Dưới tác dụng của các ngoại lực (trọng lực, lực quán tính, …), do bánh xe tương tác với mặt đường mà tại khu vực tiếp xúc của lốp với mặt đường phát sinh các ứng suất theo các phương khác nhau. Hợp của các thành phần ứng suất này tạo nên phản lực của đường tác dụng lên bánh xe. Phản lực này có thể phân tích thành 3 thành phần theo 3 phương ứng với hệ tọa độ động Oxyz:
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 38
Thành phần tiếp tuyến: nằm trong mặt phẳng tiếp xúc của lốp và mặt đường, hướng theo phương mặt phẳng quay của bánh xe, ký hiệu là X.
Thành phần này do mô men xoắn hoặc phanh gây ra.
Thành phần pháp tuyến: vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc của lốp và mặt đường, ký hiệu là Z. Thành phần này do trọng lực gây ra.
Thành phần nằm ngang: vuông góc với mặt phẳng quay của bánh xe và nằm trong mặt phẳng tiếp xúc của lốp và mặt đường, ký hiệu là Y.
Thành phần này do lực ngang gây ra.
Lực ly tâm, khi xuất hiện, sẽ ảnh hưởng đến các thành phần trên.
Hình 3-22 Các phản lực của đường tác dụng lên bánh xe
Thành phần phản lực tiếp tuyến
Thành phần phản lực tiếp tuyến hình thành do: các lực cản bánh xe, mô men kéo từ động cơ truyền đến, hoặc do sự phanh bánh xe.
Các lực cản bánh xe bao gồm cả ngoại lực cũng như nội lực đối với bánh xe - gồm nhiều thành phần như đã phân tích ở trước. Một cách quy ước, lực cản bánh xe (theo phương Ox) được xem là ngoại lực đối với bánh xe.
Khi bánh xe nhận mô men truyền từ động cơ đến, bánh xe có xu hướng quay. Do sự tương tác với mặt đường mà tại khu vực tiếp xúc phát sinh những ứng suất. Hợp những ứng suất này, theo phương Ox, góp phần tạo nên phản lực
tiếp tuyến của đường X. Chính phản lực này là ngoại lực đối với ô tô và làm cho ô tô chuyển động và nó được gọi là lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động, được xác định bởi:
dyn R T
dyn R T
T r
M - Mj -
=T r
M -
=T' F'
dyn R T
T r
M Mj - F
=
F'
Eq. 3-13
Với FT = TT/ rdyn là lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động khi xe chuyển động ổn định.
Hình 3-23 Lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động
Giới hạn của các phản lực
Sự liên kết bánh xe và mặt đường
Liên kết giữa bánh xe và mặt đường bao gồm 2 cơ chế, như thể hiện trên Hình 3-24. Sự bám dính bề mặt (surface adhesion) dựa vào liên kết các phần tử giữa cao su và nhấp nhô nhỏ trên mặt đường. Sự bám này chiếm phần ưu thế trong hai cơ chế, đối với loại đường khô, nhưng sẽ giảm đáng kể khi mặt đường ướt. Sự bám cơ học (hysteresis friction) tạo nên do sự biến dạng đàn hồi của lốp xe tại vị trí nhấp nhô trên đường, hoặc do sự cản trượt lốp xe của nhấp nhô trên đường khi cạnh mấu bám trên vân lốp xe chạm vào nhấp nhô. Sự bám cơ học không bị ảnh hưởng bởi trạng thái khô-ướt của đường. Như vậy, trên
MR, Mj
, TT
Gw
FZ
FT
V
K
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 40
Hình 3-24 Cơ chế liên kết bánh xe và mặt đường
Cả hai cơ chế liên kết đều phụ thuộc vào độ trượt tương đối giữa bánh xe và mặt đường tại vết tiếp xúc. Sự gia tăng độ trượt xuất hiện khi tăng mô men kéo hoặc phanh, xuất phát từ kết quả tăng sự biến dạng của cao su talon lốp xe.
Hình 3-25 minh họa phân bố sự trượt trong vùng tiếp xúc, trong quá trình phanh ô tô.
Hình 3-25 Sự trượt dọc theo vết tiếp xúc khi phanh
Giá trị giới hạn của phản lực của đường
Giá trị phản lực của đường tác dụng lên bánh xe bị giới hạn bởi độ bền mối liên kết – tức là ma sat giữa hai bề mặt, tính chất cơ học của mặt đường, của
lốp xe. Khi vượt quá giá trị này, liên kết bên trong đường, hoặc bên trong lốp, hoặc sự bám cơ học giữa bánh xe và mặt đường bị phá vỡ.
Khả năng phát hoặc thu nhận những lực tiếp tuyến hoặc ngang của bánh xe với mặt đường được đặc trưng bởi một thông số, gọi là tính chất bámgiữa bánh xe và mặt đường.Tính chất bám được đánh giá bởi hệ số bám .
Ký hiệu Rxy là phản lực của đường tác dụng lên bánh xe trong mặt phẳng chứa vết tiếp xúc. Giá trị lớn nhất của phản lực của đường, ký hiệu là R được gọi là lực bám.
2 2
xy X Y
R Eq. 3-14
max xy, xy
, R
R Eq. 3-15
Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường (theo phương lực Rxy) được định nghĩa bằng tỷ số giữa giá trị cực đại của phản lực Rxy và phản lực pháp tuyến Z.
Z Rxy,max
xy
Eq. 3-16
Trọng lượng bám, ký hiệu G, là tải trọng pháp tuyến tác dụng lên:
- Bánh xe chủ động, khi khảo sát về kéo.
- Bánh xe đặt phanh, khi khảo sát về phanh.
Như vậy, trong trường hợp tổng quát, lực bám giữa bánh xe và mặt đường được xác định bởi:
. Z .G .cos
R ,xy xy xy w Eq. 3-17
Với: Gw - tải trọng thẳng đứng tác dụng trên bánh xe khảo sát;
- góc nghiêng dọc của đường.
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông
Chương
4 CÁC LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ
Trong chương trước ta đã biết mô men truyền từ động cơ, qua hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động có xu hướng làm quay bánh xe chủ động. Xu hướng quay / sự quay bánh xe chủ động tạo nên sự tương tác của bánh xe và đường, làm xuất hiện phản lực đẩy của đường. Phản lực này là ngoại lực đối với ô tô và làm cho nó chuyển động. Khi ô tô chuyển động sẽ xuất hiện các lực cản chuyển động. Lực cản lăn và lực cản không khí luôn tồn tại. Các lực cản khác - bao gồm: lực cản do quán tính, lực cản lên dốc, và lực cản tại móc kéo – có thể có hoặc không, tùy thuộc trạng thái chuyển động và điều kiện làm việc của ô tô.