Lò xo, giảm chấn và tác động của chúng đến hiệu suất xe

Lò xo và giảm chấn đóng một vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến tính động lực học và hiệu suất của xe hơi, đặc biệt là xe hiệu năng cao.

Là các bộ phận thuộc hệ thống treo, lò xo và giảm chấn giúp kiểm soát chuyển động tương đối giữa khối lượng treo (sprung mass) và khối lượng không được treo (unsprung mass) ở các bánh xe trong quá trình xe di chuyển. Chính hoạt động của hai bộ phận này quyết định trực tiếp đến hiệu suất của lốp xe.

Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ hơn bằng cách nào và tại sao hệ thống treo (mà cụ thể là hai bộ phận lò xo và giảm chấn) có ảnh hưởng đến hiệu suất lốp xe, và xa hơn là hiệu suất của xe. Otoman sẽ giải thích cách thức hoạt động của lò xo, giảm chấn và cách mà chúng tạo ảnh hưởng đến vết bánh xe (contact patch).

1. Tần số đáp ứng (frequency response)

Đầu tiên cần phải nói rằng, lò xo và giảm chấn là hai bộ phận riêng biệt, nhưng được kết hợp với nhau để tạo thành một hệ thống. Vai trò chính của hệ thống lò xo giảm chấn là xác định tần số đáp ứng của phần khối lượng treo và không được treo của xe.

Nói một cách quen thuộc hơn, hệ thống này sẽ hấp thụ và dập tắt dao động được sinh ra bởi khối lượng của xe, giúp đảm bảo xe vận hành êm ái, giảm thiểu tình trạng rung, giật.

Tần số đáp ứng là một yếu tố quan trọng, được sử dụng để mô tả động lực học của hệ thống lò xo giảm chấn, cung cấp một đo lường về biên độ và pha của đầu ra (như là một hàm của tần số) so với đầu vào. Từ đó, chúng cho phép các kỹ sư có thể tính toán, thiết kế hệ thống treo sao cho xe ổn định và hoạt động hiệu quả nhất có thể.

Tầm quan trọng của tần số đáp ứng có thể được xem xét dựa trên 3 yếu tố chính:

• Tần số tự nhiên của hệ thống;
• Tốc độ tải của bánh xe (rate of wheel loading) do sự dịch chuyển trọng lượng (kiểm soát khối lượng treo);
• Đặc tính của sự thay đổi áp suất bên trong lốp xe, tạo ra vết bánh xe (kiểm soát khối lượng không được treo).

2. Lò xo

Lò xo là thành phần tạo ra một lực đàn hồi, có giá trị tỷ lệ thuận với độ biến dạng của nó.

Trong hình trên, ta có:

• F là lực đàn hồi, đơn vị N;
• k là độ cứng lò xo, đơn vị N/m;
• Li là chiều dài tự do của lò xo, đơn vị m;
• li là chiều dài sau biến dạng của lò xo (khi bị nén hoặc kéo giãn), đơn vị m.

Khi xe đang chạy mà có gia tốc ngang (lateral acceleration), tại các bánh xe xuất hiện sự thay đổi phân bổ trọng lượng. Lúc này, phần khối lượng treo tác dụng lực lên lò xo, khiến chúng bị biến dạng. Nhiệm vụ chính của lò xo khi đó là tạo ra đủ lực để chống lại thành phần momen xoắn gây lật ngang (roll torque). Chúng thực hiện công việc này thông qua độ cứng lật ngang (roll stiffness) trên mỗi trục xe, có đơn vị tính bằng Nm/độ.

Cần lưu ý một điều quan trọng là độ cứng của lò xo không gây ảnh hưởng đến tổng trọng lượng bị dịch chuyển (trên khung gầm của xe). Tuy nhiên, tỷ lệ của tổng độ cứng lật ngang ở mỗi cầu xe (sinh ra bởi các lò xo và thanh cân bằng) lại có ảnh hưởng đến sự phân bố của phần trọng lượng dịch chuyển giữa cầu trước và cầu sau của xe.

Trong kỹ thuật xe đua, tỷ lệ độ cứng lật ngang giữa cầu trước và cầu sau xe còn được gọi là Phân bổ Trọng lượng Dịch chuyển Ngang (Lateral Load Transfer Distribution, LLTD). Đại lượng này có ảnh hưởng đến tải trọng tại mỗi bánh xe. Khi gia tốc ngang tăng lên, cầu nào được treo cứng hơn sẽ truyền nhiều năng lượng hơn vào lốp xe, từ đó đạt đến giá trị cực đại trước (lò xo nén tối đa). Điều này là rất quan trọng đối với việc cân bằng khung gầm, vì chúng ảnh hưởng đến đặc tính thiếu và thừa lái của xe.

LLTD không chỉ kiểm soát sự cân bằng khung gầm, mà còn có ảnh hưởng đến quá trình tạo nhiệt và tốc độ hao mòn của lốp. Vì vậy, độ cứng lật ngang được xem là một công cụ quan trọng để kiểm soát tình trạng lốp xe.

Đối với phần khối lượng không được treo, lò xo sẽ kiểm soát sự thay đổi áp suất lốp, tạo ra các vết bánh xe khác nhau. Khi nói đến độ bám của lốp, việc kiểm soát diện tích vết bánh xe luôn là ưu tiên hàng đầu của hệ thống treo.

Về mặt vật lý, khi lò xo bị nén lại so với chiều dài tự do ban đầu, năng lượng (energy) của lò xo sẽ tăng lên. Độ lớn của phần năng lượng này tỷ lệ thuận với độ cứng của nó, và độ cứng lò xo lại tỷ lệ thuận với năng lượng mà nó truyền đến lốp. Mặt khác, lốp xe cũng được xem là một dạng lò xo không giảm chấn. Do đó, nếu có quá nhiều năng lượng được truyền từ lò xo, xe sẽ gặp tình trạng rung, xóc.

Nếu sử dụng lò xo mềm hơn (độ cứng thấp hơn), các dao động này sẽ được dập tắt nhanh chóng, đồng thời biên độ thay đổi áp suất vết bánh xe cũng được giảm đi. Như vậy, ta đã bắt đầu thấy được rõ hơn sự tương quan giữa độ cứng lò xo và áp suất vết bánh xe.

3. Giảm chấn (damper)

Khác với lò xo, giảm chấn tạo ra lực tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi của độ biến dạng. Giảm chấn không chỉ kiểm soát tốc độ nén, giãn của lò xo, mà còn cả tốc độ lò xo trở về trạng thái ban đầu (chiều dài tự do).

Hoạt động của giảm chấn có thể được chia thành hai phạm vi hoạt động riêng biệt:

• Giảm chấn tốc độ thấp: khi khối lượng treo chuyển động với vận tốc thấp, biên độ cao;
• Giảm chấn tốc độ cao: khi khối lượng không được treo chuyển động với vận tốc cao, biên độ thấp.

Do giảm chấn là một thiết bị thủy lực, ta hoàn toàn có thể điều chỉnh để tạo ra mức độ phản hồi khác nhau, tùy thuộc vào vận tốc chuyển động đầu vào.

Về mặt cơ chế, bộ giảm chấn kiểm soát tốc độ chuyển động của phần khối lượng treo, làm giảm và dập tắt dao động bằng cách tạo ra một lực cản (resistance force). Chúng giúp chuyển đổi động năng thành nhiệt năng thông qua chất lỏng giảm chấn.

Tương tự với độ cứng ngang, bộ giảm chấn cũng ảnh hưởng đến Phân bổ Trọng lượng Dịch chuyển Ngang (LLTD) khi xe vào cua. Chúng làm được điều này bằng cách tác động đến tải trọng bánh xe. Cụ thể, giảm chấn ở cầu xe nào bị nén cao nhất thì bánh xe tại cầu đó chịu tải nhiều hơn trong các pha vào cua. Khi thoát cua, sự tương quan này đảo ngược, tức giảm chấn ở cầu nào hồi phục nhanh hơn thì tải trọng tại bánh xe cầu đó được giảm nhanh hơn.

Ví dụ, khi xe vào cua trái, hai bánh xe bên trái sẽ chịu tải trọng lớn hơn hai bánh xe bên phải. Đó là lúc mà các giảm chấn phía bên trái sẽ bị nén cao nhất. Khi thoát cua, các giảm chấn bên trái tạo ra một lực chống lại tải trọng, từ đó giúp xe lấy lại cân bằng và giảm tải trọng tác dụng lên các bánh xe bên trái.

Như đã nói ở phần đầu, giảm chấn là một công cụ quan trọng được kết hợp cùng với lò xo để tinh chỉnh sự cân bằng động của khung xe. Kiểm soát được diện tích vết bánh xe ở khoảng giá trị cho phép sẽ giúp cho độ bám ngang và dọc của xe luôn ở mức tối ưu.

Nếu mặt đường gồ ghề, hay gờ giảm tốc quá cao…, phần động năng mà mặt đường truyền đến phần khối lượng không được treo sẽ là khá đáng kể. Nếu hệ số giảm chấn là quá thấp, giảm chấn sẽ không thể hấp thụ hết phần năng lượng được tạo ra bởi lò xo. Khi đó, việc kiểm soát bánh xe sẽ bị coi như vô nghĩa.

4. Mối quan hệ khí động học

Khi các kỹ sư xem xét những chiếc xe có tính khí động học cao (cụ thể là lực downforce cao), công việc nghiên cứu sẽ có tính kế thừa. Cụ thể, ban đầu, các kỹ sư thường tập trung kiểm soát vết bánh xe và mức độ dịch chuyển trọng lượng của khung gầm. Sau đó, họ dần chuyển sang tìm hiểu các nền tảng khí động học trong quá trình thiết kế xe.

Ví dụ, thiết kế của bộ chia gió trước và bộ khuếch tán dưới gầm xe là đặc biệt quan trọng. Chúng quyết định phần lớn đến tính khí động học của xe, gây ra ảnh hưởng đến chuyển động quay quanh trục thẳng đứng (yaw), chuyển động lắc quanh trục ngang (lắc dọc – pitch) và chuyển động lắc quanh trục dọc (lắc ngang – roll). Đây là những yếu tố rất quan trọng đối với xe hiệu năng cao.

Hệ thống lò xo và giảm chấn thường được xem là các thành phần trung gian, giúp chuyển tải các lực từ mặt đường qua các bánh xe và đi vào khung gầm (và ngược lại).

5. Sự tác động đến lốp xe

Việc điều chỉnh hệ thống lò xo giảm chấn có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất lốp. Nếu ta điều chỉnh độ cứng lò xo cao lên, nhiệt độ bên trong lốp xe sẽ bị sinh ra nhiều hơn. Ngược lại, độ cứng thấp sẽ giảm thiểu hiện tượng sinh nhiệt và duy trì sự ổn định cho áp suất vết bánh xe.

Nói tóm lại, tuổi thọ của lốp xe chịu nhiều ảnh hưởng từ thiết lập hệ thống lò xo và giảm chấn, cũng như sự cân bằng động lực học và độ ổn định khung gầm.

Hy vọng qua bài viết trên đây, bạn đọc đã có thể hiểu hơn về mức độ quan trọng của hệ thống lò xo và giảm chấn, đặc biệt là trên những dòng xe hiệu suất, xe đua. Nếu quan tâm đến lĩnh vực khung gầm, bạn đọc có thể xem thêm nhiều bài viết cùng chủ đề tại đây.