Bài giảng môn học: Lý thuyết ô tô (Dùng cho sinh viên ngành Cơ khí động lực)

T'T - Mô men kéo tại bánh xe chủ động khi chuyển động không đều; T'e - Mô men kéo tại trục khuỷu khi xe chuyển động không đều; it ; t - Tỷ số truyền và hiệu suất của hệ thống truyền lực[r]

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG BÀI GIẢNG MÔN HỌC LÝ THUYẾT Ô TÔ Dùng cho sinh viên ngành Cơ khí Động lực Số tiết: 60 Biên soạn: TS Phan Minh Đức Đà Nẵng 2007 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Mục lục trang Mục lục MỞ ĐẦU MOMEN XOẮN TẠI BÁNH XE CHỦ ĐỘNG 10 2.1 2.2 Sự truyền mô men từ động đến bánh xe chủ động 10 Các yếu tố ảnh hưởng đến mô men xoắn bánh xe chủ động xe chuyển động ổn định 11 2.2.1 Mô men bánh đà động 11 2.2.2 Tổn thất lượng hệ thống truyền lực 14 2.2.3 Tỷ số truyền hệ thống truyền lực 15 TƯƠNG TÁC GIỮA BÁNH XE VÀ MẶT ĐƯỜNG 19 3.1 Khái quát tính chất lý mặt đường 19 3.2 Bánh xe ô tô 20 3.2.1 Cấu tạo lốp xe 20 3.2.2 Ký hiệu bánh xe 22 3.2.3 Các khái niệm bán kính bánh xe 24 3.3 Sự cản chuyển động bánh xe 25 3.3.1 Nhân tố thuộc lốp xe 25 3.3.2 Nhân tố thuộc đường 31 3.3.3 Nhân tố trượt 34 3.3.4 Sự bố trí bánh xe 36 3.3.5 Kết luận các thành phần lực cản bánh xe 37 3.4 Sự hình thành phản lực bánh xe 37 CÁC LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 42 4.1 Lực cản lên dốc 42 4.2 Lực cản lăn 43 4.3 Lực cản không khí 44 4.4 Lực quán tính 46 4.4.1 Lực quán tính các khối lượng chuyển động tịnh tiến 46 4.4.2 Lực quán tính các khối lượng chuyển động quay 46 4.5 Lực cản móc kéo 49 4.6 Xác định phản lực pháp tuyến 50 4.6.1 Giá trị các phản lực pháp tuyến 50 4.6.2 Hệ số phân bố tải trọng trên các bánh xe 51 ĐỘNG LỰC HỌC KÉO 53 5.1 Cân lực - Phương trình chuyển động ô tô 53 5.2 Cân công suất 55 5.2.1 Cân công suất 55 5.2.2 Mức độ sử dụng công suất động 56 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 5.3 Đặc tính động lực ô tô 58 5.3.1 Đặc tính động lực ô tô hoạt động với tải định mức 58 5.3.2 Đặc tính động lực ô tô tải trọng thay đổi 60 5.4 Sự tăng tốc ô tô 64 5.5 Ảnh hưởng tỷ số truyền truyền lực chính đến tính động lực và kinh tế nhiên liệu ô tô 67 5.6 Ảnh hưởng số cấp hộp số đến khả động lực và kinh tế nhiên liệu ô tô 68 5.7 Truyền động vô cấp 69 TÍNH TOÁN SỨC KÉO 70 6.1 Thông số cho trước 70 6.2 Thông số chọn 70 6.3 Thông số tính toán 71 6.3.1 Trọng lượng toàn 71 6.3.2 Cỡ lốp 71 6.3.3 Chọn động và xây dựng đặc tính ngoài 72 6.3.4 Tỷ số truyền số truyền cao hộp số 73 6.3.5 Tỷ số truyền truyền lực chính 74 6.3.6 Tỷ số truyền số truyền thấp hộp số 74 6.3.7 Số cấp hộp số và tỷ số truyền các số trung gian 75 6.3.8 Xác định các tiêu động lực và kinh tế nhiên liệu ô tô 76 TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU CỦA Ô TÔ 77 7.1 Xác định tiêu hao nhiêu liệu 77 7.1.1 Phương pháp lý thuyết 77 7.1.2 Đo tiêu hao nhiên liệu 82 7.1.3 Các quy tắc đo tiêu hao nhiên liệu 83 7.2 Biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu 85 TÍNH CHẤT PHANH Ô TÔ 88 8.1 Khái niệm 88 8.2 Thực nghiệm đánh giá quá trình phanh 88 8.3 Thực nghiệm đánh giá quá trình phanh 90 8.3.1 Động lực học bánh xe phanh 90 8.3.2 Động lực học ô tô phanh 93 8.4 Các tiêu đánh giá quá trình phanh 94 8.5 Cơ sở lý thuyết phân bố lực phanh trên các trục bánh xe 97 8.5.1 Quan hệ lý tưởng phân bố lực phanh trên các trục 97 8.5.2 Các biện pháp điều hòa lực phanh 99 8.6 Chống hãm cứng bánh xe phanh 103 TÍNH NĂNG DẪN HƯỚNG CỦA Ô TÔ 105 9.1 Khái niệm 105 9.2 Động học và động lực học quay vòng 105 9.2.1 Động học quay vòng 105 9.2.2 Động lực học quay vòng 107 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 9.3 Ảnh hưởng độ đàn hồi ngang lốp đến tính dẫn hướng111 9.4 Ảnh hưởng dao động bánh xe dẫn hướng 117 9.4.1 Sự cân thân bánh xe dẫn hướng 117 9.4.2 Sự kém tương thích hệ thống treo và hệ thống lái 117 9.4.3 Hiệu ứng quay 118 9.5 Sự ổn định các bánh xe dẫn hướng 119 9.6 Sự bố trí các bánh xe dẫn hướng 124 10 TÍNH CHẤT ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ 125 10.1 Tính ổn định ô tô 125 10.1.1 Khái niệm 125 Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang 125 10.1.2 Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định dọc 130 10.1.3 10.2 Sự ảnh hưởng các điều kiện vận hành 130 10.3 Sự ảnh hưởng hệ thống treo đến tính ổn định ô tô 132 11 TÍNH NĂNG CƠ ĐỘNG CỦA Ô TÔ 137 11.1 Khái niệm 137 11.2 Các thông số ảnh hưởng tính động ô tô 137 11.2.1 Tính chất động lực ô tô 138 11.2.2 Tính chất bám lốp xe và mặt đường 138 11.2.3 Các thông số hình học ô tô 143 11.2.4 Các thông số kết cấu 144 12 TÍNH ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 148 12.1 Khái niệm 148 12.2 Thực nghiệm tính êm dịu chuyển động ô tô 148 12.3 Các đặc trưng êm dịu chuyển động ô tô 150 12.4 Dao động ô tô 153 12.5 Ảnh hưởng các thông số đến dao động 158 Ảnh hưởng lốp xe 158 12.5.1 12.5.2 Hệ thống treo độc lập 158 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO 160 14 PHỤ LỤC 162 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ KÝ HIỆU và VIẾT TẮT Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ MỞ ĐẦU Khoa học nghiên cứu ô tô có mục đích nâng cao hiệu suất và giảm giá thành vận tải Điều đó có thể thực việc nâng cao vận tốc chuyển động trung bình ô tô, giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng tính an toàn chuyển động và tiện nghi cho người lái Sự thấu hiểu nguyên lý động lực học ô tô là đặc biệt cần thiết cho việc thiết kế, cải tiến và đưa kiểu ô tô lựa chọn đúng kiểu loại ô tô cho việc sử dụng Những kết luận lý thuyết tạo sở vững cho việc nâng cao hiệu suất tuổi thọ, độ bền phương tiện Môn học Lý thuyết ô tô xem xét đánh giá các nhân tố liên quan trực tiếp đến chuyển động ô tô, bao gồm: đặc tính động lực học, tính kinh tế nhiên liệu, tính chất dẫn hướng, tính ổn định, khả động, và tính êm dịu chuyển động Các nhân tố khác độ bền, tính dễ sử dụng và bảo dưỡng,…vv không thuộc đối tượng nghiên cứu môn học Đặc tính động lực - Đặc tính động lực ô tô hiểu là khả nó chuyên chở hàng hóa/ người tốc độ trung bình tối đa Đặc tính động lực học càng cao, thời gian vận chuyển càng thấp và đó hiệu suất vận chuyển càng lớn Đặc tính động lực học ô tô phụ thuộc vào khả kéo và phanh ô tô Tính kinh tế nhiên liệu - Tính kinh tế nhiên liệu là tiêu hao nhiên liệu cho đơn vị khối lượng/ công vận chuyển Những chi phí cho nhiên liệu tham gia vào phần giá thành vận chuyển Do đó, chi phí nhiên liệu càng thấp dẫn đến chi phí vận hành thấp Tính chất dẫn hướng - Tính chất dẫn hướng là thuộc tính ô tô đảm bảo hướng chuyển động theo yêu cầu người lái Tính chất dẫn hướng ảnh hưởng lớn đến tính an toàn chuyển động Tính ổn định - Tính ổn định là thuộc tính ô tô giữ hướng chuyển động và chống lại các lực có xu hướng gây chệch hướng lật đổ nó Tính ổn định, cùng với tính dẫn hướng và phanh đảm bảo tính an toàn chuyển Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ động ô tô Tính ổn định xem là tốt ô tô có khả hoạt động với vận tốc lớn đường trơn trượt Khả động - Khả động là thuộc tính ô tô có thể hoạt động nhiều loại đường sá khắc nghiệt (có tuyết, bùn lầy, lội nước…) Khả động là quan trọng các ô tô phục vụ nông nghiệp, lâm nghiệp, công trường, … Tính êm dịu - Tính êm dịu chuyển động là khả ô tô chuyển động trên đường không phẳng mà thân xe không bị xóc nẩy mạnh Vận tốc trung bình, tiêu hao nhiên liệu, tải trọng, tiện nghi cho hành khách phụ thuộc vào tính êm dịu ô tô Tuy tính chất nói trên xem xét đánh giá riêng, chúng có liên quan chặt chẽ với Bất thay đổi nào thiết kế nhân tố, dẫn đến thay đổi tất các nhân tố khác Tính ổn định có thể nâng cao cách giảm chiều cao trọng tâm ô tô, nó dẫn đến giảm tính động Vận tốc ô tô chủ yếu phụ thuộc vào khả động lực nó, trên đường trơn trượt nó thường giảm để đảm bảo tính ổn định và trên đường không phẳng, đảm bảo tính êm dịu Tăng vận tốc chuyển động trung bình đòi hỏi tăng động lực ô tô, đôi với việc tăng tiêu hao nhiên liệu Những yêu cầu trái ngược ô tô đòi hỏi người thiết kế phải xác định thỏa hiệp, cân tính cần tăng cường cho mục đích ô tô giảm thiểu tính khác kém quan Do đó, đánh giá ô tô cần xem xét cách toàn diện; tất các tính nó Kỹ thuật ô tô cho phép có thể thiết kế và sản xuất ô tô có thể vận hành điều kiện nào Mặt khác, điều này bị ngăn trở quy mô dây chuyền sản xuất ô tô mà nó phân biệt số hữu hạn kiểu loại, và tính thống hóa các tổng thành lắp trên các ô tô công dụng khác Hơn nữa, ô tô dự định hoạt động với điều kiện đa dạng và phải có tính phổ biến định Điều này giải thích sao, ví dụ, nhiều ô tô tải công dụng chung có khả vận chuyển tất các loại hàng hóa, sản Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ xuất Dẫu vậy, để phù hợp hơn, yêu cầu đặt cho các ô tô chuyên dụng để hoạt động điều kiện xác định và vận chuyển loại hàng hóa định Những ô tô này hiệu nhiều so với các ô tô công dụng chung Các đặc tính vận hành có thể xác định thực nghiệm tính toán Số liệu nhận cách thử ô tô trên băng vận hành trực tiếp trên đường điều kiện gần với điều kiện thực tế Những thử nghiệm này tốn kém và đòi hỏi phòng thí nghiệm có chất lượng Thêm vào đó, khó để tái tạo điều kiện hoạt động thực tế Vì lý đó, thông thường các thử nghiệm kết hợp với việc phân tích lý thuyết và tính toán các đặc trưng ô tô Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương MOMEN XOẮN TẠI BÁNH XE CHỦ ĐỘNG 2.1 Sự truyền mô men từ động đến bánh xe chủ động Hình 2-1 minh họa truyền mô men xoắn từ động đến bánh xe chủ động ô tô có động đặt dọc phía trước, dẫn động cầu sau Hình 2-1 Sự truyền mô men từ động đến bánh xe chủ động Xuất phát từ động và truyền qua hệ thống truyền lực, mô men xoắn bánh xe chủ động xác định bởi: T ' T  T 'e i t  t   I n i n  n Với: d n d   Iw w dt dt Eq 2-1 T'T - Mô men kéo bánh xe chủ động chuyển động không đều; T'e - Mô men kéo trục khuỷu xe chuyển động không đều; it ; t - Tỷ số truyền và hiệu suất hệ thống truyền lực; in ; n - Tỷ số truyền và hiệu suất từ chi tiết quay thứ n hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động; In - Mô men quán tính chi tiết quay thứ n trục quay nó; n,  w - vận tốc góc chi tiết quay thứ n và bánh xe Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Mặt khác, ta có: d e/ dt = ax it/ rdyn ; d n/ dt = ax in/ rdyn d w/ dt = ax / rdyn ; T'e = Te - Ie.d e/ dt Với Ie - là mô men quán tính bánh đà và các chi tiết quay động quy trục khuỷu Kết hợp các biểu thức trên, ta được: T' T  Te i t  t   I n  . n i 2n   I w  I e  t i 2t x Eq 2-2 dyn Bằng cách đặt: TT  Te i e  t Ta   I n  . n i 2n   I w  I e  t i 2t x Eq 2-3 dyn Với TT là mô men kéo bánh xe chủ động ô tô chuyển động ổn định, động quay Ta là mô men các lực quán tính quy bánh xe chủ động Cuối cùng, biểu thức xác định mô men bánh xe chủ động trở thành: T' T  TT - Ta Eq 2-4 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến mô men xoắn bánh xe chủ động xe chuyển động ổn định 2.2.1 Mô men bánh đà động Giá trị mô men trục khuỷu thay đổi phụ thuộc chế độ làm việc động Động có thể làm việc các chế độ toàn tải (theo đường đặc tính ngoài) chế độ non tải (cục bộ) Hình 2-2 biểu thị đặc tính ngoài động xăng không hạn chế số vòng quay (a), động xăng hạn chế số vòng quay (b), và động diesel (c) Số vòng quay nmin trục khuỷu là số vòng quay nhỏ mà động có thể làm việc ổn định chế độ đầy tải Khi tăng số vòng quay thì công suất và mô men tăng lên Mô men xoắn đạt giá trị cực đại Temax số vòng quay nT và công suất đạt giá trị cực đại Pemax số vòng quay nP Vùng số vòng quay làm Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 11 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ việc chủ yếu động nằm khoảng [nT , nP] Khi tăng số vòng quay trục khuỷu lớn giá trị nP thì công suất giảm, chủ yếu giảm hệ số nạp, tăng tổn thất giới, và giảm áp suất có ích trung bình Hình 2-2 Đặc tính tốc độ ngoài động Để đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu cho ô tô, động xăng lắp phận hạn chế tốc độ để nó không làm việc vùng số vòng quay có suất tiêu hao nhiên liệu lớn (Hình A-4, Phụ lục A) Khi số vòng quay động đạt giá trị cần hạn chế, nhiên liệu không cung cấp cho động và công suất giảm Do quán tính, số vòng quay động còn tăng thêm chút ít Thông thường, số vòng quay hạn chế thường nhỏ số vòng quay ứng với công suất cực đại Đối với động diesel, chế độ phát công suất cực đại là giới hạn “nhả khói đen” Khi tăng số vòng quay động lớn giá trị tương ứng với chế độ công suất cực đại, tính kinh tế nhiên liệu động kém Do đó, động diesel trang bị điều tốc để tránh động làm việc vùng “nhả khói đen” Khi động đạt số vòng quay nP, điều tốc cắt nhiên liệu và công suất giảm Do quán tính, số vòng quay động còn tăng thêm chút ít Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 12 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Điểm hạn chế thường là điểm công suất cực đại trước công suất cực đại (Phụ lục A) Hệ số thích ứng mô men động cơ, KT, định nghĩa đưới đây và có phạm vi giá trị KT thống kê Bảng 2-1 KT  Temax TP Eq 2-5 Bảng 2-1 Hệ số thích ứng mô men động Loại động KT Xăng 1,25 – 1,35 Diesel 1,05 – 1,15 Hệ số số vòng quay cực đại động cơ, n, định nghĩa đây và phạm vi giá trị n thống kê Bảng 2-2 n  n e max  max  nP P Bảng 2-2 Eq 2-6 Hệ số số vòng quay cực đại động Loại động Xăng, không hạn chế số vòng quay Xăng, hạn chế số vòng quay Diesel n 1,1 – 1,25 0,8 – 0,9 0,9 – 1,0 Quan hệ công suất, mô men trục khuỷu và số vòng quay nó có thể nhận từ kết thí nghiệm động (Phụ lục A) Tuy nhiên không có số liệu đầy đủ từ việc thí nghiệm động cơ, ta có thể xây dựng gần đúng đặc tính ngoài động dựa vào công thức kinh nghiệm:  n n Pe = Pemax a e + b  e  n P  nP   ne    - c      n P      Pe = Pemax a e + b  e   P  P   e    - c       P   Te  Pe e Với: Eq 2-7 Eq 2-8 a, b, c - các hệ số thực nghiệm, có giá trị theo Bảng 2-3 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 13 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Các trang bị phụ bơm nước, quạt gió, máy nén không khí, máy nén môi chất làm lạnh, …vv không lắp với động đo động trên băng thử, Công suất để dẫn động các trang thiết bị phụ này thường chiếm 10%-20% công suất động Do vậy, động thực tế lắp trên ô tô, công suất bánh đà còn lại khoảng 80%-90% so với giá trị đo băng thử Bảng 2-3 Các hệ số thực nghiệm Lây- Đec-man Loại động a b c Động xăng 1 Động diesel buồng cháy thống 0,87 1,13 Động diesel buồng cháy ngăn cách 0,6 1,4 Động diesel buồng cháy xoáy lốc 0,7 1,3 2.2.2 Tổn thất lượng hệ thống truyền lực Khi truyền qua hệ thống truyền lực, phần công suất truyền từ động đến bánh xe chủ động bị tiêu hao do: - Tổn thất ma sát: Ma sát các cặp bánh hộp số, hộp số phụ, hộp số phân phối, các ổ đỡ trục, các khớp cac đăng - Tổn thất thủy lực: Khuấy và vẩy dầu bôi trơn hộp số, hộp số phụ, hộp phân phối, truyền lực chính và vi sai Để đánh giá các tiêu hao này, các khái niệm sau đây sử dụng: - Hiệu suất thuận, đánh giá truyền từ động đến bánh xe chủ động: t  P PT 1- t Pe Pe Eq 2-9 - Hiệu suất nghịch, đánh giá truyền từ bánh xe đến động cơ: n  Pfr, e PT 1- Trong đó: Pt Pfr, e  Pt Eq 2-10 PT - Công suất bánh xe chủ động (công suất kéo); Pt - Công suất tiêu hao hệ thống truyền lực; Pfr,e - Công suất tiêu hao ma sat động Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 14 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Như vậy, giá trị các hiệu suất thuận và nghịch thay đổi quá trình ô tô hoạt động, phụ thuộc nhiều yếu tố Để đơn giản tính toán, người ta coi chúng có giá trị không đổi Bảng 2-4 Giá trị hiệu suất truyền lực Loại ô tô Hiệu suất thuận Hiệu suất nghịch Ô tô thể thao, ô tô đua 0,90 – 0,95 0,80 – 0,85 Ô tô 0,90 – 0,92 0,80 – 0,82 Ô tô tải, ô tô khách, bus 0,82 – 0,85 0,75 – 0,78 Ô tô có tính động cao 0,80 – 0,85 0,73 – 0,76 2.2.3 Tỷ số truyền hệ thống truyền lực Hầu hết các ô tô sử dụng động xăng diesel Đối với loại động này, vùng làm việc động cơ, mô men động thay đổi phạm vi hẹp (Bảng 2-1) Trái lại, điều kiện tải trọng ô tô và sức cản đường lại thay đổi phạm vi lớn Các loại động này có ưu điểm bật công suất riêng lớn, hiệu suất cao, trọng lượng phận chứa nhiên liệu nhỏ Tuy vậy, chúng có nhược điểm:  Không thể sinh mô men trạng thái đứng yên động nước;  Chỉ phát công suất cực đại số vòng quay định;  Hiệu suất biến đổi lượng động phụ thuộc nhiều vào chế độ làm việc động Hình 2-3 Đặc tính lực kéo không dùng hộp số Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 15 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Với giá trị công suất Pmax đạt toàn khoảng tốc độ, các đường cong hyperbol thể “giới hạn lực kéo lý tưởng” FT,id và có kể đến tổn thất hệ thống truyền lực FT,h mô tả trên Hình 2-3 Mặt khác, lực kéo thực tế động FT,e mô tả Lực kéo lớn các bánh xe chủ động không thể vượt quá lực bám Như vậy, riêng động mà không có hộp số biến đổi mô men, ô tô không thể làm việc vùng gạch chéo trên đồ thị Ngược lại, có hộp số biến đổi mô men (Hình 2-4), phạm vi biến đổi mô men bánh xe chủ động mở rộng Vùng mở rộng yêu cầu càng gần với đường hyperbol càng tốt Phần gạch chéo còn lại mà tập hợp các đường lực kéo tất các số không thể phủ được, bắt buộc phải chấp nhận Ngoài ra, hệ thống truyền lực ô tô còn đảm bảo thay đổi mô men từ động đến bánh xe chủ động hướng Hình 2-4 Tác dụng mở rộng vùng làm việc hộp số khí cấp Trong trường hợp tổng quát, hệ thống truyền lực bao gồm các phận: ly hợp, hộp số, hộp số phụ, hộp số phân phối, truyền lực chính và vi sai, truyền lực cuối cùng Trong trường hợp cụ thể, có thể không có (một vài) các phận sau: hộp số phụ, hộp số phân phối, truyền lực cuối cùng Khi truyền từ động đến bánh xe chủ động, mô men xoắn thay đổi it lần: it = n e e =  i s i h i hp i pp i o i c n b b Eq 2-11 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 16 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Với is, ih, ihp, ipp, io, ic là tỷ số truyền biến mô, hộp số, hộp số phụ, hộp phân phối, truyền lực chính, và truyền lực cuối cùng Các giá trị ipp, io, ic lớn Các giá trị ih, ihp, thay đổi tùy thuộc vào số truyền hộp số mà ô tô hoạt động Hình 2-5 Bố trí động và hệ thống truyền lực ô tô du lịch Hình 2-6 Bố trí động và hệ thống truyền lực ô tô tải cầu chủ động Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 17 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 2-7 Sơ đồ truyền công suất các số truyền hộp số Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 18 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương TƯƠNG TÁC GIỮA BÁNH XE VÀ MẶT ĐƯỜNG 3.1 Khái quát tính chất lý mặt đường Tính chất lý mặt đường có ảnh hưởng lớn đến chuyển động ô tô Tính chất lý đất bao gồm:  Cấu trúc và thành phần hạt rắn chứa đất  Trọng lượng riêng  Trọng lượng riêng thành phần rắn (khung xương) chứa đất Tính chất này đặc trưng cho độ chặt đất  Độ thấm nước  Độ ẩm và độ chặt Trong các tính chất trên thì độ ẩm và độ chặt ảnh hưởng nhiều đến hoạt động ô tô Độ ẩm: Đo tỷ lệ phần trăm lượng nước có đất Nếu độ ẩm quá lớn thì ô tô khả chuyển động Độ chặt: Đặc trưng lực cản đất theo độ biến dạng Khi có lực tác dụng, đất bị nén và di chuyển theo nhiều hướng khác nhau, đó phát sinh đất ứng suất pháp và nhiều hướng Khi tăng dần lực tác dụng vào đất, quan hệ lực cản đất và độ lún hình sau đây Q = Co.h Với: Q - áp suất trên đất h - Độ sâu vết lún Co- Hệ số chống lún, phụ thuộc đất  - số phụ thuộc dạng đất và điều kiện tải trọng Hình 3-1 Quan hệ lực cản đất và độ biến dạng đất Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Đường cong trên có giai đoạn: - OA: Khi tăng lực từ 0, quan hệ gần tuyến tính, biểu thị đất chịu nén - AB: Đất chịu nén và bị di chuyển cục - BC: Đất bị trôi hoàn toàn 3.2 Bánh xe ô tô Sự tương tác bánh xe và mặt đường quan trọng; làm phát sinh các lực tạo nên chuyển động ô tô Bánh xe ô tô có chức năng:  Chịu tải trọng thẳng đứng và làm giảm xung động từ mặt đường;  Phát sinh các lực dọc giúp cho tăng tốc và phanh ô tô;  Phát sinh các lực bên tạo nên chuyển hướng ô tô Bánh xe ô tô là hệ đàn hồi phi tuyến phức tạp, khó định lượng Nhiều mô hình bánh xe đã phát triển để ước lượng các đặc trưng bánh xe Mặt khác, có thể sử dụng các số liệu thực nghiệm để định lượng các đặc trưng này để có thể hiểu ảnh hưởng bánh xe đến tính chất động lực học ô tô 3.2.1 Cấu tạo lốp xe Kiểu “Bias-ply” Kiểu “Radial-ply” Hình 3-2 Các kiểu bánh xe Hiện có kiểu kết cấu thông dụng bánh xe – kiểu “bias-ply” và “radial-ply”, minh họa trên Kiểu “bias-ply” là kiểu chuẩn thông dụng năm 1960, mà ưu điểm kiểu “radial-ply” (được bắt Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 20 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ đầu nghiên cứu các nước châu Âu) xác nhận Sau vài thập niên kiểu này thay dần trên các ô tô du lịch, phổ biến và trở thành chuẩn Cấu trúc hướng tâm (radial-ply) đặc trưng các sợi chịu tải song song (làm sợi vải gia cường sợi nylon, tơ nhân tạo, polyester, sợi thủy tinh hữu cơ) chạy thẳng ngang bánh xe từ đai cốt phía bên này sang phía bên kia, hợp thành 90 độ với chu vi bánh xe Các sợi chịu tải tạo thành phần khung bánh xe Kiểu cấu trúc này tạo nên độ uyển chuyển bên lớn độ ổn định hướng nhỏ gần không Sự ổn định hướng đảm bảo nhờ các đai cứng vải sợi thép chạy vòng theo chu vi bánh xe, phần khung và talon bánh xe Khi chuyển hướng, các đai này giúp ổn định phần talon bánh xe và giữ nó phẳng trên đường biến dạng ngang bánh xe Đa số bánh xe “radial” ô tô du lịch có đai lớp sợi thép đai đến lớp sợi vải Ở kiểu “bias”, phần khung chịu tải cấu tạo từ lớp sợi trở lên Các sợi này hợp thành góc 35 đến 40 độ với mặt phẳng bánh xe và hướng lớp liên tiếp thì chéo Góc nghiêng lớn làm bánh xe mềm góc nghiêng nhỏ làm tăng tính ổn định Khi chuyển hướng, bánh xe kiểu “bias-ply” ít biến dạng ngang và sinh biến dạng lớn vết tiếp xúc bánh xe biến dạng trên mặt phẳng đường, làm cho talon bánh xe bị uốn cong vết tiếp xúc Hình 3-3 Hướng biến dạng lốp xe vết tiếp xúc Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 21 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chi tiết mặt cắt ngang lốp xe kiểu “radial” thể trên Hình 3-4 Phần gân (hoa) lốp Phần nền, làm giảm cản lăn; Lớp sợi nylon nhân tạo, giúp tăng vận tốc cực đại; Lớp sợi thép: tạo độ ổn định hình dáng và ổn định dẫn hướng; Lớp khung: liên kết các phần và bảo vệ phần chứa khí nén; Phần chứa khí nén; Mặt bên: bảo vệ phần khung; Gân: có tác dụng đảm bảo dẫn hướng và ổn định dẫn hướng; Triên: định vị và liên kết lốp với vành bánh Hình 3-4 Chi tiết lốp xe kiểu “radial” 3.2.2 Ký hiệu bánh xe Kích cỡ bánh xe biểu thị nhiều phương pháp, chiều cao lốp, chiều rộng lốp, tỷ số profile, và đường kính vành bánh Kích cỡ kiểu bánh “bias-ply” biểu thị số; số thứ (đơn vị mm) là chiều rộng và số thứ hai (inch) là đường kính vành bánh Ví dụ: 6.95-14 Kích cỡ kiểu “radial-ply” biểu thị với số thứ (mm) chiều rộng lốp và số thứ hai (inch) đường kính vành bánh Ví dụ: 175R14 Gần đây, kích cỡ bánh xe còn biểu thị theo công dụng Cách ký hiệu bánh xe phụ thuộc tiêu chuẩn Dưới đây là ví dụ ký hiệu lốp xe du lịch theo tiêu chuẩn ETRTO hành (European Tire and Rime Technical Organization): 175 / 65 R 14 82 H 175 chiều rộng lốp mới, đo với áp suất 1,8 bar, mm 65 tỷ lệ profile chiều cao/rộng lốp theo % R mã loại lốp, Radial 14 đường kính vành, inch 82 số tải trọng, tối đa 475 kg điều kiện 2,5 bar, 160 km/h H số mã tốc độ, đến 210 km/h Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 22 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Một ví dụ ký hiệu lốp ô tô du lịch, theo tiêu chuẩn Mỹ và các nước ngoài châu Âu, sau: P 175 / 70 R14 P Passenger, lốp ô tô du lịch; 175 chiều rộng lốp, mm; 70 tỷ lệ profile chiều cao/rộng lốp; 14 đường kính vành, inch; R Radial (Đối với các ký hiệu khác, B – từ belted, D – bias) Hình 3-5 Các thông số hình học lốp xe Phân loại lốp - Lốp chịu áp suất thấp: Loại lốp này có áp suất lốp p = 0,08 - 0,5 MN/m2 Ký hiệu: W - d Ý nghĩa: W - bề rộng lốp (inch mm) d - đường kính vành bánh xe (inch) Ví dụ: 6.00-16; 12.00-20 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 23 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ -Lốp chịu áp suất cao: Loại lốp này có áp suất lốp p = 0,5 - 0,7 MN/m2 Ký hiệu: Ý nghĩa: W x d ODT x H W - bề rộng lốp (inch) ODT - đường kính ngoài lốp (mm) H - chiều cao lốp Ví dụ: 34x17; 880x35 3.2.3 Các khái niệm bán kính bánh xe  Bán kính thiết kế, r xác định theo kích thước tiêu chuẩn lốp  Bán kính tĩnh, rt là khoảng cách trục bánh xe đến mặt đường xe không chuyển động  Bán kính động lực, rdyn là khoảng cách trục bánh xe lăn đến mặt đường Nó phụ thuộc tải trọng thẳng đứng, áp suất hơi, lực ly tâm bánh xe, mô men xoắn mô men phanh  Bán kính lăn, rR là bán kính bánh xe tưởng tượng mà không bị biến dạng làm việc, không bị trượt lết trượt quay, và có cùng tốc độ tịnh tiến và quay bánh xe thực tế rR = V S = w b 2..n b Eq 3-1 Bán kính lăn phụ thuộc tải trọng, khả bám bánh xe với đường, độ đàn hồi và áp suất lốp - Khi trượt quay hoàn toàn (100% ): S   n b   rR = - Khi trượt lê hoàn toàn (100% ): S   n b   rR =   Bán kính làm việc trung bình rb: Trong thực tế tính toán, người ta dùng bán kính bánh xe có kể đến biến dạng lốp ảnh hưởng các thông số kể trên Bán kính này so với thực tế sai lệch không lớn lắm, và gọi là bán kính làm việc trung bình rb = b.r Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 24 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hệ số b là kể đến biến dạng lốp, phụ thuộc vào loại lốp: - Lốp áp suất thấp: b = (0,930 - 0,935) - Lốp áp suất cao: b = (0,945 - 0,950) 3.3 Sự cản chuyển động bánh xe Các nhân tố tham gia vào cản chuyển động bánh xe bao gồm:  Các nhân tố thuộc lốp xe;  Các nhân tố thuộc đường;  Các nhân tố liên quan đến trượt;  Các nhân tố liên quan đến ma sát gối đỡ bánh xe Các nhân tố liên quan đến ma sát gối đỡ bánh xe thường nhỏ, và có thể ngầm bỏ qua 3.3.1 Nhân tố thuộc lốp xe Khi bánh xe đàn hồi lăn dọc theo đường thẳng trên mặt đường lý tưởng (phẳng, khô), nghĩa là mặt phẳng quay bánh xe trùng với hướng chuyển động, lực ngược với hướng lăn hình thành Lực này chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc lốp xe, và là tổng hợp các thành phần khác sau:  Nội ma sát biến dạng đàn hồi lốp  Ma sát trượt trên vết tiếp xúc  Sự cản quay không khí bao quanh bánh xe Nội ma sát biến dạng đàn hồi lốp Thành phần này đóng vai trò chủ yếu Khi bánh xe đàn hồi chịu tải trọng, nó bị nén lại và lượng tích lũy dạng biến dạng Khi giảm dần lực tác dụng, biến dạng giảm dần Tuy nhiên, cho dù lực tác dụng giảm đến thì hình dạng bánh xe không hồi phục hoàn toàn, nội ma sat bánh xe Sự biến dạng lốp xe đàn hồi là kết nén và hoàn lại hình dạng, dẫn đến tổn thất lượng nội ma sát các phần tử lốp xe Khi bánh xe lăn tác dụng tải trọng, quá trình nén và hoàn lại hình dạng lặp lại tuần hoàn phần tử trên bề mặt lốp xe Bánh xe Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 25 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ lăn có thể minh họa bằng hệ thay (Hình 3-6), mà chu vi hệ này liên hệ với vành bánh hệ dao động và tương tự, talon bánh xe có thể mô tả hệ dao động thứ hai Hình 3-6 Mô hình hóa bánh xe ô tô Đặc tính các hệ dao động này ảnh hưởng đến sức kéo ô tô trên đường Khi hệ dao động thay quay, hệ thành tố, lượng nó chuyển hóa thành nhiệt Thực nghiệm cho thấy, cùng vật liệu lớp chịu tải, tăng số lớp chịu tải lốp xe thì công (năng lượng) tiêu hao tăng, tăng tổng dịch chuyển tương đối các lớp Hình 3-7 Hệ số cản bánh xe ô tô du lịch Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 26 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Thực nghiệm chứng tỏ, tăng vận tốc ô tô thì hệ số cản hệ dao động giảm Khi tăng vận tốc, ảnh hưởng hạ thấp xuống bánh xe lăn tác dụng tải trọng làm cho phần chu vi bánh xe dao động tác dụng lực quán tính ly tâm mà nó tăng theo vận tốc bánh xe Sự gia tăng dao động này làm gia tăng tổn thất lượng biến dạng đàn hồi lốp xe Hiện tượng đó tạo nên “sóng biến dạng” sau vết tiếp xúc bánh xe (Hình 3-8) Hình 3-8 Sóng biến dạng bề mặt bánh xe bánh xe chuyển động Với các kết cấu lốp xe thiết kế, nội ma sát lốp xe tăng tuyến tính với gradient nhỏ đến phạm vi vận tốc khoảng 35m/s Vượt quá vận tốc này, nội ma sát tăng nhanh chóng Ma sát trượt trên vết tiếp xúc Khi bánh xe lăn ta nhận thấy các phần tử lốp xe trên chu vi nó bị ép chặt vết tiếp xúc Ngoài vết tiếp xúc, chu vi bánh xe là đường tròn Trong vùng vết tiếp xúc, đường chu vi bánh xe biến thành đường thẳng dây cung – là chiều dài vết tiếp xúc Điều này dẫn đến dịch chuyển tương đối phần mặt đường và các phần tử lốp xe vùng tiếp xúc Hiện tượng này gọi là trượt theo hướng chuyển động ô tô (hướng dọc) Sự trượt này gây nên mài mòn và tổn thất lượng định Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 27 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Sự cản quay không khí bao quanh bánh xe Bánh xe ô tô quay môi trường không khí Do đó, tồn tổn thất sức cản không khí chuyển động quay các bánh xe Tuy nhiên, sức cản này có thể xem tham gia vào thành phần sức cản không khí chuyển động ô tô Hình 3-9 Sự phụ thuộc lực cản lăn và tải trọng, áp suất lốp kiểu “radial” ô tô tải cỡ 11R22.5 Kết thực nghiệm đo áp suất vết tiếp xúc bánh xe mô tả trên Hình 3-10 Hình 3-10 Phân bố áp suất vết tiếp xúc bánh xe và đường Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 28 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 3-11 Sự phân bố áp suất trên vết tiếp xúc và tạo thành mô men cản lăn Hình 3-12 Các lực và mô men tác dụng vào thân xe, bánh xe bị động và đường Hệ số cản lăn định nghĩa tỷ số lực cản lăn và phản lực pháp tuyến đường tác dụng lên bánh xe f Rroll  FRroll FZ, W Eq 3-2 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 29 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Do phân bố bất đối xứng áp suất vùng tiếp xúc, hợp các phản lực phân tố là lực R, lệch trước và cách tâm trục quay bánh xe khoảng eR Mô men cản lăn hình thành, có giá trị: M Rroll  R e R  FZW e R Eq 3-3 Tác dụng mô men này tương đương với mô men lực giả tưởng FRroll nằm phương song song với đường, với độ lớn xác định bởi: FRroll  M Rroll FZW e R  rdyn rdyn Eq 3-4 Do đó, hệ số cản lăn có thể xác định bởi: f Rroll  eR rdyn Eq 3-5 Đối với các tính toán thông thường, có thể coi hệ số cản lăn là số tải trọng tác dụng trên bánh xe và vận tốc Khi xét đến ảnh hưởng tải trọng, với độ chính xác cao có thể xem hệ số cản lăn giảm tuyến tính theo tải trọng Trên hình thể quan hệ hệ số cản lăn và áp suất bánh xe Sự tăng áp suất dẫn đến tăng độ cứng lốp, giảm biến dạng và giảm nhỏ vết tiếp xúc Kết dẫn đến hệ số cản lăn giảm Hình 3-13 Sự phụ thuộc hệ số cản lăn và tải trọng, áp suất lốp Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 30 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 3-14 Sự phụ thuộc hệ số cản lăn và loại lốp, tốc độ ô tô Kết luận, bên cạnh các nhân tố bên ngoài vận tốc, tải trọng, áp suất hơi, lực cản lăn phụ thuộc vào cấu trúc lốp, các vật liệu và hỗn hợp cao su sử dụng Nói chung, loại lốp “radial” có hệ số cản lăn thấp so với loại “bias” Hơn nữa, kết cấu talon lốp xe ảnh hưởng đến cản lăn Độ lớn thành phần cản lăn không thể đo đạc riêng lẻ Tuy có thể nói nội ma sát đóng vai trò chính 3.3.2 Nhân tố thuộc đường Nhân tố thuộc đường gồm có không phẳng, biến dạng đường, và trạng thái mặt đường Sự nhấp nhô đường Va đập từ nhấp nhô nhỏ đường bánh xe làm êm và nó hấp thụ lượng va đập Hơn nữa, bánh xe dịch chuyển tương đối khung xe thông qua hệ thống treo (phần tử đàn hồi-giảm chấn) Trong trường hợp đó, lượng chuyển thành nhiệt bánh xe và giảm chấn Điều này có nghĩa là lượng giải phóng hoàn trả trạng thái nhỏ lượng tích lũy phần tử đàn hồi lượng lượng tiêu tán giảm chấn Hình cung cấp giải thích với ví dụ đơn giản trường hợp bánh xe không có lốp đàn hồi Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 31 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 3-15 Sự thay đổi lượng hệ thống treo trục bánh xe chuyển động qua các nhấp nhô trên đường Do hoàn trả lượng, công phần tử đàn hồi không có ảnh hưởng đến cản lăn, công tiêu hao giảm chấn góp phần vào thành phần lực cản bánh xe X FRuneven   W X Eq 3-6 Sự biến dạng đường Dưới tác dụng tải trọng tác dụng trên trục bánh xe, bánh xe lăn trên số loại đường (chẳng hạn đất, cát, cỏ, tuyết …) có thể tạo thành vết bánh xe Những loại đường vậy, ngược với loại đường rắn chắc, làm phát sinh thêm lực cản bánh xe, gồm thành phần Hình 3-16 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 32 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ A – Sự tạo vết lún bánh xe trên đường B – Sự san ủi các nhấp nhô trên đường C – Ma sát trên rãnh vết lún tạo trên đường Hình 3-16 Các yếu tố tạo nên cản chuyển động đường bánh xe Trạng thái mặt đường Hình 3-17 Các vùng quanh vết tiếp xúc bánh xe lăn trên đường ướt Khi bánh xe lăn trên đường ướt, lốp xe phải phá vỡ lớp nước trên mặt đường và sau đó tiếp xúc trực tiếp với đường Lớp nước phía trước vết tiếp xúc và vết tiếp xúc có thể chia, cách đơn giản, thành vùng: vùng “gần đến”, vùng chuyển tiếp, và vùng tiếp xúc Trong vùng “gần đến”, lớp nước bị thay phần lốp xe chưa biến dạng và lăn xuống để tiếp Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 33 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ cận mặt đường Trong vùng chuyển tiếp, lốp xe đã biến dạng và từ từ tiếp xúc với mặt đường Vùng tiếp xúc thể diện tích tiếp xúc thực tế, diện tích tiếp xúc trực tiếp bề mặt lăn bánh xe và mặt đường, mà nó làm sở cho chuyển hóa lượng Chỉ lượng nước nhỏ di chuyển ngoài vùng này Thực nghiệm cho thấy cản phụ thuộc vào lưu lượng nước bị đẩy và chiếm chỗ, đó phụ thuộc vào chiều cao lớp nước, bề rộng bánh xe, và vận tốc lăn bánh xe Cấu trúc lốp xe, áp suất hơi, và tải trọng tác dụng lên bánh xe có ảnh hưởng nhỏ thành phần lực cản này 3.3.3 Nhân tố trượt Ở trên ta xem xét cản lăn điều kiện hướng chuyển động bánh xe vuông góc với trục quay nó và trục quay nó song song với mặt đường Trong phần này, ảnh hưởng lực ngang và thay đổi kết cấu đến cản lăn khảo sát Lực ngang Hình 3-18 Lực tác dụng lên bánh xe và góc lăn lệch Nếu bánh xe lăn tác dụng lựa ngang, chủ yếu quay vòng có thể gió ngang đường nghiêng ngang, vector vận tốc Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 34 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ tức thời bánh xe lệch góc với mặt phẳng quay nó Góc này gọi là góc lăn lệch Hình 3-18 trình bày các lực tác dụng lênh bánh xe quay vòng Lực ly tâm tác dụng vuông góc với vector vận tốc tức thời bánh xe, lực cản lăn nằm vết mặt phẳng quay bánh xe, lực ngang vuông góc với mặt phẳng quay bánh xe Lực cản trở chuyển động bánh xe: FR  FRroll cos   FL sin   FRroll  FL sin  - FRroll (1  cos  ) Eq 3-7 Như vậy, hệ số cản lăn trượt xác định bởi: f Rslip  FL sin  - FRroll (1  cos) FZ, W f Rslip  FL sin  - f Rroll (1  cos) FZ, W Eq 3-8 Trong trường hợp góc lăn lệch nhỏ, quan hệ lực ngang và góc lăn lệch xác định bởi: FL  C  Eq 3-9 Khi đó, hệ số cản lăn ảnh hưởng lực ngang gây xác định: f Rslip  C  Eq 3-10 Hình 3-19 Quan hệ hệ số cản lăn và góc lăn lệch Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 35 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 3-19 biểu thị quan hệ hệ số cản lăn và góc lăn lệch Có thể thấy rằng, cản lăn bánh xe góc lăn lệch khoảng 2o có độ lớn tương đương cản lăn bánh xe lăn trên đường thẳng 3.3.4 Sự bố trí bánh xe Bánh xe dẫn hướng thường bố trí với góc doãng và góc chụm Điều này làm tăng cản lăn vì nó có ảnh hưởng tương tự bánh xe lăn với góc lăn lệch Hình 3-20 Sự ảnh hưởng độ chụm bánh xe Hình 3-21 Góc doãng bánh xe dẫn hướng Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 36 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Góc chụm bánh xe dẫn hướng,  định nghĩa là góc bù với góc tạo vết mặt phẳng quay hai bánh xe dẫn hướng trên mặt đường Góc này làm phát sinh góc lăn lệch bánh xe dù không có ngoại lực ngang tác dụng lên ô tô và tạo nên thành phần lực ngang ngược với hướng chuyển động Tương tự góc lăn lệch, cản lăn bánh xe xác định: FRw , toe  FL sin   f Rw, toe FZ, W Eq 3-11 Sự cản lăn trục bánh xe, góc chụm, lần đại lượng trên Góc doãng, là góc tạo mặt phẳng quay bánh xe và mặt phẳng thẳng đứng, chiều dương ngược chiều kim đồng hồ nhìn từ đầu xe Do tác dụng góc doãng, hai mặt bên bánh xe biến dạng không và biến dạng bên tăng lên Do đó, lực cản lăn bánh xe tăng lên chút ít 3.3.5 Kết luận các thành phần lực cản bánh xe Lực cản tổng hợp tác dụng lên bánh xe bao gồm các thành phần phân tích trên FR  FRroll  FRuneven  FR plast  FR baff  FRslip  FRw, toe  FRcamber Với: Eq 3-12 FRroll  FRflex  FRfric  FRfan Trong trường hợp chuyển động thẳng trên đường khô, là trường hợp tính toán lực cản, cản bánh xe tính lực cản lăn: FR  FRrol l  f Rroll FZW 3.4 Sự hình thành phản lực bánh xe Dưới tác dụng các ngoại lực (trọng lực, lực quán tính, …), bánh xe tương tác với mặt đường mà khu vực tiếp xúc lốp với mặt đường phát sinh các ứng suất theo các phương khác Hợp các thành phần ứng suất này tạo nên phản lực đường tác dụng lên bánh xe Phản lực này có thể phân tích thành thành phần theo phương ứng với hệ tọa độ động Oxyz: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 37 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ  Thành phần tiếp tuyến: nằm mặt phẳng tiếp xúc lốp và mặt đường, hướng theo phương mặt phẳng quay bánh xe, ký hiệu là X Thành phần này mô men xoắn phanh gây  Thành phần pháp tuyến: vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc lốp và mặt đường, ký hiệu là Z Thành phần này trọng lực gây  Thành phần nằm ngang: vuông góc với mặt phẳng quay bánh xe và nằm mặt phẳng tiếp xúc lốp và mặt đường, ký hiệu là Y Thành phần này lực ngang gây Lực ly tâm, xuất hiện, ảnh hưởng đến các thành phần trên Hình 3-22 Các phản lực đường tác dụng lên bánh xe Thành phần phản lực tiếp tuyến Thành phần phản lực tiếp tuyến hình thành do: các lực cản bánh xe, mô men kéo từ động truyền đến, phanh bánh xe Các lực cản bánh xe bao gồm ngoại lực nội lực bánh xe - gồm nhiều thành phần đã phân tích trước Một cách quy ước, lực cản bánh xe (theo phương Ox) xem là ngoại lực bánh xe Khi bánh xe nhận mô men truyền từ động đến, bánh xe có xu hướng quay Do tương tác với mặt đường mà khu vực tiếp xúc phát sinh ứng suất Hợp ứng suất này, theo phương Ox, góp phần tạo nên phản lực Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 38 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ tiếp tuyến đường X Chính phản lực này là ngoại lực ô tô và làm cho ô tô chuyển động và nó gọi là lực kéo tiếp tuyến bánh xe chủ động, xác định bởi: F'T = T' T - M R TT - Mj - M R = rdyn rdyn F'T = FT - Mj  M R rdyn Eq 3-13 Với FT = TT/ rdyn là lực kéo tiếp tuyến bánh xe chủ động xe chuyển động ổn định V , TT Gw K MR, Mj FT FZ Hình 3-23 Lực kéo tiếp tuyến bánh xe chủ động Giới hạn các phản lực Sự liên kết bánh xe và mặt đường Liên kết bánh xe và mặt đường bao gồm chế, thể trên Hình 3-24 Sự bám dính bề mặt (surface adhesion) dựa vào liên kết các phần tử cao su và nhấp nhô nhỏ trên mặt đường Sự bám này chiếm phần ưu hai chế, loại đường khô, giảm đáng kể mặt đường ướt Sự bám học (hysteresis friction) tạo nên biến dạng đàn hồi lốp xe vị trí nhấp nhô trên đường, cản trượt lốp xe nhấp nhô trên đường cạnh mấu bám trên vân lốp xe chạm vào nhấp nhô Sự bám học không bị ảnh hưởng trạng thái khô-ướt đường Như vậy, trên đường ướt, bánh xe có liên kết bám học tốt có tính động cao Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 39 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 3-24 Cơ chế liên kết bánh xe và mặt đường Cả hai chế liên kết phụ thuộc vào độ trượt tương đối bánh xe và mặt đường vết tiếp xúc Sự gia tăng độ trượt xuất tăng mô men kéo phanh, xuất phát từ kết tăng biến dạng cao su talon lốp xe Hình 3-25 minh họa phân bố trượt vùng tiếp xúc, quá trình phanh ô tô Hình 3-25 Sự trượt dọc theo vết tiếp xúc phanh Giá trị giới hạn phản lực đường Giá trị phản lực đường tác dụng lên bánh xe bị giới hạn độ bền mối liên kết – tức là ma sat hai bề mặt, tính chất học mặt đường, Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 40 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ lốp xe Khi vượt quá giá trị này, liên kết bên đường, bên lốp, bám học bánh xe và mặt đường bị phá vỡ Khả phát thu nhận lực tiếp tuyến ngang bánh xe với mặt đường đặc trưng thông số, gọi là tính chất bám bánh xe và mặt đường Tính chất bám đánh giá hệ số bám  Ký hiệu Rxy là phản lực đường tác dụng lên bánh xe mặt phẳng chứa vết tiếp xúc Giá trị lớn phản lực đường, ký hiệu là R gọi là lực bám R xy  X  Y Eq 3-14 R , xy  R xy, max Eq 3-15 Hệ số bám bánh xe và mặt đường (theo phương lực Rxy) định nghĩa tỷ số giá trị cực đại phản lực Rxy và phản lực pháp tuyến Z  xy  R xy , max Eq 3-16 Z Trọng lượng bám, ký hiệu G, là tải trọng pháp tuyến tác dụng lên: - Bánh xe chủ động, khảo sát kéo - Bánh xe đặt phanh, khảo sát phanh Như vậy, trường hợp tổng quát, lực bám bánh xe và mặt đường xác định bởi: R , xy   xy Z   xy G w cos  Với: Eq 3-17 Gw - tải trọng thẳng đứng tác dụng trên bánh xe khảo sát;  - góc nghiêng dọc đường Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 41 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương CÁC LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ Trong chương trước ta đã biết mô men truyền từ động cơ, qua hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động có xu hướng làm quay bánh xe chủ động Xu hướng quay / quay bánh xe chủ động tạo nên tương tác bánh xe và đường, làm xuất phản lực đẩy đường Phản lực này là ngoại lực ô tô và làm cho nó chuyển động Khi ô tô chuyển động xuất các lực cản chuyển động Lực cản lăn và lực cản không khí luôn tồn Các lực cản khác - bao gồm: lực cản quán tính, lực cản lên dốc, và lực cản móc kéo – có thể có không, tùy thuộc trạng thái chuyển động và điều kiện làm việc ô tô 4.1 Lực cản lên dốc Tổng quát, trọng lực ô tô có thể phân tích thành thành phần: vuông góc và song song với mặt đường FZ  FZ sin   FZ cos Eq 4-1 G  G sin   G cos Eq 4-2 Hình 4-1 Tác dụng trọng lực ô tô trên đường dốc Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Thành phần trọng lực G sin  , ô tô chuyển động lên dốc, có tác dụng cản lại chuyển động ô tô và ngược lại, là lực chủ động ô tô ô tô xuống dốc Thành phần này gọi là lực cản lên dốc, ký hiệu Fgr Nếu góc dốc  có giá trị 50 thì tg  sin   (tính radian), giá trị lực cản lên dốc có thể tính gần đúng: Fgr  FZ sin   FZ tan  FZ p Eq 4-3 Với: p = tg là độ dốc đường Hình 4-2 Khái niệm độ dốc đường 4.2 Lực cản lăn Lực cản lăn là tổng hợp các yếu tố bao gồm nội lực và ngoài lực ô tô, đã trình bày phần trước  Sự tiêu hao lượng nội ma sát lốp,  Do biến dạng và ma sát lốp và đường,  Ma sát ổ đỡ bánh xe,  Lực cản không khí chống lại quay bánh xe Do tính chất phức tạp vậy, người ta khái quát nó và xác định theo tiêu hao lượng tổng hợp: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 43 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ  n  FR    f Ri FZi  cos  i 1  Với: Eq 4-4 fRi là hệ số cản lăn các bánh xe trên trục thứ i; FZi là tải trọng thẳng đứng trên trục bánh xe thứ i; Nếu hệ số cản lăn trên các bánh xe thì:  n  FR    FZi  f R cos  G f R cos  i 1  Eq 4-5 Do các đại lượng hệ số cản lăn fR và độ dốc p đặc trưng tổng hợp cho chất lượng đường sá, nên có thể biểu thị:   f R cos   sin  và gọi là hệ số cản tổng cộng đường Như vậy, lực cản tổng cộng đường xác định bởi: F  FR  Fgr  G (f R cos  sin  )  G  Eq 4-6 4.3 Lực cản không khí Khi ô tô chuyển động, tạo nên thay đổi mật độ không khí bao quanh xe, hình thành lực cản không khí tác dụng lên toàn bề mặt xe Trong tính toán thông thường, tất các lực cản gió riêng phần thay lực cản tổng cộng quy ước Fdrag đặt tâm diện tích cản chính diện ô tô: a V2   C w A a Vv  Vw  Fdrag  C w A Fdrag Eq 4-7 Với: Cw – Hệ số khí động ô tô, phụ thuộc hình dạng, chất lượng bề mặt ô tô; A – Diện tích cản chính diện ô tô – là diện tích hình chiếu ô tô lên mặt phẳng Oyz; a – Mật độ không khí V - Vận tốc tương đối ô tô môi trường không khí; Vv – Vận tốc ô tô so với mặt đường; Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 44 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Vw – Vận tốc gió theo phương chuyển động Do kích thước ô tô bị ràng buộc chặt chẽ, nên biện pháp để giảm lực cản không khí là giảm hệ số khí động Cw Giá trị hệ số khí động nhỏ có thể đạt 0,15 - ứng với các vật mẫu, so với giá trị thực tế các ô tô ([0,26-0,45] các ô tô và [0,6-0,8] các ô tô tải), chứng tỏ nhu cầu giảm hệ số khí động còn lớn Mặc dù có hỗ trợ công cụ tính toán CFD, nghiên cứu thực nghiệm cần thiết việc thiết kế để đạt hệ số khí động thấp Bảng 4-1 Hệ số khí động và diện tích cản chính diện số ô tô Cw A [m2] Cw A Citroen 2CV 0,51 1,65 0,85 VW Beetle 0,48 1,80 0,87 VW Polo 0,32 1,90 0,61 VW Golf 0,30 1,99 0,60 Ford Mondeo 0,32 2,00 0,64 BMW series 0,27 2,17 0,59 MB S-class 0,31 2,38 0,74 Opel Calibra 0,26 1,90 0,49 Ô tô Hình 4-3 Tiến trình giảm hệ số khí động số kiểu ô tô Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 45 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 4.4 Lực quán tính Lực quán tính xuất ô tô chuyển động không – tăng tốc và giảm tốc – và bao gồm thành phần: chuyển động tịnh tiến không và chuyển động quay không Lực quán tính là lực cản chuyển động xe nó chuyển động nhanh dần và là lực chủ động chuyển động chậm dần 4.4.1 Lực quán tính các khối lượng chuyển động tịnh tiến Thành phần này phát sinh khối lượng ô tô chuyển động tịnh tiến không và có: - Điểm đặt trọng tâm ô tô; - Phương trùng phương chuyển động; - Chiều ngược với chiều gia tốc tịnh tiến; - Độ lớn: Với: Fa,trans = m ax ax – gia tốc tịnh tiến ô tô, theo phương X m – khối lượng toàn ô tô, m = mv + ml mv – khối lượng thân ô tô; ml – tải trọng ô tô Hình 4-4 Thành phần lực quán tính chuyển động tịnh tiến 4.4.2 Lực quán tính các khối lượng chuyển động quay Khi toàn ô tô gia tốc tịnh tiến, các khối lượng quay ô tô gia tốc góc Mô men lực quán tính các khối lượng quay không này xác định bởi: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 46 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ MT  Ii  w Với: Eq 4-8 Ii – mô men quán tính tất các khối lượng quay ô tô quy dẫn bánh xe chủ động;  w - gia tốc góc bánh xe chủ động; Hình 4-5 Thành phần lực quán tính chuyển động quay không Thành phần lực quán tính chuyển động quay không đều: Fa , rot  Mặt khác, Nên: M T Ii w  rdyn rdyn w  ** w  Kết hợp lại, ta được: Eq 4-9 x Eq 4-10 rdyn ** x rdyn  ax rdyn Fa , rot  Eq 4-11 Ii a x r dyn Eq 4-12 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 47 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 4-6 Các khối lượng quay ô tô Mô men quán tính các chi tiết quay động cơ, hệ thống truyền lực, các bánh xe, quy dẫn bánh xe chủ động xác định bởi: I i  I eng  I c  I Ti  i Ti i o  I dr i o  I w Eq 4-13 Bảng 4-2 Tổng hợp mô men quán tính các khối lượng quay Mô men quán tính Đối với Ieng + Ic Trục động Hộp số ITi Trục động Trục cac đăng và phần chủ động truyền lực chính Idr Trục các đăng Phần bị động truyền lực chính, vi sai và bán trục, các bánh xe, tang trống phanh (hoặc đĩa phanh) Iw Trục bánh xe chủ động Thành phần Động và ly hợp 4.3 Lực quán tính tổng hợp Lực quán tính tổng hợp tác dụng lên ô tô:  I  Fa  Fa, rot  Fa, trans   2i  m v  m l  a x  r dyn  Eq 4-14 Bằng cách đặt: (gọi là hệ số khối lượng số truyền thứ i) ei  Ii m v r dyn Eq 4-15 Lực quán tính tổng hợp trở thành: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 48 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Fa  e i m v  m l  a x Eq 4-16 Do mô men lực quán tính quy dẫn bánh xe chủ động phụ thuộc vào bình phương tỷ số truyền nên hệ số khối lượng ei thay đổi phạm vi rộng, là ô tô có tỷ số truyền số lớn ô tô bus, ô tô tải, ô tô động cao có số phụ Bảng 4-3 Hệ số khối lượng số ô tô Ô tô | Số truyền Ford Escort 1,32 1,15 1,10 1,07 1,06 BMW 730i 1,21 1,10 1,05 1,03 DB - bus 1,61 1,18 1,08 1,06 1,03 4.5 Lực cản móc kéo Lực cản móc kéo xuất ô tô kéo móc Thông thường, ô tô thực kéo móc kéo; có liên kết tự lựa đầu nối vào móc và ô tô kéo Do vậy, phương lực cản móc kéo trùng phương nối điểm liên kết trên móc và trên xe kéo Chiều lực thường ngược chiều chuyển động xe kéo và có thể cùng chiều chuyển động xe kéo khi: - Ô tô chuyển động chậm dần; - Ô tô chuyển động xuống dốc và rơ-mooc không có phanh Trong trường hợp tổng quát, phương lực cản móc kéo không song song với mặt đường, và: F sm  F sm , X  F sm , Z Eq 4-17 Thành phần song song với mặt đường xác định bởi: Fsm,x = Gsm sm Với: Gsm - trọng lượng tổng cộng sơ mi rơ moc (hoặc rơ moc) và hàng hóa vận chuyển; sm - hệ số cản tổng cộng đường tác dụng lên rơ moc Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 49 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 4.6 Xác định phản lực pháp tuyến 4.6.1 Giá trị các phản lực pháp tuyến Trong quá trình ô tô hoạt động, phản lực pháp tuyến luôn thay đổi giá trị Sự thay đổi này có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bám, khả kéo, tính chất phanh, tính ổn định, và độ bền các chi tiết ô tô Khảo sát trường hợp tổng quát, ô tô có trục bánh xe và là chủ động, kéo móc và di chuyển lên dốc chậm dần Tác dụng vào ô tô có các lực: - Trọng lực G - Lực cản không khí Fdrag - Lực cản lên dốc Fgr - Lực cản lăn trên trục bánh xe FR - Lực quán tính Fa - Lực cản moc kéo Fsm Phản lực pháp tuyến đường tác dụng lên các bánh xe phía trước FZ1 xác định từ điều kiện cân mô men tất các lực và mô men tâm vết tiếp xúc O2 bánh xe phía sau FZ1  G cos  gr b  Fa h c  G sin  gr h c  Fdrag h drag  Fsm , x h sm  Fsm , z L sm L FZ  G cos  gr  Fsm ,z  FZ1    F sm , F sm , x  Phản lực pháp tuyến đường tác dụng lên các bánh xe phía sau FZ2 xác định từ điều kiện cân lực theo phương pháp tuyến với đường Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 50 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 4-7 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô 4.6.2 Hệ số phân bố tải trọng trên các bánh xe Hệ số phân bố tải trọng trên trục bánh xe định nghĩa là tỷ số phản lực pháp tuyến trục bánh xe đó và thành phần trọng lực ô tô theo phương vuông góc với đường Hệ số này nhằm đánh giá phân bố trọng lượng trên các trục bánh xe thay đổi giá trị các phản lực pháp tuyến các bánh xe quá trình ô tô chuyển động Hệ số phân bố tải trọng trên trục: - các bánh xe trước: m1 = FZ1 / (G cos) - các bánh xe sau: m2 = FZ2 / (G cos) Nói chung hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe thay đổi phụ thuộc tính chất chuyển động ô tô, phụ thuộc các ngoại lực tác dụng lên ô tô Hệ số phân bố tải trọng tĩnh, mt, là trường hợp riêng – ô tô đứng yên Ô tô du lịch và ô tô tải trục bánh xe chưa có hàng: m2t  0,5 Ô tô tải trục bánh xe đầy tải: m2t  (0,70,75) Phân bố trọng lượng ô tô nhiều trục: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 51 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Đối với các ô tô nhiều trục, cần đảm bảo phân bố trọng lượng hợp lý trên các trục bánh xe Để đảm bảo tất các bánh xe tiếp xúc tốt với mặt đường ô tô chuyển động trên đường gồ ghề, liên kết các trục bánh xe cần có kết cấu đặc biệt Ví dụ: Đối với ô tô cầu, hai cầu sau thường ghép với đòn treo thăng Khi đó có thể coi ô tô cầu có chiều dài sở L là khoảng cách từ trục trước đến đòn treo thăng Phân bố tải trọng cho các cầu sau phụ thuộc điều kiện cân đòn treo thăng Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 52 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương ĐỘNG LỰC HỌC KÉO 5.1 Cân lực - Phương trình chuyển động ô tô Để ô tô có thể chuyển động được, lực kéo tiếp tuyến các bánh xe chủ động phải thỏa mãn đồng thời điều kiện: a Thắng tất các lực cản b Thõa mãn điều kiện bám bánh xe chủ động Theo điều kiện a., trường hợp tổng quát, phương trình chuyển động (còn gọi là phương trình cân lực) ô tô nó hoạt động số truyền i hộp số sau:  F' T, i  (e i m v  m l ) a x  G   C w A V  Fsm, x Eq 5-1 Nếu ô tô chuyển động trên đường nằm ngang và không kéo móc, phương trình trở thành:  FT ,i  G f R  C w A V 2 Eq 5-2 Theo điều kiện b., lực kéo bánh xe chủ động không vượt quá lực bám: F'T ,i  R , x Với: hay F'T ,i   x G w cos  Gw là trọng lượng phân bố trên các trục bánh xe chủ động Các phương trình trên có thể biểu thị dạng đồ thị - gọi là đồ thị cân lực kéo Ứng với số truyền hộp số có giá trị tỷ số truyền iTi, quan hệ vận tốc tịnh tiến ô tô V và vận tốc góc trục khuỷu  e, hay số vòng quay trục khuỷu ne, liên hệ với bởi: V e .ne rdyn  rdyn i Ti i o 30 i Ti i o Eq 5-3 Hình mô tả cân lực ô tô có lắp hộp số cấp, hoạt động với tải định mức, sử dụng động xăng không hạn chế số vòng quay Trên cùng hệ trục tọa độ OFV, các đường cong sau đây biểu thị: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ - Lực kéo tiếp tuyến các bánh xe chủ động ô tô chuyển động và động làm việc toàn tải, FTi, tương ứng với tay số ( i   ); - Lực bám R,x các bánh xe chủ động với mặt đường; - Lực cản lăn FR; - Tổng lực cản lăn và lực cản không khí: FR + Fdrag; Hình 5-1 Đồ thị cân lực Đồ thị cho phép xác định: a Lực kéo tối thiểu cần thiết để ô tô chuyển động được: Đường cong [FR +Fdrag] xác định lực kéo tối thiểu cần thiết để ô tô chuyển động (chuyển động vào không kéo móc trên đường bằng) Tại giá trị vận tốc Va, phần lực kéo Fexc chênh lệch đường cong FTi và đường cong [FR +Fdrag] biểu thị khả dự trữ lực kéo tay số tương ứng vận tốc Va Dự trữ lực kéo Fexc này có thể sử dụng cho các mục đích: o Khắc phụ sức cản lớn đường: hệ số cản lăn cao hoặc/và đường dốc; Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 54 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ o Tăng tốc ô tô để đạt vận tốc cao Va; o Kéo móc b Vận tốc cực đại Vận tốc cực đại ô tô là hoành độ giao điểm các đường cong FTi và [FR + Fdrag] Ví dụ, vận tốc cực đại ô tô (chính là vận tốc lớn tay số 4) là Vmax,4 c Lực cản lớn đường mà ô tô có thể khắc phục tay số, tốc độ nào đó Tại giá trị vận tốc Va, hiệu số [FTi – Fdrag] (biểu thị tổng hai đoạn thẳng ab+cd) xác định lực cản lớn đường mà ô tô khắc phục tay số d Xác định điều kiện không trượt quay các bánh xe chủ động Khu vực nằm đường cong R,x thỏa mãn điều kiện bám bánh xe chủ động Khi ô tô hoạt động các số 2, 3, và 4, điều kiện bám bánh xe chủ động luôn đảm bảo Khi ô tô hoạt động tay số 1, ô tô có thể hoạt động các chế độ cục động 5.2 Cân công suất 5.2.1 Cân công suất Tương tự cân lực kéo, xét theo công suất ô tô có thể chuyển động công suất kéo bánh xe chủ động thắng tổng công suất tất các lực cản tác dụng vào ô tô Nhân hai vế phương trình với vận tốc V, ta nhận phương trình cân công suất:    V F' T ,i  (e i m v  m l ) a x  G   C w A V  Fsm, x  V   Eq 5-4 P' T ,i  (Pa  P  Pdrag  Psm ) Eq 5-5 (Pe - Pac )  t  (Pa  P  Pdrag  Psm ) Eq 5-6 Khi chuyển động đường ngang, không kéo móc, phương trình thành: PT ,i  PR  Pdrag Với: Eq 5-7 P’Ti - công suất kéo bánh xe chủ động; Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 55 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Pa - công suất lực quán tính; PR - công suất lực cản lăn; P - công suất lực cản tổng cộng đường; Pdrag - công suất lực cản không khí; Psm - công suất lực cản móc kéo Đồ thị biểu diễn quan hệ trên gọi là đồ thị cân công suất Đồ thị cân công suất sử dụng để xác định các tiêu sức kéo ô tô, tương tự đồ thị cân lực Hình 5-2 minh họa đồ thị cân công suất ô tô du lịch lắp động xăng và dùng hộp số có số Đồ thị tổng công suất cản không khí, độ dốc và cản lăn lập với nhiều độ dốc khác p đường từ 0% đến 40% Hình 5-2 Đồ thị cân công suất 5.2.2 Mức độ sử dụng công suất động Mức độ sử dụng công suất động đánh giá tỷ số công suất cần thiết để ô tô chuyển động và công suất mà động có thể cung cấp tốc độ tương ứng, động hoạt động chế độ đầy tải: Y P  Pdrag PTi  P  Pdrag  t Pe Eq 5-8 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 56 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-3 trình bày ảnh hưởng số truyền hộp số, tải trọng, đến tính động lực và kinh tế nhiên liệu ô tô du lịch lắp hộp số có số Các đồ thị hyperbol (tương ứng với mức công suất từ 5% đến 111% công suất yêu cầu), mô men cản quy trục động vẽ trên “engine map” Hình 5-3 Ảnh hưởng mức độ sử dụng công suất động và tính động lực và kinh tế nhiên liệu ô tô Từ định nghĩa hệ số mức độ sử dụng công suất và từ đồ thị minh họa trên, có thể thấy rằng:  Chất lượng đường càng tốt, tốc độ xe càng nhỏ thì mức độ sử dụng công suất càng thấp  Tỷ số truyền hệ thống truyền lực thay đổi thì mức độ sử dụng công suất thay đổi  Mức độ sử dụng công suất càng thấp thì tính kinh tế nhiên liệu ô tô càng kém Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 57 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 5.3 Đặc tính động lực ô tô 5.3.1 Đặc tính động lực ô tô hoạt động với tải định mức Đối với ô tô cụ thể, các đồ thị cân công suất, cân lực kéo có thể đánh giá chất lượng động lực nó Tuy nhiên, thực tế cần thiết phải khảo sát với nhiều loại đường khác Khi đó, việc xác định và vẽ nhiều đường cong FR và [FR+Fdrag] PR và [PR+Pdrag] trên hệ trục tọa độ nhiều thời gian, khó theo dõi Hơn nữa, so sánh các ô tô khác nhau, các thông số lực kéo và công suất không thể đánh giá hết chất lượng động lực ô tô Do vậy, cần thiết phải sử dụng đại lượng không thứ nguyên, gọi là hệ số nhân tố động lực và xác định bởi: Di = FTi - Fdrag G Eq 5-9 Giá trị D phụ thuộc vào các thông số thiết kế ô tô, và đó có thể xác định cho kiểu loại Ở số truyền thấp, hệ số nhân tố D có giá trị lớn số truyền cao tăng lực kéo FTi và giảm lực cản không khí Fdrag Khi ô tô hoạt động với vận tốc thấp, lực cản không khí có giá trị nhỏ nên có thể bỏ qua Khi đó, phương trình trở thành: Di = FTi G Eq 5-10 Sau kết hợp với phương trình cân lực, hệ số nhân tố D có thể xác định bởi: Di =   i ax g Eq 5-11 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 58 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-4 Đồ thị nhân tố động lực ô tô du lịch lắp động xăng, hộp số cấp Hệ số nhân tố động lực loại bỏ các đại lượng thứ nguyên: Fdrag và G, là các yếu tố gây trở ngại so sánh tính động lực nhiều ô tô với Các đường cong biểu thị mối quan hệ trên gọi là đồ thị hệ số nhân tố động lực (khi ô tô đầy tải) Hình 5-4 minh họa đồ thị nhân tố động lực ô tô du lịch lắp động xăng, hộp số cấp, hoạt động với tải định mức Khi ô tô chuyển động (ax = 0), nhân tố động lực chính hệ số cản tổng cộng đường: D Eq 5-12 Do vậy, hệ số nhân tố động lực DV – tương ứng giá trị vận tốc cực đại - xác định hệ số cản tổng cộng đường mà ô tô có thể khắc phục hoạt động vận tốc này Giá trị Dmax số truyền xác định giá trị sức cản tổng cộng lớn đường max mà ô tô có thể khắc phục số truyền đó, đồng thời là trạng thái tới hạn theo điều kiện kéo Vận tốc tương ứng với Dmax gọi là vận tốc tới hạn theo điều kiện kéo Nhánh đồ thị D bên phải điểm cực đại là khu vực làm việc ổn định ô tô, nhánh bên trái là khu vực làm việc không ổn định Ô tô có thể hoạt động nhân tố động lực cần thỏa mãn đồng thời điều kiện kéo và điều kiện bám bánh xe chủ động: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 59 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ   D  D Trong đó: D  R , x - Fdrag G Eq 5-13    Z - Cw A V2  G Eq 5-14 Với Z là tổng phản lực pháp tuyến các trục bánh xe chủ động Khi bỏ qua thành phần lực cản không khí, biểu thức D trở thành: D   Z G Eq 5-15 Bằng đồ thị D, có thể xác định số truyền hoạt động hợp lý ô tô Ví dụ, giả sử ô tô hoạt động đầy tải trên đường có hệ số cản tổng cộng 1-1 biểu thị trên hình Rõ ràng, ô tô không thể hoạt động số không thỏa mãn điều kiện kéo Đường thẳng 1-1 cắt đường DII điểm có hoành độ V1 và đó là vận tốc lớn ô tô đạt hoạt động trên đường có sức cản 1-1 Nếu hoạt động số I, điều kiện kéo bảo đảm điều kiện bám không thỏa mãn động chạy toàn tải Ở số I, cho dù có giảm ga để ô tô có thể chạy thì vận tốc không thể tăng cao Như vậy, số II là số hợp lý trường hợp này Tương tự, đường có sức cản tổng cộng là 4-4 thì số II là số truyền hợp lý và vận tốc lớn tương ứng là V3 5.3.2 Đặc tính động lực ô tô tải trọng thay đổi Không phải lúc nào ô tô hoạt động chế độ tải định mức Do ta cần xét đến các trường hợp tải trọng khác với định mức Khi trọng lượng ô tô thay đổi từ G thành Gv, tương ứng tải trọng thay đổi từ Q thành Qv, nhân tố động lực thay đổi theo quan hệ: D i, v = Với: G Di Gv Eq 5-16 G = Go + Q G v = Go + Q v Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 60 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-5 Đồ thị nhân tố động lực tải trọng ô tô thay đổi Như ô tô thì nhân tố động lực tỷ lệ nghịch với trọng lượng nó Để biểu diễn mối quan hệ hệ số nhân tố động lực với thay đổi tải trọng, trọng lượng ô tô ta không cần thiết tính lại D tất cho các tải trọng mà ghép thêm phía bên trái đồ thị D_V đồ thị tia với cách xây dựng mô tả sau Dải tải trọng ô tô – tính % so với tải định mức ô tô tải và tính số người ô tô du lịch khách – thể trên trục hoành đồ thị tia này Giá trị 100% dải tải trọng trùng điểm gốc hệ trục (D, V) và gốc 0% là điểm nằm phía bên trái Tại gốc 0% dải tải trọng, dựng trục D o song song với trục D Tỷ lệ xích ao trục Do và tỷ lệ xích a trục D có quan hệ: ao  a Go G Nối các điểm có cùng giá trị tương ứng trên hai trục D và Do để lập thành các tia Các tia này thường lập với dải giá trị 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; Các giá trị trung gian xác định phương pháp nội suy Hệ đồ thị Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 61 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ (D,V) và đồ thị tia cho phép giải các bài toán tải trọng ô tô thay đổi phạm vi Một số ví dụ điển hình khảo sát đây Ví dụ 1: Xác định hệ số cản lớn đường mà ô tô có thể hoạt động vận tốc 25 m/s mang tải 40% Từ giá trị vận tốc 25 m/s trên trục OV, dựng đường song song với trục D đến cắt đường cong DIV Tại giao điểm này dựng song song với trục hoành phía bên đồ thị tia giao với đường thẳng đứng qua điểm biểu thị 40% tải; giao điểm này xác định hệ số cản lớn đường mà ô tô có thể khắc phục (tương ứng với giá trị 0,048 trên đồ thị) Ví dụ 2: Xác định tay số và vận tốc lớn ô tô có thể chạy biết tải trọng 80% và sức cản tổng cộng đường 0,14 Trên đường thẳng đứng qua điểm biểu thị tải 80%, xác định điểm tương ứng với hệ số cản tổng cộng =0,14 Từ điểm này dựng song song với trục hoành phía đồ thị ODV giao với đường DII Hoành độ giao điểm này có giá trị m/s Như vậy, theo điều kiện kéo thì ô tô có khả hoạt động số I và II Tuy nhiên, số II là số truyền hợp lý và ô tô có khả chuyển động với vận tốc lớn là m/s Các số III và IV không thể đáp ứng điều kiện kéo Ví dụ 3: Xác định khả mang tải biết sức cản đường =0,1 và vận tốc ô tô 13 m/s Từ giao điểm đường thẳng đứng qua điểm có V=13 m/s và đường cong DIII, gióng song song với trục hoành giao với đường tia biểu thị sức cản = 0,1 Hoành độ giao điểm này ( trên dải tải trọng) xác định tải trọng ô tô có thể mang được, tương ứng 20% trên đồ thị Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 62 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-6 Điều kiện chuyển động ô tô tải trọng, hệ số bám thay đổi Sự xây dựng các tia xác định điều kiện bám bánh xe chủ động thực sau (Hình 5-6) Trên hai trục D và Do, lập các tia nối các điểm tương ứng có cùng giá trị dải x= [0,1; 0,2; ; 1,0] với tỷ lệ xích xác định từ quan hệ: d Z G và  Z Go Với  Z là tổng phản lực pháp tuyến các bánh xe chủ động Các điểm trên các trục xác định với các giá trị sau: - Trên trục D: D = d x - Trên trục Do: Do = d o  x Với đồ thị tia xác định hệ số bám giới hạn, ta có thể xác định đầy đủ khả di chuyển ô tô Các ví dụ sau đây minh họa Ví dụ 4: Xác định khả hoạt động ô tô vận tốc là 25 m/s và mang tải 80% Từ giao điểm đường thẳng đứng qua điểm có vận tốc 25m/s với đường cong DIV, gióng song song trục hoành giao với đường thẳng đứng qua điểm biểu thị 80% tải Giao điểm A tương ứng với hệ Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 63 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ số bám giới hạn x,lim= 0,12 Như vậy, ô tô có thể hoạt động điều kiện bám thỏa mãn: x  x,lim Ví dụ 5: Xác định khả hoạt động ô tô (số truyền, vận tốc) biết tải trọng ô tô 70% và hệ số bám đường 0,4 Từ giao điểm đường thẳng đứng qua điểm biểu thị tải trọng 70% và tia biểu thị hệ số bám 0,4, gióng song song với trục hoành phía trục ODV Vị trí đường gióng thể giới hạn bám với tải trọng và loại đường đã cho Ô tô có thể hoạt động với các điểm nằm đường giới hạn này 5.4 Sự tăng tốc ô tô Thời gian chuyển động chiếm tỷ lệ nhỏ (20-25)%, thời gian tăng tốc chiếm khoảng (30-45)%, thời gian chuyển động nhờ quán tính và thời gian phanh chiếm (30-40)% so với tổng thời gian hoạt động ô tô Khả động lực ô tô còn đánh giá khả gia tốc ô tô; thể thời gian và quãng đường cần thiết để gia tốc ô tô từ trạng thái đứng yên đến giá trị xác định Khả tăng tốc ô tô có thể đánh giá thời gian để thực di chuyển 100m đầu tiên Thời gian này khoảng từ 8-10 giây các ô tô du lịch và khoảng 10-15 giây ô tô tải Gia tốc ô tô xác định các phương pháp: đo thực nghiệm, tích phân (bằng phương pháp đồ thị giải tích) hàm số nhân tố động lực Bảng 5-2 thống kê gia tốc cực đại các loại ô tô sử dụng hộp số khí Các quan hệ gia tốc, thời gian, quãng đường di chuyển, và vận tốc ô tô biểu thị trên đồ thị gia tốc, thời gian và quãng đường tăng tốc ô tô Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 64 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-7 Đồ thị gia tốc ô tô a/ Gia tốc từ trạng thái đứng yên b/ Gia tốc từ vận tốc nhỏ số Thời gian tăng tốc và quãng đường tăng tốc xác định biết gia tốc ax  V dV dt  dt  dS dt dV ax  dS  V dt Khoảng thời gian để ô tô thay đổi vận tốc từ V1 đến V2 và quãng đường tương ứng ô tô được: V2 t V1, V  dV a V1 Eq 5-17 x V2 S V1, V   V dt Eq 5-18 V1 Tổng thời gian và quãng đường tăng tốc xác định: T   t V1,V2  S    S V1,V2 t  S ch ch Eq 5-19 Eq 5-20 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 65 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-8 Đồ thị thời gian và quãng đường tăng tốc ô tô tch là khoảng thời gian cần thiết để thay đổi số truyền Nó phụ thuộc loại ô tô, loại hệ thống truyền lực, kết cấu hộp số, và trình độ thao tác người lái Giá trị thông thường tch thống kê bảng Sch, Vch tương ứng là quãng đường ô tô và độ thay đổi giảm tốc độ quá trình chuyển số Bảng 5-1 Thời gian chuyển số Thời gian chuyển số ô tô dùng: Hộp số Động xăng Động diesel Có cấp, không dùng đồng tốc 1,3 – 1,5 3–4 Có cấp, dùng đồng tốc 0,2 – 0,5 1,0 – 1,5 0,05 – 1,00 0,5 – 0,8 Bán tự động Bảng 5-2 Gia tốc cực đại các loại ô tô Loại ô tô Số truyền Số Số cao Ô tô 2,0 – 2,5 0,8 – 1,2 Ô tô tải 1,7 – 2,0 0,25 – 0,5 Ô tô khách 1,8 – 2,3 0,4 – 0,8 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 66 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 5.5 Ảnh hưởng tỷ số truyền truyền lực chính đến tính động lực và kinh tế nhiên liệu ô tô Tỷ số truyền io truyền lực chính ảnh hưởng đến khả động lực và tính kinh tế nhiên liệu ô tô Hình 5-9 giải thích ảnh hưởng này Trên cùng đồ thị thể cân công suất ô tô (đối với cùng điều kiện hoạt động nào đó tải trọng, đường sá) sử dụng truyền lực chính có tỷ số truyền khác Khi tỷ số truyền là ioa, iob, và ioc đường cong công suất cản (lăn và không khí) cắt các đường công suất kéo tương ứng điểm cực trị nó (điểm A), điểm thuộc nhánh “giảm” (điểm B), và điểm thuộc nhánh “tăng” (điểm C) Từ đồ thị có thể thấy: - Tỷ số truyền ioa cho vận tốc cực đại Vmax,A ô tô cao - Tỷ số truyền iob có làm giảm vận tốc cực đại cho phép ô tô có dự trữ công suất cao trường hợp ioa - Tỷ số truyền ioc vừa dẫn đến giảm vận tốc cực đại, vừa giảm dự trữ công suất ô tô vận tốc nhỏ Hình 5-9 Ảnh hưởng tỷ số truyền truyền lực chính Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 67 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Như vậy, phương án A (với tỷ số truyền i oa) nên chọn cho ô tô du lịch và ô tô thể thao phương án B (với tỷ số truyền i ob) nên chọn cho ô tô tải và khách Tỷ số truyền truyền lực chính thường nằm khoảng đến Khi giá trị tỷ số truyền lớn, truyền lực chính bao gồm cấp và có thể bố trí tập trung phân tán 5.6 Ảnh hưởng số cấp hộp số đến khả động lực và kinh tế nhiên liệu ô tô D 0.35 D1 0.30 0.25 y2 0.20 0.15 y1 0.10 D2 0.05 0.00 10 20 30 40 50 60 70 V [Km/h] D 0.35 D1 0.30 0.25 y2 0.20 D2 0.15 D3 y1 0.10 D4 0.05 0.00 10 20 30 40 50 60 70 V [Km/h] Hình 5-10 Ảnh hưởng số cấp hộp số đến khả động lực và tính kinh tế nhiên liệu ô tô Khảo sát hai ô tô giống nhau, nhiên hộp số ô tô thứ có cấp và ô tô thứ hai có cấp Tỷ số truyền các tay số thứ và cuối cùng Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 68 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ hai ô tô là Ô tô thứ 2, hộp số có nhiều cấp nên có khả chuyển động với tốc độ cao sức cản đường thay đổi khoảng 1 đến 2 5.7 Truyền động vô cấp Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 69 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương TÍNH TOÁN SỨC KÉO Bài toán tính sức kéo có hai dạng: Tính thiết kế và tính kiểm nghiệm Tính kiểm nghiệm thực tất các tham số ô tô liên quan đến kích thước, động cơ, hệ thống truyền lực và hệ thống chuyển động đã biết Khi đó, tính toán sức kéo nhằm kết luận khả hoạt động ô tô trên loại đường sá cần khảo sát Tính thiết kế bao gồm việc tính chọn động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống chuyển động (trong liên hệ với nhau) để đảm bảo yêu cầu ô tô theo các điều kiện tốc độ, loại đường sá, và tải trọng Chương này đề cập đến tính toán thiết kế Các thông số liên quan tính toán sức kéo gồm nhóm: Các thông số cho trước, các thông số chọn, và các thông số tính toán 6.1 Thông số cho trước Nhóm thông số cho trước bao gồm:  Chủng loại ô tô, loại động cơ, loại hệ thống truyền lực  Tải trọng ô tô tải (hoặc số lượng hành khách ô tô du lịch, ô tô khách)  Tốc độ cực đại Vmax yêu cầu đầy tải  Hệ số cản lăn loại đường  Hệ số cản lớn ô tô khắc phục max 6.2 Thông số chọn Nhóm thông số chọn chọn dựa theo số liệu thực nghiệm và xe tương đương, có tính đến điều kiện phát triển và khả công nghệ Nhóm thông số này bao gồm: - Trọng lượng thân ô tô, Go Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ - Hệ số khí động, Cw - Diện tích cản chính diện, A - Hiệu suất truyền lực, t - Hệ số phân bố tải trọng tĩnh trên các trục bánh xe, mt 6.3 Thông số tính toán Các thông số tính toán cùng với trình tự thực sau: 6.3.1 Trọng lượng toàn * Đối với ô tô du lịch và ô tô khách: G  G o  n (G p  G l ) Eq 6-1 * Đối với ô tô tải: G  G o  n (G p  G l )  Q Trong đó: Eq 6-2 Go - Trọng lượng thân ô tô Gp - Trọng lượng người Gl - Trọng lượng hành lý cho người n - Số người chở, kể người lái Q - Tải trọng định mức ô tô tải 6.3.2 Cỡ lốp Từ kết tính toán trọng lượng toàn ô tô và hệ số phân bố tải trọng trên các trục bánh xe đã chọn, có thể xác định tải trọng hướng kính tác dụng lên bánh xe trên các trục bánh, tải trọng lớn số các lốp xe Thông thường, lốp xe ô tô trên tất các trục bánh có cùng cỡ Lốp xe xác định vào: o Loại lốp; o Phạm vi sử dụng; o Vận tốc lớn ô tô; o Tải trọng hướng kính (tĩnh) tác dụng lên lốp; o Khả cung ứng Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 71 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Cỡ lốp chọn, thông thường là loại có cỡ nhỏ tất các cỡ thỏa mãn các tiêu chí trên Sau chọn cỡ lốp xe cụ thể, có thể xác định các thông số liên quan khác lốp xe, bán kính thiết kế 6.3.3 Chọn động và xây dựng đặc tính ngoài - Công suất cần thiết động để ô tô trì tốc độ cực đại Vmax: + Từ yêu cầu vận tốc lớn Vmax ô tô mang đủ tải định mức Q, công suất kéo cần thiết các bánh xe chủ động xác định bởi: PTV  PR  Pdrag Eq 6-3  PTV  (f R  f) G Vmax  C w A V max Eq 6-4 Với f là lượng dự trữ để ô tô đảm bảo trì vận tốc Vmax Đối với ô tô du lịch, f = Đối với ô tô khách và tải, thông thường: f = (0,0050,015) Như vậy, ô tô du lịch có thể đạt vận tốc lớn trên đường + Công suất cần thiết bánh đà động để tạo công suất kéo PTV bánh xe chủ động xác định bởi: PeV  PTV t Eq 6-5 - Công suất yêu cầu động cơ: Công suất lớn cần thiết động xác định bởi: Pe, max = k ac Pe,max = k ac PeV   a e + b  e P  P     - c  e    P  PeV a  n + b 2 n - c 3 n Eq 6-6 Với kac > 1, là hệ số tính đến công suất dẫn động các trang bị trên động như: máy nén không khí, máy nén môi chất làm lạnh, bơm nước và quạt gió làm mát động cơ, máy phát điện vv Đối với các ô tô thông thường, lượng công suất này có thể chiếm khoảng 10-20% công suất lớn động Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 72 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ - Chọn động cơ: Động chọn dựa vào điều kiện: + Số vòng quay cực đại (chọn); + Công suất đáp ứng giá trị yêu cầu Pe,max Công suất động chọn không quá lớn so với công suất yêu cầu Pe,max nhằm đảm bảo tính kinh tế Sau chọn động cơ, các số liệu liên quan đến động xác định, ví dụ: số vòng quay lớn nhất, công suất lớn nhất, số vòng quay ổn định nhỏ Nếu có số liệu thực nghiệm đặc tính ngoài động chọn thì có thể số hóa để phục vụ cho việc tính toán Trong trường hợp không có số liệu thực nghiệm đặc tính ngoài, đặc tính ngoài động xác định gần đúng:  Pe = Pe,max a  n + b  n - c  n Te   Pe e Eq 6-7 Eq 6-8 Công suất kéo, mô men kéo, và lực kéo các bánh xe chủ động: PT  Pe  t Eq 6-9 TT  Te i t t Eq 6-10 TT rdyn Eq 6-11 FT  6.3.4 Tỷ số truyền số truyền cao hộp số Có hai phương án cho số truyền cao nhất: - Phương án số truyền “thẳng”: Tỷ số truyền số cao ihn = - Phương án số truyền “tăng”: Tỷ số truyền số cao ihn < Giá trị nó chọn khoảng 0,75-0,85 Đối với ô tô tải và ô tô khách, tải trọng thay đổi phạm vi khá lớn Để có thể sử dụng tốt công suất động ô tô chạy non không tải, phương án số truyền tăng có thể sử dụng Khi đó, ô tô có thể chạy với vận tốc cao Tuy nhiên, việc tính chọn động thực ứng với vận Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 73 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ tốc lớn yêu cầu Vmax, ô tô hoạt động đúng tải định mức và hoạt động số truyền kế cuối (số truyền thẳng) Đối với ô tô du lịch, phương án số truyền tăng có thể chọn với mục đích giảm số vòng quay lớn động Do đó, tuổi thọ động tăng giảm các yêu cầu khắt khe dao động Trái lại với ô tô tải và khách, chọn số truyền tăng thì việc tính chọn công suất động thực ô tô hoạt động số cao 6.3.5 Tỷ số truyền truyền lực chính Tỷ số truyền io truyền lực chính xác định từ điều kiện đảm bảo vận tốc lớn Vmax theo yêu cầu # Đối với ô tô du lịch, ô tô thể thao: io   e,max i h , n Vmax Eq 6-12 rdyn # Đối với ô tô tải, ô tô khách: - Nếu số cao hộp số là số truyền “thẳng”: io   e,max i h , n Vmax rdyn Eq 6-13 - Nếu số cao hộp số là số truyền “tăng”: io   e,max i h , n 1 Vmax rdyn Eq 6-14 Trong các công thức trên, ih,n là tỷ số truyền số cao hộp số 6.3.6 Tỷ số truyền số truyền thấp hộp số Tỷ số truyền số thấp hộp số xác định để đảm bảo đồng thời điều kiện: thắng sức cản yêu cầu, đủ bám, và ô tô có thể di chuyển chậm - Thắng sức cản lớn nhấtmax theo yêu cầu: Điều kiện thắng sức cản lớn nhất, viết dạng phương trình cân lực trường hợp tổng quát sau:  F'T ,i  (e i m v  m l ) a x  G  max  C w A V  Fsm, x Eq 6-15 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 74 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Nếu ô tô chuyển động đều, không kéo móc, và bỏ qua ảnh hưởng lực cản không khí thì: FT ,1  G  max i h1  hay M e ,max i o i h1  t rdyn  G  max G  max rdyn Eq 6-16 M e,max i o  t - Đảm bảo đủ bám cho các bánh xe chủ động: FT ,1   x  Z i h1  Với hay M e, max i o i h1  t rdyn  x  Z  x  Z rdyn M e ,max i o  t Eq 6-17  Z là tổng phản lực pháp tuyến các bánh xe chủ động - Đảm bảo cho ô tô có khả di chuyển chậm: Để động điều kiện địa hình xấu, ô tô phải có khả hoạt động với vận tốc nhỏ Vmin không quá 3-5 km/h i h1   e,min rdyn i o Vmin Eq 6-18 Ở đây  e,min là tốc độ góc nhỏ động động hoạt động ổn định đầy tải 6.3.7 Số cấp hộp số và tỷ số truyền các số trung gian Số cấp hộp số xác định phụ thuộc vào các yếu tố: - Loại và công dụng ô tô; - Giá trị khoảng tỷ số truyền ki = ih1 / ihn ; Nói chung, tăng số cấp hộp số tăng mức độ sử dụng công suất động cơ, tăng tính kinh tế nhiên liệu, tốc độ trung bình và vậy, tăng suất và giảm giá thành vận chuyển Tuy tăng số cấp làm phức tạp kết cấu và quá trình điều khiển, tăng kích thước và giá thành hộp số Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 75 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Tỷ số truyền các tay số trung gian: Hộp số ít cấp (số số truyền tiến không quá 6): Trong đa số trường hợp, tỷ số truyền các tay số trung gian xác định theo qui luật cấp số nhân để đảm bảo cho động làm việc chế độ tăng tốc ô tô các tay số khác Khi số cấp hộp số ít, có thể xác định tỷ số truyền các tay số trung gian theo qui luật cấp số điều hoà hay tính theo hai qui luật chọn giá trị trung bình Khi tính theo cấp số điều hoà, khoảng biến thiên tốc độ các tay số xe tăng tốc và bước các số truyền cao nhỏ khá nhiều so với các số truyền thấp Hộp số nhiều cấp (số số truyền tiến 6): Hộp số nhiều cấp thường gồm hộp số chính và hộp số phụ bố trí chung cụm Do đó dãy tỷ số truyền hộp số nhiều cấp xác định bởi: - Qui luật phân phối tỷ số truyền hộp số chính; - Quan hệ vị trí phân phối khoảng tỷ số truyền hộp số chính và hộp số phụ Có phương án xây dựng dãy tỷ số truyền hộp số nhiều cấp: a/ Hộp số phụ đặt trước hộp số chính và b/ hộp số phụ đặt sau hộp số chính Tuỳ theo yêu cầu và điều kiện làm việc cụ thể ô tô mà chọn phương án phù hợp 6.3.8 Xác định các tiêu động lực và kinh tế nhiên liệu ô tô Tiến hành xây dựng các đồ thị cân công suất, cân lực kéo, đặc tính động lực, gia tốc, thời gian và quãng đường tăng tốc, tiêu hao nhiên liệu ô tô Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 76 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU CỦA Ô TÔ Tiêu hao nhiên liệu ô tô đánh giá thể tích (hoặc khối lượng) nhiên liệu tiêu hao cho 100 km đường chạy, cho đơn vị thời gian, đơn vị công vận chuyển (Tấn.Km) 7.1 Xác định tiêu hao nhiêu liệu 7.1.1 Phương pháp lý thuyết Trong giai đoạn thiết kế ban đầu, trên sở các số liệu ban đầu có thể ước lượng tương đối chính xác tiêu hao nhiên liệu phương pháp mô Hơn nữa, thay đổi các tham số có thể khảo sát mà không đòi hỏi tốn nhiều chi phí Tuy nhiên, để thực điều này, cần thiết phải có số liệu suất tiêu hao nhiên liệu động cơ, dạng hàm số bảng giá trị Hình 7-1 mô tả đặc tính tải động – quan hệ suất tiêu hao nhiên liệu động be (còn ký hiệu là BSFC) với áp suất có ích trung bình pe (còn ký hiệu là BMEP) và số vòng quay động ne, chế độ làm việc ổn định Đồ thị còn gọi là “engine fuel consumption map” Một dạng biểu thị khác “engine map” là đồ thị biểu thị quan hệ ne, Te, và be Hình 7-1 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích động Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Tiêu hao nhiên liệu B ô tô tính tỷ số tích phân lưu lượng thể tích nhiên liệu tiêu thụ, khoảng thời gian T, với quãng đường tương ứng: T *  T  B    b dt  /   V.dt  0  0  Eq 7-1 * Với V, b – là vận tốc, lưu lượng nhiên liệu tiêu hao tức thời ô tô Chuyển động thực tế ô tô trên đường, giả lập chuyển động theo chu trình nào đó, có thể chia thành các dạng:  Chuyển động với lực kéo tiếp tuyến, FT >  Phanh, FT <  Dừng, V = Do vậy, việc xác định tiêu hao nhiên liệu B khoảng thời gian T thực với chia nhỏ tương ứng với các dạng chuyển động trên Chuyển động với lực kéo tiếp tuyến, FT > * Lưu lượng thể tích nhiên liệu tiêu thụ tức thời b phụ thuộc vào công suất cần thiết Pb,T để có thể tạo lực kéo tiếp tuyến theo điều kiện yêu cầu FT,dem các bánh xe chủ động, và đó: * b  fuel  b e Pb,T Với: Eq 7-2 fuel - khối lượng riêng nhiên liệu be - suất tiêu hao nhiên liệu có ích động Thể tích nhiên liệu tiêu thụ quá trình kéo xác định bởi: b T  *  b dt  FT  b T   fuel  FT   FT  be b e Pb,T  fuel dt PT b K a dt   K a e FT,dem V dt t  fuel FT  t Eq 7-3 Eq 7-4 Lực kéo tối thiểu cần thiết để ô tô chuyển động, xác định bởi:  FT, dem  (m v  m l ) g f R  C w A (V  Vw ) 2 Eq 7-5 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 78 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Trong trường hợp tổng quát, lực kéo cần thiết để ô tô chuyển động, xác định phương trình:  FT , dem  (m v  m l ) g (f R cos  sin )  C w A .V  (e i m v  m l ) a  Fsm, x Eq 7-6 Mô men cần thiết động Te,dem cần lớn lượng đúng tổn thất hệ thống truyền lực và dẫn động các trang bị động và ô tô: Te,dem  FT,dem rdyn i hi i o  Tloss  Tacc Eq 7-7 có thể xác định phương trình sau đây: Te ,dem  Với FT,dem rdyn i hi i o Ka t Eq 7-8 Ka - hệ số (>1) tính đến dẫn động các trang thiết bị; t - hiệu suất truyền lực Do đó, giá trị áp suất có ích trung bình động xác định bởi: p e ,dem  p e ,dem   Te,dem Vs i    FT, dem rdyn  K a  t Vs i  i hi i o  Eq 7-9 Số vòng quay động ne xác định từ tốc độ ô tô và số truyền: ne  V i hi i o 2. rdyn Với pe,dem - áp suất có ích trung bình yêu cầu cần thiết; Vs - thể tích công tác động cơ; V - vận tốc ô tô; i - hệ số tính đến số kỳ (0,5 cho kỳ và cho kỳ) Như vậy, trên “engine map” điểm làm việc động (ne, pe) (ne, Te,dem) tiêu hao nhiên liệu ô tô hoàn toàn xác định Tiêu thụ nhiên liệu chế độ phanh, FT < Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 79 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Khi giảm tốc độ tức thời (theo yêu cầu vận hành chế độ thử) lớn, lực cản không khí và lực cản lăn tạo nên lực kéo âm vết tiếp xúc bánh xe chủ động Khi động giảm tải để đáp ứng giảm tốc độ, mô men động trở nên nhỏ đến mức không đủ để truyền đến bánh xe chủ động, và không đủ để làm quay bánh xe chủ động kịp theo vận tốc chuyển động ô tô Khi đó, tiêu tán động ô tô diễn Mô men ma sát động cơ, sức cản nén khí xy lanh động cơ, và ma sát hệ thống truyền lực tạo nên lực kéo âm bánh xe chủ động Giá trị lớn nó xảy động giảm tải hoàn toàn và ô tô hoạt động số truyền thấp Nếu giảm tốc độ đòi hỏi vượt quá cản nói trên, cần thiết phải thực phanh (bằng hệ thống phanh) để gia tăng lực cản bánh xe Trong quá trình phanh nói trên, lưu lượng nhiên liệu tiêu thụ tức thời * b b thường nhỏ và phụ thuộc thời gian, đó lượng nhiên liệu tương ứng cho quá trình xác định bởi: * b  b b Eq 7-10 dt FT  Tiêu thụ nhiên liệu ô tô dừng, V =0 Khi ô tô dừng, bàn đạp ga chế độ nhả hoàn toàn, động làm việc chế * độ không tải và phải cung cấp nhiên liệu b idle để có lượng dẫn động các trang bị động và ô tô Khi đó, tiêu thụ nhiên liệu là nhỏ và không đổi theo thời gian, xác định : * b idle  *  b idle dt  b idle t idle Eq 7-11 V0 Tiêu hao nhiên liệu ô tô trên 100 km đường chạy, ứng với chế độ vận hành nêu trên xác định: B trac  b T  b -  b idle T  Vdt kc Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 80 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ B trac   fuel  FT  Ka * * be FT,dem V dt   b b dt  b idle t idle t FT  T  Vdt kc Eq 7-12 Với kc là hệ số quy đổi đơn vị Sự xác định tiêu hao nhiên liệu chế độ phanh và dừng xe tùy thuộc vào điều khiển hệ thống nhiên liệu động cụ thể Từ phương trình trên, có thể thấy tiêu hao nhiên liệu ô tô cụ thể phụ thuộc:  Tải trọng ô tô số người chuyên chở  Sức cản đường  Quy luật vận tốc chuyển động ô tô V= V(t)  Chế độ làm việc động Về nguyên tắc có hai kiểu chu trình chạy xe Hình 7-2a minh họa chu trình thực tế, chính là ghi lại trạng thái chuyển động thực tế ô tô Hình 7-2b minh họa chu trình giả lập, thiết kế sau quan trắc thực tế chuyển động ô tô bao gồm vận tốc, gia tốc các khoảng thời gian và tần suất a – Chu trình thực tế b – Chu trình giả lập Hình 7-2 Kiểu chu trình vận tốc ô tô Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 81 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 7.1.2 Đo tiêu hao nhiên liệu Để đo tiêu hao nhiên liệu, cần sử dụng ô tô mẫu với các tham số có khả biến đổi (như tải trọng, sức cản khí động, …) và đòi hỏi chi phí cao Đo tiêu hao nhiên liệu có thể thực trên băng thử, trên đường thử, đường công cộng Thử trên băng thử có ưu điểm: có thể tái lập điều kiện thử, rút ngắn thời gian chuẩn bị, và thiết bị đo không thiết phải đặt trên ô tô thử Có ba phương pháp đo tiêu hao nhiên liệu: - Đo tiêu hao nhiên liệu tức thời (đo lưu lượng dòng và đo liên tục); - Đo tiêu hao nhiên liệu trung bình, khoảng thời gian quãng đường xác định - Đo tiêu hao phương pháp cân carbon Khi dùng phương pháp thứ hai, tiêu hao nhiên liệu (tính thể tích) đơn vị quãng đường xác định từ khối lượng nhiên liệu tiêu hao đo mfuel và quãng đường di chuyển S ô tô: B trac  m fuel  fuel S Eq 7-13 Nếu đo trực tiếp thể tích nhiên liệu tiêu hao Vfuel, cần tính đến giãn nở nhiên liệu theo nhiệt độ: B trac  Với: Vfuel 1   fuel (To - Tfuel ) S fuel Eq 7-14 - hệ số giãn nở nhiệt nhiên liệu To (273K) - nhiệt độ tiêu chuẩn Tfuel - nhiệt độ nhiên liệu Phương pháp đo tiêu hao nhiên liệu trung bình, dù là đo khối lượng hay thể tích, chính xác, không thể cung cấp giá trị tức thời, giá trị tiêu hao tức thời là cần thiết cho việc phân tích chế độ làm việc không ổn định ô tô Khi cần thiết phải đo tiêu hao nhiên liệu tức thời, phương pháp đo lưu lượng dòng nhiên liệu sử dụng Do dòng nhiên liệu ô tô có giá trị Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 82 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ nhỏ nên đòi hỏi yêu cầu cao thiết bị đo (cánh turbine, bơm thể tích, các hệ thống sử dụng phần tử nhiệt) Phương pháp thứ ba đo tiêu hao nhiên liệu sử dụng là đo thành phần khí xả và dựa trên nguyên lý cân carbon Phương pháp này áp dụng kết hợp với đo ô nhiễm khí xả, cho độ chính xác cao Tuy nhiên, chi phí cho hệ thống đo lớn 7.1.3 Các quy tắc đo tiêu hao nhiên liệu Quy tắc đo tiêu hao nhiên liệu xác định quy trình cho việc đo tiêu hao nhiên liệu Giá trị tiêu hao nhiên liệu thực tế ô tô phụ thuộc vào cách vận hành, điều kiện đường sá và tình trạng giao thông, môi trường và tình trạng kỹ thuật ô tô Thông thường, chu trình đo tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm khí xả kết hợp, và có nhiều chu trình khác áp dụng cho các quốc gia, vùng lãnh thổ Ví dụ, nước Đức các điều kiện thử áp dụng đến năm 1996 theo tiêu chuẩn DIN 70030 sau: Liên quan đến ô tô thử: Động đã chạy rà (tối thiểu 3000 km) Liên quan đến việc đo lường: Vận tốc không đổi và có giá trị ¾ vận tốc cực đại ô tô không quá 110 km/h Một lượng 10% cộng vào để tính đến các điều kiện không bình thường Các điều kiện khác: - Vận tốc gió: m/s - Điều kiện môi trường: - Nhiên liệu: bar, 293K theo tiêu chuẩn DIN 51600 xăng có chì, DIN 51607 xăng không chì, và DIN 51601 nhiên liệu diesel Sự xác định tiêu hao nhiên liệu theo phương pháp trên bị trích điều kiện vận tốc không đổi là thiếu thực tế Hơn nữa, các giá trị xác định thấp giá trị thực tế Hình so sánh tiêu hao phương pháp (thực tế và theo chu trình) cùng ô tô chuyên gia Giá trị thực tế cao khoảng 20% Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 83 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Các nhà chế tạo ô tô châu Âu, chủ yếu là Đức, đến năm 1996 áp dụng quy tắc 80/1268/EEC việc thử tiêu hao nhiên liệu ô tô Theo quy tắc này, tiêu hao nhiên liệu xác định tương ứng với chế độ vận hành ô tô: Bcity tương ứng với chu trình European City Cycle, B90 ứng với chế độ vận tốc không đổi 90 km/h, và B120 ứng với chế độ vận tốc không đổi 120 km/h Sau đó, tiêu hao nhiên liệu hỗn hợp BEuromix xác định là trung bình cộng các giá trị Bcity, B90, và B120 Tiêu hao nhiên liệu xác định theo quy tắc Euromix gần với thực tế B Euromix  B city  B 90  B120 Eq 7-15 Hình 7-3 So sánh kết đo tiêu hao nhiên liệu Kể từ 1/1996, chu trình áp dụng cộng đồng châu Âu, cho việc xác định ô nhiễm và tiêu hao nhiên liệu ô tô Theo tiêu chuẩn ECE-R 83/02, chu trình thử ECE15+EUDC bao gồm khoảng tốc độ cao hơn, cụ thể gồm phần:  Phần một, chu trình bắt đầu với 40 giây khởi động động ô tô, theo sau chu trình ECE-R15 Chu trình thử ECE-R15 gồm 22 cung (không tải, tăng tốc, đều, và giảm tốc) Thực 22 cung đoạn này Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 84 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ lần tương ứng với quãng đường 4,052 km, thời gian thử 13 phút, và vận tốc trung bình là 18,7 km/h  Phần gồm 13 cung và tạo thành 6,955 km và khoảng thời gian 400 giây với tốc độ trung bình 56,9 km Chu trình có chiều dài tổng cộng 11,007 km với thời gian 1220 giây, với vận tốc trung bình 32,5 km/h Tiêu hao nhiên liệu xác định theo chu trình này cao chu trình cũ khoảng 10% Hình 7-4 Chu trình thử ECE 15 + EUDC 7.2 Biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu Như trên ta đã biết, tiêu hao nhiên liệu xác định quan hệ sau: B trac   fuel  FT  Ka * * be FT,dem V dt   b b dt  b idle t idle t FT  T  Vdt kc Với lực kéo tiếp tuyến cần thiết, xác định theo phương trình:  FT , dem  (m v  m l ) g (f R cos  sin )  C w A .V  (e i m v  m l ) a  Fsm, x Từ phương trình tiêu hao nhiên liệu trên có thể thấy giảm tiêu hao nhiên liệu thực các biện pháp: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 85 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ - Nâng cao tính kinh tế nhiên liệu động cơ, thể qua suất tiêu hao nhiên liệu động be, là chế độ tải cục động - Các thông số liên quan sức cản ô tô trọng lượng ô tô (mv + ml), hệ số sức cản đường (), hệ số sức cản không khí (Cw), diện tích cản chính diện (A) Các thông số này phải giảm trên sở đảm bảo tiêu chí an toàn, kinh tế, tính tiện nghi - Sử dụng hợp lý số truyền hộp số để chế độ làm việc động vùng kinh tế, có suất tiêu hao nhiên liệu thấp - Tránh sử dụng ô tô non tải hay quá tải - Tăng hiệu suất truyền lực t, giảm công suất dẫn động các trang bị bơm trợ lực, bơm nước… (giảm Ka) để tăng công suất kéo bánh xe chủ động - Nâng cao chất lượng điều hành giao thông hệ thống hướng dẫn, ảnh hưởng đến đặc điểm vận hành ô tô: tốc độ, tăng tốc, và dừng xe - Nâng cao kỹ lái Ứng dụng các giải pháp kiểm soát thông minh để ngăn ngừa người lái có các thao tác gây tăng tiêu hao nhiên liệu Hình 7-5 Vị trí tương ứng engine map và các quy luật yêu cầu sức cản Khi thiết kế ô tô, bố trí hệ thống truyền lực, phân bố tỷ số truyền, tỷ số truyền truyền lực chính hệ thống truyền lực có cấp Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 86 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ phương án điều khiển hệ thống truyền lực vô cấp có ảnh hưởng lớn đến tiêu hao nhiên liệu Hình 7-5 mô tả “engine map” cùng với các quy luật yêu cầu hệ thống truyền lực có cấp, và đặc tính điều chỉnh truyền lực vô cấp để đạt tiêu hao nhiên liệu tối thiểu Đối với hệ thống truyền lực có cấp, thông thường số truyền cao chiếm tỷ lệ lớn tổng thời gian vận hành Do đó, đường cong tương ứng phải vùng có suất tiêu hao nhiên liệu cực tiểu để tăng tính kinh tế nhiên liệu ô tô Trái lại, hệ thống truyền lực vô cấp có khả đảm bảo chọn điểm làm việc động giá trị công suất yêu cầu Do đó, tối ưu có thể điều chỉnh cho giá trị công suất yêu cầu cụ thể Bằng cách này, điều khiển hợp lý tỷ số truyền, có thể chuyển vị trí đường cong công suất cần thiết khu vực có suất tiêu hao nhiên liệu thấp trên “engine map” Hình 7-6 So sánh tiêu hao nhiên liệu các số truyền Hình 7-6 mô tả tiêu hao nhiên liệu theo quãng đường chạy số truyền cố định Số truyền hoạt động càng cao, nói chung, dẫn đến tiêu hao nhiên liệu càng thấp Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 87 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương TÍNH CHẤT PHANH Ô TÔ 8.1 Khái niệm Tính chất phanh là tính chất giảm tốc hay dừng xe cưỡng theo ý muốn và điều khiển người lái Phanh ô tô và kéo có quan hệ phụ thuộc Chất lượng phanh càng cao thì khả phát huy tốc độ xe càng lớn Trong quá trình phanh, ma sát chuyển hóa động chuyển động ô tô thành nhiệt tiêu tán môi trường không khí Năng lượng này tổn thất và không thể tái sử dụng cho chuyển động ô tô Do vậy, hiển nhiên làm tăng tiêu hao nhiên liệu Đối với hệ thống phanh chính, phần lớn lượng tiêu tán dạng nhiệt ma sát cấu phanh phanh bình thường, dạng nhiệt ma sat bánh xe và mặt đường phanh ngặt Thực chất quá trình phanh là gia tăng lực cản tác dụng lên ô tô để tiêu tán động ô tô Khi phanh, người lái nhả bàn đạp ga nên không có lực kéo tiếp tuyến bánh xe chủ động Các biện pháp thực phanh:  Dùng ma sát: tạo ma sát cấu phanh để tiêu hao lượng chuyển động ô tô  Dùng cấu lá chắn: tức là tăng diện tích cản chính diện  Khi phanh có thể lợi dụng sức cản động (không tách động khỏi hệ thống truyền lực) 8.2 Thực nghiệm đánh giá quá trình phanh Các tiêu phanh ô tô có thể xác định trên băng thử đo trên đường cách đo quãng đường phanh, thời gian, gia tốc chậm dần, và lực phanh phanh với cường độ lớn Điều kiện thử phanh cho loại ô tô - bao gồm tải trọng ô tô, vận tốc ban đầu, loại đường và trạng thái đường, độ dốc, áp suất môi chất dẫn động phanh - phụ thuộc vào tiêu chuẩn áp dụng Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ thử Thời gian và quãng đường phanh thực tế phải nhỏ thời gian và quãng đường phanh cho phép Hình 8-1 Sự phụ thuộc quãng đường phanh vào hệ số bám đường và vận tốc ban đầu ô tô Thực tế cho thấy quãng đường phanh tăng lên hệ số bám bánh xe và mặt đường giảm, vận tốc ban đầu ô tô tăng (Hình 8-1) Hình 8-2 Giản đồ phanh Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 89 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 8-2 mô tả quan hệ lý thuyết thời gian, vận tốc, lực phanh, và gia tốc chậm dần ô tô quá trình phanh tr là thời gian phản ứng người lái – phụ thuộc hoàn toàn vào kỹ người lái, có giá trị 0,4-1 giây và thường lấy 0,8 s tdr là thời gian trễ hệ thống; phụ thuộc loại tình trạng kỹ thuật hệ thống phanh; khoảng 0,2-0,4s phanh thủy lực, 0,60,8s phanh khí nén, tin là thời gian lực phanh tăng dần từ đến giá trị lớn nhất; phụ thuộc cường độ phanh, loại và trạng thái mặt đường Giá trị nó, trường hợp phanh khẩn cấp, tất các bánh xe hãm cứng, thống kê bảng tbr Ô tô 0,05 – 0,2 Ô tô tải và khách với phanh thủy lực 0,05 – 0,4 Ô tô tải với phanh khí nén, tải trọng đến 4500 kg 0,15 – 1,2 Ô tô tải, tải trọng trên 4500 kg 0,2 – 1,5 Ô tô khách với phanh khí nén 0,2 – 1,3 là thời gian phanh với lực phanh lớn nhất, ô tô dừng Trong khoảng thời gian tr + tdr, lực phanh không có và ô tô chuyển động với vận tốc ban đầu V Trong khoảng thời gian tin, lực phanh và gia tốc chậm dần tăng, giả thiết theo quy luật tuyến tính còn vận tốc giảm theo quy luật phi tuyến đến giá trị V’ Trong khoảng thời gian tbr, lực phanh và gia tốc chậm dần không đổi, còn vận tốc giảm dần đến 0, giả thiết theo quy luật tuyến tính 8.3 Thực nghiệm đánh giá quá trình phanh 8.3.1 Động lực học bánh xe phanh Khảo sát quá trình phanh thực nhờ lực ma sát cấu phanh Hình 8-3 mô tả hệ thống phanh dẫn động thủy lực trợ lực chân không và cấu phanh kiểu đĩa Khi phanh, người lái giảm cung cấp nhiên liệu cho động và Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 90 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ nhấn bàn đạp phanh Qua cấu dẫn động phanh, má phanh ép mạnh vào đĩa phanh tạo mô men phanh Mp hãm chuyển động quay đĩa phanh, bánh xe Hình 8-3 Sơ đồ hệ thống phanh dẫn động thủy lực trợ lực chân không với cấu phanh đĩa Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 91 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ  V Gw K Mp +MR- Mj rdyn FB FZ Hình 8-4 Lực tác dụng vào bánh xe phanh Lực và mô men tác dụng vào bánh xe phanh mô tả trên Hình 8-4:  Trọng lực tác dụng trên bánh xe Gw  Phản lực pháp tuyến mặt đường FZ  Mô men cản lăn MR, ngược chiều quay bánh xe  Mô men lực quán tính Mj, cùng chiều quay bánh xe phanh  Mô men phanh cấu phanh Mp, ngược chiều quay bánh xe  Phản lực tiếp tuyến đường FB  Lực tác dụng từ khung xe K Khi bánh xe chịu mô men hãm Mp, bánh xe quay chậm lại Ngoài ra, quán tính, chuyển động tịnh tiến trước ô tô còn trì nên bánh xe tác dụng lực vào đường theo hướng chuyển động Phản lực Fbr mặt đường tác dụng lại bánh xe đúng độ lớn ngược chiều với lực này Lực Fbr là phản lực tiếp tuyến tác dụng vào bánh xe phanh, gọi là lực phanh Trong trường hợp tổng quát, từ điều kiện cân mô men các lực bánh xe trục quay nó, ta có lực phanh bánh xe xác định: FB  Mp  MR - M j rdyn Eq 8-1 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 92 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 8.3.2 Động lực học ô tô phanh Khảo sát ô tô có trục bánh xe, thực phanh chuyển động trên dốc Giả sử trục sau là trục chủ động và trục bánh xe phanh Phương trình chuyển động ô tô sau: Hình 8-5 Lực tác dụng ô tô phanh FB1  FB2  FR1  FR2  Fdrag  Ffr, e  Fsm, x  G.sin  - Fa  Eq 8-2 Với Ffr,e là lực cản sinh các bánh xe chủ động mô men ma sat Tfr,e động Ffr ,e  Tfr, e i t  n rdyn Eq 8-3 FB  FB1  FB2 Đặt: FR  FR1  FR2 F  FR  G.sin  Phương trình trở thành: FB  F  Fdrag  Ffr, e  Fsm, x - Fa  Eq 8-4 Gia tốc chậm dần phanh xác định: ax  FB  F  Fdrag  Fsm, x  Ffr, e ei m v  ml Eq 8-5 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 93 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Với phương pháp phanh có kết hợp động cơ, mô men phanh sinh đồng thời hệ thống phanh và động Người lái nhả bàn đạp ga trước đạp bàn đạp phanh, đó vận tốc góc trục khuỷu động giảm nhanh, xem là vận tốc góc không tải Sau đó, quán tính và ly hợp còn đóng nên bánh xe chủ động làm quay trục động Điều này làm tăng lực cản chuyển động (lực này tỷ lệ với lực ma sat động cơ) Tuy nhiên, tùy vận tốc góc động cơ, quá lớn thì có bánh đà có tác dụng làm giảm hiệu phanh Trường hợp phanh gấp, cắt ly hợp phanh: Ffr , e  Khi phanh, mở ly hợp thì: Nếu phanh gấp đến ô tô dừng thì vận tốc giảm nhanh nên có thể bỏ qua ảnh hưởng Fdrag Phương trình cân lực ô tô trở thành: FB  F - Fa  Eq 8-6 Khi phanh với cường độ phanh lớn, lực phanh lớn đạt lực bám Giả thiết lực phanh trên tất các bánh xe đạt lực bám thì  x G cos  G cos f R  G sin  - e i m v  m l  a x   x  f R  tan - ei m v  m l a  m v  m l  g cos x Eq 8-7 Nếu đường không dốc thì: x  f R - ei m v  ml a  m v  m l  g x a x   x  f R  m v  m l  ei m v  m l .g Eq 8-8 8.4 Các tiêu đánh giá quá trình phanh Chỉ tiêu đánh giá quá trình phanh gồm gia tốc chậm dần, thời gian phanh, và quãng đường phanh Sau đây ta xác định các tiêu phanh phanh trên đường nằm ngang Gia tốc chậm dần (khi phanh xe trên đường nằm ngang) Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 94 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ a x   x  f R  mv  ml g ei m v  m l Eq 8-9 Do hệ số bám x lớn so với hệ số cản lăn fR nên có thể bỏ qua fR: a x  x mv  ml g ei m v  ml Eq 8-10 Nếu bỏ qua ảnh hưởng các khối lượng quay (ei = 1), phương trình trở thành: a x  x g Eq 8-11 Như vậy, phanh với cường độ lớn trên đường bê tôn nhựa, gia tốc chậm dần lớn lý thuyết đạt 8-9 m/s2 Nếu hệ số bám đường không đổi quá trình phanh, gia tốc gần số a/ Các tiêu phanh b/ Gia tốc với cường độ phanh khác (Đường liền: Phanh với hệ thống phanh; Đường đứt: Phanh kết hợp động cơ) Hình 8-6 Các tiêu phanh Thời gian phanh Thời gian phanh có thể xác định phương pháp tích phân giải tích đồ thị Xét đồ thị mô tả trên Hình 8-2 Trong khoảng thời gian tin, giả thiết Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 95 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ gia tốc thay đổi tuyến tính, có thể thấy khoảng thời gian này, ô tô giảm tốc với gia tốc 0,5 amax Thay đổi tốc độ tương ứng là: V  a max t in Eq 8-12 Vận tốc thời điểm bắt đầu phanh với lực phanh lớn nhất: V'  V - V  V - a max t in Eq 8-13 Nếu phanh liên tục với lực phanh lớn ô tô dừng hẳn, và gia tốc phanh luôn đạt cực đại suốt thời gian này thì: V'  a max t br Do đó: t br  V' V t in  a max a max Eq 8-14 Như vậy, thời gian tổng cộng quá trình phanh: t st  t r  t dr  t in  t br  t r  t dr  t st  t tot  t in V  a max V a max Eq 8-15 Eq 8-16 Nếu phanh ô tô trên đường ngang với cường độ phanh lớn nhất, thời gian phanh đến ô tô dừng hẳn xác định bởi: t st  t tot  V .g Eq 8-17 Quãng đường phanh Quãng đường phanh có thể xác định phương pháp giải tích đồ thị Tiếp tục xét đồ thị mô tả trên Hình 8-2 Trong khoảng thời gian tin, quãng đường ô tô là: Sin  Vmean V V  V' V  V ' V - V'   a mean 0,5 a max a max Eq 8-18 Trong khoảng thời gian phanh tbr với cường độ phanh lớn vận tốc giảm đến 0, ô tô quãng đường Sbr: S br  V' 2 a max Eq 8-19 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 96 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Quãng đường tổng cộng ô tô quá trình phanh Sst: Sst  V (t r  t dr )  S in  S br  V (t r  t dr )  Sst  V t tot  V2 V' a max a max V2 a max Eq 8-20 Nếu lực phanh trên tất các bánh xe đạt giá trị lớn nhất, và mở ly hợp quá trình phanh thì: S br  (e i m v  m l ) V' 2  x  f R  G cos  G sin   Fdrag  (e i m v  m l ) V' V2 S br   x g x g Sst  V t tot  V2 x g  Eq 8-21 Eq 8-22 Eq 8-23 Thời gian phanh tst và quãng đường phanh Sst có thể xác định theo công thức 8-16 và 8-20 xác định gia tốc chậm dần phanh amax công thức 8-17 và 8-21 không biết gia tốc mà biết hệ số bám đường 8.5 Cơ sở lý thuyết phân bố lực phanh trên các trục bánh xe 8.5.1 Quan hệ lý tưởng phân bố lực phanh trên các trục Mong muốn đặt là lực phanh tất các bánh xe đồng thời đạt cực đại Tuy nhiên, điều này khó xảy với điều kiện vận hành ô tô Trong quá trình phanh, bánh xe nào đó lực phanh đạt lực bám, bánh xe bị hãm cứng và hệ số bám giảm bánh xe bị hãm cứng nên lực phanh cực đại bánh xe đó giảm Đồng thời, tính ổn định và dẫn hướng ô tô giảm theo Khi phanh ô tô, ảnh hưởng lực quán tính, phản lực pháp tuyến thay đổi tùy thuộc cường độ phanh Nếu ô tô có trục bánh xe: Phản lực Z1 tăng và Z2 giảm Trên đường nằm ngang và ô tô không kéo móc, phản lực có giá trị: hc G b  Z1  L G  L g a x  Z1t  Z d   Z  a G  h c G a  Z - Z x 2t d  L L g Eq 8-24 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 97 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Trong đó: b G - tải trọng phân bố tĩnh trên trục trước; L a Z t  G - tải trọng phân bố tĩnh trên trục sau; L h G Z d   c a x - Tải trọng động thay đổi trên các trục L g Z1t  Lực phanh tổng ô tô có trục bánh xe xác định bởi: FB  FB1  FB2 Eq 8-25 Gia tốc phanh ô tô phụ thuộc vào lực phanh tổng Khi lực phanh tổng đạt cực đại, gia tốc và cường độ phanh đạt giá trị lớn a x ,max   x g Eq 8-26 a  z max   x    x  g  max Eq 8-27 FB ,max  FB1, max  FB2, max   x Z1  Z   z max Z Eq 8-28 Xét quá trình phanh trên đường ngang và bỏ qua ảnh hưởng các khối lượng quay, Khi chế độ phanh đạt lý tưởng, cường độ phanh lớn đạt và quan hệ gia tốc và lực phanh sau: z max  z max FB1, max  b h m g   c z max   L L  b b   hc  2h c Eq 8-29 F  L   B1, max Z hc  Eq 8-30 Lực phanh trên trục sau xác định bởi: FB 2, max Z FB 2, max Z  z max - FB1, max Eq 8-31 Z FB1, max  b  F , b L   B1 max   2.h c Z hc Z  2h c  Eq 8-32 Như vậy, để đạt chế độ phanh hiệu quả, lực phanh các trục bánh xe trước và sau cần thỏa mãn phương trình trên Quan hệ này, rõ ràng phụ thuộc vào tải trọng, tức là tọa độ trọng tâm ô tô (b, hc) và hệ số bám đường Hình mô tả quan hệ lực phanh các trục bánh xe, chế độ tối ưu Tập hợp các đường tương ứng với cường độ phanh không đổi biểu thị trên đồ thị Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 98 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Khi tăng cường độ phanh, cần thiết phải tăng lực phanh trên trục bánh xe trước và giảm lực phanh trên trục bánh xe sau Hình 8-7 Quy luật phân bố lý tưởng lực phanh trên các trục bánh xe ứng với giá trị hệ số bám và trạng thái tải trọng 8.5.2 Các biện pháp điều hòa lực phanh Để đảm bảo chính xác quan hệ lực phanh theo phương trình 8-32 là khó thực Nhiều biện pháp kỹ thuật đã áp dụng để tạo quy luật thay đổi phân bố lực phanh trên các trục bánh xe cho chúng tiệm cận các đường phân bố lý tưởng Sự thay đổi quy luật phân bố gọi là điều hòa lực phanh Các biện pháp điều hòa lực phanh có thể chia thành: Phân bố không đổi, hạn chế lực phanh, và điều chỉnh lực phanh a Phân bố không đổi: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 99 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 8-8 Phân bố lực phanh cố định Tỷ lệ lực phanh trên các trục bánh xe là giá trị cố định không đổi Giải pháp này thực các biện pháp kết cấu như: xy lanh chính có bậc đường kính xy lanh bánh xe khác (đối với dẫn động phanh thủy lực), đường kính bầu phanh khác (đối với dẫn động phanh khí nén) Quan hệ lực phanh minh họa trên Hình 8-8 Đối với loại hệ thống phanh có phân bố thế, có điểm trùng với chế độ tối ưu Ở phía trước điểm tối ưu, trọng lượng bám trên trục sau không tận dụng hết Ở phía bên phải điểm tối ưu, có trượt lên bánh xe sau b Kiểm soát lực phanh: Mục đích là làm cho đường đặc tính thực tế gần với đường đặc tính lý tưởng Để đạt điều này, số van đặc biệt bố trí xy lanh chính và cấu phanh bánh sau Tùy thuộc vào hoạt động hiệu các loại van này, có thể chia thành các nhóm: b.1 Bộ giới hạn lực phanh: Loại này là đơn giản Nó giới hạn lực phanh trên trục sau không thể vượt quá giá trị định trước Do đó, trượt các bánh xe phía sau loại trừ Hình 8-9 minh họa nguyên lý làm việc hạn chế lực phanh bánh sau Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 100 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 8-9 Giới hạn lực phanh b.2 Bộ giảm lực phanh: Đối với loại này, đặc tính phân bố lực phanh gồm hai nửa đường thẳng giao Tại điểm tác động, hệ số góc đường thẳng biểu thị tỷ lệ thay đổi, Hình 8-10 Đối với loại này, xu hướng hãm cứng bánh xe trước thấp giới hạn lực phanh Sự giảm lực phanh bánh sau đạt van mà nó cho tăng áp suất cửa áp suất cửa vào tăng quá giới hạn đã định Hình 8-10 Điều chỉnh giảm lực phanh trục sau c Bộ phân bố lực phanh tự động theo tải trọng: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 101 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Khi tải trọng thay đổi, tọa độ trọng tâm ô tô thay đổi, và dẫn đến thay đổi quy luật phân bố lý tưởng Do vậy, cần thiết phải điều chỉnh quy luật phân bố lực phanh theo tải trọng trên các trục bánh xe Có hai loại điều chỉnh tự động theo tải trọng: điều chỉnh loại tia và điều chỉnh với thời điểm tác động thay đổi c.1 Bộ điều chỉnh loại tia: Đặc tính lý tưởng và đặc tính điều chỉnh thực tế loại này mô tả trên Hình 8-11 Quy luật phân bố lực phanh lý tưởng, ứng với tải trọng ô tô, là đường cong nằm khoảng hai đường cong thể phân bố lực phanh lý tưởng ô tô không tải (đường dưới) và ô tô đầy tải (đường trên) Đường đặc tính thực tế điều hòa là tập hợp các “tia”, tự động điều chỉnh theo tải trọng trên các trục bánh xe Vùng làm việc điều chỉnh là phần diện tích gạch chéo Hình 8-11 Điều chỉnh lực phanh loại “tia” c.2 Bộ điều chỉnh với thời điểm tác động thay đổi: Nguyên lý điều chỉnh tương tự giảm lực phanh trên trục sau Tuy nhiên, phân bố trọng lượng trên các trục bánh xe thay đổi thì điểm tác động điều chỉnh thay đổi Kết là, điều chỉnh có khả tạo phân phối lực phanh thể trên phần diện tích gạch chéo đồ thị Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 102 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 8-12 Điều chỉnh lực phanh với thời điểm tác động thay đổi 8.6 Chống hãm cứng bánh xe phanh Chống hãm cứng bánh xe phanh nhằm tránh bánh xe trượt lê trên mặt đường, dẫn đến giảm hệ số bám và đó giảm lực phanh bánh xe bị trượt lê Ngoài ra, bánh xe trước bị trượt lê phanh thì tính dẫn hướng ô tô bị mất; bánh xe sau bị trượt lê phanh thì tính ổn định ô tô giảm Chống hãm cứng bánh xe phanh có thể thực thủ công nhờ lái xe có kỹ thành thạo, thực chu trình phanh-nhả liên tục, nhờ hệ thống chống hãm cứng bánh xe phanh (antilock braking system - ABS) Hệ thống chống hãm cứng bánh xe phanh có nhiệm vụ giảm lực phanh trên bánh xe, bánh xe bị hãm cứng, và sau đó tăng lực phanh lên bánh xe quay lại Các hệ thống ABS đại có khả giảm lực phanh bánh xe gần hãm cứng và điều chỉnh lực phanh để trì trượt cục bánh xe quanh vùng có hệ số bám cao nhất, minh họa trên Hình 8-13, và đó có thể tăng tối đa lực phanh để tiêu tán nhanh chóng động ô tô Khái niệm ABS đã có từ 1930s gần đây áp dụng phổ biến, phát triển kỹ thuật điều khiển điện tử Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 103 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 8-13 Duy trì trượt cục bánh xe với ABS Hình 8-14 mô tả diễn biến tốc độ góc bánh xe và giá trị hệ số bám tương ứng, điều chỉnh lực phanh ABS Hình 8-14 Vận tốc ô tô và vận tốc góc bánh xe phanh với ABS Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 104 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương TÍNH NĂNG DẪN HƯỚNG CỦA Ô TÔ 9.1 Khái niệm Tính dẫn hướng ô tô là khả đảm bảo nhanh chóng hướng chuyển động theo yêu cầu người lái Để thay đổi hướng chuyển động ô tô máy kéo, có thể sử dụng các biện pháp:  Xoay số bánh xe lệch khỏi vị trí trung gian Các bánh xe này gọi là bánh xe dẫn hướng Biện pháp này áp dụng rộng rãi ô tô  Truyền mô men kéo có trị số, trị số và hướng khác đến các bánh xe chủ động hai bên Biện pháp này áp dụng máy xích  Kết hợp hai biện pháp trên Biện pháp này áp dụng máy kéo bánh Hệ thống lái, lốp xe, và hệ thống treo ảnh hưởng lớn đến tính chất dẫn hướng ô tô Để có tính dẫn hướng tốt, cần đáp ứng các yêu cầu:  Không có tượng quay vòng “thừa”;  Khi chuyển hướng, các bánh xe dẫn hướng phải lăn mà không trượt ngang;  Các bánh xe dẫn hướng phải có liên hệ động học đúng;  Khi chuyển động thẳng, các bánh xe dẫn hướng phải có khả tự giữ vị trí trung gian, và có khả tự quay vị trí trung gian bị lệch khỏi vị trí đó;  Không có dao động góc bánh xe dẫn hướng; 9.2 Động học và động lực học quay vòng 9.2.1 Động học quay vòng Hình 9-1 mô tả chuyển động ô tô có trục bánh xe, với trục bánh xe dẫn hướng phía trước, trên đường vòng 123456 Chuyển động này gồm có giai đoạn: - Chuyển động thẳng trước vào đường vòng, 12 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ - Chuyển động vào đường vòng, 23 Bán kính cong giảm dần; - Chuyển động trên đường cong, 34 có bán kính cong R không đổi; - Chuyển động đường vòng, 45 Bán kính cong tăng dần; - Chuyển động thẳng, 56 Hình 9-1 Sơ đồ quay vòng ô tô có lốp cứng Trong thực tế, giai đoạn có thể không có (cung 34 suy biến thành điểm) Giả sử các bánh xe không biến dạng và không trượt ngang quay vòng Như vậy, các đường vuông góc với vector vận tốc tức thời giao tâm quay tức thời Khảo sát điểm trục bánh xe sau Bán kính quay vòng tức thời điểm này xác định bởi: R L tan Eq 9-1 Trong đó, L là chiều dài sở ô tô và  là góc quay trung bình các bánh xe dẫn hướng Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 106 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 9-2 Sơ đồ quay vòng các bánh xe dẫn hướng phía và ngoài Để cho bánh xe dẫn hướng không trượt ngang quay vòng thì các bánh xe dẫn hướng phía và phía ngoài phải quay với góc khác cho đường vuông góc với các vectơ vận tốc gặp tâm quay tức thời c tan  out - ctan in  Với: ON - OM L pin  L L Eq 9-2 Lpin là khoảng cách tâm hai trụ quay chuyển hướng Như vậy, trên cùng trục bánh xe dẫn hướng góc quay bánh xe phía lớn góc quay bánh xe phía ngoài Để đảm bảo đúng quan hệ trên (Eq 9.2), kết cấu hệ thống dẫn động lái phức tạp Thực tế, hệ thống dẫn động thiết kế cho độ sai lệch góc quay lý thuyết và góc quay thực tế nằm giới hạn cho phép Ở góc quay không lớn 150, các góc quay có giá trị gần nên có thể lấy giá trị góc quay trung bình 9.2.2 Động lực học quay vòng Khi ô tô chuyển động không trên đường vòng, tồn lực quán tính tác dụng vào ô tô, trọng tâm nó Lực quán tính gồm thành phần: ly tâm Fcen và tiếp tuyến Ftan Fin  Fcen  Ftan Eq 9-3 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 107 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Ngoài ra, tác dụng vào ô tô còn có mô men lực quán tính Min Tuy nhiên, mô men này nhỏ nên có thể bỏ qua Hợp các thành phần nằm ngang theo phương Oy các phản lực này ảnh hưởng lớn đến tính dẫn hướng và ổn định ô tô Lực quán tính ly tâm: Độ lớn lực ly tâm Fcen xác định bởi: Fcen  m v  m l     m   Eq 9-4  - vận tốc góc chuyển động vòng ô tô; Với:  - bán kính quay vòng tức thời trọng tâm ô tô Mặt khác:  V R ;  R cos Do đó: Fcen R V2 V  m.   m R cos  R  cos Eq 9-5 Nếu  nhỏ, biểu thức trở thành: Fcen  m  V2 L cos Eq 9-6 Thành phần ngang lực ly tâm có giá trị: Fcen , y  Fcen cos  m  V2 L Eq 9-7 Lực quán tính tiếp tuyến: Tương tự, độ lớn thành phần nằm ngang lực quán tính tiếp tuyến Ftan xác định bởi: Ftan, y  m.V.b  sw L Với: b Eq 9-8 - khoảng cách trọng tâm ô tô đến trục sau sw  d dt - vận tốc góc quay vòng bánh xe dẫn hướng Tổng hợp thành phần nằm ngang: Fin , y  Fcen, y  Ftan, y   m V   V b sw L  Eq 9-9 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 108 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Như vậy:  Thành phần Fcen,y tác dụng lên ô tô chuyển động cong, tỷ lệ với bình phương vận tốc ô tô V và tỷ lệ với góc quay bánh xe dẫn hướng   Thành phần Ftan,y xuất quay vành tay lái ( sw  0): - Khi vào đường vòng: sw >  Ftan,y > - Khi đường vòng: sw <  Ftan,y < Vậy, vào đường vòng, Fcen,y và Ftan,y dương Điều này làm cho hợp lực có giá trị lớn nên thiết phải giảm tốc độ V ô tô Khi khỏi đường vòng, Fcen,y và Ftan,y ngược chiều nên hợp lực có giá trị nhỏ F cen,y, nên cho phép tăng vận tốc V đến mức độ định Các yếu tố sau: đàn hồi ngang lốp, mô men lực quán tính, xoắn khung xe, mô men hiệu ứng quay, đã không xét đến quá trình khảo sát trên Các yếu tố này ảnh hưởng đến động lực học quay vòng ô tô Vận tốc giới hạn theo điều kiện trượt ngang bánh xe dẫn hướng Khảo sát trục bánh xe dẫn hướng phía trước (không chủ động) Lực tác dụng lên nó (trong mặt phẳng đường) gồm có: - Lực F1 từ khung xe; - Lực quán tính F1,in trục trước Lực F1 khung tác dụng lên trục trước có thể biểu thị: F1, x  f R Z1  F1, y  F1, x tan  f R Z1 tan F1  F1, x  F1, y Eq 9-10 Khi ô tô chuyển động, F1,x cân với lực cản lăn trên trục trước Lực quán tính trục trước biểu thị: F1,in  F1,cen  F1,tan F1, cen  m1 V tan L cos Eq 9-11 Eq 9-12 Hợp lực theo hướng ngang bánh xe dẫn hướng: Y  F1, y  F1,cen Eq 9-13 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 109 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hợp lực này gây trượt ngang bánh xe dẫn hướng Để bánh xe dẫn hướng không bị trượt ngang, cần thỏa mãn điều kiện: Y   Z1 - X  Z1  - f R Eq 9-14 Lực F1,cen tỷ lệ với bình phương vận tốc ô tô nên bánh xe trượt vận tốc đạt mức định nào đó – gọi là vận tốc giới hạn theo điều kiện trượt ngang bánh xe dẫn hướng, Vst:  2 - f  R Vst   - f R  g L cos  tan     Eq 9-15 Từ biểu thức trên, có thể thấy được:  Khi vận tốc vượt quá Vst, bánh xe dẫn hướng trượt ngang và quay bánh xe dẫn hướng (góc ) không mang lại chuyển động mong muốn Giá trị vận tốc Vst giảm góc quay  lớn  Trên mặt đường cứng, hệ số cản lăn fR nhỏ so với hệ số bám  nên có thể kiểm soát chuyển động ô tô góc quay  lớn Trái lại, trên đường có hệ số bám thấp, đại lượng (2-fR2) có giá trị nhỏ, nên vận tốc tới hạn giảm nhỏ  Nếu   fR , biểu thực và ô tô có thể chuyển cos động với vận tốc nhỏ;  Nếu   fR , Vst là số phức – tức là ô tô điều khiển cos  Vận tốc tới hạn theo điều kiện trượt ngang bánh xe dẫn hướng có thể nhỏ vận tốc tới hạn theo điều kiện lật đổ ngang trượt ngang Khi bánh xe dẫn hướng trượt ngang hoàn toàn, chuyển động quay  bánh xe dẫn hướng không tạo nên hướng chuyển động mong muốn – Ô tô khả dẫn hướng Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 110 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 9.3 Ảnh hưởng độ đàn hồi ngang lốp đến tính dẫn hướng Chuyển động ô tô có lốp “cứng” đã khảo sát trên Thực tế, lốp ô tô có tính đàn hồi nên có lực ngang tác dụng, lốp bị biến dạng theo phương ngang Sự lăn bánh xe thực tế có đặc điểm khác biệt Phương chuyển động bánh xe trên mặt đường có thể hợp với vết mặt phẳng trung gian bánh xe góc ls, mà nó chưa bị trượt lê ngang Hiện tượng đó gọi là tượng lăn lệch và ls là góc lăn lệch Hình 9-3 mô tả lăn lệch bánh xe đàn hồi Khi bánh xe lăn trên mặt đường và chịu tác dụng tải trọng thẳng đứng và tiếp tuyến, điểm B, C,… trên bề mặt bánh xe tiếp xúc với mặt đường các điểm B1, C1, … Phương mặt phẳng trung gian bánh xe trùng phương chuyển động nó Giả sử có lực ngang Py tác dụng vào bánh xe Lúc này, bánh xe bị uốn cong và mặt phẳng trung gian bánh xe lệch khoảng bt so với tâm vết tiếp xúc O Khi bánh xe lăn, các điểm B, C, … bánh xe tiếp xúc với đường các điểm B2, C2, … Kết quả, bánh xe lăn theo phương AD2 và vết mặt phẳng trung gian bánh xe nghiêng góc ls so với phương AD2 Hình 9-3 Sự lăn lệch bánh xe Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 111 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Khi bánh xe lăn và có lực ngang, biến dạng ngang bánh xe vùng phía trước nhỏ vùng phía sau nên ứng suất theo phương ngang phân bố tương tự Một cách gần đúng, có thể xem phân bố ứng suất ngang vết tiếp xúc tuân theo quy luật tam giác Phản lực ngang Y có độ lớn lực Py và lệch so với hình chiếu trục quay bánh xe khoảng ct Tương tự, phản lực tiếp tuyến X lệch khoảng bt so với hình chiếu mặt phẳng trung gian bánh xe Do lệch này các phản lực X và Y, bánh xe chịu thêm mô men quay, làm quay nó quanh trụ quay chuyển hướng a/ Tổng quát b/ Quan hệ thử với lốp 6.40-13 Đường liền: áp suất 0,17 MN/m2; đường đứt: áp suất 0,12 MN/m2 Đường và 2, ứng với lực thẳng đứng kN Đường và 4, ứng với tải trọng thẳng đứng kN Hình 9-4 Quan hệ góc lăn lệch và lực ngang Khi lực ngang Py nhỏ, trượt ngang bánh xe vùng tiếp xúc là nhỏ, có thể bỏ qua và thay đổi hướng chuyển động bánh xe chủ yếu biến dạng ngang lốp xe Quan hệ góc lăn lệch và lực ngang có thể xem gần tuyến tính (đoạn AB’) Khi lực ngang Py tiếp tục tăng đạt gần giá trị lực bám ngang (đoạn B’C’), gia tăng trượt ngang bắt đầu phía sau vết tiếp xúc Khi Py lực bám ngang (điểm C’), bánh xe trượt trên bề mặt tiếp xúc với mặt đường theo hướng tác dụng Py Trong trường hợp này, chuyển Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 112 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ động bánh xe là kết hợp thành phần: lăn trên đường và trượt ngang trên đường tác dụng Py Sự phụ thuộc góc lăn lệch theo lực ngang có thể biểu thị bởi: Py  K ls  ls Eq 9-16 Kls gọi là hệ số chống lệch ngang lốp xe Kls gần số góc lăn lệch nhỏ độ Hình 9-5 mô tả quay vòng ô tô có lốp cứng và lốp đàn hồi Đối với ô tô có lốp đàn hồi, theo chiều quay chuyển hướng, ảnh hưởng đàn hồi ngang lốp nên phương vector vận tốc các trục bánh xe chậm so với phương mặt phẳng trung gian các bánh xe góc lăn lệch; 1 trục trước và 2 trục sau Khi góc quay trung gian các bánh xe dẫn hướng là , bán kính quay vòng (tính theo điểm các trục bánh xe) lốp cứng là R1 và R2, lốp đàn hồi là R1el và R2el Tâm quay vòng tức thời ô tô, tương ứng là O và Ol Hình 9-5 Sự ảnh hưởng lốp đàn hồi đến quay vòng ô tô Ta có các quan hệ hình học: sin   L R 21 - R  R1 R1 R 1e l cos( - 1 )  R 2e l cos Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 113 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ    R 21el  sin      R 2 el  sin   R 2e l sin   L - R 1e l sin(  - 1 ) Do đó: sin(   1 )  sin   R el  L2  R 1el - R 2el L R 1el Eq 9-17 L2  R 2el - R 1el L R 2el L tan( - 1 )  tan Eq 9-18  L  R el tan( - 1 )  R el tan Eq 9-19 Nếu góc quay và góc lăn lệch nhỏ, phương trình trên trở thành: R el  L  - 1   Eq 9-20 Như vậy, ảnh hưởng đàn hồi lốp, tính chất chuyển động ô tô bị thay đổi Bán kính quay vòng tức thời, tâm quay vòng tức thời thay đổi và ô tô có thể quay vòng bánh xe dẫn hướng vị trí trung gian Khi các lốp xe đàn hồi và có 1 = 2  0: R el  R Eq 9-21 Ô tô có tính quay vòng trung hòa Bán kính quay vòng ô tô này giống bán kính quay vòng ô tô có bánh “cứng” Tuy nhiên, tâm quay vòng tức thời thay đổi nên quỹ đạo chuyển động ô tô thay đổi (Hình 9-6) Hình 9-6 Quay vòng trung hòa Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 114 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Sự thay đổi tính chất chuyển động còn thể ô tô chuyển động thẳng Phương chuyển động ô tô là đường thẳng, hợp với mặt phẳng đối xứng dọc ô tô góc góc lăn lệch (Hình 9-7) Hình 9-7 Chuyển động lệch thẳng ô tô có 1 = 2 Khi các lốp xe đàn hồi và có 1 > 2: R el  L L   - 1    Eq 9-22 Hình 9-8 Ảnh hưởng quay vòng thiếu (a) và thừa (b) Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 115 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Trong trường hợp này, ô tô có tính quay vòng thiếu Khi ô tô có 1 > 2 và chuyển động thẳng trên đường mà có lực ngang Py tác động vào, ô tô quay vòng tức thời và lực ly tâm xuất hiện, tác động vào ô tô (Hình 9-8 a/) Tác dụng khử thành phần nằm ngang lực ly tâm làm cho tượng quay vòng nên không nguy hiểm Khi các lốp xe đàn hồi và có 1 < 2: R el  L L   - 1    Eq 9-23 Trong trường hợp này, ô tô có tính quay vòng thừa Khi ô tô có 1 < 2 và chuyển động thẳng trên đường mà có lực ngang Py tác động vào, ô tô quay vòng tức thời và lực ly tâm xuất hiện, tác động vào ô tô (Hình 9-8 b/) Thành phần nằm ngang lực ly tâm làm tăng cường tác dụng lực ngang Py, nên tượng quay vòng mạnh lên, có thể làm ổn định ô tô nên nguy hiểm Góc quay trung gian bánh xe dẫn hướng xác định bởi:  L - (  - 1 ) R el Quan hệ góc lăn lệch các bánh xe, lực ngang tác dụng, và hệ số chống lệch bên bánh xe: 1  Py1 K ls1  m1 V R el K sl1 và 2  Py2 K ls2  m2 V2 R el K sl2 m m  V2  - 1   -   K sl2 K sl1  R el Eq 9-24 Đối với ô tô có tính quay vòng thừa, vận tốc ô tô tăng lớn đến mức Vls nào đó có thể dẫn đến tượng tự quay vòng Giá trị Vls gọi là vận tốc tới hạn theo điều kiện ổn định ô tô có tính quay vòng thừa: Vls  L m m1 K sl2 K sl1 Eq 9-25 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 116 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 9.4 Ảnh hưởng dao động bánh xe dẫn hướng Khi ô tô chuyển động, các bánh xe dẫn hướng có thể dao động mặt phẳng thẳng đứng cùng với trục trước, và dao động quanh trụ quay chuyển hướng Dao động quanh trục quay chuyển hướng làm thay đổi quỹ đạo chuyển động ô tô Sự dao động góc bánh xe dẫn hướng có ảnh hưởng không tốt – gây nên tải trọng động trục bánh xe, hệ thống lái Khi dao động lớn, ô tô có thể bị điều khiển Sự dao động có tính lặp lại bánh xe dẫn hướng là nguy hiểm Các nguyên nhân gây dao động bánh xe dẫn hướng giải thích đây 9.4.1 Sự cân thân bánh xe dẫn hướng Hình 9-9 Sự cân bánh xe dẫn hướng Khi khối tâm bánh xe dẫn hướng không nằm trên trục quay nó, Hình 9-9, bánh xe dẫn hướng cân bằng, và xuất lực ly tâm Pc tác dụng vào bánh xe nó quay Thành phần nằm ngang Pcx lực ly tâm có độ lớn thay đổi tuần hoàn bánh xe quay, gây mô men (có cường độ thay đổi tuần hoàn) có xu hướng làm quay bánh xe dẫn hướng quanh trục chuyển hướng 9.4.2 Sự kém tương thích hệ thống treo và hệ thống lái Hình 9-10 mô tả các vị trí tương quan hệ thống treo, lái ô tô với hệ thống treo phụ thuộc cho trục bánh xe dẫn hướng Trục mang bánh xe dẫn hướng liên kết với khung xe qua hệ thống treo: Phần tử đàn hồi (2) Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 117 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ hệ thống treo, nối với khung gối cố định và gối tùy động Ngoài ra, trục bánh xe dẫn hướng (cam quay) còn liên kết với kéo (3) hệ thống lái a/ – Dầm bánh xe dẫn hướng b/ – Nhíp c/ – Thanh kéo dọc 4,5 – Gối đỡ nhíp Hình 9-10 Các vị trí tương quan hệ thống treo và hệ thống lái Khảo sát bố trí Hình 9-10 a Khi chịu tải trọng thẳng đứng thay đổi (do nhấp nhô trên đường), biến dạng hệ thống treo nên có di chuyển tương đối bánh xe dẫn hướng và khung xe Tâm khớp nối cam quay (và kéo dọc) di chuyển trên mặt cầu tâm S, bán kính ST – có vết (trên mặt phẳng dọc ô tô) là cung MM Tâm khớp nối kéo dọc với cam quay di chuyển trên mặt cầu tâm U, bán kính UT – có vết (trên mặt phẳng dọc ô tô) là cung NN Do hai mặt cầu có tâm hai phía ngược nên vùng không gian ngoài hai mặt cầu (gạch chéo) lớn, dẫn đến tâm khớp cầu T di chuyển nhiều phương thẳng đứng và ngang Di chuyển phương ngang làm quay bánh xe dẫn hướng quanh trụ quay chuyển hướng Như vậy, để loại trừ giảm chuyển động theo phương ngang tâm khớp nối T, hai mặt cầu phải cùng phía và lồng sơ đồ b/ c/ Trong sơ đồ này, bố trí theo sơ đồ c/ giảm dao động bánh xe dẫn hướng nhiều 9.4.3 Hiệu ứng quay Đối với ô tô có dầm cầu liền (hệ thống treo phụ thuộc), bánh xe lăn trên đường nhấp nhô không hai bên, bánh xe có thể dao động góc mặt phẳng thẳng đứng Oyz đồng thời quay quanh trục quay thân nó Khi đó Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 118 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ xuất mô men hiệu ứng quay Mh1, tác dụng mặt phẳng song song với Oxy và làm cho bánh xe dẫn hướng dao động quanh trục quay chuyển hướng Dao động góc bánh xe dẫn hướng quanh trụ quay chuyển hướng làm phát sinh mô men hiệu ứng quay thứ hai Mh2, tác dụng mặt phẳng Ozy, nghĩa là trùng với mặt phẳng tác dụng mô men kích thích ban đầu mà nó sinh từ nhấp nhô đường Mô men Mh2 tăng cường tác dụng mô men kích thích ban đầu Cứ vậy, tần số kích thích trùng với tần số dao động riêng hệ thống dẫn động lái, các bánh xe dao động mạnh Sự dao động các bánh xe dẫn hướng làm thay đổi quỹ đạo chuyển động ô tô nên nguy hiểm 9.5 Sự ổn định các bánh xe dẫn hướng Sự ổn định các bánh xe dẫn hướng là khả chúng tự giữ vị trí trung gian ô tô chuyển động thẳng và tự quay vị trí trung gian chúng bị lệch khỏi vị trí trung gian Khi các bánh xe dẫn hướng có tính ổn định kém, người lái nhanh mệt mỏi hơn, luôn phải giữ cho bánh xe dẫn hướng vị trí trung gian để ô tô chuyển động thẳng Ngoài ra, lốp và hệ thống lái nhanh mòn luôn có tải trọng lớn tác dụng lên hệ thống dẫn động lái Tốc độ quay vị trí trung gian bánh xe dẫn hướng phụ thuộc vào mô men ổn định Mô men này tạo biến dạng đàn hồi ngang lốp, và độ nghiêng theo phương dọc và ngang trục quay chuyển hướng Hình 9-11 mô tả các lực tác dụng vào phần trục trước ô tô nó chuyển động vòng Các lực này gồm:  Trọng lực phần không treo, Gfr1  Lực quán tính ly tâm thành phần khối lượng không treo, Ffry1  Trọng lực phần treo, Gb1  Lực quán tính ly tâm thành phần khối lượng treo, Fby1  Các phản lực pháp tuyến mặt đường, Zin và Zout  Các phản lực tiếp tuyến mặt đường, Xin và Xout  Các phản lực ngang mặt đường, Yin và Yout Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 119 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 9-11 Lực tác dụng lên phần trước ô tô chuyển động vòng Ta có: ( Z1out - Z1in ) 0,5 B  Ffry1 rdyn  Fby1 (h  h r1 )  G b1 s r1 Eq 9-26 Mô men Ffry1 rdyn có giá trị nhỏ và có thể bỏ qua, ta được: ( Z1out - Z1in ) 0,5 B  Fby1 h  C ang1  r Eq 9-27 Tương tự, ta có trục sau: ( Z 2out - Z 2in ) 0,5 B  Fby2 h  C ang2  r Eq 9-28 Trong đó, Cang1 , Cang2 là hệ số độ cứng chuyển dịch góc hệ thống treo trước và sau Nếu thân ô tô không biến dạng, góc xoay trục trước trục sau Sự thay đổi phản lực trên các trục xác định sau: Fby1 h  C ang1  r  Z1  B hay  Z  Fby2 h  C ang2  r  B Z1out - Z1in  Z1   Z  Z 2out - Z 2in  2 Eq 9-29 Các phản lực pháp tuyến tác dụng trên các bánh xe: Z1out  0,5 G  Z1  Z1in  0,5 G  Z1 và Z 2out  0,5 G  Z  Z 2in  0,5 G  Z Eq 9-30 Phản lực ngang đường tác dụng vào các bánh xe: Y1out - Y1in  Py1  M1 V  2.L Eq 9-31 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 120 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 9-12 Lực tác dụng lên bánh xe dẫn hướng Hình 9-12 mô tả bố trí lực tác dụng lên bánh xe dẫn hướng nó quay lệch xa vị trí trung gian góc  Trụ quay chuyển hướng nghiêng góc t phương dọc, góc  t theo phương ngang, và góc t so với phương thẳng đứng Hình chiếu trục quay chuyển hướng trên mặt phẳng đường tạo với trục Oy góc t Theo quan hệ hình học, ta có: tan  t   t   t sin  t  ; t t và cos  t  t t Eq 9-32 Mô men các phản lực X và Y điểm A xác định bởi:  M x  X (l kn - m kn )  X l kn - rdyn  t cos(   t ) M y  Y p  Y rdyn  t sin(    t )  Eq 9-33 Eq 9-34 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 121 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Để xác định mô men phản lực Z, ta phân tích Z thành thành phần: Z’ song song với trục chuyển hướng và lực Zt nằm mặt phẳng đường và song song với phương AO Do vậy: M z  Z t n  Z t l kn sin(    t ) Eq 9-35 Kết hợp các biểu thức trên, ta được:   M x  X l kn - rdyn  t cos -  t sin   M y  Y rdyn  t sin    t cos  M z  Z l kn  t sin    t cos  Eq 9-36 Hình 9-13 Lực tác dụng vào các bánh xe dẫn hướng trên trục Hình 9-13 mô tả các lực tác dụng lên các bánh xe dẫn hướng trên trục Bin và Bout là giao điểm các trục chuyển hướng bánh xe phía và phía ngoài với mặt phẳng đường Khi bánh xe quay theo hướng dương (phía trong), bánh xe còn lại quay theo hướng âm (phía ngoài) Như thế, các bánh xe dẫn hướng trên trục chịu tác dụng mô men Mô men bánh xe dẫn hướng phía trong, Min, và phía ngoài, Mout: M in  M x, in  M y,in  M z,in  M out  M x, out  M y, out  M z,out Eq 9-37 Mô men các phản lực tiếp tuyến Xin và Xout các giao điểm Bin và Bout có chiều ngược nên chúng khử lẫn phần Điều này xảy tương tự mô men các phản lực Zin t và Zout t Do đó, tác dụng Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 122 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ tổng hợp thành phần này ổn định các bánh xe dẫn hướng là không đáng kể Trái lại, mô men các phàn lực Yin và Yout có cùng chiều, gây tác dụng đáng kể ổn định các bánh xe dẫn hướng Khi bánh xe dẫn hướng đàn hồi chịu tác dụng lực ngang, nó chịu các mô men: M ' x  X b t  M ' y  Y c t Eq 9-38 Mô men tổng, Mt = M’x + M’y, có tác dụng tạo nên ổn định bánh xe dẫn hướng Hình 9-14 mô tả các thành phần mô men ổn định các bánh xe cỡ khác nhau, trên số ô tô sản xuất cộng hòa liên bang Nga Mô men ổn định tăng cùng với góc lăn lệch và đến giá trị nào đó giảm a/ Mô men ổn định lốp xe đàn hồi 1- Lốp 7.50-16 2- Lốp 6.00-15 b/ Mô men ổn định tổng hợp 3- Lốp 7.00-15 4- Lốp 5.00-16 Hình 9-14 Mô men ổn định Hợp các mô men tác dụng trên bánh xe dẫn hướng phía và ngoài là mô men ổn định Mst các bánh xe dẫn hướng Ngoài ra, hệ thống chuyển hướng chịu tác dụng mô men cản Msc gây lực cản hệ thống dẫn động lái và ngược với hướng chuyển động các chi tiết hệ thống dẫn động lái Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 123 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Khi chuyển hướng, cần phải khắc phục mô men tổng (Mst + Msc) để xoay các bánh xe dẫn hướng, nên mô men Mst phải có yêu cầu là không có giá trị quá lớn góc quay  nhỏ Khi bánh xe dẫn hướng lệch khỏi vị trí trung gian, người lái thả vành tay lái, các bánh xe dẫn hướng có xu hướng quay vị trí trung gian tác dụng mô men tổng hợp (Mst - Msc) Lúc này ma sát dẫn động lái làm xấu tính ổn định bánh xe dẫn hướng Khi ô tô chuyển động thẳng, các bánh xe dẫn hướng vị trí trung gian, các thành phần mô men ổn định tác dụng lên các bánh xe hai bên triệt tiêu lẫn Khi đó, các bánh xe dẫn hướng ổn định phần lớn nhờ mô men Msc 9.6 Sự bố trí các bánh xe dẫn hướng Các bánh xe dẫn hướng trên trục bánh xe bố trí với góc doãng và góc chụm (Xem mục 3.3.4) Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 124 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương 10 TÍNH CHẤT ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ 10.1 Tính ổn định ô tô 10.1.1 Khái niệm Tính chất ổn định ô tô là tính chất đảm bảo không bị lật đổ trượt ô tô đứng yên nó chuyển động Mất ổn định có thể xảy theo phương ngang dọc, đó phương ngang dễ xảy Tác nhân gây ổn định là lực quán tính ly tâm ô tô chuyển động trên đường vòng, thành phần phát sinh trọng lực ô tô chuyển động trên đường nghiêng, lực gió ngang, và các xung động từ đường trên đường nhấp nhô Tính ổn định đánh giá thông qua vận tốc giới hạn lớn ô tô trên đường vòng với bán kính cong định, góc nghiêng lớn mặt đường theo điều kiện trượt lật đổ ngang Kết cấu hệ thống treo và hệ thống chuyển động ảnh hưởng lớn đến tính chất ổn định ô tô Tuy nhiên, việc tiếp cận đơn giản, trước tiên ta xét đến ổn định ô tô với giả thiết hệ thống treo ô tô “hóa cứng” 10.1.2 Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang Khi ô tô chuyển động vòng, tác dụng lực quán tính ly tâm, ô tô có thể bị trượt ngang phía lực ly tâm lật đổ ngang theo đường thẳng nối tâm vết tiếp xúc bánh xe trước và sau phía ngoài Khảo sát ô tô chuyển động vòng trên đường nằm ngang Mất ổn định lật Xét cân mô men trục nối tâm vết tiếp xúc bánh xe phía ngoài, trước và sau: G Với: B  Fcen , y h c  Z in B B, hc Eq 10-1 - chiều rộng sở, chiều cao trọng tâm ô tô; Zin - tổng phản lực pháp tuyến các bánh xe phía hướng quay vòng; Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 10-1 Hình 10-2 Sơ đồ quay vòng ô tô hai trục bánh và lực tác dụng Lực tác dụng vào ô tô quay vòng (a) và chuyển động thẳng trên đường nghiêng ngang (b) Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 126 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Tại thời điểm bắt đầu lật, các bánh xe phía bị nhấc khỏi mặt đường, phản lực pháp tuyến đó triệt tiêu Do đó: G B  Fcen , y h c Eq 10-2 Vận tốc tới hạn theo điều kiện lật ngang: Vo  g.G.L  hc  g B.R hc Eq 10-3 Mất ổn định trượt Cân lực theo phương ngang: Yin  Yout  Fcen, y Eq 10-4 Khi ô tô bị trượt lê theo hướng ngang, tổng phản lực ngang có giá trị lực bám ngang: Yin  Yout   y G Eq 10-5 m Vs  y G  L Eq 10-6 Vận tốc tới hạn theo điều kiện trượt: Vs   y g.L    y g.R Eq 10-7 Khảo sát ô tô chuyển động thẳng trên đường nằm ngang Khi ô tô chuyển động trên đường nghiêng ngang, ô tô có thể ổn định thành phần trọng lực G.sin Mất ổn định lật Phương trình cân mô men: Z in B  G sin  h c  G cos B Eq 10-8 Khi bắt đầu lật ngang (tương ứng với góc tới hạn), Zin = nên:  B  o  arctan  h c    Eq 10-9 Mất ổn định trượt: Phương trình cân hình chiếu lực: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 127 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Yin  Yout  G sin  Eq 10-10 Khi bắt đầu trượt ngang (tương ứng với góc tới hạn), tổng phản lực ngang lực bám ngang: Yin  Yout   y G cos Eq 10-11 Góc nghiêng ngang giới hạn:  s  arctan y Eq 10-12 Khảo sát ô tô chuyển động vòng trên đường nằm ngang (A) Hình 10-3 (B) Lực tác dụng vào ô tô quay vòng trên đường nghiêng ngang Trọng lực ô tô và lực quán tính ly tâm có thể biểu thị hợp các thành phần vuông góc và song song với đường: G  Gy  Gz Eq 10-13 F cen  F cen, y  F cen, z Eq 10-14 Hình 10-3 mô tả hai ô tô A và B giống chuyển động vòng trên đường nghiêng ngang Ô tô A vòng trên đường có hướng nghiêng đường ngược với hướng quay vòng Ô tô B vòng trên đường có hướng nghiêng đường cùng với hướng quay vòng Đối với ô tô A, các thành phần lực ngang Gy và Pcen,y có cùng chiều nên tác dụng hợp lực là lớn Đối với ô tô B, các thành phần này có chiều Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 128 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ ngược nên tác dụng hợp lực nhỏ so với trường hợp A Do vậy, ô tô trường hợp A kém ổn định hơn, tức là hướng nghiêng đường phải bố trí cùng phía với tâm quay vòng để nâng cao tính ổn định cho ô tô Ở trên, tính ổn định trượt ô tô khảo sát với giả thiết trượt diễn đồng thời tất các bánh xe Trong thực tế, điều này xảy Ta đã biết, điều kiện lăn không trượt bánh xe sau: Y  2 Z2  X Như vậy, lực bám càng lớn và phản lực tiếp tuyến càng nhỏ thì phản lực ngang để bánh xe trượt càng lớn Bánh xe bị động bánh xe không có phanh có độ ổn định trượt ngang lớn Khi phản lực tiếp tuyến bánh xe đạt giá trị lực bám, cần tác nhân nhỏ thì bánh xe trượt ngang – ô tô ổn định Hình 10-4 mô tả ô tô chuyển động với trượt diễn trục bánh xe tác dụng tác nhân nào đó Ở trường hợp A, tượng trượt xảy các bánh xe sau Ở trường hợp B, tượng trượt xảy các bánh xe trước Lực quán tính ly tâm sinh trường hợp B có tác dụng khử ảnh hưởng tác nhân gây trượt nên trượt dần Ngược lại, lực quán tính có tác dụng tăng cường cho tác nhân gây trượt trường hợp A nên nguy hiểm Hình 10-4 Xu hướng chuyển động có trượt trên trục bánh xe Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 129 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Để tránh tượng trượt các bánh xe sau, cần thiết phải giảm bớt lực kéo lực phanh trục sau và quay bánh xe dẫn hướng phía trước hướng trượt Trước quay bánh xe dẫn hướng, tâm quay vòng tức thời là điểm O (trên hình c) Sau quay bánh xe dẫn hướng trên, tâm quay vòng tức thời trở thành O1 – Bán kính quay vòng tức thời tăng lên Do đó, lực ly tâm tác dụng vào ô tô giảm 10.1.3 Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định dọc Sự ổn định dọc ô tô lật đổ phía trước (hoặc sau), trượt theo phương dọc Các ô tô đại có chiều cao trọng tâm thấp, thường khó bị lật phương dọc Thông thường có khả ổ định trượt Ví dụ, chuyển độ trên dốc dài, bánh xe chủ động phía sau đầu kéo/ ô tô kéo có thể bị trượt và làm cho đoàn xe di chuyển xuống phía dốc Khảo sát chuyển động lên dốc đoàn xe Góc dốc giới hạn theo điều kiện trượt bánh xe đầu kéo xác định bởi: tan  sk  Với:  x G trac a G trac L   x h c, trac   G trail L   x h c, trail  Eq 10-15 Gtrac - Trọng lượng đầu kéo/ xe kéo Gtrail - Trọng lượng rơ moc/ sơ-mi rơ-moc hc,trac - Chiều cao trọng tâm đầu kéo hc,trail - Chiều cao trọng tâm rơ-moc/ sơ-mi rơ-moc Khi không có rơ-moc/ sơ-mi rơ-moc, biểu thức trên trở thành: tan  sk  x a L   x h c, trac Eq 10-16 10.2 Sự ảnh hưởng các điều kiện vận hành Sự ổn định ngang thường xuất phanh ô tô với cường độ phanh lớn Khi bánh xe bị hãm cứng, lực phanh bánh xe lực bám nên cần lực ngang nhỏ làm cho bánh xe trượt theo hướng lực tác dụng Sự làm xấu tính ổn định có thể cân đối lực phanh các bánh xe (do điều chỉnh sai rò rỉ dẫn động phanh Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 130 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 10-5 Hình 10-6 Xu hướng chuyển động lực phanh không Xu hướng chuyển động trọng tâm lệch và lực phanh không Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 131 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Sự cân đối lực phanh trên các bánh xe trước là nguy hiểm so với các bánh xe sau Hình minh họa cho trường hợp này Hình 10-5 (a) mô tả cân đối xảy hai bánh xe sau: giả sử bánh xe bên trái không phanh Trên hình b/, cân đối xảy hai bánh xe trước: giả sử bánh xe bên trái không phanh Trong quá trình phanh, lực phanh không hai bên nên ô tô có xu hướng chuyển động lệch (quay vòng), tác dụng mô men lực quán tính Fin Trong trường hợp a/, cánh tay đòn sgc và mô men tác dụng càng ngày càng giảm chúng càng ngày càng lớn trường hợp b/ Trường hợp tương tự xảy phanh ô tô trên đường có hệ số bám hai bên không giống và trọng tâm ô tô không nằm trên mặt phẳng đối xứng dọc ô tô 10.3 Sự ảnh hưởng hệ thống treo đến tính ổn định ô tô Trong thực tế, tất các phần ô tô không phải là hệ “cứng” mà nối đàn hồi với nhau, có thể phân thành nhóm các khối lượng treo và không treo Nhóm các khối lượng treo bao gồm các cụm chi tiết mà trọng lượng chúng tác dụng lên phần tử đàn hồi hệ thống treo Nhóm các khối lượng không treo gồm các phận còn lại ô tô Khối tâm C phần treo có tọa độ (ab, bb, hb) Khối tâm C không trùng với khối tâm C1 toàn ô tô Khối tâm C nằm có vị trí cao C1 (hb > hgc) Khối lượng không treo trục trước nhỏ khối lượng không treo trục sau nên khối tâm C1 gần trục sau (b < bb) Dưới tác dụng lực ngang, lốp xe và phần tử đàn hồi hệ thống treo giảm tải bên và tăng tải phía bên Do đó, thân ô tô bị nghiêng theo hướng tác dụng lực ngang Trục lật là đường thẳng MM mà thân ô tô nghiêng ngang quanh nó Trục lật qua các tâm lật trục trước và trục sau Trước hết ta xác định trục lật trường hợp hệ thống treo độc lập, Hình 10-7 Khi bánh xe bên trái dao động lên xuống, các điểm nối bánh xe với các đòn hệ thống treo (A và Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 132 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ B) dịch chuyển theo các cung tròn với tâm là đầu đòn tương ứng Do đó, tâm chuyển động nghiêng ngang tức thời bánh xe là điểm K Điểm C trên bánh xe, là điểm tiếp xúc với đường, có xu hướng di chuyển trên cung tròn với tâm K, bán kính KC Nếu bánh xe không chuyển động và thân xe nghiêng đi, tâm lật phải nằm trên đường KCL Phân tích tương tự với bánh xe phía bên phải, ta thấy tâm lật phải nằm trên đường ON Như vậy, tâm lật là giao điểm các đường KL và ON, và là điểm M trên mặt phẳng đối xứng dọc ô tô Hình 10-7 Tâm lăn hệ thống treo độc lập Hình 10-8 Tâm lăn hệ thống treo phụ thuộc Đối với trục bánh xe có hệ thống treo phụ thuộc, tâm lật nằm trên mặt phẳng DD qua tâm các chốt quay nhíp, Hình 10-8 Đối với ô tô có hệ thống treo độc lập trục trước và hệ thống treo phụ thuộc trục sau, trục lật MM nghiêng so với mặt đường, Đối với ô tô tải và Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 133 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ khách có hệ thống treo phụ thuộc trên tất các trục bánh xe, trục lật MM gần song song với mặt đường và cách mặt đường khoảng lớn bán kính bánh xe Hình 10-9 Trục lật ô tô có hệ thống treo trước độc lập, sau phụ thuộc Hình 10-10 Trục lật ô tô có hệ thống treo phụ thuộc Hình 10-11 mô tả nghiêng thân ô tô có lực tác dụng vào ô tô chuyển động vòng Gb và Pby là trọng lực phần treo và lực ly tâm tác dụng lên phần treo Gl và Ply là trọng lực phần không treo và lực ly tâm tác dụng lên phần không treo Khi lực ngang Pby tác dụng vào trọng tâm C phần treo, nó sinh mô men làm xoay phần thân ô tô quanh trục lật, vị trí tâm là điểm C’ Cánh tay đòn lực Pby trục lật xác đinh bởi: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 134 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ hr  hb - a b h - b b h1 L Eq 10-17 Trong đó, h1 và h2 là khoảng cách các tâm lật trục trước và sau đến mặt đường Hình 10-11 Xác định góc nghiêng thân xe Góc nghiêng thân ô tô chính là (MC, MC’) Góc nghiêng này thường không quá 10o và có thể xem rằng: hb = const Khi đó, ta được: s r  h r tan r  h r  r r  Pby h r C ang - G b h r Eq 10-18 Trong đó, Cang là độ cứng chống xoắn hệ thống treo Góc nghiêng r tăng cùng với tăng lực ngang Pby và cánh tay đòn hr và giảm độ cứng chống xoắn hệ thống treo Đối với hệ thống treo độc lập, cánh tay đòn hr tăng lên nên góc nghiêng tăng lên Để khắc phục, cần bố trí thêm giằng ngang (Hình 10-12) để tăng độ cứng chống xoắn hệ thống treo Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 135 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 10-12 Biện pháp tăng độ cứng chống xoắn cho hệ thống treo độc lập Do ảnh hưởng hệ thống treo, khối tâm phần không treo bị di chuyển tác dụng lực ngang và bánh xe phía ngoài phải chịu thêm tải trọng còn bánh xe phía thì giảm tải Do vậy, tính ổn định ô tô trở nên kém Các giá trị giới hạn thực tế vận tốc Vo và góc nghiêng  o đường nhỏ khoảng 10-15% so với giá trị tính theo các công thức 10.3 và 10.9 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 136 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương 11 TÍNH NĂNG CƠ ĐỘNG CỦA Ô TÔ 11.1 Khái niệm Ô tô thiết kế phù hợp với điều kiện mà ô tô hoạt động đa số thời gian Mặc dù ô tô chế tạo để hoạt động trên loại đường nào đó, chúng cần thiết phải có khả hoạt động địa hình kém mức định Tính động ô tô đặc trưng khả ô tô có thể sử dụng nhiều địa hình đường sá khác Theo tính động, có thể chia thành:  Ô tô có tính động bình thường: sử dụng chạy trên đường tốt phẳng đường nhựa, bê tông và đường đất thật tốt Loại này thường có cầu chủ động  Ô tô có tính động cao: sử dụng nơi đường xấu và có không có đường Loại này có ít cầu chủ động  Ô tô có tính động cao: sử dụng chạy trên tất các loại đường xấu, lầy lội và không có đường Loại này có ít cầu chủ động Để đánh giá tính động ô tô, có thể sử dụng số động, định nghĩa bởi:  Q b Vb Q g Vg Với: Eq 11-1 Qb , V b - tải trọng và vận tốc ô tô trên loại đường xấu Qg, Vg - tải trọng và vận tốc ô tô trên loại đường tốt 11.2 Các thông số ảnh hưởng tính động ô tô Các thông số ảnh hưởng đến tính động bao gồm: tính chất động lực, tính chất bám, các thông số hình học xe và kết cấu các hệ thống, cụm Ngoài các yếu tố như: trình độ người lái, tính chất ổn định ảnh hưởng đến tính động ô tô Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 11.2.1 Tính chất động lực ô tô Nhân tố động lực ô tô càng cao thì tính động càng lớn Để tăng hệ số nhân tố động lực ô tô cần tăng công suất riêng ô tô, tăng lực kéo, giảm lực cản lăn Để đảm bảo ô tô khắc phục sức cản lớn đường hoạt động đường xấu nơi không có đường, cần thiết phải bố trí hộp số phụ hệ thống truyền lực Hệ số động lực có thể tăng cách giảm trọng lượng thân ô tô Lực bám ô tô có thể tăng cách phân bố tăng trọng lượng trên trục bánh xe chủ động tăng số cầu chủ động Đối với ô tô và ô tô tải với cầu chủ động, giá trị lớn nhân tố động lực nằm phạm vi 0,25-0,35 và hệ số phân bố tải trọng trên cầu chủ động thuộc phạm vi: - Xe con: 0,45-0,5 - Xe tải: 0,65-0,75 Với ô tô tải có tất các cầu chủ động, giá trị cực đại nhân tố động lực thuộc khoảng 0,6-0,8 11.2.2 Tính chất bám lốp xe và mặt đường Áp suất trên vết tiếp xúc, psp xác định công thức 11-2, là tiêu chí chính đánh giá tính động ô tô trên đường có lớp phủ mềm, chẳng hạn đất, cát, tuyết p sp  Gw Fw Eq 11-2 Với Gw, Fw là tải trọng tác dụng lên lốp và diện tích vết tiếp xúc Lốp xe lún vào lớp đất mềm áp suất trên vết tiếp xúc với giới hạn chịu tải đất Chiều sâu vết lún càng lớn, lực cản lăn càng tăng Nếu lực cản quá lớn, bánh xe có thể bị bám và ô tô không thể di chuyển Áp suất trên vết tiếp xúc có thể giảm cách giảm áp suất lốp, tăng chiều rộng lốp, tăng đường kính lốp, tăng số lốp số trục bánh xe Trên quan điểm này, lốp ô tô động cao thường là loại cung rộng, đường kính lớn và áp suất có thể thay đổi phạm vi rộng (từ 0,05 MN/m2 đất mềm đến 0,3 MN/m2 trên đường cứng) Nhược điểm Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 138 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ lốp cung rộng là tuổi thọ, tải trọng cho phép thấp so với loại thông thường Hình 11-1 trình bày (a) quan hệ diện tích vết tiếp xúc và áp suất lốp cỡ 12.00-18 nó lăn trên tuyết, và (b) quan hệ sức cản đường chuyển động ô tô 6x6 lắp lốp 12.00-18 vào áp suất lốp (1 – Cát – Đất lầy – Tuyết ướt) Hình 11-1 Ảnh hưởng áp suất lốp a/ Tiết diện ngang b/ Vết tiếp xúc Hình 11-2 So sánh lốp thông thường cỡ 7.50-20 bố trí kép và lốp cung rộng 1000x650 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 139 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Áp suất trên vết tiếp xúc bánh xe trước và sau không Vì bánh trước lăn trên đường kém chặt bánh sau; chẳng hạn bánh trước lăn và tạo vết trên đường trước bánh sau, áp suất trên vết bánh trước nên thấp bánh sau khoảng 20-30% Nếu áp suất nhau, bánh trước chìm vết tiếp xúc Trong trường hợp vậy, giảm áp suất bánh trước phân bố lại tải trọng tăng tính động ô tô Sự bố trí bánh xe phía trước và sau cho vết bánh xe trên đường trùng nhau, làm giảm tổn thất lượng cho việc tạo vết bánh xe, dẫn đến tăng tính động ô tô Hình 11-3 Ảnh hưởng bố trí bánh xe trước và sau Một biện pháp khác có hiệu quả, đó là sử dụng loại lốp có vân hợp lý để tăng hệ số bám Kiểu vân lốp e, f, g (Hình 11-4) dùng cho loại ô tô sử dụng trên địa hình Vân lốp cao và thô giúp tăng bám học và ngăn cản đất bám vào khoảng trống các vân, đó trì hệ số bám cao Khi ô tô hoạt động trên đất cát, hiệu dùng lốp có mấu thấp; hoạt động trên đường trơn trượt thì dùng lốp có vân hình e/ và g/ (kiểu “opened-out”) Khi hoạt động trên đường bẩn, dùng lốp có vân hình c/ và d/ (kiểu “checker-board”) Giảm áp suất có tác dụng tăng hệ số bám Khi giảm áp suất từ 0,3 MN/m2 xuống 0,05 MN/m2, hệ số bám trên đất mềm tăng từ 0,17 lên 0,48 Điều này tăng diện tích tiếp xúc thực tế vân lốp trên đất Các ô tô động cao có thể có hệ thống điều chỉnh áp suất lốp Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 140 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ a, b - dùng cho ô tô du lịch c–h - dùng cho ô tô tải Hình 11-4 Các kiểu vân lốp Khi ô tô hoạt động địa hình xấu, còn có thể tăng bám các công cụ hỗ trợ chuyên dùng như: các loại xích, tời kéo, các chống trượt Hình 11-5 Các loại dụng cụ hỗ trợ tăng bám Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 141 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 11-6 Tang tời kéo và các dụng cụ phụ trợ Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 142 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 11-7 Bản chống trượt 11.2.3 Các thông số hình học ô tô Các thông số hình dáng hình học bao gồm khoảng sáng mặt đường, các góc thoát, các bán kính động, và hành lang quay vòng (Hình 11-8): Hình 11-8 Các thông số thuộc hình dáng hình học thể tính động Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 143 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Khoảng sáng mặt đường, h: là khoảng cách từ điểm thấp gầm xe đến mặt đường Nó đặc trưng cho xe chuyển động trên đường gồ ghề mà điểm thấp gầm xe không bị chạm nhấp nhô trên đường Góc thoát trước và sau: Góc thoát trước tr là góc tạo tiếp tuyến lốp trước và phần nhô thấp đầu xe với mặt đường Góc thoát sau  tr là góc tạo tiếp tuyến lốp sau và phần nhô thấp đuôi xe với mặt đường Các góc thoát này đặc trưng cho xe chuyển động trên đường gồ ghề lớn mà đầu đuôi xe không chạm vào mặt đường Bán kính động dọc và ngang: - Bán kính động dọc, long là bán kính cung tròn tiếp xúc bánh xe phía trước, sau và điểm thấp gầm xe nằm khoảng cách chúng - Bán kính động ngang, cr là bán kính cung tròn tiếp xúc bánh xe bên phải, trái và điểm thấp gầm xe nằm khoảng bánh xe phải và trái Hành lang quay vòng, A: đánh giá không gian nhỏ mà xe có thể quay vòng an toàn Đối với ô tô tải thông thường, xác định bởi: A  R out  R in  a  b 11.2.4 Eq 11-3 Các thông số kết cấu Ảnh hưởng bánh xe chủ động và bị động a – Bánh xe bị động b – Bánh xe chủ động Hình 11-9 Ảnh hưởng mô men kéo đến vượt vật cản Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 144 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 11-9 (a) thể lực tác dụng lên bánh xe bị động nó gặp vật cản có chiều cao h Z = Gw ; X=T Z = X tan1 = T tan1 Gw = T tan1 T Gw 2r.h - h  Gw tan r h R – phản lực vật cản tác dụng vào bánh xe; Eq 11-4 R XZ T, Gw – lực tác dụng vào trục bánh xe khung xe, trọng lực Như vậy, chiều cao vật cản bán kính bánh xe (h = r), lực đẩy từ khung là vô cùng lớn, có nghĩa là bánh xe bị động không thể lăn qua Khảo sát lực tác dụng trên bánh xe chủ động Hình 11-9 (b) Bánh xe chủ động chịu thêm mô men kéo Mw Dưới tác dụng nó, phản lực tiếp tuyến Pw vật cản hình thành vết tiếp xúc Pw  P'w  P' 'w T  X - Pw" G w  Z  P" w Eq 11-5 Thành phần P”w giúp cho ô tô khắc phục vật cản theo phương Z Thành phần P’w giúp cho ô tô khắc phục vật cản theo phương X Như vậy, khả khắc phục vật cản theo chiều cao bánh xe bị động kém bánh xe chủ động Bánh xe bị động đơn lăn qua vật cản, còn bánh xe chủ động cố gắng vượt qua vật cản Số trục bánh xe chủ động thể qua công thức bánh xe, ký hiệu dạng: 2m x 2n Trong đó, m là số trục bánh xe và n là số trục bánh xe chủ động Ảnh hưởng hệ thống treo Đối với ô tô nhiều trục, nhiều cầu chủ động, hệ thống treo cho cụm trục bánh thường có kết cấu kiểu cân – với mục đích phân bố hợp lý tải trọng trên các trục bánh xe Khi ô tô trên đường nhấp nhô, phận cân hệ thống treo cho cụm cầu đảm bảo tất các bánh xe tiếp xúc với đường Tuy nhiên, với nhấp nhô quá lớn hệ thống treo có thể không đảm bảo Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 145 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ khả tự điều chỉnh để tất các bánh xe tiếp xúc với đường Khi đó, tượng quay trơn nhiều bánh xe có thể xảy và ô tô không thể chuyển động không có phận khóa vi sai các cầu Ảnh hưởng vi sai các bánh xe Bộ vi sai bố trí trên trục bánh xe, có công dụng đảm bảo cho hai bánh xe chủ động có thể quay với vận tốc góc khác Mo men các bán trục: M1  0,5 (M  M fr ) Eq 11-6 M  0,5 (M  M fr ) Eq 11-7 Với: M1, M2 – mô men trên các bán trục quay chậm, nhanh; M, Mfr – mô men trục vào, mô men ma sat vi sai a/ Kết cấu vi sai b/ Phân phối mô men chuyển động thẳng c/ Phân phối mô men chuyển động vòng – vỏ vi sai – bánh hành tinh – đĩa ép – bánh chậu – trục vi sai – nắp – bánh đầu bán trục – mặt vát đĩa ép và trục vi sai 9, 10 – đĩa ma sát Hình 11-10 Kết cấu và truyền mô men vi sai Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 146 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Khi ma sát vi sai nhỏ, các bánh phân phối phân bố mô men các bán trục và mô men bị giới hạn mô men bám trên bánh xe phía nào có hệ số bám nhỏ   FT max  ( t Z t ) , ( p Z p )  M fr rdyn Eq 11-8 Trong vi sai đơn giản, mô men ma sát có giá trị nhỏ nên chênh lệch mô men thường tối đa khoảng 4-6% Do vậy, vi sai đơn giản làm kém tính động ô tô, giảm mô men bám – lực kéo lớn – trục bánh xe Lực kéo sinh có thể không thắng sức cản để ô tô có thể chuyển động Trong các vi sai loại cam trục vít, mô men ma sat lớn hơn, có thể đến 15% Các biện pháp kết cấu để tăng mô men ma sat có thể thực hiện, có thể thấy kết cấu Hình 11-10 Trong vi sai có ly hợp ma sát, mà các đĩa nối với các bánh bán trục và các đĩa 10 nối với vỏ vi sai Các đĩa ma sát ép tự động vì trên trục vi sai và đĩa ép có các cạnh vát, nhờ đó tạo nên lực ép dọc trục mà nó tỷ lệ với mô men truyền qua vi sai Bộ ly hợp ma sát ngăn cản khác biệt vận tốc góc bên bánh chủ động, và mô men ma sát vi sai phụ thuộc mô men cần truyền, số lượng đĩa ma sát, góc vát trên đĩa ép và trục vi sai Khi vi sai khóa tự động, điều kiện vận hành thực tế trên đường có hệ số bám khác nhiều các bánh xe hai bên, tổng lực kéo có thể tăng 20-25% so với vi sai đơn giản Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 147 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương 12 TÍNH ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 12.1 Khái niệm Sự rung động thân ô tô kéo dài, gây chuyển động nó, làm mệt mỏi hành khách và lái xe quá mức, có thể gây chóng mặt và nôn, gây tác hại đến sức khỏe Đồng thời, nó làm giảm hiệu công việc người lái Những rung động này ảnh hưởng đến tải trọng vận chuyển và ảnh hưởng đến thân ô tô Do đó, êm dịu chuyển động tiện nghi tốt là yêu cầu ô tô đại Sự rung động chủ yếu không phẳng mặt đường Sự nhấp nhô bề mặt đường gồm hai loại: nhấp nhô nhỏ (35 mm theo chiều cao và 8-10 mm theo chiều dài) và sóng (1012 mm theo chiều cao và 58 mm theo chiều dài) Khi đường có mật độ giao thông lớn, nhấp nhô dạng sóng thường xuất sau khoảng 12 năm sử dụng, gây xấu đến tính êm dịu chuyển động ô tô 12.2 Thực nghiệm tính êm dịu chuyển động ô tô Thí nghiệm nghiên cứu dao động ô tô có thể thực phòng thí nghiệm trên đường, nhiều biện pháp Các nhân tố, thông số khảo sát gồm: đánh giá chung, biên độ dao động, vận tốc dao động, gia tốc dao động, tần số dao động khối lượng treo và không treo Có thể kích thích dao động các biện pháp:  Kéo thân xe xuống và nhanh chóng thả  Nâng ô tô lên bệ nâng đặc biệt đến độ cao khoảng 50-60 mm nhanh chóng thả xuống Hai biện pháp này áp dụng để thử tần số dao động và tính chất giảm dao động, xác định tâm dao động  Lắp bánh xe ô tô thử vào băng thử với trống quay có các chỗ nhô lệch tâm Trống quay có thể lắp vào hay nhiều trục bánh xe Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ  Gây dao động tuần hoàn sàn đỗ ô tô thử  Đặt ô tô thử trên băng vô tận có nhấp nhô trên bề mặt tiếp xúc Để có thể có thể so sánh các ô tô thử khác thử trên đường, dao động kích thích cách cho ô tô chuyển động trên đường nhấp nhô nhân tạo có biên dạng đã xác định trước Vận tốc chuyển động ô tô cần thiết phải giữ cố định Các ô tô khác cùng chủng loại, cùng nhóm thử với nhấp nhô định (cùng chiều cao, chiều dài) Trong quá trình thử, chuyển vị khối lượng treo và không treo ghi lại Từ đó, có thể xác định biên độ, vận tốc, gia tốc dao động, tần số dao động phần treo và không treo Dao động góc ô tô mặt phẳng dọc Oxz xác định Khi nghiên cứu độ êm dịu ô tô và tính toán hệ thống treo, cần thiết phải xác định mô men quán tính Ib khối lượng treo, trục qua trọng tâm và song song với phương Oy Phương pháp thực là xác định mô men quán tính trục ô tô Hình 12-1 Xác định mô men quán tính khối lượng treo Mô men quán tính khối lượng treo O1: I1  c L2 T1 4 2 Eq 12-1 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 149 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Với: c – độ cứng lò xo L – khoảng cách lò xo đến tâm quay O1 T1 – chu kỳ dao động Mô men quán tính khối lượng treo trọng tâm O: I b  I1 - m b R o Eq 12-2 12.3 Các đặc trưng êm dịu chuyển động ô tô Sự ảnh hưởng dao động ô tô người đánh giá cách chủ quan Sự dao động ô tô đánh giá các đặc trưng sau đây  Chu kỳ dao động, T là khoảng thời gian mà ô tô thực đầy đủ dao động Tần số dao động, n là số dao động đơn vị thời gian  Biên độ dao động, zmax là chuyển vị lớn thân ô tô từ vị trí cân  Vận tốc dao động là đạo hàm bậc theo thời gian chuyển động dao động  Gia tốc dao động là đạo hàm bậc hai theo thời gian chuyển động dao động ô tô  Tốc độ thay đổi gia tốc dao động là đạo hàm bậc ba theo thời gian chuyển động dao động ô tô Dao động ô tô có thể phân tích thành các dao động tần số cao (513 Hz) và các dao động có tần số thấp (0,82,0 Hz) Các khối lượng không treo thường dao động với tần số cao và các khối lượng treo dao động với tần số thấp Dao động tần số cao, xuất với biên độ nhỏ gây cảm giác khó chịu Dao động tần số thấp gây cảm giác khó chịu nó gây cảm giác say xe Con người không có cảm giác dao động đã quen với dao động có tần số 1,171,66 Hz từ còn nhỏ Do đó, tần số dao động ô tô nên khống chế phù hợp với vùng này; thông thường khoảng 11,3 Hz Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 150 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Sự thay đổi tần số dao động ảnh hưởng mạnh đến người là thay đổi biên độ dao động Khi tốc độ dao động tăng, êm dịu chuyển động kém Tính chất rung động và vận tốc dao động diễn tả bảng sau đây Bảng 12-1 Tính chất rung động và vận tốc dao động Tính chất dao động Vận tốc dao động [m/s] Không cảm nhận 0,035 0,035  0,1 Khó cảm nhận Cảm nhận 0,1  0,2 Cảm nhận rõ 0,2  0,3 Khó chịu, khó chịu 0,3  0,4 Bảng 12-2 Giới hạn gia tốc dao động cảm giác người Gia tốc dao động [m/s2] tạo cảm giác Tần số dao động [Hz] Khó chịu Bệnh tật 2,3 2,7 1,5 2,1 2,5 1,9 2,3 1,7 2,0 Bảng 12-3 Gia tốc cho phép [m/s2] các dạng dao động Điều kiện Dao động Thẳng đứng Dọc, ngang Nghiêng Đi chậm 1,0 0,6 0,5 Đi xe 2,5 1,0 0,7 Di chuyển ngắn 4,0 2,0 1,0 Khi tần số dao động tăng, dao động với gia tốc nhỏ gây cảm giác khó chịu gây bệnh Với tần số mà thân xe dao động, tốc độ thay đổi gia tốc dao động có ảnh hưởng lớn đến êm dịu chuyển động ô tô Cảm giác bứt rứt xuất Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 151 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ tốc độ thay đổi gia tốc khoảng 25 m/s3 và cảm giác khó chịu, khoảng 40 m/s3 Do đó, tốc độ thay đổi gia tốc dao động ô tô không nên quá 25 m/s3 Bảng 12-3 mô tả các giá trị gia tốc cho phép sức khỏe người (tuổi trung niên) Sau đây ta xây dựng mối quan hệ các đặc trưng êm dịu chuyển động ô tô Với mục đích này, ta khảo sát dao động điều hòa hệ dao động bậc tự có trọng lượng G Độ cứng hệ dao động là c Ở trạng thái tự lò xo, hệ có vị trí I Khi hệ trạng thái cân II, lò xo chịu biến dạng tĩnh tác dụng trọng lượng G Chuyển vị lò xo xác định zo  G c Eq 12-3 Nén lò xo để đưa hệ vị trí III, xa vị trí cân và thả ra, hệ dao động Bằng các thiết bị ghi dao động, ta có đồ thị quan hệ vị trí hệ theo thời gian có thể xác định biên độ zmax, chu kỳ T dao động Phương trình vi phân mô tả dao động có dạng: d 2z m  c z  dt Eq 12-4 Nghiệm phương trình: c t  z max sin .t  m z  z max sin Với   Eq 12-5 c là tần số góc dao động m - Vận tốc dao động: v dz  z max  cos.t  dt Eq 12-6 - Gia tốc dao động: j d2z  - z max  sin .t  dt Eq 12-7 - Tốc độ thay đổi gia tốc dao động: j'  d3z  - z max 3 cos.t  dt Eq 12-8 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 152 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Tần số góc  và tần số dao động n liện hệ với bởi: n  c g    T  2 m  z o Eq 12-9 Như vậy, độ biến dạng tĩnh hệ càng lớn thì tần số dao động hệ càng nhỏ Với mục đích này, hệ thống treo giảm độ cứng để giảm tần số dao động tự ô tô 12.4 Dao động ô tô Mô hình đơn giản dao động ô tô mô tả trên hình, đó c1 và c2 là độ cứng tương đương hệ thống treo trước và sau Hình 12-2 Mô hình dao động đơn giản và hệ dao động tương đương Độ cứng tương đương ceff hệ thống treo là độ cứng phần tử đàn hồi mà biến dạng nó tương đương biến dạng tổng hệ thống treo (có độ cứng cs) và bánh xe (có độ cứng ct) chịu cùng tải trọng Trọng lượng G gây biến dạng hệ đàn hồi lượng tổng biến dạng phần tử đàn hồi hệ thống treo và lốp Do đó, G G G   c eff c s c t c eff  cs c t cs  c t Eq 12-10 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 153 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Độ cứng hệ thống treo trước và sau ô tô nằm khoảng 20-60 kN/m Độ cứng lốp trước và sau ô tô thuộc khoảng 200-450 kN/m Các giá trị nhỏ tương ứng với ô tô du lịch, giá trị lớn tương ứng với ô tô tải Hình 12-3 Các dao động thành phần Thân ô tô có bậc tự và có thể thực dao động khác Các chuyển động thẳng theo các trục xx, yy và zz ký hiệu là Sx, Sy, và Sz, còn các chuyển động quay tương ứng ký hiệu x, y, z Việc nghiên cứu dao động đồng thời thành phần trên phức tạp Để đơn giản hóa, ta có thể nghiên cứu dao động với bậc tự Sz và y Các thành phần dao động này ảnh hưởng chủ yếu đến tính êm dịu ô tô và tác động đến cảm giác người trên ô tô Dao động thẳng đứng xuất bánh xe lăn qua nhấp nhô mặt đường Nếu ô tô trang bị hệ thống treo có độ cứng nhỏ, biến dạng lớn phần tử đàn hồi hệ thống treo dễ dàng dập tắt dao động Đôi khi, các dao động thẳng đứng này tăng vọt tần số ngoại lực kích thích trùng với tần số dao động riêng hệ thống treo Hệ thống treo với độ cứng thấp và giảm chấn sử dụng để giảm dao động thẳng đứng mà nó tác động đến cảm giác khó chịu hành khách Tâm đàn hồi hệ là điểm mà đó tồn chuyển động tịnh tiến tác dụng ngoại lực kích thích Để xác định tâm đàn hồi, ta khảo sát nằm trên các phần tử đàn hồi mô tả trên Hình 12-4 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 154 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Khi ngoại lực kích thích P tác dụng vào điểm khác với tâm đàn hồi (c.e.), thực chuyển động: tịnh tiến và xoay, vị trí Khi ngoại lực kích thích tác dụng tâm đàn hồi (c.e.), chuyển động tịnh tiến đến vị trí Trong trường hợp này, độ biến dạng hệ thống treo trước và sau là giống và góc xoay không Sau đây ta xác định khoảng cách x từ trọng tâm (c.g.) đến tâm đàn hồi (c.e.) Từ phương trình cân mô men, ta có R1 a - P x - R b  x R1 a - R b P Eq 12-11 Đồng thời, ta lại có: R  c1 f và R  c2 f2 P  R  R  c1 f  c f Do vậy: x c1 f a - c f b c1 f  c f x c1 a - c b c1  c Eq 12-12 Khối lượng treo ô tô thay hệ tương đương khối lượng m1, m2, và m3 và liên kết với không trọng lượng Khối lượng m1 và m2 đặt các vị trí ab và bb và khối lượng m3 đặt trọng tâm phần khối lượng treo Các điều kiện sau đây cần thỏa mãn hệ tương đương: (a) Cân khối lượng, (b) Trọng tâm hệ thực trùng trọng tâm hệ tương đương, và (c) Cùng mô men quán tính trục yy qua trọng tâm hệ thực Ba điều kiện này dẫn đến hệ ba phương trình sau: m  m  m  m b  m a b  m b b  2 m a b  m b b  m b  b Eq 12-13 Với b là bán kính quán tính khối lượng treo ô tô trục yy Giải phương trình trên, ta được: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 155 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ  m b b m  ab L   mb b   m  bb L    m  m b 1 -  b  a b  b b   Eq 12-14     Hình 12-4 Mô hình dao động tự ô tô và tương đương Khi nối đẩy xa vị trí cân và thả ra, hệ dao động Ta khảo sát tác dụng khối lượng m3 và vị trí tâm đàn hồi đến dao động Khi dao động, lực quán tính tác dụng lên trọng tâm xác định bởi: Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 156 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Fin  m j Lực này gây mô men quán tính Min tâm đàn hồi M in  Fin x  m j x Để tránh dao động lớn, mô men Min cần thiết phải nhỏ Điều này xảy cánh tay đòn x khối lượng m3 # Nếu m3 = 0: m3   b 1 a b bb Eq 12-15 Điều này có thể đạt cách phân bố hợp lý khối lượng các cụm chi tiết trên ô tô # Nếu x = 0: x0  c1 a b  c b b c1 b b  c2 a b Eq 12-16 Như vậy, độ cứng hệ thống treo cần thiết kế cho tỷ lệ nghịch với trọng tâm khối lượng không treo Khi đó, hệ thống treo trước và sau có cùng biến dạng và ô tô không bị xoay quanh trục yy Chuyển vị theo phương thẳng đứng Sz xác định sau chọn tần số dao động khoảng cho phép 1,1-1,3 Hz Dao động góc x sinh nhấp nhô không hai bên mặt đường Khi đó, mô men gây dao động ngang xuất triệt tiêu Dao động góc này có thể khử cách sử dụng ổn định ngang, có tác dụng tăng độ cứng chống biến dạng xoắn hệ thống treo Bên cạnh dao động nhấp nhô đường, ô tô còn chịu rung động phát sinh từ động cơ, hệ thống truyền lực và bánh xe Sự rung động này thực tế không ảnh hưởng đến độ êm dịu chuyển động gây ồn và có thể phá hủy liên kết các tổng thành, phận ô tô Sự rung động có thể giảm bớt khử nhờ sử dụng các biện pháp dùng các phận giảm rung, các phận che đặc biệt, nâng cao chất lượng chế tạo và lắp ráp, và cân tốt để tránh cộng hưởng Các ghế ngồi với lưng tựa thiết kế đặc biệt có thể giảm hay khử dao động và rung động ô tô Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 157 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 12.5 Ảnh hưởng các thông số đến dao động 12.5.1 Ảnh hưởng lốp xe Bánh bổ sung thêm phần tử đàn hồi cùng với hệ thống treo và có tác dụng lớn đến êm dịu chuyển động ô tô Là phần tử đàn hồi tốt, có biến dạng ta-lông nên lốp xe loại trừ giảm tiếng ồn sinh chuyển động trên đường nhấp nhô và hấp thụ nhấp nhô nhỏ mặt đường Lốp xe ảnh hưởng không đáng kể đến dao động tần số thấp biến dạng nó nhỏ (1535 mm) so với biến dạng cần thiết hệ thống treo độ êm dịu chuyển động (100250 mm) Trái lại, lốp xe có tác dụng lớn dao động tần số cao vì giảm độ cứng lốp xe dẫn đến giảm độ dịch chuyển thẳng đứng bánh xe và gia tốc dao động ô tô Do vậy, tốt sử dụng lốp xe có độ cứng giảm nhiều để tăng độ êm dịu chuyển động Với mục đích này, khuynh hướng chế tạo lốp xe đại là giảm độ cứng lốp xe cách giảm áp suất lốp và tăng chiều rộng lốp Tuy vậy, là sai lầm cho lốp xe mềm cho phép người thiết kế bỏ qua phần tử đàn hồi hệ thống treo Điều này có thể giải thích thực tế là để giảm tổn thất cản lăn cần thiết phải giảm nội ma sát lốp, trái lại nó làm tăng độ cứng lốp xe Bên cạnh đó, độ nhấp nhô mặt đường luôn tồn và gây dao động ô tô nên dao động mạnh không có hệ thống treo 12.5.2 Hệ thống treo độc lập Xét trên quan điểm êm dịu chuyển động ô tô, hệ thống treo độc lập có nhiều ưu điểm so với hệ thống treo phụ thuộc Đối với hệ thống treo phụ thuộc, bên bánh xe lăn qua nhấp nhô đường, bánh xe phía bên có cùng chuyển vị góc x nên thân xe nghiêng theo Điều này không xảy không đáng kể hệ thống treo độc lập Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 158 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hệ thống treo độc lập trục trước tạo độ võng tĩnh lớn đảm bảo tỷ số độ võng tĩnh các trục gần Do đó ô tô chuyển động, dao động x giảm nhiều Do hệ thống treo độc lập không có dầm cầu nối hai bánh xe hai bên nên trọng lượng phần không treo giảm đáng kể, tần số dao động riêng thân xe tăng lên Do đó giảm tải trọng tác dụng lên giảm chấn Ở hệ thống treo độc lập, phần tử đàn hồi có thể là lò xo, đệm khí, xoắn Khi sử dụng xoắn, phần khối lượng xoắn là khối lượng treo và phân bố tải trọng lên khung xe Khi sử dụng, xoắn không đòi hỏi bảo dưỡng nhiều nhíp lá Tuy nhiên, xoắn khó chế tạo và có tuổi thọ thấp Hệ thống treo với đệm khí có nhiều ưu điểm: độ êm dịu cao độ cứng thấp và có thể thay đổi đặc tính đàn hồi với phạm vi rộng quá trình vận hành, có thể giữ cố định thay đổi độ võng hệ thống treo tải trọng thay đổi, tuổi thọ hệ thống treo dài, khối lượng không treo nhỏ, thích ứng nhanh với nhấp nhô mặt đường nội ma sát hệ thống treo không đáng kể, và góp phần làm tăng tuổi thọ ô tô Tuy nhiên, thiết kế, chế tạo hệ thống treo với đệm khí phức tạp hơn, giá thành chế tạo cao Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 159 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Thái Phạm Minh, Nguyễn Văn Tài, và Lê Thị Vàng “Lý Thuyết Ô Tô Máy Kéo” Hà Nội: NXB Khoa học kỹ thuật; 1996 [2] Nguyễn Minh Đường, Nguyễn Xuân Tài, Nguyễn Văn Tài, và Trần Khang “Lý Thuyết Ô Tô Máy Kéo” Hà Nội: Đại học Bách Khoa; 1971 [3] Artamonov MD, Ilarionov VA, and Morin MM “Motor Vehicles Fundamentals and Design” Moscow: Mir; 1976 [4] Lechner G and Naunheimer H “Automotive Transmission Fundamentals, Selection, Design, and Adaption” Berlin: SpringerVerlag; 1999 [5] Garett TK, Newton K, and Steeds W “The Motor Vehicle, 13 ed.” Oxford: Butterworth-Heinemann; 2001 [6] Reimpell J, Stoll H, and Betzler JW “The Automotive Chassis: Engineering Principles, ed”: Butterworth-Heinemann; 2001 [7] Heisler H “Advanced Vehicle Technology, ed” Oxford: ButterworthHeinemann; 2002 [8] Rajesh R “Vehicle Dynamics and Control” New York: Springer; 2006 [9] "Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering ", Professional Engineering Publishing http://journals.pepublishing.com/content/119783 [10] "International Journal of Vehicle Design (IJVD)", Inder Science http://www.inderscience.com/browse/index.php?journalID=31#content Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 161 14 PHỤ LỤC Phụ lục A ĐẶC TÍNH CỦA MỘT SỐ ĐỘNG CƠ Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 162 Hình A-1 Đặc tính ngoài động diesel, sử dụng với ô tô tải – Đường cong mô men dạng “phẳng” Hình A-2 Đặc tính ngoài động diesel với turbocharger, sử dụng với ô tô khách – Đường cong mô men dạng “sống trâu” Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 163 Hình A-3 Đặc tính ngoài động diesel với turbocharger, sử dụng với ô tô tải – Đường cong mô men dạng “sống trâu” Hình A-5 Đặc tính ngoài động diesel, sử dụng với ô tô tải – Đường cong mô men dạng “sống trâu” Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 164 Hình A-4 Đặc tính ngoài động xăng, sử dụng với ô tô du lịch – Đường cong mô men dạng “tăng dần” Hình A-6 Đặc tính ngoài động xăng, sử dụng với ô tô du lịch – Đường cong mô men dạng “phẳng” Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 165 a/ b/ Hình A-7 Đặc tính tốc độ của: a/ Một động xăng xylanh b/ Một động diesel turbocharger xy lanh Specific Diesel Consumption (g/kWh) (Diesel Fuelling) 300 40 320 290 285 35 Brake Torque (Nm) 290 275 285 273 273 30 280 290 270 300 25 20 15 320 320 350 350 400 400 10 500 700 1000 1200 1400 1600 1800 Engine speed (rev/min) 2000 2200 2400 Hình A-8 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích động diesel xylanh KUBOTA RT120 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 166 Biên soạn: TS Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 167