2 LỜI NÓI ĐẦU Lý thuyết ôtô là một trong những môn cơ sở then chốt của chuyên ngành cơ khí ôtô có liên quan đến các tính chất khai thác để đảm bảo tính an toàn, ổn định và hiệu quả tron
THIẾT KẾ TUYẾN HÌNH ÔTÔ
Xác định các kích thước cơ bản của xe
- Ba hình chiếu của xe Mazda 3
STT Thông số Ký hiệu Kích thước Đơn vị
1 Chiều dài toàn bộ L 0 4580 mm
2 Chiều rộng toàn bộ B 0 2064 mm
3 Chiều cao toàn bộ H 0 1450 mm
4 Chiều dài cơ sở L 2700 mm
7 Khoảng sáng gầm xe H 1 160 mm
10 Vận tốc tối đa V max 170 km/h
Các thông số thiết kế, thông số chọn và tính chọn
a) Thông số theo thiết kế phác thảo:
- Loại động cơ: động cơ xăng, 2L, 1-4, DOHC, tăng áp, van biến thiên, phun nhiên liệu trực tiếp
- Dung tích công tác: V c = 1998 (cc)
- Công suất tối đa (HP) : P max = 153 (HP)
- Mômen xoắn tối đa (Nm/rpm) : M max = 200/4000 (N.m/rpm)
- Vận tốc lớn nhất: v max = 170 (km/h) = 47,22222 (m/s)
+ Động cơ đặt trước, cầu sau chủ động
+ Hộp số ZF tự động 8 cấp b) Thông số chọn:
- Trọng lượng bản thân: 1340 kg
- Trọng lượng hành khách: 65 kg/người
- Trọng lượng hành lí: 15 kg/người
- Hệ số cản không khí: K=0,2
- Hệ số cản lăn khi V 22 (𝑚 𝑠 ⁄ ) Vậy hệ số cản lăn f được tính:
K – hệ số cản khí động học ( chọn K = 0,2 )
F: diện tích cản chính diện ( F = 2,334384 m 2 )
Hiệu suất truyền lực: ƞ 𝑡𝑙 = 0,9 (tr 15)
Hệ số cản tổng cộng của đường: 𝜓 𝑚𝑎𝑥 = 0,55
- Vậy công suất động cơ của theo điều kiện cản chuyển động:
- Công suất cực đại của động cơ:
- Xây dựng đường đặc tính tốc độ ngoài:
+ Tính công suất của động cơ ở số vòng quay khác nhau: (sử dụng công thức ledeman)
Trong đó : - N e max và n N – công suất cực đại của động cơ và số vòng quay tương ứng
- N và n e : công suất và số vòng quay ở 1 thời điểm trên đường đặc tính
+ Tính mômen xoắn của trục khuỷu động cơ ứng với số vòng quay n e khác nhau :
- Các thông số n e ; N e ; M e đã có công thức tính
- Kết quả tính được ghi ở bảng: we Me Ne
Sau khi tính toán và xử lí số liệu ta xây dựng được đường đặc tính ngoài với Công suất N e (kW) và Mômen xoắn M e (N.m):
Hình 1 Đồ thị đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ
+ Trị số M e max xác định theo công thức Laydecman như sau :
Xuất phát từ công thức
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Đồ thị đường đặc tính ngoài động cơ
+ Trị số công suất N emax ở trên chỉ là phần công suất động cơ dùng để khác phục các lực cản chuyển động Để chọn động cơ đặt trên ô tô, cần tăng thêm phần công khắc phục các lực cản phụ, quạt gió, máy nén khí … Vì vật phải chọn công suất lớn nhất là :
Xác định tỷ số truyền của hệ thống truyền lực
- Tỉ số truyền của hệ thống truyền lực : i tl = i 0 i h i c i p
Trong đó : + i tl – tỷ số truyền của HTTL
+ i 0 – tỷ số truyền của truyền lực chính + i h – tỷ số truyền của hộp số
+ i c – tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng + i p – tỷ số truyền của hộp số phụ
2.2.1 Tỷ số truyền của truyền lực chính
- Được xác định theo điều kiện đảm bảo ôtô chuyển động với vận tốc lớn nhất ở tay số cao nhất của hộp số
𝑖 ℎ𝑐 ∗𝑖 𝑝𝑐 ∗𝑣 𝑚𝑎𝑥 (CT3-8,tr104) Trong đó: + r bx = 0,305829 (m)
+ n v – số vòng quay của động cơ khi ôtô đạt tốc độ lớn nhất + v max = 170 (km/h) – tốc độ lớn nhất của ôtô
+ i hc = 1 – tỷ số truyền của tay số cao nhất trong hộp số + i pc = 1– tỷ số truyền của hộp phân phối chính i 0 = 0,105 0,305829 ∗ 6000∗1,1
2.2.2 Tỷ số truyền của hộp số a Tỷ số truyền của tay số 1
Trong thiết kế truyền động, tỷ số truyền của tay số 1 được xác định dựa trên nguyên tắc đảm bảo khắc phục lực cản lớn nhất từ mặt đường, sao cho bánh xe chủ động không bị trượt quay và vẫn đảm bảo hoạt động ổn định ở mọi điều kiện chuyển động.
- Theo điều kiện chuyển động, ta có:
+ P k max – lực kéo lớn nhất của động cơ
+ P ψ max – lực cản tổng cộng của đường
- Khi ôtô chuyển động ở tay số 1 thì vận tốc nhỏ nên có thể bỏ qua lực cản không khí P W
- Mặt khác, P k max còn bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường:
Trong đó: + m k – hệ số lại tải trọng (m k =0,9)
+ G φ = 11095,11 (N) – tải trọng tác dụng lên cầu chủ động(G1) + φ – hệ số bám của mặt đường (chọn φ = 0,8 : đường tốt) + r k – bán kính động học của xe
178,98135 ∗ 4,4738829∗ 0,9 = 3,390063 (4) Vậy = 3,259677 Thỏa mãn điều kiện bám b Tỷ số truyền của các tay số trung gian
- Chọn hệ thống tỷ số truyền của các cấp số trong hộp số theo ‘cấp số nhân’
- Công bội được xác định theo biểu thức : q = √ 𝑖 ℎ1
Trong đó: + n – số cấp trong hộp số (n = 6)
+ i h1 – tỷ sô truyền của tay số 1 (i h1 = 3,259677) + i hn - tỷ số truyền của tay số cuối cùng trong hộp số (i h6 = 1) q = √ 3,43
- Tỷ số truyền của tay số thứ i trong hộp số được xác định theo công thức sau: i hi = 𝑖 ℎ(𝑖−1)
Trong đó: i hi – tỷ số truyền của tay số thứ i trong hộp số (i = 1; 2;…; n-1)
- Từ hai công thức trên, ta xác định được tỷ số truyền ở các tay số:
+ Tỷ số truyền của tay số 2: i h2 = 2 1 − 1 q i h
+ Tỷ số truyền của tay số 3: i h3 = 3 1 − 1 q i h
+ Tỷ số truyền của tay số 4: i h4 = 4 1 − 1 q i h
+ Tỷ số truyền của tay số 5: i h5 = i 5 1 h 1 q − = 3,25968
+ Tỷ số truyền của tay số 6: i h6 = 𝑖 ℎ1
9 c Tỷ số truyền của các tay số
Tỷ số truyền tương ứng với từng tay số được thể hiện ở bảng sau:
Xây dựng đồ thị
2.3.1.Phương trình cân bằng lực kéo và đồ thị cân bằng lực kéo của ôtô
- Phương trình cân bằng lực kéo của ôtô:
Trong đó: + P k – lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động
+ P f – lực cản lăn P f = G.f.cos 𝛼 = G.f (do 𝛼 = 0)
+ P i – lực cản lên dốc P i = G.sin 𝛼 = 0 (do 𝛼 = 0)
+ P j – lực quán tính (xuất hiện khi xe chuyển động không ổn định) P j = 𝐺
- Vận tốc ứng với mỗi tay số
60∗i 0 ∗i hi (b) Lập bảng tính P k theo công thức (a),(b) với từng tỉ số truyền
Bảng 2.Giá trị lực kéo ứng với mỗi tay số
Tay số 1 Tay số 2 we Me V1 Pk1 V2 Pk2
Phương trình cân bằng lực cản P c.
P c = P f + P w Xét ô tô chuyển động trên đường bằng và không có gió
Bảng 3 Giá trị lực cản ứng với mỗi tay số f = f 0
- Tổng lực kéo của ôtô phải nhỏ hơn lực bám giữa bánh xe và mặt đường:
+ m k1 – hệ số phân bố lại tải trọng ở cầu trước (cầu trước chủ động m k1 = 0,8 – 0,9 ) Chọn m k1 = 0,9
+ G φ – tải trọng tác dụng lên cầu chủ động
+ φ – hệ số bám của mặt đường (chọn φ = 0,8)
Hình 2 Đồ thị cân bằng lực kéo
0 10 20 30 40 50 60 Đồ thị cân bằng lực kéo
Pk1Pk2Pk3Pk4Pk5Pk6PcPφ
+ Trục tung biểu diễn P k , P f , P w Trục hoành biểu diễn v (m/s)
+ Dạng đồ thị lực kéo của ôtô P ki = f(v) tương tự dạng đường cong M e = f(n e ) của đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ
+ Khoảng giới hạn giữa các đường cong kéo P ki và đường cong tổng lực cản là lực kéo dư (P kd ) dùng để tăng tốc hoặc leo dốc
+ Tổng lực kéo của ôtô phải nhỏ hơn lực bám giữa bánh xe và mặt đường:
2.3.2.Phương trình cân bằng công suất và đồ thị cân bằng công suất của ôtô
- Phương trình cân bằng công suất tại bánh xe chủ động:
- Công suất truyền đến các bánh xe chủ động khi kéo ở tay số thứ I được xác định theo công thức:
- Lập bảng và tính toán các giá trị N ki và v i tương ứng:
Bảng 4 Công suất của ô tô
Trên đồ thị N k = f(v), dựng đồ thị ∑ 𝑁 𝑐 theo bảng trên:
- Xét ôtô chuyển động trên đường bằng:
Bảng 5 Công cản của ô tô ứng với mỗi tay số
Hình 3 Đồ thị cân bằng công suất của ôtô 2.3.3.Đồ thị nhân tố động lực học
Nhân tố động lực học là tỉ số giữa hiệu số của lực kéo tiếp tuyến Pk và lực cản không khí Pw với trọng lượng toàn bộ của ôtô, ký hiệu là D Cụ thể, D được xác định bằng công thức D = (Pk − Pw) / W, với W là trọng lượng của xe, thể hiện mức độ hiệu quả động lực học của ôtô; D càng lớn cho thấy xe vượt qua lực cản tốt hơn và di chuyển ở hiệu suất cao hơn.
Đồ thị nhân tố động lực học thể hiện mối quan hệ giữa D và vận tốc v của ô tô khi xe ở tải trọng đủ và động cơ làm việc theo đường đặc tính tốc độ ngoài Trên đồ thị, D được biểu diễn như một hàm của v, tức D = f(v), cho thấy sự phụ thuộc của lực động học vào vận tốc và điều kiện làm việc của động cơ Việc phân tích đồ thị này giúp hiểu rõ cách D biến thiên theo v và từ đó tối ưu hóa hiệu suất vận hành của ô tô khi tải trọng thực tế.
- Lập bảng thể hiện mối quan hệ giữa D và v ở từng tay số:
Bảng 6:Nhân tố động lực học
Nhân tố động học theo điều kiện bám được xác định như sau :
Bảng 7 Nhân tố động lực học theo điều kiện bám
0 10 20 30 40 50 60 Đồ thị cân bằng lực kéo của ô tô
Nk1 Nk2 Nk3 Nk4 Nk5 Nk6 Nc
Dựa vào kết quả bảng tính, dựng đồ thị nhân tố động lực học của ôtô
Tay số 1 Tay số 2 we V1 D1 V2 D2
Hình 4 Đồ thị nhân tố động lực học ôtô
+ Dạng của dồ thị nhân tố động lực học D = f(v) tương tự như dạng đồ thị lực kéo P k
= f(v); nhưng ở những vân tốc lớn thì đường cong dốc hơn
0 10 20 30 40 50 60 Đồ thị nhân tố động lực học của ô tô
Khi xe chuyển động ở vùng tốc độ v > v_th,i (v_th,i ứng với D_i,max ở từng cấp số), ôtô duy trì sự ổn định vì lực cản tăng khiến tốc độ giảm và dữ liệu động lực học D tăng lên Ngược lại, vùng tốc độ v < v_th,i là vùng làm việc không ổn định ở từng cấp số của ôtô.
+ Giá trị nhân tố động lực học cực đại D 1 max ở tay số thấp nhất biểu thị khả năng khắc phục sức cản chuyển động lơn nhất của đường: D 1 max = ψ max
- Vùng chuyển động không trượt của ôtô:
+ Cũng tương tự như lực kéo, nhân tố động lực học cũng bị giới hạn bởi điều kiện bám của các bánh xe chủ động với mặt đường
+ Nhân tố động học theo điều kiện bám D φ được xác định như sau:
𝐺 (CT 1-8,tr56) + Để ôtô chuyển động không bị trượt quay thì nhân tố động lực học D phải thoả mãn điều kiện sau : Ψ ≤ D ≤ D φ
Vùng giới hạn giữa đường cong Dφ và đường cong Ψ trên đồ thị động lực học xác định tập điều kiện cần thỏa mãn Khi D > Dφ trong phạm vi nhất định, ta có thể dùng đường đặc tính cục bộ của động cơ để chống trượt quay khi điều kiện khai thác thực tế xảy ra.
2.3.4.Xác định khả năng tăng tốc của ôtô – xây dựng đồ thị gia tốc
- Biểu thức tính gia tốc :
- Khi ôtô chuyển động trên đường bằng (a = 0) thì:
Trong đó: + D i – giá trị nhân tố động lực học ở tay số thứ i tương ứng với tốc độ v i đã biết từ đồ thị D = f(v);
+ f, i – hệ số cản lăn và độ dốc của đường;
+ j i – gia tốc của ôtô ở tay số thứ i
+ δ j là hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay δ j = 1+0.05(1+i hi ²) (CT 1-37,tr41)
Bảng 8 Hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay
Khi ô tô chuyển động với vận tốc v22 m/s thì f=f 0* (1+ v²
- Lập bảng tính toán các giá trị j i theo v i ứng với từng tay số:
Bảng 9 Giá trị gia tốc ứng với mỗi tay số
Từ kết quả bảng tính, xây dựng đồ thị j = f(v):
Hình 5 Đồ thị gia tốc ôtô
+ Gia tốc cực đại của ôtô lớn nhất ở tay số một và giảm dần đến tay số cuối cùng
+ Tốc độ nhỏ nhất của ôtô vmin = 2.633959865 (m/s) tương ứng với số vòng quay ổn định nhỏ nhất của động cơ nmin = 1200 (vòng/phút)
+ Trong khoảng vận tốc từ 0 đến v min ôtô bắt đầu khởi hành, khi đó, li hợp trượt và bướm ga mở dần dần
+ Ở tốc độ v max = 47,222222 (m/s) thì j v = 0, lúc đó xe không còn khả năng tăng tốc + Do ảnh hưởng của δ j mà j 2 (gia tốc ở tay số 2) > j 1 (gia tốc ở tay số 1)
2.3.5.Xây dựng đồ thị thời gian tăng tốc – quãng đường tăng tốc
2.3.5.1 Xây dựng đồ thị gia tốc ngược
- Biểu thức xác định thời gian tăng tốc:
- Thời gian tăng tốc của ôtô từ tốc độ v 1 đến tốc độ v 2 sẽ là: t = ∫ 1
+ t i – thời gian tăng tốc từ v 1 đến v 2
+ t i = F i – với F i là phần diện tích giới hạn bởi phần đồ thị 1
𝑗 = f(v); v = v 1 ; v = v 2 và trục hoành của đồ thị gia tốc ngược
Thời gian tăng tốc toàn bộ: 𝑡 𝑖 = ∑ 𝑛 𝑖=1 𝐹 𝑖 n – số khoảng chia vận tốc (v min → v max )
𝑗 = ∞ Do đó, chỉ tính tới giá trị v = 0,95v max = 44,861111 ( m/s)
0 10 20 30 40 50 60 Đồ thị gia tốc của ô tô
- Lập bảng tính giá trị 1
Từ kết quả bảng tính, dựng đồ thị 1
Hình 6 Đồ thị gia tốc ngược 2.3.5.2.Cách tính thời gian tăng tốc – quãng đường tăng tốc của ôtô
- Xác định V imax theo phương pháp giải tích:
Từ đồ thị 1/j ta có thể tìm được các giao điểm bằng việc tính vận tốc tại thời điểm chuyển số(V max )
+Ta có: tại vị trí V 1max
Từ (1), (2), (3), (4) ta có phương trình sau giao điểm sau:
0 10 20 30 40 50 Đồ thị gia tốc ngược
Thay số vào phương trình ta được
Tính toán tương tự cho các lần chuyển số tiếp theo ta có các vận tốc lần lượt như sau: + V 1max = 12.37290064 (m/s)
+ V 6max = 47.168 (m/s) a Thời gian tăng tốc
Dựa vào hình dáng của đồ thị gia tốc ngược ta có thời điểm chuyển từ số thấp sang số cao là tại V max của từng tay số
Tính gần đúng theo công thức:
= + (s) b Quãng đường tăng tốc dS = v.dt → 𝑆 = ∫ 𝑣 𝑑𝑡 𝑡 𝑡 2
Ta có : S i = 𝐹 𝑠 𝑖 – với 𝐹 𝑠 𝑖 phần diện tích giới hạn bởi các đường t = f(v) ; t = t 1 ; t = t 2 và trục tung đồ thị thời gian tăng tốc
Quãng đường tăng tốc từ v min ÷ v max :
2.3.5.3 Lập bảng tính giá trị thời gian tăng tốc – quãng đường tăng tốc của ôtô
- Có xét đến sự mất mát tốc độ và thời gian khi chuyển số
+ Sự mất mát về tốc độ khi chuyển số sẽ phụ thuộc vào trình độ người lái, kết cấu của hộp số và loại động cơ đặt trên ôtô
+ Động cơ xăng, người lái có trình độ cao, thời gian chuyển số từ 0,5s đến 2s
(Với người lái có trình độ kém thì thời gian chuyển số có thể cao hơn từ 25 ÷ 40%)
Để tính toán sự mất mát tốc độ trong thời gian chuyển số, ta giả sử người lái xe có trình độ thấp và thời gian chuyển số giữa các số là khác nhau Trong mô hình này, Δv được xác định bằng Δv = j × Δt = f × g, cho thấy sự phụ thuộc của mất tốc độ vào thời gian chuyển số và các tham số liên quan đến hệ số giảm tốc Việc phân tích Δv giúp đánh giá hiệu quả sang số và tối ưu hóa quá trình lái xe, đặc biệt với người lái mới hoặc có kỹ năng hạn chế.
Trong đó: + f – hệ số cản lăn của đường f = f 0 ∗ (1 + 𝑉 2
Từ công thức trên ta có bảng sau:
Bảng 11 Độ giảm vận tốc khi sang số δ i Δt (s) Δv (m/s) v imax (m/s) số 1 → số 2 1.381168735
Thời gian chuyển số ở giữa các tay số được chọn: ∆t = 1(s)
0.188226752 12.18467389 số 2 → số 3 1.256433178 0.2246893 16.77474242 số 3 → số 4 1.178679589 0.279437743 21.92466767 số 4 → số 5 1.130212091 0.379102869 29.02265869 số 5 → số 6 1.1 0.530122401 37.24946548
Bảng 12: thời gian và quãng đường tăng tốc
2.3.5.4 Vẽ đồ thị thời gian tăng tốc và quãng đường tăng tốc
Hình 7 Đồ thị thời gian và quãng đường tăng tốc
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Đồ thị thời gian tăng tốc và quãng đường tăng tốc s(m) t(m)
