BÀI GIẢNG MÔ LÝ THUYẾT Ô TÔ CHƯƠNG, LỰC VÀ MÔ MEN

CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

Chiều thẳng đứng

Chiều dọc

Chiều ngang

- Trọng lượng xe;
- Phản lực mặt đường

- Lực chủ động (lực kéo);
- Lực cản: lăn, lên dốc, không khí quán tính, mooc kéo;
- Lực phanh.
- Quay vòng;
- Đi trên đường nghiêng

Trong chương này

- Li tâm;
- Trọng lượng xe
- Phản lực mặt đường

- Lực chủ động;
- Lực cản
- Phản lực

1

CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.1. LỰC VÀ MÔ MEN CHỦ ĐỘNG

Lực và mô men chủ động → lực và mô men làm cho ô tô chuyển động;
Xe tự hành → chuyển động → phải có nguồn động lực đặt trên xe.
2.1.1. Nguồn động lực

 Khi chưa có động cơ → người, súc vật, ...
 Động cơ nhiệt:
- Động cơ hơi nước: đốt ngoài (Jem Wat/1764)
- Động cơ đốt trong loại pittông: xăng (Nicolaus August Otto/1877),
điêzen (Rudolf Diesel/1897)
 Động cơ điện
 Hybrid (cả 2 loại: đ/c đốt trong và đ/c điện)
Động cơ đốt trong
XĂNG HOẶC
ĐIÊZEN

Công suất có ích Ne
Mô men Me
Suất tiêu hao nh/liệu ge

VÀ

Số vòng quay ne

2


CHƯƠNG 2: LỰC

Hình 2.1

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

Hình 2.2

3


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.1.2. Hệ thống truyền lực

- Vùng làm việc
→ Không phù hợp
- ne và v:
nemin = 500 v/ph
→ ωemin = 52,3 1/s
rb = 0,5 m
vminE = ωeminrb = 52,3.0,5
Hình 2.3
= 26,15 m/s ≈ 91,5 km/h
vmin = 4 km/h, vmax → 100 km/h;

- Khoảng vận tốc:
nemin = 500 ÷ 1000 v/ph; n = 2000 ÷ 8000 v/ph

→ Nhiều cấp

- Me và Fc: ψmin = f = 0,02; ψmax = f + sinαmax = 0,02 + 0,259 = 0,279
- Lùi xe → Hộp đảo chiều
- Khởi hành, ...
→ Giữa động cơ và bánh xe → Trung gian → HTTL

4


CHƯƠNG 2: LỰC VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

- Tỉ số truyền it;
- Hiệu suất truyền lực ηt;
- Số cấp số nc.

HTTL

2.1.3. Mô men xoắn ở bánh xe chủ động Mk và lực kéo tiếp tuyến Fk

M k = M eitηt

(2.1)

Hình 2.4

Mk

Mục 1.3 chương I:
“Lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường”:

Fk =

Mk
rb

(2.2)

Fk =

Lực kéo trên
bánh xe chủ động

M k M e itη t
=
rb
rb

(2.3)

Fb

Fk

F
5

CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.2. CÁC LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG
ĐƯỜNG: lăn, dốc

KHÔNG KHÍ

QUÁN TÍNH

MOOC KÉO

2.2.1. Lực cản lăn Ff

Bánh xe: Ff = fFz = fGb (2.4)
Cả xe:
Ff = Ff1 + Ff2 = Fz1f1 + Fz2f2
f1 ≈ f 2 = f
Hình 2.5

Ff = Fz1f + Fz2f = Gf (2.5)
Tổng quát: Ff = fGcosα

(2.6)

6

CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.2.2. Lực cản dốc Fd

Khi leo dốc: G
Gsinα

Gcosα
Gsinα

Song song mặt đường
Ngược chiều ch.động

Lực cản lên dốc: Fd = Gsinα

(2.7)

Hình 2.6

Lực cản tổng cộng của đường Fψ : Fψ = Ff + Fd = Gfcosα + Gsinα
Fψ = G(fcosα + sinα) (2.8) → ψ = fcosα + sinα (2.9) → Hệ số cản tổng cộng
cosα ≈ 1; sinα ≈ tanα → ψ = f + tanα
(2.10)
i 
i

Fψ = G ( f + tan α ) = G  f + d ÷
ψ = f + tan α = f + d

(2.11)
100 
100


(2.12)

Khi α ≤ 150 vì sai số khi tính theo 2.10 hoặc 2.11 và theo 2.9 nhỏ.
Ví dụ: f = 0,02; α = 150; Theo 2.9: ψ = 0,02cos150 + sin150 = 0,278;
theo 2.10: ψ = 0,02 + tan150 = 0,288. Ta có sai số ≈ 3,5%.
7


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.2.3. Lực cản không khí Fw

Hình 2.7

Lực cản
không khí

1. Lực cản chính diện;
2. Lực cản do tạo thành khoảng chân không phía sau ô tô;
3. Lực cản do ma sát giữa lớp không khí sát với mặt bên ô tô.

Thành phần 1 và 2: hình dạng xe: thiết kế
8

CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

Thành phần 3: công nghệ: nhấp nhô hiện nay: 0,5 ÷ 1 μm
Ngoài ra: thành phần nhiễu: gương, tay nắm cửa;
Vận tốc lớn: Lực cản
(2.13)
Fw = 0,5 ρ CAv 2

Hình 2.8

ρ: mật độ không khí: 1,24 kg/m3
C: hệ số khí động:
xe con: 0, 5; xe khách : C > 0,7;
xe tải : C > 0,85;

Hình 2.9

A: diện tích chính diện của ô tô:
tải:
A = BH;
(2.14)
du lịch: A = 0,85B0H (2.15)
9


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.2.4. Lực cản quán tính Fq

Khi v ≠ const → j, ε → lực và mô men quán tính
F = mj (2.16)
M = Iε
(2.17)
Có 2 khối lượng tạo ra lực quán tính:
Chuyển động tịnh tiến: khối lượng toàn bộ xe m → F’q (thành phần thứ nhất)
Khối lượng chuyển động quay:
Xe chuyển động → Bánh xe quay → động cơ, HTTL quay
Xe: j → chi tiết quay: ε → Mô men quán tính Mj → F”q (thành phần thứ hai)
Fq = F’q + F”q
Thành phần thứ nhất F’q

(2.18)
dv
Fq, = mj = m
dt

(2.19)

Thành phần thứ hai F”q : Mô men quán tính quy về bánh xe Mj

M q = I eε eitηt + ∑ I nε ninηn + ∑ I bε b

(2.20)

e: động cơ (bánh đà); n: các chi tiết của HTTL; b: bánh xe
10


CHƯƠNG 2: LỰC

j=

dv
j
;εb =
dt
rb

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

(2.21) ε n = ε b in = j

Thay 2.21, 2.22, 2.23 vào 2.20:

Mq =

Vì In << Ie và Ib → bỏ qua In :
Mj → F”j :

Fq,, =

Mq
rb

(2.26)

in
it
(2.22) ε e = ε b it = j
rb
rb

I eit2ηt + ∑ I nin2ηn + ∑ I b

Mq =

rb

I eit2ηt + ∑ I b
rb

Fq,, =

j

2
b

r

(2.24)
(2.25)

j

I eit2ηt + ∑ I b

(2.23)

j

(2.27)

2
2




I
i
η
+
I
I
i
∑
e t t
b
e t ηt + ∑ I b
,
,,
Fq = Fq + Fq =  m +
j = 1 +

mj (2.28)
÷
÷
2
2

÷ 
÷
r
mr
b
b




I eit2ηt + ∑ I b
(2.30)
Fq = mjδ i
Đặt:
(2.29)
δi = 1 +
2

mrb

11


CHƯƠNG 2: LỰC

∑I

b
2
b

mr

≈ 0, 05;

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

Ie
≈ 0, 0015
mrb2

(2.31)

δi = 1,05 + 0,0015it2

(2.32)

2.2.5. Lực cản mooc kéo

Khi kéo mooc → lực cản mooc kéo cũng có các thành phần:
- Đường:
n, Q: số lượng, trọng lượng mooc kéo;
m
Fψ = nQψ

(2.33)
ψ: hệ số cản tổng cộng của đường
- Không khí: Coi xe và mooc → đoàn xe → C tăng 9 ÷ 32%
Q
- Quán tính:
Fqm = n j
(2.34)

g

2.2.6. Điều kiện chuyển động

Điều kiện cần: Fk ≥ ΣFc = Ff + Fd + Fw + Fq + Fm
Điều kiện đủ:

F k ≤ Fφ

→ Fφ ≥ Fk ≥ ΣFc = Ff + Fd + Fw + Fq + Fm

(2.35)
(2.36)
(2.37)

12


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.3. PHẢN LỰC TỪ MẶT ĐƯỜNG
2.3.1. Xe đứng yên trên đường bằng

b
L
a
Fz 2 = G
L

Fz1 = G

(2.38)
(2.39)

Hệ số phân bố tải trọng:

m1 =

Z1
Z
; m2 = 2 (2.40)
G
G

Xe đứng yên:
Hình 2.10

m1t =

b

a
; m2t =
L
L

(2.41)

13


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.3.2. Xe chuyển động trên đường bằng

2.3.2.1. Xe chuyển động trên đường bằng

Hình 2.11
Tổng quát:

Fz1 =

Fz 2 =

G ( b − frb ) − Fw hw mFq h − Fm hm

(2.44)

L

G ( a + frb ) + Fw hw ± Fq h + Fm hm

(2.45)

L

14


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ
G ( b − frb ) − Fw hw Fq h

Fz1 =

Không kéo mooc:
Fz 2 =

L
G ( a + frb ) + FW hw ± Fq hg

L

(2.46)

(2.47)

2.3.2.2. Xe chuyển động đều trên đường bằng không kéo mooc
G ( b − frb ) − Fw hw

L
G ( a + frb ) + Fw hw
Fz 2 =
L

Fz1 =

(2.48)
(2.49)

2.3.2.3. Phanh trên đường bằng
(không kéo mooc)

Fz1 =
Fz 2 =

Gb + Fq h
L
Ga − Fq h
L

(2.50)
(2.51)
Hình 2.12

15


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.3.2.3. Phanh trên đường bằng (không kéo mooc)

Fz1 =
Fz 2 =

Gb + Fq h

(2.50)

L
Ga − Fq h

(2.51)

L

Hình 2.12

Phanh cực đại :

Fq = Fp1 + Fp2 → Fqmax = Fp1max + Fp2max = Fz1φ +Fz2φ = (Fz1 + Fz2)φ = Gφ (2.52)

Fz1 =

G
( b + ϕh)
L

(2.53)

Fz 2 =

G
( a − ϕh)
L

(2.54)
16


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.3.2.4. Xe chuyển động trên đường bằng với vận tốc cao

Fw = 0,5 ρ CAv 2
Fz1 =

Gb − Fw hw
L

(2.55)

v↑ → Fw ↑ → Fz1 ↓ → 0
→ nguy hiểm
Fz1 ≤ 0 → Gb – Fwhw ≤ 0 (2.56)

Hình 2.13

2Gb
(2.57)
ρ CAhω
Ví dụ: Xe con G = 20000 N; b = 1,2 m; Cw = 0,4; A = 2 m2; hw = 0,6 m

Gb ≤ 0,5 ρ CAv 2 hω → v ≥

2Gb
2.20000.1, 2
Điều kiện
v≥
=
= 284m / s = 1022km / h
ρ CAhω
1, 24.0, 4.2.0, 6
nhấc bánh trước:
 Khó xảy ra;
 Chưa kể đến thành phần thẳng đứng của lực không khí
17


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.3.2.5. Hệ số phân bố tải trọng
Xe chuyển động đều trên đường bằng không kéo mooc → từ 2.48 và 2.49:
F

Gfrb + Fw hw
Gb Gfrb + Fw hw
(2.58)
m1k = z1k =
−
= m1t −
G
GL
GL
GL
m2 k =

Fz 2 k Ga Gfrb + Fw hw
Gfrb + Fw hw
=
+
= m2 t +
G
GL
GL
GL

(2.59)

Fz1 p

Khi phanh xe → từ 2.50 và 2.51:

Fq h
Gb Fq h

m1 p =
=
+
= m1t +
G
GL GL
GL
m2 p

Fz 2 p

(2.60)

Fq h
Gb Fq h
=
=
−
= m2 t −
G
GL GL
GL

ϕh
L
ϕh
m1 p = m1t −
L

m1 p = m1t +

Khi phanh xe cực đại → từ 2.53 và 2.54:

(2.61)

(2.62)
(2.63)
18


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.3.3. Xe đứng yên trên đường dốc

Khi xe quay đầu lên dốc:

Hình 2.14

FZ 1

bG cos α − hG sin α
=
L

Xe quay đầu xuống
dốc:
bG cos α + hG sin α
FZ 1 =
L

(2.64)

(2.66)

FZ 2 =

FZ 2 =

aG cos α + hG sin α
L

aG cos α − hG sin α
L

(2.65)

(2.67)
19


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

Điều kiện lật xe:
Lên dốc: Từ 2.64:

Fz1 =

bG cos α − hG sin α
≤0
L

b
bGcosα - hGsinα ≤ 0 → tgα ≥
h

(2.69)

(2.68)

Xuống dốc: tgα ≥

a
h

(2.70)

Tính toán → Xe không tải: α = 600 ; Có tải: du lịch: α = 600 ; tải: α = 350 ÷ 400.
→ Khó xảy ra
Điều kiện trượt:

Gsinα ≥ Fx1 + Fx2

(2.71)

Fx1 + Fx2 ≤ Fz1φ + Fz2φ = (Fz1 + Fz2)φ = φGcosα
Gsinα ≥ φGcosα → φ ≤ tgα
φ = 0,6 → α ≈ 310 ;

(2.72)
(2.73)

id = 15% (khoảng 90) → φ < 0,15

Điều kiện xe trượt trước lúc lật:
Kết hợp 2.73 với 2.67 và 2.68 :

Lên dốc:

ϕ≤

b
hg

(2.74)

Xuống dốc:

ϕ≤

a
hg

(2.75)
20


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.3.4. Xe chuyển động thẳng trên đường dốc

Các dấu trong
biểu thức phụ
thuộc lên hoặc
xuống dốc, tăng
tốc hoặc phanh

Hình 2.15
Fz1 =
Fz 2 =

G ( b cos α − frb cos α h sin α ) − Fw hw Fq h − Fm hm
L
G ( a cos α + frb cos α ± h sin α ) + Fw hw ± Fq h + Fm hm

(2.79)
(2.80)

L
21


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

Các trường hợp nguy hiểm: Xe lên dốc có tăng tốc
Gb cos α − Gfrb cos α − Gh sin α − Fw hw − Fq h − Fm hm
(2.81)
Fz1 =
L
Fz1 → 0 xe sẽ mất kiểm soát → rất nguy hiểm
Khó
xảy ra
→ Gbcosα ≤ Gfrbcosα +Ghsinα + Fwhw + Fqh + Fmhm
(2.82)
Khả năng xe bị trượt: Gsinα + Fq + Fm ≥ Fz1φ + Fz2φ = φGcosα (bỏ qua Ff , Fw)
Fq + Fm
Fm
(2.84)
ϕ
≤
tg
α
+
ϕ ≤ tgα +
(2.83) Không tăng tốc
G cos α
G cos α
Xe xuống dốc có phanh
G ( a cos α + frb cos α − h sin α ) + Fw hw − Fq h + Fm hm
Fz 2 =

L

Fm = 0 và bỏ qua Ff , Fw

Fz 2 =

(2.85)

G ( a cos α − h sin α ) − Fq h

Fz2 → 0 → Gacosα ≤ Ghsinα + Fqh
Xe bị trượt: Gsinα + Fq ≥ Fz1φ + Fz2φ = φGcosα

L
(2.87)
ϕ ≤ tgα +

(2.86)
Fq

G cos α

(2.88)
22


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.3.5. Xe đứng yên hoặc chuyển động thẳng trên đường nghiêng

G

( B cos β − 2h sin β ) (2.89)
2B
G
Fzp =
( B cos β + 2h sin β ) (2.90)
2B
B
tg
β
≥
Fzp ≤ 0 → lật xe →
(2.91)
2h
Fzt =

Điều kiện bị xe trượt:
(Fyt + Fyp)max ≤ Gsinβ
→ Fzpφn + Fztφn ≤ Gsinβ
Fzpφn + Fztφn = φnGcosβ
Điều kiện trượt: φn ≤ tgβ
Trượt trước lúc lật:

(2.92)
(2.93)
(2.94)

B
ϕn ≤
2h

Hình 2.16
(2.95)

Phương ngang: xe đứng yên → giống chuyển động thẳng

23


CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

2.3.6. Xe quay vòng trên đường phẳng

(trái, phải theo chiều CĐ của xe)
GB + 2 Flt h
(2.96)
2B
GB − 2 Flt h
(2.97)
Fzt =
2B
RBg − 2v 2 h
mv 2
Fzt = G
Flt =
(2.99)
2 BRg
R
Fzp =

Fzp ≤ 0 →nguy hiểm →lật
RBg − 2v 2 h ≤ 0 → v ≥

Điều kiện trượt:

v2
ϕn ≤
gR

BRg
2h

(2.100)

Hình 2.17

(Fyt + Fyp)max ≤ Flt → (Fzt + Fzp)φn ≤ Flt → Gφn ≤ Flt
(2.101)

Trượt trước lúc lật

ϕn ≤

B
2h

(2.102)
24

CHƯƠNG 2: LỰC

VÀ MÔ MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

BÀI TẬP
1. Đường: f = 0,02, id = 19%; G = 100000N, Me =350 Nm, ηt = 0,85, rb = 0,45 m.
Xác định it để xe có thể chuyển động được, coi rằng lực cản không khí không
đáng kể.
2. Xe con G = 18500 N, kích thước xe: H = 1,52m, B 0 = 1,45 m, Cw = 0,37,
đường bằng f = 0,02, v = 150 km/h, số truyền xe đang chạy i t = 3,8, ηt = 0,85, rb =
0,32 m. Xác định mô men của động cơ, biết ρ =1,24 kg/m 3.
3. G = 50000 N, đường bằng; Me = 300 Nm, it = 25, ηt = 0,85, rb = 0,4 m. Tính
gia tốc của xe, coi rằng lực cản không khí không đáng kể.
4. Xác định khả năng chuyển động của xe trong các trường hợp sau:
a. Xe con G = 21000 N, cầu trước chủ động, a/b = 1,3/1,2 (m), M e = 180 Nm, it =
15, rb = 0,32 m, ηt = 0,85; f = 0,02, id = 25%, φ = 0,4; coi rằng lực cản không khí
không đáng kể.
b. Xe tải G = 90000 N, cầu sau chủ động, a/b = 2,9/1,4 (m), M e = 400 Nm, it =
40, rb = 0,45 m, ηt = 0,85; f = 0,02, id = 26%, φ = 0,7; coi rằng lực cản không khí
không đáng kể.
25