Chương 1 - Bánh xe ô tô

Chương 1 - Bánh xe ô tô (Phần 1 - Lý thuyết ô tô) - thư viện tri thức - kho tài liệu - tài liệu đại học cao đẳng

Tương tác bánh xe với khung xe và hệ thống truyền lực.

Sự tương tác này biểu thị sự tác động qua lại về lực và momen từ hệ thống truyền lực và khung xe lên bánh x, và ngược lại Momen xoắn Mk từ hệ thống truyền lực tác động lên bánh xe đặt tại tâm trục bánh

xe, gồm các thành phần như:

- Thành phần vuông góc với mặt đường: tải trọng pháp tuyến, ký hiệu Gk ;

- Thành phần song song với mặt đường: lực đẩy, ký hiệu Pđ

Tương tác bánh xe với mặt đường

Khi bánh xe lăn trên đường, các lực và momen từ bánh xe sẽ tác dụng lên mặt đường Ngược lại, từ đường tác dụng lên bánh xe các lực và momen phản lực.

Tùy thuộc vào chiều của Pđ và Mk , bánh xe được phân ra thành các loại bánh xe như: bánh xe chủ động (bánh xe kéo), bánh xe bị động, bánh xe phanh

Bánh xe chủ động: là bánh xe mà momen xoắn Mk tác dụng lên nó có chiều cùng chiều quay ωk của bánh

xe

Bánh xe bị động: là bánh xe mà momen xoắn Mk tác dụng lên nó có chiều ngược với chiều của ωk, hoặc

Mk=0 Lực đẩy (Pđ) tác dụng lên tâm trục bánh xe và có chiều cùng với chiều chuyển động tịnh tiến của

1) Bán kính thiết kế Là bán kính được xác định theo kích thước tiêu chuẩn của lốp Bán kính thiết

kế được ký hiệu là r

Lốp ô tô có các loại ký hiệu:

- Với lốp có áp suất thấp (áp suất hơi lốp q0 nằm trong khoảng q0=0,08−0,5 MPa) thường ký hiệu

theo công thức B – d , trong đó:

R_ký hiệu loại lốp hướng kính;

14 inch = d là đường kính vành bánh xe;

P_lốp xe du lịch 7 chỗ trở xuống Nếu thay chữ P bằng LT _ lốp sử dụng cho xe có tính năng thông qua cao hạng nhẹ

Ngoài ra, trên thành lốp còn có nhiều ký hiệu khác như, như tốc độ an toàn tối đa Tốc độ này được quy ước bằng ký hiệu, cụ thể: chữ T ứng với tốc độ cho phép tối đa của lốp là 190km/h; chữ H_210km/h; chữ V_240km/h; chữ W_270km/h Một số ký hiệu khác trên lốp là: TL_lốp không xăm; SSR_lốp cho phép

ô tô chạy ở tốc độ cao thêm một quãng đường nữa ngay cả khi đã bị thủng

2) Bán kính tự do: là bán kính bánh xe khi được bơm đủ áp suất, không chịu tải

Bán kính tự do được ký hiệu là r0 Với lốp có áp suất thấp thì r0= r.

3) Bán kính tĩnh học: là khoảng cách từ tâm trục bánh xe đến mặt đường nằm ngang khi xe có tải

và đứng yên (vận tốc ωk=0) Gk là trọng lượng xe đặt tại tâm trục bánh xe.

Bán kính tĩnh học được ký hiệu là ri (hình 1-3) Bán kính ri được tiêu chuẩn hóa với tải trọng cho

phép lớn nhất Nó có thể được xác định căn cứ theo ký hiệu của lốp:

ri= 0,5 d+∆ λbdB

Trong đó:

d – đường kính lắp ghép của vành bánh xe [mm];

∆=B/ H – với H và B là chiều cao và chiều rộng của lốp [mm];

λbd – hệ số phụ thuộc vào sự biến dạng của lốp khi chịu tải.

Dưới lực tác dụng của tải trọng và áp suất hơi lốp, theo quy định trong các tiêu chuẩn đối với lốp ô tô vận tải và ô tô buýt, đối với lốp có bộ điều chỉnh áp suất (trừ loại lốp có bề ngang rộng), thì B

H ≈ 1.

Đối với lốp ô tô du lịch, nếu kích thước lốp tính bằng ‘’inch’’, B

H ≈ 0,95 Nếu kích thước ghi theo

kiểu hỗn hợp (mét và inch) thì B

H ≈ 0,80 ÷ 0,85.

Ở lốp kiểu hướng kính ô tô du lịch, trong ký hiệu của nó đã cho chỉ số tương ứng với tỷ số B/ H Thí dụ, ở lốp có ký hiệu 205/70R14, B/ H ≈ 0,7.

Đối với lốp ô tô vận tải, ô tô buýt lốp có đều chỉnh áp suất (trừ loại lốp có bề ngang rộng), lốp

kiểu đường chéo của ô tô du lịch, λbd= 0,8 ÷ 0,85.

4) Bán kính động lực học: là khoảng cách tính từ tâm trục bánh xe đến mặt đường nằm ngang, khi

q0 _ Là áp suất hơi lốp [Mpa].

Trên mặt đường cứng có thể coi rđ≈ rt.

5) Bán kính động học: là bán kính của một bánh xe giả định, có các đặc điểm sau:

- Không bị biến dạng khi làm việc;

- Không bị trượt lết hay trượt qua;

- Có cùng vận tốc tịnh tiến Vk và vận tốc góc ωk như bánh xe thực tế của ô tô đang được khảo sát.

Trong nhiều trường hợp, bán kính động học còn được coi là bán kính lăn Do vậy, bán kính động học được gọi là bán kính lăn Do vậy, bán kính động học được ký hiệu là rl Từ định nghĩa ta có:

rl= Vk

ωk

Trong đó:

Vk _ vận tốc chuyển động tịnh tiến của tâm trục bánh xe (bằng chính chuyển động tịnh tiến của ô tô)

ωk _ vận tốc góc của bánh xe

Bán kính lăn rlcòn được gọi là bán kính vận tốc của ô tô vì nó biểu thị mối quan hệ giữa vận tốc chuyển

động tịnh tiến của ô tô (Vk) và vận tốc góc của bánh xe (ωk).

Trong quá trình bánh xe lăn, rl phụ thuộc:

- Khi bánh xe lăn hoàn toàn, bán kinh lăn rl= rđ Tâm quay tức thời chính là điểm tiếp xúc giữa bánh xe

với mặt đường (điểm a);

- Khi bánh xe bị trượt quay, rl< rđ Tâm quay tức thời nằm trong giới hạn của bánh xe (điểm a’ và

V' K= VK) Khi xe trượt quay hoàn toàn, Vk=0 ;ωk≠ 0, tâm quay tức thời trùng với tâm trục bánh xe; và

rl=0;

- Khi bánh xe trượt lết, rl> rđ Tâm quay tức thời nằm ngoài bánh xe, (điểm a’’ và V' K

> VK) Khi trượt lết hoàn toàn, ωk=0, Vk≠ 0, do đó rl→ ∞.

Như vậy rl thay đổi trong phạm vi: 0 ≤ rl≤ ∞.

6) Bán kính tính toán:

Trong thực tế, sự khác nhau giữa rl, r , rt không lớn lắm Do đó, để thuận tiện trong quá trình tính toán

người ta thường sử dụng khái niệm bán kính tính toán (ký hiệu là rk) với rk= λlr.

Xét mối quan hệ tương tác giữa bánh xe với mặt đường

Khi bánh xe lăn trên đường, giữa chúng sẽ có các lực và momen tương tác:

- Mk, Gk, Pđ của bánh xe tác dụng xuống mặt đường;

- Đường tác dụng các phản lực và momen trở lại bánh xe

Sự tác dụng tương hỗ này gây biến dạng lốp, biến dạng đường (vì là lốp đàn hồi và đường không tuyệt đối cứng) Để thuận tiện cho việc khảo sát, mặt đường coi như cứng tuyệt đối, không biến dạng

Để đơn giản việc khảo sát quá trình lăn của bánh xe với mặt đường, ta thừa nhận các giả thiết sau:Khảo sát hình chiếu đứng của bánh xe (không tính đến ảnh hưởng chiều rộng của bánh xe);

Không có lực ngang tác dụng;

Bánh xe lăn đều;

Bánh xe lăn trên mặt đường phẳng, nằm ngang;

Mặt đường coi như cứng tuyệt đối, hoàn toàn không biến dạng;

Dưới tác dụng của tải trọng hướng kính, bánh xe bị biến dạng hướng kính và biến dạng tiếp tuyến (biến dạng vòng) Các biến dạng này độc lập với nhau.

1.2.1 Phản lực của đường tác dụng lên bánh xe

Ta khảo sát một bánh xe đàn hồi lăn trên đường (hình 1-6)

Khi bánh xe lăn trên đường thì tạo ra vùng tiếp xúc với mặt đường Do đó các lực và momen truyền từ động cơ qua hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động, và từ khung xe qua bánh xe xuống mặt đường (

Mk, Gk, Pđ) nên tại vùng tiếp xúc của bánh xe có các phản lực pi của đường (pi có phương bất kỳ) tác

dụng ngược trở lại bánh xe Hợp của các pi:

⃗ P= ∑ ⃗ pi

⃗ P cũng có phương bất kỳ Và có thể tách chúng thành 3 thành phần trên hệ tọa độ Oxyz:

⃗ P=⃗ Px+ ⃗ Py+⃗ Pz.

Trong đó:

-⃗ Px _ phản lực tiếp tuyến của bánh xe, nằm song song với mặt đường, phương của trục Ox;

⃗ Py _ phản lực tiếp tuyến theo phương ngang, song song với mặt đường và vuông góc với phương chuyển động của ô tô;

⃗ Pz _ phản lực pháp tuyến của bánh xe, tác dụng theo phương vuông góc với mặt đường

Ta quy ước rằng:

- ⃗ Pzcó giá trị dương (+) khi hướng lên;

- ⃗ Px có giá trị dương (+) khi hướng theo chiều chuyển của ô tô.

Bánh xe lăn được là nhờ các lực và momen tác dụng lên nó (hình 1-7) Giả thiết rằng: nếu hướng của momen trùng với hướng quay của bánh xe thì momen quay đó được gọi là momen

kéo (hoặc momen chủ động), sẽ ký hiệu là Mk.

Lực do momen kéo Mk (đặt vào bánh xe chủ động) sinh ra gọi là lực vòng, ký hiệu là Pv:

Pv= Mk

rk

Trong đó: Mk= Meitlηtl ; với Me_momen xoắn của động cơ, itl_tỷ số truyền của hệ thống truyền lực; ηtl

_hiệu suất của hệ thống truyền lực rk_bán kính tính toán.

Phản lực của đường tác dụng lên bánh xe theo phương tiếp tuyến, đặt tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường gọi là lực kéo tiếp tuyến, ký hiệu là Pk Lực kéo tiếp tuyến là phản lực của lực vòng Pv Nếu

không có tổn hao tại vùng tiếp xúc thì giá trị của Pk bằng với giá trị của Pv, hay Pk= Pv.

Lực do momen phanh Mp sinh ra gọi là lực phanh, ký hiệu là Pp Lực phanh đặt tại vùng tiếp xúc của

a Khi xe đứng tại chỗ, dưới tác dụng của tải trọng bánh xe Gk, vết tiếp xúc của bánh xe với mặt

đường có dạng là một hình eclip đối xứng Do đó, tất cả các phản lực trên vết tiếp xúc đều nằm

trong mặt phẳng đối xứng trên các trục dọc và ngang của bánh xe Phản lực ⃗ Pz đi qua tâm trục bánh xe Điểm đặt của ⃗ Pz gọi là tâm áp lực Ký hiệu là K.

b Khi bánh xe lăn trên đường, do có biến dạng (vòng) của lốp tại các vùng khác nhau thì khác nhau, nên vết tiếp xúc không còn là hình đối xứng Do đó ⃗ Pz không đi qua tâm trục bánh xe mà

bị lệch đi một khoảng “a” (hay tâm áp lực bị chuyển dời, hình 1-8) Khoảng di chuyển “a” biểu thịtổn thất năng lượng do nội ma sát khi lốp bị biến dạng, nóng lên, tổn thất do đường biến dạng (nếu mặt đường không tuyệt đối cứng)

Tùy thuộc vào tính chất của lốp và tình trạng của đường mà “a” (biểu thị sự chuyển dời điểm đặt lực

⃗ Pz) có các giá trị khác nhau

A – Xét các trường hợp bánh xe không chịu tác dụng của lực theo phương ngang

1 Trường hợp 1: Khi bánh xe lăn đều, chỉ chịu tác dụng của momen kéo Mk (hình 1-9) Các lực và

momen tác dụng lên bánh xe trong trường hợp này gồm:

- Gk _ trọng lượng của bánh xe đặt tại tâm trục bánh xe;

- Mk _ momen kéo đối với tâm trục bánh xe;

- ⃗ Pz _ phản lực pháp tuyến của tải trọng tác dụng lên bánh xe;

- ⃗ Px _ phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên bánh xe

Viết các phương trình cân bằng lực và momen, ta có:

⃗ Pz+ ⃗ Gk=0 ⇒ ⃗ Pz=−⃗ Gk

⇒ Pz= Gk

Px=0

Mk= Pz a

Như vậy, để bánh xe lăn đều khi không có các lực cản khác ngoài tải trọng Gk đặt tại tâm trục bánh xe

thì cần có momen kéo Mk, mà trị số của nó cần có thể bù đắp cho tổn thất do biến dạng của lốp và của

đường (với trị số Mk= Pz a ).

- Nếu cả lốp và đường không biến dạng thì α=0, do đó Mk= Pz a=0 : không cần tiêu tốn Mk để bù

đắp tổn thất do biến dạng;

- Ứng với các loại đường, các loại bánh xe khác nhau thì “α” là khác nhau, do đó cần có Mk khác nhau.

Momen Pz a gọi là momen cản lăn, ký hiệu là Mj, có chiều ngược với chiều của Mk Phản lực tiếp

tuyến của đường với bánh xe Px=0.

2 Trường hợp 2:

Bánh xe lăn đều, có trọng lượng của ô tô đặt vào bánh xe Gk ; lực Pđ (có chiều cùng với chiều chiều

chuyển động của xe) đặt vào tâm trục bánh xe

Các phản lực từ đường tác dụng lên bánh xe:

Bánh xe lăn không đều (có gia tốc), chịu tác dụng của các lực và momen:

- Tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng Gk;

- Lực đẩy Pd đặt tại tâm trục bánh xe và có chiều ngược với chiều chuyển động của xe;

- Momen kéo Mk (momen xoắn của động cơ đặt tại bánh xe chủ động);

- Các phản lực pháp tuyến Pz và tiếp tuyến Px;

- Momen quán tính Mjk phát sinh do chuyển động không đều (ωk≠ const) ở các bánh xe, có hướng ngược với chiều của gia tốc góc εk

Mjk=− Jk εk

Trong đó:

Jk – momen quán tính của các bánh xe chủ động,

εk – gia tốc góc của bánh xe

Lập các phương trình cân bằng lực và momen tác dụng lên bánh xe, ta có:

rk – lực vòng do momen xoắn đặt tại bánh xe chủ động gây ra;

Pj – lực quán tính do các khối lượng quay không đều gây ra;

Pf – lực cản lăn;

Mf- momen cản lăn, xuất hiện khi dời phản lực pháp tuyến về tâm trục bánh xe

Nhận xét từ phương trình (1-3):

- Px phụ thuộc vào Mk (tỷ lệ thuận);

- Trường hợp này, Px cùng chiều với Vk Do đó Px gọi là lực kéo tiếp tuyến và ký hiệu là Pk:

Pk= Pv± Pj− Pf (1-4)

- Khi bánh xe là bị động (Mk=0) ⇒ Px=−( Pj+ Pf)

Dấu “ – “ chứng tỏ Px ngược với chiều chuyển động của xe Do vậy, Px trong trường hợp này là lực cản chuyển động

Cần nhớ rằng, mặc dù lực kéo tiếp tuyến Pk sẽ tăng khi momen xoắn truyền từ động cơ đến bánh xe chủ động Mk

tăng Nhưng Pk không thể tăng một cách tùy ý, mà còn phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe với mặt đường Như vậy, phản lực tiếp tuyến lớn nhất bị giới hạn bởi khả năng bám của bánh xe với mặt đường Giá trị lớn nhất có thể có được của lực kéo theo điều kiện bám, gọi là lực kéo theo điều kiện bám của bánh xe với mặt đường (hay lựcbám), ký hiệu là Pφ

Lực kéo theo điều kiện bám tỷ lệ với trọng lượng bám của ô tô:

Pφ= φ Gφ= φ Pz

Trong đó:

- φ – hệ số bám dọc của bánh xe với mặt đường;

- Gφ – trọng lượng bám của bánh xe, tức là trọng lượng Gk đặt lên bánh xe

Hệ số bám φ thường đồng nghĩa với hệ số ma sát trượt giữa bánh xe với mặt đường Tuy nhiên, điều đó không chính xác hoàn toàn bởi vì khi tác dụng tương hỗ giữa bánh xe với mặt đường (khi bám), ngoài ra ma sát trên bề mặt tiếp xúc còn có sự ăn khớp giữa bánh xe với nền đường Vì vậy, thông thường hệ số bám (φ) lớn hơn hệ số masát (f) của bánh xe với đường

Khảo sát trường hợp 3 nêu trên là ứng với bánh xe chủ động của ô tô

B – Xét trường hợp khi có phản lực ngang của đường tác dụng lên bánh xe

Các bánh xe đàn hồi lăn trên đường khi chịu tác dụng của ngoại lực theo phương ngang (hình 1-12) sẽ bị thay đổi theo quỹ đạo chuyển động Ta xét hai trường hợp: khi không chịu tác dụng của lực phương ngang, các bánh xe vẫn giữ được quỹ đạo chuyển động của nó; khi có lực ngang Py tác dụng (giả sử đặt vào tâm trục bánh xe) lốp bị biến dạng ở cả phương ngang Do đó, mặt phẳng của bánh xe đã bị lệch hướng một góc

Hiện tượng bị lệch hướng chuyển động của bánh xe có ảnh hưởng rất lớn đến tính ổn định của ô tô khi đi thẳng cũng như khi quay vòng.

1.2.2 Cách xác định hệ số bám dọc φ

Hệ số bám dọc φ có thể xác định trong phòng thí nghiệm hoặc trên đường, khi xác định hệ số bám trên đường người ta sử dụng phương pháp kéo, phương pháp đo momen xoắn trên bánh xe chủ động hoặc một số phương pháp khác Dưới đây giới thiệu phương pháp kéo (hình 1-13)

Cho hai ô tô kéo nhau, giữa chúng bố trí lực kế tự ghi Phanh cứng các bánh xe của ô tô được kéo (ô tô số 2) Khi ô

tô được kéo trượt lết trên đường thì lực kế tự ghi sẽ cho ta trị số của lực bám Pφ của ô tô được kéo Từ đó có thể xác định được hệ số bám của bánh xe với mặt đường theo công thức sau:

φ= Pφ

Gφ

Pφ – trị số lực bám được ghi trên lực kế [N];

Gφ – trọng lượng bá, tức là trọng lượng của ô tô được kéo [N]

Qua thực nghiệm người ta đã xác định được hệ số bám dọc của bánh xe trên các loại đường khác nhau Trong bảng1-1 cho các giá trị trung bình của hệ số bám dọc lớn nhất φmax và hệ số bám dọc khi trượt hoàn toàn (trược 100%) Tùy thuộc vào sự ảnh hưởng của các nhân tố khác ngoài sự trượt và vào phương pháp thử nghiệm trên cùng một loại đường, giá trị thực tế của hệ số bám dọc φ có thể có sai lệch đôi chút

Bảng 1-1 Hệ số bám dọc φ của một số loại đườngLoại đường và trạng thái lớp phủ

mặt đường

φmax φ (trượt 100%) Đường bê tông, bê tông nhựa khô 0,8 – 0,9 0,7 – 0,8

Đường nhựa ướt 0,5 – 0,7 0,45 – 0,60

Đường bê tông ướt 0,75 – 0,80 0,65 – 0,70

Đường cát sỏi 0,55 – 0,65 0,50 – 0,55

Đường đất khô 0,65 – 0,70 0,60 – 0,65

Đường đất ướt 0,50 – 0,55 0,40 – 0,50

1.3 Lực kéo của ô tô

1.3.1 Lực kéo tiếp tuyến của bánh xe Bản chất lực kéo theo bám

Khi bánh xe lăn, dưới tác dụng của momen xoắn Mk (được truyền từ động cơ qua hệ thống truyền lực, đặt vào bánh xe), bánh xe tác dụng lên mặt đường một chiều có chiều ngược với chiều chuyển động của ô tô Lực đó được

kí hiệu là Pv _ là lực vòng của bánh xe chủ động, với:

Pv= Mk

rk (1-5)

Nhờ tác dụng tương hỗ bánh xe_đường, bánh xe chịu tác dụng từ mặt đường một phản lực ngược chiềuvới lực vòng Pv.

Phản lực của lực vòng Pv được gọi là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động.

Lực kéo tiếp tuyến được kí hiệu là Pk Nệu không kể đến ảnh hưởng của lực quàn tính do các bánh xe

quay không đều và lực cản lăn của nó thì trị số của lực kéo tiếp tuyến bằng trị số của lực vòng Pv.

Vậy, lực kéo tiếp tuyến Pk chính là phản lực của lực vòng Pv.

Do đó ta có định nghĩa về lực bám:

Giá trị lớn nhất có thể có được của lực kéo theo điều kiện bám (Pkmax) giữa bánh xe với mặt đường gọi là

lực kéo theo điều kiện bám (thường gọi tắt là lực bám) của bánh xe, kí hiệu là Pφ.

Gφi – tải trọng tác dụng lên bánh xe theo phương pháp tuyến.

Bản chất của lực kéo theo điều kiện bám, khi ta khảo sát bánh xe đàn hồi lăn trên mặt đường không biếndạng, đó chính là lực ma sát giữa bánh xe với mặt đường khi cùng một lực vòng Pv truyền từ động cơ

đến bánh xe chủ động, ứng với các loại đường có hệ số bám φi khác nhau, lực bám Pφi sẽ có các giá trị

khác nhau

1.3.2 Lực kéo của ô tô

Lực kéo tiếp tuyến của ô tô (Pk) là tổng lực kéo tiếp tuyến trên các bánh xe chủ động:

Pk= ∑ Pki

Trong đó: Pki – lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động thứ i.

Giá trị lớn nhất có thể có được của lực kéo tiếp tuyến (Pkmax) theo điều kiện bám của tất cả các bánh xe

chủ động trên ô tô là lực kéo theo điều kiện bám của ô tô (hay lực bám của ô tô), kí hiệu là Pφ.

Với: Pφ= φ1Gφ 1+ φ2Gφ2+ …+ φnGφn (1-6)