Trước hết, chúng ta xét động học quay vòng của xe khi bỏ qua biến dạng ngang của các bánh xe do độ đàn hồi của lốp. Nếu khơng tính đến độ biến dạng ngang của lốp, thì khi quay vòng véctơ vận tốc chuyển động của các bánh xe sẽ trùng với mặt phẳng quay (mặt phẳng đối xứng) của bánh xe.
Hình 5.1: Sơ đồ động học quay vòng của xe khi bỏ qua biến dạng ngang.
Trên hình 5.1 mơ tả động học quay vịng của xe có hai bánh dẫn hướng ở cầu trước khi bỏ qua biến dạng ngang của lốp. Ở trên sơ đồ, A, B là vị trí của hai trụ đứng. E là điểm giữa của AB. α1; α2 là góc quay vịng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm
61
quay vịng O. Bởi vậy, góc α sẽ là đại diện cho góc quay vịng của các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước. Mặt khác AC và BD song song với trục dọc của xe.
Khi xe quay vịng, để các bánh xe khơng bị trượt lết hoặc trượt quay, đường vng góc với các véctơ vận tốc chuyển động của các bánh xe phải gặp nhau tại một điểm, đó là tâm quay vịng tức thời của xe (điểm O).
Theo sơ đồ trên, ta chứng minh được biểu thức về mối quan hệ giữa các góc quay vịng của hai bánh xe dẫn hướng để đảm bảo cho chúng khơng bị trượt khi xe quay vịng:
cotgα1 – cotgα2 = q
L (5.1)
Trong đó: q – Khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng tại vị trí đặt các cam quay của các bánh xe dẫn hướng.
L – Chiều dài cơ sở của xe.
Từ biểu thức (5.1) ta có thể vẽ được đường cong biểu thị mối quan hệ lý thuyết giữa các góc α1 và α2: α1 = f(α2) khi xe quay vòng khơng có trượt ở các bánh xe (hình 5.2).
Hình 5.2: Đồ thị lý thuyết, thực tế về mối quan hệ giữa góc quay vịng của bánh xe dẫn hướng.
62
Như vậy, theo lý thuyết để đảm bảo cho các bánh xe dẫn hướng lăn không trượt khi quay vịng thì mối quan hệ giữa các góc quay vịng α1 và α2 phải luôn luôn thỏa mãn biểu thức (5.1).
Trong thực tế, để duy trì được mối quan hệ nói trên người ta thường phải sử dụng hình thang lái. Hình thang lái là một cơ cấu gồm nhiều đòn và nối với nhau bởi các khớp.
Hình thang lái đơn giản về mặt kết cấu nhưng khơng đảm bảo được mối quan hệ chính xác giữa các góc quay vịng α1 và α2 như đã nêu ở biểu thức (5.1).
Để tiện so sánh sự sai khác của mối quan hệ lý thuyết và thực tế giữa các góc α1 và α2, trên hình 5.2, ta dựng thêm đường cong biểu thị mối quan hệ thực tế giữa các góc α1 và α2: α1= ft(α2). Độ sai lệch giữa các góc quay vịng thực tế và lý thuyết cho phép lớn nhất không được vượt quá 1,5o.
63
Ở phần này, chúng ta sẽ đi xác định các thông số động học của xe khi quay vịng theo sơ đồ ở hình 5.3. Ở sơ đồ này, ý nghĩa của các ký hiệu như sau:
R – Bán kính quay vịng của xe.
α – Góc quay vịng của các bánh xe dẫn hướng.
T – Trọng tâm của xe.
v – Vận tốc chuyển động của tâm cầu sau.
ρ – Bán kính quay vịng của trọng tâm T.
ꞷ – Vận tốc góc của xe khi quay vòng quanh điểm O.
ɛ – Gia tốc góc của xe khi quay vịng quanh điểm O.
β – Góc tạo bởi OT và OF (F là tâm cầu sau).
jh – Gia tốc hướng tâm của trọng tâm T.
jt – Gia tốc tiếp tuyến của trọng tâm T.
jx – Gia tốc hướng theo trục dọc xe của trọng tâm T.
jy – Gia tốc hướng theo trục ngang xe của trọng tâm T.
Xét trường hợp xe quay vòng với vận tốc chuyển động là v = 5 m/s:
Từ hình 5.3 ta tính được bán kính quay vịng R của xe. Bán kính quay vòng là khoảng cách từ tâm quay vòng đến trục dọc của xe:
R = L
tgα (5.2)
Với Rmin = 10,4 m là bán kính quay vịng tối thiểu của xe.
tgα = L
Rmin = 6,15
10,4 = 0,59
α = 30⁰32′
64
ꞷ = v
R = v
L.tgα = 5
6,15.0,59 = 0,48 (rad/s) (5.3) Gia tốc góc của xe khi quay định ɛ được xác định:
ɛ = dω dt = tgα L dv dt + v L.cos2α dα dt (5.4) Từ sơ đồ ở hình 5.3, ta có: cosα = R √L2 + R2= 10,4 √6,152 + 10,42 = 0,86 (5.5) α = 30⁰41′
Thay các giá trị từ (5.2) và (5.4) vào (5.5), ta có:
ɛ = 1 R [dv dt + v.(L2 + R2) L.R dα dt] (5.6)
Hai thành phần gia tốc của trọng tâm T khi xe quay vòng jx và jy được xác định như sau: Như ta đã biết: jh = ꞷ2.ρ ; jt = ɛ.ρ
Chiếu jh và jt lên trục dọc và trục ngang của xe, sau đó tổng hợp các véctơ gia tốc thành phần lại, ta có:
jx = jt.cosβ – jh.sinβ = ɛ.ρ.cosβ – ꞷ2.ρ.sinβ (5.7) jy = jt.sinβ + jh.cosβ = ɛ.ρ.sinβ + ꞷ2.ρ.cosβ (5.8) Mặt khác theo hình 5.3 ta lại có:
ρ.cosβ = R ; ρ.sinβ = b (5.9)
Thay (5.3), (5.6) và (5.9) vào (5.7) và (5.8) ta nhận được:
jx = dv dt + v.(L2 + R2) L.R dα dt - v2.b R2 (5.10) jy = [dv dt + v.(L2 + R2) L.R dα dt]b R + v2 R (5.11)
Trong trường hợp xe chuyển động đều (dv
65
quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sẽ không đổi α = const(dα
dt = 0).
Xét trường hợp xe chạy với vận tốc v = 5(m/s) và bán kính quay vịng Rmin = 10,4(m), nên ta có: jx =− v2.b Rmin2 = −52.1,845 10,42 = −0,43(m/s2) jy = v 2 Rmin = 52 10,4 = 2,41(m/s2)
Xe quay vòng trong dải vận tốc cho phép từ 5 km/h đến 35 km/h, ta có bảng sau:
Bảng 5.1: Bảng giá trị của jx và jy ứng với từng vận tốc quay vòng giới hạn khác nhau.
v (km/s) jx (m/s2) jy (m/s2) 5 -0,03 0,19 10 -0,13 0,74 15 -0,29 1,67 20 -0,53 2,97 25 -0,82 4,64 30 -1,18 6,68 35 -1,61 9,09 5.1.2. Động lực học quay vòng của xe
Ở phần này ta nguyên cứu động học quay vòng của xe chưa kể đến ảnh hưởng độ đàn hồi ngang của lốp. Trong thục tế sử dụng, độ đàn hồi ngang của lốp ảnh hưởng đến tính năng quay vịng và độ an tồn chuyển động của xe.
Chúng ta sẽ xét động lực học quay vòng của xe khi bỏ qua biến dạng ngang của các bánh xe theo sơ đồ ở hình 5.4.
66
độ dốc (α ≠ 0) và vận tốc không phải hằng số (j ≠ 0).
Hình 5.4: Sơ đồ động lực học quay vịng của xe có hai bánh xe dẫn hướng phía trước.
Ý nghĩa của các ký hiệu trên hình 5.4 như sau:
Fjl – Lực quán tính ly tâm tác dụng tại trọng tâm T của xe.
Fjlx; Fjly – Hai thành phần của lực Fjl theo trục dọc và trục ngang của xe.
Ybi – Các phản lực ngang tác dụng dưới các bánh xe.
Fki – Các lực kéo ở các bánh xe chủ động.
Ffi – Các lực cản lăn.
Fi– Lực cản lên dốc.
Fꞷ – Lực cản của khơng khí.
67
Jzɛ– Mơmen qn tính tác dụng lên xe xung quanh trục đứng Tz.
Để xe quay vịng ổn định và xe khơng bị trượt khỏi quỹ đạo cong của đường, điều kiện cần và đủ: Tổng tất cả các lực tác dụng lên xe theo chiều trục Tx và chiều trục Ty phải bằng không , đồng thời tổng các mômen tác dụng lên xe xung quanh trục đứng Tz đi qua trọng tâm của xe phải bằng khơng. Tức là:
Phương trình cân bằng lực theo chiều trục Tx:
∑Xi = 0 (5.12)
Phương trình cân bằng lực theo chiều trục Ty:
∑Yi = 0 (5.13)
Phương trình cân bằng mơmen xung quanh trục thẳng đứng Tz:
∑Miz = 0 (5.14)
Dựa vào các lực và mômen tác dụng lên xe ở hình 5.4, chúng ta sẽ viết được dạng khai triển các phương trình (5.12); (5.13); và (5.14).
Khi xe quay vịng, lực qn tính ly tâm là lực chủ yếu làm cho xe chuyển động không ổn định và là nguyên nhân chính gây nên sự nghiêng ngang của thùng xe và làm lật đổ xe. Bởi vậy, chúng ta sẽ tính cụ thể độ lớn của nó: Fjl = √Fjlx2 + Fjly2 (5.15) Fjlx = m.jx = G g[dv dt + v.(L2 + R2) L.R dα dt − v2.b R2 ] (5.16) Fjly = m.jy = G g.R{[dv dt + v.(L2 + R2) L.R dα dt] b + v2} (5.17)
Trong trường hợp xe chuyển động đều (dv
dt = 0) theo một quỹ đạo đường trịn, góc quay vịng của các bánh xe dẫn hướng sẽ khơng đổi α = const(dα
dt = 0).
68 Ta có: Fjlx =− G.v2.b g.Rmin2 = −165000.52.1,845 10.10,42 = −7036,45 (N) Fjly = G.v 2 g.Rmin = 165000.52 10.10,4 = 39663,46 (N) Fjl = √(−7036,45)2+ 39663,462 = 40282,77 (N)
Xe quay vòng trong dải vận tốc cho phép từ 5 km/h đến 35 km/h, ta có bảng sau:
Bảng 5.2: Bảng giá trị của Fjl ứng với từng vận tốc quay vòng giới hạn khác nhau.
v (km/s) Fjlx (N) Fjly (N) Fjl(N) 5 -542,94 3060,45 3108,24 10 -2171,74 12241,81 12432,95 15 -4886,42 27544,07 27974,15 20 -8686,98 48967,24 49731,82 25 -13573,40 76511,31 77705,97 30 -19545,70 110176,28 111896,59 35 -26603,86 149962,16 152303,69
5.2. Khảo sát điều kiện để xe quay vòng ổn định ở các loại đường khác nhau
Trên quan điểm động lực học: Để xe quay vòng ổn định (khơng bị trượt ngang) thì phải thỏa mãn phương trình cân bằng lực theo phương ngang. Trên cơ sở phương trình cân bằng lực theo phương ngang chúng ta xác định được vận tốc nguy hiểm mà tại thời điểm đó xe bắt đầu trượt ngang trên quan điểm động lực học quay vòng của xe.
Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu trước theo phương ngang: Theo hình 5.4: Fjly1 = Y’b1.cos(α2) + Y”b1.cos(α1)
69
Vì góc α1 và α2 khi quay vòng khá nhỏ nên α1 = α2 ≈ 0, nên cos(α1) = cos(α2) = 1.
Fjly1 = Y’b1 + Y”b1 = φy.Z1 = 0,9.49500 = 44550 (N) Trong đó: φy – hệ số bám ngang ( chọn φy = 0,9).
Z1 – Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe cầu trước. g – Gia tốc trọng trường (g=10 m/s2).
Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu sau theo phương ngang:
Fjly2 = Y’b2 + Y”b2 = φy.Z2 = 0,9.115500 = 103950 (N)
Z2 – Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe cầu sau. Để xe quay vịng khơng bị trượt ngang thì cần thỏa mãn điều kiện:
Fjly < Y’b1 + Y”b1 + Y’b2 + Y”b2 = φy.Z = 148500 (N) Từ hình 5.4 ta có: tgβ = b R = 1,845 10,4 = 0,18 β = 10⁰3′ cosβ = Fjly Fjl Fjl= Fjly cosβ = 148500 10,4 = 14278,85 (N) Gia tốc trong tâm T của xe hướng theo chiều trục ngang:
jy = Fjly m = 148500 16500 = 9 (m/s2) Từ hình 5.4 ta có: sinβ = Fjlx Fjl Fjlx = sinβ.Fjl = sin(10⁰3′).14278,85 = 2491,77 (N) Gia tốc trọng tâm T của xe hướng theo chiều trục dọc:
jx = Fjlx
m = 2491,77
16500 = 0,15 (m/s2)
70
Fjly= G.vnh
2
g.Rmin vnh = √Fjly.g.Rmin
G = √148500.10.10,4
165000 = 9,67 (m/s)
Trong đó: vnh – Vận tốc nguy hiểm của xe khi quay vòng.
Vậy vận tốc nguy hiểm của xe khi quay vịng trên đường nhựa bê tơng khơ: vnh = 9,67 (m/s) = 34,81 (km/h)
Như vậy, khi xe quay vòng, lực Fjl phụ thuộc vào: khối lượng của xe, bán kính quay vòng và nhất là vận tốc chuyển động của xe. Để giảm Fjl chúng ta phải giảm vận tốc của xe và giảm khối lượng (không được chở quá tải), đồng thời phải tăng bán kính quay vịng của xe. Trong hai thành phần của Fjl, thành phần lực ngang Fjly là lực chủ yếu làm cho xe chuyển động khơng ổn định, là ngun nhân chính gây nên sự nghiêng ngang của thùng xe và làm cho xe lật đổ. Bởi vậy chúng ta phải giảm tối đa giá trị Fjly khi xe quay vòng.
Bảng 5.3: Bảng giá trị vận tốc nguy hiểm vnh của xe khi quay vòng trên từng loại đường.
Loại đường Hệ số bám ngang φy vnh (km/h)
Nhựa bê tông khô Nhựa bê tông ướt Đường đất khô Đường đất ướt 0,9 0,5 0,7 0,4 34,83 25,96 30,72 23,22
Các giá trị vnh ở bảng 5.3 rất có ý nghĩa trong thực tế. Nhờ có nó mà người lái khi đi vào từng loại đường cụ thể biết được vận tốc cực đại cho phép là bao nhiêu khi điều khiển xe giường nằm quay vòng để tránh xe xảy ra trượt ngang. Để đảm bảo cho xe chuyển động ổn định vmax < vnh .
71
CHƯƠNG 6:
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1. Kết luận
Sau một thời gian tìm hiểu, ngun cứu, tính tốn và làm việc cùng với sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy giáo GVC.MSc.Đặng Quý, chúng em đã hiểu được các tính năng động học và động lực học của xe giường nằm THACO MOBIHOME HB120 SSL, đồng thời biết được các đặc tính, thơng số kỹ thuật làm cơ sở cho việc sử dụng có hiệu quả trong việc vào q trình tính tốn, khảo sát chuyển động của xe trên các loại đường và các điều kiện chuyển động khác nhau.
Chúng em đã xây dựng cơ sở lý thuyết cơ bản về các tính năng của xe như: đặc tính động lực học, lực kéo, cơng suất kéo, các lực cản và công suất của chúng. Xây dựng đồ thị đường đặc tính ngồi, đồ thị cân bằng lực kéo, cân bằng cơng suất, đặc tính động lực học của xe THACO MOBIHOME HB120 SSL. Sau đó xác định vận tốc cực đại, mômen cực đại, công suất cực đại của xe có phù hợp với vận tốc, mơmen và cơng suất mà nhà sản xuất cung cấp hay khơng. Đánh giá tính năng leo dốc và khả năng lựa tay số sao cho phù hợp từ đó đưa ra chế độ sử dụng phù hợp nhất cho xe.
Qua đó cũng xác định được góc dốc giới hạn, vận tốc giới hạn mà tại đó xe bị lật đổ hay bị trượt trong các điều kiện chuyển động khác nhau. Từ đó có thể đánh giá độ ổn định của xe là phù hợp với điều kiện đường xá Việt Nam (thông qua hệ số bám). Đảm bảo chạy tốt trên mọi loại đường tại Việt Nam (dốc hay bằng) khi xe chuyển động thẳng, đứng yên hoặc quay vòng xe theo điều kiện lật đổ hay trượt ngang.
Xác định được động học và động lực học quay vòng của xe để đánh giá được rằng sự quay vịng đó của xe là ổn định.
72
Qua tính tốn chúng ta thấy độ ổn định ngang của xe giường nằm rất kém vì hiện tượng lật đổ xảy ra trước khi trượt và góc lật đổ cũng khá nhỏ. Nguyên nhân do chiều cao trọng tâm khá lớn.
6.2. Kiến nghị
Qua tính tốn cho chúng ta thấy độ ổn định ngang của xe giường nằm rất kém. Vì vậy khi chuyển động qua khúc đường cong, khi quay vòng và khi phanh dưới trời mưa đường trơn bắt buộc tài xế cho xe chuyển động với vận tốc nhỏ. Vì xe giường nằm chuyên chở lượng hành khách nhiều, cho nên phải đảm bảo an toàn tối đa cho hành khách.
Do việc nghiên cứu tính chất động học và động lực học của xe giường nằm THACO MOBIHOME HB120 SSL của chúng em chỉ trên phương diện lý thuyết. Vì vậy, cần phải được kiểm nghiệm bằng phương pháp thực nghiệm.
Do kiến thức và thời gian còn hạn chế nên chúng em chưa đi sâu vào giải quyết vấn đề nhiều, chỉ giải quyết một số vấn đề. Vì vậy, nếu bạn có thời gian và sự giúp đỡ của các thầy cô chúng em sẽ tiếp tục nguyên cứu mở rộng các ảnh hưởng khác và nguyên cứu chính xác hơn nữa để việc sử dụng vận hành đảm bảo được tốt hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Giáo trình Lý thuyết ơ tơ tác giả MSc.Đặng Quý, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2012
2. https://banotore.com/xe-thaco-mobihome-tb120sl-tphcm/xe-thaco-mobihome-hb120ssl- 410ps-phien-ban-moi-hyundai-d6cb-ho-tro-dkdk-ngay-aid1337457