Giáo trình Mô đun: Lý thuyết gầm ô tô có nội dung gồm 6 chương trình bày về: xe và bánh xe; các lực và mô men tác dụng lên ôtô; hệ thống truyền lực; hệ thống phanh; hệ thống lái; hệ thống treo,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung giáo trình!
XE VÀ BÁNH XE
XE VÀ MỘT SỐ KHÁI NIỆM
1.1.1 Thuật ngữ Ô TÔ Đối tượng nghiên cứu của chúng ta là ô tô (hình 1.1) Tiếng Anh thuật ngữ này là
“automobile”, đây là một từ ghép gồm 2 phần: “auto” và “mobile” ghép vào có nghĩa
13 là “tự di chuyển” hay “tự hành” Tiếng Nga cũng như vậy từ “автомобиль” cũng được ghép từ “авто” và “мобиль” và cũng có nghĩa là “tự di chuyển”
Hình 1 1 Ô tô - Đối tượng nghiên cứu của chúng ta
Thực sự chúng tôi không biết từ “ô tô” của tiếng Việt xuất xứ từ đâu Tuy nhiên TCVN – 1779-76 (năm 1976) đã định nghĩa thuật ngữ ô tô như sau:
Xe tự chạy có động cơ, có trên 2 bánh hoặc phối hợp bánh với xích và dùng để vận chuyển chủ yếu trên đường bộ
Xe tự chạy cần có động cơ làm nguồn động lực, và động cơ hơi nước được phát minh bởi Jem Wat vào năm 1764 Chiếc ô tô đầu tiên, theo nhiều tài liệu, được chế tạo bởi Junio người Pháp vào năm 1769, chỉ 4 năm sau khi động cơ hơi nước ra đời Một số tài liệu tiếng Nga cũng cho rằng chiếc ô tô đầu tiên được phát minh vào năm 1766 bởi Pôlzunôp (Пользунов) Trong giai đoạn này, ô tô được trang bị động cơ hơi nước, một loại động cơ đốt ngoài.
Hình 1 2 Các hình thức vận chuyển thời cổ xưa
Tiếng Việt có từ "xe" để chỉ phương tiện vận chuyển, nhưng nguồn gốc ra đời của xe vẫn chưa được xác định Từ thời cổ đại, con người đã cần vận chuyển, ban đầu qua các hình thức như mang, vác, kéo lê Một số hình thức này vẫn tồn tại đến nay Dần dần, con người đã chế tạo ra xe trượt, được làm từ một cái thùng đặt trên hai khúc gỗ tròn và được kéo bởi súc vật, trước khi có bánh xe.
Hình 1 3 Một loại xe trượt từ thời cổ xưa
Mặc dù còn thô sơ, nhưng phương tiện này đã đánh dấu một bước tiến quan trọng trong sự phát triển xã hội loài người Nó không chỉ tăng cường năng suất lao động mà còn góp phần nâng cao mức sống của con người.
Hình 1 4 Di chuyển một vật nặng bằng cách lăn trên các thanh gỗ tròn
Hình 1 5 Bánh xe bằng gỗ
Xe trượt đã nâng cao năng suất lao động, nhưng ma sát trượt giữa xe và mặt đất vẫn yêu cầu lực kéo lớn Qua quá trình tiến hóa, con người đã nhận ra điều này trong quá trình lao động.
Ngày nay, chúng ta đã nhận thức được rằng lăn một vật tròn nhẹ hơn là cách kéo nó hiệu quả hơn, nhờ vào việc ma sát lăn nhỏ hơn ma sát trượt Con người đã áp dụng phát hiện này để di chuyển các vật nặng bằng cách đặt dưới chúng những khúc gỗ tròn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển.
Cách vận chuyển này vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay
Bánh xe và xe có bánh
Từ những phát hiện trên đây mà đến một thời điểm nào đó, bánh xe đã ra đời
Sự ra đời của bánh xe được coi là một mốc quan trọng trong quá trình phát triển của xã hội loài người Với việc thay thế các thanh trượt bằng bánh xe, xe có bánh đã xuất hiện, mở ra một bước tiến mới trong giao thông Xe có bánh thường hoạt động trên đường hoặc trên địa hình tương đối bằng phẳng, giúp nâng cao hiệu quả di chuyển.
Trước khi có động cơ, xe có bánh được kéo bởi người hoặc súc vật, với lực kéo từ con người hoặc súc vật được gọi là Pk Đồng thời, lực cản đối kháng với chuyển động được ký hiệu là Pc Điều này tạo ra các điều kiện cần thiết cho sự chuyển động của xe.
Trong đó f là hệ số cản giữa bánh xe và mặt đường khi lăn
Bánh xe hoạt động nhờ vào lực kéo Pk do con người hoặc súc vật tạo ra qua khung xe, tạo ra lực Pb tác động lên trục bánh xe Lực này sinh ra mô men Mb = Pb.rb, giúp bánh xe quay và xe di chuyển.
Năm 1764, Jem Wat, một nhà khoa học người Anh, đã phát minh ra động cơ hơi nước, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử tiến hóa của loài người Từ khi còn nhỏ, ông đã quan sát sức mạnh của hơi nước khi nhìn thấy nắp vung ấm nước bị đẩy lên khi nước sôi, từ đó nảy ra ý tưởng về việc khai thác sức mạnh này, dẫn đến việc phát minh ra động cơ hơi nước.
Hơi nước được sinh ra từ nồi hơi và được dẫn vào xi lanh, làm cho pittông chuyển động tịnh tiến Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của pittông thành chuyển động quay của trục khuỷu Phát minh này đã đóng vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp, đánh dấu sự chuyển mình từ nền văn minh nông nghiệp sang nền văn minh công nghiệp.
Ngày nay, tại Anh, trên mộ của Jem Wat có ghi dòng chữ: "NGƯỜI ĐÃ NHÂN LÊN GẤP BỘI SỨC MẠNH CỦA CON NGƯỜI." Sự phát triển của động cơ hơi nước đã mở ra kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp, cho phép máy dệt, máy xay bột và nhiều loại máy móc khác ra đời, những thiết bị trước đây không thể tồn tại do thiếu nguồn năng lượng thích hợp.
Khi đã có động cơ, người ta nghĩ đến việc lắp động cơ lên xe có bánh, tạo ra xe tự hành (automobile) - ô tô Trên xe có động cơ, trục động cơ được nối với trục bánh xe và động cơ làm việc (quay) thì bánh xe quay, xe chuyển động mà không cần người (hoặc súc vật) kéo Chiếc ô tô đầu tiên được cho là đã ra đời vào năm 1769, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử phát triển của ngành công nghiệp ô tô.
Hình 1 7 Sự làm việc của bánh xe
Hình 1 8 Xe tự hành (ô tô) với nguồn động lực là động cơ hơi nước
Bánh xe của xe tự hành hoạt động khi động cơ hơi nước tạo ra mô men Me, được truyền đến bánh xe để làm chúng quay Khi bánh xe quay, chúng tác dụng lực P lên mặt đường, và mặt đường phản hồi bằng lực Pk ngược chiều với P, với giá trị Pk = P Lực Pk này là lực đẩy vào xe, giúp xe di chuyển, thông qua bánh xe và trục bánh xe, tạo ra lực Pb tác động lên khung xe Do đó, theo phương ngang, bánh xe chịu tác dụng của lực từ mặt đường Pk và lực từ khung xe Pb.
Trên xe tự hành, không phải tất cả các bánh xe đều nhận mô men từ động cơ; những bánh xe không nhận mô men được gọi là bánh xe bị động, hoạt động giống như bánh xe của xe không có động cơ Ngược lại, các bánh xe nhận mô men từ động cơ được gọi là bánh xe chủ động Mặc dù động cơ hơi nước có vai trò lịch sử quan trọng, nhưng nó cũng có nhược điểm lớn như hiệu suất thấp (chỉ đạt 3-4%) và kích thước, trọng lượng lớn Nếu động cơ hơi nước vẫn tồn tại đến ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường chắc chắn sẽ trở thành mối quan tâm lớn.
Vào năm 1877, hai nhà sáng chế Ôttô và Langhen đã phát minh ra động cơ đốt trong đầu tiên sử dụng nhiên liệu xăng, trong đó cần tia lửa điện để kích hoạt quá trình cháy Động cơ này, như hình 1.10 minh họa, đã đánh dấu một bước tiến quan trọng trong công nghệ Đến năm 1897, nhà phát minh Điêzen đã phát triển động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu điêzen, loại nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp mà không cần tia lửa điện.
BÁNH XE
Từ những bánh xe đơn giản trong hình 1.6 đến bánh xe ô tô hiện đại ngày nay, đã có những bước tiến vượt bậc về công nghệ và nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số kết cấu của bánh xe với khả năng chuyển động của ô tô, đặc biệt là trong việc cải thiện chất lượng kéo và bám đường Hiện nay, bánh xe được coi là yếu tố kết nối giữa thân xe và mặt đường, đảm nhận nhiều nhiệm vụ quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và an toàn khi di chuyển.
- Đỡ toàn bộ trọng lượng xe theo phương thẳng đứng,
- Giảm tác động từ mặt đường lên xe,
Khả năng chuyển động của ô tô phụ thuộc vào các lực thẳng đứng F, lực dọc P và lực ngang Y, được gọi là các lực tương tác bánh xe - mặt đường Bánh xe cần có độ cứng vững, độ bền cao và tính năng đàn hồi để thực hiện các nhiệm vụ như chuyển động thẳng, phanh và quay vòng Ban đầu, bánh xe đơn giản được làm bằng gỗ với tính năng đàn hồi gần như không có Sự phát triển của cao su đã dẫn đến việc bọc cao su vào bánh xe kim loại, tạo ra loại bánh xe cải tiến vẫn tồn tại đến ngày nay Hiện nay, bánh xe được cấu tạo từ lốp, vành bánh xe và van không khí, với lốp có săm là loại phổ biến trước đây Tuy nhiên, nhờ vào công nghệ làm kín hiện đại, bánh xe không săm đã trở nên thông dụng hơn, mang lại độ đàn hồi cao hơn.
Các thuộc tính truyền lực của bánh xe vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và chưa hoàn thiện Lốp xe đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo khả năng điều khiển ô tô thông minh và an toàn động lực học, góp phần vào an toàn tích cực cho người lái.
Hình 1 11 Bánh xe ô tô ngày nay a) Bánh xe có săm; b) Bánh xe không săm
1 Săm; 2 Lốp; 3 Vành bánh xe; 4 Van không khí
Lốp và không khí bên trong là hai yếu tố quyết định thuộc tính của bánh xe Lốp có cấu trúc đàn hồi nhờ vào cao su và khí nén, giúp hấp thụ lực và giảm tốc độ di chuyển Khi bánh xe di chuyển theo phương thẳng đứng, lốp sẽ biến dạng theo hướng kính, tạo ra lực F tác động lên mặt đường Lực F này thay đổi từ 0 đến Fmax tùy thuộc vào dao động của bánh xe, do đó vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường cũng sẽ biến đổi.
Mô men từ động cơ truyền xuống bánh xe hoặc mô men phanh làm cho bánh xe biến dạng tiếp tuyến, cả khi bánh chưa trượt lết hoặc trượt quay Ngoài ra, nếu có ngoại lực ngang, lốp cũng sẽ biến dạng theo phương ngang Điều này cho thấy lốp có khả năng biến dạng đàn hồi ở mọi phương, và sự biến dạng này phụ thuộc vào cấu trúc lốp, vật liệu cao su ngoài và áp suất bên trong Khi bánh xe chuyển động, có hai quá trình chính xảy ra liên quan đến sự biến dạng của lốp.
- Dưới tác dụng của các lực vào bánh xe, lốp bị đàn hồi ở các phương và gây tổn hao vận tốc
- Khi các lực và mô men chủ động vượt qua giới hạn đàn hồi, lốp bị trượt tương đối so với đường
Sự truyền lực giữa bánh xe và đường có 2 bản chất cơ bản:
Sự truyền lực giữa lốp xe và mặt đường được thực hiện thông qua các mấp mô tế vi, với lốp có khả năng đàn hồi Điều này tạo ra sự tương tác giống như các bộ truyền bánh răng, nhưng khác biệt ở chỗ các vấu tế vi của lốp và đường là mềm và đàn hồi.
- Khi vượt quá giới hạn truyền theo đặc điểm trên, sự truyền quay trở về kiểu truyền ma sát
Như vậy sự truyền lực giữa bánh xe và mặt đường không giống những đặc điểm của định luật ma sát Culông
Trong động lực học ô tô cổ điển, mô men từ động cơ, mô men phanh và góc quay bánh xe do lái xe điều khiển là những yếu tố quyết định chuyển động của ô tô Tuy nhiên, trong bối cảnh ô tô tự động ngày nay, các lực dọc P và lực ngang Y trở thành yếu tố quan trọng hơn Do đó, việc nghiên cứu đặc tính truyền lực của lốp là cần thiết trong động lực học ô tô hiện đại.
Nghiên cứu tương tác giữa bánh xe và đường, người ta chia làm hai loại:
- Bánh xe đàn hồi trên nền cứng,
- Bánh xe đàn hồi trên nền đường không có kết cấu bền vững,
Loại bánh xe đầu tiên có vai trò quan trọng trong nghiên cứu ô tô trên đường giao thông, trong khi loại thứ hai phục vụ cho xe quân sự, công trường, vùng mỏ và nông nghiệp Bài viết này sẽ tập trung vào việc phân tích bánh xe đàn hồi trên nền cứng.
Khi nghiên cứu động lực học bánh xe có 3 vấn đề quan trọng đầu tiên cần được đề cập là cản lăn, bám và sự trượt của bánh xe
Bánh xe đàn hồi được hình thành nhờ lốp xe, là một balông khí có cấu tạo từ các lớp mành Các lớp mành lốp được đan bởi sợi nilông có độ đàn hồi cao, tạo thành cấu trúc có khả năng đàn hồi trong cao su Góc mành, góc giữa sợi mành và mặt phẳng lốp, quyết định đến thuộc tính của lốp Nếu góc mành nhỏ, lốp có đặc tính ngang tốt nhưng không êm khi lăn Ngược lại, nếu góc mành là 90 độ, lốp sẽ êm hơn nhưng kém về đặc tính ngang Để tối ưu hóa cả hai thuộc tính, các mành thường được đan với góc lớn hơn 40 độ, nhiều hơn hai lớp và đan lệch hướng nhau Khi chuyển động, các phần tử cao su co giãn giữa lốp và đường, gây mòn lốp và tăng hệ số cản lăn Do đó, hiện nay, hầu hết các lốp xe cao tốc đều có cấu trúc mành vuông góc 90 độ.
Lốp xe có cấu trúc gồm 3 lớp chính: lớp trong cùng là lốp mành vuông với các sợi nilông đan vuông góc, được gọi là lốp Radial Tire Phía trên lớp mành là lớp đệm, nằm giữa lớp mành và bề mặt lốp, được cấu tạo từ các sợi đệm.
Lốp hướng kính được thiết kế với 20 lớp đệm chồng lên nhau và lệch nhau, bao quanh bởi cao su, tạo ra một lớp đệm đàn hồi ngang Thiết kế này không chỉ hỗ trợ khả năng đàn hồi ngang mà còn tăng cường sự ổn định trong chuyển động Nhờ vào việc giảm thiểu chuyển động ngang so với mặt đường, nhiệt năng sinh ra trong lốp giảm tới 60% so với lốp mành chéo trong cùng điều kiện, từ đó kéo dài tuổi thọ của lốp hướng kính gấp đôi.
Lốp hướng kính duy trì áp suất nền ổn định trên bề mặt tiếp xúc, trong khi lốp mành chéo có sự biến đổi áp suất theo từng điểm, dẫn đến các chuyển động tương đối giữa các phần tử cao su trên bề mặt lốp.
Lớp đệm chéo trong lốp hướng kính đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường đàn hồi ngang, tương tự như lốp mành chéo, giúp tăng cứng cho bề mặt lốp Khả năng truyền lực của lốp khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc, áp suất lốp và các yếu tố khác, dẫn đến những đặc tính không giống nhau Tính chất truyền lực được xác định bởi hai yếu tố chính: biến dạng của lốp (cấu trúc lốp) và sự tương tác giữa lốp và đường (quan hệ tương tác).
Tùy theo trạng thái của lốp mà có các loại bán kính khác nhau:
Bán kính thiết kế (r₀) được cung cấp bởi nhà thiết kế và sản xuất theo kích thước tiêu chuẩn, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các thông số kỹ thuật của lốp Ví dụ, đối với lốp tôrôit áp suất thấp, ký hiệu lốp là B-d, trong đó chiều cao (H) bằng chiều rộng (B) Các loại bán kính khác như bán kính tĩnh, bán kính lăn, bán kính động và bán kính làm việc trung bình cũng cần được xem xét để đảm bảo hiệu suất tối ưu của lốp.
B r = d + b Bán kính tĩnh r t : Khoảng cách từ tâm trục bánh xe đến mặt đường khi xe đứng yên và chịu tải trọng thẳng đứng
Bán kính động lực học (rd) là khoảng cách từ tâm trục bánh xe đến mặt đường khi xe chuyển động, và nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tải trọng thẳng đứng, vật liệu lốp, áp suất lốp, mô men trên bánh xe và lực li tâm Bán kính này được coi là bán kính thực tế của xe khi đang di chuyển Trong khi đó, bán kính lăn (rl) là bán kính của bánh xe giả định, không bị biến dạng khi hoạt động, không xảy ra trượt lết hay trượt quay, và có cùng vận tốc góc và vận tốc dài như bánh xe thực tế.
CÁC LỰC VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ
LỰC VÀ MÔ MEN CHỦ ĐỘNG
Lực và mô men chủ động là những yếu tố chính giúp ô tô di chuyển, và để tạo ra các lực này, xe cần một nguồn động lực Tất cả các loại xe tự hành đều phải được trang bị nguồn động lực để hoạt động hiệu quả.
2.1.1 Nguồn động lực trên ô tô
Trước khi động cơ hơi nước ra đời, xe cộ chủ yếu được kéo hoặc đẩy bởi con người hoặc súc vật, tạo nên nguồn động lực cho phương tiện di chuyển Trong bối cảnh này, lực chủ động được sinh ra từ con người hoặc súc vật và tác động vào thân xe thông qua càng kéo, đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển.
Kể từ khi xuất hiện động cơ nhiệt, bắt đầu với động cơ hơi nước và sau đó là các động cơ đốt trong hiện đại, con người đã lắp đặt động cơ lên xe, đánh dấu sự ra đời của xe tự hành (automobile).
Và trên xe “tự hành” nguồn động lực chính là động cơ
Hiện nay, động cơ hơi nước đã không còn được sử dụng, và động cơ đốt trong với nhiên liệu xăng hoặc điêzen trở thành nguồn động lực chính cho ô tô Mặc dù hai loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm và phổ biến, nhưng chúng cũng gây ô nhiễm không khí và có giá thành cao Do đó, khí ga, một loại nhiên liệu ít gây ô nhiễm hơn và giá thành rẻ hơn, đang được nghiên cứu để sử dụng, mặc dù tính tiện dụng của nó còn hạn chế do cần nạp vào bình với áp suất cao Tất cả các loại nhiên liệu này đều có nguồn gốc từ dầu mỏ, một loại nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt Vì vậy, con người đang tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế, trong đó nhiên liệu sinh học đang được xem xét và nghiên cứu.
Vì nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trường gia tăng, con người đang tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế, trong đó năng lượng điện trở thành tâm điểm Ô tô điện, với ưu điểm ít gây ô nhiễm, đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của ô tô điện là dung lượng accu hạn chế, khiến chúng chỉ có thể di chuyển quãng đường ngắn trước khi cần sạc lại Do đó, ô tô điện thường được sử dụng trong các khu vực như khu du lịch hay kho bãi, nơi quãng đường di chuyển không quá dài.
Ngoài động cơ đốt trong, nhiều nguồn năng lượng khác như năng lượng mặt trời và năng lượng khí nén cũng đang được nghiên cứu Tuy nhiên, hiện tại, hầu hết ô tô vẫn sử dụng động cơ đốt trong, và các đặc tính của loại động cơ này đã được giới thiệu chi tiết trong các tài liệu liên quan.
32 liệu, giáo trình về động cơ đốt trong và được giới thiệu sơ qua ở chương 3 của tài liệu này
Các thông số quan trọng của động cơ bao gồm mô men (Me) và số vòng quay (ne hoặc vận tốc góc ωe), từ đó có thể tính được công suất động cơ (Ne = Meωe) Bên cạnh đó, suất tiêu hao nhiên liệu (ge) cũng là một thông số cần lưu ý, thể hiện lượng nhiên liệu tiêu thụ cho mỗi đơn vị công suất trong một đơn vị thời gian (ví dụ g/kw.h).
Hệ thống truyền lực (HTTL) trên ô tô kết nối động cơ với bánh xe, đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các thông số và đặc tính của động cơ đốt trong để phù hợp với yêu cầu vận hành của bánh xe.
Ô tô với nguồn động lực là động cơ hơi nước, như hình 1.8 của chương 1, có đặc điểm là động cơ được nối trực tiếp với bánh xe Điều này là khả thi nhờ vào các đặc tính và đặc điểm làm việc của động cơ hơi nước Tuy nhiên, hiện nay, ô tô chủ yếu sử dụng động cơ đốt trong, và đặc tính của loại động cơ này không cho phép nối trực tiếp với bánh xe Chúng ta sẽ xem xét chi tiết hơn về vấn đề này trong các phần tiếp theo.
Số vòng quay động cơ và bánh xe là yếu tố quan trọng trong hiệu suất của xe Số vòng quay cực tiểu của động cơ (nemin) thường không dưới 500 vòng/phút Ví dụ, với một xe có vận tốc cực tiểu Vmin = 4 km/h và bán kính bánh xe rb = 0,5 m, số vòng quay cực tiểu của bánh xe (nbmin) cần đạt khoảng 21,23 vòng/phút để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Rõ ràng, nbmin nhỏ hơn nhiều so với nemin Để xe đạt được vận tốc cực tiểu như đã tính, tỉ số truyền động từ động cơ đến bánh xe cần phải thấp.
Như vậy cần một hộp giảm tốc đặt giữa động cơ và bánh xe
Động cơ đốt trong hiện nay có khoảng thay đổi vận tốc từ nemin đến nemax khoảng 6 ÷ 8 lần, ví dụ như 3000/500 hoặc 6000/800 Trong khi đó, khoảng thay đổi vận tốc của ô tô lại rộng hơn nhiều, với Vmin khoảng 4 km/h và Vmax có thể đạt từ 100 đến 200 km/h hoặc hơn Do đó, giữa động cơ và bánh xe, không chỉ cần một hộp giảm tốc mà cần phải có hộp giảm tốc nhiều cấp.
Động cơ đốt trong chỉ hoạt động theo một chiều, trong khi ô tô cần khả năng di chuyển cả tiến lẫn lùi Do đó, để kết nối động cơ với bánh xe, một hộp đảo chiều là cần thiết.
Động cơ đốt trong không thể hoạt động khi số vòng quay ne = 0, mà chỉ bắt đầu từ số vòng quay nemin Nếu nối cứng động cơ với bánh xe, việc khởi hành sẽ trở nên khó khăn và không an toàn Hơn nữa, việc tắt động cơ khi dừng xe cũng gây bất tiện Do đó, cần có một bộ phận hỗ trợ để quá trình khởi hành ô tô diễn ra thuận lợi và cho phép ngắt động cơ khỏi bánh xe khi cần thiết.
Để kết nối động cơ với bánh xe, cần có một bộ phận trung gian, đó chính là hệ thống truyền lực (HTTL) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của HTTL được mô tả chi tiết trong các tài liệu và giáo trình về cấu tạo ô tô.
Chúng ta quan tâm đến các thông số đặc trưng sau đây của HTTL:
2.1.3 Mô men xoắn ở bánh xe chủ động M k và lực kéo tiếp tuyến P k
Như đã nói ở trên, giữa động cơ và bánh xe có một bộ phận trung gian là HTTL
Ta có sơ đồ truyền động sau đây :
CÁC LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG
Khi chuyển động xe chịu các lực cản Xe chuyển động được khi lực kéo tiếp tuyến cân bằng với các lực cản
Có các lực cản chuyển động như sau:
- Lực cản của đường: Lực cản lăn và lực cản lên dốc;
2.2.1 Lực cản lăn a Công thức tính
Khi xe di chuyển, có lực cản tác động lên sự lăn của bánh xe, chủ yếu do ma sát giữa bánh xe và mặt đường, cũng như sự biến dạng của cả bánh xe lẫn mặt đường.
Trên từng bánh xe lực cản lăn Pf được xác định như sau:
F là phản lực tác dụng từ mặt đường lên bánh xe, f là hệ số cản lăn
Hình 2 3 Các lực tác dụng lên bánh xe chủ động
35 Đối với cả xe ta có:
Pf1 là lực cản lăn tại các bánh xe trước;
Pf2 là lực cản lăn tại các bánh xe sau; f1 là hệ số cản lăn tại bánh xe trước; f2 là hệ số cản lăn tại bánh xe sau;
Có thể coi f1 ≈ f2 = f (hệ số cản lăn của đường), do đó có thể viết:
G là trọng lượng của xe;
Biểu thức (2.6) đúng trong trường hợp xe chuyển động trên đường bằng Trong trường hợp tổng quát có thể viết:
Pf = Gcosα.f (2.8) α là góc dốc mặt đường b Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số cản lăn
Như đã trình bày ở chương I, hệ số cản lăn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
- Tính chất cơ lý và trạng thái mặt đường,
- Vật liệu và áp suất lốp,
- Vận tốc xe: Khi vận tốc xe nhỏ
Khi tốc độ xe dưới 80 km/h, hệ số cản lăn hầu như không thay đổi Tuy nhiên, khi tốc độ vượt quá 80 km/h, đặc biệt là từ 130 km/h trở lên, hệ số cản lăn sẽ tăng lên đáng kể.
Ta có thể tham khảo giá trị của hệ số cản lăn f của các loại đường tại bảng 2.1
Xét một ô tô đang chuyển động lên dốc với góc dốc của đường là α như hình vẽ (hình 2.5) Trọng lượng toàn bộ của xe được chia thành 2 thành phần:
- Thành phần vuông góc với mặt đường Gcosα;
- Thành phần song song với mặt đường: Gsinα
Lực cản dốc, ký hiệu là Pi, là thành phần Gsinα ngược chiều chuyển động và song song với mặt đường, xuất hiện khi ô tô di chuyển lên dốc, gây cản trở chuyển động của xe.
Nhựa Nhựa tốt Đá Đất khô
Hình 2 4 Lực cản lăn Pf
Khi xe di chuyển lên dốc, sẽ có hai loại lực cản tác động là lực cản lăn và lực cản dốc Tổng hợp của hai lực cản này được gọi là lực cản tổng cộng của đường, ký hiệu là Pψ Kết hợp với biểu thức 2.8, ta có thể phân tích thêm về các yếu tố ảnh hưởng đến lực cản khi xe lên dốc.
Thông thường góc dốc α của đường nhỏ, do đó có thể coi: cosα ≈ 1; sinα ≈ tgα (2.11)
Khi đó biểu thức (2.10) có thể viết:
Pψ = G(f + tgα) = G(f + i) = Gψ (2.12) ψ = f + i được gọi là hệ số cản tổng cộng của đường; i là độ dốc (thường người ta hay tính theo %) của đường:
2.2.3 Lực cản không khí Ô tô chuyển động trong môi trường khí quyển và do đó bị không khí của bầu khí quyển cản lại Lực cản không khí đối với ô tô có 3 thành phần sau đây:
- Lực cản chính diện: đây là thành phần lực tác dụng lên toàn bộ diện tích phía trước của ô tô
- Lực cản do ma sát giữa lớp không khí sát với mặt bên của ô tô
- Lực cản do tạo thành khoảng chân không phía sau ô tô
Nghiên cứu đã được thực hiện để đo đạc và xác định các lực cản của không khí tác động lên ô tô, từ đó đưa ra công thức tính toán lực cản Pω khi ô tô di chuyển với vận tốc nhất định.
Mật độ không khí ρ là 1,24 kg/m³, trong khi hệ số khí động C phụ thuộc vào hình dáng và chất lượng bề mặt ô tô; ô tô có bề mặt trơn nhẵn và hình dạng khí động học tốt sẽ có giá trị C nhỏ hơn Hình dạng khí động học lý tưởng nhất là giống như giọt nước rơi tự do trong không khí Diện tích chính diện của ô tô được ký hiệu là A.
Hệ số C có giá trị như sau: xe du lịch: C = 0,3 ÷ 0,45; xe khách: C = 0,4 ÷ 0,6; xe tải : C = 0,6 ÷ 0,85
A là diện tích chính diện của ô tô (m 2 )
Xe tải: A = BH; du lịch: A = 0,85B0H (2.15)
Trong đó: B là chiều rộng cơ sở của xe, B0 là chiều rộng toàn bộ xe, H là chiều cao xe (hình 2.7)
Khi ô tô chuyển động trên đường có gió, giá trị vận tốc trong công thức được cộng hoặc trừ đi thành phần gió song song với xe
Khi kéo mooc, hệ số khí động C tăng lên, mức độ tăng được xác định như sau:
C tăng 9 ÷ 32% phụ thuộc khoảng cách giữa mooc và xe
Hình 2 6 Lực cản không khí Pω
Hình 2 7 Lực cản không khí Pω
Khi ô tô di chuyển với vận tốc thay đổi, có gia tốc j và khối lượng M, sẽ xuất hiện lực quán tính Pj.
Lực Pj có chiều ngược lại với gia tốc j, cản trở chuyển động của xe khi gia tốc j cùng chiều với vận tốc V Khi ô tô chuyển động, toàn bộ khối lượng của nó di chuyển theo quỹ đạo, trong khi các chi tiết quay như bánh xe và hệ thống truyền lực cũng có khối lượng và mô men quán tính I Khi xe có gia tốc j, các bánh xe và chi tiết liên quan sẽ có gia tốc góc ε, dẫn đến sự xuất hiện của mô men quán tính Mj.
Trong trường hợp xe chuyển động nhanh dần, thành phần Mj cũng tạo ra lực cản cản lại chuyển động của ô tô
Như vậy lực cản quán tính xuất hiện khi ô tô chuyển động có gia tốc và có 2 thành phần:
Trong đó Pj’ là thành phần do khối lượng chuyển động tịnh tiến của ô tô gây ra;
Pj” là thành phần do các khối lượng chuyển động quay gây ra
Khi tính toán ta có thể dùng công thức sau đây:
Trong đó δi là hệ số kể đến các khối lượng quay của ô tô, δi được tính theo công thức kinh nghiệm sau: δi = 1,05 + 0,0015it 2 (2.20)
Khi xe kéo mooc, xe chịu thêm lực cản từ các mooc kéo Các mooc kéo cũng chịu các lực cản gần giống với xe kéo Cụ thể:
- Lực cản tổng cộng của đường P m giống với xe kéo nghĩa là:
Trong đó: n là số mooc kéo; Q là trọng lượng 1 mooc kéo
Khi xe kéo mooc di chuyển, mooc không phải chịu lực cản không khí như xe kéo, vì nó chuyển động theo sau Do đó, xe và mooc được coi như một đoàn xe, làm tăng hệ số khí động C của toàn bộ đoàn xe Mức độ tăng của hệ số này dao động từ 9% đến 32%, tùy thuộc vào khoảng cách giữa mooc và xe kéo.
- Lực cản quán tính: Khi tăng tốc khối lượng của mooc khi chuyển động có gia
Mooc kéo không có động cơ và hệ thống truyền lực, do đó, các chi tiết chuyển động quay chỉ bao gồm bánh xe, cho phép chúng ta bỏ qua một số ảnh hưởng Trong trường hợp này, lực cản quán tính của mooc kéo P i m được tính toán dựa trên công thức j g n Q.
2.2.6 Điều kiện chuyển động của xe
Xe muốn chuyển động được, trước tiên lực kéo phát ra ở bánh xe phải thắng tất cả các lực cản (ta gọi điều kiện này là điều kiện cần):
Pk ≥ ΣPc = Pf + Pi + Pω + Pj + Pm (2.23)
Lực kéo Pk không thể tăng một cách tùy ý mà bị giới hạn bởi lực bám Pφ, với điều kiện Pkma x = Pφ Do đó, để xe có thể chuyển động, cần có thêm một điều kiện đủ.
Kết hợp 2.23 và 2.24 ta có điều kiện chuyển động của xe là:
Pk ≥ Pf + Pi + Pω + Pj + Pm ≤ Pφ (2.25)
PHẢN LỰC TỪ MẶT ĐƯỜNG
Khi xe di chuyển hoặc đứng yên trên đường, bánh xe tiếp xúc với mặt đường và tác động lực lên bề mặt này, tạo ra nhiều loại lực khác nhau.
Chúng tôi đã phân tích phản lực của mặt đường tác động lên bánh xe theo hướng di chuyển của xe khi bánh xe đang chịu mô men chủ động Mk, được gọi là lực kéo Pk Ngoài ra, còn có các lực khác theo chiều dọc của xe.
Phản lực từ mặt đường tác động lên bánh xe khi thực hiện phanh (với mô men phanh Mp) sẽ được phân tích chi tiết trong chương "Sự phanh ô tô".
- Các phản lực xuất hiện khi xe đi (hoặc đứng yên) trên đường dốc
Trọng lượng của xe thông qua bánh xe tác động lên mặt đường tạo ra phản lực thẳng đứng từ đường vào bánh xe.
Khi xe chuyển động quay vòng hoặc đi trên đường nghiêng còn có phản lực theo chiều ngang tác dụng từ mặt đường vào bánh xe
Sau đây ta sẽ lần lượt nghiên cứu các phản lực đó trong các trường hợp cụ thể
2.3.1 Xe đứng yên trên đường bằng
Khi xe đứng yên trên đường, trọng lượng của xe G được phân bổ qua các bánh xe trước và sau, tạo ra lực tác dụng lên mặt đường Đồng thời, mặt đường cũng phản lực trở lại lên các bánh xe, cụ thể là lực F1 và F2.
F1 và F2 được xác định như sau:
40 a; b và L như trên hình 2.8, trong đó L được gọi là chiều dài cơ sở xe
Hệ số phân bố trọng lượng:
Người ta gọi m1 là hệ số phân bố trọng lượng xe ra cầu trước và m2 là hệ số phân bố trọng lượng xe ra cầu sau với:
Như vậy ta sẽ có: F1 = m1G; F2 = m2G
Trường hợp xe đứng yên (xe ở trạng thái tĩnh):
2.3.2 Xe chuyển động thẳng trên đường bằng
Khi xe đang di chuyển, ngoài các phản lực thẳng đứng từ mặt đường F1 và F2, còn xuất hiện thêm các lực và mô men khác (hình 2.9).
Lực chủ động Pk; mô men chủ động Mk
Các lực cản chuyển động của xe bao gồm lực cản lăn Pf1, Pf2, lực cản không khí Pω, lực cản quán tính Pj, và lực cản mooc kéo Pm, cùng với mô men cản lăn Mf1, Mf2 Để tính toán các phản lực F1, F2, cần thực hiện cân bằng mô men do các lực gây ra tại các điểm tiếp xúc giữa bánh xe trước và sau với mặt đường Lưu ý rằng mô men chủ động Mk là nội lực của ô tô và không tham gia vào các phương trình cân bằng mô men.
Lấy mô men tại điểm tiếp xúc giữa bánh sau với mặt đường:
Trong đó: Mf1 + Mf2 = F1frb + F2frb = Gfrb (2.44)
Hình 2 8 Các lực tác dụng lên xe khi xe đứng yên trên đường bằng
Từ 2.43 kết hợp với 2.44 ta rút ra:
Làm tương tự ta được:
Trường hợp xe chuyển động trên đường bằng không kéo mooc:
2 (2.34) b Xe chuyển động ổn định trên đường bằng không kéo mooc
Khi đó lực cán quán tính Pj = 0 do đó:
2 = (2.36) c Phanh xe trên đường bằng (không kéo mooc)
Khi phanh xe coi rằng V nhỏ do đó : Pω ≈ 0 và lực cản lăn Pf rất nhỏ so với lực phanh Pp và có thể bỏ qua (hình 2.10)
Lấy mô men các lực tại điểm tiếp xúc bánh sau với mặt đường:
2 = (2.38) Hình 2 9 Các lực tác dụng lên xe khi xe chuyển động thẳng trên đường bằng
Chiếu các lực theo phương ngang ta có:
Khi phanh đạt giá trị cực đại, lực phanh tại mỗi bánh xe sẽ bằng với lực bám của bánh xe đó, đồng thời gia tốc chậm dần và lực quán tính cũng đạt mức tối đa.
Pjmax = Pp1max + Pp2max = F1φ +F1φ = (F1 + F2)φ = Gφ (2.39) Thay (2.53) vào (2.51) và (2.52) ta có phản lực mặt đường lên các bánh xe khi phanh cực đại: j g g ( b h g )
2 = (2.41) d Xe chuyển động trên đường bằng với vận tốc cao
Khi xe di chuyển với tốc độ cao, lực cản không khí Pω tăng lên đáng kể, dẫn đến khả năng lật xe Chúng ta sẽ phân tích tình huống này để hiểu rõ hơn về nguy cơ tiềm ẩn.
Khảo sát ô tô chuyển động ổn định với vận tốc cao cho thấy, khi bỏ qua lực cản lăn, ta có thể lấy mô men tại điểm tiếp xúc của bánh xe sau với mặt đường.
Hình 2 10 Các lực tác dụng lên xe khi phanh xe trên đường bằng
Hình 2 11 Các lực tác dụng lên xe khi xe chạy với vận tốc cao trên đường bằng
Vận tốc xe càng tăng lên, lực cản không khí Pω càng tăng lên, phản lực F1 càng giảm đi, khi F1 → 0 xe sẽ bị lật Điều kiện xe bị lật: F1 ≤ 0 → Gb - Pωhω ≤ 0 (2.43)
Thay Pω từ công thức 2.15 vào điều kiện 2.57 ta có:
Theo điều kiện 2.44, xe có chiều cao lớn dễ bị lật hơn Do đó, để giảm nguy cơ lật, các loại xe có vận tốc cao thường được thiết kế với chiều cao thấp hơn Hệ số phân bố tải trọng cũng là yếu tố quan trọng cần xem xét.
Khi xe chuyển động, do xuất hiện thêm các lực như đã nói ở trên do đó trọng lượng xe phân bố lên các bánh xe thay đổi:
Trường hợp xe chuyển động ổn định trên đường bằng không kéo mooc: Từ 2.35 và 2.36 ta có:
GL h P m Gfr GL h P Gfr GL
Trong trường hợp này, phản lực từ mặt đường tác động lên các bánh xe trước giảm, trong khi đó, phản lực tác động lên các bánh sau lại tăng lên.
Khi phanh xe: Từ 2.37 và 2.38 ta có:
Gb G m 2 p = F 2 p = − j g = 2 p − j g (2.48) Khi phanh xe cực đại: Từ 2.40 và 2.41ta có:
Khi phanh xe phản lực, lực tác dụng từ mặt đường lên các bánh xe trước sẽ tăng lên, trong khi lực tác dụng lên các bánh sau lại giảm đi.
1 Xác định phản lực thẳng góc từ mặt đường tác dụng lên bánh xe tại cầu trước Trong trường hợp ô tô chuyển động lên dốc tăng tốc có kéo mooc?
2 Xác định phản lực thẳng góc từ mặt đường tác dụng lên bánh xe tại cầu sau Trong trường hợp ô tô chuyển động lên dốc tăng tốc có kéo móc ?
3 Xác định phản lực thẳng góc từ mặt đường tác dụng lên bánh xe tại cầu trước Trong trường hợp ô tô đứng yên trên đường bằng ?
Các lực và mô mem tác dụng lên ôtô trong các giáo trình sau:
1 Chương 2, tài liệu Giáo trình LÝ THUYẾT GẦM Ô TÔ, Khoa Động lực Trường Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng TP Hồ Chí Minh
2 Giáo trình lý thuyết ô tô , Trường Đại Học SPKT TP.HCM
3 Giáo trình lý thuyết ô tô máy kéo, Nguyễn Hữu Cẩn – Dư Quốc Thịnh – Phạm Minh Thái – Nguyễn Văn Tài – Lê Thị Vàng
