Giáo trình ô tô 1 - Chương 7 pps

Xác định được phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe trong những điều kiện chuyển động khác nhau của ô tô.. Xác định phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên các bánh xe trong mặt

CHƯƠNG 7

PHÂN BỐ TẢI TRỌNG PHÁP TUYẾN,

KHẢ NĂNG BÁM VÀ TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA

Ô TÔ.

Mục tiêu :

Sau khi học xong chương này các sinh viên có khả năng:

1 Xác định được phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe trong những điều kiện chuyển động khác nhau của ô tô

2 Xác định được hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe của ô tô

3 Định nghĩa được hệ số thay đổi tải trọng lên các bánh xe của ô tô

4 Định nghĩa được tính ổn định của ô tô, tính ổn định dọc tĩnh, tính ổn định dọc động

5 Xác định được góc dốc giới hạn mà tại đó ô tô bị lật đổ hay bị trượt trong những điều kiện chuyển động khác nhau

6 Xác định được vận tốc giới hạn mà tại đó ô tô bị lật đổ hay bị trượt trong những điều kiện chuyển động khác nhau

7.1 PHÂN BỐ TẢI TRỌNG VÀ KHẢ NĂNG BÁM CỦA Ô TÔ:

7.1.1 Xác định phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên các bánh xe trong mặt

phẳng dọc:

Như chúng ta đã biết: Tính ổn định của ô tô phụ thuộc vào sự phân bố tải trọng lên các cầu và khả năng bám giữa các bánh xe với mặt đường Trong đó khả năng bám lại phụ thuộc vào phản lực thẳng góc của đường tác dụng các bánh xe và hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường

Khi xe chuyển động, các phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe luôn thay đổi tuỳ thuộc vào trạng thái và điều kiện chuyển động Giá trị của các phản lực này có ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ tiêu kỹ thuật của ô tô như: khả năng kéo và bám, chất lượng phanh, tính

ổn định và tuổi thọ của các chi tiết Bởi vậy, chúng ta sẽ xác định các phản lực đó trong các trường hợp cụ thể sau:

7.1.1.1 Trường hợp chuyển động tổng quát:

Xét ô tô chuyển động lên dốc không ổn định có kéo rơmóc:

Hình 7.1: Sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ôtô khi chuyển động lên dốc.

Trên hình 7.1 trình bày sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ôtô đang chuyển động tăng tốc ở trên dốc Ý nghĩa của các ký hiệu ở trên hình vẽ như sau:

G – Trọng lượng tồn bộ của ôtô

m l

T

Fm

hm

hg

h





Mk

Mf1

Mj1

Fj Gcos  Gsin 

Ff1

O1

Fk

G

Z1

F

v

b a

O2 Ff2

Z2 M Mj2 f2 L

Fk – Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động.

Ff1 – Lực cản lăn ở các bánh xe cầu trước

Ff2 – Lực cản lăn ở các bánh xe cầu sau



F – Lực cản không khí

Fi – Lực cản lên dốc

Fj – Lực cản quán tính khi xe chuyển động không ổn định (có gia tốc)

Fm – Lực cản ở móc kéo

Mf1 – Mômen cản lăn ở các bánh xe cầu trước

Mf2 – Mômen cản lăn ở các bánh xe cầu sau

 – Góc dốc của mặt đường

f – Hệ số cản lăn

rb – Bán kính tính tốn của bánh xe

hg – Tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao

hm – Khoảng cách từ điểm đặt lực kéo móc đến mặt đường

L – Chiều dài cơ sở của ô tô

lm – Khoảng cách từ tâm bánh xe sau đến điểm đặt lực kéo móc

Z1, Z2– Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và

cầu sau

Mj1, Mj2 – Mômen cản quán tính của bánh xe, thông thường trị số này nhỏ nên

có thể bỏ qua

Qua việc lấy mômen lần lượt đối với điểm O2, O1(O1, O2là giao điểm của mặt đường với mặt phẳng thẳng đứng qua trục của bánh xe cầu trước, cầu sau) và rút gọn ta được:

1

Z =

L

h F h ) F F sin G ( ) fr b ( cos

(7.1)

L

h F h ) F F sin G ( ) fr a ( cos G

2















7.1.1.2 Trường hợp xe chuyển động ổn định trên đường nằm ngang, không kéo rơmóc:

Trong trường hợp này thì: Xe chuyển động ổn định nên Fj = 0; không kéo rơmóc nên

Fm= 0, và xe chuyển động trên đường bằng α = 0 nên Fi= Gsinα = 0

O

T

Z2

G

F

Fk

Mk

Mf2

v

hg

rb

h

Mf1 Z1

O

Hình 7.2: Sơ đồ mômen và lực tác dụng lên ô tô chuyển động trên đường nằm ngang.

Để xác định các lực Z1k, Z2k ta lập phương trình mômen đối với điểm O2và O1 rồi rút gọn, ta được:

L

h F ) fr b ( G





L

h F ) fr a ( G







7.1.1.3 Trường hợp xe đang phanh trên đường nằm ngang, không kéo rơmóc:

Hình 7.3: Sơ

đồ lực tác

dụng lên ô tô khi phanh trên đường nằm ngang,

không kéo rơmóc

Trong trường hợp này ta coi lực cản không khí F 0, mômen cản lăn Mf 0, lực quán tính cùng chiều chuyển động của xe

Tương tự như trên ta cũng xác định được Z1pvà Z2p thông qua việc lấy mômen đối với điểm O2và O1, rồi rút gọn ta được:

j g 1p

Gb Fh Z

L





j g 2p

Ga Fh Z

L





7.1.1.4 Trường hợp xe đứng yên trên đường nằm ngang, không kéo rơmóc:





F j

O2

T

Z2p

G

a

b

L

Fp2

hg

rb

Fp1

Z1p

O1







Trong trường hợp này chỉ còn ba lực tác dụng lên xe: Trọng lượng tồn bộ của xe G và các phản lực thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe của cầu trước và cầu sau ở trạng thái tĩnh Z1tvà Z2t

đồ lực tác dụng lên xe khi đứng yên

Z1tvà Z2t cũng được xác định bằng cách lấy mômen đối với điểm O2và O1:

Z =

L ; Z =2t Ga

L

7.1.1.5 Hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe của ô tô:

Trong thực tế, ô tô làm việc ở những điều kiện khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện đường xá và sự điều khiển của người lái Do đó trị số các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên các bánh xe cũng bị thay đổi theo Tuy nhiên, các hợp lực Z1 + Z2 vẫn luôn bằng trọng lượng của xe Nghĩa là khi chuyển động tiến, thì trọng lượng phân ra cầu trước sẽ giảm

đi và trọng lượng phân ra cầu sau sẽ tăng lên Khi phanh ô tô, trọng lượng phân ra cầu sau giảm đi, còn phần trọng lượng phân ra cầu trước sẽ tăng lên

Để đánh giá sự phân bố tải trọng người ta ra đưa khái niệm hệ số phân bố tải trọng và được đặc trưng bởi tỉ số :

1 1

2 2

Z

n = G Z

n = G





Trong đó:

Z1, Z2- Phản lực thẳng đứng từ đường tác dụng lên các bánh xe

n1, n2- Hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau

G - Trọng lượng tồn bộ của ô tô

Hệ số phân bố tải trọng được xác định ứng với từng trường hợp cụ thể sau:

7.1.1.5.1 Xe đứng yên trên đường nằm ngang, không kéo rơmóc:

O2

T

Z2t

G

a b

L

hg

Z1t

O1

(7.5)

Thay các giá trị của Z1và Z2ở (7.5) vào (7.6) ta được:

1t 1t

2t 2t

n = = =

n = = =







Trong đó :

n1t, n2t- Hệ số phân bố tải trọng tĩnh lên các bánh xe cầu trước và cầu sau

7.1.1.5.2 Xe chuyển động ổn định trên đường nằm ngang, không kéo rơmóc:

Thay các giá trị Z1và Z2ở biểu thức (7.3) vào (7.6) ta được:

GL

h F Gfr n

GL

h F

Gfr GL

Gb

G

Z

t 1 g b k















2k

Trong đó :

n1k, n2k- Hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe trước và sau khi xe

chuyển động tịnh tiến

7.1.1.5.3 Xe đang phanh trên đường nằm ngang không kéo rơmóc:

Thay các giá trị Z1pvà Z2pở biểu thức (7.4) vào (7.6) ta được:

Trong đó :

1p

n , n2p - Hệ số phân bố tải trọng ra cầu trước và cầu sau khi phanh xe

j

F- Lực quán tính của ô tô khi phanh

Qua các trường hợp nghiên cứu trên ta có nhận xét sau:

- Sự phân bố tải trọng lên các bánh xe phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe

- Tọa độ trọng tâm của xe ảnh hưởng tới chất lượng bám của bánh xe với mặt đường, cũng như tính ổn định và tính dẫn hướng của xe

- Khi phanh ô tô, lực quán tính hướng về phía trước nên phản lực tác dụng lên cầu trước lớn hơn cầu sau

- Đối với ô tô du lịch, thông thường : Z1= Z2= 0,5G

(7.7)

(7.8)

(7.9) t

- Đối với xe tải, thông thường : Z2= (0,70,75)G.

7.1.1.6 Hệ số thay đổi tải trọng lên các bánh xe của ô tô:

Khi xe chuyển động, do trạng thái và điều kiện chuyển động luôn thay đổi, bởi vậy tải trọng tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và cầu sau cũng luôn thay đổi so với xe đứng yên trên đường nằm ngang Để thấy được tải trọng động thay đổi tăng hay giảm so với tải trọng tĩnh, chúng ta sẽ đưa ra khái niệm: Hệ số thay đổi tải trọng ( hoặc là: hệ số thay đổi phản lực) lên các bánh xe và được tính như sau:

Ở đây:

m1, m2 – Hệ số thay đổi tải trọng lên các bánh xe ở cầu trước và cầu sau Z1đ, Z2đ – Tải trọng động tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và cầu sau Z1t, Z2t – Tải trọng tĩnh tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và cầu sau. Khi xe tăng tốc ( hoặc lên dốc, hoặc chuyển động ngược chiều gió) thì m1< 1,

m2>1 và sẽ được kí hiệu là m1k, m2k

Khi xe đang phanh (hoặc xuống dốc, hoặc chuyển động thuận chiều gió) thì m1> 1, m2

< 1 và sẽ được ký hiệu là m1p,m2p

Các hệ số m1, m2được sử dụng thường xuyên khi tính tốn các hệ thống phanh, treo, lái

và các cầu xe

7.1.2 Xác định phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên các bánh xe ô tô trong mặt phẳng ngang:

7.1.2.1 Trường hợp chuyển động tổng quát: Xe chuyển động quay vòng trên đường

nghiêng ngang:

D

T

Fm

Fmcos 

Fmsin 

hg

Mjn

G Gcos  Gsin 

Y”

Y’

Z”

Z’

B

A c

c/2

Flsin 

Fl

c/2

Flcos 

hm

Hình 7.5: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ô tô khi quay vòng

trên đường nghiêng ngang

Trong trường hợp này ta giả thuyết rằng vết của bánh xe trước và sau trùng nhau, trọng tâm của xe nằm trong mặt phẳng đối xứng dọc, lực và mômen tác dụng lên ô tô gồm:

G – Trọng lượng tồn bộ của ô tô và được phân ra các thành phần theo góc

nghiêng ngang β

jn

M – Mômen của các lực quán tính tiếp tuyến của các phần quay của động cơ

và hệ thống truyền lực tác dụng trong mặt phẳng ngang khi xe chuyển động không ổn định

Fm– Lực kéo ở móc kéo ( phương của lực Fmtrùng với phương nằm ngang của mặt đường)

Fl– Lực ly tâm

Ở đây:

gR

Gv

F1 2

v – Vận tốc chuyển động của xe

R – Bán kính quay vòng của ô tô

g – Gia tốc trọng trường

Z’1, Z”1và Z’2, Z”2– Các phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên bánh xe

bên phải và bên trái ở cầu trước và cầu sau

Y’1, Y”1và Y’2và Y”2– Các phản lực ngang từ đường tác dụng lên bánh xe

bên phải và bên trái ở cầu trước và cầu sau

c – Chiều rộng cơ sở của ô tô

YY – Trục quay vòng của ô tô

β – Góc nghiêng ngang của đường

Để xác định trị số các phản lực bên trái, ta lập phương trình cân bằng mômen đối với đường thẳng đi qua hai điểm tiếp xúc ( hai điểm A – hình 7.5 ) của các bánh xe bên phải với mặt đường, ta được:

Z” = Z”1 + Z”2=

=          2sin)

c cos h ( F M ) sin 2

c cos h ( F ) sin h cos 2

c ( G

c

1

g 1 jn m

m

Tương tự, ta lập phương trình cân bằng mômen đối với đường thẳng đi qua hai điểm tiếp xúc ( hai điểm B ) của các bánh xe bên trái với mặt đường, ta xác định được trị số các phản lực bên phải:

Z’ = Z’1 + Z’2=

c cos h ( F M ) sin 2

c cos h ( F ) sin h cos 2

c

(

G

c

1

g 1 jn m

m

Muốn xác định phản lực ngang Y1, ta cũng lập phương trình mômen đối với đường thẳng đi qua hai điểm tiếp xúc ( hai điểm O2– hình 7.1 ) của các bánh xe sau với mặt đường,

ta được:

Y1= Y’1 + Y”1=

L

cos l F cos b F sin

(7.14)

Tương tự như trên, ta lập phương trình mômen đối với đường thẳng đi qua hai điểm tiếp xúc ( hai điểm O1) của các bánh xe trước với mặt đường để xác định phản lực ngang Y2:

Y2= Y’2 + Y”2=

L

cos ) L l(

F cos a F sin

(7.15)

Trong đó:

Y1– Phản lực ngang của đường tác dụng lên các bánh xe trước

Y2– Phản lực ngang của đường tác dụng lên các bánh xe sau

lm– Khoảng cách từ điểm đặt lực kéo móc đến điểm O2 (xem hình 7.1)

7.1.2.2 Trường hợp xe đứng yên trên dốc nghiêng ngang, không kéo rơmóc:

Trong trường hợp này thì lực ly tâm Fl= 0 và lực kéo móc Fm= 0

Rút gọn biểu thức (7.12) và (7.13) ta xác định được các phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên các bánh xe bên trái và bên phải như sau:

Z” =G c( cos g

β h sinβ)

-Z’ = G c( cos g

β + h sinβ)

c 2

Từ các biểu thức tính tốn trên, ta có nhận xét sau:

- Trị số của các phản lực thẳng góc cũng như các phản lực ngang từ đường tác dụng lên các bánh xe phụ thuộc vào trị số, điểm đặt và chiều tác dụng của các ngoại lực tác dụng trong mặt phẳng của ô tô

- Các phản lực này ảnh hưởng đến tính ổn định và tính năng dẫn hướng của ô tô

7.2 TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ :

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

Trong những điều kiện phức tạp như vậy, ô tô phải giữ được quỹ đạo của nó sao cho không bị lật đổ, không bị trượt hoặc thùng xe không bị nghiêng, cầu xe bị quay lệch trong giới hạn cho phép để đảm bảo chúng chuyển động an tồn, nâng cao vận tốc chuyển động của xe có nghĩa là tăng tính kinh tế và tính ổn định của ô tô trong mọi điều kiện làm việc

Trong phần này, chúng ta nghiên cứu tính ổn định của ô tô để đảm bảo khả năng không bị lật đổ hoặc bị trượt trong những điều kiện chuyển động khác nhau







(7.16)

7.2.1 Tính ổn định dọc của ô tô:

7.2.1.1 Tính ổn định dọc tĩnh:

Tính ổn định dọc tĩnh của ô tô là khả năng đảm bảo cho xe không bị lật đổ hoặc bị trượt khi đứng yên trên đường dốc dọc

a)

b)

Hình 7.6: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ô tô khi đứng yên.

a- Ô tô đứng quay đầu trên dốc

b- Ô tô đứng quay đầu xuống dốc

*Xét ổn định theo điều kiện lật đổ :

+ Xe đậu trên dốc đầu hướng lên (hình 7.6a):

- 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 α (góc giới hạn mà xet

bị lật khi đứng quay đầu lên dốc) thì các bánh xe cầu trước nhấc khỏi mặt đường: Z1= 0

Ta lập phương trình mômen đối với điểm O2:

M = Gh sinα Gbcosα = 0

-t g

b tg

α = h

+ Tương tự khi ô tô quay đầu xuống dốc (hình 7.6b), 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 dần đến góc '

t

α (góc giới hạn mà xe bị lật khi đứng quay đầu xuống dốc) thì các bánh xe cầu sau nhấc khỏi mặt đường: Z2 = 0 , lấy mômen đối với điểm O1và rút gọn thì ta được :

 t

Mf

Fp

G a

Gsin  Gcos 

a L b G

Z2

Z1

T

O1

O2

Gsin 

Gcos 

' t

α

t

L b

Fp

Z1

O1

O2

Mf

Z2

T

' t

α

' t g

a tg

α =

* Chú ý :

Trong các phương trình trên đã bỏ qua mômen cản lăn nhằm tăng tính ổn định tĩnh của

ô tô

* Nhận xét : Góc dốc giới hạn lật đổ tĩnh chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe.

Một số góc dốc giới hạn ở một số loại ô tô khi đứng trên dốc:

+ Đối với xe du lịch: ' o

α = α = 60 + Xe tải khi đầy tải: o ' o

α = (35÷40) , α 60 + Xe tự đổ khi không tải: o ' o

α = (20÷35) , α > 60

*Xét ổn định theo điều kiện trượt:

Sự mất ổn định dọc tĩnh của ô tô không chỉ do sự lật đổ dọc mà còn do trượt trên dốc

do không đủ lực phanh hoặc do lực bám không tốt giữa các bánh xe và mặt đường

+ Trường hợp thứ nhất: Nếu phanh tay là phanh hệ thống truyền lực và xe chỉ có cầu sau chủ động:

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

Trong đó:

Fpmax– Lực phanh lớn nhất đặt ở các bánh xe sau

φ – Hệ số bám dọc của bánh xe với đường

Z2 – Hợp lực của các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên các

bánh xe sau

Khi α tăng tới góc α (góc dốc giới hạn mà ô tô bắt đầu bị trượt khi đứng quay đầutφ trên dốc ) thì lúc đó lực phanh đạt tới giới hạn bám

M = Gh sinα + Gacosα Z L = 0

-t

2

Gacosα + Gh sinα

Z =

L

Khi ô tô đứng trên dốc quay đầu lên, ta thay giá trị Z2vào (7.19), ta được :

t φ

g

aφ tg

α = L φh

Khi ô tô đứng trên dốc quay đầu xuống, làm tương tự ta được:

' t φ

g

aφ tg

α =

L +

φh

(7.22) Trong đó:

' t

α , α - Góc dốc giới hạn bị trượt khi xe đứng yên trên dốc quay đầu

lên và xuống

+ Trường hợp thứ hai: nếu phanh tay sử dụng chung cơ cấu phanh với phanh chân, lúc

đó tất cả các bánh xe đều được phanh

pmax

Tương tự ta có điều kiện để ô tô trên dốc bị trượt như sau:

' t

Để đảm bảo an tồn khi ô tô đứng yên trên dốc thì hiện tượng trượt phải xảy ra trước khi lật đổ, được xác định bằng biểu thức:

t

tgα < tgα

- Nếu xe chỉ phanh ở cầu sau thì:

aφ < b L

φh h

Nếu xe phanh ở tất cả các bánh xe thì :

g

b

φ <

h

* Nhận xét:

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

7.2.1.2 Tính ổn định dọc động:

Khi ô tô chuyển động trên đường dốc có thể bị mất ổn định (lật đổ hoặc trượt) dưới tác dụng của các lực và mômen hoặc bị lật đổ khi ô tô chuyển động ở tốc độ cao trên đường bằng

7.2.1.2.1 Trường hợp chuyển động tổng quát:

Xét ô tô chuyển động lên dốc không ổn định có kéo rơmóc (sơ đồ mômen và lực như

ở hình 7.1)

Khi tăng góc dốc α đến giá trị giới hạn thì xe sẽ lật đổ ứng với Z1= 0, các bánh xe trước bị nhấc khỏi mặt đường Làm tương tự như phần ổn định dọc tĩnh, ta xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ khi chuyển động lên dốc hoặc xuống dốc

Để đơn giản, ta xét trường hợp ô tô chuyển động ổn định lên dốc, không kéo rơmóc nghĩa là: Fj = 0, Fm= 0

Vì α nhỏ nên ta có thể coi cosα= 1

Sau khi rút gọn biểu thức (7.1) ta được góc dốc giới hạn khi xe bị lật đổ là:





 (7.25)