Các nhân tố ảnh hưởng đến tính năng dẫn hướng của ôtô

2. Các giải pháp đề ra để nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập

4.4. Các nhân tố ảnh hưởng đến tính năng dẫn hướng của ôtô

Đồ án tốt nghiệp Trang 106 4.4.1. Các góc đặt của bánh xe dẫn hướng.

Khi quan sát các bánh xe, chúng ta cho rằng chúng bắt buộc phải thẳng góc với mặt đường. Sự thật là không hoàn toàn như vậy và rất khó nhận ra nếu chúng được đặt nghiêng. Đó là vì yêu cầu tối thiểu đối với một chiếc xe là phải có các tính năng vận hành ổn định trên đường thẳng, chạy theo đường vòng và khả năng phục hồi để chạy trên đường thẳng, khả năng làm mềm các chấn động truyền từ bánh xe đến hệ thống treo.

Do đó, các bánh xe được lắp đặt với những góc độ nhất định so với mặt đất và với những hệ thống treo riêng. Những góc này được gọi chung là góc đặt bánh xe.

Đồ án tốt nghiệp Trang 107

Góc đặt bánh xe bao gồm các góc như hình 4-13: + Góc camber

+ Góc Caster

+ Góc nghiêng của trụ xoay đứng (góc Kingpin) + Góc chụm các bánh xe

+ Góc quay vòng

Nếu một chiếc xe không đáp ứng được một trong các yếu tố này thì có thể xuất hiện các vấn đề như lái bị chém góc, lái không ổn định, trả lái trên đường vòng kém và tuổi thọ của lốp xe giảm.

 Góc camber.

Hình 4-14. Góc Camber.

Các bánh xe trước được lắp với phía trên nghiêng vào trong hoặc ra ngoài. Góc này được gọi là “góc camber”, và được xác định bằng góc nghiêng so với phương thẳng đứng. Khi phần trên của bánh xe nghiêng ra phía ngoài thì gọi là “Camber dương”. Ngược lại, khi bánh xe nghiêng vào trong thì gọi là “Camber âm”.

Góc camber âm.

Hình 4-15. Góc Camber âm.

Khi xe chạy vào đường vòng, lực đẩy ngang ở các lốp xe phía ngoài sẽ có tác dụng làm giảm lực quay vòng. Lực ly tâm làm cho xe nghiêng đi vì tác động

Giả sử có một tải trọng thẳng đứng tác dụng lên một bánh xe nghiêng thì sẽ sinh ra một lực theo phương nằm ngang. Lực này được gọi là “lực đẩy ngang”, Nó tác động theo chiều vào trong khi bánh xe có camber âm, và theo chiều ra ngoài xe khi bánh xe có camber dương. Khi xe chạy trên đường vòng, vì xe có xu hướng nghiêng ra phía ngoài, nên camber của lốp xe trở nên dương hơn, và “lực đẩy ngang” về phía trong xe cũng giảm xuống, lực quay vòng cũng bị giảm

Đồ án tốt nghiệp Trang 108

của các lò xo của hệ thống treo, làm thay đổi góc camber

xuống.

Góc Camber dương, bằng không.

Hình 4-16. Góc Camber bằng không, góc

Camber dương.

Lý do chính để chấp nhận góc camber bằng không là nó giúp cho lốp xe mòn đều. Nếu bánh xe có camber dương hoặc âm thì góc nghiêng của bánh xe so với mặt đường sẽ làm cho bán kính quay vòng của phần phía trong và phía ngoài khác nhau, và lốp xe sẽ mòn không đều. Camber bằng không giúp ngăn ngừa hiện tượng này.

So với góc Camber âm thì góc Camber dương có ưu điểm sau:

Thứ nhất; nó giúp giảm tải trọng thẳng đứng. trong trường hợp góc Camber bằng không, tảu trọng tác dụng lên trục bánh xe theo hướng F’. Khi có góc Camber dương tải trọng này chuyển thành lực lái F tác dụng the hướng cam lái. Nhờ thế mà mômen tác dụng lên trục bánh xe và cam ái giảm xuống.

Thứ hai; Ngăn ngừa tuột bánh xe ra khỏi trục, tải trọng F tác dụng lên bánh xe có thể chia ra thành hai thành phần F1 và F2. F2 là lực theo chiều trục có xu hướng đẩy bánh xe vào phía trong, giữ cho bánh xe không bị tuột ra khỏi trục.

Thứ ba; ngăn ngừa phát sinh Camber âm ngoài ý muốn do tải trọng, giữ cho phía trên của bánh xe không bị nghiêng về phía trong do sự biến dạng của các bộ phận của hệ thống treo và bạc lót gây ra bởi trọng lượng của hàng hóa hay hành khác.

Thứ tư; giảm lực lái

Góc Caster và khoảng Caster.

- Góc Caster là góc nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trục xoay đứng. Góc Caster được xác định bằng góc nghiêng giữa trục xoay đứng và đường thẳng đứng nhìn từ cạnh xe.

- Khi trục xoay đứng nghiêng về phía sau thì được gọi là ‘góc Caster dương’ còn trục nghiêng về phía trước thì gọi là ‘góc Caster âm’.

Đồ án tốt nghiệp Trang 109

- Khoảng cách từ giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng và mặt đường đến tâm điểm tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường được gọi là “khoảng caster” của trục quay đứng.

Góc caster có ảnh hưởng đến độ ổn định khi xe chạy trên đường thẳng, còn khoảng caster thì ảnh hưởng đến tính năng hồi vị bánh xe sau khi chạy xe trên đường vòng. Lưu ý với bánh xe có góc caster dương lớn thì độ ổn định trên đường thẳng tăng lên, nhưng lại khó chạy trên đường vòng.

Độ ổn định khi chạy thẳng và hồi vị bánh xe.

Đối với những xe có góc caster, độ ổn định khi chạy trên đường thẳng sẽ tăng. Vì khi trục xoay đứng quay để xe chạy vào đường vòng, nếu các bánh xe có góc caster thì lốp sẽ bị nghiêng đi so với mặt đường và tạo ra mômen “kích”, có xu hướng nâng thân xe lên. Mômen kích này đóng vai trò như một lực hồi vị bánh xe, có xu

Đồ án tốt nghiệp Trang 110

hướng đưa thân xe trở về vị trí nằm ngang và duy trì độ ổn định trên đường thẳng của xe.

Ngoài ra nếu bánh xe có góc caster thì giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng với mặt đường sẽ nằm phía trước tâm điển tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường. Với lốp xe được kéo về phía trước nên lực kéo này sẽ lấn át các lực có xu hướng làm cho bánh xe mất ổn định, giữ cho bánh xe chạy ổn định theo đường thẳng. Khi bánh xe được chuyển hướng sang một bên (do lái hoặc do trở ngại khi chạy trên đường thẳng) thì sẽ phát sinh các lực bên F2 và F’2. Những lực bên này có tác dụng làm quay trục xoay đứng (nhờ có khoảng caster) và có xu hướng hồi vị bánh xe về vị trí ban đầu của nó (lực hồi vị T và T’). Vào lúc này, với cùng một lực bên như nhau, nếu khoảng caster lớn, lực hồi vị bánh xe cũng lớn. Vì vậy, khoảng caster càng lớn thì độ ổn định trên đường thẳng và lực hồi vị càng lớn.

Đồ án tốt nghiệp Trang 111

Góc lệch được tạo thành giữa trục xoay đứng và đường thẳng đứng gọi là góc kingpin hay góc nghiêng của trục lái. Trục xoay đứng là trục mà trên đó bánh xe có thể xoay về phía phải hoặc trái. Trục này được xác định bằng cách vạch một đường thẳng tưởng tượng đi qua tâm của ổ bi đỡ trên của bộ giảm chấn và khớp cầu của đòn treo dưới (đối với trường hợp hệ thống treo kiểu thanh giằng). Nhìn từ phía trước xe, đường thẳng này nghiêng về phía trong.

Khoảng cách L từ giao điểm giữa trục xoay đứng và mặt đường đến giao điểm giữa đường tâm bánh xe và mặt đường được gọi là “độ lệch hay độ lệch kingpin”.

Vai trò của góc kingpin là làm giảm lực đánh lái. Vì rằng bánh xe quay sang phải hoặc sang trái, với tâm quay là trục xoay đứng còn bán kính quay là khoảng lệch, nên

Đồ án tốt nghiệp Trang 112

khoảng lệch càng lớn thì mômen cản quay càng lớn (do sức cản quay của lốp xe), vì vậy lực lái cũng tăng lên. Để giảm bớt lực lái có thể giảm độ lệch bằng hai cách; làm tang góc kingpin hoặc làm lốp có góc Camber dương.

Một tác dụng khác của góc kingpin là làm giảm lực phản hồi và lực kéo lệch sang một bên. Nếu khoảng lệch quá lớn, lực dẫn động (lực đẩy xe) hoặc lực hãm sẽ tạo ra một mômen quay quanh trục xoay đứng lớn, tỷ lệ thuận với khoảng lệch. Mặt khác, mọi chấn động tác dụng lên bánh xe sẽ làm cho vô lăng bị dật lại hoặc phản hồi. Những hiện tượng này có thể được cải thiện bằng cách giảm khoảng lệch. Nếu góc nghiêng của các trục xoay đứng bên phải và bên trái khác nhau thì xe sẽ bị kéo lệch về phía có góc nghiêng nhỏ hơn (có khoảng lệch lớn hơn). Trong các xe FF có động cơ đặt trước và bánh trước chủ động, khoảng lệch thường là nhỏ (bằng không hoặc âm) để ngăn ngừa hiện tượng truyền chấn động từ lốp xe (do phanh hoặc chạy qua vật cản) lên vô lăng, và giảm thiểu mômen quay quanh trục xoay đứng do động lực tạo ra khi khởi động nhanh hoặc tăng tốc.

Góc chụm (độ chụm).

Độ chụm là độ lệch của phần trước và phần sau bánh xe khi nhìn từ trên xuống. Góc lệch của bánh xe được gọi là góc chụm. Khi phần phía trước của các bánh xe gần nhau hơn so với phần phía sau thì được gọi là “độ chụm”, và nếu ngược lại thì được gọi là “độ choãi”.

Đồ án tốt nghiệp Trang 113

Thông thường, mục đích ban đầu của góc chụm là khử bỏ lực đẩy ngang do góc camber tạo ra. Vì vậy, góc chụm ngăn ngừa bánh xe mở ra hai bên khi có camber dương. Tuy nhiên, mục đích chính của góc chụm là đảm bảo độ ổn định chạy trên đường thẳng. Khi xe chạy trên đường nghiêng, thân xe nghiêng về một bên. Khi đó xe có khuynh hướng quay về phía nghiêng. Nếu phần phía trước của mỗi bánh xe chụm vào trong (Độ chụm), thì xe có khuynh hướng chạy theo hướng ngược lại hướng nghiêng. Vì vậy độ ổn định khi chạy trên đường thẳng được duy trì.

Tuy nhiên nếu độ chụm vào quá lớn, độ trượt bên sẽ làm cho lốp xe mòn không đều. Nếu độ choãi ra quá lớn thì khó đảm bảo độ ổn định chạy đường thẳng.

Góc quay vòng.

Bán kính quay vòng là góc quay của bánh xe phía trước bên trái và bên phải khi chạy trên đường vòng. Với góc quay của bánh xe trước bên trái và bên phải giống nhau lốp xe bên trong hoặc ngoài sẽ bị trượt về một bên và không thể quay xe một cách nhẹ nhàng. Điều này cũng làm cho lốp xe mòn không đều.

Với góc quay của các bánh xe bên phải và bên trái khác nhau, phù hợp với tâm quay của cả bốn bánh xe thì độ ổn định của xe chạy trên đường vòng sẽ tăng lên.

Ví dụ, đối với loại hệ thống lái có thanh nối đặt phía sau trục lái, nếu các đòn cam lái được đặt song song với đường tâm xe, thì góc lái của bánh xe bên phải và bên

Đồ án tốt nghiệp Trang 114

trái bằng nhau (a = b). và mỗi bánh xe sẽ quay quanh một tâm quay khác nhau (O1 và O2), mặc dù chúng có bán kính quay bằng nhau (r1 = r2), vì vậy, sẽ xuất hiện sự trượt bên ở một trong hai bánh xe.

Tuy nhiên, nếu đòn cam lái nghiêng đi so với đường tâm xe, các bánh xe bên phải và bên trái sẽ có góc quay khác nhau (a = b), nên chúng có thể điều chỉnh để có bán kính quay khác nhau (r1 > r2) để quay quanh cùng một tâm (O), nhờ thế mà có được góc lái đúng.

4.4.2. Độ đàn hồi của lốp.

Khi nghiên cứu động học và động lực học quay vòng của ô tô ta không tính đến ảnh hưởng của độ đàn hồi bên của lốp. Trong thực tế sử dụng nhân tố này có ảnh hưởng ở mức độ nhất định tới tính năng quay vòng và tính năng an toàn chuyển động của ô tô, đặc biệt là những xe có vận tốc cao.

Hình 4-22. Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị

biến dạng dưới tác dụng của lực bên.

Giả sử lực tác dụng lên bánh xe chưa vượt quá lực bám của bánh xe với mặt đường, khi đó sẽ xảy ra hiện tượng lệch bên của lốp, có nghĩa là vùng tiếp xúc của lốp với mặt đường sẽ bị lệch đi một góc so với mặt phẳng quay của bánh xe mà người ta gọi đó là góc lệch bên.

Mối quan hệ giữa phản lực bên Yb tác dụng vào bánh xe và góc lệc bên của lốp được trình bày trên hình 4-23.

 Đoạn OA tương ứng với sự lêch tinh của lốp, đoạn AB đặc trưng cho sự trượt cục bộ của lốp từ lúc bắt đầu cho tới khi trượt hoàn toàn. Tại thời điểm này phản lực

Đồ án tốt nghiệp Trang 115 Hình 4-23. Đồ thị quan hệ giữa phản lực

Yb và góc lệch bên của lốp.

Khả năng chống lại sự lệch bên của lốp được đánh giá bằng hệ số càn lệch bên k :

k = Yb/ ; N/độ.

Sự đàn hồi của lốp này sinh ra các trường hợp nhuw quay vòng lý tưởng, quay vòng thiếu, quay vòng thừa mà ta đã xét ở trên.

4.4.3. Sự dao động của bánh xe dẫn hướng.

Những bánh xe dẫn hướng của ô tô trong những điều kiện nhất định bị dao động góc có tính chất chu kỳ xung quanh trụ đứng. Hiện tượng này thường được cảm nhận ở tay người lái. Những dao động mạnh ở bánh dẫn hướng có thể làm mất tính năng dẫn hướng của ô tô.

Thông thường những dao động này là hậu quả của những lực tác động lên bánh xe khi xe chạy trên đường gồ ghề và các bánh xe không được cân bằng tốt. Cũng có những trường hợp những dao động này là do sự phối hợp không đúng về động học dịch chuyển của các thanh kéo lái và nhíp hoặc do tác động của mô men hiệu ứng con quay khi các bánh xe dẫn hướng bị thay đổi mặt phẳng quay.

Hình 4-24. Sơ đồ các lực cản lăn có trị

số khác nhau tác động đến bánh xe dẫn hướng.

Khi ô tô làm việc trên đường lực cản lăn ở bánh xe trái ' f p và bên phải '' f p có thể khác nhau rất về trị số. những lực này với cánh tay đòn a hình (4-24) sẽ tạo nên mô men '

f

P a và ''

f

P a. Dưới tác động của hiệu hai mô men '

ja

P và ''

ja

P . Các bánh xe quay quanh trụ đứng và tạo nên những dao động góc.

Đồ án tốt nghiệp Trang 116 Hình 4-25. Sơ đồ lực ly tâm tác động

lên một bánh dẫn hướng.

Trường bánh xe không được cân bằng tốt, khi quay sẽ phát sinh lực ly tâm Pj

hình 4-25. Lực Pj có thể phân thành hai thành phần : nằm ngang Pjnvà thẳng đứng

jd

P . Thành phần nằm ngang với cánh tay đòn a có su hướng làm quay bánh xe xung quanh trụ đứng. tần số thay đổi của các mô men gây nên bởi các lực Pjnvà Pjd

phụ thuộc vào chuyển động của ô tô.

Hình 4-26. Các thành phần nằm ngang

của lực ly tâm tác động lên bánh xe dẫn hướng.

Nếu các bánh xe dẫn hướng quay mà các khối lượng không cân bằng của chúng nằm ở hai phía đối diện đối với trục trước của xe thì sẽ dẫn tới sự dao động góc của các bánh xe.

 Một nguyên nhân khác gây nên những dao động khác của bánh dẫn hướng khi xe chạy trên mặt đường gồ ghề có thể là do sự phối hợp không đúng về động học di chuyển của các thanh kéo lái và nhíp.

Đồ án tốt nghiệp Trang 117

Nếu khi các bánh dẫn hướng dịch chuyển thẳng đứng mà động học của các điểm giữ bánh xe hoặc trục trục trước với nhíp và của đòn quay ngang với thanh kéo dọc hệ thống lái không có sự phối hợp đúng thì cũng có thể gây nên những giao động góc của bánh dẫn hướng . Thí dụ động học của bộ phận đàn hồi hệ thống treo có thể làm cho tâm bánh xe di chuyển theo cung AA với tâm dao động của các điểm 4 của khớp quay trước của nhíp 1 hình 4-

27a, còn động học của thanh kéo dọc 3

lại làm cho hai bánh xe di chuyển theo cung BB với tâm quay ở khớp cầu 2 của đòn quay đứng, điều này sẽ đẫn đến việc làm nảy sinh những dao động góc của các bánh xe dẫn hướng do tác động của những dao động thẳng đứng. Để phối hợp động học đúng của hệ thống treo và dẫn động lái, người ta sử dụng các cách bố trí như biểu thị trên

hình 4-27b và hình 4-27c với mục đích