3.3. Sự cản chuyển động của bánh xe
3.3.1. Nhân tố thuộc về lốp xe
Khi bánh xe đàn hồi lăn dọc theo đường thẳng trên mặt đường lý tưởng (phẳng, khô), nghĩa là mặt phẳng quay của bánh xe trùng với hướng chuyển động, một lực ngược với hướng lăn sẽ hình thành. Lực này chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc lốp xe, và là tổng hợp các thành phần khác nhau như sau:
Nội ma sát do biến dạng đàn hồi của lốp
Ma sát do trượt trên vết tiếp xúc
Sự cản quay của không khí bao quanh bánh xe
Nội ma sát do biến dạng đàn hồi của lốp
Thành phần này đóng vai trò chủ yếu. Khi bánh xe đàn hồi chịu tải trọng, nó bị nén lại và năng lượng được tích lũy trong dưới dạng thế năng do sự biến dạng. Khi giảm dần lực tác dụng, sự biến dạng giảm dần. Tuy nhiên, cho dù lực tác dụng giảm đến 0 thì hình dạng bánh xe không hồi phục hoàn toàn, do nội ma sat trong bánh xe. Sự biến dạng của lốp xe đàn hồi là kết quả của sự nén và hoàn lại hình dạng, dẫn đến tổn thất năng lượng do nội ma sát giữa các phần tử trong lốp xe. Khi bánh xe lăn dưới tác dụng của tải trọng, quá trình nén và hoàn
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 26 lăn có thể được minh họa bằng bằng một hệ thay thế (Hình 3-6), mà chu vi của hệ này được liên hệ với vành bánh bằng hệ dao động và tương tự, talon bánh xe cũng có thể được mô tả bằng hệ dao động thứ hai.
Hình 3-6 Mô hình hóa bánh xe ô tô
Đặc tính của các hệ dao động này ảnh hưởng đến sức kéo của ô tô trên đường. Khi hệ dao động thay thế quay, tại mỗi hệ thành tố, năng lượng trong nó chuyển hóa thành nhiệt. Thực nghiệm cho thấy, khi cùng vật liệu của lớp chịu tải, khi tăng số lớp chịu tải của lốp xe thì công (năng lượng) tiêu hao sẽ tăng, do tăng tổng dịch chuyển tương đối giữa các lớp.
Hình 3-7 Hệ số cản của bánh xe ô tô du lịch
Thực nghiệm chứng tỏ, khi tăng vận tốc ô tô thì hệ số cản của hệ dao động giảm. Khi tăng vận tốc, ảnh hưởng của sự hạ thấp xuống của bánh xe lăn dưới tác dụng của tải trọng làm cho phần chu vi bánh xe dao động dưới tác dụng của lực quán tính ly tâm mà nó tăng theo vận tốc bánh xe. Sự gia tăng dao động này làm gia tăng tổn thất năng lượng do biến dạng đàn hồi của lốp xe. Hiện tượng đó tạo nên “sóng biến dạng” ở sau vết tiếp xúc của bánh xe (Hình 3-8).
Hình 3-8 Sóng biến dạng bề mặt bánh xe khi bánh xe chuyển động
Với các kết cấu lốp xe được thiết kế, nội ma sát trong lốp xe tăng tuyến tính với gradient nhỏ đến phạm vi vận tốc khoảng 35m/s. Vượt quá vận tốc này, nội ma sát tăng nhanh chóng.
Ma sát do trượt trên vết tiếp xúc
Khi bánh xe lăn ta nhận thấy các phần tử của lốp xe trên chu vi của nó bị ép chặt trong vết tiếp xúc. Ngoài vết tiếp xúc, chu vi bánh xe là đường tròn. Trong vùng vết tiếp xúc, đường chu vi bánh xe biến thành đường thẳng dây cung – là chiều dài vết tiếp xúc. Điều này dẫn đến sự dịch chuyển tương đối giữa phần mặt đường và các phần tử lốp xe trong vùng tiếp xúc. Hiện tượng này được gọi là sự trượt theo hướng chuyển động của ô tô (hướng dọc). Sự trượt này gây nên mài mòn và tổn thất một năng lượng nhất định.
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 28 Sự cản quay của không khí bao quanh bánh xe
Bánh xe ô tô quay trong môi trường không khí. Do đó, tồn tại tổn thất do sức cản của không khí đối với chuyển động quay của các bánh xe. Tuy nhiên, sức cản này có thể được xem như tham gia vào thành phần sức cản không khí đối với chuyển động của ô tô.
Hình 3-9 Sự phụ thuộc lực cản lăn và tải trọng, áp suất hơi đối với lốp kiểu “radial”
của ô tô tải cỡ 11R22.5
Kết quả thực nghiệm đo áp suất trong vết tiếp xúc của bánh xe được mô tả trên Hình 3-10.
Hình 3-10 Phân bố áp suất trong vết tiếp xúc của bánh xe và đường
Hình 3-11 Sự phân bố áp suất trên vết tiếp xúc và sự tạo thành mô men cản lăn
Hình 3-12 Các lực và mô men tác dụng vào thân xe, bánh xe bị động và đường.
Hệ số cản lăn được định nghĩa bằng tỷ số giữa lực cản lăn và phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên bánh xe.
W , Z Rroll
Rroll F
f F Eq. 3-2
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 30 Do sự phân bố bất đối xứng của áp suất trong vùng tiếp xúc, hợp các phản lực phân tố sẽ là lực R, lệch về trước và cách tâm trục quay bánh xe một khoảng eR. Mô men cản lăn được hình thành, có giá trị:
R ZW R
Rroll R.e F .e
M Eq. 3-3
Tác dụng của mô men này tương đương với mô men của lực giả tưởng FRroll
nằm trong phương song song với đường, với độ lớn được xác định bởi:
dyn R ZW dyn
Rroll Rroll
r e . F r
F M Eq. 3-4
Do đó, hệ số cản lăn có thể xác định bởi:
dyn R Rroll r
f e Eq. 3-5
Đối với các tính toán thông thường, có thể coi rằng hệ số cản lăn là hằng số đối với tải trọng tác dụng trên bánh xe và vận tốc. Khi xét đến sự ảnh hưởng của tải trọng, với độ chính xác cao hơn có thể xem hệ số cản lăn giảm tuyến tính theo tải trọng. Trên hình cũng thể hiện quan hệ giữa hệ số cản lăn và áp suất hơi trong bánh xe. Sự tăng áp suất hơi dẫn đến tăng độ cứng của lốp, giảm biến dạng và giảm nhỏ vết tiếp xúc. Kết quả dẫn đến hệ số cản lăn giảm.
Hình 3-13 Sự phụ thuộc hệ số cản lăn và tải trọng, áp suất hơi lốp
Hình 3-14 Sự phụ thuộc hệ số cản lăn và loại lốp, tốc độ ô tô
Kết luận, bên cạnh các nhân tố bên ngoài như vận tốc, tải trọng, áp suất hơi, lực cản lăn phụ thuộc vào cấu trúc lốp, các vật liệu và hỗn hợp cao su sử dụng.
Nói chung, loại lốp “radial” có hệ số cản lăn thấp hơn so với loại “bias”. Hơn nữa, kết cấu talon lốp xe cũng ảnh hưởng đến cản lăn.
Độ lớn của mỗi thành phần cản lăn không thể đo đạc riêng lẻ. Tuy vậy có thể nói rằng nội ma sát đóng vai trò chính.