3.4. Đặc tính động lực học của xe
3.4.4. Xác định độ dốc lớn nhất mà xe vượt qua được
Khi xác định độ dốc lớn nhất mà xe có thể vượt qua được chúng ta khơng quan tâm đến khả năng bám của bánh xe với mặt đường, bởi vậy đây chỉ là lý thuyết lớn nhất có được ứng với lực kéo Fkmax hoặc lực kéo riêng Fkrmax.
35
Để xác định được dộ dốc lớn nhất trong trường hợp xe chạy chuyển động đều (j=0) thì có D = Ψ, nếu biết hệ số cản lăn của loại đường thì ta có thể tìm được độ dốc lớn nhất của đường mà xe có thể khắc phục được ở một vận tốc cho trước. Ta có:
i = D – f = Ψ – f
Độ dốc lớn nhất mà ơ tơ có thể khắc phục được ở mỗi tỉ số truyền khác nhau của hộp số, khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải được xác định bằng các đoạn tung độ Dmax – f, nên:
imax = Dmax - f
Chọn f = f0 = 0,012
Bảng 3.11: Độ dốc lớn nhất mà xe vượt qua được ở mỗi tay số.
Tay số Dmax imax Góc dốc (o)
1 0,403 0,391 21o21’ 2 0,231 0,219 12o21’ 3 0,136 0,124 7o4’ 4 0,084 0,072 4o7’ 5 0,059 0,047 2o41’ 6 0,045 0,033 1o53’ 3.4.5. Xác định sự tăng tốc của xe
Nhờ đồ thị đặc tính động lực học D= f(v) ta có thể xác định được sự tăng tốc của xe khi hệ số cản của mặt đường đã biết và khi chuyển động ở một số truyền bất kì với một vận tốc cho trước.
D = Ψ + δi
36
Từ đó ta rút ra được:
j = dv
dt = (D − Ψ). g
δi
Trong đó: δ – hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng quay của từng tỷ số truyền (δ = 1,05 + 0,05.ih2)
Ψ – Hệ số cản tổng cộng của mặt đường.
Ψ = f ± i ( i là độ dốc của đường).
Xét trong trường hợp xe chuyển động trên đường bằng thì i = 0 khi đóΨ = f = 0,012 . Thay thế lần lượt ih vào cơng thức phía trên ta được giá trị δ.
ih i1 i2 i3 i4 i5 i6
6,32 3,62 2,15 1,37 1 0,811
δ 3,047 1,705 1,281 1,144 1,100 1,083
Bảng 3.12: Bảng giá trị gia tốc j theo D và δ của từng tay số.
j1 j2j3j4j5j6 1,154 1,150 0,869 0,577 0,400 0,299 1,192 1,189 0,899 0,597 0,412 0,305 1,224 1,221 0,924 0,612 0,420 0,308 1,249 1,247 0,943 0,623 0,425 0,307 1,267 1,265 0,957 0,630 0,426 0,302 1,279 1,277 0,965 0,633 0,423 0,294 1,285 1,283 0,968 0,632 0,417 0,283 1,284 1,281 0,965 0,626 0,407 0,268
37 1,276 1,273 0,957 0,617 0,393 0,249 1,262 1,258 0,944 0,603 0,376 0,227 1,241 1,236 0,925 0,585 0,355 0,201 1,214 1,208 0,901 0,563 0,331 0,172 1,180 1,173 0,871 0,537 0,302 0,139 1,140 1,131 0,836 0,506 0,271 0,103
Từ bảng số liệu trên ta vẽ được đồ thịbiểu diễn gia tốc:
38
CHƯƠNG 4:
TÍNH TỐN KIỂM TRA ĐỘ ỔN ĐỊNH XE GIƯỜNG NẰM
4.1. Khái niệm chung về tính ổn định
Tính ổn định của xe là khả năng đảm bảo cho xe luôn giữ được quỹ đạo chuyển động cần thiết trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau. Tính ổn định của xe phụ thuộc vào sự phân bố tải trọng lên các cầu và khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường. Tùy theo điều kiện sử dụng, xe có thể đứng yên, chuyển động trên đường dốc (đường có góc nghiêng dọc hoặc nghiêng ngang) có thể phanh hoặc quay vịng trên các loại đường khác nhau (đường. tốt, đường xấu…).
Trong những điều kiện phức tạp đó, xe phải giữ được quỹ đạo chuyển động để không bị trượt, nghiêng hoặc lật đổ, đảm bảo an toàn cho người điều khiển xe trong mọi điều kiện làm việc.
Và trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu tính ổn định của xe để đảm bảo khả năng không bị lật đổ hoặc bị trượt trong các điều kiện làm việc khác nhau.
4.2. Tính ổn định dọc của xe giường nằm
4.2.1.Xác định tọa độ trọng tâm của xe giường nằm
Tọa độ trọng tâm xe là thông số quan trọng ảnh hưởng tới khả năng ổn định của xe. Vì vậy cần xác định vị trí trọng tâm xe theo chiều dọc và chiều cao cả khi không tải và đầy tải. Theo chiều ngang ta coi xe đối xứng dọc và trọng tâm xe nằm trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe.
Chiều cao trọng tâm xe được xác định trên cơ sở cân bằng chiều cao khối tâm các thành phần trọng lượng. Bảng giá trị trọng lượng và chiều cao trọng tâm của các bộ phận trên xe được xác định theo bảng 4.1:
39
Bảng 4.1: Bảng giá trị trọng lượng và chiều cao trọng tâm của các bộ phận trên xe.
Hình 4.1: Sơ đồ tính tốn tọa độ trọng tâm của xe.
- Khi xe không tải:
+ Tọa độ trọng tâm theo chiều dọc.
Ta có phương trình cân bằng mơmen đối với cầu trước: Z2.L – Gkt.a1 = 0
a1 = Z2.L
Gkt =
103968.6,150
136800 = 4,674 (m)
Trong đó:G2 - Phân bố trọng lượng lên trục sau: Z2 = G2 = 103968 (N).
Tên gọi Gi hi
Trọng lượng động cơ 12170 0,75
Trọng lượng khung sườn 58000 1,3
Trọng lượng vỏ, sàn xe, kính an tồn 49720 1,4 Trọng lượng hệ thống điều hoà 5990 3,5 Trọng lượng giường nằm và ghế ngồi 10920 1,65
Trọng lượng hành lý 2200 0,65
Trọng lượng hành khách tầng dưới 14300 1,35 Trọng lượng hành khách tầng trên 11700 2,2
40
Gkt - Trọng lượng không tải của xe thiết kế. Gkt = 136800 (N). L - Chiều dài cơ sở. L = 6,150 (m).
Mặt khác ta có: a1 + b1 = L
b1 = L – a1 = 6,150 – 4,674 = 1,476 (m) + Tọa độ trọng tâm theo chiều cao.
Chiều cao trọng tâm xe được xác định trên cơ sở cân bằng chiều cao khối tâm các thành phần trọng lượng. Ta có: hg = ∑𝐺𝑖.ℎ𝑖 Gkt = G1.h1 + G2.h2 + G3.h3 + G4.h4 + G5.h5 Gkt = 12170.0,75 + 58000.1,3 + 49720.1,4 + 5990.3,5 + 10920.1,65 136800 = 1,4 (m)
Trong đó:hg, G1 – Chiều cao trọng tâm và trọng lượng không tải của xe. h1, G1 – Chiều cao trọng tâm và trọng lượng động cơ.
h2, G2 – Chiều cao trọng tâm và trọng lượng khung sườn.
h3, G3 – Chiều cao trọng tâm và trọng lượng vỏ, sàn xe, kính an tồn. h4, G4 – Chiều cao trọng tâm và trọng lượng hệ thống điều hoà.
h5, G5 – Chiều cao trọng tâm và trọng lượng giường nằm và ghế ngồi. - Khi xe đầy tải:
+ Tọa độ trọng tâm theo chiều dọc.
Ta có phương trình cân bằng mơmen đối với cầu trước: G02.L – Gtb.a2 = 0
a2 = G02.L
𝐺𝑡𝑏 =
115500.6,150
41
Trong đó: G02 - Phân bố trọng lượng lên trục sau: G02 = 115500 (N). Gtb - Trọng lượng toàn bộ của xe thiết kế: Gtb = 165000 (N). L - Chiều dài cơ sở. L = 6,150 (m).
Mặt khác ta có: a2 + b2 = L
b2 = L – a2 = 6,150 – 4,305 = 1,845 (m) + Tọa độ trọng tâm theo chiều cao.
hg = ∑Gi.hi Gtb = G1.h1 + G2.h2 + G3.h3 + G4.h4 + G5.h5 + G6.h6 + G7.h7 + G8.h8 Gtb = 12170.0,75+58000.1,3+49720.1,4+5990.3,5+10920.1,65+2200.0,65+14300.1,35+11700.2,2 165000 = 1,45 (m)
Trong đó: h6, G6 – Chiều cao trọng tâm và trọng lượng hành lý.
h7, G7 – Chiều cao trọng tâm và trọng lượng hành khách tầng dưới. h8, G8 – Chiều cao trọng tâm và trọng lượng hành khách tầng trên.
XE GIƯỜNG NẰM 40 CHỖ THÔNG SỐ
a (m) b (m) hg (m)
Ô TÔ THIẾT KẾ
Khi không tải 4,674 1,476 1,4 Khi có tải 4,305 1,845 1,45
4.2.2. Tính ổn định dọc tĩnh
Tính ổn định dọc tĩnh của xe là khả năng đảm bảo cho xe không bị lật đổ hoặc bị trượt khi đứng yên trên đường dốc dọc.
42
4.2.2.1. Xét tính ổn định của xe giường nằm theo điều kiện lật đổ
a.Xe đậu trên dốc hướng lên
Hình 4.2: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên xe khi đứng yên quay đầu lên dốc.
Xe có xu hướng lật quanh trục nằm trong mặt phẳng của đường và đi qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe cầu sau với mặt đường (điểm O2) theo phương dọc.
Trạng thái giới hạn lật đổ: Khi góc α tăng dần đến góc αt (góc giới hạn mà xe bị lật khi đứng quay đầu lên dốc), các bánh xe cầu trước nhấc khỏi mặt đường: Z1 = 0.
Ta lập phương trình mơmen đối với điểm O2:
∑MiO 2 = G.hg.sinαt - G.b.cosαt = 0 (4.1) tgαt = b hg = 1,845 1,45 = 1,27 αt = 51⁰46′
43
b.Xe đậu trên dốc hướng xuống
Hình 4.3: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên xe khi đứng yên quay đầu xuống dốc.
Tương tự khi xe quay đầu xuống dốc, xe có xu hướng lật quanh trục nằm trong mặt phẳng của đường và đi qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe cầu trước với mặt đường (điểm O1), khi góc α tăng dần đến góc α’t (góc giới hạn mà xe bị lật khi đứng quay đầu xuống dốc), các bánh xe cầu sau nhấc khỏi mặt đường: Z2 = 0, lấy mômen đối với điểm O1 ta có:
∑MiO1 = G.hg.sinα’t - G.a.cosα’t = 0 (4.2)
tgα’ t = ha
g = 4,305
1,45 = 2,97
α’t= 71⁰23′
44
4.2.2.2. Xét tính ổn định của xe giường nằm theo điều kiện trượt
Sự mất ổn định dọc tĩnh của xe khơng chỉ do sự lật đổ dọc mà cịn do trượt trên dốc do lực bám không tốt giữa các bánh xe và mặt đường.
Khi lực phanh đạt tới giới hạn bám, xe có thể bị trượt xuống dốc.
Đối với xe này thì phanh tay sử dụng chung cơ cấu phanh với phanh chân, lúc đó tất cả các bánh xe đều được phanh. Nên góc dốc khi xe bị trượt được xác định như sau:
Fpmax = φ.G.cosα (4.3)
Trong đó: Fpmax – Lực phanh lớn nhất đặt ở các bánh xe. φ – Hệ số bám dọc của bánh xe với đường. (Chọn φ = 0,8 đối với đường bê tông, đường nhựa) Tương tự ta có điều kiện để xe trên dốc bị trượt như sau:
tgαtφ = tgα’tφ = φ =0,8 (4.4)
αtφ = α’tφ = 38⁰39′
Để đảm bảo an tồn khi xe đứng n trên dốc thì hiện tượng trượt phải xảy ra trước khi lật đổ, được xác định bằng biểu thức:
tgαtφ < tgαt αtφ < αt 38⁰39′ < 51⁰46′
Xe đứng yên trên dốc bị trượt trước khi xảy ra hiện tượng lật đổ. Như vậy, có thể kết luận rằng xe vẫn an toàn khi đứng yên trên dốc.
Nhận xét: Góc giới hạn khi xe đứng trên dốc bị trượt hoặc bị lật đổ chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe và chất lượng mặt đường.
4.2.3. Tính ổn định dọc động
Khi xe chuyển động trên đường dốc có thể bị mất ổn định (lật đổ hoặc trượt) dưới tác dụng của các lực và mômen hoặc bị lật đổ khi xe chuyển động ở tốc độ cao trên đường bằng.
45
4.2.3.1. Trường hợp tổng quát
Khi tăng góc dốc α đến giá trị giới hạn, xe sẽ lật đổ ứng với Z1= 0, các bánh xe trước bị nhấc khỏi mặt đường ta xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ khi chuyển động lên dốc hoặc xuống dốc.
Ta có góc dốc giới hạn khi xe bị lật đổ là:
tgαđ = b − f.rb
hg -Fω
G (4.5)
Xét trường hợp leo dốc với vận tốc v = 36(km/h) = 10(m/s) tgαđ = 1,845 − 0,012.0,56
1,45 - 372.3
165000 = 1,27
αđ = 51⁰46′
4.2.3.2. Trường hợp xe chuyển động lên dốc với vận tốc nhỏ chuyển động ổn định
Ở trường hợp này, ta có: Fj = 0, Ff = 0 , Fꞷ = 0. Vì α nhỏ có thể coi cosα ≈ 1.
a. Xét ổn định theo điều kiện lật đổ:
Xe có xu hướng lật đổ quanh trục qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe ở cầu sau với mặt đường.
Làm tương tự như ở trường hợp ổn định dọc tĩnh ta xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ khi xe chuyển động lên dốc:
tgαđ = b
hg = 1,845
1,45 = 1,27 (4.6)
αđ = 51⁰46′
Khi xe chuyển động xuống dốc ta cũng xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ là:
tgα’đ = ha
g = 4,305
1,45 = 2.97 (4.7)
46
b. Xét ổn định theo điều kiện trượt:
Khi lực kéo chủ động đạt tới giới hạn bám, xe bắt đầu trượt(xét trường hợp chỉ có cầu sau chủ động):
Fkmax = Fφ = Z2.φ = G.sinα (4.8)
Mặt khác ta có:
Fφ = φ.Z2 = (a.cosαφđ + hg.sin αφđ) (4.9) Từ (4.8) và (4.9): Ta xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị trượt:
tgαφđ = φ.a
L−φ.hg = 0,8.4,305
6,150−0,8.1,45 = 0,69 (4.10)
αφđ = 34⁰36′
Fkmax – Lực kéo tiếp tuyến lớn nhất ở bánh xe chủ động. Fφ – Lực bám của bánh xe chủ động.
φ – Hệ số bám dọc của bánh xe với mặt đường. Điều kiện để đảm bảo cho xe trượt trước khi bị lật đổ là: tgαφđ < tgαđ αφđ < αđ 34⁰36′ < 51⁰46′
Như vậy, xe này đảm bảo được điều kiện an toàn là trượt xảy ra trước khi lật đổ.
4.2.3.3. Trường hợp xe chuyển động ổn định với vận tốc cao trên đường nằm ngang
Trong trường hợp này, ta có: Fj = 0, α = 0, bỏ qua ảnh hưởng của lực cản lăn. Sơ đồ mơmen và lực tác dụng lên xe như hình 4.4
Khi đó, xe có khả năng bị lật do lực cản khơng khí gây ra nếu chuyển động với tốc độ rất lớn. Lực cản khơng khí tăng tới giá trị giới hạn, xe sẽ bị lật quanh điểm O2 (O2 là giao điểm của mặt phẳng qua trục bánh xe sau với đường), lúc đó phản lực Z1 = 0.
47
Hình 4.4: Sơ đồ lực và mơmen tác dụng lên xe khi chuyển động trên đường nằm ngang.
Để xác định vận tốc giới hạn mà xe bị lật đổ, ta sử dụng công thức:
Z1 = G.(b − f.rb) − Fꞷ.hg
L (4.11)
Ta coi Mf ≈ 0 vì trị số của nó rất nhỏ so với Fꞷ , thay giá trị Fꞷ = W.v02rút gọn ta được vận tốc nguy hiểm mà xe bị lật đổ: vn = √W.hG.b g (4.12) Trong đó: vn – Vận tốc giới hạn mà xe bị lật đổ (m/s). W – Nhân tố cản khơng khí: W = 0,625.Cx.S (Ns2/m2) . Cx– hệ số cản khơng khí (Ns2/m4) . S – diện tích cản khơng khí (m2). Để thuận tiện ta đổi sang đơn vị km/h:
vn = 3,6√W.hG.b
g = 3,6√165000.1,845
3,723.1,45 = 854,89 (km/h)
48
- Sự mất ổn định của xe phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe, nhân tố cản khơng khí, hệ số bám của xe với mặt đường…
- Đối với những xe thường chuyển động với vận tốc cao hoặc thường hoạt động trên những địa hình phức tạp nên hạ thấp trọng tâm để tăng tính ổn định cho xe.
4.3. Tính ổn định ngang của xe giường nằm
4.3.1. Tính ổn định ngang của xe khi chuyển động thẳng trên đường nghiêng ngang ngang
4.3.1.1.Xét ổn định theo điều kiện lật đổ
Hình 4.5: Sơ đồ lực và mơmen tác dụng lên xe khi chuyển động thẳng trên đường nghiêng ngang.
49
Y’, Y” – Các phản lực ngang tác dụng lên các bánh xe bên phải và bên trái. β – Góc nghiêng ngang của đường.
Z’, Z” – Các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên các bánh xe bên phải và bên trái. Mjn – Mơmen của các lực qn tính tiếp tuyến tác dụng trong mặt phẳng ngang. khi xe chuyển động khơng ổn định.
Xe có xu hướng lật đổ quanh trục nằm trong mặt phẳng của đường và đi qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe bên trái với mặt đường (điểm B) như hình 4.5.
Lấy mơmen đối với điểm B và rút gọn ta được:
Z’ = G.
c
2.cosβ − G.hg.sinβ + Mjn
c (4.13)
Khi góc β tăng tới giá trị giới hạn βđ, xe bị lật quanh trục đi qua B. Lúc đó Z’= 0. Thơng thường, giá trị Mjn nhỏ nên có thể coi Mjn ≈ 0.
Ta xác định được góc giới hạn lật đổ khi xe chuyển động trên đường nghiêng ngang là:
tgβđ = 2hc
g = 2,050
2.1,45 = 0,71 (4.14)
βđ = 35⁰22′
β đ – Góc nghiêng ngang giới hạn của đường mà xe bị lật đổ.
4.3.1.2. Xét ổn định theo điều kiện trượt
Khi chất lượng bám của bánh xe với đường kém, xe có xu hướng trượt khi chuyển động trên đường nghiêng ngang.
Để xác định góc giới hạn khi xe bị trượt, ta lập phương trình hình chiếu các lực lên mặt phẳng song song với mặt đường: