Bài giảng Lý thuyết ô tô - Phan Minh Đức

hịu 0,3  0,4
 Bảng 12-2 Giới hạn gia tốc dao động đối với cảm giác con người
 Gia tốc dao động [m/s2] tạo cảm giác
 Tần số dao động [Hz]
 Khó chịu Bệnh tật
 1 2,3 2,7
 1,5 2,1 2,5
 2 1,9 2,3
 3 1,7 2,0
 Bảng 12-3 Gia tốc cho phép [m/s2] đối với các dạng dao động
 Dao động
 Điều kiện
 Thẳng đứng Dọc, ngang Nghiêng
 Đi chậm 1,0 0,6 0,5
 Đi xe 2,5 1,0 0,7
 Di chuyển ngắn 4,0 2,0 1,0
 Khi tần số dao động tăng, ngay cả dao động với gia tốc nhỏ cũng gây cảm 
giác khó chịu hoặc gây bệnh.
 Với những tần số mà thân xe dao động, tốc độ thay đổi gia tốc dao động có 
ảnh hưởng lớn nhất đến sự êm dịu chuyển động của ô tô. Cảm giác bứt rứt xuất 
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 151
 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ
hiện khi tốc độ thay đổi gia tốc ở khoảng 25 m/s3 và cảm giác khó chịu, ở 
khoảng 40 m/s3. Do đó, tốc độ thay đổi gia tốc của dao động ô tô không nên 
quá 25 m/s3. Bảng 12-3 mô tả các giá trị gia tốc cho phép đối với sức khỏe con 
người (tuổi trung niên).
 Sau đây ta xây dựng mối quan hệ giữa các đặc trưng êm dịu chuyển động 
của ô tô. Với mục đích này, ta khảo sát dao động điều hòa của một hệ dao động 
một bậc tự do có trọng lượng G. Độ cứng của hệ dao động là c.
 Ở trạng thái tự do của lò xo, hệ có vị trí I. Khi hệ ở trạng thái cân bằng II, 
lò xo chịu biến dạng tĩnh dưới tác dụng của trọng lượng G. Chuyển vị của lò xo 
được xác định bởi
 G
 z Eq. 12-3
 o c
 Nén lò xo để đưa hệ ra vị trí III, xa vị trí cân bằng và thả ra, hệ sẽ dao động. 
Bằng các thiết bị ghi dao động, ta có được đồ thị quan hệ vị trí của hệ theo thời 
gian cũng như có thể xác định biên độ zmax, chu kỳ T của dao động. Phương 
trình vi phân mô tả dao động có dạng:
 d 2z
 m . z.c 0 Eq. 12-4
 dt 2
 Nghiệm của phương trình:
 c
 z z .sin t. z .sin  t. Eq. 12-5
 max m max 
 c
 Với  là tần số góc của dao động
 m
- Vận tốc dao động:
 dz
 v z . . cos  t. Eq. 12-6
 dt max 
- Gia tốc dao động:
 d 2 z
 j z- .2 .sin  t. Eq. 12-7
 dt 2 max 
- Tốc độ thay đổi gia tốc dao động:
 d 3z
 'j z- .3 .cos  t. Eq. 12-8
 dt 3 max 
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 152
 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ
 Tần số góc  và tần số dao động n liện hệ với nhau bởi:
 1  1 c 1 g
 n . . Eq. 12-9
 T 2 2 m 2 z o
 Như vậy, độ biến dạng tĩnh của hệ càng lớn thì tần số dao động của hệ càng 
nhỏ. Với mục đích này, hệ thống treo được giảm độ cứng để giảm tần số dao 
động tự do của ô tô. 
12.4. Dao động ô tô
 Mô hình đơn giản dao động của một ô tô được mô tả trên hình, trong đó c1
và c2 là độ cứng tương đương của hệ thống treo trước và sau. 
 Hình 12-2 Mô hình dao động đơn giản và hệ dao động tương đương
 Độ cứng tương đương ceff của hệ thống treo là độ cứng của phần tử đàn hồi 
mà biến dạng của nó tương đương biến dạng tổng của hệ thống treo (có độ 
cứng cs) và bánh xe (có độ cứng ct) khi chịu cùng tải trọng. 
 Trọng lượng G gây biến dạng hệ đàn hồi một lượng bằng tổng biến dạng 
của phần tử đàn hồi của hệ thống treo và của lốp. Do đó,
 G G G
 ceff cs c t
 cs c. t
 ceff Eq. 12-10
 cs ct
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 153
 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ
 Độ cứng của hệ thống treo trước và sau của ô tô nằm trong khoảng 20-60 
 kN/m. Độ cứng của lốp trước và sau của ô tô thuộc khoảng 200-450 kN/m. 
 Các giá trị nhỏ tương ứng với ô tô du lịch, giá trị lớn tương ứng với ô tô tải.
 Hình 12-3 Các dao động thành phần
 Thân ô tô có 6 bậc tự do và có thể thực hiện 6 dao động khác nhau. Các 
chuyển động thẳng theo các trục xx, yy và zz được ký hiệu là Sx, Sy, và Sz, còn 
các chuyển động quay tương ứng được ký hiệu x, y, z.
 Việc nghiên cứu dao động đồng thời 6 thành phần trên rất phức tạp. Để 
đơn giản hóa, ta có thể nghiên cứu dao động với 2 bậc tự do Sz và y. Các 
thành phần dao động này ảnh hưởng chủ yếu đến tính êm dịu của ô tô và tác 
động đến cảm giác của người trên ô tô.
 Dao động thẳng đứng xuất hiện khi bánh xe lăn qua nhấp nhô của mặt 
đường. Nếu ô tô được trang bị hệ thống treo có độ cứng nhỏ, sự biến dạng lớn 
của phần tử đàn hồi của hệ thống treo sẽ dễ dàng dập tắt dao động. Đôi khi, các 
dao động thẳng đứng này tăng vọt nếu tần số ngoại lực kích thích trùng với tần 
số dao động riêng của hệ thống treo.
 Hệ thống treo với độ cứng thấp và giảm chấn được sử dụng để giảm dao 
động thẳng đứng mà nó tác động đến cảm giác khó chịu của hành khách.
 Tâm đàn hồi của một hệ là điểm mà tại đó chỉ tồn tại chuyển động tịnh tiến 
dưới tác dụng của ngoại lực kích thích. Để xác định tâm đàn hồi, ta khảo sát 
thanh nằm trên các phần tử đàn hồi như mô tả trên Hình 12-4.
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 154
 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ
 Khi ngoại lực kích thích P tác dụng vào một điểm khác với tâm đàn hồi 
(c.e.), thanh thực hiện 2 chuyển động: tịnh tiến và xoay, như vị trí 1. Khi ngoại 
lực kích thích tác dụng tại tâm đàn hồi (c.e.), thanh chỉ chuyển động tịnh tiến 
đến vị trí 2. Trong trường hợp này, độ biến dạng của hệ thống treo trước và sau 
là giống nhau và góc xoay bằng không.
 Sau đây ta xác định khoảng cách x từ trọng tâm (c.g.) của thanh đến tâm 
đàn hồi (c.e.). Từ phương trình cân bằng mô men, ta có
 R1 a. - .P x - R 2 b. 0
 R a. - R b.
 x 1 2 Eq. 12-11
 P
 Đồng thời, ta lại có:
 R1 c1 f. 1 và R 2 c2 f. 2
 P R1 R 2 c1 f. 1 c 2 f. 2
 Do vậy:
 c .f c-a. .f b.
 x 1 1 2 2
 c1 .f1 c2 .f 2
 c a. c- b.
 x 1 2 Eq. 12-12
 c1 c 2
 Khối lượng được treo của ô tô được thay bằng hệ tương đương 3 khối 
lượng m1, m2, và m3 và liên kết với nhau bởi một thanh không trọng lượng. 
Khối lượng m1 và m2 đặt tại các vị trí ab và bb và khối lượng m3 đặt tại trọng 
tâm của phần khối lượng được treo. Các điều kiện sau đây cần được thỏa mãn 
đối với hệ tương đương: (a) Cân bằng khối lượng, (b) Trọng tâm của hệ thực 
trùng trọng tâm hệ tương đương, và (c) Cùng mô men quán tính đối với trục yy 
đi qua trọng tâm của hệ thực. Ba điều kiện này dẫn đến hệ ba phương trình sau:
 m m m m
 1 2 3 b
 m1 a. b m 2 b. b Eq. 12-13
 2 2 2
 m1 a. b m 2 b. b m b . b
Với b là bán kính quán tính của khối lượng được treo của ô tô đối với trục yy.
Giải 3 phương trình trên, ta được:
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 155
 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ
 2
 m b . b
 m1 
 a b L.
 2
 m b . b
 m 2 Eq. 12-14
 b b . L
 2
 m m . -1 b 
 3 b a b. 
 b b 
 Hình 12-4 Mô hình dao động tự do của ô tô và tương đương
 Khi thanh nối được đẩy ra xa vị trí cân bằng và thả ra, hệ sẽ dao động. Ta 
sẽ khảo sát tác dụng của khối lượng m3 và vị trí tâm đàn hồi đến dao động của 
thanh. Khi dao động, lực quán tính tác dụng lên trọng tâm của thanh được xác 
định bởi:
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 156
 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ
 Fin m3 j.
 Lực này gây ra mô men quán tính Min đối với tâm đàn hồi
 Min Fin . x m3 x.j.
 Để tránh dao động lớn, mô men Min cần thiết phải nhỏ hoặc bằng 0. Điều 
này xảy ra khi cánh tay đòn x hoặc khối lượng m3 bằng 0.
# Nếu m3 = 0:
 2
 b
 m 3 0 1 Eq. 12-15
 a b b. b
 Điều này có thể đạt được bằng cách phân bố hợp lý khối lượng các cụm chi 
tiết trên ô tô.
# Nếu x = 0:
 x 0 c1 a. b c 2 b. b
 c b
 1 b Eq. 12-16
 c2 a b
 Như vậy, độ cứng của hệ thống treo cần thiết kế sao cho tỷ lệ nghịch với 
trọng tâm của khối lượng không được treo. Khi đó, hệ thống treo trước và sau 
có cùng biến dạng và ô tô không bị xoay quanh trục yy.
 Chuyển vị theo phương thẳng đứng Sz được xác định sau khi chọn tần số 
dao động trong khoảng cho phép 1,1-1,3 Hz.
 Dao động góc x sinh ra do nhấp nhô không đều ở hai bên của mặt đường. 
Khi đó, mô men gây dao động ngang xuất hiện rồi triệt tiêu. Dao động góc này 
có thể khử bằng cách sử dụng thanh ổn định ngang, có tác dụng tăng độ cứng 
chống biến dạng xoắn hệ thống treo.
 Bên cạnh dao động do nhấp nhô của đường, ô tô còn chịu rung động phát 
sinh từ động cơ, hệ thống truyền lực và bánh xe. Sự rung động này thực tế 
không ảnh hưởng đến độ êm dịu chuyển động nhưng gây ồn và có thể phá hủy 
liên kết giữa các tổng thành, bộ phận của ô tô. Sự rung động có thể giảm bớt 
hoặc khử nhờ sử dụng các biện pháp như dùng các bộ phận giảm rung, các bộ 
phận che đặc biệt, nâng cao chất lượng chế tạo và lắp ráp, và cân bằng tốt để 
tránh cộng hưởng. Các ghế ngồi với lưng tựa được thiết kế đặc biệt cũng có thể 
giảm hay khử được dao động và rung động của ô tô.
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 157
 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ
12.5. Ảnh hưởng của các thông số đến sự dao động
12.5.1. Ảnh hưởng của lốp xe
 Bánh hơi bổ sung thêm phần tử đàn hồi cùng với hệ thống treo và có tác 
dụng rất lớn đến sự êm dịu chuyển động của ô tô. Là phần tử đàn hồi tốt, do có 
sự biến dạng của ta-lông nên lốp xe loại trừ hoặc giảm tiếng ồn sinh ra khi 
chuyển động trên đường nhấp nhô và hấp thụ những nhấp nhô nhỏ của mặt 
đường. 
 Lốp xe ảnh hưởng không đáng kể đến dao động tần số thấp do biến dạng 
của nó nhỏ (1535 mm) so với biến dạng cần thiết của hệ thống treo đối với độ 
êm dịu chuyển động (100250 mm). Trái lại, lốp xe có tác dụng lớn đối với 
dao động tần số cao bởi vì sự giảm độ cứng của lốp xe dẫn đến sự giảm độ dịch 
chuyển thẳng đứng của bánh xe và gia tốc dao động của ô tô. Do vậy, sẽ tốt 
hơn nếu sử dụng lốp xe có độ cứng giảm nhiều để tăng độ êm dịu chuyển động. 
Với mục đích này, khuynh hướng chế tạo lốp xe hiện đại là giảm độ cứng của 
lốp xe bằng cách giảm áp suất hơi trong lốp và tăng chiều rộng lốp.
 Tuy vậy, sẽ là sai lầm khi cho rằng lốp xe mềm cho phép người thiết kế bỏ 
qua phần tử đàn hồi của hệ thống treo. Điều này có thể giải thích bởi thực tế là 
để giảm tổn thất cản lăn cần thiết phải giảm nội ma sát trong lốp, nhưng trái lại 
nó làm tăng độ cứng của lốp xe. Bên cạnh đó, độ nhấp nhô của mặt đường luôn 
tồn tại và gây ra dao động ô tô nên dao động sẽ mạnh hơn nếu không có hệ 
thống treo.
12.5.2. Hệ thống treo độc lập
 Xét trên quan điểm êm dịu chuyển động ô tô, hệ thống treo độc lập có 
nhiều ưu điểm so với hệ thống treo phụ thuộc.
 Đối với hệ thống treo phụ thuộc, khi một bên bánh xe lăn qua nhấp nhô của 
đường, bánh xe phía bên kia cũng có cùng chuyển vị góc x nên thân xe cũng 
nghiêng theo. Điều này không xảy ra hoặc không đáng kể đối với hệ thống treo 
độc lập.
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 158
 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ
 Hệ thống treo độc lập đối với trục trước tạo ra độ võng tĩnh lớn hơn trong 
khi vẫn đảm bảo tỷ số độ võng tĩnh giữa các trục gần bằng 1. Do đó khi ô tô 
chuyển động, dao động x được giảm nhiều.
 Do hệ thống treo độc lập không có dầm cầu nối hai bánh xe hai bên nên 
trọng lượng phần không được treo giảm đáng kể, tần số dao động riêng của 
thân xe tăng lên. Do đó giảm tải trọng tác dụng lên giảm chấn.
 Ở hệ thống treo độc lập, phần tử đàn hồi có thể là lò xo, đệm khí, hoặc 
thanh xoắn. Khi sử dụng thanh xoắn, một phần khối lượng thanh xoắn là khối 
lượng được treo và sự phân bố tải trọng lên khung xe cũng đều hơn. Khi sử 
dụng, thanh xoắn không đòi hỏi bảo dưỡng nhiều như nhíp lá. Tuy nhiên, thanh 
xoắn khó chế tạo và có tuổi thọ thấp hơn.
 Hệ thống treo với đệm khí có rất nhiều ưu điểm: độ êm dịu rất cao do độ 
cứng rất thấp và có thể thay đổi đặc tính đàn hồi với phạm vi rộng trong quá 
trình vận hành, có thể giữ cố định hoặc thay đổi độ võng của hệ thống treo khi 
tải trọng thay đổi, tuổi thọ của hệ thống treo dài, khối lượng không được treo 
nhỏ, thích ứng nhanh với sự nhấp nhô của mặt đường do nội ma sát trong hệ 
thống treo không đáng kể, và góp phần làm tăng tuổi thọ của ô tô. Tuy nhiên, 
thiết kế, chế tạo hệ thống treo với đệm khí phức tạp hơn, giá thành chế tạo cao 
hơn.
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 159
 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ
 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Thái Phạm Minh, Nguyễn Văn Tài, 
 và Lê Thị Vàng. “Lý Thuyết Ô Tô Máy Kéo”. Hà Nội: NXB Khoa học 
 kỹ thuật; 1996.
[2] Nguyễn Minh Đường, Nguyễn Xuân Tài, Nguyễn Văn Tài, và Trần 
 Khang. “Lý Thuyết Ô Tô Máy Kéo”. Hà Nội: Đại học Bách Khoa; 1971.
[3] Artamonov MD, Ilarionov VA, and Morin MM. “Motor Vehicles -
 Fundamentals and Design”. Moscow: Mir; 1976.
[4] Lechner G and Naunheimer H. “Automotive Transmission -
 Fundamentals, Selection, Design, and Adaption”. Berlin: Springer-
 Verlag; 1999.
[5] Garett TK, Newton K, and Steeds W. “The Motor Vehicle, 13 ed.” 
 Oxford: Butterworth-Heinemann; 2001.
[6] Reimpell J, Stoll H, and Betzler JW. “The Automotive Chassis: 
 Engineering Principles, 2 ed”: Butterworth-Heinemann; 2001.
[7] Heisler H. “Advanced Vehicle Technology, 2 ed”. Oxford: Butterworth-
 Heinemann; 2002.
[8] Rajesh R. “Vehicle Dynamics and Control”. New York: Springer; 
 2006.
[9] "Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: 
 Journal of Automobile Engineering ", Professional Engineering 
 Publishing. 
[10] "International Journal of Vehicle Design (IJVD)", Inder Science. 
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 161
 14 PHỤ LỤC
 Phụ lục A
 ĐẶC TÍNH CỦA MỘT SỐ ĐỘNG CƠ
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 162
Hình A-1 Đặc tính ngoài của một động cơ diesel, sử dụng với ô tô tải – Đường cong 
 mô men dạng “phẳng”
 Hình A-2 Đặc tính ngoài của một động cơ diesel với turbocharger, sử dụng với ô tô 
 khách – Đường cong mô men dạng “sống trâu”
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 163
 Hình A-3 Đặc tính ngoài của một động cơ diesel với turbocharger, sử dụng với ô tô 
 tải – Đường cong mô men dạng “sống trâu”
Hình A-5 Đặc tính ngoài của một động cơ diesel, sử dụng với ô tô tải – Đường cong 
 mô men dạng “sống trâu”
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 164
Hình A-4 Đặc tính ngoài của một động cơ xăng, sử dụng với ô tô du lịch – Đường 
 cong mô men dạng “tăng dần”
Hình A-6 Đặc tính ngoài của một động cơ xăng, sử dụng với ô tô du lịch – Đường 
 cong mô men dạng “phẳng”
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 165
 a/ b/
 Hình A-7 Đặc tính tốc độ của:
a/ Một động cơ xăng 6 xylanh b/ Một động cơ diesel turbocharger 6 xy lanh
 Specific Diesel Consumption (g/kWh) (Diesel Fuelling)
 300 290
 40 320 290
 285
 35
 275 280 285
 273
 273 290
 ) 30
 m
 N
 ( 270
 e 300
 u 25
 q
 r
 o
 T
 320 320
 e 20
 k
 a
 r
 B 350 350
 15
 400 400
 10 500
 700
 5
 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
 Engine speed (rev/min)
Hình A-8 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ diesel 1 xylanh KUBOTA RT120
 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 166
Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 167