TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Ngành công nghiệp ô tô đang phát triển mạnh mẽ và đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, với sự đa dạng về chủng loại và giá cả Sự tiến bộ của khoa học công nghệ đã dẫn đến sự ra đời của nhiều loại xe hiện đại và tiện nghi Việc kiểm tra và đánh giá chất lượng ô tô ngày càng được chú trọng nhằm nâng cao hiệu suất và tính năng sử dụng Các phương pháp đánh giá chất lượng xe thường dựa vào các chỉ tiêu như động lực học, tính an toàn và tiết kiệm nhiên liệu Tại Việt Nam, hầu hết các loại động cơ ô tô đều được nhập khẩu, và việc tính toán các tính chất động lực học của xe gặp nhiều khó khăn do thiếu thông số thiết kế đầy đủ Do đó, nghiên cứu và khảo sát các chỉ tiêu động lực học trở thành vấn đề cấp thiết và khả thi.
Xe buýt, một phương tiện công cộng ngày càng phát triển, mang lại nhiều tiện ích nhưng cũng đối mặt với vấn đề tai nạn giao thông nghiêm trọng Nguyên nhân của các vụ tai nạn này thường liên quan đến tính ổn định và an toàn của phương tiện Khi ô tô di chuyển với tốc độ cao, việc gặp chướng ngại vật và phải phanh gấp hoặc đổi hướng có thể dẫn đến lật xe.
Xuất phát từ những lý do đã nêu và dưới sự hướng dẫn của Thầy, nhóm đã tiến hành thực hiện đề tài “Khảo sát sức kéo và tính ổn định của ô tô Bus”.
1.2 Mục đích của đề tài
Mục đích của việc khảo sát sức kéo là để đánh giá khả năng hoạt động của xe khi chuyển động ở nhiều điều kiện đường sá khác nhau
Mục đích khảo sát ổn định của xe Bus là xác định giới hạn lật đổ và quay vòng, sau đó sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm nghiệm và so sánh với kết quả tính toán ban đầu Qua đó, nhóm khảo sát đưa ra các kết luận và khuyến cáo về việc sử dụng xe Bus.
1.3 Nhiệm vụ của đề tài
Khảo sát sức kéo của ô tô Bus:
- Áp dụng được công thức S.R.Lây Đécman hiệu chỉnh để xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ
- Trình bày được phương trình cân b ng lực kéo, phương trình cân b ng công suất, nhân tố động lực học, thời gian và quãng đường tăng tốc
Khảo sát tính ổn định ô tô Bus:
- Tính toán, xác định các góc dốc giới hạn ổn định dọc
Để đảm bảo an toàn khi ô tô quay vòng trên đường nghiêng ngang, cần tính toán và xác định góc giới hạn lật Đồng thời, cần xác định vận tốc giới hạn chuyển động của ô tô khi thực hiện các vòng quay với bán kính quay vòng nhỏ nhất Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng kiểm soát và ổn định của phương tiện, giúp giảm thiểu nguy cơ tai nạn.
- Mô phỏng với phần mềm để so sánh với kết quả tính toán
1.4 Đối tƣợng khảo sát Đối tƣợng mà nhóm khảo sát là xe Bus 40 chỗ trong đó có 19 chỗ ngồi và 21 chỗ đứng) Xe khảo sát là xe dạng ô tô khách dùng trong thành phố vận chuyển hành khách với số người tối đa là 40 gồm 19 chỗ ngồi và 21 chỗ đứng Xe được thiết kế dựa trên khung sắt-xi của xe tải HINO n
Hình 1.1: Xe bus 40 chỗ CITY BES1 Bảng 1.1: Bảng thông số cơ bản của xe BES1
Stt BẢNG THÔNG SỐ KỸ THUẬT
1 Thông tin chung Ô tô cơ sở Ô tô thiết kế
1.1 Loại phương tiện Ô tô sát xi khách Ô tô khách thành phố)
2 Thông số về kích thước
2.3 Vệt bánh xe trước/sau (mm) 1770/1660 1770/1660
2.4 Vệt bánh xe sau phía ngoài mm) 1920 1920
2.5 Chiều dài đầu xe (mm) 1050 1435 n
2.6 Chiều dài đuôi xe mm) 2160 2465
2.7 Khoảng sáng gầm xe (mm) 225 215
2.8 Góc thoát trước/sau độ) - 14/12
3 Thông số về khối lƣợng
3.1 Khối lƣợng bản thân kg) 2850 5600
3.1.1 Phân bố khối lƣợng bản thân lên trục xe trước(kg) 1620 2500
3.1.2 Phân bố khối lƣợng bản thân lên trục xe sau(kg) 1230 3100
3.2 Số người cho phép chở kể cả người lái người) - 40 (19 chỗ ngồi + 21 chỗ đứng)
3.3 Khối lƣợng toàn bộ cho phép tham gia giao thông kg) - 8200
3.3.1 Phân bố lên cầu trước (kg) - 2855
3.3.2 Phân bố lên cầu sau (kg) - 5345
3.4 Khối lƣợng toàn bộ theo thiết kế lớn nhất của nhà sản xuất (kg) - 8200
3.4.1 Phân bố lên cầu trước (kg) - 2855
3.4.2 Phân bố lên cầu sau (kg) - 5345
3.5 Khối lƣợng toàn bộ cho phép của xe cơ sở (kg) 9000 -
3.5.1 Khối lƣợng toàn bộ cho phép của xe cơ sở trên trục trước (kg) 3150 -
3.5.2 Khối lƣợng toàn bộ cho phép của 5850 - n
5 xe cơ sở trên trục sau (kg)
4 Thông số về tính năng chuyển động
4.1 Tốc độ cực đại của xe (km/h) - 92,8
4.2 Độ dốc lớn nhất xe vƣợt đƣợc
Bán kính quay vòng nhỏ nhất theo vết bánh xe trước phía ngoài
5.1 Tên nhà sản xuất và kiểu loại động cơ HINO MOTORS, J05C-TF
5.2 Nhiên liệu, số xi lanh và cách bố trí
Diesel, 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, tăng áp, làm mát b ng nước
5.3 Dung tích xi lanh cm 3 ) 5307
5.5 Đường kính xi lanh x Hành trình piston (mm) 114 x 130
5.6 Công suất lớn nhất ( kW)/ Số vòng quay vòng/phút) 121/2500
5.7 Mô men xoắn lớn nhất (Nm) / Số vòng quay vòng/phút) 496/1500
5.8 Vị trí bố trí động cơ trên khung xe Trước
6.1 Kiểu 1 đĩa ma sát khô n
6.2 Dẫn động Thủy lực, trợ lực khí nén
7 Hộp số Kiểu cơ khí, 6 số tiến, 1 số lùi
7.1 Tỷ số truyền của các tay số 7,818 4,957 2,992 1,866 1,312 1,000
7.2 Tỷ số truyền của tay số lùi 7,445
8 Trục các đăng 02 trục , có ổ đỡ trung gian
Tải trọng cho phép kg) 3150
Tải trọng cho phép kg) 5850
10.2 Lốp trước 8.25-16, áp suất: 94 PSI, chỉ số khả năng chịu tải: 128
10.4 Lốp sau 8.25-16, áp suất: 94 PSI, chỉ số khả năng chịu tải: 126 10.5 Lốp dự phòng
8.25-16, áp suất: 94 PSI, chỉ số khả năng chịu tải: 128/126 n
Hình 1.2: Bản vẽ tổng thể của ô tô Bus n
Nhiệm vụ của đề tài
Khảo sát sức kéo của ô tô Bus:
- Áp dụng được công thức S.R.Lây Đécman hiệu chỉnh để xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ
- Trình bày được phương trình cân b ng lực kéo, phương trình cân b ng công suất, nhân tố động lực học, thời gian và quãng đường tăng tốc
Khảo sát tính ổn định ô tô Bus:
- Tính toán, xác định các góc dốc giới hạn ổn định dọc
Để đảm bảo an toàn khi ô tô di chuyển trên đường nghiêng ngang, việc tính toán góc giới hạn lật là rất quan trọng Góc này giúp xác định khả năng giữ thăng bằng của xe khi quay vòng Bên cạnh đó, vận tốc giới hạn chuyển động của ô tô cũng cần được xác định, đặc biệt là khi xe thực hiện các vòng quay với bán kính nhỏ nhất Những yếu tố này đóng vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa hiệu suất và an toàn khi lái xe.
- Mô phỏng với phần mềm để so sánh với kết quả tính toán.
Đối tƣợng khảo sát
Nhóm khảo sát tập trung vào xe bus 40 chỗ, bao gồm 19 chỗ ngồi và 21 chỗ đứng Xe bus này được sử dụng để vận chuyển hành khách trong thành phố, với khả năng chở tối đa 40 người Thiết kế của xe dựa trên khung sắt-xi của xe tải HINO, đảm bảo độ bền và an toàn khi di chuyển.
Hình 1.1: Xe bus 40 chỗ CITY BES1 Bảng 1.1: Bảng thông số cơ bản của xe BES1
Stt BẢNG THÔNG SỐ KỸ THUẬT
1 Thông tin chung Ô tô cơ sở Ô tô thiết kế
1.1 Loại phương tiện Ô tô sát xi khách Ô tô khách thành phố)
2 Thông số về kích thước
2.3 Vệt bánh xe trước/sau (mm) 1770/1660 1770/1660
2.4 Vệt bánh xe sau phía ngoài mm) 1920 1920
2.5 Chiều dài đầu xe (mm) 1050 1435 n
2.6 Chiều dài đuôi xe mm) 2160 2465
2.7 Khoảng sáng gầm xe (mm) 225 215
2.8 Góc thoát trước/sau độ) - 14/12
3 Thông số về khối lƣợng
3.1 Khối lƣợng bản thân kg) 2850 5600
3.1.1 Phân bố khối lƣợng bản thân lên trục xe trước(kg) 1620 2500
3.1.2 Phân bố khối lƣợng bản thân lên trục xe sau(kg) 1230 3100
3.2 Số người cho phép chở kể cả người lái người) - 40 (19 chỗ ngồi + 21 chỗ đứng)
3.3 Khối lƣợng toàn bộ cho phép tham gia giao thông kg) - 8200
3.3.1 Phân bố lên cầu trước (kg) - 2855
3.3.2 Phân bố lên cầu sau (kg) - 5345
3.4 Khối lƣợng toàn bộ theo thiết kế lớn nhất của nhà sản xuất (kg) - 8200
3.4.1 Phân bố lên cầu trước (kg) - 2855
3.4.2 Phân bố lên cầu sau (kg) - 5345
3.5 Khối lƣợng toàn bộ cho phép của xe cơ sở (kg) 9000 -
3.5.1 Khối lƣợng toàn bộ cho phép của xe cơ sở trên trục trước (kg) 3150 -
3.5.2 Khối lƣợng toàn bộ cho phép của 5850 - n
5 xe cơ sở trên trục sau (kg)
4 Thông số về tính năng chuyển động
4.1 Tốc độ cực đại của xe (km/h) - 92,8
4.2 Độ dốc lớn nhất xe vƣợt đƣợc
Bán kính quay vòng nhỏ nhất theo vết bánh xe trước phía ngoài
5.1 Tên nhà sản xuất và kiểu loại động cơ HINO MOTORS, J05C-TF
5.2 Nhiên liệu, số xi lanh và cách bố trí
Diesel, 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, tăng áp, làm mát b ng nước
5.3 Dung tích xi lanh cm 3 ) 5307
5.5 Đường kính xi lanh x Hành trình piston (mm) 114 x 130
5.6 Công suất lớn nhất ( kW)/ Số vòng quay vòng/phút) 121/2500
5.7 Mô men xoắn lớn nhất (Nm) / Số vòng quay vòng/phút) 496/1500
5.8 Vị trí bố trí động cơ trên khung xe Trước
6.1 Kiểu 1 đĩa ma sát khô n
6.2 Dẫn động Thủy lực, trợ lực khí nén
7 Hộp số Kiểu cơ khí, 6 số tiến, 1 số lùi
7.1 Tỷ số truyền của các tay số 7,818 4,957 2,992 1,866 1,312 1,000
7.2 Tỷ số truyền của tay số lùi 7,445
8 Trục các đăng 02 trục , có ổ đỡ trung gian
Tải trọng cho phép kg) 3150
Tải trọng cho phép kg) 5850
10.2 Lốp trước 8.25-16, áp suất: 94 PSI, chỉ số khả năng chịu tải: 128
10.4 Lốp sau 8.25-16, áp suất: 94 PSI, chỉ số khả năng chịu tải: 126 10.5 Lốp dự phòng
8.25-16, áp suất: 94 PSI, chỉ số khả năng chịu tải: 128/126 n
Hình 1.2: Bản vẽ tổng thể của ô tô Bus n
KHẢO SÁT SỨC KÉO Ô TÔ BUS
Thông số tính toán ban đầu
Bảng 2.1: Bảng thông số tính toán động lực học của xe
THÔNG SỐ TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC KÉO Ô TÔ
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Khối lƣợng toàn bộ ô tô G kg 8200
Phân bố lên cầu chủ động GZ2 kg 5345
Khối lƣợng bản thân G0 kg 5600
Hệ số biến dạng lốp 0,93
Bề rộng xe tính toán theo vết bánh xe trước) Bo m 2,33
Chiều cao xe H m 3,05 Động cơ
Công suất lớn nhất P kW 121
Số vòng quay cực đại v/ph 2500
Mô men xoắn cực đại Me N.m 496
Tỷ số truyền hộp số
Tỷ số truyền lực chính i 0 3,9
Xây dựng đặc tính tốc độ ngoài động cơ
2.2.1 Đường đặc tính tốc độ ngoài động cơ
Đặc tính tốc độ ngoài của động cơ mô tả sự thay đổi của công suất, mô men xoắn và suất tiêu hao nhiên liệu theo số vòng quay của động cơ khi hoạt động ở chế độ cung cấp nhiên liệu tối đa Đặc tính này được sử dụng để đánh giá hiệu suất và hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu của động cơ ở các tốc độ khác nhau.
Công thức biểu thị sự phụ thuộc của các đại lƣợng Pe, Me theo tốc độ góc động cơ ) nhƣ sau:
Me – Mô men xoắn của động cơ N.m)
Pe – Công suất của động cơ kW) – Vận tốc góc của động cơ rad/s) Các đường đặc tính bao gồm:
+ Đường công suất Pe = f(ne) + Đường mô men xoắn Me = f(ne) + Đường suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ge = f ne) n
Các đường đặc tính tốc độ ngoài thường được xây dựng thông qua thực nghiệm trên bệ thử trong các điều kiện nhất định Khi không thể thực hiện thử nghiệm, ta có thể sử dụng công thức S.R.Lây Đécman để tính toán các đường đặc tính này, dựa trên các thông số từ nhà sản xuất và các hệ số a, b, c đã được xác định từ kinh nghiệm thực nghiệm.
Ngày nay, động cơ mới đã có nhiều cải tiến vượt bậc, không chỉ sử dụng bộ chế hòa khí cho động cơ xăng hay bơm cao áp cho động cơ Diesel, mà còn tích hợp các hệ thống hiện đại như tăng áp, phun xăng hỗn hợp và phun xăng điện tử Do đó, các hệ số thực nghiệm a, b, c không còn phù hợp với các loại xe hiện đại Để xây dựng đường đặc tính ngoài động cơ cho các loại động cơ hiện nay, cần áp dụng phương trình S.R.Lây Đécman đã được hiệu chỉnh.
Công thức S.R.Lây Đécman có dạng :
Pe , – Công suất có ích của động cơ và số vòng quay của trục khuỷu ứng với một điểm bất kỳ của đồ thị đặc tính ngoài
, – Công suất cực đại và số vòng quay trục khuỷu ứng với công suất cực đại a, b, c – Các hệ số thực nghiệm đƣợc chọn theo loại động cơ
Từ biểu thức (2.2) ta biến đổi thành biểu thức mô men:
2.2.2 Tính toán hệ số S.R.Lây Đécman hiệu chỉnh a, b, c
Công suất cực đại (kW) tại số vòng quay vòng/phút)
Mô men xoắn tại điểm có công suất cực đại:
Mômen xoắn cực đại (N.m) xảy ra tại một số vòng quay nhất định (vòng/phút) Phương trình (2.3) là một hàm bậc 2, đạt giá trị cực đại tại vòng/phút với giá trị mômen xoắn là (N.m), điều này được thể hiện qua điều kiện e e dM 0 dn = 0.
Mặt khác, khi ta có: thì thay vào 2.2) ta đƣợc a b c 1 (2.6)
Giải hệ phương trình ta được: a = 0,908; b = 0,552; c = 0,46
Vậy phương trình đường cong công suất và mô men của xe có dạng : n
Từ đó ta có phương trình S.R.Lây Đécman hiệu chỉnh như sau :
Mô men xoắn của động cơ Me) có thể tính dựa theo các giá trị của Pe và ne theo công thức sau :
Trong đó : P e – Công suất động cơ kW)
Me – Mô men xoắn của động cơ N.m) n e – Số vòng quay trục khuỷu vòng/phút)
2.2.3 Xây dựng đồ thị đặc tính tốc độ ngoài của động cơ
Giá trị số vòng quay trục khuỷu của động cơ Diesel dao động từ 600 vòng/phút, mức tối thiểu để động cơ hoạt động ổn định, đến số vòng quay cực đại Bằng cách thay giá trị này vào các phương trình (2.9) và (2.10), chúng ta có thể xác định các giá trị Pe và Me tương ứng.
Bảng 2.2: Bảng giá trị P e , M e , n e ne (vòng/phút) Pe (KW) Me (N.m)
2500 121 496 Đồ thị đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ dựa vào bảng 2.1 được biểu diễn như sau: Pe = f(ne) ; Me = f(ne)
Hình 2.1: Đồ thị đặc tính tốc độ ngoài của xe khảo sát
Dựa vào bảng số liệu và đồ thị đặc tính tốc độ ngoài của động cơ ta thấy: n
Cân b ng lực kéo
- Đường cong công suất đạt giá trị cực đại (kW) tại số vòng quay vòng/phút)
- Đường cong mô men đạt giá trị cực đại (N.m) tại số vòng quay vòng/phút)
- Với các hệ số a, b, c của công thức S.R.Lây Đécman hiệu chỉnh có thể giảm đƣợc đáng kể sai số của hệ số thực nghiệm kinh nghiệm
2.3.1 Các lực tác dụng lên xe trong trường hợp chuyển động tổng quát
Hình 2.2: Sơ đồ các lực tác dụng lên xe Ý nghĩa của các ký hiệu ở trên hình vẽ nhƣ sau:
G - Trọng lƣợng toàn bộ của ô tô
F k - Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động
F f1 - Lực cản lăn ở các bánh xe bị động
Ff2 - Lực cản lăn ở các bánh xe chủ động n
Fi - Lực cản lên dốc
F j - Lực cản quán tính khi xe chuyển động không ổn định (có gia tốc)
Z 1 , Z 2 - Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe cầu trước, cầu sau
M f1 – Mô men cản lăn ở các bánh xe chủ động
M f2 - Mômen cản lăn ở các bánh xe bị động α - Góc dốc mặt đường
2.3.2.1 Lực kéo tiếp tuyến Fk
Phản lực từ mặt đường (Fk) tác động lên bánh xe chủ động theo hướng di chuyển của ô tô, với điểm đặt của Fk nằm tại tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.
Mô men xoắn của động cơ N.m)
Tỷ số truyền ở từng tay số
Tỷ số truyền lực chính
Bán kính tính toán của bánh xe m)
Bảng 2.3: Bảng giá trị trung bình của hiệu suất truyền lực với từng loại xe
Loại xe Giá trị trung bình của Ô tô du lịch 0,93 Ô tô tải với truyền lực chính 1 cấp 0,89 Ô tô tải với truyền lực chính 2 cấp 0,85
- Do xe khảo sát là xe bus sử dụng khung sắt-xi của xe tải nên ta chọn
2.3.2.2 Vận tốc chuyển động của xe ở từng tay số e b n hi o
Vận tốc chuyển động ở từng tay số (m/s)
Bán kính tính toán của bánh xe m)
: Tỷ số truyền ở tay số i
: Tỷ số truyền lực chính
: Số vòng quay động cơ vòng/phút)
Từ công thức 2.11) và 2.12), ta thay các giá trị vào lập đƣợc bảng sau: n
Bảng 2.4: Bảng giá trị Fk và V ở từng tay số ne
2.3.3 Các lực cản chuyển động
Lực cản lăn tác dụng lên bánh xe
Hệ số cản lăn của đường
+ Khi xe có vận tốc V < 22 m/s) thì: f f 0
+ Khi xe có vận tốc V 22 (m/s) thì:
Bảng 2.5: Bảng giá trị hệ số cản lăn của từng loại đường
Hệ số cản lăn của các loại đường khác nhau có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất di chuyển Đường nhựa tốt có hệ số cản lăn từ 0,015 đến 0,018, trong khi đường nhựa bê tông thấp hơn, chỉ từ 0,012 đến 0,015 Đường rải đá có hệ số cản lăn cao hơn, từ 0,023 đến 0,030 Đối với đường đất khô, hệ số cản lăn dao động từ 0,025 đến 0,035, còn đường đất sau khi mưa có hệ số từ 0,050 đến 0,15 Đường cát có hệ số cản lăn cao nhất, từ 0,10 đến 0,30, và đất sau khi cày có hệ số cản lăn là 0,12.
- Do xe khảo sát là xe Bus chuyên chạy trong các thành phố nên ta chọn hệ số cản lăn
Lực cản không khí là lực cản xuất hiện khi xe chuyển động Bao gồm 3 yếu tố:
+ Lực cản áp lực là lực cản do hình dáng khí động học của xe
+ Lực cản bề mặt ma sát do độ nhẵn của vỏ xe và phụ thuộc vào chất lƣợng sơn + Lực cản do ảnh hưởng của xoáy lốc
Lực cản không khí đƣợc biểu diễn theo biểu thức sau:
Trong đó: ρ – Khối lƣợng riêng của không khí kg/m 3 ) v o – Vận tốc tương đối giữa xe và không khí m/s)
0 g vv v v – Vận tốc của xe (m/s) v g – Vận tốc gió (m/s)
( Dấu (+) ứng với khi vận tốc của xe và của gió ngƣợc chiều
Dấu (-) ứng với khi vận tốc của xe và của gió cùng chiều.)
Cx – Hệ số cản không khí
S – Diện tích cản không khí m 2 )
S = m.Bo.H Đối với xe Bus, hệ số điền đầy m = 1
Khi tính toán, người ta còn đưa vào khái niệm nhân tố cản không khí W có đơn vị là
Bảng 2.6: Bảng giá trị hệ số cản và diện tích cản không khí với từng loại xe n
+ Xe du lịch Ô tô con)
- Do xe khảo sát là xe Bus thuộc loại ô tô khách nên ta chọn hệ số cản không khí Cx 0,6
Lực cản lên dốc Fi xuất hiện khi xe chuyển động lên đường dốc một góc α
Fi G.sin (2.15) Độ dốc của mặt đường: i = tgα
Khi góc α quá bé α i và có giá trị (-) khi f < i hoặc Ѱ = 0 khi f = i khi xuống dốc
Xét trong trường hợp xe chuyển động thẳng đều j = 0 ) trên đường b ng phẳng (α=0), ta được phương trình sau: k f
- Chọn hệ số cản lăn f o = 0.018
- Khi xe có vận tốc V 22 (m/s) thì: v2 f 0, 018 1
- Khi xe có vận tốc V < 22 (m/s) thì: f f o 0,018
Tính lực cản không khí
Từ các lực đã có, ta có:
+ Khi xe có vận tốc V < 22 (m/s): n
+ Khi xe có vận tốc V 22 (m/s):
Từ các công thức và số liệu đã có ta lập bảng giá trị lực cản tổng nhƣ sau:
Bảng 2.7: Bảng giá trị tổng lực cản F f + Fω theo vận tốc v
– Trọng lƣợng xe phân phối lên cầu chủ động
– Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng lên cầu (1.2 – 1.4 ) φ - Hệ số bám 0.7 – 0.8 )
Chọn mi = 1.2 và φ = 0.7, ta đƣợc:
Dựa vào bảng 2.4 và bảng 2.6 ta vẽ được các đường Fki = f(v), (Ff + Fω ) = f(v), = f(v) của đồ thị cân b ng lực kéo n
Hình 2.3: Đồ thị cân b ng lực kéo
Đồ thị cho thấy đường cong Fk6 và đường (Ff + Fω) chưa cắt nhau, điều này chỉ ra rằng sức kéo của động cơ ở tay số cao nhất hoạt động hiệu quả trong điều kiện chuyển động khảo sát Vận tốc tối đa ở tay số 6 cũng chính là vận tốc lớn nhất của xe.
Đường lực cản F f và F f + Fω có sự chuyển biến ở vận tốc 22 m/s Khi xe di chuyển dưới 22 m/s, hệ số cản lăn f được coi là không đổi Tuy nhiên, khi vận tốc vượt quá 22 m/s, hệ số cản lăn sẽ phụ thuộc vào tốc độ của xe.
Lực kéo dư, ký hiệu là F d, là khoảng cách n m giữa F k6 và tổng lực F f + Fω, được thiết kế để tăng tốc hoặc leo dốc Khoảng cách này giúp bù đắp khi xe bị quá tải hoặc gặp phải điều kiện đường xấu.
Dựa vào bảng số liệu và đồ thị, lực kéo lớn nhất của xe (Fkmax) khi hoạt động ở tay số 1 đạt 37640,9 N, trong khi lực kéo nhỏ nhất (Fkmin) khi ở tay số 6 chỉ là 4686,1 N Điều này cho thấy rằng khi tay số càng nhỏ, lực kéo của xe sẽ càng lớn.
Để xe hoạt động hiệu quả, điều kiện bám cần được xét đến, cụ thể là khi lực Fk lớn hơn một mức nhất định, các bánh xe chủ động sẽ không bị trượt quay Điều này có nghĩa là điều kiện cần thiết để xe di chuyển an toàn là Fk phải lớn hơn hoặc bằng tổng của lực cản Ff và lực quay Fω Thông qua đồ thị, chúng ta có thể đánh giá rõ ràng hơn về điều kiện này.
Fkmax và Fkmin đều n m trong khoảng cho phép, cho thấy xe hoạt động tốt trong trường hợp khảo sát
2.3.6 Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo 3D
Dựa vào đồ thị cân bằng lực kéo 2D, chúng ta chỉ xác định được vận tốc lớn nhất của xe khi xe di chuyển trên đường bằng Trong khi đó, đồ thị cân bằng lực kéo 3D cho phép xác định độ dốc mà xe có thể vượt qua ở từng tay số khác nhau.
2.3.6.1 Phương trình cân bằng lực kéo
Xét trong trường hợp xe chuyển động thẳng đều (j = 0) đang lên dốc ta có phương trình cân b ng lực kéo như sau: k f i
- Chọn hệ số cản lăn fo = 0.018
- Khi xe có vận tốc V 80 km/h) thì: v2 f 0, 018 1
- Khi xe có vận tốc V < 80 km/h) thì:
Tính lực cản không khí
Tính lực cản lên dốc
- Độ dốc của mặt đường: i = tgα
- Khi góc α quá bé α 45 o ứng với Gx > G (khu vực quá tải), các tia với < 45 o ứng với
Gx < G (khu vực chưa đầy tải) cho thấy tầm quan trọng của đồ thị tia trong thực tiễn Đồ thị này giúp tính toán sức kéo trong quá trình sử dụng, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng thực tế.
Hình 2.7: Đồ thị đặc tính động lực học có đồ thị tia 2.5.3 Nhận xét
- Khi xe chuyển động ở tay số thấp thì giá trị của động lực học D sẽ cao hơn so với xe chuyển động ở tay số cao
- Giá trị D 1max tại tay số 1 tương ứng với sức cản lớn nhất của mặt đường
- Đường cong động lực học D của các tay số đều n m trong khoảng thỏa mãn điều kiện để duy trì cho xe chuyển động: D D
Vận tốc tại điểm đặc tính động lực học lớn nhất được gọi là vận tốc giới hạn của tay số Khi xe di chuyển với vận tốc vượt quá giới hạn này, lực cản gia tăng sẽ làm giảm vận tốc, trong khi động lực học tăng lên, giúp xe vượt qua lực cản và duy trì ổn định Ngược lại, nếu xe di chuyển với vận tốc thấp hơn giới hạn, sự gia tăng lực cản sẽ khiến vận tốc và động lực học giảm, dẫn đến việc xe không thể khắc phục lực cản, gây ra mất ổn định.
Dựa vào đồ thị tia, chúng ta có thể xác định các nhân tố động lực học của xe thông qua vận tốc chuyển động, số truyền đang sử dụng và trọng lượng G x.
2.5.4 Khả năng vƣợt dốc của xe
Từ đặc tính động lực học, chúng ta có thể đánh giá khả năng lên dốc của xe Khi xe di chuyển ổn định, D = , và thông qua hệ số cản lăn f, chúng ta xác định được độ dốc lớn nhất mà xe có thể vượt qua ở từng tay số.
Ta có: i D f f (2.31) Độ dốc lớn nhất mà xe có thể hoạt động đƣợc ở mỗi tay số đƣợc xác định nhƣ sau: max max i D f (2.32)
Bảng 2.12: Bảng giá trị độ dốc lớn nhất của từng tay số
Khả năng vƣợt dốc theo điều kiện bám: i b max m G i f
– Trọng lƣợng xe phân phối lên cầu chủ động
– Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng lên cầu ( =1.2) φ - Hệ số bám φ = 0.7) n
- Độ dốc lớn nhất mà xe có thể khắc phục đƣợc ở tay số 1 là i max = 0,4497 α max $,21 o )
- Khả năng vƣợt dốc lớn nhất cho phép theo điều kiện bám 0,5295 α = 27,9 o )
2.5.5 Khả năng tăng tốc của xe
Dựa vào đặc tính động lực học của xe ta có thể đánh giá đƣợc khả năng tăng tốc của xe Từ công thức động lực học:
Từ đó ta rút ra đƣợc:
Trong đó : δ - hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng quay của từng tỷ số truyền
(δ = 1,05 + 0,05.i h 2 ) Ѱ – Hệ số cản tổng cộng của mặt đường Ѱ = f ± i i là độ dốc của đường)
Bảng 2.13: Bảng hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng quay từng tay số
Số 1 Số 2 Số 3 Số 4 Số 5 Số 6 i h 7.818 4.957 2.992 1.866 1.312 1
Bảng 2.14: Bảng giá trị gia tốc
Dựa vào bảng số liệu ta xây dựng đồ thị đặc tính gia tốc của xe
Hình 2.8: Đồ thị gia tốc của xe
- Ở tốc độ Vmax = 25,78 m/s) thì gia tốc j 0 khi đó xe không còn khả năng tăng tốc
Vận tốc nhỏ nhất (V min) của xe là 0,8 m/s, tương ứng với số vòng quay ổn định tối thiểu của động cơ là 600 vòng/phút Khoảng vận tốc từ 0 đến V min được xem là khoảng khởi hành của xe.
Thời gian và quãng đường tăng tốc
2.6.1 Xây dựng đồ thị gia tốc ngƣợc
Từ đồ thị gia tốc ta xây dựng đồ thị gia tốc ngƣợc nhƣ sau:
Hình 2.9: Đồ thị gia tốc ngƣợc
2.6.2 Xác định thời gian tăng tốc Để xác định biến thiên của tốc độ xe theo thời gian v t) chúng ta dựa trên cơ sở phân tích sau: dv 1 j dt dv dt j
Thời gian để xe tăng tốc từ v 1 đến v 2 đƣợc xác định b ng công thức: n
j Trong đó: j – Gia tốc di chuyển của xe
Để giải tích phân này, tôi áp dụng phương pháp phân tích đồ thị Bằng cách xem xét đồ thị gia tốc trong hình 2.9, tôi đã chia đường cong gia tốc thành nhiều khoảng nhỏ và giả định gia tốc là không đổi trong từng khoảng đó.
j , j : là gia tốc điểm đầu và điểm cuối của khoảng đã chọn i1 i2
Thời gian tăng tốc của xe không chỉ phụ thuộc vào động cơ mà còn bị ảnh hưởng bởi cấu trúc của xe và kỹ năng lái của người điều khiển Khi sử dụng hộp số có cấp, việc chuyển số giữa các tay số có thể dẫn đến hiện tượng giảm tốc Độ giảm vận tốc có thể được tính toán bằng công thức: c c i v g.t.
Trong đó: tc: thời gian chuyển số phụ thuộc vào kỹ thuật của người lái và kết cấu xe (tc = 0,5 – 3s)
Bảng 2.15: Bảng giá trị độ giảm vận tốc trong quá trình chuyển số
Bảng 2.16: Bảng giá trị thời gian tăng tốc
Dựa vào bảng số liệu ta vẽ đƣợc đồ thị thời gian tăng tốc theo vận tốc n
Hình 2.10: Đồ thị thời gian tăng tốc
2.6.3 Xác định quãng đường tăng tốc
Ta có công thức tính vận tốc nhƣ sau: v ds
Từ đó suy ra: Svdt
Quãng đường xe tăng tốc từ v 1 đến v 2 được xác định b ng công thức:
Để giải tích phân này, tôi áp dụng phương pháp phân tích đồ thị Từ đồ thị thời gian tăng tốc, tôi chia đường cong thành nhiều khoảng nhỏ và giả định vận tốc là không đổi trong từng khoảng đó.
Quãng đường tăng tốc từ Vmin đến Vmax được xác định :
Bảng 2.17: Bảng giá trị thời gian và quãng đường tăng tốc
Hình 2.11: Đồ thị quãng đường tăng tốc
- Thời gian xe bắt đầu tăng tốc đến khi đạt vận tốc lớn nhất của xe là 83,75s
- Quãng đường xe từ lúc bắt đầu tăng tốc đến khi xe đạt vận tốc lớn nhất là 1558m.
Nhận xét
Trong quá trình khảo sát sức kéo của ô tô Bus, chúng tôi đã xây dựng các đồ thị đặc tính ngoài, bao gồm cân bằng lực kéo 2D và 3D, cân bằng công suất, động lực học, gia tốc, thời gian và quãng đường tăng tốc Nghiên cứu này được thực hiện với điều kiện xe chuyên chở khách trong các thành phố.
Dựa vào các đồ thị ta đánh giá đƣợc các tính năng chuyển động cũng nhƣ khả năng hoạt động của xe nhƣ sau:
+ Vận tốc tối đa của xe (Vmax) là 92,8 km/h) n
+ Độ dốc lớn nhất mà xe có vƣợt qua đƣợc i = 44,97% α max $,21 o ) thỏa mãn quy chuẩn QCVN 10: 2015/BGTVT (i ≥ 20%)
Thời gian cần thiết để xe tăng tốc đến vận tốc tối đa là 83,75 giây, trong khi quãng đường di chuyển trong thời gian này đạt 1558 mét.
Dựa vào các thông số động lực học, xe có khả năng hoạt động hiệu quả và vận hành ổn định trong điều kiện giao thông đô thị.
KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH Ô TÔ BUS
Khái niệm
Tính ổn định của ô tô là khả năng duy trì quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện khác nhau Dựa trên điều kiện sử dụng, ô tô có thể đứng yên hoặc di chuyển trên đường dốc, bao gồm cả đường nghiêng dọc và ngang Ngoài ra, ô tô cũng cần có khả năng phanh và quay vòng hiệu quả trên các loại đường, từ đường xấu đến đường tốt.
Trong các điều kiện phức tạp, ô tô cần giữ quỹ đạo ổn định để tránh lật đổ, trượt hoặc nghiêng, đồng thời đảm bảo cầu xe không bị quay lệch quá mức cho phép Điều này giúp nâng cao vận tốc di chuyển, cải thiện tính kinh tế và ổn định của ô tô trong mọi tình huống.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá tính ổn định của ô tô, nhằm đảm bảo rằng xe không bị lật hoặc trượt trong các điều kiện di chuyển khác nhau.
Sự mất ổn định dọc tĩnh của ô tô xảy ra không chỉ do hiện tượng lật đổ mà còn do trượt trên dốc, thường là do lực phanh không đủ hoặc lực bám giữa bánh xe và mặt đường kém.
Tính ổn định dọc của ô tô
3.2.1 Tính ổn định dọc tĩnh
Tính ổn định dọc tĩnh của xe là khả năng đảm bảo cho xe không bị lật hoặc bị trượt khi đứng yên trên đường dốc dọc
3.2.1.1 Xác định sự phân bố khối lƣợng của ô tô a Xác định khối lƣợng bản thân ô tô Để xác định đƣợc khối lƣợng và chiều cao của từng thành phần thì công ty đã sử dụng phương pháp cân từng thành phần và tổng hợp lại sau đây n
Bảng 3.1: Bảng thông số khối lƣợng các thành phần xe
Thành phần khối lƣợng Ký hiệu Tọa độ
Khối lƣợng bản thân ô tô cơ sở GCH 1661 2850
Khối lượng khung xương khoang hành khách và tấm vỏ GKV 2619 1325
Khối lượng kính bên, trước và sau G K 2460 280
Khối lƣợng máy điều hòa nhiệt độ G ML 1500 150
Khối lƣợng ghế hành khách và ghế người lái GGH 3810 190
Khối lƣợng ván sàn và nội thất GNT 2600 805
Khối lƣợng hành khách G HK - 2600
Khối lƣợng hành lý GHL 0 0
- Khối lƣợng bản thân của ô tô: Go = 5600 (kg)
- Khối lượng hành khách: 40 người, G HK = 2600 (kg)
- Khối lƣợng hành lý: GT = 0 (kg)
- Khối lƣợng toàn bộ của ô tô: G = Go + GHK + GT = 8200 (kg)
- x i : là tọa độ tính từ tâm cầu trước
Giả thiết các thành phần khối lƣợng phân bố đối xứng qua trục đối xứng dọc của ô tô Vẽ sơ đồ tính toán phân bố tải khối : n
Hình 3.1: Sơ đồ xác định phân bố khối lƣợng của ô tô
Xác định hai phản lực thẳng đứng
Viết phương trình cân b ng mô men:
Z 01 02 CH KV K ML GH NT
Giải phương trình trên ta được:
- Z 02 = 3100 (kg) b Xác định khối lƣợng toàn bộ của ô tô n
Sơ đồ bố trí các vị trí đứng ngồi trên xe ô tô (Hình 3.2) và bảng giá trị khối lượng cùng tọa độ của từng thành phần theo sơ đồ bố trí (Bảng 3.2) cung cấp thông tin quan trọng về cách sắp xếp và trọng lượng các bộ phận trong xe.
Thành phần khối lƣợng Ký hiệu Tọa độ
Khối lƣợng hành khách phân bố ở hàng ghế tài xế 01 GHK1 -170 65
Khối lƣợng hành khách phân bố ở hàng ghế đôi bên tài 02-03 GHK2 2650 130
Khối lƣợng hành khách phân bố ở hàng GHK3 3410 130 n
Khối lƣợng hành khách phân bố ở hàng ghế đôi bên tài 06-07 G HK4 4160 130
Khối lƣợng hành khách phân bố ở hàng ghế đôi bên tài 08-09 G HK5 4910 130
Khối lƣợng hành khách phân bố ở hàng ghế cuối cùng 10-14 G HK6 5740 325
Khối lƣợng hành khách phân bố ở hàng ghế đơn bên phụ 19 G HK7 -360 65
Khối lƣợng hành khách phân bố ở hàng ghế đơn bên phụ 18 G HK8 440 65
Khối lƣợng hành khách phân bố ở hàng ghế đơn bên phụ 17 G HK9 2450 65
Khối lƣợng hành khách phân bố ở hàng ghế đơn bên phụ 16 G HK10 3210 65
Khối lƣợng hành khách phân bố ở hàng ghế đơn bên phụ 15 G HK11 3990 65
Khối lƣợng hành khách phân bố ở vị trí diện tích đứng 04 người G HK12 1460 260
Khối lƣợng hành khách phân bố ở vị trí diện tích đứng 14 người G HK13 3150 910
Khối lƣợng hành khách phân bố ở vị trí diện tích đứng 03 người G HK14 4820 195 n
Viết phương trình cân b ng mô men :
1 t 2 HK1 HK 2 HK 3 HK 4 HK 5
HK 6 HK 7 HK8 HK 9 HK10 HK11
Giải phương trình trên ta được:
- Khối lƣợng hành khách phân bố lên cầu sau: Z t2 = 2245 (kg)
- Làm tương tự cho cầu trước, ta tính được khối lượng hành khách phân bố lên cầu trước: Zt1 = 355 (kg)
- Tổng khối lượng phân bố lên cầu trước: Z1 = Z01 + Zt1 = 2500 + 355 = 2855 (kg)
- Tổng khối lƣợng phân bố lên cầu sau: Z2 = Z02 + Zt2 = 3100 + 2245 = 5345 (kg)
- Tổng khối lƣợng toàn bộ của ô tô:
3.2.1.2 Xác định tọa độ trọng tâm của ô tô theo chiều dọc
Nhóm khảo sát đã thực hiện tính toán cho hai trường hợp: xe không tải và xe đầy tải Tuy nhiên, cách tính toán trong cả hai trường hợp đều giống nhau Do đó, nhóm sẽ dựa vào bài toán trường hợp xe đầy tải để phân tích và đưa ra kết quả cho cả hai tình huống.
Hình 3.3: Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi đứng yên
Sau khi tính toán các phản lực tác dụng lên bánh xe ở cầu trước và cầu sau trong trạng thái tĩnh, chúng ta có thể vẽ sơ đồ lực tác động lên xe khi đứng yên Trong tình huống này, chỉ còn ba lực tác động lên xe, bao gồm trọng lượng toàn bộ của xe và các phản lực.
Viết phương trình mô men tại điểm :
Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến tâm cầu trước:
Z 2 - Khối lƣợng phân bố lên trục sau ô tô
G - Khối lƣợng toàn bộ ô tô n
L – Khoảng cách trục Khoảng cách từ trọng tâm ôtô đến tâm cầu sau: b L a 1,34 (m)
Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến tâm cầu trước:
Z 02 - Khối lƣợng phân bố lên trục sau ô tô
G0 - Khối lƣợng bản thân ô tô
L – Khoảng cách trục + Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến tâm cầu sau:
3.2.1.3 Xác định tọa độ trọng tâm của ô tô theo chiều cao
Dựa vào trị số khối lượng của các thành phần và chiều cao trọng tâm của chúng, chúng ta có thể xác định chiều cao trọng tâm của ô tô khi không tải.
Trong đó: hg0 - Chiều cao trọng tâm ôtô khi không tải;
G i - Khối lƣợng các thành phần ô tô sát xi, thùng vỏ, hành lý, ); hgi - Chiều cao trọng tâm các thành phần khối lƣợng; n
G 0 - Khối lƣợng bản thân ô tô
Dựa vào trị số khối lượng của các thành phần và chiều cao trọng tâm của chúng, ta có thể xác định chiều cao trọng tâm của ô tô khi không tải Công thức tính chiều cao trọng tâm được biểu diễn như sau: i gi g h G h.
Trong đó: hg - Chiều cao trọng tâm ôtô khi đầy tải;
G i - Khối lƣợng các thành phần ô tô sát xi, thùng vỏ, hành lý, ); hgi - Chiều cao trọng tâm các thành phần khối lƣợng;
G- Khối lƣợng toàn bộ ô tô
Khi ô tô đầy tải: h g = 1,185 (m) Khi ô tô không tải: h g0 = 1,097 (m)
3.2.1.5 Xét tính ổn định của ô tô theo điều kiện lật đổ a Xe đậu trên dốc hướng lên n
Hình 3.4: Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên ô tô khi đứng yên lên dốc
Khi xem xét điều kiện lật đổ, xe có khả năng lật quanh trục n m trên mặt phẳng đường, với điểm lật xảy ra tại vị trí tiếp xúc của bánh xe cầu sau với mặt đường theo phương dọc.
Khi góc nghiêng của xe đạt đến góc giới hạn lật đổ, đặc biệt khi xe quay đầu lên dốc, các bánh xe cầu trước sẽ nhấc khỏi mặt đường.
Ta lập phương trình với điểm
Xe bắt đầu lật khi Z 1 0 nên G.Sin t h g G.Cos t b 0 t g tan b
Trong đó: là góc giới hạn mà xe bị lật khi đứng yên quay đầu lên dốc n
66 là tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao
+ Khi ô tô không tải: b Xe đậu trên dốc hướng xuống
Hình 3.5: Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên ô tô khi đứng yên xuống dốc
Khi xe đứng yên và quay đầu xuống dốc, có khả năng lật quanh trục n m trong mặt phẳng đường Khi góc nghiêng tăng dần đến giới hạn lật, các bánh xe cầu sau sẽ nhấc khỏi mặt đường, dẫn đến việc xe bị lật quanh điểm tiếp xúc của hai bánh xe cầu trước với mặt đường.
Ta lập phương trình với điểm :
Xe bắt đầu lật khi Z 2 0 G.Sin ' h t g G.Cos ' a t 0 t g tan ' a
Trong đó: - là góc giới hạn mà xe bị lật khi đứng yên quay đầu lên dốc
- là tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao
3.2.1.6 Xét tính ổn định của ô tô theo điều kiện trƣợt
Sự mất ổn định dọc tĩnh của ô tô không chỉ gây ra nỗi lo về khả năng lật đổ mà còn do hiện tượng trượt trên dốc, xuất phát từ lực bám không đủ giữa các bánh xe và mặt đường.
Khi lực phanh lớn nhất đạt giới hạn bám, xe có thể bị trƣợt xuống dốc, góc dốc của xe bị trƣợt đƣợc xác định nhƣ sau:
Trong đó: Fpmax – Lực phanh lớn nhất đặt ở các bánh xe sau φ – Hệ số bám dọc của bánh xe với đường φ = 0,8 đối với các đường bê-tông, đường nhựa)
Z2 – Hợp lực của các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên các bánh xe sau
Khi α tăng tới góc góc dốc giới hạn mà ô tô bắt đầu bị trƣợt khi đứng quay đầu trên dốc), lúc đó lực phanh đạt tới giới hạn bám
Ta lập phương trình với điểm :
Khi ô tô đứng yên trên dốc quay đầu lên, ta thay giá trị vào công thức
Khi ô tô đứng yên trên dốc và quay đầu xuống, ta làm tương tự: t g tg ' a.
Trong đó: là góc giới hạn bị trƣợt khi xe đứng yên trên dốc quay đầu lên và xuống
Khi ô tô không tải, để đảm bảo an toàn khi đứng yên trên dốc, hiện tượng trượt phải xảy ra trước khi lật đổ Điều này được xác định bằng biểu thức: \( t t t t tg\alpha < \alpha \Leftrightarrow \alpha < \alpha \phi \) Biểu thức này thỏa mãn cả trường hợp xe đầy tải và không tải.
3.2.2 Tính ổn định dọc động
Khi ô tô di chuyển trên đường dốc, có nguy cơ mất ổn định do tác động của lực và mô men, dẫn đến hiện tượng lật đổ hoặc trượt Ngoài ra, ô tô cũng có thể bị lật khi chạy với tốc độ cao trên đường bằng phẳng.
Ta xét trường hợp ô tô chuyển động lên dốc không ổn định n
Hình 3.6: Sơ đồ các lực và mô men tác dụng lên ô tô khi chuyển động lên dốc
Lấy mô men lần lƣợt tại các điểm O1 và O2, rút gọn ta đƣợc biểu thức nhƣ sau: b j w g
Ta không xét trong tất cả trường hợp vì xe không kéo theo rơmooc
Khi góc dốc đạt giá trị giới hạn, xe sẽ bị lật với Z 1 = 0 Rút gọn biểu thức (3.11), ta có thể xác định góc dốc giới hạn khi xe bị lật, được biểu thị qua công thức: b w g đ b fr F tg h G.
3.2.2.2 Trường hợp xe chuyển động lên dốc với vận tốc nhỏ, không kéo romooc và chuyển động ổn định Ở trường hợp này ta có : , vì nhỏ có thể coi n
70 a Xét ổn định theo điều kiện lật đổ Ô tô có xu hướng lật đổ quanh trục qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe ở cầu sau với mặt đường
Bằng cách áp dụng các giá trị vào công thức (3.11) và thực hiện tương tự như trong trường hợp ổn định dọc tĩnh, chúng ta có thể xác định được góc giới hạn mà xe sẽ bị lật khi di chuyển lên dốc.
Khi xe chuyển động xuống dốc, ta cũng xác định đƣợc góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ là : g đ tg ' a
+ Khi ô tô không tải: b Xét ổn định theo điều kiện trƣợt
Khi lực kéo tại các bánh xe chủ động đạt tới giới hạn bám, xe bắt đầu trượt trường hợp xe cầu sau chủ động)
F F .Z G.Sin (3.16) Mặt khác, ta có :
F .Z .(a.Cos h Sin ) (3.17) Với đƣợc xác định b ng cách lấy mô men đối với điểm
Từ hai biểu thức trên ta xác định đƣợc góc dốc giới hạn mà xe bị trƣợt : g đ tg a.
Trong đó : Lực kéo tiếp tuyến lớn nhất ở bánh xe chủ động
Lực bám của bánh xe chủ động
Hệ số bám của bánh xe với mặt đường
Ta có điều kiện để đảm bảo cho ô tô trượt trước khi bị lật đổ là : đ đ đ đ tg tg (3.19)
Thỏa mãn cả trường hợp xe đầy tải và không tải
3.2.2.3 Trường hợp xe chuyển động ổn định với vận tốc cao trên đường nằm ngang và không kéo romooc
Trong trường hợp này, ta có : , bỏ qua ảnh hưởng của lực cản lăn
Hình 3.7: Sơ đồ lực và mô men của ô tô khi chuyển động trên đường n m ngang
Khi xe di chuyển với tốc độ rất lớn, lực cản không khí có thể khiến xe bị lật Khi lực cản đạt đến giá trị giới hạn, xe sẽ lật quanh điểm giao nhau giữa mặt phẳng qua trục bánh xe sau và mặt đường Lúc này, phản lực sẽ tác động lên xe.
72 Để xác định vận tốc giới hạn mà xe bị lật đổ, ta sử dụng công thức b ng cách lấy mô men tại điểm : b w g
Ta coi vì trị số của nó rất nhỏ so với , thay giá trịF w W.v 2 0 và rút gọn ta đƣợc vận tốc nguy hiểm mà xe bị lật đổ n g
Trong đó: Vận tốc giới hạn mà xe bị lật đổ (m/s)
Nhân tố cản không khí :W0,625.C S X
Hệ số cản không khí Diện tích cản không khí
Tính ổn định ngang của ô tô
3.3.1 Tính ổn định ngang của ô tô khi chuyển động thẳng trên đường nghiêng ngang a Xét ổn định theo điều kiện lật đổ n
Hình 3.8: Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên ô tô khi chuyển động thẳng trên đường nghiêng ngang
Các phản lực ngang tác dụng lên các bánh xe bên phải và bên trái
Góc nghiêng ngang của mặt đường
Các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên các bánh xe bên phải và bên trái n
Mô men của các lực quán tính tiếp tuyến tác động lên ô tô trong mặt phẳng ngang khi xe di chuyển không ổn định có thể gây ra hiện tượng lật Ô tô có xu hướng nghiêng quanh trục n m trong mặt phẳng đường, đặc biệt khi đi qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe bên trái với mặt đường tại điểm B.
Lấy mô men đối với điểm B và rút gọn ta đƣợc biểu thức : g jn
Khi góc tăng tới giới hạn , xe bị lật quanh trục đi qua B Lúc đó Thông thường giá trị nhỏ nên có thể coi , xe không kéo romooc nên
Ta xác định được góc giới hạn lật đổ khi xe chuyển động trên đường nghiêng ngang là: g đ tg c
Trong đó: Góc nghiêng ngang giới hạn của đường mà xe bị lật đổ
Vệt bánh xe sau phía ngoài
+ Khi ô tô đầy tải: độ)
+ Khi ô tô không tải: độ) b Xét ổn định theo điều kiện trƣợt
Khi bánh xe có chất lượng bám kém với mặt đường, xe dễ bị trượt khi di chuyển trên đường nghiêng Để xác định góc giới hạn trượt của xe, cần lập phương trình hình chiếu các lực lên mặt phẳng song song với mặt đường.
G.Sin Y ' Y '' y.G.Cos (3.24) Trong đó: Góc nghiêng ngang giới hạn mà ô tô bị trƣợt n
Hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường
Rút gọn biểu thức trên ta đƣợc: tg y (3.25)
Để đảm bảo an toàn, xe phải bị trượt trước khi lật đổ, nghĩa là : g đ y tg tag hay c
Thỏa mãn cả trường hợp xe đầy tải và không tải
Khi ô tô đứng yên trên đường nghiêng, có thể xác định góc nghiêng giới hạn mà xe sẽ bị lật hoặc trượt Trong tình huống này, ô tô chỉ chịu tác động của trọng lượng Phương pháp xác định góc giới hạn lật đổ tương tự như đã đề cập trước đó, và công thức để tính toán góc này là: t g tg c.
+ Khi ô tô đầy tải: độ)
+ Khi ô tô không tải: độ)
Cũng tương tự ta có góc giới hạn mà xe bị trượt là: t y tg (3.28) Điều kiện để xe trượt trước khi lật đổ là : t t y g tg tag hay c
Thỏa mãn cả trường hợp xe đầy tải và không tải
3.3.2 Tính ổn định ngang của ô tô khi chuyển động quay vòng trên đường nghiêng ngang n
3.3.2.1 Xác định bán kính quay vòng của ô tô
Hình 3.9: Hành lang quay vòng của ô tô Bán kính quay vòng nhỏ nhất tính đến tâm đối xứng dọc ô tô: o min 1
Với : - Góc quay trung bình của các bánh xe dẫn hướng = 33,7 o
L - Chiều dài cơ sở của ôtô
3.3.2.2 Ổn định chuyển động của ô tô khi quay vòng xét theo điều kiện lật đổ a Trường hợp ô tô quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài (hướng nghiêng ngang của đường và trục quay vòng của xe ở hai phía của đường) n
Hình 3.10: Sơ đồ mô men và lực tác dụng lên ô tô khi quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài
Trong trường hợp này ô tô chịu tác dụng của các lực sau: Lực ly tâm và trọng lƣợng toàn bộ của ô tô G
Khi góc tăng dần dưới tác động của lực ly tâm, xe có nguy cơ lật quanh trục đi qua điểm A Trục này là giao tuyến giữa mặt phẳng đường và mặt phẳng đi qua hai tâm bánh xe bên phải, vuông góc với mặt đường Lúc này, vận tốc của ô tô đạt giá trị giới hạn và hợp lực n sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định của xe.
Để xác định trị số phản lực bên trái, cần lập phương trình cân bằng mô men đối với đường thẳng đi qua hai điểm tiếp xúc A của các bánh xe bên phải với mặt đường Kết quả thu được là Z'' = Z''1 + Z''2.
Các phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên bánh xe bên trái ở cầu trước và cầu sau
Thông thường trị số nhỏ nên chúng ta có thể bỏ qua Thay trị số của lực ly tâm
g.R vào công thức trên và rút gọn, ta có : g đ 2 đ g đ n đ c.Cos h Sin g.R
Lấy căn bậc hai hai vế ta đƣợc giá trị của : đ g n g đ đ đ c.Cos h Sin g.R
Trong đó: Góc nghiêng ngang của đường khi xe quay vòng bị lật đổ
Bán kính quay vòng của xe n
Vận tốc chuyển động quay vòng m/s)
Vận tốc giới hạn khi xe quay vòng có thể dẫn đến lật đổ, và để phân tích các vận tốc giới hạn V khác nhau tương ứng với các góc giới hạn n quay vòng lật đổ β khác nhau, chúng ta cần lập bảng để thể hiện mối quan hệ này.
Bảng 3.3: Bảng vận tốc giới hạn khi xe quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài theo điều kiện lật đổ ứng với từng góc giới hạn khác nhau
35 1,35 2,1 b Trường hợp ô tô quay vòng trên đường nghiêng ngang vào trong (hướng nghiêng của đường cùng phía với trục quay vòng) n
Khi ô tô quay vòng trên đường nghiêng, mô men và lực tác dụng lên xe sẽ thay đổi Trong trường hợp này, chiều của Y' và Y'' sẽ ngược lại so với các trường hợp trước đó Ô tô có xu hướng lật đổ quanh trục đi qua điểm A và n m trong mặt phẳng của mặt đường Để phân tích, ta lấy mô men đối với điểm A.
Khi ô tô đạt đến vận tốc giới hạn, nguy cơ lật xe sẽ xảy ra Lúc này, các bánh xe bên trái sẽ không còn tiếp xúc với mặt đường, dẫn đến mất kiểm soát.
(3.34) Để xét các vận tốc giới hạn quay vòng V ' khác nhau ứng với các góc giới hạn n quay vòng lật đổ đ khác nhau, ta lập bảng sau:
Bảng 3.4: Bảng vận tốc giới hạn khi xe quay vòng trên đường nghiêng ngang vào trong theo điều kiện lật đổ ứng với từng góc giới hạn khác nhau
25 15,67 20,28 c Trường hợp ô to quay vòng trên đường nằm ngang n
Hình 3.12: Sơ đồ mô men và lực tác dụng lên ô tô khi quay vòng trên đường n m ngang
Làm tương tự như hai trường hợp trên b ng cách lấy mô men đối với điểm A, ta có vận tốc giới hạn khi xe lật đổ là: g
3.3.2.3 Ổn định chuyển động của ô tô khi quay vòng xét theo điều kiện trƣợt ngang n
Khi xe quay vòng trên đường nghiêng ngang, ô tô có thể bị trượt do các lực tác động và điều kiện bám của lốp xe với mặt đường không đảm bảo Trong trường hợp xe quay vòng trên đường nghiêng ngang hướng ra ngoài, việc kiểm soát lực bám là rất quan trọng để tránh tai nạn.
Khi ô tô đạt giá trị giới hạn , ô tô bắt đầu trƣợt ngang, lúc đó các phản lực ngang sẽ b ng lực bám
Y ' Y '' y.(Z ' Z '') (3.36) Chiếu các lực lên phương song song với mặt đường và phương vuông góc với mặt đường, ta được:
Thế các giá trị của hai biểu thức 3.36) vào 3.37), ta đƣợc:
(3.38) Để xét các vận tốc giới hạn quay vòng V bị trượt tương ứng với các góc nghiêng ngang khác nhau, ta lập bảng sau:
Bảng 3.5: Bảng vận tốc giới hạn khi xe quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài theo điều kiện trƣợt ứng với từng góc giới hạn khác nhau
Để xác định giới hạn khi ô tô bắt đầu trượt bên trong khi quay vòng trên đường nghiêng ngang, chúng ta cần phân tích các lực tác động Cụ thể, ta sẽ chiếu các lực lên phương song song với mặt đường và phương vuông góc với mặt đường.
Rút gọn biểu thức trên, ta có:
(3.39) Để xét các vận tốc giới hạn quay vòng V ' bị trượt tương ứng với các góc nghiêng ngang khác nhau, ta lập bảng sau:
Bảng 3.6: Bảng vận tốc giới hạn khi xe quay vòng trên đường nghiêng ngang vào trong theo điều kiện trƣợt ứng với từng góc giới hạn khác nhau
35 13,89 c Trường hợp xe quay vòng trên đường nằm ngang n
Vận tốc giới hạn khi ô tô bị trƣợt bên là
Trong đó: Hệ số bám ngang của đường và bánh xe
Vận tốc giới hạn khi ô tô bị trƣợt bên là V '' 6, 73 (m / s)
Mô phỏng ổn định ô tô
3.3.1 Mục đích mô phỏng Để có thể so sánh kết quả của việc tính toán với kết quả thực tế mà xe có thể đáp ứng thì việc mô phỏng có thể đánh giá gần nhƣ khách quan nhất, gần nhất và làm rõ đƣợc sự chênh lệch giữa hai cách tính toán
3.3.2 Phương hướng mô phỏng và các bước thực hiện mô phỏng Ở phần này nhóm chỉ tập chung mô phỏng về hiện tƣợng lật ngang khi quay vòng của xe Bus ở các mức vận tốc khác nhau nh m đƣa ra các khuyến cáo giới hạn vận tốc khi quay vòng cho tài xế để tránh khỏi những tai nạn đáng tiếc không mong muốn
Các bước thực hiện mô phỏng :
- Lựa chọn dạng xe mô phỏng trong phần mềm
- Thay đổi các thông số mặc định của xe mẫu để phù hợp với đối tƣợng khảo sát
- Chọn loại đường mô phỏng
- Thay đổi điều kiện vận tốc
- Đánh giá và đƣa khuyến cáo
3.3.2.1 Tạo dữ liệu mới và nhập các thông số đầu vào Đầu tiên ta tạo một cơ sở dữ liệu mới của xe b ng cách khởi động phần mềm và vào File/New Dataset Empty)
Sau khi tạo dữ liệu mới, hãy chọn "Road Options" để có thể lựa chọn đa dạng các loại đường mô phỏng Đồng thời, đừng quên đặt tên cho Dataset vừa tạo để dễ dàng quản lý và truy cập sau này.
Hình 3.13 : Lưu cơ sở dữ liệu mới
Tiếp tục thay đổi các thông số mặc định của xe thành các thông số của đối tượng khảo sát, bao gồm khối lượng được treo (Sprung mass), thông số lốp (Tires), mô men lái (Steer torque), truyền công suất (Powertrain), và hệ thống treo của hai cầu Cụ thể, các thông số đầu vào sẽ được điều chỉnh như sau:
Bảng 3.7: Thông số đầu vào
STT Thông số Giá trị Đơn vị
2 Thông số về kích thước
3 Thông số về khối lƣợng
3.1 Khối lƣợng toàn bộ cho phép tham gia giao thông 8200 kg
4.1 Công suất lớn nhất/Số vòng quay 121/2500 kW)/ vòng/phút) n
4.2 Mô men xoắn/Số vòng quay 496/1500 NW)/ vòng/phút)
5 Thông số đã tính lý thuyết
5.1 Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu trước 2,51 m
5.2 Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu sau 1,34 m
5.3 Chiều cao trọng tâm xe 1,251 m
Hình 3.14 : Giao diện nhập dữ liệu 3.3.2.2 Lựa chọn dạng mô phỏng
Sau khi thiết lập dữ liệu, ta vào mục Procedure chọn dạng mô phỏng trên đường Road Networks) và chọn mô phỏng quay vòng Roundabout) n
Xe bus có kích thước lớn và thường xuyên được sử dụng trong giao thông hàng ngày, nhưng khi di chuyển trong các khu vực như vòng xoay với tốc độ cao, nguy cơ lật đổ tăng lên Để mô phỏng tình huống này, chúng ta sẽ chọn một khu vực vòng xoay có bán kính 24m và điều chỉnh hệ số bám mặt đường là 0.85, sử dụng đường nhựa tốt và khô ráo.
Hình 3.15 : Lựa chọn dạng mô phỏng xe quay vòng
Sau khi xác định được loại đường di chuyển, bước tiếp theo là chọn phương thức di chuyển của xe buýt trên tuyến đường đó Tiếp theo, cần lựa chọn bán kính quay vòng trong mô phỏng, ký hiệu là R m.
Để so sánh kết quả mô phỏng với kết quả tính toán, nhóm sẽ tính toán lại vận tốc giới hạn lật đổ khi quay vòng với bán kính R m, do việc lựa chọn bán kính quay vòng khác so với tính toán thực tế.
+ Kết quả tính toán lý thuyết: n
V''- Vận tốc giới hạn lật đổ khi quay vòng
R – Bán kính quay vòng R = 5,77 m) c – Vệt bánh sau phía ngoài c = 1920 mm) hg- Chiều cao trọng tâm khi xe đầy tải (h g = 1,185 m)
+ Kết quả tính toán để so sánh với mô phỏng g
V''- Vận tốc giới hạn lật đổ khi quay vòng
R – Bán kính quay vòng R = 20 m) c – Vệt bánh sau phía ngoài c = 1920 mm) hg- Chiều cao trọng tâm khi xe đầy tải (h g = 1,185 m)
Vậy V'' 12,6 (m / s) hay V'' 45 (km / h) Và nhóm sẽ dựa trên kết quả này để so sánh và đánh giá
Ta tiến hành nạp dữ liệu sau khi thay đổi b ng Run Math Model, và sau đó tiến hành xuất video mô phỏng b ng lệnh Video + Plot n
Hình 3.16 : Xe Bus bị lật ngang ở vận tốc 50 km/h
Trên vòng xoay có bán kính 24m có kết quả mô phỏng nhƣ sau :
- Vận tốc nhỏ hơn 48 km/h thì xe vẫn di chuyển ổn định
- Vận tốc 48 km/h thì xe bắt đầu mất ổn định
- Vận tốc đạt từ 50 km/h thì xe sẽ bị lật ngang n
Hình 3.17: Lực pháp tuyến tác dụng lên cầu sau ở vận tốc 50km/h
Phân tích mô phỏng qua đồ thị lực pháp tuyến cho thấy lực pháp tuyến tác dụng lên cầu ban đầu rất ổn định Tuy nhiên, từ giây thứ 8, lực pháp tuyến ở cầu trước và cầu sau bên trái giảm xuống bằng 0 Sự giảm lực pháp tuyến này chứng tỏ bánh xe đã tách khỏi mặt đường, dẫn đến việc đoàn xe mất ổn định ngang.
Kết quả mô phỏng có chênh lệch so với kết quả tính toán km/h
Khi lái xe vào khu vực vòng xoay, cần giảm tốc độ xuống dưới 40 km/h để đảm bảo tính ổn định của ô tô Bus, đặc biệt khi bán kính quay vòng là 20m.
Nhận xét
Qua các biểu thức tính toán ở phần dọc tĩnh, ta có thể thấy góc giới hạn lật đổ chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe n
Góc giới hạn của ô tô khi đứng trên dốc bị trượt hoặc lật đổ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe, chất lượng bám của mặt đường và loại đường.
Góc nghiêng ngang và vận tốc nguy hiểm, tại đó ô tô có nguy cơ bị lật hoặc trượt khi di chuyển trên đường nghiêng, phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm, bán kính quay vòng và hệ số bám của mặt đường.
Sau khi thực hiện mô phỏng, nhóm đã xác định rằng vận tốc giới hạn lật đổ khi quay vòng của xe Bus là 50 km/h, cao hơn so với kết quả tính toán lý thuyết là 45 km/h, với bán kính quay vòng 20m Kết quả này cho thấy tính ổn định của xe Bus trong quá trình vận hành.
Vận tốc giới hạn lật đổ khi quay vòng đã được tính toán và mô phỏng cho thấy phù hợp với điều kiện đường xá tại các thành phố đông dân cư như Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội.
Các góc giới hạn lật đổ khi xe di chuyển lên dốc và xuống dốc có thể được đảm bảo hiệu quả ở một số tỉnh thành có độ dốc tương đối Tuy nhiên, đối với các tuyến đường đồi núi, nhóm khảo sát nhận thấy rằng các tiêu chí này không thể đáp ứng một cách tối ưu.