Trọng lượng (G) là lực hút của trái đất tác dụng lên các khối lượng của xe. Trọng lượng có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống dưới, điểm đặt tại trọng tâm của xe.
G = m.g (2.1)
Trong đó:
+ G (N) - Trọng lượng; + m (kg) - Khối lượng của xe; + g (m/s2) - Gia tốc trọng trường. T v hg a b L Gb2 Gb1 A B G
Hình 2.3 Sự phân bố trọng trọng lượng của xe [12]
G - Trọng lượng; Gb1 - Trọng lượng phân bố trên các bánh xe trước; Gb2 - Trọng lượng phân bố trên các bánh xe sau.
Trọng lượng ép các bánh xe xuống mặt đường. Tỷ lệ giữa trọng lượng phân bố trên các bánh xe trước và sau (Gb1/Gb2) phụ thuộc vào vị trí của trọng tâm của xe. Thông thường Gb1/Gb2 50/50 đối với ô tô con du lịch.
2.1.2.2. Phản lực của mặt đường
Trong thực tế, cả mặt đường và bánh xe đều không phải là những vật cứng tuyệt đối nên chúng đều biến dạng dưới tác dụng của trọng lượng của ô tô. Mặt đường và bánh xe tiếp xúc với nhau ở vô số điểm và tạo nên vùng tiếp xúc. Tại mỗi điểm tiếp xúc trên bánh xe sẽ có một phản lực thành phần tác dụng từ mặt đường. Tổng của tất cả các lực thành phần đó được gọi là phản lực tổng hợp từ mặt đường (gọi tắt là phản lực của mặt đường). Phản lực của mặt đường có điểm đặt tại tâm vùng tiếp xúc.
Để tiện trong nghiên cứu, người ta thường phân tích phản lực của mặt đường thành 3 thành phần: Z, X và Y. Gb1 Gb1 Fx Fy X1 Y1 Z1 X1 Y1 R1 Gb1 Fx X1 Z1 Z1 a1
Hình 2.4 Phản lực của mặt đường lên các bánh xe trước [12]
Gb1 - trọng lượng phân bố trên bánh xe, Fx - lực đẩy từ khung xe, Fy - lực ngang, Z1 - phản lực vuông góc, X1 - phản lực tiếp tuyến, Y1 - phản lực ngang,
a1 - khoảng cách giữa tâm tiếp xúc và mặt phẳng ngang của bánh xe.
- Phản lực vuông góc (Z), còn gọi là lực đỡ, là thành phần có phương vuông góc với mặt đường.
Z 1 - Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe trước, Z 1 = Gb1.cos = G1 Z 2 - Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe sau, Z 2 = Gb2.cos = G2
- Phản lực tiếp tuyến (X) - thành phần tác dụng trong mặt phẳng ngang và có phương cùng phương chuyển động của ô tô (phương của trục Ox).
- Phản lực ngang (Y) - thành phần tác dụng trong mặt phẳng ngang và có phương của trục Oy.
2.1.2.3. Lực cản dốc
Lực cản dốc (Fg) là lực xuất hiện khi xe chuyển động trên đường dốc. Lực cản dốc có phương song song với mặt đường, chiều ngược chiều chuyển động của xe khi xe lên dốc và cùng chiều khi xe xuống dốc, điểm đặt tại trọng tâm của xe.
Fg = G. sin (2.2)
Trong đó: Dấu (+) ứng với trường hợp xe xuống dốc, dấu (-) khi xe lên dốc.
2.1.2.4. Lực cản lăn
Lực cản lăn (Ff) là lực xuất hiện do ma sát giữa bánh xe với mặt đường và do biến dạng của bánh xe và của mặt đường. Lực cản lăn có phương song song với chiều chuyển động của xe, chiều ngược chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại tâm tiếp xúc.
Trị số của lực cản lăn được xác định bằng biểu thức:
Ff = Ff1 + Ff2 = f1 . Z1 + f2 . Z2 (2.3) Trong đó:
+ Ff (N) - Tổng lực cản lăn;
+ Ff1, Ff2 (N) - Lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau; + f1, f2 - hệ số cản lăn ở bánh xe trước và ở bánh xe sau;
+ Z1, Z2 (N) - phản lực vuông góc tại các bánh xe trước và sau. Nếu f1 = f2 = f ta có: Ff = f.( Z1 + Z2 ) = f.G.cos
Để thuận tiện trong việc khảo sát động lực học ô tô, người ta thường kết hợp
lực cản lăn và lực cản dốc thành một lực có tên gọi là lực cản của đường (F) như sau: F = Ff Fg = G(fcos sin) = G (2.4) Trong đó: là hệ số cản lăn của đường, = fcos sin
2.1.2.5. Lực cản khí động học
Lực cản khí động học (Fw), còn gọi là lực cản của gió hoặc lực cản của không khí, là lực của không khí tác dụng lên xe khi chuyển động. Lực cản khí động học có phương song song với mặt đường, điểm đặt tại tâm chắn gió. Lực cản khí động học có chiều cùng chiều hoặc ngược chiều chuyển động của xe, tuỳ thuộc vào hướng và tốc độ của gió, tốc độ của xe. Trị số của lực cản khí động học thường được xác định bằng thực nghiệm. Theo [10], lực cản khí động học có thể xác định như sau:
Fw = 0,50CwAf (v v0)2 (2.5) Trong đó:
+ o (kg/m3) - mật độ của không khí quanh xe; + cw - hệ số cản khí động học;
+ Af (m2) - tiết diện ngang chắn gió của xe; + v (m/s) - vận tốc của xe;
+ vo (m/s) - vận tốc chính diện của gió.
2.1.2.6. Lực quán tính
Lực quán tính (Fj) là lực cần thiết để gia tốc các khối lượng chuyển động của xe. Lực quán tính xuất hiện khi tốc độ của xe thay đổi. Lực quán tính có phương song song với mặt đường, chiều ngược với chiều của gia tốc, điểm đặt tại trọng tâm của xe.
Fj = Fj ' + Fj '' j g G Fj' j g G F Fj'' j j'' j j g G F Fj j j' j
Trong đó: Fj - tổng lực quán tính quy về trọng tâm của xe; F’j - lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến; F’’j - lực quán tính của các khối lượng chuyển động quay (bánh đà, trục khuỷu,...); j - gia tốc của xe; j - hệ số quán tính quay.
2.1.2.7. Lực kéo
Lực kéo (Fk) là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động được sinh ra do moment kéo được truyền từ động cơ đến bánh xe chủ động. Lực kéo có phương song song với mặt đường, chiều cùng chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại tâm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường.
k t t e k k k r i M r M F (2.6)
trong đó: Me - moment quay của động cơ, it - tỷ số truyền giữa động cơ và bánh xe chủ động, t - hiệu suất của hệ thống truyền lực, rk - khoảng cách giữa tâm bánh xe chủ động và tâm vùng tiếp xúc.
G b
Z
F Mk
F k
Hình 2.5 Sơ đồ biểu diễn lực kéo
Mk - moment kéo; FMk - lực tác dụng lên mặt đường do moment kéo sinh ra; Fk - lực kéo
Để thuận tiện trong phân tích, người ta thường lấy rk rb (bán kính bánh xe chủ động), khi đó: b k k r M F (2.7)
Lực kéo tiềm năng:
b k r M F' .max max (2.8) Lực kéo cực đại: F r M F b k k .max max . (2.9)
Lực kéo cực đại (Fk.max) bị giới hạn bởi hai yếu tố: moment kéo (Mk) và lực bám giữa các bánh xe chủ động và mặt đường (F).
Ngoài các loại lực và moment đã trình bày ở trên, còn tồn tại một số loại lực và moment khác tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động, như: Lực ly tâm (Fc), Lực ngang (Fy), Lực ma sát (Fms), Lực phanh (Fp), Moment phanh (Mp) và Moment quán tính của các bánh xe (Mjb).