Ảnh hưởng của lốp nhỏ bánh sau chủ động xe tải 4x2 dưới 1,4 tấn đến tính năng kéo, ổn định và phanh

46 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 ẢNH HƯỞNG CỦA LỐP NHỎ BÁNH SAU CHỦ ĐỘNG XE TẢI 4x2 DƯỚI 1,4 TẤN ĐẾN TÍNH NĂNG KÉO, ỔN ĐỊNH VÀ PHANH INFLUENCE OF THE REAR SMALL TIRE OF TRUCK 4x2 TO 1,4 TON ON TRACTIVE, STABILIZING AND BRAKING QUALITIES Nguyễn Hữu Hường Đại học Giao Thông Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh Tóm tắt: Vấn đề sử dụng lốp xe được các nhà sản xuất ô tô quan tâm nghiên cứu nhiều. Xét từ ưu điểm của từng kiểu - cỡ loại lốp xe mà các nhà chế tạo ô tô chọn lốp thích hợp nhằm đạt được các tính năng động lực kéo, tính năng ổn định, phanh xe tối ưu nhất. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu việc chọn lốp nhỏ cho bánh xe sau chủ động trên ô tô tải nhẹ, công thức 4 x 2, tải trọng dưới 1,4 tấn hoạt động trên các tuyến đường ngắn nội - ngoại thành phố và giao thông nông thôn. Từ khóa: Bánh trước dẫn hướng, cầu sau chủ động, chiều cao trọng tâm xe, ổn định xe, lực phanh. Abstract: Foreign researchers had done a lot of researchs on vehicle pneumatic tires. According to advantages of the loading ability and category, vehicle manufacturers select tires in order to have the suitable traction qualities, the best vehicle abilitizing and braking characteristics. This paper presents the result of research on using small tires for rear drive axle for light truck 4 x 2, load under 1400 kg moving on the short stretch of road in and out city and country’s transportation. Keywords: Front steering tires, rear drive axle, height of gravity center, vehicle stability, braking force. 1. Giới thiệu Với sự cạnh tranh ngày càng gay gắt trong công nghệ ô tô, nhiều nhà sản xuất ô tô trên thế giới tìm mọi cách cải tiến kết cấu nâng cao chất lượng sản phẩm của mình. Nhiều chỉ tiêu như: Giảm tự trọng xe, nâng cao hiệu suất sử dụng động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng tính ổn định ô tô và tăng an toàn khi phanh xe, được quan tâm nhiều. Từ những năm cuối của thế kỷ 20 một số nước đã chọn giải pháp sử dụng lốp xe nhỏ cho bánh sau chủ động trên ô tô tải nhẹ công thức 4 x 2, nhằm tăng tính năng động lực kéo, đạt các chỉ tiêu tốt hơn về tính ổn định và chất lượng phanh. Ở Việt Nam đã và đang sử dụng các dòng xe tải nhẹ 4 x 2, xuất xứ từ Hàn Quốc hoặc lắp ráp trong nước, tải trọng 800 - 1400 kg với phương án lốp các bánh xe trước dẫn hướng lớn, lốp các bánh xe sau chủ động nhỏ. Các nhà khoa học nước ngoài đã quan tâm nghiên cứu nhiều về lốp xe loại này để triển khai trong chế tạo và khai thác. Tuy nhiên, trong nước chưa có đề tài hay công trình nghiên cứu nào đặt ra vấn đề: Vì sao xe tải nhẹ 4 x 2 tải trọng 800 - 1400 kg có lốp các bánh sau chủ động nhỏ hơn so với các bánh trước? Nghiên cứu này xét ảnh hưởng của việc dùng lốp nhỏ ở các bánh sau chủ động xe tải nhẹ 4 x 2 đến tính năng kéo và các tính năng ổn định, phanh ô tô để trả lời câu hỏi trên. Tính toán đã áp dụng cho xe tải nhẹ KIA - K2700 trong hai trường hợp sử dụng lốp lớn và lốp nhỏ ở cầu sau chủ động để so sánh. 2. Phạm vi hoạt động của ô tô tải nhẹ tải trọng 800 - 1400 kg và lốp xe 2.1. Phạm vi hoạt động của ô tô tải nhẹ tải trọng 800 - 1400 kg Xe tải nhẹ 4 x 2, tải trọng 800 - 1400 kg chủ yếu hoạt động trên các tuyến đường ngắn nội, ngoại thành phố hoặc trên các tuyến giao thông nông thôn gần. Trước đây, việc thay đổi lốp xe đặt ra nhiều vấn đề vì điều kiện mua và thay mới lốp xe rất khó khăn; lúc đó trên xe luôn mang theo lốp dự phòng để thay thế khi cần (cùng cỡ loại cho cả bánh xe trước và sau); các bánh xe trước và sau đều lắp lốp đơn. Như thế đã xảy ra tình trạng lốp trước bị mòn sớm và phải thay thế sớm hơn; cơ cấu phanh trước làm việc nặng hơn và yêu cầu sửa chữa thay thế cũng phải được quan tâm nhiều hơn. TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 47 Từ những năm cuối của thế kỷ 20 thì điều kiện thay mới lốp khác cỡ loại cho hai cầu cùng một lúc không còn là khó khăn bởi xu hướng dùng lốp trước dẫn hướng cỡ lớn, còn lốp sau chủ động nhỏ hơn đã xuất hiện. 2.2. Lốp xe, bánh xe chủ động và lực kéo Lốp xe làm chức năng lớp đệm mềm giữa mặt đường và vành bánh xe, chịu tải trọng của xe, tạo ma sát và bám với bề mặt đường, truyền lực kéo từ động cơ đến bánh xe chủ động (bánh chủ động) hay lực phanh bánh xe và lực ngang tới mặt đường cả khi đường xấu [1]. Hình 1 là sơ đồ mặt cắt ngang bánh xe (không kể ruột), gồm: Lốp và vành bánh xe. Hình 1. Sơ đồ mặt cắt ngang bánh xe D: Đường kính ngoài (mm);d: Đường kính vành bánh xe (inch); B: Bề rộng lốp xe (inch, mm);H: Chiều cao lốp xe. Tùy tải trọng, vận tốc và loại đường hoạt động để chọn cỡ loại lốp xe phù hợp khi thiết kế, chế tạo và khai thác ô tô [1], [3], [6]. Ký hiệu lốp xe và tính toán bán kính làm việc trung bình của bánh xe đã được trình bày trong [1], [2], [3], [5], [6]. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sức kéo của ô tô, trong đó có các yếu tố chính: Lực kéo ở bánh xe chủ động (Pk), trọng lượng tác dụng lên bánh xe chủ động (G = Z2) và hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường (). Sơ đồ chuyển động tổng quát của ô tô tải nhẹ loại công thức 4 x 2 trên đường bằng có cầu sau chủ động ở hình 2. Trong đó: Trọng lượng ô tô đầy tải đặt tại trọng tâm O, chiều cao trọng tâm xe hg, khoảng cách từ trọng tâm O đến mặt phẳng đứng đi qua tâm cầu trước hoặc sau là a và b (L= a+b); phản lực từ mặt đường tác dụng lên các bánh trước Z1 (tại A) và các bánh xe sau Z2 (tại B); các lực không khí P, cản lăn ở bánh xe trước Pf1 và bánh xe sau Pf2 và cản quán tính Pj ngược chiều với lực kéo Pk; mô men quán tính tại bánh xe trước Mj1, sau Mj2 ngược chiều mô men kéo ở bánh xe chủ động Mk. Mô men kéo ở bánh xe chủ động Mk là mô men từ động cơ truyền đến bánh xe qua hệ thống truyền lực, có giá trị: Mk = Me.it. t (1) Trong đó: Me: Mô men của động cơ, Nm; it: Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực; t: Hiệu suất truyền lực. Hình 2. Sơ đồ chuyển động xe tải nhẹ 4 x 2, cầu sau chủ động trên đường bằng. Lực kéo tại bánh xe chủ động (Pk), đặc trưng nhất cho tính năng kéo, được tính: Pk= b k r M = b tte r .ηi..M (2) Ở đây: rb: Bán kính làm việc trung bình của bánh xe chủ động: rb = .r0 (m) (3) r0: Bán kính thiết kế của bánh xe: r0 = .(H+ d/2)/1000 (4) : Hệ số biến dạng lốp, phụ thuộc áp suất trong lốp (với lốp áp suất thấp chọn:  = 0,930-0,935; lốp áp suất cao:  = 0,945 - 0,950). Điều kiện cần và đủ để xe chuyển động được trên hình 2 là: P+Pf1+Pf2PjPk  P = .G (5) P + Pf  Pj  Pk  .G (6) Ở đây: Pf = Pf1+Pf2: Lực cản lăn của xe; P: Lực cản gió tác dụng lên xe; P: Lực bám ở bánh xe chủ động; : Hệ số bám bánh xe với mặt đường; Pj: Lực cản quán tính có dấu (+) khi xe tăng tốc và dấu (-) khi giảm tốc (phanh). Từ (2), (5), và (6) dễ nhận thấy là: Cùng giá trị mô men kéo Mk ở bánh chủ động, nếu bán kính làm việc trung bình của bánh xe nhỏ 48 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 hơn thì lực kéo Pk lớn hơn và khả năng khắc phục các lực cản chuyển động của ô tô cao hơn. Đây chính là ưu điểm của việc dùng lốp nhỏ cho bánh xe chủ động về lực kéo. Tuy nhiên, vì lốp nhỏ có khả năng chịu tải thấp hơn nên phải dùng lốp đôi (lốp kép; cầu sau có 4 lốp) để tăng khả năng chịu tải từ tổng trọng lượng xe phân bố lên. 3. Ổn định ô tô 3.1. Lốp xe và chiều cao trọng tâm xe Chiều cao trọng tâm xe (hg) ảnh hưởng đến tính ổn định khi xe đứng yên trên dốc, quay vòng, tăng tốc hay phanh ô tô. Chiều cao trọng tâm xe phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ở đây ta chỉ xét đến cỡ lốp xe. Với xe tải 4x2 tải 800 - 1400 kg thông thường được lắp các lốp trước lớn, các lốp sau nhỏ. Trên hình 3 cho sơ đồ tọa độ trọng tâm xe trước (O) và sau khi thay lốp xe sau lớn hơn (O’). Khi bán kính làm việc trung bình của bánh sau rb2’ bằng bán kính bánh trước rb1: rb2’ = rb2 + rb2 = rb1. Thì trọng tâm xe từ O dời về O’; chiều cao trọng tâm hg tăng lên giá trị hg= OO’ trong  vuông 1-2-2’(hình 3) và đạt giá trị hg’: hg’ = hg + hg (7) hg có thể tính gần đúng: hg = rb2 .a/L (8) Ở đây: a = Z2.L/G; b = L – a. Hình 3. Sơ đồ tọa độ trọng tâm xe trước (O) và sau khi thay lốp xe bánh sau lớn hơn (O’). L: Chiều dài cơ sở xe; a, b: Tọa độ dọc xe; hg: Chiều cao trọng tâm xe; rb1, rb2: Bán kính làm việc trung bình của bánh xe trước và sau; rb2: Độ tăng bán kính bánh sau khi thay lốp sau (nhỏ) bằng lốp trước (lớn); hg: Khoảng dịch chuyển chiều cao trọng tâm xe khi thay lốp sau (nhỏ) bằng lốp trước (lớn) Như vậy, lắp lốp nhỏ cho cầu sau chủ động hạ thấp chiều cao trọng tâm xe hg. 3.2. Ổn định tĩnh Xét cho các trường hợp khi ô tô được phanh và đứng yên trên đường dốc (hình 4). + Độ dốc giới hạn lật đổ dọc khi xe đứng quay đầu lên dốc (hình 4a): tgmax = b/hg (9) max: Góc giới hạn lật đổ dọc khi xe đứng quay đầu lên dốc. + Độ dốc giới hạn lật đổ dọc khi xe đứng quay đầu xuống dốc (hình 4b): tgmax’ = a/hg (10) max’: Góc giới hạn lật đổ dọc khi xe đứng quay đầu xuống dốc. Hình 4. Sơ đồ xác định góc giới hạn lật đổ khi xe phanh đứng yên trên dốc: a) Quay lên dốc; b) Quay xuống dốc; c) Trên đường nghiêng ngang. + Độ dốc giới hạn lật đổ ngang khi xe đứng trên đường nghiêng ngang (hình 4c): tgmax = 0,5B2n/hg (11) max: Góc nghiêng ngang giới hạn lật đổ; B2n: Vết hai bánh xe sau ngoài sau. 3.3. Ổn định động Hình 5. Sơ đồ xác định góc giới hạn lật đổ khi xe chuyển động: a) Chạy lên dốc; b) Chạy xuống dốc; c) Quay vòng trên đường dốc ngang; d) Quay vòng trên đường bằng; e) Tăng tốc trên đường bằng; hg: Chiều cao trọng tâm xe; h: Chiều cao đặt lực cản gió quy đổi. Xét các trường hợp khi xe chạy lên dốc, xuống dốc (giả thiết h = hg, gia tốc xe j = 0), khi quay vòng, khi tăng tốc (hình 5). TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 49 + Độ dốc giới hạn lật đổ dọc khi xe chạy lên dốc (hình 5a): tgl = G P h f.r-b ω g b  (12) l: Góc giới hạn lật đổ dọc khi xe chạy lên dốc. + Độ dốc giới hạn lật đổ dọc khi xe chạy xuống dốc (H.5b): tgx = G P h f.ra ω g b   (13) x: Góc giới hạn lật đổ dọc khi xe chạy xuống dốc. + Vận tốc giới hạn xe lật đổ ngang do lực ly tâm khi quay vòng trên đường nghiêng (hình 5c): Vn = tgβ. 2h B 1 )tg- 2h B .(g.R g 02n g 02n qv   (14) Vn: Vận tốc giới hạn lật đổ khi xe quay vòng trên đường nghiêng ngang; g: Gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s2); Rqv: Bán kính quay vòng của xe tính đến tâm cầu sau xe; B2n: Vết hai bánh xe sau (lốp ngoài); : Góc nghiêng ngang của đường, có thể chọn theo góc giới hạn lật ngang tĩnh của xe. Hình 6. Sơ đồ xác định bánh kính quay vòng Rqv. L: Chiều dài cơ sở xe; B: Khoảng cách tâm hai trụ đứng bánh xe dẫn hướng; Rqvmin: Bán kính quay vòng nhỏ nhất của xe tính đến tâm bánh dẫn hướng ngoài. + Khi quay vòng trên đường bằng (H.5d), vận tốc giới hạn lật ngang của xe sẽ là: Vnb = 3,6. qv 02n g g.R .B 2h (km/h) (15) Vghb: Vận tốc giới hạn lật đổ ngang khi xe quay vòng trên đường bằng với bán kính nhỏ nhất. Rqv  22 qvmin LR  - 0,5B (16) Chọn khoảng cách trụ đứng (hình 6): B  B01. + Vận tốc giới hạn lật đổ dọc do lực quán tính khi xe tăng tốc trên đường bằng, (hình 5e): Vmaxb = 3,6. gkFh G.b km/h (17) Vmaxb: Vận tốc giới hạn lật đổ dọc khi xe tăng tốc trên đường bằng. Tuy nhiên, xe tải nhẹ trọng tâm thấp, khó có khả năng lật dọc khi tăng tốc trên đường bằng. Từ (9) đến (17) cho thấy: Khi dùng lốp kích thước khác nhau thì chiều cao trọng tâm xe hg thay đổi, ảnh hưởng đến ổn định xe. Lốp nhỏ ở cầu sau giảm chiều cao trọng tâm xe và nâng cao tính ổn định tĩnh và động xe. Với gia tốc phanh jp, lực quán tính Pjp tại O cùng chiều chuyển động; lực phanh ở các bánh trước tăng, ở các bánh sau giảm. Lực phanh cần ở bánh trước (Pp1) và sau (Pp2) là: Pp1 = (G.b+Pjp.hg)/L Pp2 = (G.a-Pjp.hg)/L (18) Ở đây: Pjp= jp.G/g: Lực quán tính; chọn tính theo QCVN: 09-2011/BGTVT, jp=5,8 m/s 2. Khi phanh, nếu hg giảm thì tỷ số phân bố lực phanh lên bánh trước và bánh sau giảm. 4. Tính toán lực kéo, kiểm tra ổn định, phanh ô tô tải nhẹ 1,25 tấn KIA - K2700 Trong bảng 1 cho thông số kỹ thuật một số ô tô tải nhẹ dưới 1,4 tấn thông dụng đang lắp ráp, sử dụng ở Việt Nam [7], [8]. Ô tô tải nhẹ KIA - K2700, 4 x 2 có ký hiệu lốp trước hoặc sau: 195R14/5.00-12. Theo đó, bán kính làm việc trung bình của lốp xe trước (rb1) và sau (rb2) được tính: rb1 = .r0 = .(H+25,4.d/2) /1000 = 0,935.(195+25,4.14/2)/1000 = 0,349 (m). Và: rb2 = .r0 = .(H+d/2).25,4/1000 = 0,935.(5+12/2).25,4/1000 = 0,261 (m). Ở đây: Coi H = B (H.1); : Hệ số biến dạng của lốp, chọn với lốp áp suất thấp:  = 0,935. Như vậy, bán kính bánh sau rb2 nhỏ hơn bánh trước rb1 một giá trị rb2 (hình 3): 50 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 rb2 = rb1 - rb2= 0,088 (m). Bảng 1. Thông số một số xe tải dưới 1,4 tấn. Hiệu xe, model, năm SX HYUNDAI BP5 (VN- HQ/2005) KIA K2700 (VN- HQ/2010) VEAM VT100 (VN-2016) Kích thước bao, mm 5075x172 5x 1995 5100x1750x 1970 5190x2000x 2550 Công thức bánh xe 4x2 4x2 4x2 Chiều dài cơ sở, mm 2640 2595 2550 Vết bánh xe, mm 1495/1325 1500/1350 - Trọng lượng bản thân, N 16750 15700 21400 Trọng lượng hàng, N 12500 12500 9900 Số chỗ ngồi 03 03 03 Tổng trọng lượng, N 31200 30150 33250 Phân lên trục trước 12950 12700 - Phân lên cấu sau 18250 17450 - Động cơ 4 kỳ, 4XL HY.D4BB KIA-J2 HY.-D4BF Dung tích , cm3 2607 2665 2476 Công suất cực đại, kW/vòng/phút 59 /4000 61 kW/4150 61/4200 Mômen xoắn cực đại, Nm/vòng/phút 165/2000 170/2400 196/2000 Hộp số 05 cấp, tỷ số 4,31--0,88 4,33--0,825 - Cầu sau chủ động, tỷ số 3,909 4,123 - Cỡ lốp trước/sau 6.50-15/ 5.50-13 195R14/ 5.00-12 6.00-14/ 5.00-12 Tốc độ cực đại, km/h 120 100 - Bán kính quay vòng nhỏ nhất, m 5,40 5,35 5,25 Từ đây, tính để so sánh ảnh hưởng cỡ lốp sau đến các tính năng kéo, ổn định và phanh. Thay giá trị vào các công thức (2), (7), (8), (9), (10), (15), (16) và (18) để tính một số chỉ tiêu khi lắp lốp sau 195R14 và lốp 5.00-12. Trong tính toán, chọn hiệu suất truyền lực của xe t =0,89; kết quả cho vào bảng 2. Bảng 2. Thông số tính toán các chỉ tiêu xe tải nhẹ KIA - K2700 dùng hai cỡ lốp cho cầu sau. Cỡ lốp Thông số tính toán Lốp sau 195R14 Lốp sau 5.00-12 Bán kính làm việc bánh xe, rb2, m 0,349 0,261 Tọa độ dọc trọng tâm xe, a/b, m 1,502 1,093 Chiều cao trọng tâm xe, hg, m 0,894 0,843 Chiều cao trọng tâm giảm, hg, m 0 0,051 Lực kéo lớn nhất ở bánh xe, Pk, N 7740 10349 Giới hạn lật dọc tĩnh lên dốc, % 122,2 122,4 Giới hạn lật dọc tĩnh xuống dốc, % 168,0 178,2 Giới hạn lật ngang tĩnh, % 75,5 87,6 Bán kính quay vòng tâm cầu, Rqv, m 3,93 3,93 Vết bánh xe sau ngoài, B02n, m 1,350 1,447 Vận tốc quay vòng, Vnbmax, km/h 19,42 20,92 Lực phanh ở các bánh trước, Pp1, N 18840 18490 Lực phanh ở các bánh sau, Pp2, N 11310 11660 Tỷ lệ phân bố lực phanh, Pp1/ Pp2 1,593 1,586 5. Kết luận và hướng phát triển 5.1.Kết luận Dùng lốp sau bánh chủ động nhỏ hơn lốp trước trên xe tải nhẹ 4x2, tải trọng 800-1400 kg hạ thấp trọng tâm, cho phép đạt được các tính năng kéo, ổn định và phanh xe tốt hơn. -Lốp nhỏ ở bánh chủ động tăng lực kéo, giúp xe thắng được các lực cản chuyển động lớn hơn, đặc biệt trên đường gồ ghề có hệ số bám lớn - vì lực kéo còn phụ thuộc vào điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường. Do lốp nhỏ chịu tải thấp nên cần lắp lốp đôi để tăng sức chịu tải cho bánh sau (cầu sau có 4 lốp). -Lốp nhỏ cho phép giảm trọng tâm xe, tăng tính ổn định của xe; lốp đôi ở cầu sau làm tăng ổn định ngang xe rõ rệt hơn. -Khi chiều cao trọng tâm xe giảm thì lực phanh cần thiết ở các cơ cấu phanh trước giảm và mức làm việc căng thẳng của cơ cấu phanh trước giảm theo. Từ kết quả nghiên cứu trên, cần cân nhắc chọn hợp lý hơn cỡ loại lốp xe khi thiết kế và chế tạo ô tô tải nhẹ, nhằm nâng cao các hiệu quả khai thác xe trong thực tế tại Việt Nam. 5.2.Hướng phát triển Từ kết quả đạt được như ở trên, có thể nghiên cứu tiếp ảnh hưởng của lốp nhỏ lắp trên cầu sau chủ động xe tải nhẹ đến các chỉ tiêu khác của ô tô, như: -Lực, công suất cản gió khi dùng lốp nhỏ; -Hiệu quả bám và trượt của bánh đôi; -Ảnh hưởng lốp nhỏ tới tiêu hao nhiên liệu của ô tô tải nhẹ  Tài liệu tham khảo [1] J.Y. Wong, Ph.D. , Theory of Ground Vehicles, A Wiley- Interscience Publication, JOHN WILEY &SONS, 1998. Library of Congress Cataloging- in-Publication Data, ISBN 0-471-03470-3. [2] Heinz Heisler, Advanced Vehicle Technology, Butterworth-Heinemenn, Second edition, 2002. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data, ISBN 1-56091-199-9. [3] Thomas D. Gillespie, Fundamental of Vehicle Technology, SAE, ISBN 1-56091-199-9, 1992. [4] Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý Động cơ đốt trong, Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội- 1999 [5] Nguyễn Hữu Cẩn và các tác giả, Lý thuyết ô tô máy kéo, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội -2007. [6] Professor. Dr.of Science Carunhin A.L., Guxacop N.V.,Vehicle Constructure. Chassis, Moscow – 2000. [7] Website: [8] HYUNDAI, KIA Workshop Manual 2005- 2016. Ngày nhận bài: 07/07/2016 Ngày chuyển phản biện:11/07/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 27/07/2016 Ngày chấp nhận đăng: 03/07/2016