10.1.1. Khái niệm
Tính chất ổn định của ô tô là tính chất đảm bảo không bị lật đổ hoặc trượt khi ô tô đứng yên cũng như khi nó chuyển động. Mất ổn định có thể xảy ra theo phương ngang hoặc dọc, trong đó phương ngang dễ xảy ra hơn. Tác nhân gây mất ổn định là lực quán tính ly tâm khi ô tô chuyển động trên đường vòng, thành phần phát sinh do trọng lực khi ô tô chuyển động trên đường nghiêng, lực gió ngang, và do các xung động từ đường khi đi trên đường nhấp nhô.
Tính ổn định được đánh giá thông qua vận tốc giới hạn lớn nhất của ô tô trên đường vòng với bán kính cong nhất định, góc nghiêng lớn nhất của mặt đường theo điều kiện trượt hoặc lật đổ ngang.
Kết cấu của hệ thống treo và hệ thống chuyển động ảnh hưởng lớn đến tính chất ổn định của ô tô. Tuy nhiên, để cho việc tiếp cận được đơn giản, trước tiên ta xét đến sự ổn định của ô tô với giả thiết hệ thống treo ô tô được “hóa cứng”.
10.1.2. Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang
Khi ô tô chuyển động vòng, dưới tác dụng của lực quán tính ly tâm, ô tô có thể bị trượt ngang về phía lực ly tâm hoặc lật đổ ngang theo đường thẳng nối tâm vết tiếp xúc bánh xe trước và sau phía ngoài.
Khảo sát ô tô chuyển động vòng trên đường nằm ngang Mất ổn định do lật
Xét cân bằng mô men đối với trục nối tâm vết tiếp xúc bánh xe phía ngoài, trước và sau:
B . Z h . 2 F
.B
G cen,y c in Eq. 10-1
Với: B, hc - chiều rộng cơ sở, chiều cao trọng tâm của ô tô;
Z - tổng phản lực pháp tuyến tại các bánh xe phía trong hướng quay vòng;
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 126
Hình 10-1 Sơ đồ quay vòng ô tô hai trục bánh và lực tác dụng
Hình 10-2 Lực tác dụng vào ô tô khi quay vòng (a) và khi chuyển động thẳng trên đường nghiêng ngang (b)
Tại thời điểm bắt đầu lật, các bánh xe phía trong bị nhấc khỏi mặt đường, phản lực pháp tuyến tại đó triệt tiêu. Do đó:
c y , cen .h 2 F
.B
G Eq. 10-2
Vận tốc tới hạn theo điều kiện lật ngang:
c c
o 2.h
R . B . g . h . 2
L . G .
V g
Eq. 10-3
Mất ổn định do trượt
Cân bằng lực theo phương ngang:
y cen, out
in Y F
Y Eq. 10-4
Khi ô tô bị trượt lê theo hướng ngang, tổng phản lực ngang có giá trị bằng lực bám ngang:
G . Y
Yin out y Eq. 10-5
L . V . G m .
2 s y
Eq. 10-6
Vận tốc tới hạn theo điều kiện trượt:
R . g L .
. g
Vs y. y
Eq. 10-7
Khảo sát ô tô chuyển động thẳng trên đường nằm ngang
Khi ô tô chuyển động trên đường nghiêng ngang, ô tô có thể mất ổn định do thành phần trọng lực G.sin.
Mất ổn định do lật
Phương trình cân bằng mô men:
2 .B cos . G h . sin . G B .
Zin c Eq. 10-8
Khi bắt đầu lật ngang (tương ứng với góc tới hạn), Zin = 0 nên:
c
o 2.h
arctan B Eq. 10-9
Mất ổn định do trượt:
Phương trình cân bằng hình chiếu lực:
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 128
Y G .sin
Yin out Eq. 10-10
Khi bắt đầu trượt ngang (tương ứng với góc tới hạn), tổng phản lực ngang bằng lực bám ngang:
Y .G .cos
Yin out y Eq. 10-11
Góc nghiêng ngang giới hạn:
y s arctan
Eq. 10-12
Khảo sát ô tô chuyển động vòng trên đường nằm ngang
( A ) ( B )
Hình 10-3 Lực tác dụng vào ô tô quay vòng trên đường nghiêng ngang
Trọng lực của ô tô và lực quán tính ly tâm có thể biểu thị bằng hợp của các thành phần vuông góc và song song với đường:
z
y G
G
G Eq. 10-13
z cen, y cen,
cen F F
F Eq. 10-14
Hình 10-3 mô tả hai ô tô A và B giống nhau chuyển động vòng trên đường nghiêng ngang. Ô tô A vòng trên đường có hướng nghiêng của đường ngược với hướng quay vòng. Ô tô B vòng trên đường có hướng nghiêng của đường cùng với hướng quay vòng.
Đối với ô tô A, các thành phần lực ngang Gy và Pcen,y có cùng chiều nên tác dụng của hợp lực là lớn hơn. Đối với ô tô B, các thành phần này có chiều
ngược nhau nên tác dụng của hợp lực nhỏ hơn so với trường hợp A. Do vậy, ô tô trong trường hợp A kém ổn định hơn, tức là hướng nghiêng của đường phải được bố trí cùng phía với tâm quay vòng để nâng cao tính ổn định cho ô tô.
Ở trên, tính ổn định trượt của ô tô được khảo sát với giả thiết rằng sự trượt diễn ra đồng thời tại tất cả các bánh xe. Trong thực tế, điều này hiếm khi xảy ra. Ta đã biết, điều kiện lăn không trượt của bánh xe như sau:
2 2
2. Z X
Y
Như vậy, lực bám càng lớn và phản lực tiếp tuyến càng nhỏ thì phản lực ngang để bánh xe trượt càng lớn. Bánh xe bị động hoặc bánh xe không có phanh sẽ có độ ổn định trượt ngang lớn hơn. Khi phản lực tiếp tuyến ở bánh xe đạt giá trị lực bám, chỉ cần một tác nhân rất nhỏ thì bánh xe sẽ trượt ngang – ô tô mất ổn định.
Hình 10-4 mô tả một ô tô chuyển động với sự trượt diễn ra tại một trục bánh xe dưới tác dụng của tác nhân nào đó. Ở trường hợp A, hiện tượng trượt chỉ xảy ra ở các bánh xe sau. Ở trường hợp B, hiện tượng trượt chỉ xảy ra ở các bánh xe trước. Lực quán tính ly tâm sinh ra trong trường hợp B có tác dụng khử ảnh hưởng của tác nhân gây trượt nên sự trượt dần mất đi. Ngược lại, lực quán tính có tác dụng tăng cường cho tác nhân gây trượt đối với trường hợp A nên rất nguy hiểm.
Hình 10-4 Xu hướng chuyển động khi có sự trượt trên một trục bánh xe
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 130 Để tránh hiện tượng trượt các bánh xe sau, khi ấy cần thiết phải giảm bớt lực kéo hoặc lực phanh tại trục sau và quay bánh xe dẫn hướng phía trước về hướng trượt. Trước khi quay bánh xe dẫn hướng, tâm quay vòng tức thời là điểm O (trên hình c). Sau khi quay bánh xe dẫn hướng như trên, tâm quay vòng tức thời trở thành O1– Bán kính quay vòng tức thời tăng lên. Do đó, lực ly tâm tác dụng vào ô tô giảm.
10.1.3. Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định dọc
Sự mất ổn định dọc khi ô tô lật đổ về phía trước (hoặc sau), hoặc trượt theo phương dọc. Các ô tô hiện đại có chiều cao trọng tâm thấp, thường rất khó bị lật trong phương dọc. Thông thường chỉ có khả năng mất ổ định do trượt. Ví dụ, khi chuyển độ trên dốc dài, bánh xe chủ động phía sau của đầu kéo/ ô tô kéo có thể bị trượt và làm cho đoàn xe di chuyển xuống phía dưới dốc.
Khảo sát chuyển động lên dốc của đoàn xe. Góc dốc giới hạn theo điều kiện trượt của bánh xe đầu kéo được xác định bởi:
x c,trac trail x c,trail
trac
trac sk x
h . L . G h
. L . G
a . G tan .
Eq. 10-15
Với: Gtrac - Trọng lượng đầu kéo/ xe kéo Gtrail - Trọng lượng rơ moc/ sơ-mi rơ-moc hc,trac - Chiều cao trọng tâm đầu kéo
hc,trail - Chiều cao trọng tâm rơ-moc/ sơ-mi rơ-moc Khi không có rơ-moc/ sơ-mi rơ-moc, biểu thức trên trở thành:
trac c, x x
sk L .h
a tan .
Eq. 10-16