bài tập lớn lý thuyết ô tô

Nhằm giúp đỡ cho sinh viên kỹ thuật biết cách tính toán và nắm rõ các công thức và khỏi bỡ ngỡ cho các đồ án môn và đồ án chuyên ngành, đồ án tốt nghiệp cho sau này. Hy vọng bài tập Lý thuyết ô tô Tính toán sức kéo ô tô con sẽ giúp được phần nào cho các bạn về một ngành công nghiệp ô tô trong tương lai

Phần I Tính toán khả năng động lực của ôtô

1 Mục đích tính toán khả năng động lực của ôtô

Khi thiết kế ôtô nhất thiết phải tính toán khả năng động lực Tính toán khảnăng động lực của ôtô nhằm mục đích xác định những thông số cơ bản của động cơ và hệ thống truyền lực để đảm bảo yêu cầu sức kéo thiết kế đề ra Chất lợng kéo đợc đánh giá bằng khả năng của xe chuyển động với tốc độ trung bình cao trong những điều kiện đờng xá khác nhau Đối với từng loại đuờng và từng tay

số cho ta xác định đợc tốc độ cực đại thích hợp và sức cản lớn nhất của đuờng

mà xe có thể khắc phục đợc ở từng tay số

Muốn tính toán đợc khả năng động lực của ôtô cần phải biết trớc đợc các

số liệu sau đây:

- Trọng tải (số lợng hành khách hay số tấn hàng chuyên chở)

- Tốc độ truyền thẳng của ôtô ở số truyền thẳng Vmax chạy trên đờng tốt nằm ngang

- Hệ số cản lăn f của đờng.

- Độ dốc i lớn nhất của đờng mà xe có thể khắc phục đợc

- Xe cần tham khảo

Trên cơ sở loại ôtô và trọng tải đã cho chúng ta có thể tham khảo một loại

ôtô tơng tự đã có thể chọn các thông số cần thiết cho tính toán nh:

- Trọng lợng bản thân ôtô G0

- Diện tích chính diện của ôtô F, nhân tố cản K

- Số vòng quay của trục khuỷu tơng ứng với công suất cực đại của ôtô nN(đối với ôtô du lịch không đặt bộ phận hạn chế tốc độ)

- Số vòng quay của trục khuỷu tơng ứng với vị trí hạn chế tốc độ của ôtô n0 (đối với ôtô tải có đặt bộ phận hạn chế tốc độ)

- Hiệu suất truyền lực k

- Bán kính lăn rbx

2 Trình tự tính toán khả năng động lực của ôtô

I Chọn động cơ và xây dựng đờng đặc tính ngoài

Từ Lý thuyết ôtô chúng ta có viết phơng trình cân bằng công suất tổngquát theo biểu thức:

0

N N N N N N N

N e  t  f   i j mk  (1)

N - công suất tiêu hao cho trục trền công suất

Nhng theo đầu bài đã cho biết loại ôtô, trọng tải và tốc độ Vmax của xe chạytrên đờng nằm ngang, hệ số cản lăn f Ta thấy rằng ôtô chỉ đạt đợc tốc độ Vmaxkhi chạy trên đờng tốt, mặt đờng bằng phẳng và không kéo theo moóc hoặctruyền công suất cho thiết bị phụ Khi đó thì động cơ phải sinh ra công suất là:

) (

+ f là hệ số cản lăn của đờng

+ Vmax là tốc độ cực đại của ôtô ở tay số truyền thẳng khi chạy trên đờngtốt; mặt đờng nằm ngang (tính theo km/h)

+ K là hệ số cản không khí

Đối với ôtô du lịch K = 0,025  0,030 kG.gy2/m4

Đối với ôtô buýt K = 0,040  0,050 kG.gy2/m4

Đối với ôtô vận tải K = 0,050  0,07 kG.gy2/m4+ F là diện tích chính diện của ôtô tính theo m2 Khi tính toán có thể thamkhảo ôtô cùng loại hoặc tính sơ bộ theo công thức:

. H là chiều cao của ôtô (m)

+ tl là hiệu suất truyền lực có thể xác định nh sau:

Đối với ôtô du lịch tl = 0,85  0,90

Đối với ôtô vận tải tl = 0,80  0,85

Đối với ôtô nhiều cầu chủ động tl = 0,75  0,80 Công suất tính theo công thức (2) thoả mán điều kiện đầu đề thiết kế đãcho Ta dùng công thức này để tính toán các phần sau và trên cơ sở đó để xâydựng các đồ thị Nhng nếu ta tính đợc công suất theo công thức (2) mà căn cứvào đó để chọn công suất thì cha đủ Vì công suất của động cơ đem thử trong

điều kiện thí nghiệm của nhà máy thiếu bộ phận tiêu âm, quạt gió, bình lọckhông khí và các trang bị phụ khác Nhng khi lắp trên ôtô lại có các bộ phận kểtrên và mặt khác để tăng khả năng thắng sức cản đột xuất trong quá trình chuyển

động nữa thì khi tính công suất theo công thức (2) để chọn công suất của độngcơ lắp trên ôtô ta phải chọn động cơ có công suất cao hơn 15  20 %

Trên cơ sở tính toán đợc công suất NV đảm bảo đợc tốc độ Vmax khi chạytrên đờng có hệ số cản lăn f ta có thể xác định đợc loại động cơ là động cơ xăng

vòng quay

II Xây dựng đờng đặc tính ngoài của động cơ xăng không có bộ phận

hạn chế số vòng quay.

Những động cơ không có bộ phận hạn chế số vòng quay thờng đợc đặttrên những ôtô du lịch và ở một số xe ôtô vận tải (trọng tải nhỏ)

Từ công thức (2) ta đã tính toán đợc công suất NV Công suất này đợc biểu

diễn ở điểm A trên đồ thị (hình 1) nghĩa là tơng ứng với số vòng quay nV của

động cơ Vị trí điểm A nằm bên phải của điểm B là điểm ứng với công suất cực

đại của động cơ Nmax có số vòng quay tơng ứng là nN ta đã biết từ đầu thiết kế,cho nên ta có thể tính đợc số vòng quay nV ứng với NV theo công thức sau:

nV = (1,10  1,25).nN (3)Trị số cao dùng cho ôtô du lịch có số vòng quay lớn, trị số thấp dùng cho

Hình 1: Đờng đặc tính ngoài của động cơ xăng không có bộ phận hạn chế số vòng quay

Thiếu 1/2 trang

Để tính toán công thức (5) đợc nhanh chóng ta chọn:

3 2

e N

e

n

n n

n n

n k

Sau khi tính toán đợc công suất phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ

ta biểu diễn lên đồ thị theo hình 1 Khi có đồ thị N = f(ne) ta có thể xây dựng đợc

đồ thị moment quay của động cơ theo công thức sau:

Thiếu 1/2 trang

Mmax = 1,25.MN và nM = 0,5.nN

ở đây:

Mmax - moment quay cực đại của động cơ

MN - moment quay khi ở công suất cực đại Nmax

nM - số vòng quay khi moment quay cực đại Mmax

nN - số vòng quay khi ở công suất cực đại Nmax

Để xây dựng đờng đặc tính công suất và đờng đặc tính moment quay đợcthuận lợi khỏi nhầm lẫn ta đặt những trị số tính toán vào bảng sau:

n e (v/f) 0,2n N 0,3 n N 0,4 n N 0,5 n N 0,6 0,7 n N 0,8 n N 0,9 n N 1,0 n N 1,1 n N

k 0,232 0,363 0,496 0,625 0,744 0,847 0,928 0,981 1,00 0,98

N e = kN max

(mã lực)

M e

III Xây dựng đờng đặc tính ngoài của động cơ xăng có bộ phận hạn

chế số vòng quay.

ở ôtô vận tải thờng đặt động cơ xăng có bộ phận hạn chế số vòng quay Vì

ôtô vận tải không yêu cầu có tốc độ lớn nh ở ôtô du lịch mà chủ yếu là yêu cầu

có năng suất và tính kinh tế cao Ta đã biết theo đờng đặc tính ngoài của động cơthì suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất, ứng với chỗ công suất không phải là cực đại

mà ở điểm dới chỗ có công suất cực đại Nmax Cho nên để đạt đợc năng suất caogiá thành hạ thì ở ôtô vận tải thờng đặt động cơ xăng có bộ phận hạn chế số vòngquay

ở ôtô có bộ phận hạn chế số vòng quay thì tốc độ lớn nhất của ôtô trong

đầu đề thiết kế sẽ ứng với số vòng quay ở chỗ hạn chế

Theo điều kiện đã cho f và Vmax có thể tính đợc công suất yêu cầu NV của

động cơ theo công thức (2) và cũng lập luận nh trên thì khi chọn động cơ lắp lên

ôtô ta sẽ chọn loại động cơ có công suất lớn hơn công suất NV đã tính độ 15 –20%

Khi xây dựng đờng đặc tính ngoài của động cơ và các phần tính toán phía sau ta vẫn lấy công suất NV đã tính theo công thức (2)

Muốn vẽ đờng đặc tính ngoài của động cơ theo công thức Lây- đéc- man,cần phải xác định số vóng quay nU ứng với công suất cực đại khi không hạn chế

số vòng quay và công suất cực đại Nmax khi không hạn chế số vòng quay (xemhình 2)

Theo đề bài ta đã biết đợc số vòng quay ở chỗ hạn chế n0 ứng với tốc độcực đại của ôtô Vmax Muốn tìm nN ta xác định nh sau:

9 0 8 0

N N

N

V

n

n n

n n n

N N

(9)

Các trị số n0, nN, nV và Nmax xác định vị trí hai điểm A và B trên đồ thị vàcách bố trí theo hình 2.

Khi đã xác định đợc tọa độ của điểm B nghĩa là biết đợc nN và Nmax, muốnxây dựng đờng đặc tính (Ne, ne) và (Me, ne) ta sử dụng công thức (6) và (7) ở trên

và cũng thành lập bảng để vẽ cho thuận lợi khỏi nhầm lẫn

Do hạn chế của bộ phận hạn chế số vòng quay cho nên ở tại vị trí có bộphận hạn chế số vòng quay (điểm A trên hình vẽ) các đờng đặc tính Ne và Me sẽkhông đi thẳng đứng xuống vị trí điểm n0 mà sẽ đi nghiêng xuống vị trí nX (nX là

số vòng quay của động cơ khi chạy không), số vòng quay nx thờng lớn hơn sốvòng quay n0 khoảng 300- 500 vòng/phút

(nx- n0 = 300 – 500 vòng/phút)

Để đồ thị biểu diễn đợc rõ ràng thì phần đờng đặc tính ở phía bên phải vị trí hạn chế số vòng quay (điểm A) ta vẽ nét đứt vì phần đờng đặc tính này thực tếtrên động cơ đã hạn chế số vòng quay sẽ không có nữa

IV Xây dựng đờng đặc tính ngoài của động cơ điêzen.

Đối với ôtô có đặt động cơ diezel thì tốc độ cực đại Nmax sẽ ứng với sốvòng quay nN Công suất cực đại Nmax của động cơ nghĩa là điểm A và B trên đồthị sẽ trùng nhau (thờng hạn chế số vòng quay ở Nmax) và khi đó:

Ne

Me

n X

v N

Muốn tính công suất NV ta vẫn tính theo công thức (2) Nhng khi chọn

động cơ lắp lên ôtô ta sẽ chọn động cơ có công suất lớn hơn công suất NVkhoảng 15-20% theo cơ sở lập luận đã nói ở trên

Muốn xây dựng đờng đặc tính (Ne, ne) và (Me, ne) ta vẫn theo phơng pháptrình bày ở trên nhng cần phải chú ý rằng đối với động cơ diezel thì công thứclâyđécman có thêm một số hệ số có tính đến ảnh hởng cấu tạo của các loạibuồng cháy

Công thức lâyđécman đối với động cơ diezel là:

N N

N v e

n

n c n

n b n

n a N

a,b,c là các hệ số xác định theo bảng sau:

Các hệ số

Diezel có buồng cháy thống nhất

Diezel có buồng cháy dự bị

Diezel có buồng cháy xoáy lốc

Diezel có buồng cháy loại 2 kỳ loại az a

b

c

0.5 1.5 1.0

0.7 1.3 1.0

0.6 1.4 1.0

0.87 1.13 1.00

Đối với động cơ diezel dùng công thức kinh nghiệm của lâyđécman chỉ làgần đúng, cho nên nó không biểu thị chính xác đờng đặc tính ngoài của động cơdiezel Vì thế khi thiết kế nên chọn một động cơ mẫu có công suất gần bằngcông suất của động cơ cần thiết kế Lúc đó ta thừa nhận số vòng quay nN của

động cơ đã có bằng số vòng quay của động cơ ta cần thiết kế

Dựa vào đờng đặc tính của động cơ đã có sẵn ta lấy những trị số ne bất kỳ

để xác định những trị số Ne tơng ứng rồi tùy theo sự tơng quan giữa trị số NV của

động cơ cần thiết kế và NV của động cơ có sẵn mà chúng ta tăng hay giảm các trị

số Ne theo tỷ lệ cho tơng ứng với động cơ thiết kế Làm nh vậy ta sẽ có dạng ờng đặc tính của động cơ cần thiết kế.Làm nh vậy ta sẽ có dạng đờng đặc tínhcủa động cơ cần thiết kế giống dạng đờng đặc tính của động cơ đã có sẵn

đ-V Xác định tỉ số truyền của truyền lực chính i 0

Theo đầu bài cho với điều kiện xe chạy ở tốc độ cực đại Vmax mà xe chởvới trọng tải định mức thì ngời lái phải cho xe chạy ở số truyền thẳng trên mặt đ-ờng bằng nghĩa là ih= 1 Theo lý thuyết thì tỷ số truyền i0 sẽ đợc xác định theocông suất tổng quát sau:

max 0

.

377 0

V i

n r i

h

e bx

ở đây: i0- tỷ số truyền của truyền lực chính

ih- tỷ số truyền thẳng của hộp số (ih=1)





ne: số vòng quay của động cơ ứng với Vmax(vòng/phút)

Vmax: tốc độ cực đại của ôtô (km/g)

Từ công thức (11) ta thấy rằng i0 có ảnh hởng tới tốc độ của xe và lại có

ảnh hởng tới nhân tố động lực học của xe theo công thức:

G

KFV U

n i i M

H h e

13

.

động cơ cho một đơn vị quãng đờng chạy Điều đó sẽ dẫn đến tăng tiêu haonhiên liệu và giảm tuổi thọ các chi tiết của động cơ

Nh vậy thì việc tăng i0 chỉ có lợi trong một giới hạn xác định nào đó cónghĩa là vừa đảm bảo sao cho ôtô có đợc chất lợng kéo cần thiết, đảm bảo đợctốc độ của xe và do đó đảm bảo đợc tính kinh tế khi sử dụng

Cho nên ngoài việc xác định tỷ số truyền i0 theo lý thuyết ngời ta còn kếthợp chọn tỷ số truyền i0 bằng phơng trình cân bằng công suất của ôtô

Ví dụ: Ta chọn i0’>i0’’>i0’’’>i0’’’’ và ta lập những đờng cong công suất ởbánh xe chủ động của ôtô để có thể chọn tỷ số truyền i0 sao cho hợp lý nhất (ở

đây i0’=5.5; i0’’=5; i0’’’=4.5; i0’’’’=4; i0’’’’’=3.5)

8 0

10 20 30

40

Nm,l

5,5 5 4,5 4 3,5

N m + m N f + N W

Hình số 3

Qua hình vẽ ta thấy nếu giảm tỷ số truyền của truyền lực chính i0’ đến i0’’’thì lợng dự trữ công suất của ôtô giảm đi nhng trị số tốc độ lớn nhất của xe đợotăng lên

Nhng nếu tiếp tục giảm i0’ xuống i0’’’’thì lợng dự trữ công suất và tốc độlớn nhất của xe đều tiếp tục giảm đi

- Hai phơng pháp xác định tỷ số truyền i0 ở trên học sinh có thể dùng một phơng pháp để tính đều đợc cả Để đơn giản và nhanh chóng dễ dàng học sinh cóthể dùng công thức (11) để tính Nhng nếu tham khảo những xe đã có sẵn cùng với loại xe mình thiết kế thấy trị số i0 có chênh lệch một ít thì không lấy gì làm lạ

VI Xác định tỉ số truyền của hộp số.

1- Xác định tỷ số truyền ở tay số 1:

Tỷ số truyền của hộp số bắt đầu đợc xác định ở tay số thấp nhất tay số 1

Tỷ số truyền của tay số 1 đợc xác định sao cho lực kéo tiếp tuyến của ôtô có thểkhắc phục đợc lực cản lớn nhất của đờng đã cho trong đầu đề thiết kế ( max=f+i)

h

bx h

n i Me

r G i

.

0 max

max 1

n i Me

m G r i

.

0 max 1

Memax- Mômen cực đại của động cơ (kgm)

i0 - Tỷ số truyền của truyền lực chính

nH - Hiệu suất truyền lực chung của toàn bộ xe

 - là hệ số bán cực đại giữa lớp với đờng

b G

b G

- Đối với cầu trớc: m1= 0.8 – 0.9

- Đối với cầu sau : m2= 1.1 – 1.2+ Hệ số bám có thể chọn trong khoảng = 0.6 – 0.8 (với đờng nhựa)

2- Xác định tỷ số truyền ở các tay số trung gian:

a- Chọn tỷ số truyền theo cấp số nhân:

+ Đối với hộp số 3 cấp tốc độ:

3 

h

i i h2  i h1 + Đối với hộp số 4 và 5 cấp tốc độ:

1

h h

) 1 ( 1

1 2

i n i

h

h h

) 3 ( 2

) 1 ( 1

1 3

i n i

h

h h

) ( ) 1 (

) 1 ( 1

1

m n i m

i n i

h

h hm

VII Lập đò thị cân bằng công suất của ôtô.

Phơng trình cân bằng công suất tổng quát của ôtô:

0

N N N N N N N

jv f

. 00 0

n M

N  - công suất tiêu hao cho trục truyền công suấtTrong đó: vlt là tốc độ lý thuyết; vtt là tốc độ thực tế

Nh chúng ta đã biết công suất kéo ở bánh xe chủ động

H e r e

N k  f  u i j mkCông suất d đợc tính theo công thức sau:

w k

Muốn lập đợc đồ thị cân bằng công suất của ôtô ta phải tính tốc độ chuyển

động của ôtô ở các tay số theo số vòng quay của động cơ (ne) theo công thức sau:

- ở tay số 1:

1 0 1

.

377 0

h

e bx

i i

n r

- ở tay số 2:

2 0 2

.

377 0

h

e bx

i i

n r

- ở tay số 3:

3 0 3

.

377 0

h

e bx

i i

n r

- ở tay số 4:

4 0 4

.

377 0

h

e bx

i i

n r

- ở tay số 5:

5 0 5

.

377 0

h

e bx

i i

n r

ở đây: rbx- bán kính lăn của bánh xe (tính bằng mét)

ne – số vòng quay của động cơ (tính bằng v/phút)Cho ne những trị số khác nhau từ thấp đến trị số cực đại vào các công thức nên ở trên

Đối với đầu thiết kế đã cho ta đã có những trị số f, G, cosα là những trị số

cố định, vậy N f f V là hàm bậc nhất nên muốn vẽ đợc đờng Nf ta chỉ cần xác

định một điểm ứng với Vmax rồi nối với tọa độ của đồ thị

Hình 4: Đồ thị công suất d

VIII Lập đồ thị cân bằng lực kéo của ôtô.

Từ lý thuyết ta đã biết phơng trình cân bằng lực kéo tổng quát cuẩ ôtô nh sau:

mk j i w f

 cos

e bx

H h e k

bx

H h e bx

k k

n r

n i i N p

r

n i i M r

M P

.

2 716

0 0

P 

Xác định lực kéo d cho các số truyền:

 v f P P P

và tiếp tục lập bảng cho các tay số V2 V3, V4 ,V5

Từ các số liệu tính toán ở các bảng trên ta đem biểu diễn lên đồ thị lực kéotiếp tuyến và lực kéo d theo hình vẽ dới:

IX Lập đó thị đặc tính động lực của ôtô.

Chỉ tiêu về lực kéo Pk cha đánh giá đợc chất lợng lực của ôtô này so với

ôtô khác Bởi vì hai ôtô cùng có lực kéo Pk nh nhau thì ôtô nào có nhân tố cản không khí bé hơn sẽ có chất lợng động lực tốt hơn và nếu hai ôtô có cùng nhân

tố cản không khí nh nhau, trọng tải nh nhau thì ôtô nào có trọng lợng thiết kế bé hơn thì ôtô ấy tốt hơn Vì vậy ta phải tính hệ số phân bố động lực D của ôtô

G

P G

P P

P aI

P aII

P aIII

G- Trọng lợng toàn bộ của xeTính D  f v và lập bảng cho từng tay số:

V 1

P a1

D 1

Sau đó ta tiếp tục lập bảng cho các tay số khác V2 V3, V4 ,V5

Để xác định đặc tính động lực của xe khi chở với trọng tải thay đổi ta phảilập đồ thị D tơng ứng gọi là đồ thị tia ta có:

G

G D

D- nhân tố động lực của xe khi chở tải đầy

Dx- nhân tố động lực của xe khi trọng tải thay đổiG- Trọng lợng toàn bộ của ôtô khi chở tải đầy (gồm trọng lợng thiết

kế G0 và trọng lợng chở hàng, hành khách theo định mức Ge)Gx- Trọng lợng toàn bộ của ôtô khi chở với trọng tải thay đổi (gồm trọng lợng thiết kế G0 và trọng lợng hàng thực tế chất lên Gex)

Ta đem chất tải lên xe theo số phần trăm tải trọng định mức Ge, ta sẽ xác

định đợc trọng lợng toàn bộ của xe với trọng lợng chở hàng thực tế Gx từ đó ta tìm đợc góc α tơng ứng với số phần trăm tải trọng nói trên Ta thành lập theo bảng sau: Phần trăm tải trọng tính

Từ các số liệu ở bảng trên ta đem biểu diễn lên đồ thị đặc tính động lực học và đồ thị tia.

V 0

g- gia tốc trọng trờng (g = 9.81m/gy2)

 - hệ số tính đến ảnh hởng của các khối lợng quay khi tăng tốc

Để đơn giản khi tính j ta tính với trờng hợp xe tăng tốc trên đờng bằng ởcác số truyền do đó  fi 0 và công thức trên có dạng:



g f D

Trị số hệ số  có thể dùng công thức gần đúng sau đây để tính:

2

03

Tiếp tục lập bảng cho các tay số V2 V3, V4 ,V5

Từ các số liệu ở các bảng trên ta lập đồ thị gia tốc và gia tốc ngợc

XI Lập đồ thị thời gian tăng tốc của ôtô.

Để thành lập sự phụ thuộc của thời gian tăng tốc vào tốc độ chuyển động của ôtô cần tính nhng diện tích ở dới đờng cong 1/j diện tích này tính theo tỷ lệ trên bản vẽ ta sẽ xác đinh đợc thời gian tăng tốc:



 2

1

v

v j

dv t

j

V 0

1 j

V

ở đây v1 và v2 tốc độ đầu và cuối của giai đoạn tăng tốc.

Để tiện lợi cho tính toán khi lập đồ thị 1/j theo tốc độ v thì phải chọn tỷ lệ biểu diễn trên các trục tung và trục hoành sao cho hợp lý

Trên đồ thị 1/j ta chia ra các khoảng tốc độ 5 – 10 km/g; 10 – 20 km/g Rồi tính diện tích dới đờng cong 1/j với các khoảng tốc độ phân chia ở trên rồi thành lập bảng để tính ra thời gian tăng tốc

Từ các số liệu ở bảng trên ta lập đồ thị thời gian tăng tốc theo hình (10) (Cần chú ý khi tính thời gian tang tốc V chỉ lấy đến 0.95 Vmax thôi)

Hình 10: Đồ thị thời gian tăng tốc của ôtô

XII Lập đồ thị quãng đờng tăng tốc của ôtô.

Sau khi xác định đợc mối quan hệ phụ thuộc giữa thời gian tăng tốc và tốc

đọ chuyển động rời, ta có thể xác định đợc quãng đờng mà ôtô đi đợc sau thời gian tăng tốc và gọi là quãng đờng tăng tốc Ta có:

Ta sẽ giải tích phân trên bằng phơng pháp đồ thị đã có sẵn theo đồ thị t = f(v) Ta cần phải tính những diện tích ở dới đờng cong t = f(v) và trục tung Tiếp đến căn cứ vào các khoảng tốc độ ở trên để xác định diện tích tơng ứng giữa đờng cong và trục tung., đem những kết quả tính đợc trình bày theo bảng dới đây:

Khoảng tốc độ (km/h) 510 1020 2030

t

V 0

gy