TÍNH ỔN ĐỊNH DỌC CỦA Ô TÔ

4.2.1. Tính ổn định dọc tĩnh

Tính ổn định dọc tĩnh của ô tô là khả năng đảm bảo cho xe không bị lật đổ hoặc bị trượt khi đang đứng yên trên đường dốc dọc.

Trước tiên, chúng ta cần xét xe trong trường hợp xe đứng yên trên đường nằm ngang, không kéo theo romooc. (nhằm xác định khoảng cách từ tọa độ trọng tâm đến trục của cầu trước và trục của cầu sau, kí hiệu là a và b)

44

Hình 4.1: Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi đứng yên.

Trong trường hợp này chỉ còn ba lực tác dụng lên xe: Trọng lượng toàn bộ của xe G và các phản lực thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và cầu sau ở trạng thái tĩnh Z1t và Z2t.

Xác định hai phản lực thẳng đứng Z1t và Z2t bằng cách lấy momen tại các điểm O1

và O2, Ta có:

 Momen tại điểm O1:

ΣMiO1 = 0  G.a – Z2t.L = 0 (4.1) Với L = 2,75(m) là chiểu dài cơ sở của ô tô được cho trước ở mục 1.5. Z1t = 11300 (N), Z2t = 11200 (N) được cho trước ở mục 1.5.

Và G = m.g = 2250.10 = 22500 (N)

 a = .

= 11200.2,7522500 = 1,369(m)

Vậy khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến đường tâm trục bánh xe trước là: a = 1,369 (m)

45 ΣMiO2 = 0  G.b – Z1t.L = 0 (4.2)

b = .

= . , = 1,381(m)

Vậy khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến đường tâm trục bánh xe sau là: b = 1,381 (m)

4.2.1.1. Xét tính ổn định của ô tô theo điều kiện lật đổ

a. Xe đậu trên dốc hướng lên (hình 4.2)

Hình 4.2: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ô tô khi đứng yên quay đầu lên dốc. Xu hướng lật đổ: Xe có xu hướng lật quanh trục nằm trọng 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

46

ΣMiO2 = 0 (4.3)

ΣMiO2 = G.hg.sinαt – G.b.cosαt = 0 tgαt =  tgαt = ,

, = 1,748

αt = 60o13’

Trong đó: αt – là góc giới hạn mà xe bị lật đổ khi đứng yên quay đầu lên dốc. hg –là tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao.

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

Hình 4.3: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ô tô khi đứng yên quay đầu xuống dốc. Tương tự khi xe quay đầu xuống dốc, thì 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 momen đối với điểm O1 ta có:

47 ΣMiO1 = G.hg.sinα’t – G.a.cosα’t = 0 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

 tgα’t =  tgα’t = ,

, = 1,733

α’t = 60o

Trong đó: α’t – là góc giới hạn mà xe bị lật đổ khi đứng yên quay đầu xuống dốc

Chú ý: Không xét đến momen cản lăn nhằm tăng tính ổn định của ô tô.

Nhận xét: Qua các biểu thức tính toán trên, ta có thể thấy góc giới hạn lật đổ tĩnh chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe.

4.2.1.2. Xét tính ổn định của ô tô theo điều kiện trượt

Sự mất ổn định dọc tĩnh của ô tô không chỉ lo sợ lật đổ dọc mà còn do trượt trên dốc do lực bám không tốt giữa các bánh xe và mặt đường .

Vì xe Fortuner sử dụng phanh tay là phanh hệ thống truyền lực và cầu sau là cầu chủ động nên khi dùng phanh tay thì chỉ có cầu sau được phanh.

Khi lực phanh lớn nhất đạt giới hạn bám, xe có thể bị trượt xuống dốc, góc dốc của xe bị trượt được xác định như sau:

Fpmax = G.sinα = φ.Z2 (4.5)

Trong đó: Fpmax – Lực phanh lớn nhất đặt ở các bánh xe sau.

φ – Hệ số bám dọc của bánh xe với đường. (φ = 0,8 đối với các

đường bê-tông, đường nhựa)

Z2 – Hợp lực của các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên các bánh xe sau.

Khi α tăng tới góc αtφ (góc dốc giới hạn mà ô tô bắt đầu bị trượt khi đứng quay đầu trên dốc), lúc đó lực phanh đạt tới giới hạn bám.

ΣMiO1 = G.hg.sinαtφ + G.a.cosαtφ – Z2.L= 0

48 Khi ô tô đứng trên dốc quay đầu lên, ta thay giá trị Z2 vào công thức (4.5), ta được:

tgαtφ = .φ

φ. =

, . ,

, , . , = 0,517 (4.7)

Khi ô tô đứng trên dốc quay đầu xuống, làm tương tự ta được: tgα’tφ = .φ

φ. =

, . ,

, , . , = 0,324 (4.8)

Trong đó: αtφ, α’tφ là góc giới hạn bị trượt khi xe đứng yên trên dốc quay đầu lên và xuống.

Để đảm bảo an toàn khi ô tô đứng yên trên dốc thì hiện tượng trượt phải xảy ra trước khi lật đổ, được xác định bằng biểu thức:

tgαtφ < tgαt  αtφ < αt

0,517 < 1,74827o20’< 60o13’ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Xe đứng yên trên dốc bị trượt trước khi hiện tượng lật đổ xảy ra. Như vậy có thể kết luận rằng xe vẫn an toàn khi đứng yên trên dốc.

Nhận xét: Góc giới hạn của ô tô khi đứng trên dốc bị trượt hoặc bị lật đổ chỉ phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe và chất lượng mặt đường.

4.2.2. Tính ổn định dọc động

Khi ô tô 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 ô tô chuyển động ở tốc độ cao trên đường bằng phẳng.

4.2.2.1. Trường hợp tổng quát Ta xét sơ đồ sau: Ta xét sơ đồ sau:

49

Hình 4.4: Sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ô tô khi chuyển động lên dốc.

Lấy mômen lần lượt tại các điểm O1 và O2, rút gọn ta được biểu thức như sau: Z1 = . .( .

) . .

(4.9)

Z2 = . .( . ) . . (4.10)

Ta không xét Fm trong tất cả trường hợp vì xe không kéo theo rơmooc.

Khi tăng góc dốc α đến giá trị giới hạn, xe sẽ lật đổ ứng với Z1 = 0, rút gọn biểu thức (4.9), ta được góc dốc giới hạn khi xe bị lật đổ là:

tg αđ = - Fω

G

4.2.2.2. Trường hợp xe chuyển động lên dốc với vận tốc nhỏ, không kéo romoc và chuyển động ổn định romoc và chuyển động ổn định

50 a.Xét ổn định theo điều kiện lật đổ

Ô tô có xu hướng lật đổ quanh trục qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe ở cầu sau với mặt đường.

Thế các giá trị trên vào công thức (4.9) và làm tương tự như ở trường hợp ổn định dọc tĩnh, ta xác định được góc giới hạn mà xe bị lật đổ khi xe chuyển động lên dốc:

tgαđ = b

hg = 1,381

0,79 =1,74 (4.11)

 αđ = 60013’

Khi xe di chuyển xuống dốc, ta cũng xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị lật đổ là:

tgα’đ = =1,733 (4.12)

 α’đ = 600

b.Xét ổn định theo điều kiện trượt

Khi lực kéo tại các bánh xe chủ động đạt tới giới hạn bám, xe bắt đầu trượt. (xét trường hợp xe có cầu sau chủ động)

Fkmax = Fφ = φ.Z2 = G.sinα (4.13) Mặt khác, ta có:

Fφ = φ.Z2 = φ.(a.cosαφđ + hg.sinαφđ ) (4.14) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Với Z2 được xác định bằng cách lấy mômen đối với điểm O1.

Từ (4.13) và (4.14) ta xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị trượt: tgαφđ = .φ

φ. = 1,369.0,8

2,75−0,8.0,79 = 0,517 (4.15)

αφđ = 27020’

Trong đó: Fkmax – Lực kéo tiếp tuyến lớn nhất ở bánh xe chủ động. Fφ – Lực bám của bánh xe chủ động.

51 Ta có điều kiện để đảm bảo cho ô tô trượt trước khi bị lật đổ là:

tgαφđ < tgαđ  αφđ < αđ

0,517 < 1,74 27020’ < 60013’

4.2.2.3. Trường hợp xe chuyển động ổn định với vận tốc cao trên đường nằm ngang và không kéo theo rơmooc ngang và không kéo theo rơmooc

Trong trường hợp này, ta có: Fj = 0, Fm = 0, α = 0, bỏ qua ảnh hưởng của lực cản lăn.

Ta có sơ đồ momen như Hình 4.5. Khi đó, xe có khả năng bị lật đổ do lực cản không khí gây ra nếu chuyển động với tốc độ rất lớn. Lực cản không khí tăng tới giá trị giới hạn, xe sẽ bị lật quanh điểm O2 (O2 là giao điiểm của mặt phẳng qua trục bánh xe sau với đường), lúc đó phản lực Z1 = 0.

Hình 4.5: Sơ đồ các lực và mômen của ô tô khi chuyển động trên đường nằm ngang. Để xác định giới hạn mà xe bị lật đổ, ta sử dụng công thức sau bằng cách lấy mômen tại điểm O2:

52 Ta coi Mf ≈ 0 vì trị số của nó rất nhỏ so với Fω, thay giá trị Fω = W.v và rút gọn ta được vận tốc nguy hiểm mà xe bị lật đổ:

v = . . (4.17) Trong đó: vn – vận tốc giới hạn mà xe bị lật đổ (m/s) W – Nhân tố cản không khí: W = 0,625.Cx.S (Ns2/m2) Cx – Hệ số cản không khí (Ns2/m4) S – Diện tích cản không khí (m2) Vậy v = 3,6. . . = 3,6. . , , . , = 925,59 (km/h) Nhận xét:

- Sự mất ổn định của xe phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm của xe và nhân tố cản không khí, hệ số bám của xe với mặt đường,…

- Đối với những xe thường chuyển động với vẫn tốc cao hoặc thường chuyển động trên những địa hình phức tạp nên hạ thấp trọng tâm để tăng tính ổn định cho ô tô. Vì thế khi thiết kế các loại xe có vận tốc lớn như xe đua người ta hạn chế sự mất ổn định do không khí bằng cách làm cho phía trước xe có hình dạng đặc biệt và tọa độ trọng tâm xe thấp.

4.3. TÍNH ỔN ĐỊNH NGANG CỦA Ô TÔ KHI CHUYỂN ĐỘNG THẲNG TRÊN ĐƯỜNG NGHIÊNG NGANG ĐƯỜNG NGHIÊNG NGANG

53

Hình 4.6:Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên ô tô khi chuyển động thẳng trên đường nghiêng ngang.

Trong đó:

Y’, Y” – Các phản lực ngang tác dụng lên các bánh xe bên phải và bên trái. β – Góc nghiêng ngang của mặt đường.

Z’, Z” – Các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên các bánh xe bên phải và bên trái.

Mjn – Mômen của các lực quán tính tiếp tuyến tác dụng trong mặt phẳng

ngang khi ô tô chuyển động không ổn định.

Ô tô có xu hướng lật đổ quanh trục nằm ngang trong mặt phẳng của đường và đi qua điểm tiếp xúc của hai bánh xe bến trái với mặt đường (điểm B) như hình (4.6).

54 Z’ =

. . . .

(4.18)

Khi góc β tăng tới giá trị giới hạn βđ, xe bị lật quanh trục đi qua B. Lúc đó Z’ = 0. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Thông thường giá trị Mjn nhỏ nên có thể coi Mjn = 0, xe không kéo theo rơmooc nên Fm = 0.

Ta xác định được góc giơi hạn lật đổ khi xe chuyển động trên đường nghiêng ngang là:

tgβđ =

. = 2.0,791,54 = 0,975 (4.19)

 βđ = 44o16’

βđ – Góc nghiêng ngang giới hạn của đường mà xe bị lật đổ. 4.3.2. Xét ổn định theo điều kiện trượt

Khi chất lượng bám của bánh xe với mặt 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:

G.sinβφ = Y’ + Y” = φy.(Z’+Z”) = φy.G.cosβφ (4.20) Trong đó: βφ – Góc nghiêng ngang giới hạn mà ô tô bị trượt.

φy – Hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường.

Rút gọn biểu thức (4.20) ta có:

tgβφ = φy = 0,9 (4.21)

 βφ = 41o59’

55 tgβφ < tgβđ hay βφ <

. (4.22)

0,9 < 0,975

Khi ô tô đứng yên trên đường nghiêng ngang, ta cũng xác định được góc nghiêng giới hạn mà tại đó xe bị lật đổ hoặc bị trượt.

Ở trường hợp này, ô tô chỉ chịu tác dụng của trọng lượng. Phương trình xác định cũng tương tự như phần trên, ta có ngay góc giới hạn mà xe bị lật đổ:

tgβt =

. = 0,975 (4.23)

βt = 44o15’

Cũng tương tự ta có góc giới hạn mà xe bị trượt là:

tgβtφ = φy = 0,9 (4.24)

 βtφ = 41o59’

Điều kiện để xe trượt trước khi lật đổ là: tgβφ < tgβđ hay φy < c

2.hg (4.25)

56 4.4. TÍNH ỔN ĐỊNH NGANG CỦA Ô TÔ KHI CHUYỂN ĐỘNG QUAY VÒNG

4.4.1. Ổn định chuyển động của ô tô khi quay vòng xét theo điều kiện lật đổ

4.4.1.1. Trường hợp ô tô chuyển động quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài (hướng nghiêng của đường và trục quay vòng của xe ở hai phía của ra ngoài (hướng nghiêng của đường và trục quay vòng của xe ở hai phía của đường)

Hình 4.7: Sơ đồ mômen và lực tác dụng lên ô tô khi quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Trong trường hợp này ô tô chịu tác dụng của các lực sau: lực ly tâm Fl, trọng lượng toàn bộ của ô tô G, xe không kéo theo rơmooc nên ta bỏ qua lực Fm.

Khi góc β tăng dần đồng thời dưới tác dụng của lực ly tâm Fl, xe sẽ bị lật đổ quanh trục đi qua A (trục này là giao tuyến giữa mặt phẳng của đường với mặt phẳng đi qua hai tâm của các bánh xe bên phải và vuông góc với mặt đường), lúc đó vận tốc của ô tô đạt tới giá trị giới hạn và hợp lực Z” = 0.

57 Để xác định trị số phản lực bến trái, ta lập phương trình cần bằng mômen đối với đường thẳng đi qua hai điểm tiếp xúc (hai điểm A trên hình 4.7) của các bánh xe bên phải với mặt đường, ta được:

Z” = Z”1 + Z”2 (4.26)

Z”1, Z”2 – Các phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên bánh xe bên trái ở cầu trước và cầu sau.

= . G. . cosβ − h . sinβ − M – F . h . cosβ + . sinβ (4.27)

Thông thường trị số Mjn nhỏ nên chúng ta có thể bỏ qua. Thay trị số của lực ly tâm Fl = .

. vào công thức trên và rút gọn, ta có:

v =

c

2.cosβ−hg.sinβ .g.R

hg.cosβ+2c.sinβ (4.28)

Lấy căn bậc hai hai vế ta được giá trị của vn: vn = c 2.cosβ−hg.sinβ .g.R hg.cosβ+c2.sinβ (4.29) hay vn = . . . . .

Trong đó: β– Góc nghiêng ngang của đường khi xe quay vòng bị lật đổ. R – Bán kình quay vòng của xe.

v – Vận tốc chuyển động quay vòng (m/s). vn – Vận tốc giới hạn khi xe quay vòng bị lât đổ.

58 Ví dụ, ta lấy góc quay vòng giới hạn là 220 thì:

vn =

. , . . ,,

,

. , . = 4,91 (m/s)

Để xét các vận tốc giới hạn quay vòng vn lật đổ tương ứng với các góc giới hạn quay vòng lật đổ βđ khác nhau của xe Fortuner, ta lập bảng sau:

Bảng 4.1: Bảng vận tốc giới hạn khi xe quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài theo điều kiện lật đổ ứng với từng góc giới hạn khác nhau của đường.

β (0) vn (m/s) vn (km/h) 5 6,94 24,98 10 6,34 22,82 15 5,75 20,7 20 5,15 18,54 25 4,54 16,34 30 3,87 13,93 35 3,1 11,16

59 4.4.1.2. Trường hợp ô tô quay vòng trên đường nghiêng ngang vào trong (hướng nghiêng của đường cùng phía với trục quay vòng)

Hình 4.8:Sơ đồ mômen và các lực tác dụng lên xe khi quay vòng trên đường nghiêng ngang hướng vào trong.

Ô tô có xu hướng lật đổ quanh trục đi qua A và nằm trong mặt phẳng của mặt đường. Lấy mômen đối với điểm A, ta có:

ΣMiA = G. .cosβ + G.hg.sinβ – Z”.c – Fl.hg.cosβ + Fl. .sinβ = 0 (4.30)

Khi vận tốc ô tô tăng tới giá trị giới hạn, ô tô sẽ lật đổ. Lúc đó, các bánh xe phía bên trái không còn tiếp xúc với mặt đường nữa nên Z” = 0.

60 vn’ =

. . (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

.

. . (4.31)

Ví dụ, ta lấy góc quay vòng giới hạn là 220 thì: