc lại phụ thuộc vào lực kéo, phanh của ô tô, tải trọng pháp tuyến của ô tô (đặc tính trượt) Từ đó có thể thấy rằng góc lệch hướng α là một hàm số cực kì phức tạp và thường được xác định bằng thực nghiệm.
Sự trượt và động học quay vòng thực tế
Trong phần này ta sử dụng sơ đồ một vết với giả thuyết góc β nhỏ cho nên góc quay vòng của bánh ngoài và bánh trong không khác biệt lắm ( = 1 = 2 )
Do quay vòng lý thuyết có bán kính quay vòng lớn và vận tốc nhỏ nên có thể bỏ qua lực ly tâm, từ đó có thể bỏ qua góc lệch hướng.
Bán kính quay vòng thể hiện quỹ đạo chuyển động của ô tô, bán kính quay vòng lý thuyết 0 tính từ tâm O 1 đến trục dọc của ô tô và biểu thị quỹ đạo chuyển động quay vòng lý thuyết của ô tô Dựa vào quan hệ hình học (Hình 5.1), ta có:
Dựa vào biểu thức (5.1) ta thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa R 0 và β R 0 hoàn toàn phụ thuộc vào β (do góc quay nhỏ nên β = β 1 = β 2 ), tức là người lái đánh lái một góc của vô lăng (tương ứng với góc β của bánh dẫn hướng) thì được một quỹ đạo mong muốn với bán kính quay vòng R 0 mà không chịu ảnh hưởng của bất kì yếu tố nào khác. Đó là quay vòng lý thuyết, bây giờ ta xét đến quay vòng thực tế, trên thực tế không phải lúc nào ô tô cũng có thể quay vòng với tốc độ chậm qua một khúc cua có bán kính rộng, thực tế thì người lái xe tùy tình huống, trạng thái mà người lái có thể quay vòng với tốc độ rất cao ngay cả khúc cua hẹp, đặc biệt là khi quay vòng với tốc độ lớn trên đường trơn sẽ xuất hiện sự trượt giữa bánh xe và mặt đường lúc này làm cho các cấu xe xuất hiện góc lệch hướng α 1 và α 2
Hình 5.3 Động học quay vòng khi biến dạng ngang của lốp.
F lt là lực quán tính ly tâm, điểm đặt tại trọng tâm xe C.
R là bán kính quay vòng thực tế (khi có biến dạng ngang của lốp).
Y 1 , Y 2 lần lượt là phản lực ngang tác dụng lên bánh trước và bánh sau.
Góc lệch hướng α làm cho xe chuyển động không như sự điều khiển của người lái gây mất ổn định khi ô tô quay vòng Góc lệch hướng chỉ xuất hiện khi bánh xe hoặc ô tô chịu tác dụng của lực ngang Y, mà lực ngang Y trong trường hợp này chủ yếu là lực ly tâm F lt khi quay vòng Dưới tác dụng của lực ly tâm thì bánh xe sẽ chịu tác động của hai hiện tượng: bánh xe đàn hồi bị biến dạng ngang và bánh xe bị trượt ngang Dưới ảnh hưởng của sự biến dạng ngang của bánh xe và trượt ngang của ô tô thì vector tốc độ v⃗ tại tâm các bánh xe không còn nằm trong mặt phẳng đối xứng dọc của nó nữa hay không theo hướng của quay vòng lý thuyết nữa mà lệch đi những góc α 1 và α 2
Bánh xe bị biến dạng ngang nhiều hay ít phụ thuộc vào nhiều yếu tố như áp suất lốp, lực ngang, cấu tạo kích thước của lốp xe.
Còn hiện tượng trượt ngang lại phụ thuộc vào lực ngang tác dụng lên ô tô (trong trường hợp quay vòng là lực ly tâm), khả năng bám ngang (Zφ y ) mà khả năng bám ngang lại phụ thuộc vào sự trượt dọc, sự trượt dọc lại phụ thuộc vào khả năng bám dọc và trạng thái kéo hoặc phanh.
Dựa vào quan hệ hình học ta có thể rút ra: ̂
- Bán kính quay vòng thực tế R phụ thuộc vào ba thông số: góc quay của bánh dẫn hướng β, góc lệch hướng bánh trước α 1 và góc lệch hướng bánh sau α 2
- Trong ba thông số trên thì người lái chỉ có thể điều khiển được β bằng cách đánh lái vô lăng, còn hai thông số α 1 , α 2 là yếu tố mà người lái không kiểm soát được Điều này làm cho người lái khó kiểm soát được bán kính quay vòng thực tế R của xe, làm xe bị lệch quỹ đạo chuyển động lý thuyết Có thể nói hai góc lệch hướng α 1 , α 2 chính là tác nhân chính mang tính ngẫu nhiên gây nên hiện tượng mất lái trên ô tô.
Do góc lệch hướng là yếu tố ngẫu nhiên ảnh hưởng bởi nhiều thông số trong đó có sự trượt giữa bánh xe và mặt đường nên đây là một điều mà người lái không thể kiểm soát được Điều này là đúng, trong thực tế rất nhiều trường hợp mất lái do cua gấp với tốc độ cao làm bánh xe bị trượt ngang vì khi chạy tốc độ cao lực ly tâm tạo ra càng lớn mà giới hạn bám dọc ngày càng nhỏ dẫn tới khả năng bám ngang của xe ô tô cũng giảm dần lúc này hiện tượng trượt ngang rất dễ xảy ra, và khi xảy ra thì xe ô tô sẽ bị lệch khỏi quỹ đạo chuyển động rất dễ gây ra tai nạn.
Hình 5.4 Xe vào cua cầu trước bị trượt gây mất lái
Tùy thuộc vào sự trượt hoặc độ biến dạng giữa cầu trước và cầu sau thì ta có nhiều trường hợp khi xe quay vòng Dù khó tính toán được độ lớn của góc α 1 , α 2 nhưng ta luôn chắc chắn rằng có ba trường hợp có thể xảy ra: α 1 = α 2 , α 1 > α 2 và α 1 < α 2 Điều này gây ra các trạng thái quay vòng khác nhau của xe là quay vòng trung tính, quay vòng thiếu, quay vòng thừa.
Trạng thái quay vòng thiếu xảy ra khi góc lệch hướng của bánh xe trước lớn hơn góc lệch hướng bánh xe sau: 1 > 2 Khi đó, bán kính quay vòng thực tế R sẽ lớn hơn bán kính quay vòng lý thuyết R 0 , tức quỹ đạo chuyển động của ô tô sẽ rộng ra.
Hình 5.56 Trạng thái quay vòng thiếu
Khi ô tô vào cua hoặc đánh lái ở tốc độ cao thì rất dễ mất ổn định do có lực ly tâm vô cùng lớn xuất hiện ( = 2 ) Dưới tác dụng của lực ly tâm sẽ làm xuất hiện các góc lệch hướng α 1 và α 2 Bên cạnh đó hiện tượng quay vòng thiếu còn dễ dàng thấy hơn ở các xe ô tô du lịch có dẫn động cầu trước hoặc hai cầu, lúc này các bánh trước vừa đóng vai trò dẫn hướng, vừa dẫn động (xuất hiện lực dọc) làm cho khả năng tiếp nhận lực ngang của các bánh xe ở cầu trước cũng giảm xuống, dễ trượt hơn Và khi các bánh xe cầu trước bị trượt nhiều hơn cầu sau thì 1 > 2 làm xuất hiện hiện tượng xe quay vòng thiếu (Dẫn đến trượt ngang hoàn toàn ở các bánh trước) thì hiện tượng thiếu lái rất nghiêm trọng, dù người lái có đánh vô lăng hết cỡ thì xe cũng không thể chuyển hướng.
Hình 5.67 Xe chuyển động thẳng có lực ngang Y tác động Ở trạng thái này quỹ đạo di chuyển của ô tô rộng ra hơn so với ý muốn của người lái, buộc người lái phải đánh lái thêm để đưa ô tô về đúng quỹ đạo chuyển động mong muốn. Nếu cộng thêm điều kiện mặt đường trơn trượt hệ số bám hoặc tài xế đạp phanh gấp Ở điều kiện quay vòng thiếu, nếu xe chuyển động thẳng ( = 0), tốc độ cao và có lực ngang Y tác dụng (chủ yếu là lực gió ngang) thì các bánh xe ở hai cầu sẽ lệch với các góc khác nhau ( 1 > 2 ), góc lệch hướng này cũng có thể do biến dạng ngang của lốp xe hoặc trượt ngang của hai cầu Lúc này, sẽ xuất hiện lực ly tâm theo phương ngang chống lại lực ngang Y Nếu lực triệt tiêu hoàn toàn lực Y thì các phản lực ngang Y 1 = Y 2 = 0, các góc lệch hướng 1 = 2 = 0 thì xe sẽ tiếp tục chuyển động thẳng Đây là một ưu điểm khi mà góc lệch hướng cầu trước 1 lớn hơn góc lệch hướng cầu sau 2
- Trạng thái quay vòng thiếu là trạng thái mất ổn định, làm xe lệch quỹ đạo chuyển động mong muốn Nguyên nhân là do sự xuất hiện của góc lệch hướng ở các cầu dưới sự tác dụng của lực ngang làm các bánh xe bị biến dạng hoặc trượt ngang.
- Nếu trạng thái này xảy ra đột ngột (đặc biệt ở tốc độ cao, xuất hiện trượt ngang), dẫn đến người lái không kịp can thiệp gây ra tình trạng mất lái, gây nguy hiểm.
- Khi xảy ra thiếu lái, theo phản xạ người lái là đánh thêm vô lăng cũng có thể giảm bớt tình trạng này.
- Ở trạng thái quay vòng thiếu thì ô tô khuynh hướng duy trì trạng thái di chuyển thẳng của ô tô.
- Nếu hiện tượng quay vòng thiếu xuất hiện một cách không quá mức và đủ để người lái có khả năng phản ứng thì không vấn đề gì vì hiện tượng quay vòng thiếu buộc người lái phải đánh thêm vô lăng mà việc đánh thêm vô lăng là thuận với phản xạ.
Hệ thống cân bằng điện tử - ESP biện pháp ổn định quay vòng
Hệ thống ESP được tích hợp chức năng của hai hệ thống trước đó là ABS và TCS.
Hệ thống không chỉ giúp xe không bị bó cứng hay mất ổn định khoi quay vòng mà còn ngăn xe không bị nghiêng về một phía.
Trong quá trình chuyển động, nếu hệ thống ESP phát hiện được tình trạng xe bắt đầu bị mất lái (rõ rệt nhất khi vào cua) thì ESP sẽ làm việc bằng cách can thiệp vào hệ thống phanh để giảm ngay vận tốc xe ESP có thể ra lệnh cho hệ thống phanh hoạt động riêng rẽ trên một hoặc nhiều bánh xe trên cầu trước hoặc cầu sau Nhiệm vụ chính của hệ thống ESP chính là giúp ổn định xe khi phanh, khi xe vào cua và ngay cả lúc xe mới khởi hành và tăng tốc, để hiệu quả khi hoạt động, hệ thống ESP cũng tác động đến cả động cơ và hộp số ESP điều khiển chủ yếu thông qua hai hệ thống cấp dưới như là ABS và TCS. Đối với ABS nếu cảm biến bánh xe phát hiện thấy hiện tượng trượt trên bánh nào thì áp lực phanh trên bánh đó sẽ được giảm Sự kiểm soát này thông qua ECU điều khiển và cơ cấu chấp hành gồm một hệ thống van điện từ Các van trong cơ cấu chấp hành sẽ điều hòa áp suất phanh của bánh trị trượt theo các chế độ: tăng, giữ và giảm áp.
Hệ thống TCS được trang bị trên xe hơi nhằm chống hiện tượng trượt quay của các bánh xe chủ động khi xe khởi hành và tăng tốc đột ngột Thêm một nhiệm vụ chính yếu củaTCS là giúp xe cải thiện tính ổn định bằng cách điều chỉnh lực kéo của các bánh xe chủ động Trong quá trình khởi hành, tăng tốc… nếu TCS phát hiện thấy bánh xe chủ động nào bị trượt quay, cảm biến tốc độ của bánh xe sẽ gửi tín hiệu này đến bộ ECU, lúc này ECU sẽ gửi tín hiệu đến cơ cấu phanh tại bánh bị trượt quay và khắc phục hiện tượng trượt vô ích Đồng thời TCS còn gửi tín hiệu đến ECU động cơ nhằm tăng giảm bướm ga để giảm mô men xoắn.
Chức năng chính của ESP là giảm thiểu hiện tượng “văng đầu” (understeering) và
“văng đuôi” (oversteering) khi xe vào cua hoặc tránh chướng ngại vật trong trường hợp khẩn cấp Trong các tình huống đó nếu xảy ra, hệ thống sẽ đảm bảo xe không bị lệch ra khỏi hướng điều khiển của người lái xe Để nhận biết được việc xe bị lệch quỹ đạo, ESP phải có thêm các cảm biến góc lái, cảm biến gia tốc ngang Nếu phát hiện thấy hiện tượng xe chệch khỏi quỹ đạo, ESP tự động điều khiển lực phanh chính xác đến các bánh xe tương ứng để bảo đảm xe nằm trong tầm kiểm soát của người lái Hệ thống ESP sẽ nhận biết thông qua các cảm biến góc lái và cảm biến gia tốc ngang, tự động điều khiển một lực phanh chính xác đến các bánh xe tương ứng ở cầu trước hoặc cầu sau để duy trì hướng chuyển động của xe theo sự điều khiển của người lái.
Hình 5.11 Hệ thống cân bằng điện tử ESP khắc phục quay vòng thiếu – thừa Đồng thời với việc điều khiển phanh, ESP cũng gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động cơ, điều khiển giảm bớt mô-men xoắn của động cơ Nhờ vậy xe đạt được tính ổn định cao khi quay vòng Ngoài ra, các dòng xe hiện đại ngày nay, ESP còn can thiệp vào cả hộp số nhằm tạo ra tính ổn định rất cao khi xe vận hành trong nhiều điều kiện khác nhau.
Như đã trình bày ở trên quay vòng thiếu (UnderSteering) được hiểu đơn giản là khi vào cua chiếc xe không ôm theo ý muốn của người lái, mà có xu hướng mở rộng vòng cua.
Hình 5.12 Hiện tượng thiếu lái
Nguyên nhân thiếu lái là do bánh trước bị trượt không còn khả năng bám đường.
Do đó mà đầu xe không thể chuyển hướng Cho dù có điều khiển vô lăng nhiều, bánh trước xoay theo; Nhưng do lực quán tính chiếc xe sẽ tiếp tục di chuyển phương thẳng hoặc chuyển hướng rất ít, không đáng kể.
Với những xe ô tô dẫn động bánh trước, do bánh trước là nơi chịu lực truyền trực tiếp,nên cũng dễ sinh ra hiện tượng trượt cao hơn Trong lúc xe đang trượt thì việc phanh thật mạnh càng đẩy nhanh hơn tốc độ trượt của xe Khi xe trượt ngang mép cua thì cho dù bó chặt vô lăng hết cỡ cũng sẽ không có tác dụng Vì thế xe dẫn động cầu trước thường có xu hướng quay vòng thiếu.
Hình 5.13 ESP khắc phục thiếu lái
Trong trường hợp quay vòng thiếu trên những xe có hệ thống ESP thì lúc này ESP sẽ can thiệp vào hệ thống phanh độc lập từng bánh xe để khắc phục Cụ thể như sau, khi xe vào cua hướng bên trái với tốc độ cao thì các bánh cầu trước có hiện tượng trượt và quỹ đạo chuyển động rộng hơn so với quỹ đạo mong muốn Lúc này ESP sẽ phanh 3 bánh gồm 2 bánh trước và bánh sau bên trái Điều này sẽ khiến xe có xu hướng quay vòng sang trái với một bán kính quay bé hơn do tốc độ bánh xe sau bên phải là cao nhất.Qua đó khắc phục việc bán kính quay lớn do đặc tính của hiện tượng quay vòng thiếu.Đối với quay vòng thừa cũng tương tự, quay vòng thừa (OverSteering) được hiểu đơn giản là khi vào cua chiếc xe không ôm theo ý muốn của người lái mà có xu hướng thu hẹp bán kính vòng cua Trường hợp này xày ra khi vào cua mà xe bị văng đuôi hay các bánh cầu sau bị trượt làm cho quỹ đạo chuyển động của ô tô bỗng nhiên trở nên gắt hơn.
Hình 5.14 Hiện tượng thừa lái
Nguyên nhân bị thừa lái chủ yếu là do khi cua xe; nếu bánh sau bị trượt thì sẽ không còn khả năng bám đường và sẽ trượt thẳng theo quỹ đạo cũ Tuy nhiên thì bánh trước lại đang chuyển hướng theo điều khiển từ vô lăng Vì thế, đầu xe sẽ quay vòng/chuyển hướng, còn đuôi xe thì vẫn trượt thẳng Đầu và đuôi xe không cùng quỹ đạo quay vòng.
Di chuyển trong điều kiện đường trơn hoặc khi vào cua quá gấp, tăng ga sớm, giảm ga hoặc dừng đột ngột ở giữa khúc cua cũng là một trong nguyên nhân dẫn đến thừa lái.Khi phanh/dừng xe đột ngột, mũi xe sẽ chúi xuống, dồn trọng lượng chính lên giảm xóc trước và 2 bánh trước Lúc này, 2 bánh sau mất độ bám ma sát, đuôi xe theo quán tính sẽ văng theo hình vòng cung.
Hình 5.15 ESP khắc phục thừa lái
Lúc này ESP hoạt động tương tự trong trường hợp thiếu lái, khi xe vào cua bên trái các bánh xe cầu sau bị trượt làm cho đuôi xe có xu hướng văng qua bên phải trong khi các bánh cầu trước vẫn dẫn hướng theo hướng mong muốn, điều này làm xe mất ổn định.ESP lúc này tiến hành phanh độc lập bánh trước bên phải điều này xe làm tốc độ quay của bánh xe bên phải chậm lại Do đó bởi tác động của lực quán tính sinh ra khi tốc độ của ba bánh xe còn lại nhanh hơn bánh trước bên phải, quỹ đạo của xe sẽ được điều chỉnh theo xu hướng mở rộng bán kính quay vòng Qua đó khắc phục được tình trạng bán kính quay vòng hẹp do đặc tính của hiện tượng quay vòng thừa.
Kết luận chương 5
Phần lớn thời gian ô tô chuyển động trên đường là trạng thái quay vòng, quay vòng giúp ô tô chuyển hướng, chuyển làn, tránh chướng ngại vật hoặc chỉ đơn giản là giữ cho ô tô di chuyển bám theo cung đường.
Trong quá trình quay vòng với tốc độ cao sẽ sinh ra lực ly tâm lớn tác dụng lên ô tô như lực ngang Lực này sẽ tác động lên ô tô làm cho lốp xe bị biến dạng ngang và các bánh xe sẽ trượt ngang, hai tác động này là nguyên nhân chính tạo ra góc lệch hướng α làm xe mất ổn định hướng (mất lái).
Với lực ngang tác dụng khi trạng thái ô tô đang chạy với tốc độ cao và quay vòng thì các bánh xe có xu hướng trượt ngang do khả năng bám dọc sẽ kém hơn bình thường, điều này dẫn đến khả năng bám ngang cũng bị mất dần theo và hệ quả là ô tô rất dễ bị trượt ngang Khi các bánh xe ở hai cầu bị trượt sẽ làm xuất hiện các góc lệch hướng gây ra hiện tượng mất ổn định khi quay vòng (mất lái) rất nguy hiểm.
Dưới tác động của sự trượt thì bánh xe các cầu lệch đi các góc khác nhau tạo ra nhiều trường hợp quay vòng khác nhau như quay vòng thiếu, quay vòng thừa, quay vòng trung tính Tùy thuộc vào từng đặc điểm của các trạng thái quay vòng mà ô tô chịu những ảnh hưởng khác nhau nhưng nói chung khi ô tô quay vòng mà xuất hiện sự trượt giữa bánh xe và mặt đường thì đó là một hiện tượng xấu Điều này dù ít hay nhiều vẫn làm cho ô tô bị mất ổn định và dễ gây ra tai nạn.
Do đó để đảm bảo an toàn thì người lái cần phải chạy chậm để tận dụng giới hạn bám, đồng thời có thể trang bị hệ thống ESP để hỗ trọ khi di chuyển nhằm hạn chế hiện tượng mất ổn định khi quay vòng ô tô.
ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TRƯỢT TỚI TIÊU HAO NHIÊN LIỆU
Khái niệm về tiêu hao nhiên liệu của ô tô theo quãng đường
Tính kinh tế nhiên liệu của xe được đánh giá bằng mức tiêu hao nhiên liệu trên quãng đường 100 km
Mức tiêu hao nhiên liệu cho một đơn vị quãng đường chạy q d của ô tô được xác định theo công thức: q d =
Trong đó: Q (lít) là lượng nhiên liệu tiêu hao khi ô tô chạy quãng đường S (km).
Phương trình tiêu hao nhiên liệu
Khi ô tô chuyển động, tiêu hao nhiên liệu của nó phụ thuộc vào thứ nhất là tiêu hao nhiên liệu của động cơ đặt trên ô tô và thứ 2 là tiêu hao công suất để khắc phục công suất trượt và các lực cản chuyển động, ngoài ra còn phụ thuộc vào chế độ tải trọng, chế độ chuyển động, tình trạng mặt đường, tình trạng kỹ thuật của xe, trình độ của người lái, …)
Phương trình tiêu hao nhiên liệu là phương trình mô tả sự tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào các yếu tố nói trên Tuy nhiên ở chương này, nhóm chỉ tập chung vào xây dựng phương trình tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào công suất động cơ phát ra cần thiết để hạn chế ảnh hưởng của sự trượt và khắc phục các lực cản chuyển động.
Ta có công thức tính lượng nhiên liệu tiêu hao Q (lít):
Trong đó: Pe là công suất có ích của động cơ (kW). g e suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ. t là thời gian làm việc của động cơ (h). ρ nl là tỷ trọng nhiên liệu (kg/l).
Từ công thức (6.1) và (6.2), ta có biểu thức để xác định mức tiêu hao nhiên liệu như sau: q d =
Sρnl vρnl 100 km v = S t Vận tốc chuyển động của ô tô (km/h)
Với P e là công suất của động cơ phát ra cần thiết để khắc phục các lực cản chuyển động và sự trượt, được biểu thị theo phương trình cân bằng công suất có tính đến trượt sau:
Trong đó: P δ là công suất trượt, biểu thị cho sự mất mát năng lượng của động cơ hay tiêu hao công suất do ảnh hưởng của sự trượt.
Như đã đề cập ở chương 3, ta có công thức tính công suất trượt như sau:
Trong đó: ω e là tốc độ góc của động cơ. i tl là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực. λ f là hệ số thực nghiệm cho trước phụ thuộc vào loại đường và tình trạng mặt đường, tải trọng pháp tuyến.
Thay (6.4) vào (6.3), ta có biểu thức để xác định mức tiêu hao nhiên liệu cuối cùng như sau: q d =
Nhận xét: Phương trình tiêu hao nhiên liệu (6.5) cho ta thấy tính kinh tế nhiên liệu của động cơ phụ thuộc vào nhiều yếu tốc khác nhau như: suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ, tổng lực cản chuyển động, hiệu suất của hệ thống truyền lực, tỉ trọng của nhiên liệu, công suất trượt.
- Phương trình này cho ta thấy được ảnh hưởng của công suất trượt, hay sự trượt đối với tiêu hao nhiêu liệu của ô tô Khi sự trượt càng lớn, công suất trượt càng lớn thì tiêu hao nhiên liệu của ô tô cũng tăng Cụ thể như đã tìm hiểu ở chương 3, công suất trượt phụ thuộc khả năng bám của bánh xe với mặt đường, lực kéo F k và lực phanh F p , tải trọng tác dụng lên các bánh xe ngoài ra còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như tình trạng mặt đường, áp suất không khí trong lốp và độ đàn hồi của vật liệu chế tạo lốp.
Kết luận chương 6
Trong quá trình nghiên cứu và xây dựng phương trình tiêu hao nhiên liệu có tính đến trượt, nhóm nhận thấy:
- Thứ nhất, tiêu hao nhiên liệu của ô tô ảnh hưởng bởi suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ( g e ) đây là một thông số thực nghiệm, ứng với từng loại động cơ khác nhau thì sẽ có đặc tính tiêu hao nhiên liệu là khác nhau.
- Thứ hai, tiêu hao nhiên liệu của ô tô còn phụ thuộc vào công suất mà động cơ cần sinh ra để khắc phục ảnh hưởng của sự trượt và các lực cản chuyển động (lực cản lăn, lực cản gió, lực cản dốc, lực cản quán tính) Ngoài ra còn có các yếu tố như: hiệu suất của hệ thống truyền lực, tỷ trọng nhiên liệu,…
- Trong quá trình nghiên cứu nhóm thấy được ảnh hưởng của sự trượt đến tiêu hao nhiên liệu, cũng như sự cần thiết của việc giảm sự trượt để tăng hiệu quả kinh tế nhiên liệu và đặc biệt là giảm ô nhiễm môi trường.
