nghiên cứu động học và động lực học của xe honda cr v 2023

21 TÍNH TOÁN KIỂM TRA CÂN BẰNG LỰC KÉO, CÂN BẰNG CÔNG SUẤT VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE .... Tính chất động lực học của ô tô khi chuyển động là một trong những tính chất cực kỳ quan t

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Trong đời sống kinh tế và xã hội, phương tiện di chuyển được sử dụng phổ biến là ô tô Bài toán về việc nâng cao hiệu quả sử dụng của loại phương tiện này đang được quan tâm giải quyết bởi nhiều nhà khoa học Trong những năm gần đây, sự phát triển của ngành ô tô đã có nhiều tiến bộ về khoa học và kỹ thuật, từ đó mang lại hiệu quả kinh tế ngày càng cao và an toàn hơn cho người sử dụng

Tính chất động lực học của ô tô khi chuyển động là một trong những tính chất cực kỳ quan trọng, được biểu hiện qua các đặc tính như lực kéo, công suất kéo, các lực cản và nhân tố động lực học Khi ô tô di chuyển trong điều kiện mặt đường khác nhau hoặc do yếu tố như dốc lên hay xuống, việc quay vòng khi phanh, tính chất này sẽ thay đổi Sự ảnh hưởng của tính chất động lực học này tới khả năng khởi hành và tăng tốc, vận tốc trung bình, công suất và chi phí vận chuyển của ô tô cũng như sự ổn định và an toàn khi di chuyển Việc tính toán các chỉ số để đánh giá tính động lực học của xe là một thách thức khó khăn do phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cả yếu tố ngẫu nhiên

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghệ thông tin và các thiết bị, phần mềm tính toán ngày càng chính xác, nhiều vấn đề được giải quyết nhanh chóng với độ chính xác cao, giúp việc tính toán dễ dàng hơn, thiết kế và sản xuất trở nên thuận tiện và chính xác hơn rất nhiều, tạo điều kiện thuận lợi cho ngành công nghiệp ô tô phát triển và đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu của người tiêu dùng Và ngày nay, có rất nhiều công cụ, phương pháp kiểm tra có thể sử dụng để đánh giá một cách thuận tiện và rất chính xác chất lượng, tình trạng kỹ thuật của xe trong quá trình sử dụng, giúp hiệu chỉnh thiết kế của xe và lựa chọn các chế độ vận hành hiệu quả cho từng loại xe…

Từ những yêu cầu trên, và dưới sự hướng dẫn giúp đỡ của thầy Ngô Quang Thành, qua một thời gian được học tập chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô tại khoa Cơ khí Động Lực trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM thì chúng em lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu động học và động lực học của xe Honda CR-V 2023.” Nhằm muốn hiểu biết sâu hơn về kiến thức của việc đánh giá và tính toán khả năng động học và động lực học trên ô tô du lịch.

Giới hạn vấn đề

Tính chất động học và động lực học của ô tô trong quá trình di chuyển là một trong những yếu tố rất quan trọng Nó được thể hiện qua các đặc tính như lực kéo, công suất kéo, lực cản, yếu tố động lực học, thời gian và quãng đường tăng tốc, vận tốc và gia tốc khi xe di chuyển trên các loại mặt đường khác nhau hoặc do những điều kiện như tăng giảm ga, quay vòng và phanh Các đặc tính này ảnh hưởng đến khả năng khởi động, tăng tốc của ô tô, vận tốc trung bình, hiệu suất và chi phí vận chuyển, cũng như độ êm ái và an toàn trong quá trình di chuyển

Việc tính toán chính xác các chỉ số đánh giá tính động lực học của ô tô gặp nhiều khó khăn Điều này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có các yếu tố ngẫu nhiên, thời gian có hạn và nguồn tài liệu hiện có

Vì vậy, nghiên cứu này chỉ tập trung vào việc tính toán và xây dựng đặc tính ngoài của động cơ, khảo sát sự cân bằng lực kéo, cân bằng công suất và đặc tính động lực học, đánh giá tính ổn định của xe cũng như kiểm tra khả năng quay vòng của xe.

Mục tiêu đề tài

- Định nghĩa được khái niệm về đặc tính công suất của động cơ ô tô

- Xây dựng đường đặc tính ngoài cho động cơ đốt trong trên ô tô

- Trình bày phương trình cân bằng lực kéo, phương trình cân bằng công suất, đặc tính động lực học của ô tô và các đồ thị liên quan

- Xác định phản lực thẳng góc tác dụng lên bánh xe trong các điều kiện chuyển động của ô tô

- Xác định góc dốc giới hạn mà ô tô có thể bị lật hoặc trượt trong những điều kiện mặt đường khác nhau

- Xác định vận tốc tới hạn mà tại đó ô tô bị lật hoặc trượt trong những điều kiện chuyển động nhất định

- Xác định động học và động lực học quay vòng của ô tô

- Đánh giá tính ổn định của xe khi quay vòng dựa trên điều kiện trượt ngang

- Khảo sát điều kiện để xe quay vòng ổn định trên các loại đường khác nhau Qua các mục tiêu đạt được bên trên để đưa ra kết luận về đặc tích động học và động lực học của xe Honda CR-V 2023 cho từng điều kiện chuyển động cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định chuyển động của xe.

Phương pháp nghiên cứu

Có hai phương pháp nghiên cứu chủ yếu:

- Phương pháp thử nghiệm thực tế: sử dụng các số liệu từ khảo nghiệm để tiến hành nghiên cứu Phương pháp này có độ chính xác cao nhưng yêu cầu các thiết bị hiện đại

- Phương pháp lý thuyết: cần sử dụng các thông số của xe và mặt đường để nhập vào máy tính hỗ trợ

Vì điều kiện và khả năng thực hiện các thử nghiệm thực tế còn hạn chế, chúng ta sẽ chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết dựa trên các thông số cơ bản của xe.

Ký hiệu và các đơn vị đo cơ bản

Bảng 1.1: Bảng kí hiệu và các đơn vị đo cơ bản Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Hệ số chuyển đổi

Số vòng quay n vg/ph

Khối lượng m kg Áp suất q N/m² 1 N/m² = 1Pa = 10 -5 kG/cm² moment quay M N.m 1 Nm ≈ 10 kGcm ≈ 0,1 kGm

Nhiệt độ T K T = t + 273 (T: độ Kenvin, t: độ

GIỚI THIỆU CHUNG VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA XE HONDA CR-V 2023

Giới thiệu chung về xe Honda CR-V 2023

Honda, một hãng xe đến từ Nhật Bản với lịch sử lâu đời, chuyên sản xuất các loại xe tải và xe du lịch Các dòng xe du lịch của Honda bao gồm: City, Odyssey, Accord, Civic, CR- V… Những mẫu xe này nổi bật với thiết kế hiện đại, mới lạ cùng không gian nội thất rộng rãi, có sức chứa từ 5 đến 7 chỗ ngồi Ngoài ra, các mẫu xe còn được trang bị nhiều tính năng và công nghệ tiên tiến như khởi động bằng chìa khóa thông minh, ổ khóa nút bấm, hệ thống đèn pha tự động thích ứng, hệ thống giảm thiểu chệch làn đường và hệ thống hỗ trợ giữ làn đường Trong khuôn khổ của đồ án này, chúng em chỉ tập trung nghiên cứu mẫu xe CR-V G 2023 với hệ dẫn động cầu trước và hộp số vô cấp có 7 chỗ ngồi.

Hình ảnh và thông số kỹ thuật của xe Honda CR-V G 2023

Loại xe Xe du lịch

Hệ truyền động bánh xe Front Wheel Drive (FWD)

Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật xe Honda CR-V 2023 [1][2]

Tên thông số Đơn vị Kích thước và ghi chú

Chiều dài cơ sở của xe L mm 2660

Chiều rộng cơ sở của xe B (trước/sau) mm 1601/1617

Khoảng sáng gầm xe mm 198

Bán kính vòng quay tối thiểu mm 5500

Phân bố trọng lượng lên cầu trước/sau % 58/42 Động cơ 1.5L DOHC VTEC TURBO, 4 xi-lanh thẳng hàng, 16 van

Hệ thống truyền động Hộp số vô cấp CVT i h = 2,645 ÷ 0,405 ih1 = imax = 2,645 ih2 = ielow = 2,02 ih3 = ilow = 1,53 ih4 = itop = 1,04 ih5 = iod = 0,73 ih6 = imin = 0,405 i R = 2,645÷1,800

Tỷ số truyền lực chính: i 0 =5,64 Đường kính x Hành trình piston mm 73x89,5

Công suất cực đại 140kW tại 5600 vòng/phút

Momen xoắn cực đại 298Nm tại 2800 vòng/phút

Hệ thống nhiên liệu Phun xăng điện tử/PGM-FI

Mức tiêu hao nhiên liệu lít/100km 7

Thể tích thùng nhiên liệu lít 57

Lốp – Lazăng La-zăng: Hợp kim/18inch

Cỡ lốp: 235/60R18 Bán kính tính toán của bánh xe (m) mm r 0 #5.60%+(18.25,4)/269,6 r b =λ =0,945.369,649,272

2.2.3 Hình ảnh về kích thước của xe [3][4]

Hình 2.1: Hình dáng của xe Honda CR-V 2023

Hình 2.2: Kích thước của xe Honda CR-V 2023

Cơ sở lý thuyết về đường đặc tính ngoài của động cơ

Để xác định được lực hoặc moment tác dộng lên các bánh xe dẫn động của ô tô, ta cần nghiên cứu đặc tính công suất của động cơ đốt trong dạng piston Đặc tính công suất này thể hiện mối quan hệ giữa công suất với hai thành phần của nó là moment M e và tốc độ góc (hay số vòng quay n e ) Thông thường, đặc tính công suất được biểu diễn thông qua đặc tính tốc độ của moment M e (ω e ) hay đặc tính tốc độ của công suất P e (ω e )

Mối quan hệ giữa P e , M e , ω e được biểu diễn theo công thức:

P e : Công suất của động cơ

M e : Moment xoắn của động cơ ω e : Vận tốc góc của động cơ

Thông thường, chúng ta sử dụng đặc tính P e , M e (ω e ) khi động cơ hoạt động ở chế độ cung cấp nhiên liệu tốt đa, thường gọi là đặc tính ngoài

Chế độ danh định là một điểm trên đặc tính ngoài, thường ứng với công suất cực đại, khi đó các thông số có ký hiệu: P emax , M e p , ω e p Chế độ moment xoắn cực đại tương ứng với các thông số P e m , và dưới đây là một số khái niệm liên quan:

* Hệ số đàn hồi (thích ứng) của động cơ theo moment:

M emax : moment xoắn cực đại của động cơ

K m : Hệ số thích ứng của động cơ dựa trên moment

+ Đối với mỗi loại động cơ, hệ số thích ứng theo moment có giá trị như sau:

- Động cơ diesel không có phun đậm đặc: K m = 1,1 ÷ 1,15

- Động cơ diesel có phun đậm đặc: K m = 1,1 ÷ 1,25

* Hệ số đàn hồi (thích ứng) theo tốc độ:

K m =ω e m ω e p (3.3) Ở chế độ danh định khi biết thì:

M emax = K m M e p = K m P emax ω e p (3.4) Chúng ta tiến hành xây dựng đường đặc tính động cơ bằng cách thử nghiệm động cơ trên bệ thử trong các điều kiện thử xác định trước Tuy nhiên, công suất đo được trên bệ thử khác biệt so với công suất thực tế khi động cơ đặt trên xe Do đó, chúng ta sử dụng thông số hệ số công suất hữu ích η p để điều chỉnh sự khác biệt này:

Trong đó: η p ’ = 0,92 ÷ 0,96 – Đặc trưng cho sai biệt công suất do thay đổi một số trang bị của động cơ khi thử η p ”: Đặc trưng cho ảnh hưởng của môi trường khi thử

273+t) Với q(Mpa), t(°C) là áp suất và nhiệt độ phòng thử).

Xây dựng và vẽ đồ thị đặc tính ngoài

Khi tính toán lực kéo hoặc moment xoắn đang hoạt động trên các bánh xe, sự hiểu biết về đặc tính ngoài của động cơ là cực kỳ quan trọng Đặc tính ngoài của động cơ đóng vai trò quyết định trong việc xác định các giá trị cực đại của moment và công suất ở số vòng quay cụ thể Điều này cũng áp dụng cho việc điều chỉnh các giá trị nhỏ hơn của moment hoặc công suất bằng cách điều chỉnh mức cung cấp nhiên liệu

* Chú ý: Các tiêu chuẩn thử nghiệm động cơ thường khác nhau tùy theo từng quốc gia, dẫn đến việc cùng một loại động cơ khi được thử nghiệm ở các nơi khác nhau sẽ cho ra các giá trị công suất khác nhau

Khi không có dữ liệu cụ thể về đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ từ thử nghiệm, ta có thể xây dựng đường đặc tính dựa trên công thức kinh nghiệm đã được S.R.Lây Đécman nghiên cứu Việc sử dụng các phương pháp tính toán dựa trên mối quan hệ giữa công suất, moment xoắn với số vòng quay của động cơ theo công thức S.R.Lây Đécman sẽ trở nên thuận tiện hơn nhiều so với dựa vào dữ liệu thực nghiệm, đặc biệt là trong bối cảnh máy tính đã trở nên phổ biến

Công thức S.R.Lây Đécman có dạng như sau :

Với: P emax = 140kW; n e p = 5600 vòng/phút và đối với động cơ xăng a=b=c=1

P e : Công suất của động cơ (kW) n e : Số vòng quay của trục khuỷu (vg/ph)

M e : Moment xoắn của động cơ (N.m)

- Có các giá trị P e , M e tương ứng với các giá trị ta có thể vẽ đồ thị P e = f(n e ) và đồ thị

- Như vậy, sau khi xây dựng được đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ chúng ta mới có cơ sở để nghiên cứu tính chất động lực học của ô tô

* Từ đó ta lập được bảng số liệu về công suất và moment của động cơ:

Do n emax thường không vượt quá n e p từ 10 ÷ 20%

Bảng 3.1: Bảng giá trị công suất và moment của động cơ theo số vòng quay trục khuỷu n e (vg/ph) P e (kW) M e (Nm) n e (vg/ph) P e (kW) M e (Nm)

Hình 3.1: Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ xe Honda CR-V 2023

- Sau khi tính toán, chúng ta thu được đồ thị dưới đây Công suất cực đại của động cơ là

Pemax = 140 (kW) khi số vòng quay là ne = 5600 (vòng/phút)

- Moment xoắn cực đại là Memax = 298,47 N.m khi số vòng quay là ne = 2800(vòng/phút)

Xác định các kích thước cơ bản của xe

Vị trí trọng tâm ô tô ảnh hưởng rất lớn đến tính chất động lực học của ô tô Tọa độ trọng tâm ô tô thường được sử dụng trong quá trình tính toán và thiết kế ô tô, ngoài ra còn ảnh hưởng đến tính ổn định, an toàn ô tô Đặc trưng bằng những kích thước theo chiều dọc, chiều cao và có thể xác định bằng thực nghiệm Đặt các bánh xe sau lên mặt bằng cân

Các bánh trước đặt lên mặt phẳng cứng nằm cùng mặt phẳng với bàn cân

Hình 4.1: Xác định tọa độ trọng tâm ô tô theo chiều dọc

Chỉ số trên cân là phần trọng lượng của ô tô tác dụng lên cầu sau, gọi là G2

Như vậy, trọng lượng phân ra cầu trước là: G1 = G – G2

Khi đã biết trọng lượng G và các thành phần trọng lượng ra các cầu G1, G2

Chúng ta xác định tọa độ trọng tâm ô tô theo chiều dọc như sau:

- Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm ô tô khi không tải đến đường tâm trục bánh xe trước: a = 1,1172m

- Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm ô tô khi không tải đến đường tâm trục bánh xe sau: b = 1,5428m

- Tọa độ trọng tâm của xe: h g = 0,7823m

Các lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp chuyển động tổng quát

Hình 4.2: Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô đang chuyển động tăng tốc lên dốc

Các ký hiệu trên hình vẽ có ý nghĩa như sau:

- G: Trọng lượng tổng của xe

- Fk: Lực kéo tiếp tuyến tại các bánh xe chủ động

- Ff1: Lực cản lăn tại các bánh xe chủ động

- Ff2: Lực cản lăn tại các bánh xe bị động

- Fi: Lực cản khi lên dốc

- Fj: Lực cản quán tính khi xe di chuyển không ổn định (có gia tốc)

- Fm: Lực cản lăn ở remooc

- Z1, Z2: Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe trước và sau của xe

- Mf1, Mf2: Moment cản lăn tại các bánh xe chủ động và bị động

Dưới đây, chúng ta sẽ khảo sát giá trị của các lực và moment được mô tả ở trên

Fk là phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động theo chiều cùng với hướng di chuyển của ô tô Điểm đặt của Fk nằm ở trung tâm của điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường

- Me: moment xoắn của động cơ (N.m)

- it: Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực: i t = i h i o

- ih: Tỷ số truyền của hộp số

- io: Tỷ số truyền lực chính

- η: Hiệu suất của hệ thống truyền lực

Khi xe di chuyển trên mặt đường, lực cản lăn sẽ xuất hiện, tác dụng song song với mặt đường và ngược lại với hướng chuyển động tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường

Trong hình 4.2, chúng ta thấy lực cản lăn tác động lên bánh xe trước là Ff1 và bánh xe sau là Ff2 Để đơn giản hóa, chúng ta coi lực cản lăn là ngoại lực tác dụng lên bánh xe khi nó chuyển động, được tính bằng công thức sau đây:

F f = F f 1 + F f 2 (4.3) Với: Ff là lực cản lăn của ô tô

Lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau:

Với: f 1 , f 2 : là hệ số cản lăn ở bánh xe trước và sau Ở đây nếu coi hệ số cản lăn ở các bánh xe trước và sau là như nhau thì: f 1 = f 2 = f Lúc đó ta có:

F f = (Z 1 + Z 2 ) f = f G cosα (4.5) Khi xe di chuyển trên mặt đường có độ dốc nhỏ, góc α cũng nhỏ tương ứng Điều này cho phép chúng ta xem xét cosα = 1 hoặc trong trường hợp mặt đường nằm ngang thì ta có:

F f = f G cosα = f.G (4.6) Các yếu tố như lực cản lăn và các lực cản khác được định nghĩa là dương khi tác dụng ngược chiều chuyển động của xe Đồng thời, hệ số cản lăn cũng phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau

Vấn đề này sẽ được trình bày kỹ trong chương tiếp theo

Moment cản lăn của ô tô được tính toán như sau:

M f = M f 1 + M f 2 = Z 1 fr d + Z 2 fr d = Gfrdcosα (4.7) Trong đó:

- Mf1, Mf2 : Moment cản lăn tại các bánh xe cầu trước và sau

- rd : Bán kính động lực học cản bánh xe

Nếu xe chuyển động trên đường nằm ngang thì:

Khi xe chuyển động lên dốc, trọng lượng G được phân ra hai phần: lực G.cosα vuông góc với mặt đường và tác động lên mặt đường, tạo ra phản lực pháp tuyến Z1 và Z2 tác động lên bánh xe Phần còn lại của lực G.sinα song song với mặt đường gây trở ngại cho sự di chuyển của xe khi đi lên dốc, được gọi là lực cản lên dốc Fi

F i = G sin α (4.9) Mức độ dốc của mặt đường được thể hiện qua góc dốc α hoặc qua độ dốc i: i = tg α (4.10) Nếu α < 5 0 thì có thể coi i = tg α = sin α và khi đó ta có:

F i = G sin α = G.i (4.11) Khi xe di chuyển trên địa hình dốc, lực Fi sẽ ảnh hưởng theo hướng của chuyển động của xe, trở thành một yếu tố đẩy hoặc cản tùy thuộc vào hướng di chuyển Khi xe di chuyển lên dốc lực Fi trở thành lực cản sẽ có dấu (+), còn khi xuống dốc lực Fi trở thành lực đẩy sẽ có dấu (-) Đồng thời, trong phạm vi này, còn dùng khái niệm lực cản tổng cộng của đường là tổng lực cản của lực cản lăn và lực cản lên dốc:

F Ѱ = F f ± F i = G(f cos α ± sin α) ≈ G(f ± i) (4.12) Đại lượng (f ± i) được gọi là hệ số cản tổng cộng của đường và ký hiệu là Ѱ: Ѱ = f ± i (4.13) Bởi vậy:

Lực cản không khí tỉ lệ với áp suất động học qd, diện tích cản gió S và hệ số cản không khí Cx theo biểu thức sau:

- ρ: Khối lượng riêng của không khí (kg/m 2 ), ở nhiệt độ 25 0 C và áp suất 0,1013 MPa thì ρ = 1,25 kg/m 3

- v0 : Vận tốc tương đối giữa xe và không khí (m/s): v o = v ± v g (4.16) Với:

Dấu (+) ứng với khi vận tốc của xe và của gió ngược chiều

Dấu (-) ứng với khi vận tốc của xe và của gió cùng chiều

Trong quá trình tính toán, chúng ta cũng tính đến yếu tố cản không khí, được ký hiệu là W và có đơn vị là Ns 2 /m 4

Khi xe di chuyển không ổn định, xuất hiện lực quán tính của các khối lượng chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến

Lực quán tính này có thể trở thành lực cản khi xe di chuyển nhanh và trở thành lực đẩy xe khi tốc độ giảm Điểm tác động của lực quán tính được đặt tại trọng tâm của xe

Lực quán tính tường được ký hiệu là Fj, bao gồm hai thành phần chính:

- Lực quán tính do gia tốc của các khối lượng chuyển động tịnh tiến của xe, kí hiệu là F j ′

- Lực quán tính do gia tốc của các khối lượng chuyển động quay của xe, kí hiệu là

Do đó, ta tính toán lực Fj như sau:

Với: j = dv dt : Gia tốc tịnh tiến của ô tô

Lực F j ′′ được xác định như sau:

- Jn: Moment quán tính của các chi tiết quay thứ n trong hệ thống truyền lực đối với trục quay của nó

- Jb: Moment quán tính của một bánh xe chủ động đối với trục quay của nó

- in: Tỷ số truyền tính từ chi tiết thứ n trong hệ thống truyền lực tới bánh xe chủ động

- ηn : Hiệu suất tính từ chi tiết quay thứ n trong hệ thống truyền lực tới bánh xe chủ động

- Je: Moment quán tính của khối lượng chuyển động quay của động cơ quy dẫn về trục khuỷu, có kể đến khối lượng chuyển động quay của phần chủ động ly hợp

- ε e = dω e dt : Gia tốc góc của khối lượng chuyển động quay của động cơ

- it: Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực

- η: Hiệu suất của hệ thống truyền lực ε e = dω e dt = i t dω b dt = i t r b dv dt (4.22) ε n = i n dω b dt = i n r b dv dt (4.23)

F j ′′ = ( J e i t 2 η r b 2 + ∑J n i n 2 η n r b 2 + ∑J b 1 r b 2 ) dv dt (4.24) Thay (4.20), (4.24) vào (4.19) ta có:

Gr b 2 ) g]G gj (4.25) Ở đây bỏ qua đại lượng vì khối lượng của chúng nhỏ hơn nhiều so với khối lượng bánh đà và khối lượng các bánh xe Chúng ta đặt: δ i = 1 + (J e i t 2 + ∑J b

F j = δ i G gj (4.27) Với δ i : là hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay Ta có thể tính gần đúng như sau: δ i = 1,05 + 0,05 i h 2 (4.28)

Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo

4.3.1 Cân bằng lực kéo ô tô

4.3.1.1 Phương trình cân bằng lực kéo

Xét trường hợp tổng quát, ta có:

Fk = Ff ± Fi + ± Fj + Fm (4.29) Ở lực Fi: dấu (+) dùng khi ô tô lên dốc, dấu (-) dùng khi xuống dốc Ở lực Fj: dấu (+) dùng khi ô tô tăng tốc, dấu (-) dùng khi giảm tốc

Thay các giá trị các lực vào phương trình (4.29), ta được:

Tổng hai lực cản Fi và Fj ta sẽ được lực cản tổng cộng của đường F Ѱ

- G: Trọng lượng toàn bộ của xe

- Ѱ: Hệ số cản tổng cộng của đường: Ѱ = f cos α ± sin α, nếu α < 5 0 có thể coi Ѱ = f ± i

- i: Độ dốc của mặt đường: i = tgα

Lưu ý: Độ dốc i có giá trị (+) khi xe lên dốc và giá trị (-) khi xe xuóng dốc

Hệ số Ѱ có giá trị (+) khi f > i và có giá trị (-) khi f < i hoặc Ѱ = 0 khi f = i khi xuống dốc

Nếu xe chuyển động thẳng đều j = 0 trên đường nằm ngang α = 0 và không kéo theo remooc thì phương trình cân bằng lực kéo sẽ đơn giản:

4.3.1.2 Phương pháp xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo

Xét xe chuyển động đều j = 0 và không kéo theo remooc và xe đang chuyển động trên đường nằm ngang α = 0

Ta có phương trình cân bằng lực kéo:

* Đường lực kéo tiếp tuyến F km = f(v)

- Ta thay thế từng giá trị Mei vào để có được giá trị Fkm

- Tiếp theo ta thay thế từng giá trị nei vào để có được giá trị vn Như vậy sau một lần thay thế ta có được một điểm trên đồ thị tương ứng với giá trị Fk và v Nên ta có thể xây dựng từng đường lực kéo Fkn = f(v) tương ứng với từng tỷ số truyền

- Khi vận tốc của xe nhỏ hơn 22 (m/s) thì chọn: f = 0.018 => Ff = G.f

- Khi vận tốc của xe lớn hơn 22 (m/s) thì ta thay thế từng giá trị vn vào công thức: f = 32 + v n

Từ giá trị của fi ta tiếp tục thay thế vào công thức Ff = G.f

Ta sẽ được đường Ff tương ứng với từng điểm thay thế có từ hai công thức trên

Vì khi vận tốc của xe lớn hơn 22 (m/s) nên: f ≠ const => Ff ≠ const nên đường Ff lúc này sẽ là đường cong

* Đường lực cản không khí: F ω = 0.625C x Sv n 2

Ta thế từng giá trị vn vào công thức trên để có giá trị F ω Đây là đường cong bậc hai phụ thuộc vào vận tốc của xe

* Đường lực cản tổng cộng:

Ta cộng hai đường lực cản lăn và lực cản không khí theo từng tỷ số truyền

4.3.2 Tính toán các thông số cho đồ thị cân bằng lực kéo

4.3.2.1 Tính lực kéo trên bánh xe chủ động ứng với các tỷ số truyền F k [N]

Phản lực Fk là lực tác động từ mặt dường lên bánh xe chủ động theo chiều cùng với chiều chuyển động ô tô Điểm đặt của Fk được xác định tại tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường [5]

- Me: Moment xoắn của động cơ [N.m]

- it: Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực : it = ih.io

- ih: Tỷ số truyền của hộp số

- io: Tỷ số truyền lực chính

- rb: Bán kính làm việc của xe [m]

- η: Hiệu suất của hệ thống truyền lực

Hiệu suất hệ thống truyền lực với CVT (AWD): Khoảng 85% - 90%

4.3.2.2 Tính tốc độ của ô tô ở từng tỷ số truyền v (m/s) v n =π n e r b

- ne: Số vòng quay trục khuỷu (vòng/ph)

- rb: Bán kính làm việc của xe (m)

Bảng 4.1: Bảng giá trị lực kéo Fk ở từng tỷ số truyền ne (vòng/phút) Fk1 (N) Fk2 (N) Fk3 (N) Fk4 (N) Fk5 (N) Fk6 (N)

Bảng 4.2: Bảng giá trị vận tốc ở từng tỷ số truyền ne (vòng/phút) v1 (m/s) v2 (m/s) v3 (m/s) v4 (m/s) v5 (m/s) v6 (m/s)

Ff = f.G = f.(mktai + mhk + mhh).g (4.37) Trong đó:

- mktai: Khối lượng không tải của xe (kg)

- mhk: Khối lượng của hành khách(kg)

- mhh: Khối lượng hàng hóa (kg)

G = (mktai + mhk + mhh).g: Trọng lượng toàn tải của xe (N)

- f: Hệ số cản lăn tương ứng từng tốc độ:

Ta xét trường hợp xe chuyển động trên đường nhựa bê tông

Khi xe của xe < 22,2 (m/s) thì chọn: f = 0,018 v: Vận tốc của xe ứng với từng tỷ số truyền (m/s)

4.3.2.4 Tính lực cản không khí tác dụng lên xe [N]

- v: Vận tốc của xe tương ứng từng tỉ số truyền

- Cx: Hệ số cản không khí

- S: Diện tích cản không khí (m 2 )

- B0: Chiều rộng tổng thể (mm)

- H: Chiều cao tổng thể (mm)

Bảng 4.3: Bảng giá trị lực cản lăn Ff6 và lực cản không khí Fω6 ứng với hệ số cản lăn f Ff6 (N) Fω6 (N) Ff6 + Fω6 (N)

F φ = mk1.G1.φ = 0,7.13340.0,8 = 7470,4 (N) Chọn: φ = 0,7 (Hệ số bám dọc giữa lốp và đường: φ = 0,7 ÷ 0,8) mk1 = 0,7 (Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng lên cầu trước: mk1 = 0,7 ÷ 0,8)

Hình 4.3: Đồ thị cân bằng lực kéo ô tô theo từng tỉ số truyền

- Hai đường Fk6 và (Ff6 + F ω6 ) cắt nhau tại A, tại A chiếu vuông góc xuống trục hoành ta được giá trị vmax = 56,6 m/s ứng với điều kiện chuyển động đã cho Ta thấy vmax = 61 m/s của thông số kỹ thuật có sai số so với vmax từ đồ thị, nguyên nhân là do đồ thị cân bằng lực kéo được vẽ dựa trên thông số có được từ công thức S.R.Lây Đécman nên sẽ có sai số vì đây là công thức gần đúng

- Điều kiện để ô tô chuyển động trong trường hợp này là:

- Lực kéo tiếp tuyến lớn nhất Fkmax không chỉ dựa vào moment quay cực đại của động cơ và tỷ số truyền trong hệ thống truyền lực, còn bị hạn chế bởi điều kiện bám:

Fkmax =F φ Do đó, khả năng lực kéo tiếp tuyến có thể thể hiện ở vùng giá trị F k ≤ F φ

Xây dựng đồ thị cân bằng công suất

4.4.1 Phương trình cân bằng công suất v max = 56,6 m/s

Công suất tạo ra bởi động cơ không chỉ được sử dụng để thắng lực ma sát trong hệ thống truyền động mà còn để vượt qua các rào cản chuyển động Phương trình cân bằng công suất của động khi chuyển động là kết quả của sự cân nhắc giữa công suất cơ phát ra và công suất cản mà động sơ phải đối mặt:

- Pe: Công suất từ động cơ

- Pt: Công suất tiêu hao vào ma sát trong hệ thống truyền lực

- Pf: Công suất tiêu hao vào việc vượt qua lực cản lăn

- Pi: Công suất tiêu hao vào việc vượt qua lực cản lên dốc

- P ω : Công suất tiêu hao vào việc vượt qua lực cản không khí

- Pj: Công suất tiêu hao vào việc vượt qua lực cản quán tính

- Pm: Công suất tiêu hao vào việc vượt qua lực cản remooc Ở công suất Pi: Dấu (+) dùng khi xe lên dốc, dấu (-) dùng khi xe xuống dốc Ở công suất Pj: Dấu (+) dùng khi xe tăng tốc Dấu (-) dùng khi xe giảm tốc

Nếu xét các bánh xe chủ động thì phương trình cân bằng công suất có dạng:

Pk = Pe – Pt = Pf ± Pi + ± Pj + Pm (4.41) Với Pk là công suất của động cơ đã truyền đến các bánh xe chủ động:

=> Pt= P e (1 − η) Nếu tổng hợp công suất tiêu hao do lực cản lăn và lực cản lên dốc, thì ta sẽ nhận được công suất tiêu hao do lực cản của mặt đường F ω

4.3.2 Phương pháp xây dựng đồ thị

Chúng ta xây dựng đồ thị cho trường hợp: hộp số vô cấp với sáu cấp số truyền, xe chuyển động ổn định (j = 0) trên đường nằm ngang và không kéo remooc, tức là:

Pk = Pe η = Pe – Pt = Pf + P ω (4.44)

Vẽ các đường biểu thị công suất Pki ở các tỷ số truyền dựa vào:

- η: Hiệu suất của hệ thống truyền lực

Vẽ các đường biểu thị công suất Pei dựa vào Pki

Vẽ các đường biểu thị công suất tiêu hao do lực cản không khí dựa vào:

Vẽ các đường biểu thị công suất tiêu hao do lực cản lăn dựa vào:

Vẽ đường cong (P ω + Pf ) là tổng các giá trị P ω và Pf tương ứng

Bảng 4.4: Bảng giá trị Pe, Pk, Pf theo từng tốc độ

Hình 4.4: Đồ thị cân bằng công suất của ô tô

- Tương ứng với các vận tốc khác nhau, tung độ nằm ở giữa đường cong (P ω6 + Pf6

) và đường cong Pk6 là công suất dự trữ, còn được gọi là công suất dư Pd dùng để: leo dốc, tăng tốc, kéo remooc

- Tại điểm A: Pd = 0, nghĩa là xe không thể tăng tốc, leo dốc Khi chiếu điểm A xuống trục hoành, chúng ta được vmax = 56,6 (m/s) ứng với điều kiện đã cho

- Ta thấy vmax = 61 (m/s) của thông số kỹ thuật có sai số so với vmax từ đồ thị, nguyên nhân là do đồ thị cân bằng lực kéo được vẽ dựa trên thông số có được từ công thức S.R.Lây Đécman là công thức gần đúng, do đó sẽ có sai số

- Để đảm bảo xe di chuyển ổn định trên một đường cố định với vận tốc nhỏ hơn vmax thì cần giảm độ mở cánh bướm ga, và có thể về tỷ số truyền thấp hơn của hộp số

- Lưu ý: Tốc độ tối đa của xe chỉ đạt được khi xe di chuyển đều trên đường nằm ngang, cánh bướm ga hoàn toàn mở và đang ở tỷ số truyền cao nhất của hộp số

Xây dựng đồ thị đặc tính động lực học

4.5.1 Đặc tính động lực học ô tô

Khi so sánh tính chất động lực học của các loại ô tô khác nhau và ứng với các điều kiện làm việc của xe ở các loại đường khác nhau, người ta muốn có một thông số thể hiện được ngay tính chất động lực học của ô tô Phương trình cân bằng lực kéo không thuận lợi để đánh giá các loại ô tô khác nhau Cho nên cần phải có một thông số đặc trưng cho tính chất động lực học của xe mà chỉ số kết cấu không có mặt trong đó Thông số đó gọi là đặc tính động lực học của ô tô Đặc tính động lực học của ô tô là tỷ số giữa phần lực kéo tiếp tuyến sau khi đã trừ đi lực cản không khí (Fk - F φ ) và trọng lượng toàn bộ G của ô tô vận chuyển Đặc tính động lực học ký hiệu là D:

G (4.48) Qua biểu thức trên ta thấy giá trị của D chỉ phụ thuộc vào các thông số kết cấu của xe nên nó có thể xác định cho mỗi xe cụ thể

Từ phươmg trình cân bằng lực kéo khi ô tô không kéo remooc:

Ta chuyển sang vế trái và chia hai vế cho G thì nhận được:

4.5.2 Phương pháp xây dựng đồ thị Đặc tính động lực học của ô tô D có thể biểu diễn bằng đồ thị Đồ thị đặc tính động lực học D biểu thị mối quan hệ phụ thuộc giữa đặc tính động lực học và vận tốc chuyển động của ô tô, nghĩa là D = f(v), khi đó ô tô tải đầy và động cơ làm việc với chế độ toàn tải được thể hiện trên đồ thị và được gọi là đồ thị đặc tính động lực ô tô

Trên trục tung, ta đặt các giá trị của đặc tính động lực học D, trên trục hoành ta đặt các giá trị vận tốc chuyển động v

Giá trị của D cũng bị giới hạn bởi điều kiện bám: F φ ≥ F kmax hay mi.Gb φ ≥ F kmax Nên ta phải đưa thêm khái niệm đặc tính động lực học tính theo điều kiện bám D φ

G (4.51) Để ô tô chuyển động không bị trượt quay thì: D φ ≥ D Để duy trì cho ô tô chuyển động phải thỏa mãn điều kiện sau:

Bảng 4.5: Bảng giá trị động lực học D theo từng tốc độ v1, v2, v3 v1 (m/s) D1 v2 (m/s) D2 v3 (m/s) D3

Bảng 4.6: Bảng giá trị động lực học D theo từng tốc độ v4, v5, v6 v4 (m/s) D4 v5 (m/s) D5 v6 (m/s) D6

Bảng 4.7: Bảng giá trị f theo từng tốc độ v1, v2, v3 v1 (m/s) f1 v2 (m/s) f2 v3 (m/s) f3

Bảng 4.8: Bảng giá trị f theo từng tốc độ v4, v5, v6. v4 (m/s) f4 v5 (m/s) f5 v6 (m/s) f6

Bảng 4.9: Bảng giá trị Dφ theo từng tốc độ v1, v2, v3 v1 (m/s) Dφ1 v2 (m/s) Dφ2 v3 (m/s) Dφ3

Bảng 4.10: Bảng giá trị Dφ theo từng tốc độ v4, v5, v6 v4 (m/s) Dφ4 v5 (m/s) Dφ5 v6 (m/s) Dφ6

Hình 4.5: Đồ thị đặc tính động lực học

4.5.3 Xác định độ dốc lớn nhất mà xe có thể vượt qua được

- Đúng như đã trình bày ở trên, trong trường hợp ô tô chuyển động đều (ổn định) thì

D = Ѱ, nếu biết hệ số cản lăn của loại đường thì ta có thể tìm được độ dốc lớn nhất của đường mà ô tô có thể khắc phục được ở một vận tốc cho trước i = D – f = ѱ – f Độ dốc lớn nhất mà ô tô có thể khắc phục được ở mỗi tỷ số truyền khác nhau của hộp số, khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải được xác định bằng các tọa độ: Dmax – f, như vậy: imax = Dmax – f

Lấy giá trị: f = f0 = 0,018 Từ đó ta lập bảng số liệu sau:

Bảng 4.11: Bảng giá trị góc dốc

Tỷ số truyền Dmax imax α (độ)

4.5.4 Xác định sự tăng tốc của ô tô

Từ đồ thị đặc tính động lực học D = f(v) ta có thể xác định được sự tăng tốc của ô tô khi hệ số cản mặt đường đã biết và khi chuyển động ở một số truyền bất kỳ với vận tốc cho trước

Từ đó ta rút ra được gia tốc của ô tô: j = dv dt = (D − Ѱ) g δ i

Bảng 4.12: Bảng giá trị gia tốc j j1 (m/s 2 ) j2 (m/s 2 ) j3 (m/s 2 ) j4 (m/s 2 ) j5 (m/s 2 ) j6 (m/s 2 )

Hình 4.6: Đồ thị gia tốc của ô tô.

Tính ổn định dọc của xe

5.1.1 Tính ổn định dọc tĩnh

5.1.1.1 Xét tính ổn định của xe theo điều kiện lật đổ a Xe đậu trên dốc hướng lên

Hình 5.1: Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi đứng yên quay đầu lên dốc

Xu hướng lật đổ: xe có xu hướng lật quanh trục nằm trong mặt phẳng của đường và đi qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe cầu sau với mặt đường (điểm O2) theo phương dọc Trạng thái giới hạn lật đổ: Khi góc α tăng dần đến góc αt (giới hạn lật mà xe bị lật khi đứng quay đầu lên dốc), các bánh xe cầu trước nhất khỏi mặt đường: Z1 = 0

Lập phương trình moment đối với điểm O2 : ΣM io 2 = 0 ΣM io 2 = G.hg.sinαt – G.b.cosαt = 0 (5.1)

- αt : là góc giới hạn mà xe bị lật đổ khi đứng yên quay đầu lên dốc

- hg : là tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao b Xe đậu trên dốc hướng xuống

Hình 5.2: Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi đứng yên quay đầu xuống dốc

Tương tự khi xe quay đầu xuống dốc, thì xe có xu hướng lật quanh trục nằm trong mặt phẳng của đường và đi qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe cầu trước với mặt đường (điểm

O1), khi góc α tăng đến góc (góc giới hạn mà xe bị lật khi đứng quay đầu xuống dốc), các bánh xe cầu sau nhấc khỏi mặt đường: Z2 = 0, lấy moment đối với điểm O1 ta có: ΣM io 1 = 0 ΣM io 1 = G.hg.sinα t ′ – G.a.cosα t ′ = 0 (5.2)

- α t ′ : là góc giới hạn mà xe bị lật đổ khi đứng yên quay đầu xuống dốc

Chú ý: Không xét đến moment cản lăn nhằm tăng tính ổn định của ô tô

Nhận xét: Qua các biểu thức tính toán trên, ta có thể thấy góc giới hạn lật đổ tĩnh chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe

5.1.1.2 Xét tính ổn định của xe theo điều kiện trượt a Xe đậu trên dốc hướng lên

Sự mất ổn định dọc tĩnh của ô tô không chỉ lo sợ lật đổ mà còn do trượt trên dốc do lực bám không tốt giữa các bánh xe và mặt đường

Khi lực phanh lớn nhất đạt giới hạn bám, xe có thể bị trượt xuống dốc, góc dốc của xe bị trượt được xác định như sau:

- F P max : Lực phanh lớn nhất đặt ở các bánh xe trước

- φ: Hệ số bám dọc của bánh xe với đường (φ = 0,8 đối với các đường bê-tông, đường nhựa)

- Z 2 : 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 trượt khi đứng quay đầu trên dốc), lúc đó lực phanh đạt tới giới hạn bám ΣM io 1 = G.a.cos α tφ – G.h g sin α tφ − Z 2 L= 0

L (5.4) Khi ô tô đứng trên dốc quay đầu lên, ta thay giá trị Z2, ta được: tg α tφ = a φ

⇒ α tφ ≈ 15,2 o b Xe đậu trên dốc hướng xuống

Khi ô tô đứng trên dốc quay đầu xuống, làm tương tự ta được: tg α t ′ φ = a φ

- α tφ , α t ′ φ : góc giới hạn bị trượt khi xe đứng yên trên dốc quay đầu lên và xuống Để đảm bảo an toàn khi ô tô đứng yên trên dốc thì hiện tượng trượt phải xảy ra trước khi lật đổ, được xác định bằng biểu thức: tgα tφ < tgαt ⇔ α tφ < αt

Xe đứng yên trên dốc bị trượt trước khi hiện tượng lật đổ xảy ra Như vậy, có thể kết luận rằng xe vẫn an toàn khi đứng yên trên dốc

Nhận xét: Góc giới hạn của ô tô khi đứng trên dốc bị trượt hoặc bị lật đổ chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe và chất lượng mặt đường

5.1.2 Tính ổn định dọc động

Hình 5.3: Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi chuyển động lên dốc

Lấy moment lần lượt tại các điểm O1 và O2, rút gọn ta được biểu thức như sau:

Ta không xét Fm trong tất cả các trường hợp vì xe không kéo theo remooc

5.1.2.2 Trường hợp xe chuyển động lên dốc với vận tốc nhỏ, không kéo remooc và chuyển động ổn định (α ≠ 0) Ở trường hợp này ta có: Fj = 0, F m = 0

Khi tăng góc dốc α đến giá trị giới hạn, xe lật đổ ứng với Z1 = 0, rút gọn biểu thức, ta được góc dốc giới hạn khi xe bị lật đổ là: tgα d =b − f r b h g (5.9)

Hình 5.4: Sơ đồ xe chuyển động ổn định lên dốc không kéo móc 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

Thế các giá trị vào công thức (5.9) và làm tương tự như ở trường hợp ổn định dọc tĩnh, ta xác định được góc giới hạn mà xe bị lật đổ khi xe chuyển động lên dốc: t g α d =b − f r b h g = 1,5428 − 0,018.0,349272

⇒ α d ≈ 63 o Khi xe chuyển động xuống dốc, ta cũng xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ là: t g α d ′ =a + f r b h g = 1,1172 + 0,018.0,349272

⇒ α d ′ ≈ 55,15 o b Xét ổn định theo điều kiện trượt

Khi lực kéo tại các bánh xe chủ động đạt tới giới hạn bám, xe bắt đầu trượt (xét trường hợp xe có cầu trước chủ động)

F kmax = F φ = φ 𝑍 1 = G sin α (5.12) Mặt khác ta có:

Với: Z1 được xác định bằng cách lấy moment đối với điểm O2

Từ (5.12) và (5.13) ta xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị trượt: tgα φđ =(b − f r b ) φ

- Fkamx: Lực kéo tiếp tuyến lớn nhất ở bánh xe chủ động

- φ: Hệ số bám của bánh xe với mặt đường

Ta có điều kiện để đảm bảo cho ô tô trước khi bị lật đổ là: tgα φđ < tgαđ ⇔ α φđ < αđ

Bảng 5.1: Bảng giá trị của các phản lực, lực kéo, lực bám theo góc dốc khi xe chuyển động lên và xuống dốc α (°) Z1dl (N) Z2dl (N) Zbam1dl (N) Zk1dl (N) Z1dx (N) Z2dx (N)

Hình 5.5: Đồ thị thể hiện tính trượt và lật đổ của ô tô khi lên dốc α φđ = 20,97° α d = 63°

Fbam1dl = G.cos(α).φ: Lực bám ở bánh xe chủ động cầu trước khi xe chuyển động trên đường dốc lên (N)

Fk1dl = Fk: Lực kéo ở bánh xe chủ động cầu trước khi xe chuyển động trên đường dốc lên (N)

Z1dl = Z1: Phản lực mặt đường cầu trước khi xe chuyển động trên đường dốc lên (N)

Z2dl = Z2: Phản lực mặt đường cầu sau khi xe chuyển động trên đường dốc lên (N) α: Góc dốc mặt đường theo phương đọc (°)

Hình 5.6: Đồ thị thể hiện tỉnh lật đổ của ô tô khi chuyển động xuống dốc αU,15°

Z1dx: Phản lực mặt đường cầu trước khi xe chuyển động trên đường dốc xuống (N)

Z2dx: Phân lực mặt đường cầu sau khi xe chuyển động trên đường dốc xuống (N) α: Góc dốc mặt đường theo phương đọc (°)

- Đồ thị hình 5.5 biểu diễn hai hàm Fk1dl và Fbam1dl là lực kéo của bánh xe chủ động và lực bám của cầu chủ động, ở trường hợp này giả sử lực kéo của bánh xe chủ động phát ra ở mức bằng và đủ để khắc phục lực cản chuyển động gây ra bởi góc α thay đổi (Fi = G.sinα) Nếu góc dốc α tăng thì lực cản chuyển động Fi sẽ tăng theo và đồng thời Fk1dl cũng sẽ tăng để đảm bảo khắc phục được lực cản Fi Nên đường Fk1dl tăng được biểu diễn trên hình Đường Fbam1dl giảm theo độ tăng của góc α thể hiện sự dần dần tách bánh xe ở cầu trước ra khỏi mặt đường, điều này cũng thể hiện tải trọng thẳng đứng tác dụng lên cầu trước giảm (G1 = Z1 = G.cosα) theo độ tăng của góc α và dẫn đến lực bám của cầu trước cũng sẽ giảm theo (Fφ1 = φ Z1, G1 = Z1) cho đến khi về giá trị bằng 0 như trên hình Đến một giá trị góc dốc được biểu diễn trên hình là (20,97°), ở góc dốc này hai đường Fk1dl và Fbam1dl giao nhau, nói lên rằng khi xe chuyển động trên đường có góc dốc α = 20,97° thì ở bánh xe chủ động sẽ bắt đầu xuất hiện hiện tượng trượt xoay vì lúc này lực kéo ở bánh xe chủ động đã đạt tới giới hạn bám Nếu xe chuyển động trên đường nào đó với góc dốc α > 20,97° thì bánh xe chủ động sẽ bị trượt quay hoàn toàn và không thể chuyển động

- Đồ thị hình 5.5 biểu diễn mối tương quan giữa giá trị phản lực pháp tuyến mặt đường tác dụng lên cầu trước (Z1dl = Z1) và cầu sau (Z2dl = Z2) khi xe chuyển động trên đường có độ dốc hướng lên Theo hình 5.4, thì tại một góc dốc tới hạn thì xe sẽ bị lật đổ quanh điểm tiếp xúc của bánh xe cầu sau với mặt đường, hay nói cách khác là phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên cầu trước lúc này sẽ bằng 0 (Z1dl=0) Vì vậy ta tiến hành khảo sát giá trị Z1dl và Z2dl theo sự tăng của góc dốc mặt đường để tìm ra rằng ở một góc dốc nào đó thì giá trị Z1dl sẽ bằng 0, thể hiện rằng khi xe di chuyển trên đường với góc dốc này thì bánh xe cầu trước sẽ tách hoàn toàn ra khỏi mặt đường và có nguy cơ cao sẽ dẫn đến sự lật đổ của xe Đồ thị hình 5.5 bên phải biểu diễn tại góc dốc α = 63° thì Z1dl = 0 và xe sẽ lật đổ trong trường hợp này

- Tại góc dốc α = 55,15° thì Z1dx = 0 cho trường hợp xe chuyển động trên đường có độ dốc hướng xuống (hình 5.6)

5.1.2.3 Trường hợp xe chuyển động ổn định với vận tốc cao trên đường nằm ngang và không kéo theo remooc (α = 0)

Trong trường hợp này, ta có: Fj = 0, Fm = 0, α = 0, bỏ qua ảnh hưởng của lực cản lăn

Ta có sơ đồ moment như hình 5.7 Khi đó, xe có khả năng bị lật đổ do lực cản không khí gây ra nếu chuyển động với tốc độ rất lớn Lực cản không khí tăng tới giá trị giới hạn, xe bị lật quanh điểm O2 (O2 là giao điểm của mặt phẳng qua trục bánh xe sau với đường), lúc đó phản lực Z1 = 0

Tính ổn định ngang của xe

5.2.1 Tính ổn định của xe khi chuyển động thẳng trên đường nghiêng ngang

Hình 5.9: Xe chuyển dộng thẳng trên đường nghiêng ngang

- Y ′ , Y ′′ : Các phản lực ngang tác dụng lên các bánh xe bên phải và bên trái

- β: Góc nghiêng ngang của mặt đường

- Z ′ , Z ′′ : Các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên các bánh xe bên phải và bên trái

- Mjn: Moment của các lực quán tính tiếp tuyến tác dụng trong mặt phẳng ngang khi ô tô chuyển động không ổn định a Xét ổn định theo điều kiện lật đổ Ô tô có xu hướng lật đổ quanh trục nằm ngang trong mặt phẳng của đường và đi qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe bên phải với mặt đường (điểm B) như hình (5.9)

Lấy moment đối với điểm B và rút gọn ta được biểu thức:

2 cosβ − G h g sin β + M jn c (5.17) Khi góc β tăng tới giá trị giới hạn βđ , xe bị lật quanh trục đi qua B Lúc đó Z ′ =0 Thông thường giá trị Mjn nhỏ nên có thể coi: Mjn = 0, xe không kéo remooc nên: Fm 0

Ta xác định được góc giới hạn lật đổ khi xe chuyển động trên đường nghiêng ngang là: tg β đ = c

- βđ : Góc nghiêng ngang giới hạn của đường mà xe bị lật đổ b Xét ổn định theo điều kiện trượt

Khi chất lượng bám của bánh xe với mặt đường kém, xe có xu hướng trượt khi chuyển động trên đường nghiêng ngang Để xác định góc giới hạn khi xe bị trượt, ta lập phương trình hình chiếu các lực lên mặt phẳng song song với mặt đường:

- β φ : Góc nghiêng ngang giới hạn mà ô tô bị trượt

- φ y : Hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường

Rút gọn biểu thức (5.19) ta có: tgβ φ = φ y = 0,8 (5.20)

⇒ β φ ≈ 38,65 o Để đảm bảo an toàn thì xe phải trượt trước khi lật đổ, nghĩa là: tgβ φ < tgβđ hay β φ < C

⇔ 0,8 < 1,033 ⇔ 38,65 o < 45,94 o Khi ô tô đứng yên trên đường nghiêng ngang, ta cũng xác định được góc nghiêng giới hạn mà tại đó xe bị lật đổ hoặc bị trượt Ở trường hợp này, ô tô chỉ chịu tác dụng của trọng lượng Phương trình xác định cũng tương tự như phần trên, ta có ngay góc giới hạn mà xe bị lật đổ: tgβ t = C

⇒ β t ≈ 45,94 o Cũng tương tự ta có góc giới hạn mà xe bị trượt là: tgβ tφ = φ y = 0,8 (5.23)

⇒ β tφ ≈ 38,65 o Điều kiện để xe trượt trước khi lật đổ là: tgβ φ < tgβđ hay φ y < C

Bảng 5.3: Bảng giá trị phản lực và lực bám theo góc dốc khi xe di chuyển thẳng trên đường nghiêng ngang. β (°) Z’ (N) Z” (N) Fbamy (N) Fplny (N)

Hình 5.10: Đồ thị thể hiện tính trượt và lật đổ của ô tô khi xe di chuyển thẳng trên đường nghiêng ngang

Trong đó: β: Góc dốc mặt đường theo phương ngang ( o )

Z ′ : Phản lực mặt đường tại các bánh xe bên trái khi xe di chuyển thẳng trên đường nghiêng ngang (N)

Z ′′ : Phản lực mặt đường tại các bánh xe bên phải khi xe di chuyển thẳng trên đường nghiêng ngang (N)

Fbamy = G.cos(β) φ y : Lực bám ngang khi xe di chuyển thẳng trên đường nghiêng ngang (N)

Fplny = G.sin(β): Phản lực ngang khi xe di chuyển thẳng trên đường nghiêng ngang (N)

- Hình 5.10 biểu diễn hai hàm Fplny và Fbamy là phản lực ngang tại điểm tiếp xúc của các bánh xe với mặt đường và lực bám ngang của mỗi bánh xe, ở trường hợp này tại trọng

38,65° tâm của xe sẽ xuất hiện lực ngang gây ra bởi góc thay đổi (Fi = G.sinβ; β: góc nghiêng ngang của mặt đường) Nếu góc tăng thì lực ngang Fi sẽ tăng theo và phản lực ngang tại điểm tiếp xúc của các bánh xe với mặt đường cũng tăng để đảm bảo khắc phục được lực ngang Fi Nên đường Fplny tăng được biểu diễn trên hình Đường Fbamy giảm theo độ tăng của góc β, thể hiện sự dần dần tách các bánh xe bên trái ra khỏi mặt đường, điều này cũng thể hiện tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe bên trái giảm (G ′′ = Z ′′ = G cos β) theo độ tăng của góc β (xét góc phần tư thứ nhất của vòng tròn lượng giác từ 0 đến 90 o , sin tăng thì cos giảm và ngược lại) và dẫn đến lực bám ngang (Fbamy = φ y (Z ′ + Z ′′ )) giảm như trên hình Đến một giá trị góc dốc được biểu diễn trên hình là β = 38,65 o , ở góc dốc này hai đường Fbamy và Fplny giao nhau cho thấy khi xe chuyển động trên đường có góc dốc nghiêng ngang β = 38,65 o thì xe bắt đầu có hiện tượng trượt ngang

- Đồ thị 5.10 biểu diễn mối tương quan giữa giá trị phản lực tiếp tuyến mặt đường tác dụng lên các bánh xe bên phải (Z ′′ ) và các bánh xe bên trái (Z ′ ) khi xe chuyển động trên đường nghiêng ngang Theo hình 5.10, tại một góc dốc tới hạn thì xe sẽ bị lật ngang quanh điểm tiếp xúc của các bánh xe bên phải với mặt đường., hay nói cách khác là phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe bên trái lúc này sẽ bằng 0 (Z’ = 0) Vì vậy, ta tiến hành khảo sát giá trị Z’ và Z” theo sự tăng của góc dốc mặt đường để tìm ra rằng ở một góc dốc nào đó thì giá trị Z’ sẽ bằng 0, thể hiện rằng khi xe di chuyển trên đường nghiêng ngang với góc dốc này thì các bánh xe bên trái sẽ tách hoàn toàn ra khỏi mặt đường và có nguy cơ cao sẽ dẫn đến sự lật ngang của xe Và hình 5.10 biểu diễn tại góc dốc β 45,94 o thì Z’ = 0, xe sẽ lật đổ nếu chuyển động trên đường nghiêng ngang có độ dốc này

5.2.2 Tính ổn định của xe khi chuyển động quay vòng

5.2.2.1 Quay vòng trên đường nghiêng ngang hướng ra ngoài

Hình 5.11: Moment và lực tác dụng lên xe khi chuyển động quay vòng trên đường nghiêng ngang a Trong trường hợp lật đổ

Trong trường hợp xem xét việc lật đổ, ô tô phải chịu ảnh hưởng của các lực như sau: Lực ly tâm Fl, trọng lượng toàn bộ của ô tô G, xe không kéo remooc nên ta bỏ qua lực Fm Khi góc nghiêng tăng lên và đồng thời dưới tác động của lực ly tâm Fl, ô tô sẽ bị lật đổ về phía quanh trục đi qua điểm B (đây là trục chạy qua hai trục của bánh xe và vuông góc với mặt đường), tại thời điểm đó, vận tốc của ô tô sẽ đạt đến giới hạn và hợp lực sẽ bằng 0 Để xác định giá trị của phản lực ở phía bên trái, ta sẽ thiết lập phương trình cân bằng moment cho đường thẳng đi qua hai điểm tiếp xúc (hai điểm B trên hình 5.11) của các bánh xe bên phải với mặt đường, điều này chúng ta được:

- Z 1 ′′ , Z 2 ′′ : Các phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên bánh xe bên trái ở cầu trước và cầu sau

2 cos β − h g sin β) – Mjn – Fl.(h g cos β + C

2 sin β)] (5.25) Bình thường giá trị Mjn rất nhỏ chúng ta cho bằng 0 Thay giá trị của lực ly tâm vào công thức phía trên, chúng ta có: v n 2 (C

Giá trị của vận tốc giới hạn vn nhận được khi chúng ta lấy căn hai vế: vn = √ g.R.( c

2 sin β (5.27) hay vn = √ g.R.( c 2.⋅hg −tg β) 1+ c

- Góc nghiêng ngang của đường khi xe quay vòng bị lật đổ

- R: Bán kính quay vòng của xe

- v: Vận tốc chuyển động quay vòng

- vn: Vận tốc giới hạn khi xe quay vòng bị lật đổ. b Trong trường hợp trượt

Trong trường hợp xe trượt khi quay vòng trên đường nghiêng ngang, sự trượt có thể xảy ra do ảnh hưởng của các lực G.sin và Fl.cosβ (do điều kiện bám ngang của xe với mặt đường không đủ)

Khi xe đạt giá trị vận tốc giới hạn vn , nó bắt đầu trượt ngang, các phản lực ngang sẽ bằng lực bám, được thể hiện qua biểu thức:

Y ′ + Y ′′ = φ y (Z ′ + Z ′′ ) (5.28) Bằng các chiếu các lực này lên phương song song và phương vuông góc với mặt đường, chúng ta thu được:

Thế các giá trị biểu thức (5.30) và (5.29) và0 (5.28) rồi rút gọn, ta được: v φ 2 =R g (φ y cos β − sin β) φ y sin β + cos β (5.31) v φ = √R g (φ y − tg β)

Với β: là góc giới hạn khi xe quay vòng bị trượt

Xét trường hợp góc β thay đổi ta được bảng số liệu sau:

Bảng 5.4: Bảng giá trị vận tốc giới hạn quay vòng với góc nghiêng ngang ra ngoài β ( ͦ) vn (m/s) v φ (m/s)

Hình 5.12: Đồ thị thể hiện vận tốc nguy hiểm của ô tô khi trượt và lật đổ khi quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài

- Trong trường hợp xe đi qua đoạn đường cong và nghiêng ngang ra ngoài, các yếu tố về vận tốc trở nên cực kỳ quan trọng để đảm bảo an toàn Khi độ dốc tăng lên, nguy cơ lật và mất kiểm soát của xe cũng tăng lên Do đó, vận tốc an toàn cho mỗi đoạn đường nghiêng cần được xác định một cách cẩn thận để đảm bảo sự ổn định và an toàn của xe

- Tại góc là 46 o , xe có thể đối diện cới nguy cơ lật đổ hoàn toàn và khi ở góc 39 o , xe nguy cơ trượt cũng trở nên đáng lo ngại Những giá trị vận tốc nguy hiểm ở trường hợp trượt và lật đổ đều bằng 0 và được thể hiện trên đồ thị

- Đặc biệt, trên các đường có độ dốc lớn hướng nghiêng ra ngoài thì rủi ro về an toàn tăng lên đáng kể cho các xe di chuyển Điều này đặc biệt đúng trên các loại đường nghiêng ra ngoài, nơi mà rỏi ro về lật đổ và trượt xe luôn luôn cao

5.2.2.2 Quay vòng trên đường nghiêng ngang hướng vào trong

Hình 5.13: Đồ thị biểu hiện vận tốc nguy hiểm của ô tô khi quay vòng trên đường nghiêng ngang vào trong a Trong trường hợp lật đổ Ô tô dễ dàng gặp nguy cơ lật đổ quanh trục đi qua A và trong mặt phẳng của mặt đường.Nếu ta xem xét moment tại điểm A, ta có: ΣM iA = G C

2 sin β = 0 (5.32) Khi vận tốc của ô tô tăng lên giá trị giới hạn, ô tô sẽ có nguy cơ lật đổ Trong tình huống đó, bánh xe phía bên trái sẽ không còn tiếp xúc với mặt đường nữa nên: Z ′ = 0

𝟐 𝐡 𝐠 𝐭𝐠 𝛃 (𝟓 𝟑𝟑) b Trong trường hợp trượt Để xác định vi trí mà ô tô bắt đầu trượt, chúng ta cũng thực hiện quy trình tương tự như đã làm ở trên làm tương tự như trên, bằng cách phân tích các lực lên phương song song với mặt đường và phương vuông góc với mặt đường, kết quả thu được như sau:

F l cosβ − G sinβ = Y ′ + Y ′′ = φ y ( Z ′ + Z ′′ ) = φ y (G cosβ + F l sinβ) (5.34) Sau khi rút gọn biểu thức trên, ta thu được: v φ ′ = √R g (φ y + tg β)

Động học và động lực học quay vòng của xe

5.3.1 Động học quay vòng của xe Đầu tiên, chúng ta sẽ xem xét động học quay vòng của xe mà không tính đến sự biến dạng ngang của bánh xe do tính đàn hồi của lốp Khi bỏ qua sự biến dạng này, các vectơ vận tốc chuyển động của bánh xe sẽ nằm trong mặt phẳng quay (hay mặt phẳng đối xứng) của bánh xe

Hình 5.17 mô tả động học quay vòng của ô tô với hai bánh dẫn hướng ở cầu trước khi không tính đến sự biến dạng ngang của lốp Trên sơ đồ, A và B là vị trí của hai trụ đứng, E là điểm giữa của A và B, α1 , α2 là góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm quay vòng O Vì vậy, góc α sẽ đại diện cho góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước Đồng thời, AC và BD song song với trục dọc của ô tô

Hình 5.17: Sơ đồ động học quay vòng của xe khi bỏ qua biến dạng ngang

Khi xe di chuyển quay vòng, để tránh hiện tượng các bánh xe bị trượt lết hoặc trượt quay, đường vuông góc của các véctơ vận tốc chuyển động của các bánh xe phải gặp nhau tại một điểm duy nhất, được gọi là tâm quay vòng tức thời của xe (điểm O)

Dựa trên sơ đồ trên, chúng ta có thể chứng minh được công thức biểu diễn mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng để đảm bảo cho chúng không bị trượt khi xe quay vòng: cot α 1 − cot α 2 =q

- q: khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng tại vị trí đặt các cam quay của các bánh xe dẫn hướng

- L: Chiều dài cơ sở của xe

Từ biểu thức (5.38) ta có thể vẽ được đường cong biểu thị mối quan hệ lý thuyết giữa cá góc α1 và α2 : α1 = f(α2) khi xe quay vòng không có trượt ở các bánh xe (hình 5.17)

Hình 5.18: Đồ thị lý thuyết và thực tế về mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng Để tiện so sánh sự sai khác của mối quan hệ lý thuyết và thực tế giữa các góc α1 và α2

, trên hình 5.18 ta dựng thêm đường cong biểu thị mối quan hệ thực tế giữa các góc α1 và α2: α1 = f (α2) Độ sai lệch giữa các góc quay vòng thực tế và lý thuyết cho phép lớn nhất không được vượt quá 1,5 o

Hình 5.19: Sơ đồ động học quay vòng của xe có hai bánh dẫn hướng phía trước

Trong phần này chúng ta sẽ đi xác định các thông số động học của ô tô khi quay vòng theo sơ dồ ở hình 5.19 Ở sơ đồ này, ý nghĩa của các ký hiệu như sau:

- R: Bán kính quay vòng của xe

- α: Góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng

- v: Vận tốc chuyển động của tâm cầu sau

- ρ: Bán kính quay vòng của trọng tâm T

- ω: Vận tốc góc của xe khi quay vòng quanh điểm O

- g: Gia tốc góc của xe khi quay vòng quanh điểm O

- β: Góc tạo bởi OT và OF (F là tâm cầu sau)

- jh : Gia tốc hướng tâm của trọng tâm T

- jt: Gia tốc tiếp tuyến của trọng tâm T

- jx: Gia tốc hướng theo trục dọc xe của trọng tâm T

- jy: Gia tốc hướng theo trục ngang xe của trọng tâm T

Xét trường hợp xe quay vòng với vận tốc chuyển động là v = 5 (m/s)

Từ hình 5.19 ta tính được bán kính quay vòng R của xe Bán kính quay vòng là khoảng cách từ tâm quay vòng đến trục dọc của xe

R = L tg α (5.39) Với Rmin = 5,5 (m) là bán kính quay vòng tối thiểu của xe tg α = L

5,5 ≈ 0,48 ⇒ α ≈ 25,8 0 Vận tốc góc của xe khi quay vòng được tính: ω = v

2,66 tg(25,8 0 ) ≈ 1,356 (rad/s) (5.40) Gia tốc góc của xe khi quay vòng được xác định: ε =dω dt =tg α

Từ sơ đồ hình 5.19, ta có: cos α = R

√2,66 2 + 5,5 2 = 0,9 Thay các giá trị (5.42) và (5.39) vào (5.41), ta có: ε = 1

L R dα dt] (5.43) Hai thành phần gia tốc của trọng tâm T khi xe quay vòng jx và jy được xác định như sau:

Chiếu j h và lên trục dọc và trục ngang của xe, sau đó tổng hợp các véctơ gia tốc thành phần lại, ta có: j x = j t cos β − j h sinβ = ε ρ cos β − ω 2 ρ sinβ (5.45) j y = j t sinβ + j h cos β = ε ρ sinβ − ω 2 ρ cos β (5.46)

Mặt khác theo hình 5.18 ta lại có: ρ cos β = R ; ρ sinβ = b (5.47) Thay (5.44), (5.43) và (5.47) vào (5.45) và (5.46) ta nhận được: j x =dv dt +v (L 2 + R 2 )

Trong trường hợp ô tô chuyển động đều ( dv dt = 0) theo một quỹ đạo đường tròn thì góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sẽ không đổi α = const ( dα dt = 0)

Xét trường hợp xe chạy với vận tốc v = 7,46 (m/s) và bán bính quay vòng Trong trường hợp ô tô chuyển động đều ( dv dt = 0) theo một quỹ đạo đường tròn thì góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sẽ không đổi α = const ( dα dt = 0)

5,5 ≈ 10,12 (m/s 2 ) Ô tô quay vòng trong dải vận tốc cho phép từ 5 (km/h) đến 35 (km/h), ta có bảng sau

Bảng 5.7: Bảng giá trị gia tốc tiếp tuyến và hướng tâm theo vận tốc quay vòng v (km/h) v (m/s) j x (m/s 2 ) j y (m/s 2 )

Hình 5.20: Đồ thị gia tốc quay vòng của ô tô

5.3.2 Động lực học quay vòng của xe

Chúng ta nghiên cứu động học quay vòng của ô tô mà không tính đến ảnh hưởng độ đàn hồi ngang của lốp xe Trong thực tế, độ đàn hồi ngang của lốp tác động đến khả năng quay vòng và độ an toàn khi chuyển động của ô tô

Chúng ta sẽ xem xét động lực học quay vòng của ô tô khi bỏ qua biến dạng ngang của bánh xe theo sơ đồ ở hình 5.21

Trước hết chúng ta sẽ xét trường hợp: xe có cầu trước chủ động, quay vòng trên đường có độ dốc (α ≠ 0) và vận tốc không cố định (v ≠ 0)

Hình 5.21: Sơ đồ động lực học quay vòng của xe có hai bánh dẫn hướng phía trước Ý nghĩa của các ký hiệu trên hình 5.21 như sau:

- Fjl: Lực quán tính ly tâm tác dụng tại trọng tâm T của xe

- Fjlx, Fjly: Hai thành phần của lực Fjl theo trục dọc và trục ngang của xe

- Ybi: Các phản lực ngang tác dụng dưới các bánh xe

- Fki: Các lực kéo ở các bánh xe

- Ffi: Các lực cản lăn

- Fi: Lực cản lên dốc

- F ω : Lực cản của không khí

- Fj: Lực cản quán tính

- Jz𝜀: Moment quán tính tác dụng lên xe xung quanh trục đứng Tz Để xe có thể quay vòng một cách ổn định và tránh bị trượt khỏi đường cong, điều kiện cần và đủ là: tổng hợp tất cả các lực tác dụng lên xe theo trục Tx và trục Ty phải bằng không, đồng thời tổng hợp các moment tác dụng lên xe quanh trục đứng Tz đi qua trọng tâm của xe cũng phải bằng không Cụ thể là:

Phương trình cân bằng lực theo trục Tx:

∑X i = 0 (5.50) Phương trinh cân bằng lực theo trục Ty:

∑Y i = 0 (5.51) Phương trình cân bằng moment xung quanh trục đứng Tz:

∑M iz = 0 (5.52) Dựa trên các lực và moment tác dụng lên xe ở hình 5.20, chúng ta có thể triển khai các phương trình (5.50), (5.51) và (5.52)

Khi xe quay vòng, lực quán tính ly tâm là lực chủ yếu gây ra sự mất ổn định trong chuyển động của xe và là nguyên nhân chính gây ra sự nghiêng ngang của thùng xe, dẫn đến khả năng lật đổ xe Do đó, chúng ta sẽ tính toán cụ thể độ lớn của lực này:

Trong trường hợp: ô tô chuyển động đều ( dv dt = 0) theo một quỹ đạo đường tròn thì góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sẽ không đổi:α = const ( dα dt = 0)

Xét trường hợp xe chạy với vận tốc v = 5 (m/s) và bán kính quay vòng Rmin = 5,5 (m), nên ta có:

Bảng 5.8: Bảng giá trị lực quán tính theo tốc độ quay vòng v (km/h) v (m/s) F jlx (N) F jly (N) F jl (N)

Hình 5.22: Đồ thị thể hiện lực quán tính theo tốc độ quay vòng

Khảo sát động lực học quay vòng của xe trên các đường khác nhau

Trên quan điểm động lực học: Để xe quay vòng ổn định (không xảy ra trượt ngang) thì phải thỏa mãn phương trình cân bằng lực theo phương ngang

Trên cơ sở phương trình cân bằng lực theo phương ngang, chúng ta xác định được vận tốc nguy hiểm mà tại thời điểm đó xe bắt đầu xảy ra hiện tượng trượt ngang

5.4.1 Trường hợp xe quay vòng trên đường nhựa bê tông khô (chọn 𝛗 𝐲 = 0,9)

Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu trước theo phương ngang:

Vì góc α 1 và α 2 khi quay vòng khá nhỏ nên α 1 = α 2 ≈ 0 cos(α 1 ) = cos(α 2 ) = 1

- φ y : Hệ số bám ngang (chọn: φ y = 0,9)

- G1: Trọng lượng phân bố của xe lên cầu trước (N)

Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu sau lên phương ngang:

- G2: Trọng lượng phân bố của xe lên cầu sau (N)

Nên F jly 2 = 0,9.9660 = 8694 (N) Để xe quay vòng không bị trượt ngang thì cần thỏa điều kiện:

Từ hình 5.20 Ta có: tg β = b

F jl ⇒ F jl = F jly cos β= 20700 cos(15,67 0 )≈ 21499 (N) Gia tốc trọng tâm T của xe hướng theo chiều trục ngang: j y =F jly m 700

2300 = 9(m/s 2 ) Theo hình 5.20 ta có: sin β =F jlx

F jl ⇒ F jlx = sin β F jl = sin(15,67 0 ) 21499 ≈ 5806,8 (N) Gia tốc trọng tâm T của xe hướng theo chiều trục dọc: j x =F jlx m X06,8

2300 ≈ 2,52 (m/s 2 ) Vận tốc nguy hiểm v NH của xe khi đi vào đường vòng trên đường nhựa bê tông khô:

F jly = G v NH 2 g R min ⇒ v NH = √F jly g R min

Vậy vận tốc nguy hiểm của xe khi đi quay vòng trên đường nhựa bê tông khô: v NH = 7,04 (m/s) = 25,34 (km/h)

5.4.2 Trường hợp xe quay vòng trên đường nhựa bê tông ướt (chọn 𝛗 𝐲 = 𝟎, 𝟓𝟓) Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu trước theo phương ngang:

Vì góc α 1 và α 2 khi quay vòng khá nhỏ nên α 1 = α 2 ≈ 0 cos(α 1 ) = cos(α 2 ) = 1

- φ y : Hệ số bám ngang (chọn: φ y = 0,55)

- G1: Trọng lượng phân bố của xe lên cầu trước (N)

Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu sau lên phương ngang:

- G2: Trọng lượng phân bố của xe lên cầu sau (N)

Nên F jly 2 = 0,55.9660 = 5313 (N) Để xe quay vòng không bị trượt ngang thì cần thỏa điều kiện:

Từ hình 5.20 Ta có: tg β = b

F jl ⇒ F jl = F jly cos β = 12650 cos(15,67 0 ) ≈ 13138,3 (N) Gia tốc trọng tâm T của xe hướng theo chiều trục ngang: j y =F jly m 650

2300 = 5,5 (m/s 2 ) Theo hình 5.20 ta có: sin β =F jlx

F jl ⇒ F jlx = sin β F jl = sin(15,67 0 ) 13138,3 ≈ 3548,6 (N) Gia tốc trọng tâm T của xe hướng theo chiều trục dọc: j x =F jlx m 548,6

2300 ≈ 1,54 (m/s 2 ) Vận tốc cực đại vNH của xe khi đi vào đường vòng trên đường nhựa bê tông khô:

F jly = G v NH 2 g R min ⇒ v NH = √F jly g R min

Vậy vận tốc nguy hiểm của xe khi đi quay vòng trên đường nhựa bê tông khô: v NH = 5,5 (m/s) = 19,8 (km/h) Tương tự cách tính toán loại đường nhựa bê tông ta có thể tính được vận tốc nguy hiểm vNH của xe khi vào đường vòng trên các loại đường khác nhau ứng với từng hệ số φ y khác nhau: Đường đô thị khô: φ y = 0,6 Đường đô thị ướt: φ y = 0,4 Đường nông thôn khô: φ y = 0,7 Đường nông thôn ướt: φ y = 0,5 Đường cát khô: φ y = 0,15 Đường cát ướt: φ y = 0,25

Tóm lại: Để xe chuyển động quay vòng không bị trượt ngang ứng với các loại đường khác nhau thì tài xế chỉ chạy được với tốc độ tối da cho phép vmax (km/h) < vNH ( vận tốc nguy hiểm), để đảm bảo an toàn cho xe không bị trượt ngang Tương ứng với các loại đường ta tính được vận tốc nguy hiểm vNH khi xe quay vòng như sau:

Bảng 5.9: Bảng giá trị hệ số bám ngang và vận tốc nguy hiểm khi xe trượt ngang trên từng loại đường.

Các hệ thống giúp duy trì tính ổn định của xe

5.5.1 Hệ thống chống trượt TCS (Traction Control System) trên xe Honda CR-V

Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS (Traction Control System) trên ô tô là một trong ba công nghệ an toàn thuộc hệ thống phanh Hệ thống này còn được biết đến với các tên gọi khác như ASR, DSC, TRC TCS có chức năng tối ưu hóa độ bám đường của xe và ngăn chặn tình trạng trượt bánh khi di chuyển trên địa hình xấu hoặc trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt

Hình 5.23: Hình ảnh xe có và không có hệ thống TCS

5.5.1.1 Cách vận hành của hệ thống chống trượt

- Đèn cảnh báo trượt xe không chỉ là một biểu tượng của tính năng TCS mà còn là một phần không thể thiếu trong hệ thống

- Trên mỗi bánh xe của ô tô được trang bị các cảm biến trọng lực, chúng có nhiệm vụ chuyển thông tin đến hộp điều khiển hệ thống truyền động (PCM) Thông qua việc liên lạc với PCM, các cảm biến này có thể kiểm tra tình trạng mất lực kéo, hỗ trợ lái xe, điều chỉnh công suất động cơ và kích hoạt hệ thống phanh ABS

- Ngoài hệ thống phanh ABS và cảm biến trọng lực, các bộ phận như bộ điều khiển lực kéo, bơm điện và bộ tích áp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo đảm hoạt động hiệu quả của TCS Ví dụ, bình tích áp hỗ trợ trong việc phân phối áp suất đến từng bánh xe Đồng thời, van điện từ đóng vai trò quan trọng trong việc cách ly các mạch phanh [7]

Hình 5.24: Đèn báo trượt xe sáng khi hệ thống TCS hoạt động

5.5.1.2 Ưu và nhược điểm của hệ thống chống trượt a Ưu điểm

Hệ thống kiểm soát chống trượt (TCS) mang lại nhiều lợi ích đáng kể Đầu tiên, nó giúp giảm thiểu nguy cơ va chạm trên đường, đặc biệt là trong các điều kiện khắc nghiệt như mưa tuyết hoặc đường trơn trượt

Thứ hai, việc cài đặt TCS trên xe rất dễ dàng, đặc biệt khi phần lớn các ô tô hiện nay đều được trang bị phanh ABS và TCS Tuy nhiên, điều quan trọng là người lái vẫn cần phải lái xe cẩn thận và không chủ quan, dù có hệ thống TCS trên xe

5.5.2 Hệ thống cân bằng điện tử VSA (Vehicle Stability Assist) trên xe Honda CR-V

- Hệ thống cân bằng điện tử VSA được trang bị hầu hết các dòng xe Honda ô tô phân phối tại Việt Nam được kể đến như Honda CR-V, Honda HRV, Honda Civic, Honda City và Honda Accord Đây gần như là trang bị bắt buộc không thể thiếu trên xe ô tô tại các nước phát triển

- VSA (Vehicle Stability Assist) trang bị trên ô tô Honda nhằm giúp xe ổn định khi người lái rẽ nhiều hoặc ít hơn điều kiện giúp xe an toàn Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ duy trì lực bám trên bề mặt trơn bằng cách điều chỉnh công suất động cơ và sử dụng phanh phù hợp Honda đã phát triển và tích hợp hệ thống VSA vào xe để cải thiện và kiểm soát khi lái xe trong các tình huống khó khăn, điều này được đánh giá rất cao

5.5.2.1 Chức năng hệ thống cân bằng điện tử VSA

- Giữ vững lộ trình lái: b Nhược điểm

Mặc dù mang lại tiện ích, nhưng việc trang bị hệ thống TCS làm tăng giá thành của xe hơn so với những xe không có Ngoài ra, hệ thống này bao gồm nhiều bộ phận điện tử khác nhau, có thể trở nên không hiệu quả hoặc hỏng hóc theo thời gian, và việc sửa chữa chúng có thể tốn kém Một vấn đề khác là không phải tất cả các tài xế đều ưa thích TCS, một số người thậm chí muốn tự điều chỉnh và kiểm soát xe hơn là phụ thuộc vào hệ thống chống trượt Ví dụ, các tay đua có thể gặp khó khăn khi thực hiện các pha drift vì TCS có thể ngăn chặn trượt bánh xe

5.5.1.3 Một số lưu ý Đèn báo trượt xe không chỉ là một chỉ báo về tình trạng hoạt động của hệ thống TCS Đôi khi, nó cũng có thể đang cảnh báo về sự cố tiềm ẩn ở các thành phần khác trong hệ thống Ví dụ, nếu đèn báo trượt vẫn sáng dù xe đã trải qua một đoạn đường trơn trượt, có thể hệ thống phanh ABS gặp sự cố hoặc cảm biến trọng lực trên bánh xe đã bị hỏng Do đó, khi gặp tình huống này, quan trọng là kiểm tra và sửa chữa các thành phần liên quan kịp thời để đảm bảo an toàn khi lái xe.

VSA hoạt động thông qua theo dõi và điều chỉnh độ ổn định của xe Hệ thống sẽ tính toán thông tin về góc lái, gia tốc, và các cảm biến góc quay Khi nhận thấy biểu hiện mất lái, VSA sẽ tự động tác động lực phanh lên bánh xe để kiểm soát xe

- Phối hợp với hệ thống ABS kiểm soát độ bám đường của bánh xe:

Hệ thống cân bằng điện tử sẽ điều chỉnh công suất động cơ (moment xoắn) đến từng bánh xe nhằm kiểm soát và tối ưu khả năng bám đường của bánh xe trên những con đường trơn trượt và gồ ghề

VSA phối hợp cùng ABS nhằm ngăn chặn bó cứng ở bánh xe khi người lái phanh đột ngột hay nhấp nhả phanh liên tục

- Phân phối lực phanh điện tử

Hệ thống VSA sẽ tự động điều chỉnh cân bằng lực phanh giữa bánh trước và bánh sau, trước khi hệ thống ABS (Anti-lock Braking System) hoạt động (đặc biệt trong khi bánh sau bị bó cứng) Việc này giúp đảm bảo lực phanh được phân phối hiệu quả và phù hợp với trọng lượng của xe, đặc biệt khi phanh trong tình huống khẩn cấp hoặc trên các loại địa hình khác nhau Hiệu suất hệ thống phanh được tối ưu, giảm nguy cơ trượt và đảm bảo sự ổn định của xe

- Hỗ trợ phanh khẩn cấp

Hệ thống phanh VSA gồm các bộ phận chính sau đây:

- Mô-đun bộ điều khiển ECU

- Các cảm biến (Cảm biến tốc độ bánh xe, cảm biến góc lái, cảm biến quay vòng, cảm biến gia tốc, cảm biến áp suất phanh)

5.5.2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử VSA

Hệ thống VSA hoạt động hợp nhất với nhiều hệ thống an toàn khác trên xe hơi như ABS (hệ thống chống bó cứng phanh), TCS (hệ thống kiểm soát lực kéo), hay EBD (hệ thống phân phối lực phanh điện tử),… Tích hợp này tạo ra một hệ thống tổng thể hoạt động cùng nhau để cải thiện an toàn khi lái xe

VSA thu nhập thông tin từ nhiều cảm biến để xác định dữ liệu, từ đó dự đoán mức độ an toàn dịch chuyển của từng bánh xe:

• Cảm biến tốc độ bánh xe hỗ trợ xác định độ trượt của bánh xe trong quá trình ô tô vận hành

• Cảm biến vòng quay, cảm biến góc đánh lái, cảm biến gia tốc, cảm biến áp suất phanh làm nhiệm vụ đánh giá và dự đoán nguy cơ xe có thể bị lật hoặc mất lái

Các thông số về tốc độ bánh xe, góc đánh lái, áp suất phanh,… đều được các cảm biến liên tục đo đạc và truyền thông tin đến bộ điều khiển trung tâm ECU (Electronic Control Unit) Lúc này, ECU sẽ phân tích thông tin để nhận biết dấu hiệu bất thường khi một hoặc các bánh xe khác đang di chuyển hoặc dự đoán nguy cơ mất lái