Nghiên cứu thiết kế thanh ổn định xe tải nâng cao tính ổn định khi quay vòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN QUÝ MINH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THANH ỔN ĐỊNH XE TẢI
NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH KHI QUAY VÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

TS. DƢƠNG NGỌC KHÁNH

Hà Nội - 2016


LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Quý Minh. Tôi xin cam đoan đề tài này là công trình
nghiên cứu của tôi. Nếu tôi có bất cứ hành vi gian lận nào thì tôi xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm trước nhà trường.
Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2016
Học viên

Nguyễn Quý Minh

i

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và
động viên từ các thầy cô giáo, các ban ngành cùng toàn thể cán bộ nơi tôi chọn làm
địa bàn nghiên cứu, gia đình và bạn bè.
Trước tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn ban Giám hiệu nhà trường, toàn thể các
thầy cô giáo thuộc Viện Cơ khí Động lực - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã
truyền đạt cho tôi những kiến thức cơ bản và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành
luận văn này.
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Dương Ngọc
Khánh đã dành nhiều thời gian trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình cho tôi hoàn
thành quá trình nghiên cứu đề tài này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã
động viên và giúp đỡ tôi về tinh thần, vật chất trong suốt quá trình học tập và
thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2016

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ..............................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... vii
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................... ix
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................1
1.1. Các trạng thái lật đổ của xe theo các phƣơng ...............................................1
1.2. Đặc điểm trạng thái lật bên của ô tô ..............................................................2

1.3. Các thông số động lực của ô tô khi chuyển động trên đƣờng vòng ............4
1.3.1. Quan hệ lực, mô men và biến dạng của lốp khi xe đi trên đường vòng............5
1.3.2. Góc nghiêng thân xe. ......................................................................................9
1.3.3. Tâm nghiêng ngang cầu xe, trục lắc dọc thân xe ........................................11
1.3.4. Sự thay đổi của tải trọng thẳng đứng ..........................................................16
1.3.5. Trạng thái lật tĩnh ........................................................................................18
1.3.6. Trạng thái lật động ......................................................................................18
1.4. Vấn đề lật xe khi đi vào đƣờng vòng ............................................................19
1.5. Biện pháp sử dụng thanh ổn định để tăng tính ổn định của xe tải ...........21
1.6. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài ............................................................22
1.7. Mục tiêu, phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu ........................................24
1.7.1. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................24
1.7.2. Phương pháp nghiên cứu: ...........................................................................24
1.7.3. Nội dung nghiên cứu...................................................................................24
CHƢƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG XE TẢI..25
2.1. Phân tích cấu trúc ô tô và định nghĩa hệ quy chiếu....................................25
2.2. Mô hình động lực học xe tải ..........................................................................26
2.2.1. Động lực học trong mặt phẳng OXY ..........................................................26
2.2.2. Động lực học trong mặt phẳng OXZ ..........................................................28
2.2.3. Động lực học trong mặt phẳng OZY ..........................................................29
2.2.4. Xác định các lực bánh xe bằng mô hình lốp ...............................................30
iii


2.2.5. Xác định lực liên kết hệ thống treo .............................................................34
2.2.6. Xác định mô men thanh ổn định và mô men xoắn khung xe .....................36
2.3. Mô phỏng động lực học quay vòng xe tải bằng Simulink ..........................37
2.3.1 Công dụng của phần mềm Simulink ............................................................37
2.3.2. Sơ đồ thuật toán ..........................................................................................38
2.3.3. Các khối tính toán và mô phỏng bằng Simulink.........................................39

CHƢƠNG III: KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG .........................43
3.1. Thông số kỹ thuật của xe và các phƣơng án khảo sát ................................43
3.1.1. Thông số kỹ thuật của xe ............................................................................43
3.1.2. Các phương án khảo sát ..............................................................................44
3.2. Kết quả khảo sát và đánh giá.......................................................................44
3.2.1 Khảo sát xe quay vòng với góc quay bánh xe dẫn hướng 50 tại vận tốc v =
40 km/h với trạng thái không có thanh ổn định và có thanh ổn định ...................44
3.2.2 Khảo sát xe quay vòng với góc quay bánh xe dẫn hướng 50 tại vận tốc v =
45km/h với trạng thái không có thanh ổn định và có thanh ổn định ....................52
3.2.3. Khảo sát xe quay vòng với góc quay bánh xe dẫn hướng 50 tại vận tốc v =
50 km/h với trạng thái không có thanh ổn định và có thanh ổn định ...................54
CHƢƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THANH ỔN ĐỊNH NGANG ...........57
4.1. Công dụng của thanh ổn định ngang ...........................................................57
4.2. Cơ sở tính toán, thiết kế thanh ổn định ngang ............................................57
4.3. Mô men chống lật tác dụng lên thân xe ......................................................58
4.3.1. Mô men chống lật trên cầu xe .....................................................................58
4.3.2. Mô men chống lật do thanh ổn định ...........................................................59
4.4. Tính toán thiết kế thanh ổn định ngang ......................................................59
4.4.1. Các phương án tính toán .............................................................................59
4.4.2. Tính toán thanh ổn định ..............................................................................63
4.4.3. Khảo sát xe quay vòng ở các vận tốc cao hơn ............................................64
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................68

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Stt

Ký tự

1

β

Góc lắc ngang thân xe theo trục x

Độ

2

ψ

Góc xoay thân xe theo trục z

Độ

Góc lắc dọc thân xe theo trục y

Độ

3

Giải thích ký tự

Đơn vị

4

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

5

m

Khối lượng thân xe

kg

6

mA1

Khối lượng cầu trước

kg

7

mA2

Khối lượng cầu sau

kg

8

l1

Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu trước

m

9

l2

Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu sau

m

10

2wi

Khoảng cách đặt nhíp

m

11

2bi

Chiều rộng cơ sở

m

12

hRi

Chiều cao tâm quay tức thời Ri

m

13

h

Chiều cao trọng tâm xe

m

14

ay

Gia tốc ngang

m/s2

15

Jx1, Jx2

Mô men quán tính của xe quanh trục x

kg.m2

16

Jy

Mô men quán tính của xe quanh trục y

kg.m2

17

Jz

Mô men quán tính của xe quanh trục z

kgm2

18

MT1

Mô men thanh ổn định cầu trước

Nm

19

MT2

Mô men thanh ổn định cầu sau

Nm

26

Mij

Mô men tại các bánh xe

Nm

20

FCij

Lực đàn hồi hệ thống treo

N

21

FKij

Lực cản hệ thống treo

N

22

FCLij

Lực đàn hồi lốp

N

23

Fxij

Lực kéo dọc bánh xe

N

24

Fyij

Lực ngang tại các bánh xe

N

v


Stt

Ký tự

Giải thích ký tự

25

Fzij

Phản lực tại các bánh xe

N

27

FRi

Lực ngang tại tâm quay tức thời

N

28

f dijt

Độ võng động (hành trình trả)

m

29

f dijn

Độ võng tĩnh (hành trình nén)

m

30

Cij

Độ cứng hệ thống treo

N/m

31

Cti

Độ cứng thanh ổn định

N/m

32

zij

Chuyển vị hệ khối lượng được treo

m

33

ξ Aij

Chuyển vị hệ khối lượng không được treo

m

vi

Đơn vị


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ trục tọa độ trên ô tô....................................................................................................... 1
Hinh 1.2: Trường hợp gây lật của xe ................................................................................................ 2
Hình 1.3: Các lực và mô men tác dụng lên thùng xe................................................................. 3
Hình 1.4: Hệ trục khảo sát các lực và mô men tác dụng lên lốp xe .................................... 5
Hình 1.5: Mô hình khảo sát và mô men trong mặt phẳng bánh xe...................................... 6
Hình 1.6: Quan hệ lực kéo Fx và hệ số trượt I của bánh xe trên măt đường cứng ................. 7
Hình 1.7: Quan hệ giữa lực ngang Fy và góc lệch bên.............................................................. 8
Hình 1.8: Sơ đồ tính toán không gian ô tô về góc nghiêng thân xe .................................... 9
Hình 1.9: Phân tích các lực và mô men tác dụng lên thân xe .............................................. 10
Hình 1.10: Lực và mô men tác dụng lên cầu trước và cầu sau ........................................... 10
Hình 1.11: Phương pháp xác định tâm nghiêng ngang hệ thống treo hai đòn ngang...... 12
Hình 1.12: Phương pháp xác định tâm nghiêng ngang hệ thống treo hai đòn dọc ... 13
Hình 1.13: Phương pháp xác định tâm nghiêng ngang hệ thống treo đòn dọc có
thanh liên kết ngang ....................................................................................................... 13
Hình 1.14: Phương pháp xác định tâm nghiêng ngang dung nhíp lá ............................... 14
Hình 1.15: Trục nghiêng dọc thân xe và các kích thước kết cấu của ô tô ...................... 15
Hình 1.16: Lực ly tâm và sự thay đổi phản lực thẳng đứng ................................................. 17

Hình 1.17: Trạng thái lật tĩnh ............................................................................................................. 18
Hình 1.18: Trạng thái lật động .......................................................................................................... 18
Hình 1.19: Hoạt động của thanh ổn định ngang ........................................................................ 21
Hình 2.1: Sơ đồ động lực học xe tải trong mặt phẳng OXY ................................................ 27
Hình 2.2: Động lực học trong mặt phẳng dọc xe ...................................................................... 29
Hình 2.3: Động lực học trong mặt phẳng ngang xe ................................................................. 29
Hình 2.4: Mô hình lốp ........................................................................................................................... 31
Hình 2.5: Mô hình hệ thống treo ...................................................................................................... 34
Hình 2.6 : Đồ thị độ hệ số độ cứng của hệ thống treo............................................................. 35
Hình 2.8: Khối tính toán góc lắc ngang thân xe cầu trước.................................................... 40
Hình 2.9: Khối tính toán góc lắc ngang thân xe cầu sau ........................................................ 41
vii


Hình 2.10: Khối tính toán góc xoay thân xe ................................................................................ 42
Hình 3.1: Xe tải 3T LIFAN LF3070G1-2 .................................................................................... 43
Hình 3.2: Đồ thị góc đánh lái ............................................................................................................. 44
Hình 3.3: Đồ thị góc lắc ngang thân xe cầu trước ( v=40 km/h) ........................................ 45
Hình 3.4: Đồ thị góc lắc ngang thân xe cầu sau ( v=40 km/h) ............................................ 46
Hình 3.5: Đồ thị so sánh góc lắc ngang trong ba trường hợp .............................................. 47
Hình 3.6: Đồ thị góc lắc ngang cầu trước ................................................................................... 48
Hình 3.7: Đồ thị Δβ A1 .......................................................................................................................... 49
Hình 3.8: Đồ thị phản lực Fz ( v=40 km/h) .................................................................................. 50
Hình 3.9: Đồ thị lực ngang Fy ............................................................................................................ 51
Hình 3.10: Đồ thị góc lắc ngang thân xe cầu trước ( v=45 km/h) ..................................... 52
Hình 3.11: Đồ thị phản lực Fz ( v=45 km/h) ............................................................................... 53
Hình 3.12: Đồ thị góc lắc ngang( v=50 km/h)............................................................................ 54
Hình 3.13: Đồ thị phản lực Fz ( v=50 km/h) ............................................................................... 55
Hình 3.14: Đồ thị góc lắc ngang trường hợp Ct rất lớn.......................................................... 56
Hình 4.1: Sơ đồ tính toán không gian của ô tô ........................................................................... 58

Hình 4.2: Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên thanh xoắn ............................................................ 59
Hình 4.3: Kết cấu thanh ổn định ....................................................................................................... 60
Hình 4.4: Sơ đồ liên kết thanh ổn định .......................................................................................... 62

viii


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay nền kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển mạnh mẽ, nhu cầu đi
lại, vận chuyển hàng hóa tăng nhanh. Trong khi đó, đường xá được cải thiện, tốc độ
chuyển động của các phương tiện giao thông được nâng cao, điều này làm cho thời
gian lưu động được rút ngắn lại. Khi vận tốc ô tô tăng đồng thời tỷ lệ tai nạn giao
thông cũng tăng. Để cải thiện vấn đề nóng bỏng này ngoài việc nâng cao ý thức của
người tham gia giao thông, người điều khiển các phương tiện giao thông thì việc
đảm bảo tình trạng kỹ thuật của các phương tiện cũng nắm vai trò quan trọng. Hiện
tượng lật chiếm một tỷ lệ lớn trong tất cả các vụ tai nạn, nó lại gây ra thiệt hại
nghiêm trọng về người và phương tiện, là một trong bốn trường hợp tai nạn dẫn tới
tử vong khi tham gia giao thông bằng phương tiện ô tô.
Để nâng cao tính an toàn chuyển động và tính tiện nghi khi đi xe có nhiều
phương án khác nhau, tính toán thiết kế thanh ổn định ngang để phù hợp với điều
kiện hoạt động của xe cũng là phương án để nâng cao an toàn chuyển động và tính
tiện nghi khi đi xe. Vì ưu điểm của thanh ổn định là làm giảm góc nghiêng của thân
xe khi xe đi vào đường vòng, tránh chướng ngại vậy… qua đó tăng khả năng chống
lật của xe, do vậy sự an toàn lái xe vào đường vòng được nâng lên bởi thanh ổn
định ngang này.
Đề tài được thực hiện tại Bộ môn ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ Khí Động
lực Trường ĐHBK Hà Nội dưới sự hướng dẫn của các thầy giáo trong Bộ môn. Do
thời gian, trình độ còn hạn chế, đề tài không tránh được sai sót nhất định. Kính
mong được sự quan tâm, góp ý của các Thầy để đề tài được đầy đủ và hoàn thiện
hơn trong quá trình nghiên cứu tiếp theo.

Tác giả xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô trong Bộ môn ô tô và xe
chuyên dụng Trường ĐHBK Hà Nội cùng các bạn đồng nghiệp, đặc biệt xin trân
trọng cảm ơn TS Dƣơng Ngọc Khánh - thầy giáo hướng dẫn đề tài đã tận tình
hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và các phương pháp giải quyết các
vấn đề đặt ra để hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này
Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2016
Ngƣời thực hiện
ix


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tai nạn giao thông hiện nay đang là một vấn đề nhức nhối ở Việt Nam.
Trong đó tai nạn lật xe được xếp vào một trong bốn loại hình tai nạn nghiêm trọng
gây thiệt hại to lớn về người và phương tiện. Nguyên nhân của lật xe chủ yếu là do
đánh lái gấp khi chạy ở tốc độ cao để tránh vật cản hoặc khi lái xe vào đường vòng.
Trong quá trình quay vòng, góc lắc ngang của xe tăng lên do tác dụng của lực ly
tâm, khi trị số góc lắc ngang vượt quá giới hạn xe sẽ bị lật.
1.1. Các trạng thái lật đổ của xe theo các phƣơng
Trong quá trình nghiên cứu chuyển động của ô tô, nếu gắn trên ô tô một hệ
trục tọa độ OXYZ thì ô tô có thể xảy ra ba trường hợp sau:
- Xoay theo trục OY ô tô bị lật dọc.
- Xoay theo trục OZ ô tô bị xoay thân xe
- Xoay theo trục OX ô tô có thể bị lật ngang.

Hình 1.1: Hệ trục tọa độ trên ô tô
Trong quá trình chuyển động của ô tô trạng thái xoay theo trục OY hay ô tô
bị lật dọc rất ít khi xảy ra vì hiện tượng lật dọc là trạng thái mà người thiết kế có thể
1

tính toán để nó không xảy ra và mức độ nguy hiểm đối với người và phương tiện
không cao. Hiện tượng xoay ngang thân xe xảy ra nhiều khi ô tô chuyển động, nó
sảy ra khi xe đi trên đường có hệ số bám hai bên bánh xe không bằng nhau hay lực
phanh các bên bánh xe không bằng nhau tuy nhiên vấn đề này lại thuộc về tính ổn
định của xe. Hiện tượng lật bên xảy ra khi xe trượt ngang, gặp chướng ngại vật, xe
chuyển động khi tham gia quay vòng, bị lật dưới tác dụng của lực ly tâm điều này
gây nên những hậu quả đặc biệt nghiêm trọng cho cả người và phương tiện
1.2. Đặc điểm trạng thái lật bên của ô tô
Tính ổn định ngang (hay còn gọi là lật bên) là trạng thái xe bị lật sang hai bên
của đường trong quá trình chuyển động. Khi đó ô tô lật quanh trục lắc dọc của nó ở
trường hợp quay vòng của xe lúc này tâm lật sẽ thay đổi do tác dụng của lực ly tâm
tác dụng vào thùng xe nghiêng đi làm cho trọng tâm của ô tô dồn về một trong hai
bên của xe, khi trọng tâm của ô tô dời khỏi chân đế là các bánh xe thì ô tô sẽ bị lật.
a.

b

Hinh 1.2: Trường hợp gây lật của xe
a. Tâm lật ở giữa; b tâm lật thay đổi
2


Hình 1.3: Các lực và mô men tác dụng lên thùng xe
Trong đó :
G là gia tốc lật
Tw là chiều rộng cơ sở
ay là gia tốc ngang
h0 là chiều cao từ trọng tâm tới mặt đường
Fzi là tải trọng trung bình đặt lên lốp xe

Lực ly tâm được tính theo công thức:
Flt =

(1.1)

Flt: lực ly tâm [N]
Lực bên là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe, có phương vuông
góc với mặt phẳng dọc của bánh xe, đặt tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe với mặt
đường. Khi ô tô chuyển động, lực ngang Fy có thể xuất hiện khi ô tô chuyển động
trên đường mấp mô hoặc đường vòng, do lốp biến dạng, do tải trọng tác dụng
ngang, do phanh xe trên đường trơn,… tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt
đường sẽ lệch đi một góc so với mặt phẳng quay của bánh xe, góc này được gọi là
góc lệch bên. Và lực được tính theo công thức
Fy = Cα.α

(1.2)

Trong đó Cα là độ cứng của góc lốp ô tô[N/rad]
α là góc lệch bên lốp [rad]
3


Các lực tác dụng theo phương ngang này làm giảm phản lực thẳng đứng đặt tại
hai bên bộ phận đàn hồi của một cầu thay đổi, một bên tăng tải và một bên giảm tải
gây nên sự nghiêng ngang của thân xe, dưới tác dụng của lực bên, xuất hiện mô
men gây nghiêng thân xe với góc β. Mô men này được gọi là mô men lật. Sự
nghiêng thân xe thay đổi phản lực tác dụng lên thân xe tại điểm đặt bộ phận đàn hồi
Zt’ Và Zp’ với các giá trị khác nhau. Các lực này gây lên mô men theo hướng chống
lật và được gọi là mô men chống lật Mcl. Giá trị mô men chống lật phụ thuộc vào độ
cứng bộ phận đàn hồi (C). Khi độ cứng C lớn thì giá trị Mcl lớn, góc nghiêng thùng

xe nhỏ.
Do đặc điểm về kết cấu khác nhau giữa xe con và xe tải vì vậy trạng thái lật
bên dưới với xe tải dễ xảy ra hơn do xe tải có những đặc điểm sau:
- Về hệ thống treo chủ yếu là hệ thống treo phụ thuộc
- Để đi với nhiều địa hình khác nhau, khoảng sáng gầm xe lớn
- Tải trọng cầu trước và cầu sau thay đổi nhiều trong trường hợp không tải và
trở hàng hóa
Do đối với xe tải hệ thống treo chủ yếu là hệ thống treo phụ thuộc dẫn đến tải
tọng thẳng đứng của hai bên trên cùng một cầu ảnh hưởng lẫn nhau. Khi một bên bị
dao động sẽ làm ảnh hưởng đến bên kia, làm tải trọng giữa hai bên trên cùng một
cầu thay đổi lớn hơn gây hiện tượng lật xe. Đồng thời hệ thống treo xe tải thông
thường được bố trí dùng nhíp, do đó vị trí bố trí giữa hai trụ đặt thân xe tải nhỏ, dẫn
đến bề rộng ổn định nhỏ, làm tăng khả năng lật.
1.3. Các thông số động lực của ô tô khi chuyển động trên đƣờng vòng
Khi ô tô chuyển động trên đường vòng mặt đường bằng phẳng do có lực ly
tâm làm ảnh hưởng tới tải trọng tác dụng lên phần được treo, làm thùng xe nghiêng
đi vì vậy tải trọng tác dụng lên bánh xe bên trong và bên ngoài đường vòng thay
đổi, tạo lực ngang làm bánh xe bị biến dạng bên, ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển
động trong thực tế xuất hiện góc lệch hướng của xe. Mặt khác khi xe chuyển động
xuất hiện mô men gây lật và mô men chống lật, khi mô men lật lớn hơn mô men
chống lật ô tô sẽ bị lật, thời điểm lật được đánh giá là các bánh xe bên trong đường
4


vòng bằng không. Một số trường hợp khác như phanh trên đường vòng hoặc tăng
tốc cũng ảnh hưởng tới lật bên.
1.3.1. Quan hệ lực, mô men và biến dạng của lốp khi xe đi trên đƣờng vòng
Trong hệ trục tọa độ không gian thì bánh xe ô tô chịu tác dụng của lực và mô
men như sau:
Khi ô tô chuyển động bề mặt của lốp tiếp xúc với mặt đường ở rất nhiều điểm

và tạo thành vùng tiếp xúc. Do tác dụng tương hỗ giữa bánh xe với mặt đường thì
tại vùng tiếp xúc xuất hiện những phản lực riêng phần từ đường tác dụng lên bánh
xe gọi là các phản lực của đường. Các phản lực này biểu thị dưới ba thành phần sau.

Hình 1.4: Hệ trục khảo sát các lực và mô men tác dụng lên lốp xe
Điểm gốc của hệ trục tọa độ là tâm của vùng tiếp xúc giữa lốp và mặt đường.
Trục X là giao tuyến của mặt phẳng bánh xe và mặt phẳng nền đường, chiều dương
hướng về trước xe. Trục Z là trục vuông góc với mặt đường, chiều dương hướng
xuống dưới. Trục Y nằm trong mặt phẳng nền đường và được chọn sao cho nó tạo
thành một hệ trục trực giao. Từ mặt đất có ba lực, ba mô men tác dụng lên lốp xe.
Lực kéo (hay lực dọc) Fx là lực thành phần theo phương x của tổng hợp lực. Tác
dụng vào lốp xe từ nền đường. Lực ngang Fy là lực thành phần tích phân theo
5


phương y. Lực pháp tuyến Fz là lực thành phần tích phân theo phương trục z. Mx là
mô men quay quanh trục x tác dụng từ mặt đường lên lốp xe. Mô men cản My là mô
men tác dụng quanh trục y. Mô men Mz là mô men tác dụng quanh trục z. Mô men
Mw là mô men từ hệ thống truyền lực xuống bánh xe.
Đối với bánh xe không chịu tải (không có biến dạng) thì quãng đường chuyển
động được sẽ lớn hơn quãng đường của bánh xe chịu tải trọng (có biến dạng lốp).
Hiện tượng này thường được xem xét đến qua hệ số trượt dọc. Hệ số trượt dọc của
xe có hệ thống truyền lực cơ khí được tính theo công thức:


v 
 r
s  1 
.100%  1  e  .100%


 r
 r. 

(1.3)

Trong đó: V là vận tốc chuyển động của trục tâm bánh xe
 là vận tốc góc bánh xe

r là bán kính tự do của bánh xe
re là bán kính lăn của bánh xe
Nếu bánh xe bị trượt quay thì  .r > V và i có giá trị dương xác định,
nếu xe bị trượt quay hoàn toàn thì V=0 và i có giá trị bằng 100%. Khi truyền
mô men đến bánh xe thì sinh ra lực kéo Fx tại vết tiếp xúc như hình 1.5

Hình 1.5: Mô hình khảo sát và mô men trong mặt phẳng bánh xe

6


Trong điều kiện lực kéo sinh ra tỷ lệ với mô men Mw truyền tới bánh xe
thì hệ số trượt i là hàm của lực kéo. Hình 1.6 chỉ ra quan hệ của lực kéo Fx và
hệ số trượt i.

Hình 1.6: Quan hệ lực kéo Fx và hệ số trượt I của bánh xe trên măt đường cứng
Ban đầu lực kéo Fx tăng lên tỷ lệ tuyến tính với hệ số trượt i vì giá trị của
hệ số trượt chủ yếu chỉ phụ thuộc vào biến dạng của các phần tử đàn hồi của
lốp. Quan hệ đó tương ứng với đoạn OA trên đồ thị của hình 1.6. Giá trị của
lực kéo tiếp tục tăng lên sẽ xuất hiện hiện tượng trượt của lốp trên mặt đường
và khi đó quan hệ giữa lực kéo và hệ số trượt không còn là quan hệ tuyến tính
nữa, nó được thể hiện trên đoạn AB trên đồ thị hình 1.6. Những số liệu thực

nghiệm cho thấy lực kéo lớn nhất của một bánh xe dạng lốp cao su chứa khí
nén trên mặt đường cứng thường đạt được khi hệ số trượt vào khoảng 15-20%.
Khi hệ số trượt tăng lên thì giá trị của lực kéo giảm từ giá trị lớn nhất
φpFz xuống giá trị nhỏ nhất khi trượt thuần túy tương ứng là φsFz. Trong đó Fz
là tải thẳng đứng tác dụng lên lốp, φp và φs tương ứng là hệ số bám của đường
khi lực kéo đạt giá trị lớn nhất và khi trượt thuần túy.

7


Hình 1.7: Quan hệ giữa lực ngang Fy và góc lệch bên
Nghiên cứu động lực học xe cần thiết phải tính đến ảnh hưởng của lực
ngang và độ đàn hồi ngang của lốp. Khi bánh xe chịu tác dụng của lực ngang
thì nó sẽ không lăn trong mặt phẳng bánh xe. Nếu có lực ngang Fs tác dụng
lên bánh xe thì sẽ xuất hiện phản lực ngang Fy tại vùng tiếp xúc từ mặt đường
tác dụng ngược lại lên bánh xe và bánh xe sẽ lăn theo hướng lệch góc α với
mặt phẳng bánh xe theo hướng OA như trên hình 1.7. Góc α được gọi là góc
lệch bên. Khi xe chuyển động với vận tốc không đổi và góc α là nhỏ, nếu Fs
tác dụng tại tâm trục bánh xe thì Fy xuất hiện và thường nằm song song nhưng
lệch so với Fs một khoảng nx. Do đó làm xuất hiện một mô men Mz cũng khá
nhỏ nên ta không tính ở đây.
Quan hệ giữa góc lệch α và phản lực ngang Fy thay đổi khác nhau với
từng loại lốp và ở các điều kiện sử dụng khác nhau. Nhìn chung khi góc α nhỏ
thì quan hệ gữa Fy và α có dạng gần tuyến tính. Sau đó phản lực ngang tăng
chậm cùng với sự tăng lên của góc lệch bên và đạt giá trị lớn nhất khi lốp xe
bắt đầu trượt ngang.
8


Để đảm bảo tính ổn định ngang của ô tô trong trạng thái ổn định tĩnh

người ta thiết kế sao cho ô tô bị trượt trước khi bị lật, tuy nhiên trong trạng
thái ổn định động do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như tải trọng tác dụng lên
lốp, tâm nghiêng ngang, trục lắc dọc và nhiều thư khác vì vậy để kiểm soát
trạng thái lật rất khó khăn. Qua phân tích ở trên ta thấy rằng ô tô trong quá
trình chuyển động có thể bị lật trong rất nhiều trường hợp, ở đây chỉ tập trung
nghiên cứu trường hợp ô tô đi trên đường vòng.
1.3.2. Góc nghiêng thân xe.

Trên hình thân xe được thay thế bởi kết cấu thanh, thân xe quay xung
quanh trục dọc Oc1 và Oc2, các cầu xe lien kết đàn hồi với thân xe. Lực ly tâm
m'

V2
R

gây nên tại trọng tâm T’ với mô men gây lật m '

V2
h ' . Trọng tâm của
R

phần quay nghiêng xung quanh trục nghiêng dọc và tọa nên dịch chuyển
ngang của trọng tâm T’ là: h’sinβ ≈ h’β. Đồng thời xuất hiện mô men phụ gây
lật là: m’.g.h’. ψ. Mô men gây lật do hai thành phần trên là:
V2
M ni  m ' .h ' m '.g.h '.
R

(1.4)

Hình 1.8: Sơ đồ tính toán không gian ô tô về góc nghiêng thân xe

9


Hình 1.9: Phân tích các lực và mô men tác dụng lên thân xe
Ngoài ra ở phần không được treo của cầu trước và cầu sau còn chịu ảnh hưởng
của các lực ly tâm mt ''.
khoảng cách

V2
V2
và ms '.
R
R

đặt cách trục nghiêng dọc của thân xe một

 pt  ht '' . Mô men gây lật của các phần không được treo (nếu coi là

ngược chiều vơi Mn) sẽ là:
V2
.  pt  ht ''
R

(1.5)

V2
M ns  ms '' .  pts  hts ''
R

(1.6)

M nt  mt ''

Hình 1.10: Lực và mô men tác dụng lên cầu trước và cầu sau
10


Nếu như tâm nghiêng ngang cầu xe Oc1,2 nằm trên trọng tâm phần không treo thì
pt  ht '' và ps  hs '' và Mnt,s sẽ làm giảm mô men gây lật thân xe (góc nghiêng β sẽ

nhỏ). Nếu coi Oc1,2 nằm dưới trọng tâm Tt '' và Ts '' thì hậu quả sẽ ngược lại. Ở hệ thống
treo phụ thuộc pt ,s  ht ,s '' vì vậy Mnt,s= 0, tức là không có ảnh hưởng lực ly tâm phần
không treo tới góc nghiêng thân xe, song ảnh hưởng tới giá trị phản lực thẳng đứng
Mô men gây lật tổng cộng khi quay vòng:
V 2
 

V2
V2
M n  m '.h '.   g.   s  mt ''.  pt  ht ''  m ''s  ps  h '' 
R
R
 R
 


(1.7)

Mô men này sẽ cân bằng với mô men đàn hồi chống lật do các phần tử đàn hồi
đặt ở bánh xe gây nên:
M 'n   Cgt  Cgs  

(1.8)

Từ (3) và (4) tìm ra góc nghiêng thân xe ψ là:


m ' h ' m''t.  pt  ht ''  ms ''  ps  hs '' V 2
Cgt  Cgs  m ' gh '

(1.9)

R

V 2 
 góc β của thân xe, có
 R 

Trong thiết kế nếu cho trước gia tốc hướng tâm 

thể xác định mô men chống lật cần thiết cho cầu trước và cầu sau:
M 'nt  Cgt . , M ns '  Cgs

(1.10)

1.3.3. Tâm nghiêng ngang cầu xe, trục lắc dọc thân xe
* Tâm nghiêng ngang cầu xe
Để có thể xác định góc nghiêng thân xe và các phản lực ta cần phải dung

tới khái niệm tâm nghiêng ngang. Trên ô tô ngày nay sử dụng các loại hệ thống
treo: Phụ thuộc, độc lập, hai đòn ngang, Mc.Pherson, đòn dọc có thanh ngang liên
kết, đòn chéo, đòn quay … và ở mỗi loại hệ thống treo này có tâm nghiêng ngang
khác nhau.
Tâm nghiêng ngang cầu xe được xác định là tâm quay tức thời của thân xe
trên mặt phẳng ngang đi qua đường tâm trục cầu xe.

11


Đối với hệ thống treo hai đòn ngang tâm nghiêng ngang cầu xe được xác
định thông qua hai vec tơ dịch chuyển của hai bánh xe nằm trong mặt phẳng ngang
ở chỗ tiếp xúc với mặt đường. Kéo dài hai đường vuông góc với hai vec tơ vận tốc
tại chỗ tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường ta có thể xác định như sau:
Xét một bên hệ treo, khi xe đứng yến, v1 và v2 là cá véc tơ vận tốc của khớp
cầu ngoài của đòn ngang trên và dưới phù hợp với sự dịch chuyển của bánh xe. Như
thế tâm S1 (do kéo dài hai đòn ngang gặp nhau) là tâm tức thời của bánh xe. Ở bánh
xe bên kia cũng tìm được tâm quay S2 của bánh xe. Nối S1P1 với S2P2 ta được véc tơ
vận tốc (v13 đối với phía trái và v23 đối với phía phải) của bánh xe tại điểm tiếp xúc
với mặt đường. Khi thân xe nghiêng đi bánh xe có xu hướng chuyển động theo v13
và v23. Vì hệ trơ đối nhau qua mặt phẳng dọc nên tâm nghiêng cầu xe tức thời sẽ
nằm trong mặt phẳng đối xứng dọc, kéo dài hai đường vuông góc với v13 và v23 ta
có tâm nghiêng ngang cầu xe Oc.

Hình 1.11: Phương pháp xác định tâm nghiêng ngang hệ thống treo hai đòn ngang
- Đối với hệ thống treo hai đòn dọc:
Trên mặ phẳng ngang, tại điểm tiếp xúc của bánh xe đối với mặt đường vec tơ
v13 nằm trên mặt phẳng dọc của xe đi qua vết tiếp xúc. Do vậy tâm nghiêng ngang
của nó nằm trên mặt đường (Oc).

12


Hình 1.12: Phương pháp xác định tâm nghiêng ngang hệ thống treo
hai đòn dọc
Đối với hệ thống treo đòn dọc có thanh liên kết:

Hình 1.13: Phương pháp xác định tâm nghiêng ngang hệ thống treo đòn dọc có
thanh liên kết ngang
Đối với hệ thống treo nhíp lá: Tâm quay vủa bánh xe phụ thuộc vào độ cứng
của nhíp lá được xác định bởi hai đường: đường nối tâm chốt treo và đường nối tâm
quang treo và đường đối xứng mặt phẳng ngang.

13


Hình 1.14: Phương pháp xác định tâm nghiêng ngang dung nhíp lá
- Đối với hệ thống treo xe con có thể là hệ thống treo hai đòn ngang, hệ
thống treo đòn dọc, hệ thống treo đòn ngang, hệ thống treo Mc.Pherson. Còn đối
với xe tải hệ thống treo chủ yếu là nhíp lá. Qua phân tích ở trên ta thấy tâm nghiêng
ngang của hệ thống treo đòn dọc, hệ thống treo đòn ngang, hệ thống treo
Mc.Pherson, hệ thống treo hai đòn ngang đều ở phía dưới tâm bánh xe, còn đối với
hệ thống treo nhíp là, tâm nghiêng ngang nằm phía trên tâm bánh xe. Như vậy tâm
nghiêng ngang của xe tải cao hơn tâm nghiêng ngang xe con, do đó khả năng gây lật
của xe tải cao hơn khi đi vào đường vòng
* Trục nghiêng dọc thân xe
Nếu coi thân xe là cứng tuyệt đối ở cầu trước ta có tâm nghiêng ngang O c1
và cầu sau ta có O c2. Nối Oc1 với Oc2 ta có trục nghiêng dọc thân xe. Khi thân xe
bị nghiêng đi, chúng ta coi thân xe quay quanh trục nghiêng này. Ở các ô tô hiện
nay trục nghiêng dọc không hoàn toàn song song với mặt đường vì kết cấu của

hệ thống treo cầu trước và cầu sau khác nhau. Trên hình 2.8 T’ là trọng tâm
phần được treo của ô tô, chiều cao từ T’ tới trục nghiêng dọc theo phương thẳng
đứng được xác định:
h '  h 'g 

pt b ' ps a '
l

(1.11)

14


Góc nghiêng của trục nghiêng với mặt đường là v:
v  arctan

ps  pt
l

(1.12)

Lực ly tâm làm nghiêng thân xe quanh trục nghiêng dọc với cánh tay đòn h’ v:
h 'v  h 'cosv

(1.13)

Nếu v nhỏ (đa số các xe hiện nay) nên ta có thể coi h 'v  h '

Hình 1.15: Trục nghiêng dọc thân xe và các kích thước kết cấu của ô tô
Việc xác định các kích thước liên quan tới sự phân bố khối lượng trên ô tô.

Nếu coi khối lượng phần treo của ô tô là m’ khối lượng này chia ra cho cầu trước và
cầu sau là mt’ và m’s. Các khối lượng mt’ và m’s đặt cách trọng tâm T’ là a’ và b’.
Các kích thước còn lại như trên hình vẽ 2.14
H g ' Chiều cao trọng tâm phần không được treo

h ' : chiều cao trọng tâm tới trục nghiêng dọc thân xe

Pt,Ps: chiều cao tâm nghiêng ngang Oc1, Oc2
a, b: là khoảng cách từ trọng tâm ô tô tới cầu trước và cầu sau.
Khối lượng toàn bộ của ô tô m đặt tại trọng tâm ô tô T. Theo hình 2.9 có thể
xác định theo công thức:

15