Lý thuyết ô tô máy kéo

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh HùngCẤU TRÚC MÔN HỌC Chương 1: Đặc tính động cơ Chương 2: Cơ học lăn của bánh xe Chương 3:Cơ học chuyển động thẳng của ô tô Chương 4: Phanh ô t

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

CẤU TRÚC MÔN HỌC

Chương 1: Đặc tính động cơ

Chương 2: Cơ học lăn của bánh xe

Chương 3:Cơ học chuyển động thẳng của ô tô

Chương 4: Phanh ô tô

Chương 5: Quay vòng của ô tô

Chương 6: Dao động của ô tô

Chương 7: Kinh tế nhiên liệu

Chương 8:Tính năng cơ động của ô tô

CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ

- Đặc tính công suất

- Tính kinh tế nhiên liệu của ô tô

1 Đặc tính công suất động cơ

Là mối quan hệ giữa:

+ Công suất động cơ Ne (W)

+ Moment xoắn Me (N.m)

+ Tốc độ góc e( rad/s)

60

2 

e n e ne (vòng/phút)

e e

P  

- Đặc tính công suất thường được biểu thị bằng đặc tính tốc độ, là mối quan hệ

) (

+ Đặc tính ngoài ( ở chế độ toàn tải của động cơ) thường được xác định trên băng thử

và thường được cho trong catolog động cơ

Hình 1.1: Đặc tính ngoài của động cơ xăng

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

Hình 1.2: Đặc tính ngoài động cơ diesel

- Các chế độ làm việc quan trọng sau:

+ Chế độ công suất cực đại của động cơ: ( max )

 Dùng để xác định tốc độ cực đại Vmax của ô tô

+ Chế độ moment xoắn cực đại: M( emax)

+ Chế độ tốc độ cực tiểu (emin), cực đại emax

+ Tương quan:  P 1

e

M e

M

M

K : Hệ số thích ứng theo momentĐối với động cơ xăng : K=1,11,2

Đối với động cơ Diesel : K=1

2 Đặc tính công suất lý tưởng

2.1 Nhược điểm của động cơ

- Ở nhánh phải lực cản tăng thì M e tăng

- Ở nhánh trái cản lăn tăng thì M e giảm vì vậy ô tô phải có hộp số

Hình 1.3: Sự tăng của lực cản lăn

2.2 Đặc tính động cơ tốt ( lý tưởng)

Động cơ như vậy thì không có hộp số

Hình 1.4: Đặc tính lý tưởng của động cơ

→ Động cơ có nhiều tay số

Hình 1.5: Đặc tính của ô tô khi có nhiều tay số

3 Động cơ giải quyết được

- Ô nhiễm môi trường

- Lực cản lăn → Me tăng

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

Hình 1.6: Đặc tính động cơ điện

CHƯƠNG 2: CƠ HỌC LĂN CỦA BÁNH XE

1 Sự truyền năng lượng từ động cơ đến bánh xe chủ động

Khái niệm:

Năng lượng là công suất với 2 thành phần moment xoắn và tốc độ lăn

- Sơ đồ:

Hình2.1: Sơ đồ truyền lực của ô tô

- Trong nghiên cứu ly hợp và trục các đăng không phải là bộ phận truyền năng lượng,

Do đó sơ đồ vẽ lại như sau:

Động cơ(M e,e,P e ) Hộp số ( i hs) Cầu chủ động ( i0) Bánh xe

- Tại bánh xe chủ động( cầu chủ động) sẽ có lực kéo tiếp tuyến:

r

i i M

k

 .0



r

i M

F e tl tl k

 .

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

tl e

P  

tl

 : Hiệu suất thể hiện sự mất mát( tổn thất) trong quá trình truyền lực

2 Cơ học lăn của bánh xe

V r

- Ở trạng thái kéo: F K càng tăng thì r l càng giảm vì sự trượt quay tăng dần, đến khilực kéo đạt max F Kmax thì xảy ra hiện tượng trượt quay hoàn toàn  r l  0 (V  K.r l),V=0

- Ở trạng thái phanh thì F P càng lớn thì r l càng tăng vì hiện tượng trượt lết khiphanh tăng dần Đến giới hạn Fp =Fpmax thì xảy ra hiện tượng trượt lết hoàn toàn →rl

V r







 2

60

K k

n 

k

X r

- Bán kính tính toán r được lựa chọn chính là r lo, như vậy bán kính tính toán là bánkính lăn của bánh xe mà trên nó không có bất kỳ lực kéo hay lực phanh nào

2.4 Lực và moment tác dụng lên bánh xe

Hình 2.3 Lực tác động lên bánh xe bị động và chủ động

- Bánh xe bị động:

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh HùngZ: Phản lực pháp tuyến của mặt đường truyền lên bánh xe.

Z(N): Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe

F: Hệ số cản lăn phụ thuộc biến dạng của lốp, f = 0,0010,008

F=f(V) phụ thuộc vào tốc độ chuyển động Trong quá trình tính toán thông thường bỏqua sự phụ thuộc này

2.6 Khả năng bám của bánh xe với mặt đường

Như đã nói trong phần bán kính lăn, ta nhận thấy rằng: Lực kéo FK ( hay lực phanh FP)không thể lớn tuỳ ý mà bị hạn chế bởi giới hạn bám ( khi kéo hoặc khi phanh)

Giới hạn đó là:

Fkmax = Z.φ : Giới hạn bám khi kéo

Fpmax = Z φ : Giới hạn bám khi phanh

φ : Hệ số bám của bánh xe với mặt đường, φ phụ thuộc chủ yếu vào tình trạng mặtđường ( đường bê tông khô φ = 0,8 ; đường đóng băng φ = 0,1) Đường càng xấu φcàng giảm

F e tl tl k

 .







.

max

r

i M

k   ( Z : trên cầu chủ động)Giả sử: Động cơ mới M’emax  Memax

→ Tổn hao mất mát do trượt, mòn lốp

Khả năng bám là biểu thị khả năng tiếp nhận lực của mặt đường ( nếu vượt quá thìtrượt)

Khả năng cung cấp của động cơ qua hệ thống truyền lực

Động cơ yếu thì xe yếu

Fp=Z φ ( Z: trên cả cầu trước và cầu sau)

2.7 Đặc tính trượt

Thực nghiệm chứng tỏ hệ số bám φ không chỉ phụ thuộc vào tình trạng của mặtđường mà còn phụ thuộc vào tình trạng trượt của bánh xe khi lăn trên đường đó Tìnhtrạng trượt được biểu thị bằng thông số độ trượt δ ( độ trượt khi kéo δk, độ trượt phanh

δp) Khi trượt hoàn toàn δ=1 (100%)

Mối quan hệ thực nghiệm giữa φ và δ gọi là đặc tính trượt (khi kéo hoặc khi phanh)

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

Hình 2.5 Đặc tính trượt

Nhận xét:

Khi trượt hoàn toàn thì hệ số bám không phải là giá trị lớn nhất mà giá trị lớn nhất đạtđược ứng với δK = 0,2÷0,3

2.8 Sự lăn của bánh xe đàn hồi

Vì là phần tử đàn hồi biến dạng khi lăn có tác dụng của lực ngang sẽ xuất hiện góclệch hướng α

Hình2.6 Sự lăn của bánh xe đàn hồi

Dưới tác dụng của lực ngang Y thì lốp bị biến dạng ngang do đó vecto tốc độ ở tâmbánh xe sẽ không trùng với mặt phẳng đối xứng dọc của nó ( bánh xe) mà lệch mộtgóc α gọi là góc lệch hướng

α : - Phụ thuộc vào biến dạng ngang của lốp , phụ thuộc vào Y

-Phụ thuộc vào độ cứng hướng của lốp, phụ thuộc vào trượt ngang

Y = Cy Α

Hay α = Y/Cy

Cy : Độ cứng hướng của lốp.

Y: Lực ngang

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

CHƯƠNG 3: CƠ HỌC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG

1 Đặt vấn đề

- Nghiên cứu các mối quan hệ động học và động lực học trong quá trình chuyểnđộng thẳng Cụ thể những mối quan hệ động học: tốc độ, gia tốc; Động lực học

là các giá trị lực và momen và sự chuyển hoá giữa chúng

- Khi nghiên cứu chương này ta dựa vào một số giả thiết:

+ Sử dụng đặc tính ngoài động cơ

+ Bỏ qua quá trình quá độ khi đóng mở ly hợp và sang số

+ Coi như các dòng công suất truyền tới bánh xe chủ động là như nhau vì thế cóthể coi chỉ có một dòng công suất duy nhất tới một bánh xe chủ động đại diện màthôi ( sử dụng moden phẳng một vết)

2 Các lực và momen tác dụng lên ô tô trong trường hợp tổng quát

- Ô tô chuyển động trên đường dốc

- Chuyển động có gia tốc

- Ô tô chuyển động lên dốc có góc dốc α

Hình 3.1 Các lực và momen tác dụng lên ô tô trong trường hợp tổng quát

V(m/s); a (m/s2); α (0)

a,b: Khoảng cách từ trọng tâm ô tô tới cầu trước và sau.

L: Chiều dài cơ sở

Hg: Khoảng cách từ trọng tâm ô tô tới mặt đường

Xe ô tô có khối lượng m (kg) tại trọng tâm có trọng lượng G

- Trọng lượng G đặt tại trọng tâm và thẳng đứng

mtg: khối lượng thu gọn (kg)

δa: Hệ số tính đến khối lượng quay, nó kể đến ảnh hưởng về mặt quán tính của cácchi tiết chuyển động quay của động cơ, hệ thống truyền lực và các bánh xe (δa>1)nhưng đối với xe du lịch chuyển động với tốc độ cao coi δa=1

+ Chuyển động tăng tốc ngược chiều

+ Chuyển động giảm tốc cùng chiều Đặt tại trọng tâm

- Lực kéo tiếp tuyến: cùng chiều chuyển động

r

i M

F e tl tl k



Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

0f1= Z1.f

0f2= Z2.f

0f=0f1+0f2= (Z1+Z2)= G.Cosα.f

3 Phương trình cân bằng lực kéo và công suất

3.1 Phương trình cân bằng lực kéo

a w

f k

F  0  0  0  0

(+): Ứng với lên dốc, tăng tốc

(-): Xuống dốc, giảm tốc

a m Sin G S V C f

Cos G r

i M

3.2 Phương trình cân bằng công suất

Các lực nhân với tốc độ V sẽ cho ta công suất tương ứng

f Cos G V

P  

VD: Một xe ô tô có khối lượng m (kg) đang chuyển động trên đường có độ dốc

α(0) với tốc độ đều V hỏi động cơ đang phát ra công suất là bao nhiêu

Nếu công suất vừa tính toán chỉ chiếm 70% công suất cực đại động cơ Hỏi ở trạngthái chuyển động này có thể tăng tốc độ V lên được bao nhiêu nữa?

- Công suất cực đại:

(

V Sin g m S V C V

f Cos g m

4.Đồ thị cân bằng lực kéo và cân bằng công suất

4.1 Đồ thị cân bằng lực kéo.

a m Sin g m S V C f

Cos g m r

i M

Vì vậy biểu thị pt cân bằng lên đồ thị mà trục hoành biểu thị tốc độ V

Hình 3.2 Đồ thị cân bằng lực kéo

FK(V) dựa vào đặc tính ngoài động cơ: cụ thể đồ thị Me (ωe)

Giả sử đồ thị có hình dạng:

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

Hình 3.3 Đặc tính ngoài ở dạng đơn giản

→ Ở từng tay số ứng với itl,1,2,

Một điểm trên đường đặc tính ngoài → có 1 điểm trên đồ thị F(V)

F e tl tl k

 .

- Bằng đồ thị này có thể xác định được tốc độ lớn nhất ở từng tay số Ví dụ:

max max

max

sin

0

a a

m

g m V

4.2 Đồ thị cân bằng công suất

Hoàn toàn tương tự ta có thể vẽ ptcbcs lên đồ thị

Hình 3.4 Đồ thị cân bằng công suất

Ta có nhận xét tương tự đối với đồ thị cb lực kéo

5.Xác định các thông số động lực học cơ bản bằng tính toán

5.1 Xác định tốc độ cực đại Vmax

Để xác định Vmax ta dưa vào một số giả thiết sau:

- Tốc độ Vmax đạt được trên đường bằng và là tốc độ ổn định (0  0 , 0a  0)

- Khi chuyển động với tốc độ cực đại Vmax thì động cơ làm việc với công suất

e

V e

P e

F  0  0

S V C f

g m r

i M

x tl

t

P e

63,0

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

V W V f V

P  

S V C V

f g m

e    0 , 63 3

5.2 Xác định độ dốc cực đại Smax

Ta dựa vào những giả thiết sau:

- Tốc độ khi leo dốc cực đại là ổn định (0 a 0) và nhỏ nên có thể bỏ qua lực cản gió (0 W 0)

- Giả thiết rằng ở chế độ leo dốc cực đại động cơ làm việc với momen xoắn cực

.

.

→max  Smax tgmax 100 %

5.3 Gia tốc cực đại a max

Ta xác định amax dựa vào một số giả thiết sau:

- Gia tốc cực đại đạt được trên đường bằng (0  0)

- Tốc độ tương ứng với 0 max nhỏ nên có thể bỏ qua lực cản gió: 0 a 0

W

- Ở chế độ gia tốc cực đại thì động cơ làm việc với momen xoắn cực đại:

M e

a

M 

- Ptcb lực kéo:

0

0a a f a K

F  

max

0

a m f g m r

i M

a tl

I tl

P   

a a

a tl

M

P     max.

r i

Cho một xe ô tô với các thông số: m(kg), Cx, S(m2),r(m),itl1,2, ,ηtl,…tl,δa

a Xác định công suất cực đại của động cơ nếu biết tốc độ Vmax

S V C V

f g m

P P P

X

V W

V K tl

P e

63 , 0

.

.

3 max max 

g m r

i M

n tl

P e V

.i i i

i tl hs 

b Hãy xác định độ dốc Smax của xe ô tô này khi biết hệ số thích ứng theo momen:

P e

M e m

i

M I tl tl

M

m

P e

M

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

e

P e P e

P M

M e

0

a m f g m r

i M

a tl

I tl

f g m r

i

M I tl tl

M

P e

M e

M

K 

) (

W

V f tl

M e

M e

M e

Có một xe ô tô có m, Cx, S, f, r….xe ô tô đang chuyển động với tốc độ V(m/s) trênđường có độ dốc S%.

Hỏi:

- Công suất động cơ đang phát ra

- Xác định Vmax, Smax biết rằng ở chế độ trên động cơ mới sử dụng 80% công

e

M e m

1 1

V S V C Sin

g m Cos

f g

tl

).

63 , 0

(

f g m P

I tl

M e

m

P e

M

P e

P e m

P K





V e

P e m

P K





r

i V

P K

n tl

P e

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

max

max  S

 

CHƯƠNG 4 PHANH Ô TÔ

1 Lực phanh và momen phanh

Momen phanh là do cơ cấu phanh sinh ra, là kết quả của ma sát giữa má phanh vàtrống phanh trong quá trình phanh Momen phanh ngược chiều quay K

Hình 4.1 Lực phanh và momen phanh

- Lực phanh bị hạn chế bởi giới hạn bám



Z

F P 

 : Hệ số bám như nhau giữa bánh xe với mặt đường

Z: Phản lực pháp tuyến trong quá trình phanh thay đổi

- Khi phanh Z1, Z2   Giới hạn bám trên 2 cầu thay đổi

2 Điều kiện đảm bảo sự phanh tối ưu

Đặt vấn đề

- Lực phanh trên các cầu là do cơ cấu phanh tương ứng sinh ra Tuy nhiên chúngkhông thể lớn tùy ý ( mặc dù càng lớn thì càng tốt để thắng lực quán tính) mà phụthuộc vào giới hạn bám

Ta có:

 1

1 Z

F P 

 2

2 Z

F P 

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh HùngNếu coi  không đổi trong quá trình phanh và để đảm bảo tận dụng hết khả năng bámcủa cả 2 cầu thì lực phanh trên 2 cầu F P1 ,F P2 không được bằng nhau mà phải tỉ lệvới trọng lượng bám.

2

1 2

1

Z

Z F

Sau đây ta triển khai mối quan hệ này:

Hình 4.2 Ô tô phanh trên đường bằng

- Ô tô phanh với cường độ cực đại

- Bỏ qua lực cản gió bởi V giảm rất nhanh: O w

- Vì lực cản lăn O f rất nhỏ so với F P(O fF P) vì vậy bỏ qua O f

0

L

h b G

0

 Z L a h g G a

h a G

Z2  .  0a. g



g a

g a

h a G

h b G Z

Z

0

0 2

P

h g m a g m

h g m b g m Z

Z F

F

.

2

1 2

P

h a

h b F

F

.

2

- Hệ số bám  thay đổi theo loại đường

 Tỷ số này không phải cố định mà thay đổi Nên sự phanh tốt nhất tùy theo sựthay đổi trọng tâm và  nên ô tô bao giờ cũng có bộ phận điều hòa lực phanh

Tự động điều chỉnh lực phanh trên hai cầu, tùy thuộc tình trạng chuyển động

3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh.

Để đánh giá chất lượng của quá trình phanh ta dùng các chỉ tiêu sau:

- Quãng đường phanh

- Gia tốc chậm dần

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

- Thời gian phanh

F  0

Khi phanh với cường độ cực đại bánh xe hãm cứng và trượt lết trên đường thì lực phanh bằng giới hạn bám

max max Z. m.g. m .a

dV

 

dS g VdV  

g

dV V dS

2

2 2 1

2

dV

amax   

dV g

.

1

2 1

g



Hay min 1

.

1

V g

t





3.4 Lực phanh và lực phanh riêng

- Khi kiểm định ô tô trên băng thử dựa vào thông số lực phanh và lực phanh riêng

4 Phanh ABS ( Phanh chống hãm cứng)

Đặc tính trượt:

Hình 4.3 Đặc tính trượt

S

 : Hệ số bám khi bánh xe trượt hoàn toàn

- Qua đồ thị S không phải là giá trị lớn nhất mà giá trị lớn nhất là

) 3 , 0 2 , 0 ( b  

 ứng với mọi loại đường vì thế cho nên hệ thống phanh ABShoạt động theo nguyên tắc không để bánh xe hãm cứng (b  1ứng với S ) màđiều chỉnh lực phanh thế nào (V ) Như vậy là tạo khả năng tăng được lựcphanh bởi vì tăng được khả năng tiếp nhận của mặt đường (Z  )

- Như vậy ABS dùng để tăng hiệu quả phanh vì tăng lực phanh

Trong quá trình phanh Y

- Đối với phanh thường y tại vị trí hãm cứng b  1 thì ô tô không còn khảnăng bám ngang Vì thế sẽ bị văng ngang khi phanh, mất ổn định

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

- Khi có ABS thì hệ số bám ngang khá lớn vì thế giữ cho ô tô ổn định ngang tốthơn

 Phanh ăn hơn và ổn định hơn khi có ABS ( tận dụng y lớn)

CHƯƠNG 5 ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ 1.Ổn định dọc

1.1 Ổn định dọc tĩnh

Một xe ô tô đứng yên trên dốc Hãy xác định góc dốc giới hạn để ô tô không bị lật

đổ hoặc bị trượt dọc

Hình 5.1 Lực tác động lên xe ở trạng thái ôn định dọc tĩnh

a Lật

Nếu Z1  0 thì xe bị lật

0

.

L

h Sin G b Cos G

Z1  . .  . . g

g h Sin G b Cos G

h

b arctg

F P 

Khi F P Z2   trượt xuống

VậyG.Sintruot Z2 

Tính Z2

0

.

L

h Sin G a Cos G

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

)

(Sin h Cos a L

Sintruot  truot g  truot

) (tg h a L

g truot

h L

a tg

h L

a arctg

Để đảm bảo an toàn: thì truot lat

( bị trượt trước khi bị lật)

g

b h L

Hình 5.2 Lực tác động lên xe ở trạng thái ổn định dọc động

Một xe ô tô chuyển động lên dốc với tốc độ V, gia tốc a

0

2 

0

.

0 0

h Sin G h h

b Cos G

 G Cosb G Sinh g

g lat

1 max

L

h Sin G b Cos G

Z F

h Sin G b Cos

.

.

h L

b tg

Để an toàn: truot lat

Trường hợp 2: Xe chuyển động ổn định, tốc độ cao, đường nằm ngang.

Lý thuyết ô tô Biên soạn: Th.s Nguyễn Mạnh Hùng

Hình 5.3 Lực tác động lên xe chuyển động ổn định, tốc độ cao, đường nằm

ngang

0 0 , 0

0  a 

L

h b

b G V

63 , 0

2 3 , 0 63

,

0

5 , 1 10000

s m

2 Ổn định ngang

Khảo sát ô tô chuyển động quay vòng trên đường nghiêng ngang với tốc độ ổn định