Giáo trình lý thuyết ô tô

Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe trong trường hợp này gồm: Gk –trọng lượng của xe đặt tại bánh xe Pz –phản lực pháp tuyến của tải trọng tác dụng lên bánh xe Px –phản lực tiếp tuyến

LỜI NÓI ĐẦU

ôn học “Lý Thuyết Ôtô” chiếm vị trí quan trọng trong chương trình

đào tạo kỹ sư ngành ôtô.Giáo trình đề cập đến những vấn đề cơ bảnthuộc lĩnh vực ôtô liên quan đến sự phát triển của ngành ôtô trongsự nghiệp đổi mới của đất nước hiện nay,đồng thời cũng đề cập đếncác vấn đề liên quan đến sự phát triển kỹ thuật mới của ngành ôtôtrên thế giới

Khi nghiên cứu lý thuyết ôtô, khác với các môn học về cấu tạo và kết cấutính toán, người ta coi ôtô là một kết cấu tổng thể, là khảo sát quá trình lăn của bánh

xe với mặt đường và những yếu tố như động học, động lực học … ảnh hưởng đến quátrình lăn đó Trên cơ sở này khảo sát và đánh giá các đặc tính và sử dụng của ôtô.Nóicách khác, nghiên cứu lý thuyết ôtô là khảo sát mối quan hệ tương tác giữa ôtô-mặtđường

Thực ra trong mối liên hệ tương tác trên, chúng ta còn cần kể đến một thànhphần nửa có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình lăn của ôtô đó là người lái.Mô hìnhkhảo sát đó là: ôtô-đường-lái xe

Môn học” Lý Thuyết Ôtô” sẽ trả lời các câu hỏi sau:

-Đặc tính sử dụng ôtô là gì?

-Mục đích và nhiệm vụ việc khảo sát đặc tính sử dụng ôtô?

Đặc tính sử dụng ôtô được định nghĩa như sau: Đặc tính sử dụng đặt trưng chokhả năng sử dụng ôtô một cách có hiệu quả trong những điều kiện xác định (điềukiện đường xá, khí hậu…) và cho phép ta đánh giá ở một chừng mực nhất định mứcđộ hoàn thiện về kết cấu của ôtô tương ứng với các yêu cầu trong sử dụng

Những đặc trưng cơ bản của đặc tính sử dụng ôtô là:

-Chất lượng động lực học;

-Tính kinh tế nhiên liệu;

-Tính điều khiển (đặc tính lái và đặc tính phanh);

-Tính ổn định chuyển động;

-Tính năng thông qua (tính việt dã);

-Tính êm dịu chuyển động;

-Khả năng chứa đựng (chứa hàng hoá, hành khách…);

-Tính chịu bền;

-Tuổi thọ của ôtô;

-Tính thích ứng trong bảo dưỡng;

-Tính xếp, dỡ tải

M

1 Chất lượng động lực học của ôtô: là khả năng chuyên chở hàng hoá, hành

khách với tốc độ trung bình cao nhất có thể có ở từng điều kiện đường sá cụ thể.Chất lượng động lực học của ôtô càng tốt sẽ làm giảm thời gian vận chuyển.Nóicách khác chất lượng động lực học càng tốt sẽ tăng được khối lượng vận chuyển trênmột cung đường xác định trong một đơn vị thời gian

Chất lượng động lực của ôtô phụ thuộc vào chất lượng kéo (đặt tính kéo) vàchất lượng phanh xe

2 Tính kinh tế nhiên liệu của ôtô: là khả năng sử dụng hợp lý nguồn năng lượng

lỏng (xăng, diesel…) cho quá trình chuyển động

Tính kinh tế nhiên liệu là một chỉ tiêu rất quan trọng của đặt tính sử dụng củaôtô, bởi vì trong giá cước vận chuyển thì chi phí xăng dầu chiếm phần lớn (nói đếngiá cước vận chuyển,ở đây ta chỉ tính đến những chi phí về lao động, xăng dầu, haomòn máy móc…)

Khi giảm được mức tiêu hao nhiên liệu, sẽ giảm được giá cước vận chuyển, cónghĩa tính kinh tế nhiên liệu của ôtô càng được nâng cao

3 Tính điều khiển của ôtô: là tính chất thay đổi hướng chuyển động của ôtô

bằng việc thay đổi vị trí của bánh xe dẫn hướng.Khả năng chuyển động an toàn củaôtô phụ thuộc chủ yếu vào tính điều khiển của nó

4 Tính ổn định của ôtô: là tính chất mà trong quá trình chuyển động, ôtô không

bị lệch hướng, trượt trơn, trượt lết hoặc bị lật

Tính ổn định cùng với đặc tính động lực học phanh, tính điều khiển sẽ đảm bảosự chuyển động an toàn của ôtô.Tính ổn định càng đặc biệt quan trọng khi xe chạytrên đường trơn với tốc độ cao

5 Tính năng thông qua của ôtô: là khả năng làm việc của ôtô ở các điều kiện

đường sá khó khăn (đường xấu) và không đường (trên cát, trên vùng đồng ruộng lầy).Tính năng thông qua có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi nó làm việc trong cáclĩnh vực khai thác rừng, trong nông nghiệp, hầm mỏ, trong xây dựng và trong quân sự

6 Tính êm dịu chuyển động của ôtô: là đặc tính chuyển động của ôtô tên đường

không bằng phẳng ở tốc độ cao mà không xảy ra dao động thùng xe

Tính êm dịu chuyển động của ôtô có ảnh hưởng rất lớn đến:

-Tốc độ chuyển động trung bình của ôtô;

-Khả năng giữ tải khi xe chuyển động;

-Tiện nghi đi lại trong ôtô;

-Mức độ mệt mỏi của lái xe và hành khách trên đường;

7 Khả năng chứa đựng: đặc trưng cho số lượng hàng hóa, hành khách có thể

chuyên chở được trong xe.Khả năng chứ đựng phụ thuộc vào trọng tải của xe và kíchthước trong thùng xe

8 Độ bền (tính chịu bền) của ôtô: là đặc tính làm việc không gẫy vỡ, biến dạng

hư hỏng

9 Tuổi thọ của ôtô: là khả năng làm việc không bị mài mòn quá lớn đưa đến

việc phải sửa chữa và ngưng thời gian làm việc của máy móc

10 Tính thích ứng trong bảo dưỡng ôtô: là mức độ thuận tiện trong quá trình bảo

dưỡng, đặc tính này có từ giai đoạn thiết kế ôtô

11 Tính xếp dỡ tải của ôtô: là khả năng bốc dỡ hành hóa nhanh nhất của xe.

Vậy nhiệm vụ đặt ra cho môn học Lý Thuyết Ôtô là nghiên cứu phương pháp

đánh giá những đặc tính trên và tìm ra các chỉ tiêu (gọi là chỉ tiêu sử dụng) để đánhgiá chúng với mục đích:

-Nâng cao năng suất vận chuyển

-Hạ giá thành vận chuyển

Hướng cơ bản hiện nay của môn học Lý Thuyết Ôtô là đưa những kết luận được

rút ra từ quá trình nghiên cứu lý thuyết sát với thực tế sử dụng Nói cách khác là tìm

ra các số liệu, các chỉ tiêu đánh giá sát với điều kiện sử dụng Thí dụ: hệ số bám củabánh xe với mặt đườngϕ trong từng điều kiện cụ thể, hệ số cản lăn f , các chỉ tiêu đểđánh giá chất lượng phanh, chất lượng kéo …

MỤC LỤC

CHƯƠNG I LỰC VÀ MÔ-MEN TÁC DỤNG LÊN ÔTÔ 6

I Động cơ đốt trong-nguồn năng lượng

II Tổn thất công suất trong hệ thống truyền lực

III Sự tác dụng tương hỗ giữa bánh xe với mặt đường

IV Lực kéo trên các bánh xe chủ động

V Sức cản mặt

VI Phương trình động lực học chuyển động thẳng của ôtô

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN SỨC KÉO CHO ÔTÔ 41

I Các dạng tính toán sức kéo

II Xây dựng đặc tính kéo và đặc tính động lực học của xe

CHƯƠNG III LÝ THUYẾT PHANH ÔTÔ 51

I Khái niệm chung về quá trình phanh

II Phương trình động lực học của xe khi phanh

III Sử dụng trọng lượng bám trong quá trình phanh

IV Các thông số đánh giá chất lượng phanh

V Aûnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến quãng đường phanh

CHUYỂN ĐỘNG ÔTÔ

I Các phương pháp quay vòng

II Động học quay vòng của bánh xe hơi

III Xác định bán kính quay vòng nhỏ nhất và chiều rộng

hành lang quay vòng

IV Động lực học của xe khi quay vòng

V Ổn định chuyển động thẳng của xe

VI Dao động của bánh xe dẫn hướng

VII Ổn định trượt và ổn định lật của xe khi

chuyển động thẳng và quay vòng

CHƯƠNG V ĐỘ ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG ÔTÔ 95

I Khái niệm chung về độ êm dịu chuyển động

II Các dạng dao động của thùng xe

III Các thông số đánh giá độ êm dịu chuyển động

CHƯƠNG VI TÍNH NĂNG THÔNG QUA CỦA ÔTÔ 101

I Khái niệm về tính năng thông qua (TNTQ) của ôtô

II Đánh giá TNTQ prophin

III Đánh giá TNTQ bề mặt tựa

IV Các chỉ tiêu chung để đánh giá TNTQ

V Yếu tố động lực học ảnh hưởng đến TNTQ của ôtô

VI Các yếu tố kết cấu ảnh hưởng đến TNTQ của xe

VII Khả năng vượt tường chắn và hào của xe

VIII So sánh TNTQ căn cứ vào các thông số kết cấu của ôtô

CHƯƠNG VII TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU CỦA ÔTÔ 116

I Các chỉ tiêu đánh giá tính kinh tế nhiên liệu của ôtô

II Phương trình tiêu hao nhiên liệu của ôtô

III Tính kinh tế nhiên liệu của ôtô khi chuyển động không ổn định

IV Tính kinh tế nhiên liệu của ôtô khi có truyền động thủy lực

*Tài liệu tham khảo 121

CHƯƠNG I

LỰC VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN ÔTÔ

***********

I.ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG-NGUỒN NĂNG LƯỢNG

Ôtô chuyển động được là nhờ các lực và mô men tác dụng lên nó.Chúng cóthể chia ra thành hai nhóm như sau:

-Lực đẩy và mô men đẩy

-Lực cản và mô men cản trở chuyển động

Lực đẩy chủ yếu là phản lực tiếp tuyến của đường tác dụng lên bánh xe chủđộng, thường kí hiệu là Pk(hình 1-1).

Lực đẩy Pk phát sinh do lực truyền từ động cơ xuống các bánh xe chủ động(thông qua hệ thống truyền lực) và do sự tác dụng tương hỗ giữa bánh xe chủ độngvới mặt đường

Như vậy, để ôtô có thể chuyển động được, trước hết cần có nguồn năng lượng

- là nội lực do động cơ sinh ra truyền xuống bánh xe chủ động.Nguồn nội lực nănglượng này càng lớn, nghĩa là lực đẩy Pk càng có khả năng tăng cao.Ngược lại, khi nộilực của động cơ giảm, lực đẩy Pk sẽ bị giảm theo

Mặt khác, nếu không có sự tác động tương hỗ giữa bánh xe chủ động với mặtđường (bánh xe chủ động không tiếp xúc với mặt đường hoặc tại vùng tiếp xúc khôngphát sinh phản lực từ đường tác dụng lên bánh xe chủ động) cũng sẽ không xuất hiệnlực đẩy Pk cho dù lực truyền từ động cơ đến là rất lớn (ta sẽ nghiên cứu kỹ ở phầnsau)

1.Công suất động cơ

Công suất do động cơ sinh ra (công suất động cơ) là nguồn năng lượng nội lực,thường được kí hiệu là Ne.Một cách gần đúng, người ta thường coi Ne phụ thuộc vàosố vòng quay của động cơ (ne) ứng với trạng thái toàn tải của động cơ (thanh răng

r

v Mk

hoặc bướm ga mở hoàn toàn).Các yếu tố khác của động cơ được coi là ở chế độ tốiưu.Ta có:

Ne = f(ne)Trong thực tế Ne còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như:

-Mức độ mở bướm ga (hoặc thanh răng)

-Chất lượng và lượng cung cấp nhiên liệu

-Số vòng quay của trục khuỷu động cơ…

Do vậy, khi tính toán người ta thường xác định công suất động cơ Ne căn cứvào đường đặc tính ngoài của động cơ

2.Đường đặc tính ngoài của động cơ

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mô men xoắn của động cơ Me (hoặc côngsuất của động cơ Ne) và số vòng quay của trục khuỷu khi cung cấp nhiên liệu ở mứccao nhất (bướm ga mở hoàn toàn ở động cơ xăng, hoặc thanh răng bơm cao áp đượckéo hết cở ở động cơ diesel) được gọi là đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ và

thường được gọi tắt là đường đặc tính ngoài của động cơ (hình 1-2).

Đặc tính ngoài của động cơ cho các trị số lớn nhất của mô men Me (công suất

Ne) ở số vòng quay xác định

Các trị số nhỏ hơn của mô men hoặc công suất động cơ có thể nhận được bằngcách giảm mức cung cấp nhiên liệu

Các điểm đặc biệt của đường đặc tính là điểm công suất cực đại Nemax ứng vớisố vòng quay nN và điểm mô men cực đại Memax ứng với số vòng quay nM

Khi tăng số vòng quay của động cơ lên quá số vòng quay nN thì công suất động

cơ sẽ giảm

Nguyên nhân giảm công suất là do quá trình cháy của động cơ xấu đi, tổn thấtcông suất trong động cơ tăng lên và sự mài mòn các chi tiết trong động cơ cũngtăng.Vì vậy khi thiết kế xe người ta mong muốn nemax (tương ứng với vận tốc vmax củaxe) khi xe chạy trên đường bằng có lớp phủ mặt đường cứng (đường bê tông, đườngnhựa) không vượt quá số vòng quay nN từ (10-20)%.Để thực hiện mục đích đó, trênmột số xe có sử dụng bộ hạn chế số vòng quay của động cơ (bộ điều tốc)

Khoảng làm việc của động cơ nằm trong giới hạn từ số vòng quay nemin đến sốvòng quay nemax.Nhưng thực tế động cơ làm việc với tính kinh tế cao và ổn định làtrong khoảng từ nM đến nN.Khoảng này được gọi là khoảng làm việc ổn định củađộng cơ.Khi động cơ làm việc trong khoảng từ nM đến nN, nếu sức cản của đường tănglên sẽ làm cho số vòng quay của động cơ sẽ giảm xuống và tương ứng tốc độ chuyểnđộng của ôtô cũng giảm nhưng mô men xoắn của động cơ tự động được tăng lên.Giớihạn thay đổi tải của động cơ ứng với sự làm việc ổn điïnh của nó, tức là khả năng tựđộng thích ứng với sự thay đổi tải trọng trên các bánh xe được đánh giá bằng mô mendự trữ Mz(%)

100.1100

N

N e

z

M

M M

M M

Bảng 1-1.TRỊ SỐ GIỚI HẠN CỦA Mz,Km VÀ Kn

Trong thực tế, giới hạn thay đổi của lực cản bên ngoài rất rộng.Bởi vậy, trên

xe phải dùng hộp số và truyền lực chính để thay đổi lực kéo và vận tốc chuyển độngcủa ôtô cho phù hợp với sự thay đổi lực cản đó

Đặc tính ngoài của động cơ thường được xác định trên băng thử (kiểu thủy lựchoặc kiểu điện).Tuy nhiên, để tính toán các chỉ tiêu của đặc tính tốc độ kéo, sử dụngcác số liệu lấy từ đồ thị không thuận tiện bằng dùng các biểu thức toán học của

3 2

N e N

e N

e

n

n c n

n b n

n a

+Đối với động cơ Diesel 2 kì: a=0,87; b=1,13; c=1

+Đối với động cơ Diesel 4 kì: a=0,53; b=1,56; c=1,09

+Đối với động cơ Turbine khí: a=2; b=-1; c=0

Cho các trị số ne khác nhau, dựa theo công thức (1-1) sẽ tính được công suất Netương ứng và từ đó vẽ được đồ thị Ne=f(ne)

Có các giá trị Ne và ne có thể tính được các giá trị mô men xoắn Me của động

cơ theo công thức sau:

e

e e

n

N M

.047,1

104

=

Trong đó:

Ne_công suất động cơ [W]

ne_số vòng quay trục khuỷu [vg/ph]

Me_mô men xoắn động cơ [N.m]

Có các giá trị Ne, Me tương ứng với các giá trị ne, ta có thể vẽ đồ thị Ne=f(ne)và đồ thị Me=f’(ne)

Như vậy sau khi xây dựng được đường đặc tính ngoài của động cơ chúng tamới có cơ sở để nghiên cứu tính chất động lực học của ôtô

II.TỔN THẤT CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC

Khi truyền công suất từ động cơ đến các bánh xe chủ động, công suất luôn bịtổn thất một phần để thắng các lực cản trong hệ thống truyền lực, hệ thống treo vàphần vận hành… như:

-Lực cản quán tính của các cặp bánh răng

-Lực ma sát trong các ổ bi

-Công trượt trên các cặp bánh răng nghiêng

-Lực cản do phải khuấy dầu trong các cụm truyền lực…

Vì vậy công suất động cơ đặt tại bánh xe chủ động Nk luôn nhỏ hơn công suấtđộng cơ Ne

Nếu gọi Nt là công suất mất mát trong quá trình truyền lực từ động cơ đếnbánh xe, thì:

Nt= Ne-NkGiá trị của Nt phụ thuộc vào nhiều yếu tố: kết cấu hệ thống truyền lực, kiểu bộtruyền, vật liệu bôi trơn…Do đó, để xác định được chính xác Nt người ta thường dùngcác bệ thử chuyên dùng và việc xác định nó rất phức tạp

Nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ rằng trong các tổn hao công suất thì tổn hao ở hệthống truyền lực là lớn hơn cả.Vì vậy để đánh giá tổn thất năng lượng trong quá trìnhchuyển động người ta chỉ kể đến những tổn thất trong hệ thống truyền lực

Thông số đánh giá tổn thất trong hệ thống truyền lực là hiệu suất truyền lực, kíhiệu làη với:

e t e

k

N

N N

III.SỰ TÁC DỤNG TƯƠNG HỖ GIỮA BÁNH XE VỚI MẶT ĐƯỜNG

A.CÁC LOẠI BÁN KÍNH BÁNH XE

Tất cả các lực tác dụng lên ôtô đều truyền qua bánh xe (lốp ôtô) đến mặtđường.Do đó cả bánh xe và mặt đường đều bị biến dạng

Nếu ta lập hệ trục tọa độ Oxyz (hình 1-3) với:

Ox_trục song song với chiều chuyển động của xe

Oy_trục vuông góc với mặt phẳng dọc xe

Oz_trục vuông góc với mặt đường

Khi đó các lực tác dụng lên bánh xe sẽ là:

Px_lực dọc xe

Py _lực tác dụng theo phương ngang của xe

Pω_lưc cản không khí

G _trọng lượng toàn xe,đặt tại trọng tâm c

Dưới tác dụng của các lực Pz và mô men (do thành phần Px gây ra), lốp bị biếndạng theo hướng kính và biến dạng vòng.Lực Py là yếu tố làm cho lốp bị biến dạngtheo phương ngang.Vì vậy, trong quá trình chuyển động, kích thước của lốp luôn bịbiến đổi.Để phân biệt kích thước bánh xe trong các điều kiện cụ thể ta sử dụng cácloại bán kính bánh xe (bán kính lốp) như sau:

1.Bán kính thiết kế:là bán kính xác định theo kích thước tiêu chuẩn của

lốp.Bán kính thiết kế kí hiệu là r

Lốp ôtô có các loại kí hiệu sau (hình 1-4):

Hình 1-4.Kích thước lốp

a.Với lốp áp suất thấp: [áp suất hơi lốp q0 nằm trong khoảng (0,05-0,5) Mpa]thường kí hiệu theo công thức B-d, trong đó:

B_chiều rộng lốp [inch]

d_đường kính lắp ghép của vành bánh xe [inch]

Trong nhiều trường hợp có thể coi B≈H do đó bán kính thiết kế r được xác địnhtheo công suất sau:

[ ]m H

d r

1000

4 , 25

d r

1000

4 , 25

D_là đường kính ngoài của lốp [inch]

B_chiều rộng của lốp [inch]

H_chiều cao của lốp [innh]

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

Bánh kính tự do được kí hiệu là r0 Thông thường 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 gócωk = 0).Còn Gk là trọng lượng xe đặt tạitâm trục bánh xe.Bán kính tĩnh học kí hiệu là rt (hình 1-5)

Hình 1-5.Bán kính tĩnh học

Bán kính rt được tiêu chuẩn hóa với tải trọng cho phép lớn nhất.Nó có thể đượcxác định căn cứ theo kí hiệu của lốp:

rt= 0,5d+∆.λbd.BTrong đó:

d_đường kính lắp ghép của vành bánh xe [mm]

λbd_hệ số phụ thuộc sự biến dạng của lốp khi chịu tải.

Dưới tác dụng của tải trọng và áp suấât hơi lốp, theo quy định trong các tiêuchuẩn đối với lốp ôtô vận tải và ôtô buýt, với lốp có bộ điều chỉnh áp suất (trừ loạilốp có bề ngang rộng), thì H/B≈ 1

Đối với ôtô du lịch, nếu kích thước lốp tính bằng [inch], H/B ≈ 0,95.Nếu kíchthước ghi theo kiểu hỗn hợp (mét và inch) thì H/B≈ 0,8-0,85

Ở lốp kiểu hướng kính xe du lịch, trong kí hiệu của nó đã cho chỉ số tương ứngvới tỉ số H/B.Thí dụ: ở lốp có kí hiệu 205/70R14, H/B=0,7.Đối với lốp ôtô vận tải, ôtôbuýt lốp có điều chỉnh áp suất (trừ loại lốp có bề ngang rộng), lốp kiểu đường chéocủa xe du lịch,λbd= 0,8-0,9.Đối với lốp kiểu hướng kính xe 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 xe chuyển động (ωk≠ 0).Bán kính động lực học được kí hiệu là

rđ (h1-6)

Hình 1-6.Bán kính động lực học

Trong quá trình ôtô chuyển động , bán kính động lực học thay đổi.Thí dụ:-Nếu tăng áp suất hơi lốp q0 và giảm tải trong tác dụng theo phương thẳngđứng Pz thì bán kính động lực học rđ sẽ tăng lên

-Khi tăng vận tốc góc của bánh xe lăn ωk, lốp sẽ bị kéo dãn ra theo phươnghướng kính do tác dụng của lực ly tâm, do đó bán kính động lực học cũng sẽ bị tănglên

Trên mặt đường cứng có thể coi rđ≈ rt

5.Bán kính động học:là bán kính của một bánh xe giả định và có những đặc

điểm sau:

-Không bị biến dạng khi làm việc

-Không bị trượt lết hoặc trơn quay

-Có cùng vận tốc ωk và vận tốc dài vk như ở bánh xe thực tế đang được khảosát

Trong nhiều trường hợp bán kính động học còn được gọi là bán kính lăn.Dovậy bán kính động học được kí hiệu là rlăn với:

k lăn

n

S r

S

2π ≈ ∞

Khi xe chuyển động kèm theo hiện tượng trượt trơn hoặc trượt lết, bán kính lăn

rlăn của bánh xe sẽ biến thiên trong khoảng từ 0 đến +∞ hay rlăn = 0÷ ∞ và nó đượcxác định không thực nghiệm

Khi chuyển động không có trượt trơn (trượt lết hoặc trược quay) thì bán kínhbánh xe bị động có rlăn= r.Bán kính lăn còn có thể gọi là bán kính vận tốc vì nó biểuthị mối quan hệ giữa vận tốc chuyển động tịnh tiến của xe vk và vận tốc góc của bánh

xe chủ độngωk (rlăn = vk/ωk)

6.Bán kính tính toán: trong thực tế sự khác nhau giữa rlăn, r, rt không lớnlắm.Do đó để thuận tiện trong quá trình tính toán người ta thường dùng khái niệm bánkính tính toán (kí hiệu rk) với rk =λ x r

Trong đó:

r-bán kính thiết kế

λ-hệ số biến dạng của lốp

Với: + Lốp áp suất thấpλ = 0,930÷ 0,935

+ Lốp áp suất cao λ = 0,945÷ 0,950

B.PHẢN LỰC CỦA ĐƯỜNG TÁC DỤNG LÊN BÁNH XE

Ta khảo sát một bánh xe lăn trên đường biến dạng (hình 1-7):

Hình 1-7.Bánh xe lăn trên đường biến dạng

Bánh xe lăn trên đường tạo nên một vùng tiếp xúc.Do có các lực truyền tựđộng qua hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động và từ khung xe qua bánh xexuống mặt đường, nên tại vùng tiếp xúc của bánh xe có các phản lực của đường tácdụng lên bánh xe.Các phản lực này là rất nhỏ.Tổng hợp các phản lực thành phần đó(∑pi) sẽ được một phản lực tập trung ( ∑

=

= n

i i p P

1

) từ đường tác dụng lên bánh xe, cóphương bất kì

Ta có thể tách chúng thành 3 thành phần trong tọa độ Oxyz, với:

Pz –phản lực pháp tuyến, tác dụng theo phương vuông góc với mặt đường;

Py –phản lực tiếp tuyến theo phương ngang, nằm trong mặt phẳng song songvới đường, tác dụng vuông góc với mặt phẳng dọc xe;

Pz –phản lực tiếp tuyến, nằm trong mặt phẳng của đường, phương của trục Ox Bánh xe lăn được là nhờ các lực và mô men tác dụng lên nó (hình 1-8).Giả thiết rằng: Nếu hướng của mô men trùng với hướng quay của bánh xe thì mômen đó được gọi là

mô men kéo (hoặc mô men chủ động), và được kí hiệu là Mk

Nếu hướng của mô men ngược với chiều quay của bánh xe thì gọi là mô menphanh, kí hiệu là Mp

Lực do mô men xoắn đặt tại bánh xe chủ động (Mk) sinh ra gọi là lực vòng, kíhiệu là Pv:

k

k v r

M

p =

Trong đó:

Mk = Me.itl.ηtl

Me: mô men xoắn của động cơ

itl: tỉ số truyền của hệ thống truyền lực

ηtl: hiệu suất của hệ thống truyền lực

rk –bán kính tính toánPhản lực của đường tác dụng lên bánh xe theo phương tiếp tuyến, đặt tại vùngtiếp xúc của bánh xe với mặt đường gọi là lực kéo tiếp tuyến, kí hiệu là Pk.Lực kéotiếp tuyến là phản lực của lực vòng Pv.Nếu không có tổn hao tại vùng tiếp xúc thì giátrị của Pk bằng với giá trị của Pv, hay Pk = Pv

Lực do mô men phanh Mp sinh ra gọi là lực phanh, kí hiệu là Pp và lực phanhđặt tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường.Ta có:

k

p p r

M

P =

1.Xét trường hợp bánh xe lăn khi không chịu tác dụng của lực ngang

Xác định tâm áp lực K (hình 1-8):

Giả thiết:Pz mang dấu (+) khi nó hướng lên trên, Px mang dấu (+) khi nó cùngchiều với chiều chuyển động, bỏ qua các mô-men cản trong các ổ bi bánh xe và cáclực, mô men cản của không khí

Khi bánh xe đứng tại chổ,dưới tác dụng của tải trọng bánh xe Gk vết tiếp xúccủa bánh xe với mặt đường có dạng hình elip, do đó tất cả các phản lực trên vết tiếp

xúc nằm

đối xứng với các trục dọc, ngang của bánh xe, và Pz đi qua tâm trục của bánhxe.Điểm đặt của hợp các phản lực đó gọi tâm áp lực, kí hiệu là K Khi bánh xe lăntrên đường, do có biến dạng, nên phản lực thẳng đứng Pz bị lệch một đoạn bằng “a”(hay tâm áp lực bị chuyển dời) (hình 1-9)

Khoảng dịch chuyển “a” biểu thị tổn thất năng lượng do nội ma sát khi lốp bịbiến dạng, nóng lên, hoặc tổn thất do đường bị biến dạng.

Tùy thuộc vào tính chất của lốp và tình trạng của mặt đường mà tổn thất nănglượng (biểu thị qua sự chuyển dời điểm đặt lực Pz) là khác nhau

a.Trường hợp 1:Khi bánh xe lăn đều, chịu tác dụng của mô men kéo

Mk (hình 1-10)

Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe trong trường hợp này gồm:

Gk –trọng lượng của xe đặt tại bánh xe

Pz –phản lực pháp tuyến của tải trọng tác dụng lên bánh xe

Px –phản lực tiếp tuyến của đường tác dụng lên bánh xeLập các phương trình cân bằng về lực và mô men ta có:

Pz = Gk ; Px = 0 ; Mk = Pz.aNhư vậy, để bánh xe lăn đều khi không có các lực cản khác ngoài tải trọng Gkđặt tại tâm trục bánh xe thì cần có mô men kéo Mk, mà trị số của nó cần có để bùđắp cho tổn thất do biến dạng của lốp và của đường (với trị số Mk = Pz.a)

Mô men Pz.a gọi là mô men cản lăn, kí hiệu là Mf, có chiều ngược với chiều

Mk.Phản lực tiếp tuyến của đường với bánh xe Px = 0

b.Trường hợp 2: là trường hợp bánh xe lăn đều, chịu tác dụng của lực

ngang Pđ đặt vào tâm trục bánh xe (hình 1-11), chiều của Pđ trùng với chiều chuyểnđộng của ôtô

Lập các phương trình cân bằng lực và mô men, có:

Gk = Pz ; Pđ = -Px ; Px.rk – Pz.a = 0Từ đó suy ra:

k z x r

a P

P =

Từ biểu thức trên chứng tỏ khi bánh xe lăn đều dưới tác dụng của lực đẩy Pđđặt vào tâm trục bánh xe, và không có các lực cản khác thì phản lực tiếp tuyến củađường Px có chiều ngược với chiều của lực đẩy Pđvà cân bằng với nó (Pđ= -Px).

Lực Px trong trường hợp này là lực cản.Nó tỷ lệ với biến dạng “a” và rk.Tỷ sốa/rk gọi là hệ số cản lăn, kí hiệu là f.Trường hợp bánh xe lăn đều, giá trị của hệ sốcản lăn là:

z x

P r

a

f = =

Do đó, hệ số cản lăn bằng tỷ số giữa lực Px (nhỏ nhất) đủ để cho bánh xe lănđều với phản lực pháp tuyến của đường là Pz.Và khi lăn không có hiện tượng trượttrơn, trị số của hệ số cản lăn f sẽ phụ thuộc vào tính chất và sự biến dạng của đườngvà lốp.Tích số Pz.f được gọi là lực cản lăn, kí hiệu là Pf, có chiều ngược với chiềuchuyển động của xe.Ta có:

Pf = Px = Pz.fNhư vậy, khi bánh xe lăn đều và chỉ chịu tác dụng của lực Gk và lực đẩy Pđđặt vào tâm trục bánh xe, phản lực của đường tác dụng vào bánh xe sẽ gồm Pf, Pz vàmô men cản lăn Mf (khi quy dẫn Pz về tâm trục bánh xe).Trường hợp này xảy ra vớicác bánh bị động

c.Trường hợp 3: bánh xe lăn không đều (có gia tốc), chịu các lực (hình 1-12):

-Tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng Gk

-Lực đẩy Pđđặt tại tâm trục bánh xe và có chiều ngược với chiều chuyển độngcủa xe

-Mô men kéo Mk (mô men xoắn của động cơ đặt tại bánh xe chủ động)

-Các phản lực pháp tuyến Pz và phản lực tiếp tuyến của đường Px

Mô men quán tính Mj phát sinh do sự chuyển động không đều của bánh xe gâyra,có hướng ngược với chiều gia tốc gócεk của bánh xe:

Mj = -Jk.εkTrong đó:

Jk –mô men quán tính bánh xe chủ động và các chi tiết cùng quay với nó

εk –gia tốc góc của bánh xe lăn

Lập các phương trình cân bằng lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ độngtrong trường hợp trên ta có:

Pz = Gk ; Pđ= Px

Mk+ Mj– Mf – Px.rk = 0Từ đó suy ra:

Px =

k

f j k r

M M

=

k f

k

k k k

k

r

M r

J r

M

– lực vòng do mô men xoắn đặt tại bánh xe chủ động (Mk) gây ra

Pjk – lực quán tính do các khối quay không đều gây ra

Pf – lực cản lăn

Mf – Mô men cản lăn, xuất hiện khi dời phản lực pháp tuyến về tâmtrục bánh xe

Từ biểu thức trên chứng tỏ rằng phản lực tiếp tuyến của đường Px phụ thuộcvào mô men xoắn Mk.Khi Mk tăng, giá trị của Px sẽ tăng.Trường hợp này Px cùngchiều chuyển động của xe và được gọi là lực kéo tiếp tuyến, kí hiệu là Pk.

Với: Pk = Pv – Pjk – Pf

Ở trường hợp trên, nếu là bánh xe bị động, Mk = 0.Khi đó:

Px = –Pjk – Pf = –(Pjk + Pf)Dấu “– “ chứng tỏ Px ngược với chiều chuyển động của xe.Px trong trường hợpnày là lực cản chuyển động

Cần nhớ rằng, mặc dù lực kéo tiếp tuyến Pk sẽ tăng khi mô men xoắn truyền từđộng cơ đến bánh xe chủ động Mk tăng.Nhưng Pk không thể tăng một cách tùy ý, màcòn phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe với mặt đường.Như vậy phản lực tiếptuyến lớn nhất bị giới hạn bởi khả năng bám của bánh xe với mặt đường.Giá trị lớnnhất có thể có được của lực kéo theo điều kiện bám, gọi là lực kéo theo điều kiệnbám của bánh xe với mặt đường (hay lực bám), kí hiệu là Pϕ

Lực kéo theo điều kiện bám Pϕ tỉ lệ với trọng lượng bám của xe:

Pϕ =ϕ.Gϕ =ϕ.PzTrong 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 mặtđường.Tuy nhiên, điều đó không chính xác hoàn toàn bởi vì khi tác dụng tương hỗgiữa bánh xe với đường (khi bám), ngoài ma sát trên bề mặt tiếp xúc còn có sự ănkhớp của bánh xe với nền đường.Vì vậy, thông thường hệ số bámϕ lớn hơn hệ số masát của bánh xe với đường

2.Cách xác định hệ số bám dọcϕ

Hệ số bám dọcϕ có thể xác định trong phòng thí nghiệm hoặc trên đường.Khixác định hệ số bám trên đường người ta có thể sử dụng phương pháp kéo, phươngpháp đo mô men xoắn trên bánh xe chủ động hoặc một số phương pháp khác.Dướiđây giới thiệu phương pháp kéo (hình 1-13)

Cho hai xe kéo nhau, giữa chúng bố trí lực kế tự ghi.Phanh cứng các bánh xecủa xe được kéo (xe số II).Khi xe được kéo trượt lết trên đường thì lực kế tự ghi sẽcho ta biết trị số lực bám Pϕ của xe được kéo.Từ đó có thể xác định được hệ số bámcủa bánh xe với mặt đường theo công thức sau:

ϕ =

ϕ

ϕ

G P

Trong đó:

pϕ -trị số lực bám được ghi trên lực kế [N]

Gϕ -trọng lượng bám tức là trọng lượng của xe 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 bảng 1 -2 cho các giá trị trung bình của hệ số bám

dọc lớn nhất ϕmax và hệ số bám dọc khi trượt hoàn toàn (trượt 100%).Tuỳ thuộc vàosự ảnh hưởng của các nhân tố khác ngoài sự trượt và vào phương pháp thử nghiệmtrên cùng một loại đường, giá trị thực tế của hệ số bám dọc ϕ có thể có sai lệch đôichút

Bảng 1-2 HỆ SỐ BÁM DỌCϕ CỦA MỘT SỐ LOẠI ĐƯỜNG

Loại đường và trạng thái lớp phủ

(trượt 100%)Đường bê tông, bê tông nhựa khô 0,80-0,90 0,70-0,80

3.Xét trường hợp khi có phản lực ngang của đường tác dụng lên bánh xe

Các bánh đàn hồi lăn trên đường khi chịu tác dụng của các ngoại lực theophương ngang sẽ bị thay đổi quỹ

đạo chuyển động.Ta xét hai trường

hợp: khikhông chịu tác dụng của

lực theo 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 cả ở phương

ngang.Do đó, mặt phẳng lăn của

bánh xe đã bị lệch hướng một góc

Hiện tượng bị lệch hướng

chuyển động của các bánh xe có

ảnh hưởng rất lớn đến tính ổn định

của xe khi đi thẳng cũng như quay

vòng

IV.LỰC KÉO TRÊN CÁC BÁNH XE CHỦ ĐỘNG

1.Lực kéo tiếp tuyến

Khi bánh xe lăn, dưới tác dụng của mô men xoắn Mk được truyền từ động cơqua hệ thống truyền lực, đặt vào bánh xe, bánh xe tác dụng lên mặt đường một lực cóchiều ngược với chiều chuyển động của xe.Lực đó kí hiệu là Pv –là lực vòng củabánh xe chủ động, với:

Pv =

k r M

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.Nếu không kể đến ảnh hưởng của lựcquán tính do các bánh xe quay không đều và lực cản lăn của nó thì trị số của lực kéotiếp tuyến bằng với trị số của lực vòng Pv

Lực kéo của xe là tổng lực kéo trên các bánh xe chủ động:

Pk =∑P ki

Giá trị lớn nhất có thể có được của lực kéo theo điều kiện bám giữa các bánh

xe với mặt đường gọi là lực kéo theo điều kiện bám hay lực bám của xe Pϕ Như vậy:

Pϕ =ϕ1.Gϕ1+ϕ2.Gϕ2+…+ϕn.GϕnTrong đó:

ϕ1,ϕ2, …,ϕn_hệ số bám của bánh xe chủ động thứ 1, 2, …, n

Gϕ i _trọng lượng bám ở các bánh xe chủ động

Nếu ta coi hệ số bám ở các bánh xe chủ động với đường là như nhau:

ϕ1 =ϕ2=ϕn=ϕ

thì: Pϕ = ϕ(Gϕ1 + Gϕ2 +…+ Gϕn)

nhưng Gϕ1 + Gϕ2 +…+ Gϕn = Gϕ là trọng lượng bám toàn xe

Nên Pϕ =ϕ.Gϕ

2.Các yếu tố ảnh hưởng đến lực bám của xe

a.Trọng lượng bám của xe Gϕ:Trọng lượng bám của xe tỉ lệ thuận với lựcbám

Khi phân tích công thức trên ta thấy: nếu ϕ1.Gϕ1 ≠ ϕ2.Gϕ2≠…≠ ϕn.Gϕn, còn mômen xoắn truyền đến các bánh xe là như nhau (hệ thống truyền lực có vi sai đối xứnggiữa các bánh xe và giữa các cầu chủ động) thì bánh xe nào có ϕ.Gϕ nhỏ nhất sẽ bịquay trượt trước.Vì vậy lực kéo thực tế của xe có thể có được trong trường hợp đó sẽbằng:

Pϕ = (ϕ.Gϕi)min.nbxTrong đó: nbx –số các bánh xe chủ động

Trọng lượng bám của xe phụ thuộc vào số cầu chủ động, trọng lượng bám của

xe chỉ bằng tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe cầu chủ động đó.Xe cótính năng thông qua cao có tất cả các cầu là chủ động, do vậy trọng lượng bám của xechính bằng trọng lượng toàn bộ xe

b.Chất lượng và trạng thái của đường

Chất lượng và trạng thái của đường là yếu tố quyết định ảnh hưởng tới hệ số

ma sát giữa đường và lốp cũng như lực cản trượt và lực cản nén của đất

Độ ẩm của đất ảnh hưởng tới hệ số ma sát giữa đường và lốp, tức là ảnh hưởngtới chất lượng bám của bánh xe với đường.Khi độ ẩm của đất tăng, hệ số ma sát giữađường và lốp giảm, và đặt biệt là giảm hệ số nội ma sát của đất.Do đó dẫn đến việcgiảm đáng kể lực bám giữa bánh xe với đường

c.Aùp lực riêng (áp suất hơi lốp)

Giảm áp lực riêng trên đường sẽ tăng diện tích tiếp xúc và dẫn đến tăng lựcbám của xe với đường.Ngoài ra trên đường biến dạng, việc giảm áp lực riêng còngiảm lực cản lăn của bánh xe, do vậy càng đảm bảo điều kiện tốt cho xe chuyểnđộng

Qua thực tế sử dụng các loại lốp chuyên dùng có áp suất hơi lốp rất thấp đãcho thấy rằng, trên nền cát việc giảm áp suất hơi lốp có ảnh hưởng rõ rệt đến hệ sốbám.Ví dụ: khi giảm áp suất hơi lốp từ 0,6 đến 0,3 Mpa thì hệ số bám tăng từ 0,47đến 0,65

d.Loại hệ thống truyền lực

Khi sử dụng hệ thống truyền lực thủy lực (hoặc thủy cơ), sự thay đổi vận tốcchuyển động của xe cũng như sự thay đổi mô men xoắn trên bánh xe chủ động xảy ramột cách từ từ, êm dịu, không giật xe.Do đó sự ăn khớp giữa bánh xe với mặt đường

ít bị phá hủy đảm bảo tăng lực bám của xe

Khi tính toán xe có trang bị hệ thống truyền lực thủy lực (hoặc thủy cơ), hệ sốbám lấy tăng lên từ (5÷10)% so với hệ thống truyền lực có cấp

e.Kết cấu của lốp

Hình dạng vấu bám, kích thước vấu bám (đặc biệt là chiều cao vấu bám) cómột vai trò quan trọng ảnh hưởng tới khả năng bám của bánh xe với đường.Việc lựachọn hình dạng vấu bám là một vấn đề phức tạp bởi vì khi khảo sát sự ăn khớp củabánh xe với đường không thể tách rời việc khảo sát lực cản tác dụng lên bánh xe

Thực tế đối với từng loại đường đều có thể lựa chọn hình dạng và kích thướcvấu bám thích hợp.Nhưng vì xe hoạt động trên nhiều loại đường khác nhau nên khitính toán chọn lốp, người ta chọn thông số trung bình.Khi chọn hệ số bám để tính toánkéo, sự ảnh hưởng do kết cấu của lốp thường được bỏ qua

Như vậy, với điều kiện tải như nhau thì yếu tố cơ bản ảùnh hưởng tới lực bám làđiều kiện đường.Ứng với mỗi loại đường khác nhau sẽ có hệ số bám khác nhau (xembảng 1-2) Giá trị tối đa của hệ số bám không vượt quá 0,9.Trong các điều kiện tốtnhất, hệ số bám nằm trong khoảng 0,6÷0,9.Như vậy, những xe có tất cả các cầu làchủ động và có khoá vi sai thì lực bám có thể đạt tới giá trị bằng 90% trọng lượng xekhi nó hoạt động trên đường bằng có bề mặt phủ cứng Trên đường đất chấtlượng bám kém, hệ số bám chỉ đạt (0,2÷0,3) nghĩa là hệ số bám chỉ đạt xấp xỉ bằnghệ số cản lăn.Trong điều kiện như vậy xe không thểû chuyển động được vì không còndự trữ lực kéo

V.SỨC CẢN MẶT ĐƯỜNG

Trong quá trình chuyển động, năng lượng từ động cơ truyền đến bánh xe chủđộng nhằm khắc phục các lực cản mặt đường và sức cản không khí

Sự tác động tương hỗ giữa ôtô với đường luôn kèm theo sự tổn thất nănglượng: tổn thất khi xe lên dốc, cho biến dạng của lốp và đường, cho dao động thùngxe…Ta sẽ lần lượt khảo sát các trường hợp cụ thể dưới đây

1.Trọng lượng của ôtô: kí hiệu là G

Trọng lượng G đặt tại trọng tâm xe

Khi tính toán, trọng lượng xe được xác định theo công thức sau đây:

Trong đó:

Ga –trọng lượng bản thân xe: Ga = G0 + Gnl + Gne + GtbVới: Go –trọng lượng khô của xe

Gne –trọng lượng tổ lái

Gtb –trọng lượng các dụng cụ chuyên dùng đi kèm theo xe

Gt –trọng lượng hàng chuyên chở (hoặc trọng lượng hành khánh và hành

lí mang theo)

Trong lượng xe G là một trong những yếu tố gây ra lực cản trở chuyểnđộng của xe

2.Lực cản lên dốc: Kí hiệu là Pi

Khảo sát trường hợp xe lên dốc với góc dốc α (hình 1-15).Trọng lượng xe Gđược đặt tại trọng tâm xe và phân ra hai thành phần:

vàα kí hiệu là i _độ dốc của đường

Độ dốc của đường thường được tính theo phần trăm, ví dụ: đường dốc 10%Khi đó ta có thể viết: Pi = i.G

Khi xe chuyển động xuống dốc, lực Pi cùng chiều với chiều chuyển động của

xe và sẽ trở thành lực đẩy

3.Lực cản lăn: Kí hiệu là Pf

Lực cản lăn của xe ôtô là tổng lực cản lăn của tất cả các bánh xe của nó

Qua nghiên cứu ở trên ta thấy, lực cản lăn biểu thị sự tổn hao công suất dobiến dạng của lốp, của đường cũng như tổn hao cho ma sát giữa đường và lốp, và cácdạng tổn hao khác có liên quan đến quá trình lăn của bánh xe.

Thực tế cho thấy, lực cản lăn ở mỗi bánh xe riêng biệt thường không như nhau,ngay cả khi chuyển động trên đường có bề mặt cứng

Trên đường biến dạng, lực cản chính diện của các bánh xe sau, lăn trên nềnđất nhỏ hơn rất nhiều so với lực cản chính diện của các bánh xe cầu trước.Ngoài ra,các bánh xe còn được liên hệ với nhau thông qua khung xe, thông qua các cụm củahệ thống truyền lực.Tất cả các yếu tố trên tạo nên sự tác dụng tương hỗ giữa chúng làrất phức tạp.Sự tác dụng tương hỗ này được phản ánh trong lực cản lăn.Cho nên, tổngcác lực cản lăn của từng bánh xe riêng biệt sẽ cho trị số khác xa so với lực cản lănthực tế của toàn xe.Vì vậy, lực cản lăn thực tế của xe được xác định trong tổng thể xehoàn chỉnh

Các yếu tố ảnh hưởng tới lực cản lăn gồm có:

-Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe

-Tính chất và trạng thái của đường

-Aùp lực riêng trên đường

-Vận tốc chuyển động của xe

-Kết cấu và trạng thái lốp

Như phần trên đã nêu, lực cản lăn của bánh xe tỉ lệ với phản lực pháp tuyến(Pf = Pz.f) cũng chính là tỉ lệ với tải trọng tác dụng theo phương thẳng góc đặt tại bánh

f1,f2 –hệ số cản lăn của các bánh xe cầu trước và cầu sau

G1,G2 –trọng lượng xe phân bố lên cầu trước và cầu sauNếu coi:

f1= f2 = f

Ta có:

Pf = f.cosα(G1 + G2) = f.G.cosα

Trị số của hệ số cản lăn f và độ dốc i đặc trưng tổng hợp cho chất lượng đường

sá.Vì vậy, người ta thường dùng khái niệm lực cản tổng cộng của đường, kí hiệu là

Pψ.Lực cản tổng cộng của đường bằng tổng lực cản lên dốc và lực cản lăn:

Pψ = Pi + Pf = G.sinα + f.G.cosα

Khiα <π/18 [rad]

Thì cosα ≈ 1; sinα ≈ 1

Do đó: Pψ = G(i + f)

Đặt ψ = i + f và gọi là hệ số cản tổng cộng của đường.Khi đó, lực cản tổngcộng của đường là:

Pψ = Pi + Pf =ψ.G

4.Hệ số cản lăn và phương pháp xác định chúng

Như trên đã nêu, hệ số cản lăn f phụ thuộc vào tính chất và sự biến dạng củađường, của lốp.Tải trọng động phát sinh khi bánh xe lăn trên đường càng lớn, sự biếndạng lớp phủ mặt đường càng lớn thì hệ số cản lăn f càng lớn

Mặt đường không bằng phẳng sẽ tạo ra tải trọng động làm cho lốp thêm biếndạng, tổn hao do đàn hồi của lốp tăng lên.Trên đường đất hệ số cản lăn f sẽ lớn hơn

so với đường nhựa và đường bê tông, thậm chí kể cả hai loại đường nói trên có sựbiến dạng như nhau.Nếu trên bề mặt đường có một màng nước mỏng hoặc bụi bẩndính ướt thì hệ số cản lăn cũng bị tăng do có tổn hao thủy lực để ép trên các lớpmàng đó

Hệ số cản lăn f thường được xác định bằng thực nghiệm: cho xe chuyển độngchậm dần hoặc dùng xe kéo

a.Phương pháp chuyển động chậm dần.Cho xe chuyển động với vận tốc xác

định trên đường bằng sau đó cắt động lực từ động cơ bằng cách đưa cần số về vị tríkhông.Khi đó xe sẽ chuyển động chậm dần rồi dừng hẳn.Như vậy động năng của xetrong trường hợp này sẽ tiêu hao để khắc phục lực cản lăn

Thành lập phương trình động năng ta có:

2

2

mv S

v –vận tốc của xe khi bắt đầu cắt nguồn động lực [m/s]

m –khối lượng của xe [kg]

S –quãng đường lăn được của xe sau khi cắt nguồn động lực [m]

Từ công thức trên ta tính được lực cản lăn Pf [N], sau đó xác định hệ số cảnlăn theo công thức sau:

G

P

f = f

với: G –trọng lượng của xe [N]

b.Phương pháp dùng xe kéo (hình 1-16)

Cho hai xe kéo nhau, giữa chúng bố trí lực kế tự ghi

Khi xe kéo chuyển động với vận tốc ổn định, lực kế sẽ chỉ một giá trị xácđịnh.Giá trị này chính bằng lực cản lăn của xe được kéo.Biết trọng lượng của xe đượckéo sẽ xác định được hệ số cản lăn của bánh xe với mặt đường (hình 1-16).

Khi thử nghiệm cần đảm bảo điều kiện về áp suất hơi lốp, tải trọng và tốc độchuyển động trung bình đúng như tiêu chuẩn của nhà máy sản xuất đã quy định

Qua thực nghiệm người ta xác định được các giá trị trung bình của hệ số cảnlăn trên các loại đường khác nhau (bảng 1-3)

Bảng 1-3HỆ SỐ CẢN LĂN CỦA MỘT SỐ LOẠI ĐƯỜNG

Loại đường và trạng thái lớp phủ mặt đường Hệ số cản lăn

-Đường bê tông nhựa và bê tông xi măng: 0,007 – 0,015

+Khi trạng thái mặt đường rất tốt 0,015 – 0,02

-Đường đất:

5.Mô men cản lăn Kí hiệu là Mf

Mô men cản lăn được kể tới là do việc chuyển dời phân lực pháp tuyến Pz từtâm áp lực K về mặt phẳng đi qua tâm trục bánh xe:

Mf = Mf1 + Mf2 = rđ.f.G.cosα

Trong đó:

Mf1, Mf2 –mô men cản lăn ở các bánh xe cầu trước và cầu sau

rđ–bánh kính động lực học của bánh xe

6.Lực cản moóc kéo Kí hiệu là Pmk

Lực cản moóc kéo là phản lực của toàn bộ rờ-moóc tác dụng lên xe kéo tạikhóa moóc kéo

Trong mặt phẳng dọc xe nói chung, lực cản moóc kéo có phương nghiêng vớimặt đường một góc γ.Nó được phân tích thành hai phản lực thành phần theo cácphương Ox và Oz.Trong đó:

Pxmk = Pmk.cosγ

Pzmk = Pmk.sinγ

Bản chất của các lực tác dụng lên rờ-moóc cũng tương tư như với các lực tácdụng lên xe kéo

7.Lực cản không khí Kí hiệu là Pω

Khi xe chuyển động trong môi trường khí quyển sẽ xuất hiện lực cản không khítác dụng lên xe

Lực cản không khí bao gồm hai thành phần sau:

- Lực cản chính diện.Lực cản này sinh ra do sự xoáy lốc của dòng khí.Nói cáchkhác: lực cản chính diện sinh ra bởi sự tăng áp suất không khí ở phía trước xe và sựgiảm áp suất không khí ở phía sau xe

- Lực cản do ma sát giữa vỏ xe và không khí ở gần vỏ xe với nhau.Khi xechuyển động, nó sẽ làm chuyển động các lớp không khí bao quanh nó.Lớp không khínày tác động lên các lớp không khí khác.Vận tốc của các lớp không khí gần vỏ xecao hơn vận tốc các lớp không khí xe vỏ xe.Do vậy tạo nên sự ma sát giữa các lớpkhí.Vận tốc của xe càng lớn thì khối lượng không khí tham gia vào chuyển động càngnhiều và tổng lực ma sát càng cao

Trên cơ sở thực nghiệm, ngườt ta đã thiết lập được công thức để tính lực cảnkhông khí đối với xe như sau:

K = c.ρ _hệ số cản không khí [Ns2/m4].Đối với các loại xe hệ số cản không khícó các giá trị sau:

+ Xe du lịch K = 0,15÷ 0,3

+ Xe buýt, thùng kín K = 0,3÷ 0,5

+ Xe vận tải K = 0,5÷ 0,7

F –diện tích cản chính diện của xe [m2]

v –vận tốc chuyển động tương đối của xe so với không khí [m/s]

Nếu vận tốc chuyển động của xe v [km/h], khi đó:

6,3

2

2

N v F K

Việc xác định diện tích cản chính diện của xe gặp nhiều khó khăn.Vì vậy trongthực tế người ta sử dụng công thức gần đúng sau (hình 1-17):

F = B.H [m2]Trong đó:

B –chiều rộng cơ sở của xe [m]

H –chiều cao lớn nhất của xe [m]

8.Lực quán tính của xe Kí hiệu là Pj

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

Lực quán tính này sẽ trở thành lực cản khi xe chuyển động nhanh dần và trởthành lực đẩy (lực chủ động) khi xe chuyển động chậm dần

Lực quán tính bao gồm các thành phần sau:

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

dt

dv g

G J m

P j1 = = Trong đó:

m –khối lượng của xe;

G –trọng lượng của xe;

g –gia tốc trọng trường

Lực quán tính Pj2 xác định như sau:

d

tl tl e e j

r

i J

ωe –vận tốc góc của trục khuỷu động cơ

itl –tỉ số truyền của hệ thống truyền lực

ηtl –hiệu suất của hệ thống truyền lực

rđ–bán kính động lực học bánh xe

Ta có thể biểu thị gia tốc góc của động cơ theo gia tốc chuyển động tịnh tiếncủa xe:

dt

dv r

i dt

d i dt

d

lan

tl k tl e

e = ω = ω =

ε

Trong đó:

ωk –vận tốc góc củabánh xe

dt

dωk -gia tốc góc của bánh xe

rlăn –bán kính lăn của bánh xeKết quả ta có:

Pj2 =

dt

dv r r

i J lan d

tl tl

2η

Lực quán tính Pj3 được xác định theo biểu thức sau:

Pj3 =

d

k k d

n n n n

r dt

d J r

i dt

J r

r

i J

lan d k lan

d

n n

.

1

G

.Trong đó:

δ -hệ số ảnh hưởng của các khối lượng quay đến chuyển động tịnh tiến,với:

+

lan d k lan

d

n n n lan

d

tl tl e

r r

J r

r

i J G

g r

r

i J G

g

1

1

Khi không biết chính xác giá trị Je và Jn, hệ sốδ có thể tính toán theo công thứckinh nghiệm sau:

( )

b

d hi i

G

G

i

105,0

1+ + 2

=δ

Trong đó:

Gđ–trọng lượng toàn bộ của xe ứng với tải trọng định mức

ihi –tỉ số truyền của hộp số ở tay số thứ i

Gb –trọng lượng toàn bộ xe ứng với tải bất kì, khác với tải định mức

VI.PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA ÔTÔ

Phương trình động lực học chuyển động thẳng của ôtô thiết lập mối quan hệgiữa các nội lực và ngoại lực tác dụng lên ôtô.Phương trình này cho phép xác định trịsố của các lực chưa biết (kể cả lực quán tính) khi cho trước những số liệu cầnthiết.Đối với ôtô không kéo rờ-moóc, xe đầu kéo và với từng rờ-moóc kéo ta có thểthành lập được hai phương trình động lực học: phương trình cân bằng lực kéo vàphương trình cân bằng công suất

A.PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG LỰC KÉO.ĐỒ THỊ CÂN BẰNG LỰC KÉO

1.Các giả thiết

Khi nghiên cứu chuyển động thẳng của ôtô, ta thừa nhận các giả thiết sau:-Đây là bài toán phẳng, khảo sát trong hệ tọa độ OXZ.Do đó mô hình ôtô đượckhảo sát là hình chiếu bên của xe (không tính bề dầy của xe; hai bánh xe của mộtcầu được coi là một; tải trọng đặt lên các cầu được coi là đặt lên bánh xe)

-Chỉ khảo sát trong trường hợp xe đi thẳng, chuyển động lên dốc, có gia tốc vàcó kéo rờ moóc

-Mặt đường phẳng, nhẵn, không có mấp mô, góc dốc α ≠ 0

-Dưới tác dụng của tải trọng Px và Pz lốp bị biến dạng theo hướng kính và biếndạng vòng, nhưng các biến dạng là độc lập với nhau

2.Mô hình khảo sát

Với các giả thiết trên, ta xây dựng được sơ đồ ngoại lực và mô men ngoại lựctác dụng lên xe trong trường hợp chuyển động thẳng (xem hình 1-18)

Trên sơ đồ này, các ngoại lực tác dụng lên ôtô gồm có:

G –trọng lượng của ôtô

L –chiều dài cơ sở của xe, L = a+b

hg –chiều cao trọng tâm xe

hω -khoảng cách từ điểm đặt lực Pω đến trục OX

Hệ tọa độ OXZ được chọn sao cho trục OX nằm trên mặt phẳng đường, trục

OZ đi qua trọng tâm xe

Tất cả các lực và mô men kể trên, trừ phản lực pháp tuyến của đường Pz1, Pz2còn lại đều đã được khảo sát trong các mục III, IV, V.Dưới đây ta sẽ khảo sát cácphản lực pháp tuyến của đường Pz1, Pz2

3.Phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe và phương pháp xác định chúng

Trong quá trình ôtô chuyển động, ngoài các ngoại lực tác động, trên bánh xecòn chịu tác dụng của phản lực pháp tuyến của đường.Phản lực này luôn thay đổitheo các ngoại lực và mô men tác dụng lên xe

Trị số của các phản lực pháp tuyến ảnh hưởng tới chất lượng kéo, chất lượngphanh, tính ổn định, tính dẫn hướng của xe; đồng thời cũng ảnh hưởng tới độ bền vàtuổi thọ các chi tiết, các cụm chịu lực của xe

Dưới đây ta sẽ khảo sát cho trường hợp xe hai cầu

Trường hợp tổng quát, xe chuyển động lên dốc có gia tốc và kéo rờ-moóc.Đặtcác ngoại lực và mô men tác dụng lên xe (hình 1-18)

Để xác định các phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên cả hai bánh xecầu trước (Pz1) và hai bánh xe cầu sau (Pz2), ta thành lập hai phương trình tĩnh học sau:

-Phương trình hình chiếu các lực lên trục OZ.Với giả thiết góc γ, góc hợp bởimặt phẳng song song với đường và cần kéo rờ-moóc nhỏ nên ta có thể coi:

P L

P L

G

a. .cos j + sin g + + mk mk + f1 + f2

α

Các trường hợp riêng:

*Trong hệ phương trình trên, khi bỏ qua các mô men cản lăn Mf1 và Mf2 (vìchúng nhỏ hơn nhiều so với các giá trị khác) thì:

L

h P h P h G

P L

P L

P L

P L

b G

P z1 = . − ω. ω

L

h P L

a G

P z2 = . + ω. ω

*Trường hợp xe đứng yên, (lực Pω = 0):

L

b G

P z1 = .

a G

P z2 = .

Nếu ta gọi G1,G2 là tải trọng của xe phân bố ra cầu trước và cầu sau, khi đó:

L

b G

G1 = .

L

a G

G2 = .

Từ các biểu thức trên ta nhận thấy rằng: khi xe chuyển động, phản lực pháptuyến của đường Pz1 = Pz2 tác động lên xe không những phụ thuộc vào các thông sốkết cấu như hg, a, b, hmk…mà còn thay đổi theo trạng thái chuyển động của xe.Ví dụ,khi xe lên dốc trị số lực Pz1 giảm, Pz2 tăng.Khi xe tăng tốc, trị sốcủa Pz1 tăng, Pz2giảm.Ngoài ra, lực cản moóc kéo, lực cản không khí cũng làm cho lực Pz1, Pz2 thayđổi.Vì vậy, để đánh giá mức độ thay đổi và để xác định lực Pz1, Pz2 trong các trườnghợp chuyển động khác nhau, người ta sử dụng hệ số phân bố tải trọng

Đặt:

1 1

1 =λ

G

P z -hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe cầu trước

2 2

2 =λ

G

P z -hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe cầu sauCác giá trị giới hạn củaλ1,λ2 thường thay đổi trong các phạm vi sau:

*Khi tăng tốc:

-Trên đường bằng:λ1 = 0,65÷ 0,70 ;λ2 = 1,2÷1,35

-Khi lên dốc:λ1 = 0,5 ;λ2 = 1,5

*Khi phanh

-Trên đường bằng:λ1 = 1,4 ; λ2 = 0,7

-Khi xuống dốc và phanh:λ1 = 1,5 ; λ2 = 0,5

Tóm lại, giá trị giới hạn củaλ1 vàλ2 nằm trong khoảng:

λ1 = 0,5÷1,5

λ2 = 1,5÷0,5 Trị số λ1 có ảnh hưởng rất lớn tới tính dẫn hướng của xe.Còn đối với các xe cócầu sau là cầu chủ động thìλ2 sẽ đặt trưng cho trọng lượng bám của xe

4.Phương trình cân bằng lực kéo và đồ thị cân bằng lực kéo

a.Phương trình cân bằng lực kéo

Sử dụng sơ đồ khảo sát tổng quát của xe (hình 1-18), chiều các lực lên trục OX

ta được phương trình cân bằng lực kéo của xe

Pk– Pf –Pmk –Pj –G.sinα -Pω = 0

Pk = Pψ + Pmk + Pj + PψTrong đó:

Pk –lực kéo tiếp tuyến,

d

tl tl e d

k k

r

i M r

M

=

=

Pf –lực cản lăn, Pf = f.G.cosα

Pi –lực cản lên dốc, Pi = G.sinα

Pmk –lực cản moóc kéo

Pj –lực cản quán tính, Pj =δ.m.J ; với m = G/g, suy ra:

dt

dv g

)sincos

.(

v KF dt

dv g

G P

f G r

i M

mk d

tl tl

2

v KF dt

dv g

G P

G r

i M

mk d

tl tl

Từ phương trình (1-3) ta thấy rằng, tất cả các lực thành phần ở vế phải là lựccản trở chuyển động.Lực kéo (vế trái) là lực đẩy của xe.Vì vậy có thể viết phươngtrình (1-3) gọn lại như sau:

Pk = PcTrong đó:

Pc –lực cản chuyển động

Pc = Pf + Pi + Pω + Pj + Pmk.Cần lưu ý rằng phương trình (1-3) được viết dưới điều kiện xe lên dốc, chuyểnđộng có gia tốc.Trường hợp xe xuống dốc, chậm dần, lúc đó lực quán tính Pj (còn gọilà lực cản tăng tốc) và lực Pi = G.sinα trở thành lực đẩy.Trường hợp này này, phươngtrình sẽ được viết như sau:

Pk + Pi +Pj –Pf -Pω -Pmk = 0

Pk + Pi +Pj = Pf + Pω + PmkTrường hợp xe không kéo rờ-moóc, phương trình cân bằng lực kéo có dạng:

Pk = Pψ + Pω + Pj (1-5)

b.Đồ thị cân bằng lực kéo

Phương trình cân bằng lực kéo biểu diễn dưới dạng đồ thị được gọi là đồ thịcân bằng lực kéo

Trên hệ tọa độ P-v, trục tung ứng với các thành phần lực P, trục hoành ứng vớivận tốc chuyển động tịnh tiến v của ôtô, người ta xây dựng những đường cong Pk ởcác số truyền khác nhau phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của xe.Trên đồ thị người

ta cũng xây dựng các đường cong lực cản Pf, Pi và (Pψ + Pω) phụ thuộc vào vận tốcchuyển động của xe (ứng với mỗi loại đường có độ dốc không đổi).Đường biểu diễnlực cản tổng cộng của đường Pψ = Pi + Pf, một cách gần đúng có thể coi là một đườngthẳng song song với trục hoành.Trên thực tế, do Pf =f(v), đặc biệt khi xe chuyển độngvới vận tốc lớn Pf sẽ tăng lên.Do vậy Pψ cũng tăng theo.Đường biểu diễn Pψ khôngsong song với trục hoành.

Lực cản không khí Pω = f(v2).Nó phụ thuộc vào bình phương vận tốc chuyểnđộng của xe.Tốc độ chuyển động của xe càng lớn, Pω càng tăng cao.Do vậy đồ thịbiểu diễn của Pψ + Pω là một đường cong (hình 1-19)

Thành phần lực cản (Pψ + Pω) luôn tồn tại trong mọi điều kiện chuyển động, nósẽ quyết định lực kéo cần thiết để xe chuyển động với vận tốc không đổi.Nếu ta gọi

Pdưlà lực dư [với Pdư= Pk – (Pψ + Pω)] ứng với các tốc độ chuyển động xác định ở mỗisố truyền thì :

+Khi Pdư > 0 – xe còn có khả năng tăng tốc hoặc chở thêm hàng hóa;

+Khi Pdư= 0 (tức là lực kéo bằng lực cản) – xe không còn khả năng tăng tốc; +Khi Pdư < 0 (lực kéo nhỏ hơn lực cản) –xe không thể chuyển động được nửa

Trên đồ thị ta thấy tại v = v1 lực kéo của xe ở số truyền đang khảo sát (tay sốIII) còn dư một đoạn (4-3).Lực kéo dư này có thể được sử dụng để tăng tốc xe hoặccó thể sử dụng để kéo rờ-moóc

Tại điểm 5 trên đồ thị, lực kéo dư không còn nửa (Pk = Pψ + Pω).Nghĩa là đốivới xe cho trước chạy trên loại đường xác định (cho trước), tốc độ tối đa của xe sẽ là:

v = vmax

B.PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CÔNG SUẤT.ĐỒ THỊ CÂN BẰNG CÔNGSUẤT

1.Phương trình cân bằng công suất

Cũng tương tự như lực kéo, công suất của động cơ sinh ra sau khi đã mất máttrong hệ thống truyền lực, phần vận hành Nt, công suất còn lại dùng để khắc phụccông suất cản lăn Nf, cản lên dốc Ni, cản không khí Nω, cản tăng tốc Nj và cản moóckéo Nmk.Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa công suất động cơ phát ra và cáccông suất kể trên, gọi là phương trình cân bằng công suất.Ta có:

Ne = Nt + Nf± Ni + Nω± Nj + Nmk (1-6) Hoặc Ne - Nt =Nk = Nf± Ni + Nω± Nj + Nmk

Triển khai phương trình trên khi xe chuyển động nhanh dần, lên dốc và khôngkéo rờ-moóc:

Nk = v.f.G.cosα +v.G.sinα +KF.v3 +

dt

dv g

G

vδ. (1-7)Phương trình (1-6) và (1-7) là phương trình cân bằng công suất của động cơ.Trong đó:

Nk – là công suất kéo của bánh xe chủ động

Nf = v.f.G.cosα – công súât tiêu hao cho cản lăn của bánh xe

Ni = v.G.sinα – công suất tiêu hao cho cản lên dốc

Nω = KF.v3 – công suất tiêu hao cho lực cản không khí

Nj =

dt

dv g

G

v.δ – công suất tiêu hao cho lực cản tăng tốc

Nmk –công suất tiêu hao để kéo rờ-moócĐơn vị tính cho các đại lượng ở công thức (1-6) và (1-7) là:

Công suất N [W]; trọng lượng G [N]; vận tốc v [m/s]; hệ số K [N.s2/m4]; diệntích F [m2]; gia tốc J = dv/dt [m/s2]; gia tốc rơi tự do g [m/s2]

2.Đồ thị cân bằng công suất

Phương trình cân bằng công suất của động cơ được biểu diễn dưới dạng đồ thịgọi là đồ thị cân bằng công suất.

Trên hệ tọa độ N-v, ta xây dựng các đường cong công suất có ích của động cơ

Ne và công suất kéo của bánh xe chủ động Nk theo vận tốc chuyển động của xe ở cácsố truyền (hình 1-20), trục tung ứng với N, trục hoành ứng với v.Trên đồ thị cũng xâydựng đường cong công suất cản Nψ = (Nf + Ni) và đường cong (Nψ +Nω)

Tung độ nằm giữa đường cong (Nψ + Nω) và trục hoành tương ứng với côngsuất tiêu hao để khắc phục lực cản tổng cộng của đường và lực cản không khí

Trên đồ thị (hình 1-20, a), ta thấy tại v = v1, công suất của xe ở bài toán khảosát còn dư một đoạn (3-4).Công suất dư này của xe có thể sử dụng để tăng tốc, kéorờ-moóc hoặc để khắc phục lực cản lớn hơn của đường

Khi xe chuyển động đều, công suất Nk chỉ để tiêu hao cho lực cản của đườngvà của không khí.Vận tốc lớn nhất mà xe có thể đạt được ứng với trường hợp mởhoàn toàn bướm ga (hoặc kéo hết thanh răng) là khi công suất Nk bằng tổng công suất

Nψ +Nω (điểm A, v = vmax)

Khi muốn cho xe chuyển động đều cũng trên loại đường này với những vận tốcnhỏ hơn vmax thì người lái phải cho động cơ làm việc ở các đường đặc tính cục bộ (bớtlượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ) hoặc chuyển về những số truyền thấp hơn(hình 1-20,b)