Đề cương ôn tập động lực học ô tô

Câu 1: Động lực học bánh xe bị động? Trả lời: • Bánh xe bị đọng là bánh xe không có mô men từ động cơ truyền xuống, tức là không có mô men chủ động. Bánh xe bị động chuyển động được là nhờ lực đẩy từ khung xe. • Khi xe chuyển động, bánh xe bị động chịu tác dụng của các lực sau: Từ phía khung xe: Lực đẩy dọc Trọng lượng xe tác dụng lên bánh xe: Trọng lượng bánh xe : ; kết hợp với ta có: Từ phía mặt đường: Phản lực pháp tuyến và phản lực tiếp tuyến Lực quán tính (tịnh tiến) của bánh xe và mô men quán tính của bánh xe và các chi tiết liên quan ( 2 thành phần này chỉ có khi xe chuyển động có gia tốc) • Phản lực thẳng đứng là tổng hợp lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trong vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường. Các nghiên cứu, đo đạc cho thấy hợp lực nằm lệch về phía trước ( theo hướng chuyển động của xe) so với đường thẳng đứng đi qua tâm bánh xe một khoảng là Hình 2.9a • Lấy mô men tại tâm bánh xe: Chia cả 2 vế cho ta có : Chiếu các lực theo phương ngang và phương thẳng đứng: và Thành phần được định nghĩa là lực cản lăn và kí hiệu là Ta có: Đặt : là một hệ số không thứ nguyên được gọi là hệ số cản lăn Như vậy: được gọi là mô men cản lăn Từ các công thức trên ta có: () • Nhìn vào biểu thức () ta thấy để bánh xe chuyển động được, lực đẩy từ khung xe phải thắng lực cản lăn và lực cản quán tính của bánh xe. Trường hợp xe chuyển động ổn định ( không có gia tốc) thành phần quán tính sẽ không có và lực đẩy từ khung xe chỉ phả thắng lực cản lăn của bánh xe. Khi xét tổng thể cả xe, thành phần quán tính này nằm trong lực cản quán tính chung của cả xe do đó trên bánh xe không còn thành phần này nữa • Để tiện lợi cho việc khảo sát bánh xe, quy ước vẽ bánh xe bị động với các lực tác dụng như hình Hình 2.9b Câu 2: Động lực học bánh xe chủ động Trả lời: • Bánh xe chủ động là bánh xe có mô men từ động cơ truyền đến. hoạt động của nó khác với bánh xe bị động: Hình 2.10a • Bánh xe có các lực và mô men tác dụng như sau: Momen từ động cơ truyền đến bánh xe chủ động: Trọng lượng xe phân bố lên bánh xe ( bao gồm cả trọng lượng bánh): Phản lực từ mặt đường: Phản lực tiếp tuyến ( lệch về phía trước theo hướng chuyển động của xe một khoảng ) và phản lực tiếp tuyến Phản lực từ khung xe Lực quán tính tịnh tiến của bánh xe:

Câu 1: Động lực học bánh xe bị động?

Trả lời:

 Bánh xe bị đọng là bánh xe không có mô men từ động cơ truyền xuống, tức là không có

mô men chủ động Bánh xe bị động chuyển động được là nhờ lực đẩy từ khung xe

 Khi xe chuyển động, bánh xe bị động chịu tác dụng của các lực sau:

- Từ phía khung xe: Lực đẩy dọc Fb

- Trọng lượng xe tác dụng lên bánh xe: Gb'

- Trọng lượng bánh xe : Gb" ; kết hợp với Gb' ta có: Gb  Gb'  Gb"

- Từ phía mặt đường: Phản lực pháp tuyến Fzvà phản lực tiếp tuyến Fx

- Lực quán tính (tịnh tiến) của bánh xe Fqb và mô men quán tính của bánh xe và các

chi tiết liên quan Mqb ( 2 thành phần này chỉ có khi xe chuyển động có gia tốc)

 Phản lực thẳng đứng Fz là tổng hợp lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trong vùng

tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường Các nghiên cứu, đo đạc cho thấy hợp lực Fz nằm

lệch về phía trước ( theo hướng chuyển động của xe) so với đường thẳng đứng đi qua tâm

bánh xe một khoảng là a Hình 2.9a

 Lấy mô men tại tâm bánh xe: F rx d  Mqb  F az

r được định nghĩa là lực cản lăn và kí hiệu là Ff

 Để tiện lợi cho việc khảo sát bánh xe, quy ước vẽ bánh xe bị động với các lực tác dụng như hình

 Bánh xe có các lực và mô men tác dụng như sau:

- Momen từ động cơ truyền đến bánh xe chủ động: Mk

- Trọng lượng xe phân bố lên bánh xe ( bao gồm cả trọng lượng bánh): Gb

- Phản lực từ mặt đường: Phản lực tiếp tuyến F ( lệch về phía trước theo hướng z

chuyển động của xe một khoảng a ) và phản lực tiếp tuyến F x

- Phản lực từ khung xe F b

- Lực quán tính tịnh tiến của bánh xe: F qb

- Momen quán tính của bánh xe và các chi tiết liên quan M ( tương tự như bánh xe bị qb

động 2 thành phần quán tính chỉ có khi xe chuyển động có gia tốc

 Lấy momen tại tâm bánh xe: M k F r x dF a z M qb

r được gọi là lực cản lăn F , ta có: f

Đối với bánh xe chủ động, khoảng dịch chuyển a lớn hơn bánh xe bị động nhưng để

đơn giản trong tính toán ta coi chúng bằng nhau

d

M i F

 Từ (*) ta thấy: Lực kéo tiếp tuyến F ở bánh xe khắc phục lực cản lăn và lực cản quán k

tính bánh xe, phần còn lại sẽ thông quan bánh xe và trục bánh xe tác dụng vào khung xe (

lực F ) Lực này sẽ thông qua khung xe tác dụng vào bánh xe bị động đồng thời khắc b

phục các lực cản chuyển động của xe

 Trường hợp xe chuyển động không có gia tốc thành phần quán tính sẽ không có Khi xét

tổng thể cả xe, thành phần quán tính nằm trong lực cản quán tính chung của cả xe, do đó

trên bánh xe chủ động không còn thành phần này nữa

 Để đánh giá khả năng truyền lực kéo của bánh xe, người ta dùng hệ số lực kéo

k k k

 Khi phanh sẽ có một momen phanh tác động lên bánh xe, ngược chiều với chiều quay của

bánh xe, cản lại sự quay của bánh xe (M trên hình) Ngoài momen phanh, bánh xe còn p

chịu các lực và các momen sau:

- Trọng lượng phân bố lên bánh xe ( bao gồm cả trọng lượng bánh) : G b

- Phản lực từ mặt đường: Phản lực pháp tuyến F ( lệch về phía trước mọt khoảng a) z

và tiếp tuyến F ngược chiều với chiều chuyển động x

- Phản lực từ khung xe tác dụng vào bánh xe F b

- Lực quán tính (tịnh tiến) F và momen quán tính của bánh xe và các chi tiết liên qb

quan M ( đối với bánh xe chịu lực phanh, 2 thành phần này luôn có) qb

 được gọi là lực phanh

 Từ biểu thức (*) t thấy : Lực phanh F một phần thắng lực quán tính của bánh xe, một p

phần (lực F ) thông qua bánh xe tác dụng lên khung xe để cản lại chuyển động của xe b

khi phanh và là lực tạo ra gia tốc chậm dần của xe khi phanh Lúc này lực cản lăn ở bánh

xe cũng như lực cản khác của bánh xe ( lực cản không khí) có tác dụng hỗ trợ cho lực phanh Tuy nhiên các lực này thường nhỏ nên ta thường bỏ qua

 Mặt khác, khi xét tổng thể cả xe, 2 thành phần quán tính được gộp vào thành phần quán tính của cả xe, nên trên bánh xe không còn 2 thành phần này nữa

 Để đánh giá khả năng truyền lực phanh của bánh xe, người ta dùng hệ số lực phanh

 Hiện tượng S 2n r dđược gọi là hiện tượng trượt của bánh xe chủ động

 Để đánh giá mức độ trượt, người ta đưa ra hệ số trượt đối với bánh xe chủ động k được

định nghĩa như sau:

Trong đó, S Sl; t là quãng đường lý thuyết và quãng đường thực tế mà bánh xe đi

được khi quay nb vòng

 Khi vl  vt  bx không bị trượt  k  0

 Khi vt  0  bx bị trượt quay hoàn toàn  k  1

 Nguyên nhân:

- Do biến dạng của lốp: Lốp làm bằng cao su có tính đàn hồi do đó khi có momen chủ

động Mk, các thớ lốp trước khi vào vùng tiếp xúc bị nén lại và các thớ lốp đi ra khỏi

vùng tiếp xúc bị căng ra Hiện tượng này làm cho quãng đường S giảm đi

- Do sự chuyển động tương đối giữa 2 bề mặt lốp – đường : Khi momen chủ động M k

đạt đến một giá trị nhất định , sẽ có sự chuyển động tương đối giữa lốp và đường Lúc

này quan hệ giữa độ trượt k và M kkhông còn tuyến tính nữa Đến điểm B, momen

k

M đạt max và nếu sự trượt tiếp tục tăng thì M kbắt đầu giảm Điều này được lý giải

là do có sự trượt giữa bề mặt lốp với mặt đường làm sinh nhiệt làm hỏng vật liệu lốp (

và cả mặt đường nếu là bê tông nhựa)

 Quan hệ giữa độ trượt và hệ số lực kéo được thể hiện trong đồ thị sau:

Lực kéo đạt max khi độ trượt trong khoảng từ 15 – 20 % Đồ thị

Câu 5: Sự trượt của bánh xe chịu mô men phanh, quan hệ giữa độ trượt và hệ số lực

 Khi vl  vt  bx không bị trượt  p  0

 Khi vl  0  bx bị hãm cứng và trượt lết hoàn toàn  p  1

 Nguyên nhân:

- Do biến dạng của lốp

- Do sự chuyển động tương đối giữa 2 mặt tiếp xúc lốp – đường: Khi momen phanh đạt đến một giá trị nhất định sẽ có sự chuyển động tương đối giữa lốp và đường Lúc này quan hệ giữa hệ số phanh và mô men phanh không còn là tuyến tính nữa Khi độ trượt đạt khoảng 15 – 20% thì momen phanh cũng đạt giá trị cực đại sau đó giảm dần đi

 Trên hình sau thể hiện quan hệ giữa độ trượt và hệ số lực phanh của bánh xe lắp lốp 7.75 – 14 trên một số loại đường

- Khả năng bám của bánh xe chủ động là khả năng giữ cho bánh xe không bị trượt quay

khi chịu momen chủ động M k

- Khả năng bám của bánh xe chịu momen phanh là khả năng giữ cho bánh xe không bị

trượt lết khi chịu momen phanh M p

Khả năng bám của bánh xe phụ thuộc vào vật liệu lốp, cấu tạo hoa lốp, tình trạng của lốp,

vật liệu và tình trạng mặt đường

 Lực bám:

Xét bánh xe đứng trên mặt đường chịu momen xoắn M như hình vẽ:

Ta thấy rằng, khi M tăng, F cũng tăng, nhưng chỉ tăng đến một giá trị nhất định x

rồi không tăng được nữa, nếu M tiếp tục tăng thì bánh xe sẽ bị trượt Khi đó phản lực

tiếp tuyến Fxđạt giá trị max Fxmaxlúc này được gọi là lực bám và kí hiệu là F

Lực bám giữa bánh xe và mặt đường là do ma sát giữa hai bề mặt lốp – đường và

đồng thời do các vấu tế vi của lốp xe và mặt đường cài vào nhau, truyền lực như bánh

răng nhưng do các vấu tế vi mềm nên nếu lực truyền vượt quá một giá trị nào đó thì các

vấu bị biến dạng, thậm chí bị gãy và bánh xe bị trượt so với mặt đường, nếu trượt nhiều

sinh nhiệt làm cháy lốp và đường

G lúc này được gọi là trọng lượng bám, kí hiệu là G

Như vậy lực bám của xe được tính bằng công thức:

Khi phanh xe, hệ số bám của đường nhỏ thì lực phanh cực đại nhỏ, khả năng phanh của xe giảm đi ( gia tốc chậm dần nhỏ, quãng đường phanh lớn) tai nạn dễ xảy ra hơn Yếu tố trọng lượng bám cũng ảnh hưởng đến chất lượng động lực học của xe Tuy nhiên, trọng lượng bám liên quan đến trọng lượng xe Đối với ô tô , ta mong muốn giảm trọng lượng xe càng nhỏ càng tốt nên không dùng cách tăng trọng lượng bám để tăng lực bám mà chỉ phân bổ trọng lượng bám lên các bánh xe sao cho tận dụng tốt hơn trọng lượng bám mà thôi

Đối với các xe chuyên dụng như máy kéo, lực kéo của xe phải phát ra để kéo các công cụ khác nên có thể dùng biện pháp tăng trọng lượng bám

Câu 7: Sự thay đổi hệ số bám khi vận tốc xe và độ trượt của bánh xe thay đổi

Trả lời:

 Vận tốc của xe:

Khi vận tốc xe tăng thì hệ số bám giảm đi

Quan hệ của vận tốc và hệ số bám được thể hiện như trong đồ thị dưới đây:

Đồ thị

 Độ trượt của bánh xe:

Hệ số bám đạt cực đại khi độ trượt nằm trong khoảng 20 – 30% Khi  vượt quá giá trị

đó, hệ số bám giảm đi, khi bánh xe bị trượt hoàn toàn ( lết và quay) thì hệ số bám chỉ còn

khoảng (0.7 0.8) max Điều này rất có ý nghĩa khi phanh cực đại: nếu khi phanh mà

bánh xe bị trượt lết hoàn toàn thì hệ số bám giảm đi,lực phanh giảm đi,gia tốc chậm dần

giảm đi và quãng đường phanh dài ra, điều này rất bất lợi

Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của xe được thể hiện trong đồ thị dưới đây.Đồ thị

Câu 8: Lập mô hình chuyển động của xe ( mô hình cơ bản) và viết phương trình chuyển động

Trả lời:

Trong hình sau thể hiện mô hình ô tô chuyển động thẳng lên dốc có tăng tốc

Góc dốc :  ; Vận tốc : v; Chiều dài cơ sở: L; Khoảng cách từ trọng tâm xe đến các bánh trước

và sau lần lượt là a và b; Chiều cao trọng tâm xe: h

 Khi chuyển động, phản lực từ mặt đường tác dụng vào bánh xe sẽ dịch chuyển một

khoảng e về phía trước theo hướng chuyển động , trên hình các khoảng đó là : e e ;

 Ngoài các lực trên còn có lực và mo men quán tính: các lực quán tính đặt tại trọng tâm

xe

 Ta có các phương trình chuyển động tổng quát như sau:

- Theo phương dọc: mv   mgsin   Fx1 Fx2 Fwx

- Theo phương thẳng đứng: mz   m gA cos   Fz1 Fz2 Fwz

- Phương trình momen: Iy   Fx2( b e  2)  F h F a ex2  z1(  1)  Fx h1  Mw

Câu 9: Mô hình cấu trúc bánh xe

Hình a là bánh xe với lốp có săm đây là loại thoong dụng khi công nghệ làm kín chưa phát triển, không khí được chứa trong săm, săm được đặt trong lốp ngày nay do có thể làm kín tôt nên người ta dàn bỏ săm đi Hình b là bánh xe với lốp không săm

Lốp xe: về cấu trúc lốp xe có 3 lớp, lớp trong cùng la lớp mành, gồm các sợi nilong bền chắc đan lại với nhau Tùy theo góc đan mà có loại lốp mành vuông góc và lốp mành chéo Trên lớp mành là lớp đệm, nằm giữa lớp mành và bề mặt lố Lớp đệm được đan bởi sợi đệm 20°, nhiều đệm chồng lên nhau và lệch nhau, xung quanh bao phủ cao su, tạo thành lớp đệm đàn hồi ngang, nhằm hỗ trợ khả năng đàn hồi ngang cho lốp hướng kính tăng cường khả năng

ổn định chuyển động.lớp ngoài cùng là bề mặt lốp là lớp cao su khi chyển động sẽ tiếp xúc với mặt đường

Đối với lốp mành vuông góc, do chuyển động ngang của lốp so với đường giảm, nhiệt năng sinh ra trong lốp ít hơn 60% so với lốp mành chéo trong điều kiện tương tuwjneen tuổi thọ của lốp hướng kính tăng gấp 2 lân Mặt khác loại lốp này áp suất nên hầu như không thay đổi trong bề mặt tiếp xúc Ngược lại lốp mành chéo, áp suất nền thay đổi theo từng điểm trên mặt tiếp xúc, tạo ra chuyển động tương đối của các phần tử cao su của bề mặt lốp Lớp đệm đan chéo trong lốp mành vuông góc có vai trò tăng cường đàn hồi ngang như lốp mành chéo, làm tăng cứng cho bề mặt lốp

Câu 10: Phương trình động lực học cho thân xe,bánh xe trước, bánh xe sau

Trên các bánh xe có mô men chủ động M1 và M2, vận tốc góc và gia tốc góc lần lượt là ω1, 

1, ω2, 2

Trọng lượng toàn bộ xe đượctách thành trọng lượng thân xe mAg, trọng lượng các bánh xe trước và sau m1g và m2g

Điểm đặt lực thẳng đứng Fz1 và Fz2 dịch chuyển về phía trước so với đường thẳng đứng đi qua tâm bánh xe một khoảng e1 và e2;

1 Viết cho thân xe

mAxA = - mAgsinα + Fx1 + Fx2 – Fwx

mA zA = - mAgcosα + Fz1 + Fz2 – Fwz

IAA = - M1 – M2 - Mw + Fz2b - Fz2a + h(Fx1 + Fx2)

Trong đó IA là mo men quán tính khối ượng của thân xe

2 Viết cho bánh trước

Cộng các phương trình chuyển động tịnh tiến:

(mA + m1 + m2) x = Fx1 + Fx2 - Fwx - (mA + m1 + m2) g sinα

> m v = Fx1 +Fx2 – Fwx – mgsinα (1)

Trong đó ; mA + m1 + m2 = m khối lượng của cả xe

Cộng các phương trình chuyển động quay của 2 bánh xe trước và sau

+ là lực kéo trên các bánh xe

Trong đó : là lực kéo trên bánh xe trước ký hiệu là Fk1

là lực kéo trên bánh xe sau ký hiệu là Fk2

M1, M2 là mô men chủ động trên bánh xe trước và sau, ta ký iệu các mo men này là

Mo men chủ động được xác định như sau : Mk = Meitƞt

Trong đó : Me là mo men động cơ ; it là tý số truyền của hệ thông truyền lực

Như vậy ta có lực kéo : Fk =

- > mqd = m +

Vì Ie >> In và Ib>>In nên bỏ qua In

Tỷ số và không thứ nguyên được gọi là hệ số cản lăn ký hiệu là f:

f1 = ; f2 = có thể coi f1 =f2 = f như vậy :

Ff =f(Fz1 + Fz2) = fmgcosα

4 Lực cản lên dốc

Thành phần mgsinα là lực cản lên dốc ký hiệu là Fq

Khi α nhỏ ta có : sinα ≈ tgα = = q

q là độ dốc của đường như vậy Fq = qmg

gọi tổng lực cản lăn và lực cản lên dốc là lực cản tổng cộng của đường ký hiệu FΨ

- Lực cản chính diện: là thành phần lực tác dụng lên toàn bộ diện tích phía trước của ô tô

- Lực cản do ma sát giữa lớp không khí với mặt bên của ô tô

- Lực cản do tạo thành khoảng chân không phía sau ô tô

Người ta tiến hành nghiên cứu đo đạc để xác định các lực cản nói trên và đã đưa ra được công thức xác định lực cản không khí Fwx tác dụng váo ô tô như sau:

Fwx = 0.5ρVA

Trong đó: ρ là mật độ không khí: ρ = 1.24 kg/ ; C: hệ số khí động học (không thứ nguyên): phụ thuộc hình dáng, chất lượng bề mặt ô tô, vỏ ô tô càng trơn nhẵn, hình dạng ô tô càng có dạng khí động học thì C càng nhỏ Dạng khí đọng học tốt nhất là dạng một giọt nước rơi tự do trong không khí; A là diện tích chính diện của ô tô ;

v vận tốc tương đối của o to với không khí

Hệ số C có giá trị như sau: xe du lịch 0.3—0.45, xe khách 0.4—0.6; xe tải: 0.6—0.85 Thành phần lực Fzw là lực của không khí tác dụng vào xe theo chiều thẳng đứng Trong các trường hợp chuyển động bình thường, thành phần này thường được bỏ qua Tuy nhiên khi o to chuyển động với vận tốc cao, thành phần lực này sẽ ảnh hưởng tới chất lượng động lực học của xe

Câu 13: Yêu cầu công suất động cơ đối với điều kiện chuyển động của xe:

Về mặt động lực học ta thấy khi xe chạy với thì:

- Động cơ phải hoạt động ở ;

- Xe không còn có khả năng lên dốc (chạy trên đừờng bằng):

- Xe không có khả năng tăng tốc: ̇

Như vậy ta thấy lúc này xe chỉ khắc phục hai lực cẳn: cẳn lăn và cẳn không khí

- Lực cản không khí:

Ta có công suất động cơ chi phí cho chuyển động của xe tại sẽ là:

( )

Câu 14: Yêu cầu hệ thống truyền lực đối với điểu kiện chuyển động của xe (tỉ số truyền)

Tỉ số truyền của HTTL đàm bảo cho xe hoạt động bình thường trong các điều kiện vận hành Giá trị cần thoả mãn các điều kiện sau:

- Điều kiện lực kéo: ; trong đó là tổng các lực cản chuyển động

- Điều kiện vận tốc: Xe phải có vận tốc yêu cầu;

- Điều kiện bám: Bánh xe không bị trượt

Trong 3 điều kiện trên có điều kiện là điểu kiện kiểm tra (hay còn gọi là điều kiện đủ), có điều kiện là điều kiện tiên quyết (hay còn gọi là điều kiện cần)

Trong các biểu thức của các điều kiện thường có dấu “ ” hoặc “ ” Đối với điểu kiện kiểm tra chỉ cần thoà mãn biểu thức kiểm tra là được, còn đối với điều kiện cần, khi thiết kế ta chỉ cần lấy giá trị theo dấu “=” mà thôi, Khi thiết kế ta tính toán theo điều kiện cần và kiểm tra lại theo điều kiện đủ

a.Tỉ số truyền cực tiểu

Tỉ số truyền được dùng trong trường hợp xe chạy với vận tốc cực đại, do đó tỉ số truyền của xe phải đảm bảo xe chạy với vận tốc cực đại Đây là điều kiện cần Hai điều kiện còn lại là điều kiện kiểm tra

Tuy nhiên cũng có thể thấy nếu công suất động cơ lắp lên xe được chọn theo yêu cầu công suất động cơ đối với điều kiện chuyển động của xe thì điều kiện trên mặc nhiên thoả mãn

Tỉ số truyền trên xe được dùng trong các trường hợp sau đây:

+ Khi xe chạy được trên đường có hệ số cản cực đại , lúc này lực kéo của xe phải đảm bảo thắng sức cản của đường Đây là điều kiện lực kéo và là điều kiện cần

+ Xe chạy trong các điều kiện cần vận tốc tổi thiểu: xe đi trong các điều kiện khó khăn như không gian hẹp (vào nơi đỗ xe chẳng hạn) Vận tốc tối thiểu của xe khoảng 4 5 km/h Đây là điều kiện vần tốc và cũng có thể coi là điều kiện cần

Điều kiện lực kéo:

Cách thức xác định theo 2 điều kiện lực kéo và vận tốc được tiến hành như sau:

- Tính theo 2 điều kiện lực kéo: Từ biểu thức (3) ta chuyển thành:

Trong đó là tỉ số truyền cực đại theo điều kiện lực kéo

- Tính theo điều kiện vận tốc: Từ biểu thức (4) ta chuyển thành:

Trong đó là tỉ số truyền cực đại theo điều kiện vận tốc

- Chọn giá trị lớn nhất trong 2 giá trị và

Điều kiện bám:

Đối với điều kiện bám thì ta chỉ cần kiểm tra theo giá trị bời vì giá trị chỉ để

xe chạy với khi đó lực kéo không lớn

Xe có tất cả các bánh xe chủ động:

: lực bám trên các bánh xe chủ động;

: hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường khi bánh xe chịu lực kéo