Lực cản lăn và những nhân tố ảnh hưởng đến hệ số cản lăn trên xe ô tô?

Trong các phương trình tính toán của xe ô tô, chúng ta có lẽ đã từng nghe qua một loại lực gọi là lực cản lăn. Đây là một loại lực xuất hiện ở các bánh xe và có khả năng gây cản trở sự di chuyển của xe. Vậy thì bản chất của lực cản lăn là gì? Những nhân tố nào ảnh hưởng đến hệ số cản lăn trên ô tô?

I. Lực cản lăn là gì?
Trước tiên, để dễ hình dung hơn về ảnh hưởng của lực cản lăn lên bánh xe. Chúng ta hãy xem xét một vài thí nghiệm sau đây.

Thí nghiệm đầu tiên là lăn bánh xe trên một mặt đường bằng phẳng. Ở thí nghiệm này chúng ta sử dụng hai loại bánh xe có loại lốp khác nhau. Một loại là bánh xe sử dụng lốp cao su có khả năng biến dạng giống như những bánh xe ô tô ngoài thị trường. Bánh xe còn lại sử dụng lốp làm bằng vật liệu kim loại, có độ cứng cao và không có khả năng biến dạng, đàn hồi. Hai bánh xe có khối lượng và bán kính thiết kế tương đương nhau.

Thực hiện lăn các bánh xe trên mặt đường phẳng bằng một lực như nhau. Sau khi các bánh xe dừng lại, chúng ta có thể nhận ra rằng quãng đường lăn được của bánh xe sử dụng lốp kim loại dài hơn so với bánh xe sử dụng lốp cao su.

Sự chênh lệch này chính là biểu hiện cho ảnh hưởng của lực cản lăn lên bánh xe. Bánh xe sử dụng lốp làm từ cao su có khả năng biến dạng và đàn hồi tốt hơn so với loại lốp làm bằng kim loại. Chính vì thế nên nó có lực cản lăn lớn hơn, đồng nghĩa với việc quãng đường lăn được sẽ ngắn hơn.

                 Lốp xe làm từ cao su có khả năng biến dạng nên xuất hiện lực cản lăn
Với thí nghiệm trên có thể cho biết rằng nguồn gốc của lực cản lăn có liên quan đến quá trình và khả năng đàn hồi của lốp xe. Thế thì nó liên quan như thế nào, hãy tiếp tục xem xét thí nghiệm thứ hai.

Như tất cả mọi người đều đã biết, những chiếc lốp xe trên thị trường hiện nay được làm từ vật liệu cao su vì chúng đem lại khả năng đàn hồi tốt và vận hành êm ái.

Ở thí nghiệm thứ hai này chúng ta sử dụng một khối hình trụ làm từ vật liệu cao su giống tương đối với lốp xe. Thực hiện tác dụng một lực nén với độ lớn giả sử là 50N lên khối hình trụ và giảm dần về lại 0N. Chúng ta có thể thấy khối hình trụ bị nén lại và đàn hồi trở về lại hình dạng ban đầu hoàn toàn bình thường.

Tiếp tục thực hiện lần nén thứ hai nhưng lần này chỉ nén với lực 25N, đo và ghi lại kích thước của khối cao su. Tiếp tục tăng lực nén lên 50N sau đó giảm dần về lại 25N. Lần thí nghiệm này ta có thể thấy khi nén khối cao su lúc đầu với 25N. Kích thước của khối cao su lớn hơn so với khi giảm lực nén từ 50N về lại 25N ở lúc sau.

Điều này cho thấy rằng quá trình giải phóng lực nén và đàn hồi để trở về hình dáng ban đầu của vật liệu cao su là chậm hơn so với quá trình nén biến dạng. Các bạn có thể thấy rõ hơn trên biểu đồ mô tả hai quá trình. Đặc tính này được gọi là Hysteresis (hiện tượng trễ). Tính chất này đến từ các phần tử polyme tạo nên vật liệu cao su. Chúng là các polyme rối dài có hiệu ứng nhớt và chính hiệu ứng này gây ra sự mất mát năng lượng trong khoảng thời gian ngắn. Đây chính là câu trả lời cho nguồn gốc xuất hiện lực cản lăn trên các bánh xe.

Giờ hãy xem xét hiện tượng này trên thực tế. Khi bánh xe được lắp vào xe ô tô, lốp xe sẽ phải chịu một áp lực rất lớn đến từ khối lượng của chiếc xe. Điều này làm cho một vùng trên lốp xe bị biến dạng hay bị nén, đó chính là vùng tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường. Khi này ta chia lốp xe thành hai vùng đó là vùng bị biến dạng và vùng không bị biến dạng, bán kính bánh xe tại hai vùng này sẽ có giá trị khác nhau.

Khi xe di chuyển, lốp xe sẽ chuyển động quay tròn. Các phần tử trên lốp xe lúc này liên tục chuyển đổi từ vùng bị biến dạng đến vùng không bị biến dạng. Nói theo cách khác đó là chúng sẽ liên tục bị nén lại và giãn ra trong suốt quá trình xe di chuyển.

Xét tại vùng lốp xe biến dạng, giả sử bánh xe chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ. Vùng bị nén sẽ là vùng ở bên trái còn vùng giãn nở  là vùng ở bên phải. Như đã trình bày ở trên, vật liệu cao su hay lốp xe ở trong trường hợp này có hiện tượng trễ. Quá trình giãn nở của lốp sẽ diễn ra lâu hơn so với quá trình nén và điều này gây mất mát một phần năng lượng trong chuyển động quay của bánh xe. Nó khiến cho bánh xe quay chậm dần nếu như không còn momen kéo đến từ hệ thống truyền động và người ta gọi loại lực cản này là lực cản lăn.

II. Hệ số cản lăn và những nhân tố ảnh hưởng:
Để có thể đưa những ảnh hưởng của lực cản lăn này vào trong các phương trình tính toán và thiết kế ô tô. Người ta đã tạo một thông số gọi là hệ số cản lăn.

Qua những thí nghiệm và xem xét trên, ta có thể thấy rằng những nhân tố gây ra biến dạng lốp xe và mặt đường đều có thể gây ảnh hưởng tới hệ số cản lăn. Đó là những nhân tố sau.

1. Tính chất cơ lí và trạng thái của mặt đường:
Mức độ biến dạng của mặt đường khi bánh xe chuyển động lăn chính là một trong những nhân tố ảnh hưởng đến hệ số cản lăn của xe.

2. Tải trọng tác dụng lên bánh xe (Gb):
Chính là phần trọng lượng của xe tác dụng lên từng bánh xe. Đây là nhân tố có ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số cản lăn của xe. Bởi vì khi tải trọng của xe tăng lên sẽ làm tăng biến dạng hướng kính của lốp xe và biến dạng mặt đường. Hệ số cản lăn và lực cản lăn tăng cũng sẽ tăng lên theo.

3. Vật liệu chế tạo lốp và áp suất không khí có trong lốp:
Vật liệu chế tạo và áp suất không khí cũng sẽ ảnh hưởng đến hệ số cản lăn. Tuy nhiên, khi thay đổi trị số áp suất không khí trong lốp còn tùy thuộc vào loại đường mà ảnh hưởng đến hệ số cản lăn của xe.

4. Momen xoắn tác dụng lên bánh xe chủ động:
Nếu momen xoắn tác dụng lên bánh xe càng lớn thì hệ số cản lăn sẽ càng tăng. Bởi vì khi trị số momen xoắn Mk tăng lên sẽ làm cho các thớ lốp không chỉ bị biến dạng hướng kính mà còn biến dạng tiếp tuyến (hay còn gọi là biến dạng vòng). Điều này dẫn đến tổn thất cho nội ma sát trong lốp tăng và hệ số cản lăn tăng lên.

5. Những yếu tố gây ra biến dạng bên của bánh xe:
Những lực gây biến dạng bên như lực ngang Py, góc lệch bên hay góc nghiêng bánh xe so với mặt phẳng thẳng đứng đều có ảnh hưởng xấu đến hệ số cản lăn của xe.

6. Tốc độ của xe:
Vận tốc của xe cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ số cản lăn. Thực nghiệm cho thấy rằng khi tốc độ chuyển động của xe nhỏ hơn 80km/h thì trị số của hệ số cản lăn hầu như không thay đổi. Ngược lại, khi tốc độ của xe lớn hơn 80km/h thì hệ số cản lăn của xe sẽ thay đổi và tăng lên một cách rõ rệt. Bởi vì ở khu vực tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường, các thớ lốp không kịp đàn hồi trở lại như cũ nên chỉ một phần nhỏ năng lượng tiêu hao cho biến dạng được trả lại. Mặt khác, khi tốc độ của xe tăng lên thì tốc độ biến dạng cũng tăng, do đó nội ma sát trong lốp tăng và hệ số cản lăn cũng sẽ tăng theo.

Hệ số cản lăn có thể được xác định thông qua công thức sau:

f = fo.(1+(v^2)/1500)

Trong đó:

fo là hệ số cản lăn tương ứng với tốc độ di chuyển của xe.
v là tốc độ di chuyển của xe tính theo đơn vị m/s. Nếu v ≤ 22,2m/s (80km/h) giá trị của fo cho một số loại mặt đường có thể tra trong bảng sau.

Ngoài ra, trong trường hợp xe di chuyển trên đường nhựa bê tông hoặc đường nhựa tốt. Hệ số cản lăn còn có thể xác định theo công thức:

f = (32+v)/2800

theo nguồn news.oto-hui.com.