Định nghĩa: Tính ổn định dọc tĩnh của ô tô là khả năng đảm bảo cho xe không bị lật hoặc bị trượt khi đứng yên trên đường dốc dọc. [6]
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 22
Hình 2 - 5: Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên ô tô khi đứng yên.
a, Đứng quay đầu lên dốc. b, Đứng quay đầu xuống dốc
Trường hợp xe đứng trên dốc quay đầu lên (hình a).
Khi góc dốc α tăng dần cho tới lúc bánh xe trước nhấc khỏi mặt đường. Để xác định góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ khi đứng quay đầu lên dốc ta có phương trình:
Trong đó:
α1: góc dốc giới hạn mà xe bị lật khi đứng quay đầu lên dốc. G: trọng lượng xe.
hg: chiều cao trọng tâm xe.
Trường hợp khi xe đứng trên dốc quay đầu xuống ta cũng có:
Ở đây:
α1: góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ đứng khi quay đầu xuống dốc.
Để xác định được góc dốc giới hạn khi ô tô đứng trên dốc ta có công thức:
b t' t' hg Mf b a L a L Mf Gsin Pp Pp Gcos Z1 O1 Z2 O2 G hg t Z2 O2 Z1 O1 Gsin Gcos G t
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 23
Khi xe đứng trên dốc quay đầu xuống ta cũng xác định được góc dốc giới hạn là:
Để đảm bảo an toàn khi xe đứng trên dốc người ta thường để điều kiện xe bị trượt trước khi lật đổ, điều đó được xác định bằng biểu thức:
Hay: {
Qua các trường hợp trên ta có nhận xét rằng góc giới hạn khi ô tô đứng trên dốc bị trượt hoặc lật đổ chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe và chất lượng mặt đường.
b) Tính ổn định dọc động .[6]
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 24
Trường hợp 1:trường hợp tổng quát.
Xét ô tô chuyển động ổn định lên dốc. Do đó lực quán tính Pj = 0 và Pm = 0. Góc giới hạn khi xe bị lật đổ (coi cosα ≈ 1).
Ta có:
Trường hợp 2: xe lên dốc với tốc độ nhỏ, chuyển động ổn định.
Trong trường hợp này Pj = 0; Pm = 0; Pω ≈ 0 và Pf ≈ 0. Do đó ta xác định được góc dốc giới hạn khi xe chuyển động lên dốc bị lật đổ:
Góc dốc giới hạn khi xe chuyển động xuống dốc với vận tốc nhỏ là:
Để tránh cho xe không bị lật đổ khi chuyển động trên dốc nghiêng, ta cần xác định điều kiện để xe trượt trên dốc. Khi lực kéo ở bánh xe chủ động đạt đến giới hạn bám thì xe bắt đầu trượt, trị số trượt, trị số của lực kéo được xác định như sau:
Mặt khác ta có:
( )
Rút gọn công thức (2.24) và (2.25) ta xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị trượt:
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 25
Trường hợp 3: Xe chuyển động ổn định với vận tốc cao trên đường nằm ngang.
Hình 2 - 7: Lực tác dụng lên ô tô khi chuyển động ở tốc độ cao.
Trong trường hợp này (thường là xe du lịch) xe có khả năng bị lật do lực cản không khí gây ra khi chuyển động với tốc độ rất lớn.
Vận tốc nguy hiểm mà xe bị lật đổ là:
𝑣 √
Qua các trường hợp ở trên nghiên cứu về tính ổn định dọc của xe ô tô ta có thể nhận xét rằng sự mất ổn định của chúng phụ thuộc vào các thông số như chiều cao trọng tâm của xe, nhân tố không khí. Vì vậy để tăng tính ổn định, khi thiết kế người ta thường tìm cách hạ thấp trọng tâm của xe.
c) Tính ổn định ngang của xe ô tô. [6]
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 26
Hình2 - 8: Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi chuyển động trên đường nghiêng ngang
Ta xác định được góc giới hạn lật đổ khi xe chuyển động trên đường nghiêng ngang:
Trong đó: βđ: góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ.
Khi chất lượng bám của bánh xe với đường kém, xe cũng có thể bị trượt khi chuyển động trên đường nghiêng ngang. Để xác định góc giới hạn khi xe bị trượt ta có công thức:
Điều kiện để xe trượt trước khi bị lật khi chuyển động trên đường nghiêng ngang:
Trường hợp 2: khi ô tô đứng yên trên đường nghiêng ngang.
Ở trường hợp này ô tô chỉ chịu tác dụng của trọng lượng. Ta có góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ là:
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 27
Tương tự ta có góc giới hạn mà xe bị trượt và điều kiện để xe trượt khi lật đổ như sau:
Qua các công thức được trình bày ở trên, có thể nhận xét rằng góc dốc giới hạn và vận tốc nguy hiểm mà tại đó ô tô bị lật đổ hoặc bị trượt bên khi chuyển động trên đường nghiêng ngang phụ thuộc vào chiều cao trọng tâm của xe.
2.3.2. Tăng chiều cao trọng tâm ảnh hưởng đến tính ổn định khi quay vòng của xe. xe.
Hình 2 - 9: Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên ô tô khi chuyển động quay vòng trên đường nghiêng ngang.
Ta có công thức tính vận tốc giới hạn khi xe bị lật đổ như sau: [6]
𝑣 √
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 28
Trong đó:
R: Bán kính quay của trọng tâm khi ô tô quay vòng với bán kính Rmin;
𝑣n: vận tốc giới hạn (hay vận tốc nguy hiểm); g: gia tốc trọng trường;
C: Chiều rộng cơ sở; hg: Chiều cao trọng tâm.
Từ công thức trên ta có kết luận là vận tốc nguy hiểm mà tại đó xe bị lật đổ hoặc bị trượt bên khi chuyển động quay vòng trên đường nghiêng ngang phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm, bán kính quay vòng và hệ số bám ngang của bánh xe với đường.
Ta thấy rằng thay đổi chiều cao trọng tâm chỉ ảnh hưởng khi xe quay vòng trên đường nghiêng ngang và không ảnh hưởng khi xe quay vòng trên mặt đường phẳng nằm ngang.
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 29
Chương 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẢI TẠO TỚI AN TOÀN CHUYỂN ĐỘNG
3.1. Thay đổi chiều dài cơ sở ảnh hưởng đến:
3.1.1. Động học hình thang lái
Ta biết rằng công thức ổn định động học của hình thang lái như sau:
Trường hợp 1: xe TRANSINCO - A CA6900D210 - 2- K46KL có:
Bảng 3.1: Thông số tham khảo xe TRANSINCO - A CA6900D210 - 2- K46KL
Loại Phương tiện: Ô tô khách
Nhãn hiệu TRANSINCO - A - CA6900D210-2-K46KL
Khối lượng
Trọng lượng bản thân : 9250 kG
Phân bố : - Cầu trước : 2695 kG
- Cầu sau: 6555 kG
Tải trọng cho phép chở : 0 kG
Số người cho phép chở : 46( kể cả lái xe) người
Trọng lượng toàn bộ : 12500 kG
Phân bố: - Cầu trước: 4150 kG
- Cầu sau : 8350 kG
Kích thước
Dài x Rộng x Cao: 10410x2500x3460 mm
Chiều dài cơ sở : 5000 mm
Chiều rộng cơ sở trước/sau : 1900/1800 mm
Khoảng sáng gầm xe : 295/265 mm
Chiều cao trọng tâm: 1320 mm
Động cơ
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 30
Loại động cơ: 4 kỳ, 6 xi lanh thẳng hàng, làm mát bằng nước
Thể tích làm việc : 7520 cm3
Công suất lớn nhất /tốc độ quay : 155 kW/ 2500 v/ph
Mômen lớn nhất/tốc độ quay: 680/1600(Nm/v/p)
Khi tăng chiều dài cơ sở trong khi vẫn giữ nguyên chiều rộng cơ sở làm thay đổi động học hình thang lái. Cụ thể là khi chiều dài cơ sở tăng thì góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và góc quay vòng bánh xe dẫn hướng bên trong cũng tăng như bảng sau:
Bảng 3.2: Kết quả tính toán khi thay đổi chiều dài cơ sở của xe TRANSINCO - A CA6900D210 - 2- K46KL L = 5m L = 5.5m Δα (độ) L = 6m Δα (độ) β(độ) α(độ) β(độ) α(độ) β(độ) α(độ) 5 4.7433 5 4.765 0.0217 5 4.7825 0.0392 10 9.2862 10 9.3673 0.0811 10 9.4331 0.1469 15 13.5945 15 13.7678 0.1733 15 13.9097 0.3152 20 17.7613 20 18.0576 0.2963 20 18.3019 0.5406 25 21.8575 25 22.3076 0.4501 25 22.6811 0.8236 30 25.9475 30 26.5838 0.6363 30 27.1157 1.1682 35 30.0947 35 30.9537 0.859 35 31.6770 1.5823 40 34.3660 40 35.4904 1.1244 40 36.4443 2.0783
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 31
Ứng với bảng số liệu trên ta có đồ thị sau:
Hình 3 - 1: Đồ thị về mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe và chiều dài cơ sở xe khách TRANSINCO
Với đồ thị trên ta thấy khi xe tăng từ L = 5m lên L = 5,5m và góc β = 400 thì lúc đó góc α = 1.12440
lớn hơn 10. Ta tăng tiếp chiều dài cơ sở lên L = 6m thì độ sai lệch góc quay vòng lớn nhất lớn hơn 10 từ khi góc β = 300, sớm hơn L = 5,5m đến 100. Điều này chứng tỏ khi chiều dài cở sở càng tăng lên thì các góc quay vòng của bánh xe cũng tăng, làm sai lệch động học hình thang lái gây mất an toàn trong chuyển động.
Trường hợp 2: Xe ô tô tải KIA K2700 II có thông số như bảng sau: Bảng 3.3: Thông số tham khảo xe KIA K2700 II
Loại Phương tiện: Ô tô tải
Nhãn hiệu KIA K2700 II
Khối lượng
Trọng lượng bản thân : 1690 kG
Phân bố : - Cầu trước : 1010 kG
- Cầu sau : 680 kG
Tải trọng cho phép chở : 1100 kG
Số người cho phép chở : 03( kể cả lái xe) người
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 40 50β (độ) α (độ) L = 5m L = 5.5m L = 6m
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 32
Trọng lượng toàn bộ : 3300 kG
Phân bố: - Cầu trước: 1415 kG
- Cầu sau: 1885 kG
Kích thước
Dài x Rộng x Cao: 5100x1750x2250 mm
Chiều dài cơ sở : 2500 mm
Chiều rộng cơ sở trước/sau : 1490/1350 mm
Khoảng sáng gầm xe : 295/265 mm
Chiều cao trọng tâm: 700 mm
Động cơ
Nhãn hiệu động cơ : KIA J2
Loại động cơ: 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, làm mát bằng nước
Thể tích làm việc: 2665 cm3
Công suất lớn nhất /tốc độ quay : 61 kW/ 4150 v/ph Mômen lớn nhất/tốc độ quay: 385/1500(Nm/v/p)
Khi chiều dài cơ sở tăng thì góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và góc quay vòng bánh xe dẫn hướng bên trong cũng tăng như bảng sau:
Bảng 3.4: Kết quả tính toán khi thay đổi chiều dài cơ sở của xe KIA K2700 II
L = 2.5m L = 2.7m Δα (độ) L = 3m Δα (độ) β(độ) α(độ) β(độ) α(độ) β(độ) α(độ) 5 4.6677 5 4.6873 0.0196 5 4.712 0.0443 10 9.0099 10 9.0808 0.0709 10 9.1709 0.161 15 13.014 15 13.161 0.1470 15 13.35 0.336 20 16.785 20 17.031 0.2460 20 17.348 0.563 25 20.399 25 20.762 0.3630 25 21.235 0.836 30 23.919 30 24.419 0.5000 30 25.076 1.157 35 27.4 35 28.059 0.6590 35 28.928 1.528 40 30.897 40 31.737 0.8400 40 32.854 1.957
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 33
Ứng với bảng số liệu trên ta có đồ thị sau:
Hình 3 - 2: Đồ thị về mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe và chiều dài cơ sở xe tải KIA K2700 II
Với trường hợp cụ thể ở trên ta thấy rằng khi ô tô quay vòng với bán kính quay vòng khác nhau mà quan hệ giữa α và β không thay đổi trong khi chiều dài cơ sở thay đổi như ta thấy ở trên thì hình thang lái không thể thỏa mãn được. Ta có độ sai lệch góc quay vòng lớn nhất bắt đầu lớn hơn 10 với xe tải KIA K2700 II khi tăng chiều dài cơ sở từ L = 2,5m lên L = 3m và góc β = 300 là Δαmax = 1.15700. Điều này làm cho lốp xe nhanh bị mòn và làm thay đổi động học hình thang lái làm ảnh hưởng đến an toàn chuyển động của xe.
3.2. Thay đổi chiều cao trọng tâm tác động đến tính ổn định tĩnh và ổn định khi quay vòng của ô tô. khi quay vòng của ô tô.
3.2.1. Xét trường hợp cụ thể với ô tô khách TRANSINCO 46 chỗ.
Với các công thức tính toán:
Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm cầu trước: a = (G2 . L)/G = 3.34(m) 0 5 10 15 20 25 30 35 0 10 20 30 40 50 β (độ) α (độ) L = 2.5m L= 2.7m L = 3m
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 34
Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm cầu sau: b = L - a = 1.66(m)
G2: Phân bố trọng lượng lên trục sau của xe (Các thông số tính toán được lấy ở bảng 3.1)
a) Tính ổn định dọc:
Góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ khi đứng quay đầu lên dốc: tgα = b/hg ==> α = arctg(b/hg) = 0.9(rad)
= 42.0(độ)
Khi thay đổi chiều cao trọng tâm hg ta thu được góc α tương ứng:
Bảng 3.5: Kết quả tính toán chiều cao trọng tâm và góc α của xe TRANSINCO α(độ) 42.0 41.5 41.0 40.6 40.1 39.7 39.2 38.8 hg(m) 1.32 1.36 1.4 1.44 1.48 1.52 1.56 1.6
Ứng với bảng số liệu trên ta có đồ thị sau:
Hình 3 - 3: Biểu đồ biểu diễn sự liên hệ giữa hg với góc α của xe TRANSINCO
38.5 39.0 39.5 40.0 40.5 41.0 41.5 42.0 42.5 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 hg(m) α(độ)
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 35
Góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ khi đứng quay đầu xuống dốc: tgα' = a/hg ==> α' = arctg(a/hg) = 1.2(rad)
= 50.1(độ)
Khi thay đổi chiều cao trọng tâm hg ta thu được góc α' tương ứng:
Bảng 3.6: Kết quả tính toán chiều cao trọng tâm và góc α’ của xe TRANSINCO α'(độ) 50.1 49.8 49.6 49.3 49.1 48.8 48.6 48.3 hg(m) 1.32 1.36 1.4 1.44 1.48 1.52 1.56 1.6
Ứng với bảng số liệu trên ta có đồ thị sau:
Hình 3 - 4: Biểu đồ biểu diễn sự liên hệ giữa hg với góc α' của xeTRANSINCO
Qua đồ thị 4 và đồ thị 5 ta thấy rằng chiều cao trọng tâm của xe ảnh hưởng rất lớn đến góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ khi đứng quay đầu lên dốc và xuống dốc. Cụ thể là khi chiều cao trọng tâm tăng thì góc dốc giới hạn giảm. Điều đó chứng tỏ trọng tâm xe càng cao thì xe càng dễ bị lật đổ làm mất an toàn chuyển động của xe. Vì vậy để nâng cao tính ổn định thì khi thiết kế người ta thường tìm cách hạ thấp trọng tâm của xe.
48.2 48.4 48.6 48.8 49.0 49.2 49.4 49.6 49.8 50.0 50.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 hg(m) α'(độ)
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 36 b) Tính ổn định ngang
Góc nghiêng ngang giới hạn của đường β được xác định: tgβ = C/2hg ==> β = arctg(C/2hg) = 0.672(rad)
= 33.9(độ)
Khi thay đổi chiều cao trọng tâm hg ta thu được góc β tương ứng:
Bảng 3.7: Kết quả tính toán chiều cao trọng tâm và góc β của xe TRANSINCO β(độ) 33.9 33.3 32.8 32.2 31.7 31.2 30.6 30.1 hg(m) 1.32 1.36 1.4 1.44 1.48 1.52 1.56 1.6
Ứng với bảng số liệu trên ta có đồ thị sau:
Hình 3 - 5: Biểu đồ biểu diễn sự liên hệ giữa hg với góc β của xeTRANSINCO
Ở đồ thị trên ta dễ dàng nhận thấy mối quan hệ giữa chiều cao trọng tâm của xe và góc nghiêng ngang giới hạn. Với đồ thị 6, khi trọng tâm của xe tăng từ 1,32m lên 1,6m thì góc nghiêng ngang lại giảm từ 33,90
xuống 30.10. Điều này chứng tỏ khi trọng tâm của xe càng tăng thì góc nghiêng ngang giới hạn càng giảm dẫn đến xe dễ dàng bị lật đổ gây mất an toàn chuyển động của xe.
29.5 30.0 30.5 31.0 31.5 32.0 32.5 33.0 33.5 34.0 34.5 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 hg(m) β(độ)
HVTH: Phạm Thị Thuy
Lớp : KTOTO 2014B trang 37 c) tính ổn định khi quay vòng
Ta có công thức tính vận tốc giới hạn như sau:
𝑣 √
Trong đó:
R: Bán kính quay của trọng tâm khi ô tô quay vòng với bán kính Rmin.
𝑣n: vận tốc giới hạn (hay vận tốc nguy hiểm). g: gia tốc trọng trường(g = 10m/s2).
C: Chiều rộng cơ sở hg: Chiều cao trọng tâm.
Bán kính quay vòng nhỏ nhất tính đến tâm đối xứng dọc ô tô: Rmin = L.cotgθ = 5.cotg30 = 8.66(m)
θ: Góc quay trung bình của các bánh xe dẫn hướng (θ = 30 độ).