ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG CỦA Ô TÔ

b. Xe đậu trên dốc hướng xuống(hình 4.3)

5.1.ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG CỦA Ô TÔ

5.1.1. Động học quay vòng của ô tô

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 không tính đến độ biến dạng ngang của lốp, thì khi quay vòng véc tơ vận tốc chuyển động của các bánh xe sẽ trùng với mặt phẳng quay (mặt phẳng đối xứng) của bánh xe.

Trên hình 5.1 mô tả động học quay vòng của ô tô 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 vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm quay vòng O. Bởi vậy góc  sẽ là đại diện cho góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước. Mặt khác AC và BD song song với trục dọc của ô tô.

66

Hình 5.1: Sơ đồ động học quay vòng của xe Fortuner khi bỏ qua biến dạng ngang. Khi xe quay vòng, để các bánh xe không bị trượt lết hoặc trượt quay thì đường vuông góc với các véctơ vận tốc chuyển động của các bánh xe phải gặp nhau tại một điểm, đó là tâm quay vòng tức thời của xe (điểm O).

Theo sơ đồ trên, ta chứng minh được biểu thức về mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng để đảm bảo cho chúng không bị trượt khi xe quay vòng :

cotgα1 – cotgα2 = (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 1 và 2:1 = f(2) khi xe quay vòng không có trượt ở các bánh xe (hình 5.2).

67 Như vậy, theo lý thuyết để đảm bảo cho các bánh xe dẫn hướng lăn không trượt khi quay vòng thì mối quan hệ giữa các góc quay vòng 1 và 2 phải luôn luôn thỏa mãn biểu thức (5.1).

Hình 5.2: Đồ thị lý thuyết và thực tế về mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng.

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 không đảm bảo được mối quan hệ chính xác giữa các góc quay vòng 1 và 2 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 1

và 2, trên hình 5.2 ta dựng thêm đường cong biểu thị mối quan hệ thực tế giữa các góc

1 và 2: 1 = ft(2). Độ sai lệch giữa các góc quay vòng thực tế và lý thuyết cho phép lớn nhất không được vượt quá 1,50.

68

Hình 5.3: Sơ đồ động học quay vòng của Fortuner có hai bánh dẫn hướng phía trước. Trong phần này chúng ta sẽ đi xác định các thông số động học của ô tô khi quay vòng theo sơ đồ ở hình 5.3. Ở sơ đồ này, ý nghĩa của các ký hiệu như sau:

R – Bán kính quay vòng của xe.

 – Góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng. T – Trọng tâm của xe.

v – Vận tốc chuyển động của tâm cầu sau.

 – Bán kính quay vòng của trọng tâm T.

69

 – Gia tốc góc của xe khi quay vòng quanh điểm O.

 – 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 vòng R của xe. Bán kính quay vòng là khoảng cách từ tâm quay vòng đến trục dọc của xe:

R =

α (5.2)

Với Rmin = 5,9 (m) là bán kính quay vòng tối thiểu của xe (cho trước ở thông số kỹ thuật)

tgα = = ,

, = 0,446

 α = 24059’

Vận tốc góc của xe khi quay vòng  được tính: ω = = . tgα =

, . tg(24059’) (5.3)

 ω = 0,85 (rad/s)

Gia tốc góc của xe khi quay vòng  được xác định:

 = = +

. (5.4)

Từ sơ đồ hình 5.3, ta có:

cosα =

70 cosα = ,

, , = 0,906

 α = 24059’

Thay các giá trị (5.5) và (5.2) vào (5.4), ta có:

 = + .( )

. (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 = ω2.ρ ; jt = ε.ρ (5.7)

Chiếu jh và jt lên trục dọc và trục ngang của xe, sau đó tổng hợp các vectơ gia tốc thành phần lại, ta có :

jx = jt.cosβ – jh.sinβ = ε.ρ.cosβ – ω2.ρ.sinβ (5.8) jy = jt.sinβ + jh.cosβ = ε.ρ.sinβ + ω2.ρ.cosβ (5.9) Mặt khác theo hình 5.3 ta lại có:

ρ.cosβ = R ; ρ.sinβ = b (5.10)

Thay (5.3), (5.6) và (5.10) vào (5.8) và (5.9) ta nhận được: jx = + .( )

. – v2.b

R2 (5.11)

jy = + .( )

. + (5.12)

Trong trường hợp ô tô chuyển động đều = 0 theo một quỹ đạo đường tròn thì góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sẽ không đổi α = const = 0 .

Xét trường hợp xe chạy với vận tốc v = 5 (m/s) và bán kính quay vòng Rmin = 5,9 (m), nên ta có:

71 jx = – . = – 52.1,381

5,92 = – 0,99 (m/s2)

jy = =

, = 4,24 (m/s2)

Ô tô 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/h) jx(m/s2) jy(m/s2) 5 -0,08 0,33 10 -0,3 1,31 15 -0,69 2,94 20 -1,22 5,23 25 -1,91 8,17 30 -2,76 11,77 35 -3,75 16,02

5.1.2. Động lực học quay vòng của xe Fortuner

Ở phần này ta nghiêng cứu động học quay vòng của ô tô chưa kể đến ảnh hưởng độ đàn hồi ngang của lốp. Trong thực tế sử dụng, độ đàn hồi ngang của lốp ảnh hưởng đến tính năng quay vòng và độ an toàn chuyển động của ô tô.

Chúng ta sẽ xét động lực học quay vòng của ô tô khi bỏ qua biến dạng ngang của các bánh xe theo sơ đồ ở hình 5.4.

72 Trước hết xét trường hợp tổng quát: Xe có hai cầu chủ động, quay vòng trên đường có độ dốc (α ≠ 0) và vận tốc không phải hằng số (j ≠ 0).

Hình 5.4: Sơ đồ động lực học quay vòng của xe Fortuner 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. Ffi – Các lực cản lăn.

Fi – Lực cản lên dốc.

Fω – Lực cản của không khí. Fj – Lực cản quán tính.

73 Jzε – Mômen quán tính tác dụng lên xe xung quanh trục đứng Tz.

Để xe quay vòng ổn định và xe không bị trượt khỏi quỹ đạo cong của đường thì điều kiện cần và đủ là: 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 không. Tức là:

Phương trình cân bằng lực theo chiều trục Tx:

∑ X = 0 (5.13)

Phương trình cân bằng lực theo chiều trục Ty:

∑ Y = 0 (5.14)

Phương trình cân bằng mômen xung quanh trục thẳng đứng Tz:

∑ M = 0 (5.15)

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 (5.13); (5.14); và (5.15).

Khi xe quay vòng, lực quán 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 = F + F (5.16) Fjlx = m.jx = G g dv dt +v.(L2+R2) L.R dα dt − v2.b R2 (5.17) Fjly = m.jy = . + .( ) . b + v (5.18)

Trong trường hợp ô tô chuyển động đều = 0 theo một quỹ đạo đường tròn thì góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sẽ không đổi α = const α = 0 .

Xét trường hợp xe chạy với vận tốc v = 5 (m/s) và bán kính quay vòng Rmin = 5.9 (m), nên ta có:

74 Fjlx = – G.b.v2 g.Rmin2 = – 22500.1,381.5 2 10.5,92 = – 2231 (N) Fjly = . . = . . , = 9533 (N)  Fjl = (– 2231) + (9533) = 9790 (N)

Ô tô 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 vân tốc quay vòng giới hạn khác nhau.

v (km/h) Fjlx (N) Fjly(N) Fjl(N) 5 -172 735 754 10 -688 2942 3021 15 -1549 6620 6798 20 -2755 11770 11987 25 -4304 18391 18887 30 -6198 26483 27198 35 -8437 36046 37020

5.2.KHẢO SÁT XE QUAY VÒNG TRÊN CÁC LOẠI ĐƯỜNG KHÁC NHAU - Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu trước theo phương ngang:

Theo như hình 5.4:

75 Vì góc α1 và α2 khi quay vòng khá nhỏ nên α1 = α2≈ 0

 cos(α1) = cos(α2) = 1. Fjly1 = Y’b1 + Y’’b1= φy.Z1

Ta có Z1 = G1 = 11300 (N)

Trong đó : φy – Hệ số bám ngang ( chọn 0,9)

G1 – Trọng lượng phân bố của xe lên cầu trước (N) g – Gia tốc trọng trường (g = 10 m/s2)

Nên =>Fjly1 = 0,9.11300 = 10170 (N)

- Lực quán tính ly tâm tác dụng lên cầu sau theo phương ngang: Fjly2 = Y’b2 + Y”b2 = φy.Z2

Ta có Z2 = G2 = 11200 (N)

Trong đó : G2 – Trọng lượng phân bố của xe lên cầu sau (N) Nên =>Fjly2 = 0,9.11200 = 10080 (N)

Để xe quay vòng không bị trượt ngang thì cần thỏa mãn điều kiện: Fjly< Y’b1 + Y”b1 + Y’b2 + Y”b2 = φy.Z

Ta có : Z = G = m.g = 10.2250 = 22500 (N)

Nên =>Fjly =Fjly1 + Fjly2 = 0,9.22500 = 20250 (N) Từ hình 5.4 ta có : tgβ = = 1,3815,9 = 0,234 => β = 13o10’ cosβ = jly jl F F => Fjl = Fjl 22500 cosβ  cos13 10 'o = 23107,8 (N) Gia tốc trọng tâm T của xe hướng theo chiều trục ngang :

jy = Fjly 20250

m  2250 = 9 (m/s

76 Theo hình 5.4 ta có: sinβ = jlx jl F F => Fjlx = sinβ.Fjl = sin(13010’).23107,8 = 5265 (N) Gia tốc trọng tâm T của xe hướng theo chiều trục dọc:

jx = Fjlx =5265

m 2250= 2,34 ( m/s

2 )

Vận tốc cực đại vmax của xe khi đi vào đường vòng trên đường nhựa bê tông khô: Ta đã có: φy = 0,8 Fjly = 2 max min G.v g.R => vmax = jly min F .g.R G vmax = 20250.10.5,9 22500 = 7,29 (m/s)

Vậy vận tốc cực đại của xe khi đi quay vòng trên đường nhựa bê tông khô : vmax = 7,29 (m/s) = 26,23 (km/h)

Trong thực tế xe chuyển động trên nhiều loại đường khác nhau. Chúng ta tính toán tương tự như trên và lập được bảng 5.3 bên dưới.

Bảng 5.3:Vận tốc cực đại cho phép khi quay vòng trên các loại đường khác nhau.

Loại đường Hệ số bám φy Vận tốc cực đại cho phép (km/h)

Bê tông khô 0,8 26,2

Bê tông ướt 0,4 17,5

Nhựa khô 0,7 23,15

Nhựa ướt 0,45 18,54

77

Đất ướt 0,3 15,16

Nhận xét:

- 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 ô tô. 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 vòng của xe.

- Trong hai thành phần của Fjl thì thành phần lực ngang Fjly là lực chủ yếu làm cho xe chuyển động không ổn định, là nguyên 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 ô tô quay vòng.

78 CHƯƠNG 6

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 6.1. KẾT LUẬN

Qua nhiều tuần tìm hiểu, tính toán và làm việc cùng với sự chỉ dẫn tận tình, chu đáo của thầy GVC.MSc.Đặng Quý, chúng em đã tìm hiểu được các tính năng động học, động lực học của ô tô TOYOTA FORTUNER 2.5G, và biết được các đặc tính cũng như thông số kỹ thuật làm cơ sở cho việc sử dụng có hiểu quả vào quá trình tính toán, khảo sát sự chuyển động của ô tô trên các loại đường và điều kiện chuyển động khác nhau.

Chúng em đã xây dựng được cơ sở lý thuyết cơ bản về các tính năng của ô tô như: đặc tính động lực học, lực kéo, công suất kéo, các lực cản và công suất của chúng. Xây dựng đồ thị đường đặc tính ngoài, đồ thị cân bằng lực kéo, cần bằng công suất, đặc tính động lực học của xe TOYOTA FORTUNER 2.5G. Từ đó xác định vận tốc cực đại, momen cực đại, công suất cực đại của xe có phù hợp với vận tốc, momen, công suất mà nhà sản xuất đưa ra hay không. Đánh giá tính năng leo dốc và khả năng lựa tay số sao cho phù hợp, từ đó đưa ra chế độ sử dụng hợp lý nhất cho ô tô.

Qua đó cũng xác định được góc dốc giới hạn, vận tốc giới hạn mà tại đó ô tô bị lật đổ hay bị trượt trong điều kiện chuyển động khác nhau. Từ đó đánh giá được tính ổn định của ô tô là phù hợp với điều kiện đường ở Việt Nam (thông qua hệ số bám). Đảm bảo ô tô chạy tốt trên các loại đường ở Việt Nam (đường dốc hay bằng phẳng) khi ô tô chuyển động thẳng, đứng yên hoặc quay vòng theo điều kiện lật đổ hay trượt ngang.

Xác định được động học và động lực học quay vòng của ô tô để đánh giá được rằng sự quay vòng đó của ô tô là ổn định.

6.2. ĐỀ NGHỊ

Do việc nghiên cứu tính chất động học và động lực học xe TOYOTA FORTUNER 2.5G của chúng em chỉ là trên phương diện lý thuyết. Vì vậy cần phải được kiểm nghiệm bằng phương pháp thực nghiệm.

Do kiến thức và thời gian của chúng em còn hạn chế nên chưa đi sâu vào các vấn đề bên trong, chỉ giải quyết được một số vấn đề đơn giản. Vì vậy, nếu có thời gian và cơ

79 hội được các thầy cô giúp đỡ, chúng em sẽ tiếp tục nghiên cứu mở rộng sang các ảnh hưởng khác như: hoàn thiện tính năng động lực học, chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, nghiên cứu chính xác hơn để việc sử dụng và vận hành được đảm bảo tốt hơn, an toàn hơn,… và nếu có thể thì chúng em sẽ mở rộng sang nghiên cứu tính năng động lực học của xe FORTUNER sử dụng hộp số tự động như xe TOYOTA FORTUNER 2.7V

80 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Giáo trình Ô tô 1 tác giả GVC.MSc.Đặng Quý, Trường đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. [2].http://motoring.vn/mua-ban-oto/xe-the-thao-da-dung-suv- suv/6581/3/toyota-fortuner-25g-mt-4x2-2012.html [3].https://khavaq.wordpress.com/2011/11/14/tinh-toan-d%E1%BB%99ng- l%E1%BB%B1c-h%E1%BB%8Dc-keo-o-to/ [4].http://luanvan.co/luan-van/de-tai-xay-dung-duong-dac-tinh-toc-do-ngoai- cua-dong-co-61727/