Chương 2 CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE MÁY CHỮA CHÁY
2.3. Cân bằng của xe khi di chuyển thẳng và cua vịng, phương trình động
2.3.1. Cân bằng của xe máy khi di chuyển thẳng
Một chiếc xe máy được gọi là cân bằng khi di chuyển nếu nó được lái sao cho phản lực trên mặt đất cân bằng với tất cả các lực bên trong và bên ngoài tác động lên xe máy. Các lực bên ngoài, chẳng hạn như lực hấp dẫn, lực quán tính hoặc ly tâm(nếu chuyển hướng), con quay hồi chuyển khi lái và khí động học. Khả năng tự cân bằng này được tạo ra bởi sự kết hợp của một số tác động phụ thuộc vào hình dạng, sự phân bố khối lượng(bao gồm cả ngưới lái) và tốc độ chuyển động của xe máy. Lốp xe, hệ thống treo, giảm xóc lái và độ uốn khung cũng có thể ảnh hưởng đến sự cân bằng này.
Nghiên cứu sự cân bằng của xe có thể coi như là mơ hình của con lắc ngược. Nó cũng tương tự như việc giữ thăng bằng một chiếc gậy dài khi đặt đứng một đầu trên lòng bàn tay, ta cần di chuyển bàn tay trên mặt phẳng ngang để điều chỉnh cho trọng tâm của gậy và đầu gậy (điểm tiếp xúc trên lòng bàn tay) luôn nằm trên đường thẳng đứng. Như vậy, nếu trọng tâm gậy càng cao (so với đầu gậy trên lịng bàn tay) thì sự di chuyển của bàn tay (theo phương ngang) càng nhiều. Do đó, nếu trọng tâm của gậy càng cao (trong một khoảng giá trị nào đó) thì càng dễ giữ thăng bằng cho gậy. Điều này giải thích tại sao khó giữ được thăng bằng nếu thay gậy bằng chiếc bút chì.
Việc giữ thăng bằng của xe máy khi di chuyển thẳng về cơ bản do sự kết hợp hai yếu tố: lái bánh trước và dịch chuyển trọng tâm người lái với mục đích để đưa trọng tâm xe (bao gồm cả người lái) và điểm tiếp xúc lốp với mặt đường cùng nằm trên mặt phẳng đứng. Có thể mơ tả nội dung này trên hình 2.3.
Hình 2.3: Mơ hình cân bằng của xe khi di chuyển thẳng
A1, A2 – trọng tâm người lái; G1, G2 – trọng tâm xe;
B1, B2 điểm tiếp xúc lốp và mặt đường ; MN – đường thẳng đứng. Ở trên hình 2.3, mơ hình (a) và (b) biểu diễn trọng tâm người lái ở cùng cao độ và xe cùng góc nghiêng như nhau. Để đưa các điểm Ai, Bi, Gi (i = 1,2) về trên cùng đường thẳng MN thì đoạn đường A1M nhỏ hơn đoạn đường A2M, tức là ở mơ hình (a) trọng tâm người lái dịch chuyển ít hơn ở mơ hình (b); đồng thời cũng thấy dịch chuyển lốp bánh lái ở mơ hình (a) phải nhiều hơn ở mơ hình (b). Như vậy, xe có trọng tâm đặt cao hơn sẽ làm cho cảm giác dễ lái hơn khi xe có trọng tâm ở thấp (do phải di chuyển trọng tâm người lái sang bên ít hơn).
Người lái tác động mơ-men xoắn lên ghi đông để quay bánh trước giúp cho việc kiểm sốt độ nghiêng và duy trì thăng bằng. Ở tốc độ cao của xe, góc lái nhỏ nhanh chóng di chuyển các điểm tiếp xúc giữa lốp với mặt đường sang hai bên; ở tốc độ thấp, cần có góc lái lớn hơn để đạt được kết quả tương tự trong cùng một khoảng thời gian. Vì tính cân bằng của bản thân thường xảy ra ở tốc độ trên một ngưỡng nhất định, nên việc đi nhanh hơn sẽ làm tăng khả năng cân bằng của xe. Do đó, việc giữ thăng bằng ở tốc độ cao thường dễ dàng hơn.
Như phân tích ở trên, xe có trọng tâm đặt cao sẽ làm cho cảm giác dễ lái hơn khi xe có trọng tâm ở thấp. Nhưng việc trọng tâm của xe cao sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố tải trọng động lên hai điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đường.
Xét mơ hình người lái xe được mơ tả trong hình 2.4. Bỏ qua lực cản lăn
(FW = 0) và lực nâng (FL = 0). Có các lực sau đây tác dụng lên xe máy: trọng lượng mg và lực cản khơng khí FD tác dụng tại trọng tâm G của xe; lực đẩy FR do mặt đường tác dụng lên xe máy tại điểm tiếp xúc với bánh sau; phản lực theo phương thẳng đứng Nf và Nr giữa mặt phẳng đường với các lốp trước, sau.
Gọi độ cao của trọng tâm xe là h, chiều dài cơ sở xe là p, khoảng cách theo phương ngang từ trọng tâm xe đến điểm tiếp xúc đất của bánh sau là b.
Từ các điều kiện cân bằng về lực và mơ men ta có:
+ Cân bằng của các lực ngang: FR – FD = 0 (2.40) + Cân bằng của các lực thẳng đứng: mg – Nr – Nf = 0 (2.41) + Cân bằng của các mômen đối với trọng tâm: FR.h – Nr.b + Nf (p − b) = 0 (2.42)
Hình 2.4: Lực tác động lên xe máy khi di chuyển thẳng
Từ (2.41) và (2.42) có được:
Tải trọng động lên bánh trước: f b R h
N mg F
p p
Tải trọng động lên bánh sau: ( ) r R p b h N mg F p p (2.44)
Như vậy, nếu trọng tâm xe càng cao (h tăng lên) thì tải trọng động lên bánh trước sẽ giảm đi, dẫn đến độ bám đường của bánh trước sẽ giảm. Chính vì vậy, qua thực tế thiết kế các loại xe máy, tỷ lệ giữa chiều cao của trọng tâm
và chiều dài cơ sở ở xe máy h
p thường nằm trong khoảng 0,3 - 0,45. [61].
Từ các phân tích trên và các thiết kế thực tế, luận án đề nghị gá lắp cụm phương tiện có độ cao trọng tâm h thỏa mãn điều kiện ,0 3 h 0 45,
p
; còn
tọa độ trọng tâm theo phương x sẽ có kết luận sau khi khảo sát hệ phương trình