Đề cương bài giảng lý thuyết ô tô

Vì vậy xác định được lực hoặc mômen tác dụng lên các bánh xe chủ động của ô tô máy kéo cần phải nghiên cứu đường đặc tính tốc độ của động cơ đốt trong loại piston.. Đường đặc tính tốc độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

1.1.1 Khái niệm động lực học ôtô

Động lực học của ôtô là xác định được lực và mô men tác động lên ôtô và quan trọng hơn

cả là tác động lên bánh xe chủ động để ô tô có thể chuyển động được

Lịch sử phát triển ngành ô tô đã chứng kiến nhiều loại động cơ khác nhau dùng trên ô tô máy kéo, nhưng hiện nay nguồn động lực chính dung trên ô tô máy kéo vẫn là động cơ đốt trong loại piston Vì vậy xác định được lực hoặc mômen tác dụng lên các bánh xe chủ động của ô tô máy kéo cần phải nghiên cứu đường đặc tính tốc độ của động cơ đốt trong loại piston

Đường đặc tính tốc độ của động cơ là các đồ thị chỉ sự phụ thuộc của công suất có ích Ne, mômen xoắn có ích Me, tiêu hao nhiên liệu trong một giờ GT và suất tiêu hao nhiên liệu ge theo số vòng quay n hoặc theo tốc độ góc  của trục khuỷu

Có hai loại đường đặc tính tốc độ của động cơ:

- Đường đặc tính tốc độ cục bộ

- Đường đặc tính tốc độ ngoài, gọi tắt là đường đặc tính ngoài của động cơ

Đường đặc tính tốc độ động cơ nhận được bằng cách thí nghiệm động cơ trên bệ thử Khi thí nghiệm động cơ trên bệ thử ở chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại, tức là mở bướm

ga hoàn toàn đối với động cơ xăng hoặc đặt thanh răng của bơm cao áp ứng với chế độ cấp nhiên liệu hoàn toàn đối với động cơ diesel chúng ta nhận được đường đặc tính ngoài của động cơ Nếu bướm ga hoặc thanh răng đặt ở các vi trí trung gian sẽ nhận được các đường đặc tính cục bộ Như vậy với mỗi động cơ đốt trong sẽ có một đường đặc tính tốc độ ngoài và vô

số đường đặc tính cục bộ tùy theo vị trí của bướm ga hoặc thanh răng

1.1.2 Các trạng thái động lực học ôtô

1.1.2.1 Ôtô chuyển động thẳng

2

Khi ô tô chuyển động trên đ-ờng trong nhiều tr-ờng hợp khác nhau: chuyển động lên dốc, xuống dốc, trên đ-ờng nằm ngang, chuyển động trong điều kiện thời tiết và tình trạng mặt đ ờng thay đổi …

Sau đây ta xét tr-ờng hợp tổng quát là khi ô tô chuyển động lên dốc, không ổn định và có kéo theo móc, một cầu chủ động

Ta có sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe trong tr-ờng hợp tổng quát đ-ợc biẻu thị trên hình vẽ sau:

Hình 1.1: Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi chuyển động lên dốc trong tr-ờng hợp tổng quát

Trong quá trình ô tô chuyển động các phản lực thẳng góc từ đ-ờng tác dụng lên bánh xe luôn thay đổi theo các ngoại lực và mômen tác dụng lên chúng

Trị số của các phản lực và mômen này ảnh h-ởng đến chỉ tiêu kỹ thuật của ô tô:

- Chất l-ợng kéo và bám

- Chất l-ợng phanh

- Tính ổn định, tuổi thọ của các chi tiết, các cụm chi tiết

Sau đây ta sẽ xác định các phản lực trong các tr-ờng hợp

Trên hình vẽ ta thấy khi ô tô chuyển động lên dốc sẽ chịu tác dụng của các lực và mômen sau:

3

- Trọng l-ợng toàn bộ của xe G

- Các lực cản: lực cản lăn P f, lực cản không khíP, lực cản quán tính P j , lực cản ở móc kéo P m

và chịu tác dụng của lực kéo P k

- Các mômen: mômen xcoắn chủ động M k , mômen cản lăn M f , mômen quán tính M j

G: trọng l-ợng toàn bộ của xe

L: chiều dài cơ sở của xe

a, b: khoảng cách từ trọng tâm đến trục bánh xe tr-ớc và sau:

h g: tọa độ chiều cao trọng tâm của xe

h: khoảng cách từ điểm đặt lực cản của không khí đến mặt đ-ờng

Trong tính toán để đơn giản coi h  h g

h m: khoảng cách từ điểm đặt lực kéo móc đến mặt đ-ờng

: góc dốc của đ-ờng trong mặt phẳng dọc

fr b G

fr a G

ở tr-ờng hợp này ta có ngay điều kiện sau:

Xe chuyển động ổn định nên P j =0; không kéo móc nên P m =0 và xe chuyển động trên

đ-ờng bằng =0 nên P i =0

5

Để xác định các hợp lực Z 1 và Z 2 ta chỉ việc lập ph-ơng trình mômen đối với điểm A và B rồi rút gọn ta có:

0

Z2  (  .b) . 

c Trường hợp xe đứng yờn trờn đường nằm ngang

Xe đứng yên trên đ-ờng nằm ngang ta có:  = 0 và Pf=0, M f  0

Rút gọn ta đ-ợc biểu thức:

L

b G

L

a G

r f b G

r f b G

Z1 .cos (  . b)( sin  ). g  m. m

(1.12)

Nhận xét:

1.1.2.2 ễtụ chuyển động quay vũng

Sơ đồ nghiên cứu biểu thị trên hình 1.3

Hình 1.3: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi ô tô quay vòng trên đ-ờng nghiêng ngang

Khi ô tô chyển động trên đ-ờng nghiêng ngang sẽ chịu các lực và mômen sau:

- Trọng l-ợng của xe đặt tại trọng tâm G

- Lực kéo ở móc kéo P m có:

+ Ph-ơng: trùng với ph-ơng ngang của mặt đ-ờng

+ Chiều: ng-ợc chiều chuyển động

- : góc nghiêng của mặt đ-ờng

- Z’ 1 , Z’’ 1 và Z’ 2 , Z’’ 2 là các phản lực thẳng góc của đ-ờng tác dụng lên bánh phải và bên trái ở cầu tr-ớc và cầu sau

- Y’ 1 , Y’’ 1 và Y’ 2 , Y’’ 2 là các phản lực ngang từ đ-ờng tác dụng lên bánh xe bên phải và bên trái ở cầu tr-ớc và cầu sau

- C là chiều rộng cơ sở của xe

- YY trục quay vòng

- M jn là mômen các lực quán tính tiếp tuyến các phần quay của động cơ và của hệ thống truyền lực, tác dụng trong mặt phẳng ngang

Để xác định trị số của các phản lực bên trái, ta lập ph-ơng trình cân bằng mômen đối với

điểm O1 (O1 là giao tuyến của mặt đ-ờng với mặt phẳng thẳng đứng qua trục bánh xe bên phải) Ta có:

0.sin.2cos

2.sin

cos.2

.sin.'

2cossin

cos2

1

C

8

T-ơng tự ta lập ph-ơng trình cân bằng mômen đối với điểm O2 (O2 là giao tuyến của mặt

đ-ờng với mặt phẳng thẳng đứng qua trục của bánh xe bên trái) Ta có:

2cossin

cos2

1

C

Muốn xác định phản lực ngang Y1, ta chỉ việc lập ph-ơng trình mômen đối với điểm A (A

là giao tuyến của mặt đ-ờng với mặt phẳng thẳng đứng qua trục bánh xe sau) Ta có:

L

l P b

P Gb

Y Y

Y '' sin l cos m mcos

1 ' 1

P Ga

Y Y

Y '' sin l cos m( m ) cos

2 ' 2 2

Y1: Phản lực ngang của đ-ờng tác dụng lên các bánh xe tr-ớc

Y2: Phản lực ngang của đ-ờng tác dụng lên các bánh xe sau

lm: Khoảng cách từ điểm đặt lực kéo móc đến điểm A (vết tiếp xúc)

1.2 Lực kộo tiếp tuyến (lực đẩy ụtụ chuyển động)

Cụng suất của động cơ được truyền đến bỏnh xe chủ động của ụ tụ qua hệ thống truyền lực Khi truyền như vậy, cụng suất bị tổn hao do ma sỏt trong hệ thống truyền lực và cụng suất ở bỏnh xe chủ động sẽ nhỏ hơn cụng suất của động cơ phỏt ra Cụng suất ở bỏnh xe chủ động được thể hiện qua hai thụng số là mụmen xoắn và số vũng quay của bỏnh xe chủ động Nhờ cú mụmen xoắn truyền đến bỏnh xe chủ động và nhờ cú sự tiếp xỳc giữa bỏnh xe chủ động với mặt đường cho nờn tại vựng tiếp xỳc của bỏnh xe chủ động và mặt đường sẽ phỏt sinh lực kộo tiếp tuyến hướng theo chiều chuyển động Lực kộo tiếp tuyến Pk chớnh là lực mà mặt đường tỏc dụng lờn bỏnh xe

1.2.1 Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực

Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực đợc xác định theo công thức sau:

b e b

e t

n

n i







9

Trong đó:

i t : tỷ số truyền của hệ thống truyền lực

n e ,e : số vòng quay và tốc độ góc của trục khuỷu

t i i i i

Trong đó :

i h : tỷ số truyền của hộp số chính

i p : tỷ số truyền của hộp số phụ

i o : tỷ số truyền của truyền lực chính

i c : tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng

Hộp số chớnh của ụ tụ thường cú nhiều cấp số, cũn hộp số phụ thường cú hai cấp số Tựy theo vị trớ cần gạt số ở hộp số chớnh và hộp số phụ mà chỳng ta cú cỏc tỷ số truyền it khỏc nhau của hệ thống truyền lực

1.2.2 Hiệu suất của hệ thống truyền lực

Trong quá trình ôtô làm việc công suất của động cơ truyền đến bánh xe chủ động sẽ bị mất mát do:

- Ma sát của các chi tiết trong hệ thống truyền lực

k N N

N   (1.20) Trong đó :

N k : công suất truyền đến bánh xe chủ động

10

N t : công suất tiêu hao do ma sát và khuấy dầu trong hệ thống truyền lực hay dẫn động phụ

Hiệu suất của hệ thống truyền lực là tỷ số giữa công suất truyền tới bánh chủ động N k và

công suất hữu ích của động cơ N e, đợc xác định theo công thức:

e t e

t e e

k t

N

N N

N N N

- Chất lợng chế tạo chi tiết

- Độ nhớt của dầu bôi trơn

- Kết cấu của các chi tiết

Xét về mặt kết cấu: hiệu suất của hệ thống truyền lực đợc xác định theo công thức:

c o cd h l

 : hiệu suất của truyền lực cuối cùng

Th-ờng hiệu suất của hệ thống truyền lực t đ-ợc xác định bằng thực nghiệm và đ-ợc trình bày trên bảng sau:

Bảng I-1

11

Ô tô tải với truyền lực chính một cấp

Ô tô tải với truyền lực chính hai cấp

0,89 0,85

1.2.3 Mụmen xoắn ở bỏnh xe chủ động và lực kộo tiếp tuyến

Mụmen xoắn của bỏnh xe chủ động tỏc dụng vào mặt đường một lực P ngược với chiều chuyển động của ụ tụ Nhờ tỏc dụng tương hỗ giữa đường và bónh xe cho nờn bỏnh xe sẽ chịu một lực Pk tỏc dụng từ mặt đường cú giỏ trị tương đương với lực P (Pk = P) và cú chiều cựng chiều chuyển động của ụ tụ Lực Pk này được gọi là lực kộo tiếp tuyến của bỏnh xe chủ động Như vậy lực kộo tiếp tuyến là phản lực từ đất hoặc mặt đường tỏc dụng lờn bỏnh xe chủ động theo chiều cựng với chiều chuyển động của ụ tụ

Hình I.4: Lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động

- Cho ôtô chuyển động theo phơng v

- Mk sinh ra do M e truyền qua i t và bị mất mát t

- Có bán kính làm việc trung bình của bánh xe r b

Mômen xoắn của bánh xe chủ động M kđợc xác định:

- Khi ôtô chuyển động đều (chuyển động ổn định tức v = const)

t t e

k M i

- Khi ôtô chuyển động có gia tốc

j k

12

- Khi bánh xe lăn, bánh xe tác dụng lên mặt đờng một lực, ký hiệu:P

+ Phơng song song với mặt đ-ờng + Chiều ng-ợc chiều chuyển động

- Theo điều kiện cân bằng lực thì mặt đ-ờng tác dụng lại bánh xe một lực

+ Ký hiệu là P k đợc gọi là lực kéo tiếp tuyến (P k P)

+ Ph-ơng song song mặt đ-ờng + Chiều cùng chiều chuyển động

Lực kéo tiếp tuyến P k đợc xác định theo công thức:

k

t c o p h e k

k k

r

i i i i M r

M



Trong đó: r k : bán kính đặt lực P k, với sai số không lớn có thể lấy bằng bán kính làm việc

của bánh xe r b nghĩa là chuyển động ổn định

Khi đó ta có:

b

t c o p h e b

k k

r

i i i i M r

k P P

Nhờ cú lực kộo tiếp tuyến Pk mà ụ tụ cú thể thắng lực cản chuyển động để tiến về phớa trước

1.3 Cỏc lực cản chuyển động của ụ tụ

Chúng ta xét chuyển động của ôtô máy kéo ở dạng tổng quát Tức là khi ôtô chuyển động trên đ-ờng dốc, không ổn định và có kéo moóc Nh- vậy ôtô sẽ sự tác động của các lực cản nh-:

- Lực cản lăn

- Lực cản lên dốc

- Lực cản gió

- Ph-ơng: song song với mặt đ-ờng

- Chiều: giả sử ng-ợc chiều chuyển động của ôtô

14

- Điểm đặt: tại trọng tâm của xe

- Nguyên nhân xuất hiện: Do ôtô chuyển động không ổn định (lúc tăng tốc, lúc giảm tốc) làm xuất hiện lực quán tính

Lực quán tính bao gồm các thành phần sau:

- Lực quán tính do gia tốc các khối l-ợng chuyển động tịnh tiến của ô tô P' j

- Lực quán tính do gia tốc các khối l-ợng chuyển động quay của ô tô P j ''

Vậy khi ô tô chuyển động lực quán tính đ-ợc xác định :

j  : gia tốc tịnh tiến của ô tô

Xác định P j '': Để xác định P j '' ta cần phải tính đ-ợc mômen xoắn truyền đến bánh xe chủ

động khi ô tô chuyển động không ổn định

- Khi ôtô chuyển động ổn định thì mômen xoắn tác dụng lên bánh xe chủ động là:

t t e

i t: tỷ số truyền của hệ thống truyền lực

i n: tỷ số truyền tính từ chi tiết quay thứ n của hệ thống truyền lực tới bánh xe chủ động

t b b t b e

r

i j r

i r dt

n b b n

b

n

r

i j r

i r dt

b b b

r

j r

r dt

rb: bán kính làm việc trung bình của bánh xe

Thay (I.41), (I.41), (I.42) vào ph-ơng trình (I.39) ta đ-ợc:

b b b

n n n n b

t t t e t t e k

r j I r

i j i I r

i j i I i M

M'          1

n n n b

t t e t

t e k

r

I r

i I r

i I j i M

r

I i

I i

I j

(1.36)

Nh- vậy Mj là mômen của các lực quán tính của các chi tiết quay trong động cơ, trong hệ thống truyền lực đ-ợc quy dẫn về trục bánh xe chủ động kể cả mômen của các lực quán tính của các bánh xe chủ động khi ô tô máy kéo chuyển động không ổn định Cần chú ý rằng mômen này luôn có chiều ng-ợc với chiều gia tốc góc của bánh xe chủ động

Suy ra: M k' M kM j

=> Lực quán tính của các khối l-ợng quay P j '' đ-ợc xác định:

2

2 2

"

b

b n n n t t e b

j j

r

I i

I i

I j r

M

(1.37)

Do khối l-ợng của các chi tiết quay của hệ thống truyền lực nhỏ hơn khối l-ợng bánh đà

và khối l-ợng bánh xe cho nên mômen quán tính của chúng có thể bỏ qua

Suy ra: j

r

I i

I P

b

b t

t e

G g Gr

I i

I P

j r

I i

I j g

G P P P

b

b t

t e j

b

b t

t e j

j j

17

Gr

I i

I

b

b t

t e

ở đây:

2 2

2

2

b b b

t o e

Gr

I g Gr

g i I

1  0,05i 1,050,05i h

Khi xe chuyển động thì sẽ gây ra ma sát giữa các phần tử không khí với bề mặt xe Do đó

sẽ phát sinh lực cản không khí P Lực cản không khí đặt tại tâm của diện tích cản chính diện của ôtô cách mặt đ-ờng một độ cao h(hình 1.6)

Thực nghiệm chứng tỏ lực cản không khí của ô tô máy kéo đ-ợc xác định bằng công thức sau:

18

- v0: Vận tốc tơng đối của ôtô so với không khí (m/s)

Hệ số cản không khí K của ô tô máy kéo thay đổi trong khoảng phạm vi rộng tùy theo dạng khí động của chúng Ô tô vận tải và máy kéo th-ờng có dạng khí động xấu Các máy kéo nông nghiệp th-ờng có tốc độ thấp cho nên lực cản không khí không đáng kể và có thể bỏ qua

Đối với ô tô, nhất là ô tô du lịch có tốc độ chuyển động cao cho nên lực cản không khí khá lớn

Để xác định hệ số cản không khí K của các loại ôtô đã đ-ợc thiết kế ng-ời ta sử dụng sơ

đồ dùng ống khí động nh- sau:

Hình 1.6: Sơ đồ dùng ống khí động để xác định hệ số cản K

của các loại ôtô đã đợc thiết kế

1 ống khí động; 5 Quả cân;

2 Động cơ điện; 6 Miệng hớng gió;

3 Quạt gió; 7 Đồng hồ đo tốc độ luồng khí

4 Ôtô mẫu;

Quá trình tiến hành nh- sau:

Ôtô mẫu đ-ợc làm giống hệt ôtô đã thiết kế nh-ng có kích th-ớc nhỏ hơn Treo ôtô mẫu 4 trong ống khí động 1, khi động cơ điện 2 làm việc quạt 3 quay sẽ hút gió tạo ra luồng không khí thổi qua ống khí động Nhờ miệng h-ớng gió 6 và kết cấu dạng ống khí động, luồng không khí đi qua ôtô mẫu sẽ tăng tốc độ lên rất lớn Qua tốc độ quay của động cơ điện và kết cấu dạng cánh quạt ta có thể biết đ-ợc tốc độ luồng khí tại tiết diện đặt quạt gió vì vậy ta có thể xác định đ-ợc tốc độ của luồng khí tại tiết diện đặt ôtô mẫu nhờ đồng hồ 7 Những quả cân

5 dùng để đo lực cản không khí P Nh- vậy mỗi lần thay đổi tốc độ của quạt gió ta lại đợc

một giá trị P t-ơng ứng và ta tìm đợc một giá trị của hệ số cản K Qua nhiều lần nh- vậy ta sẽ xác định đ-ợc hệ số K trung bình của loại ôtô thiết kế

19

Cần chú ý rằng lực cản của môi tr-ờng không khí phụ thuộc vào tốc độ t-ơng đối giữa ô tô

và không khí, vì vậy trong công thức 1.45 thành phần tốc độ vo phải tính đến ảnh h-ởng của gió (tốc độ và chiều của gió so với tốc độ và chiều chuyển động của ô tô)

Tốc độ chuyển động t-ơng đối vo của ô tô sẽ bằng:

v0 = vvg (1.46) Trong đó:

- v : là vận tốc của ô tô

- : là vận tốc của gió

Dấu (+) khi xe đi ng-ợc chiều gió và dấu (-) khi xe đi cùng chiều gió

Tích số K.F còn đợc gọi là nhân tố cản không khí kí hiệu là W, tính theo Ns2/m2:

- B: Chiều rộng cơ sở của ôtô

- B0: Chiều rộng lớn nhất của ôtô

- H: Chiều cao lớn nhất của ôtô

20

Hình I.6: Sơ đồ xác định diện tích chính diện của ôtô

Khi xe kéo moóc thì hệ số cản không khí tăng từ:9%32%, Tuỳ thuộc vào cách bố trí moóc (sát hoặc xa ô tô kéo)

Các ô tô ngày nay chạy với tốc độ cao, vì vậy để giảm lực cản không khí ng-ời ta làm dạng vỏ hình thoi để có dạng khí động tốt

1,6 - 2,8 1,5 - 2,0 3,0 - 5,0 4,5 - 6,5 1,0 - 1,3

0,3 - 0,9 0,6 - 1,0 1,8 - 3,5 1,0 - 2,6 0,13 - 0,18

Giá trị trung bình của hệ số cản không khí K, diện tích cản chính diện F, nhân tố cản không khí W với các loại ôtô khác nhau đ-ợc trình bày ở bảng I-4

1.5 Lực ở mooc kộo

Khi ôtô máy kéo có móc kéo thì lực cản móc kéo theo ph-ơng nằm ngang Pm đ-ợc xác

định nh- sau:

- k0 : Hệ số cản chính diện của đất

- a : Độ sâu của luống cày

- b : Chiều rộng làm việc của lỡi cày

Hệ số cản chính diện của đất có giá trị trung bình nh- bảng 1.5

1.6 Trọng lực của ụtụ:

Trọng lực của ụ tụ được phõn bổ ra hai bờn cầu xe là:

G1 – trọng lực phõn bổ cầu trước

G2 – trọng lực phõn bổ cầu sau

Khi xe chuyển động thì do sự biến dạng của lốp và đ-ờng, do sự tạo thành vết bánh xe trên đ-ờng và do sự ma sát giữa bề mặt tiếp xúc của lốp và mặt đ-ờng mà phát sinh ra lực cản lăn Ng-ời ta coi lực cản lăn của ôtô (Pf) là ngoại lực tác dụng lên bánh xe:

0



 ) thì cos = 1 nên:

Pf = f.G (1.55) Trong đó: f là hệ số cản lăn chung

Cần chỳ ý rằng hệ số cản lăn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khỏc nhau

1.7.1 Lực cản lăn ở bỏnh xe bị động

Khi ụ tụ – mỏy kộo chuyển động, bề mặt của lốp tiếp xỳc với mặt đường ở rất nhiều điểm

và tạo thành một khu vực tiếp xỳc Do tỏc dụng tương hỗ giữa bỏnh xe và

mặt đường, tại khu tiếp xỳc sẽ xuất hiện cỏc phản lực riờng phần từ đường tỏc dụng lờn bỏnh xe, gọi là cỏc phản lực của đường Cỏc phản lực này được biểu thị dưới dạng của ba thành phần lực sau:

1 1

.

2

1

f Z P

f Z P

f f

23

 Phản lực pháp tuyến là thành phần thẳng góc với mặt đường, ký hiệu là hợp lực Z

 Phản lực tiếp tuyến tác dụng trong mặt phẳng bánh xe, ký hiệu là Pf

 Phản lực ngang nằm trong mặt phẳng của đường và vuông góc với mặt phẳng bánh xe,

ký hiệu là Y

 Ngoài ra bánh xe còn chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng, ký hiệu là Gb và lực đẩy

từ khung tác dụng lên các bánh xe, ký hiệu là Px

Sự lăn của bánh xe trên đường được trình bày trong các trường hợp sau:

- Trường hợp 1: Bánh cao su lăn trên đường nhựa (bánh xe đàn hồi lăn trên đường cứng)

- Trường hợp 2: Bánh cao su lăn trên đường đất (bánh xe đàn hồi lăn trên đường mềm)

- Trường hợp 3: Bánh thép lăn trên đường đất (bánh xe cứng lăn trên đường mềm)

Ở đây khái niệm cứng có nghĩa là không bị biến dạng còn khái niệm mềm là bị biến dạng Điều đó sẽ được áp dụng vào từng trường hợp cụ thể sau đây:

1.7.1.1 Động lực học của bánh xe đàn hồi lăn trên đường cứng

Khi ô tô – máy kéo chuyển động, bánh xe lăn và chịu tác dụng của các loại lực sau (theo

24

+ Chiều: từ trên xuống

- Lực đẩy từ khung đặt vào tâm trục bánh xe h-ớng theo chiều chuyển động

+ Ký hiệu là P x

+ Ph-ơng: song song với mặt đ-ờng

+ Chiều: cùng chiều chuyển động

+ Điểm đặt: tại tâm trục bánh xe

- Hợp lực của các phản lực pháp tuyến từ đ-ờng tác dụng lên bánh xe đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và đ-ờng

+ Ký hiệu là Z 1

+ Ph-ơng: vuông góc với mặt đ-ờng

+ Chiều: từ d-ới lên

+ Điểm đặt: tại tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp với mặt đ-ờng

- Hợp lực của các phản lực tiếp tuyến

+ Ký hiệu là P f1

+ Ph-ơng: song song với mặt đ-ờng

+ Chiều: ng-ợc chiều chuyển động của xe

+ Điểm đặt: tại tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp với đ-ờng

Ngoài ra còn các lực và mômen ma sát trong ổ trục mômen quán tính các lực này có trị số nhỏ nên có thể bỏ qua

Trong tr-ờng hợp này bánh xe đàn hồi sẽ bị biến dạng còn mặt đ-ờng nhựa cứng coi nh- không bị biến dạng Do đó khi bánh xe lăn chỉ có các phần tử của lốp bị biến dạng các phần tử của lốp ở phía tr-ớc lần lợt tiếp xúc với mặt đ-ờng và bị nén lại, các phần tử của lốp ở phía sau

sẽ lần lợt ra khỏi khu vực tiếp xúc và phục hồi lại trạng thái ban đầu nh- vậy sẽ suất hiện ma sát giữa các phần tử của lốp, ma sát giữa lốp và đ-ờng và phát sinh lực cản chuyển động Nếu lốp có độ đàn hồi lý t-ởng thì năng l-ợng tiêu hao cho sự biến dạng của lốp sẽ trả lại hoàn toàn khi nó phục hồi trạng thái ban đầu Nh-ng thực tế phần năng l-ợng tiêu hao cho biến dạng không đ-ợc trả lại hoàn toàn mà một phần biến thành nhiệt toả ra môi tr-ờng xung quanh

Trên hình 1.8 biểu thị sự biến thiên của độ biến dạng trong các phần tử lốp (ký hiệu là l) theo tải trọng tác dụng (ký hiệu là G b)

25

Hình 1.8: Đồ thị đặc tính biến dạng của bánh xe đàn hồi

- Khi tải trọng tăng

+ Độ biến dạng của lốp tăng theo đờng OkA

+ Phần năng l-ợng tiêu hao cho sự biến dạng của lốp ở giai đoạn nén là diện tích của đ-ờng OAC

- Khi tải trọng giảm dần

+ Lốp sẽ đàn hồi trở lại theo đ-ờng cong AmB

+ Năng l-ợng đ-ợc trả lại do sự đàn hồi của lốp là diện tích hình BAC

Hiệu số diện tích của hai hình trên chính là phần năng l-ợng tiêu hao do nội ma sát giữa các phần tử của lốp và ma sát giữa lốp với đ-ờng (diện tích OAB)

Để xác định trị số của lực cản lăn P f1 (hợp lực của các phản lực tiếp tuyến) và hệ số cản lăn,

ta chỉ việc lập ph-ơng trình mômen của tất cả các lực đối với tâm trục bánh xe nh- sau:

d f

d f m

r

a Z P

r P a Z

o

1 1

1 1.

0

1

1 1

d

b d

f

r

a G r

a Z

1

1   (1.58)

Khi t¶i träng t¸c dông lªn b¸nh xe cµng lín, sù biÕn d¹ng cña lèp cµng t¨ng th× trÞ sè a1

cµng t¨ng, cã nghÜa lµ tæn thÊt cho sù l¨n cña b¸nh xe cµng lín

- ¸p suÊt kh«ng khÝ trong lèp vµ tÝnh chÊt c¬ lý cña ®-êng

1.7.1.2 Động lực học của bánh xe cứng lăn trên đường mềm

Sơ đồ nghiên cứu như hình vẽ 1.9

Các lực tác dụng lên bánh xe cũng tương tự như ở trường hợp 1, song khác với trường hợp trên là bánh xe cứng nên không biến dạng, còn đường sẽ bị biến dạng

f m

r r P a Z

d b

f

r r

a Z P





1 2

d b b d

b

f

r r

a G r

r

a Z P



28

Ta thấy rằng ở tr-ờng hợp này mặt đ-ờng biến dạng tạo thành vết lún do t-ơng tác giữa mặt

đ-ờng với bánh xe làm các thành phần lực pháp tuyến phân bố nhiều về phía tr-ớc và điểm đặt

1

Z cách tâm trục một đoạn là a1

1.7.1.3 Động lực học của bỏnh xe đàn hồi lăn trờn đường biến dạng

Giả thiết rằng cả đ-ờng và bánh xe đều bị biến dạng

Sơ đồ lực tác dụng đ-ợc biểu thị trên hình 1.10

Hình 1.10: Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe đàn hồi lăn trên đ-ờng biến dạng

Khi bánh xe chuyển động chịu tác dụng bởi các lực:

Trong tr-ờng hợp này ta thấy :

- Độ biến dạng của lốp nhỏ hơn tr-ờng hợp II.1

- Độ biến dạng của đ-ờng nhỏ hơn so với tr-ờng hợp II.2

 Tóm lại, Qua ba tr-ờng hợp trên ta phân tích thấy:

- Khi bánh xe đàn hồi (bánh cao su) lăn trên đ-ờng cứng (đ-ờng nhựa) thì tăng áp suất trong lốp để giảm lực cản lăn

29

- Khi bánh xe đàn hồi lăn trên đ-ờng biến dạng thì giảm áp suất không khí trong lốp để tránh tổn thất do lực cản lăn

1.7.2 Lực cản lăn ở bỏnh xe chủ động

Sơ đồ khảo sỏt được thể hiện trờn hỡnh 1.11

Khi bỏnh xe lăn cũng xảy ra ba trường hợp như đối với bỏnh xe bị động Ở đõy ta chỉ xột một trường hợp chung là bỏnh xe đàn hồi lăn trờn đường mềm (đường biến dạng)

Ở trường hợp này cả bỏnh xe và đường đều bị biến dạng nhưng biến dạng của lốp

sẽ nhỏ hơn so với trường hợp 1, biến dạng của đường sẽ nhỏ hơn trường hợp 2 Bỏnh xe

sẽ chịu tỏc dụng của cỏc lực và mụmen sau:

Hình 1.11: Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô bánh xe chuyển động lên dốc

- Lực G b2: tải trọng thẳng đứng (Phần tr-ọng l-ợng tác dụng lên mỗi bánh xe sau)

- Lực cản P x: từ khung xe tác dụng lên bánh xe, có:

+ Ph-ơng: song song với mặt đ-ờng

+ Chiều: ng-ợc chiều chuyển động của ôtô

+ Điểm đặt: tại tâm trục của bánh xe

- M k: Mômen xoắn truyền từ bán trục tới bánh xe Một phần năng l-ợng bị tiêu hao cho biến dạng vòng của lốp

- R: hợp lực của các phản lực pháp tuyến riêng phần từ đ-ờng tác dụng lên bánh xe

- T: phản lực tiếp tuyến h-ớng theo chiều chuyển động của xe

Z 2: hợp lực của các phản lực thẳng góc của đ-ờng tác dụng lên bánh xe chủ động

X k: hợp lực của các phản lực tiếp tuyến hay lực đẩy của mặt đ-ờng

f

r

a G r

a Z

2

2 2



Trong đó : M f2: mômen cản lăn của bánh xe chủ động

P f2: lực cản lăn của bánh xe chủ động

31

2

f r

Suy ra trị số a 2 > a 1 nghĩa là: tổn thất cho biến dạng của bánh xe chủ động lớn hơn của

bánh xe bị động Điều này chứng tỏ hệ số cản lăn của bánh xe chủ động f 2 lớn hơn của bánh

(1.69) Trong đó:

Z = G (1.72)

 Với lực bám P được xác định theo công thức sau:

Z

P . (1.73)

Để cho bánh xe chủ động không bị trợt quay khi ôtô chuyển động thì Pkmax phải thoả mãn

điều kiện sau:

Pkmax P (1.74) Hay: (1.75)

Trong đó:

- Mkmax: Mômen xoắn cực đại truyền tới bánh xe chủ động

- rb : Bán kính bánh xe chủ động

Từ (I.18) ta thấy lực bám của bánh xe chủ động với mặt đ-ờng tỷ lệ thuật với hệ số bám 

và tải trọng bám G, mà lực kéo Pkmax lại bị giới hạn bởi P Bởi vậy muốn tận dụng đợc hết

b

t c o p h e b

k k

r

i i i i M r

M b

kmax 

33

lực kéo Pkmax do động cơ truyền xuống thì cần thiết phải tăng hệ số bám  hay tăng G hoặc

tăng đồng thời cả hai (đồng nghĩa với tăng P) Để tăng lực bám thì ở ôtô dùng lốp có vấu cao

để tăng hệ số bám và dùng nhiều cầu chủ động để sử dụng toàn bộ trọng l-ợng của xe làm

trọng l-ợng bám Đối với máy kéo làm viêc trên đồng lầy thì dùng lốp có vấu cao hoặc lắp

thêm các bánh phụ có vấu bằng thép hoặc bánh lồng bằng thép để tăng hệ số bám

c Cỏc yếu tố ảnh hưởng tới hệ số bỏm

- Phụ thuộc vào vật liệu làm bề mặt đ-ờng và vật liệu chế tạo lốp

- Tình trạng của mặt đ-ờng (khô hay ớt, nhẵn hay nhám)

- Kết cấu và dạng hoa lốp

- Các điều kiện sử dụng khác nh- tải trọng tác dụng lên bánh xe áp suất trong lốp, tốc

độ chuyển động của ôtô máy kéo và độ trợt giữa bánh xe chủ động với mặt đ-ờng

- Ta có đồ thị chỉ sự phụ thuộc của hệ số bám  với một số yếu tố nh- hình I.4

Từ đồ thị ta thấy, khi tăng áp suất trong lốp thì hệ số bám tăng lên sau đó lại giảm xuống

(Pmax là áp suất nên dùng) Khi tăng tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe thì hệ số bám sẽ

giảm đi một chút và đồ thị có dạng tuyến tính Khi đ-ờng -ớt thì ảnh hởng của các yếu tố trên

càng lớn (a,b,c)

Đặc biệt độ tr-ợt của bánh xe chủ động và mặt đ-ờng  ảnh h-ởng rất lớn đến hệ số bám

Khi tăng độ tr-ợt của bánh xe thì hệ số bám lúc đầu tăng nhanh chóng đến giá trị cực đại

( 15%20%) Nếu tiếp tục tăng thì hệ số bám giảm, khi =100%(tr-ợt lê hoàn toàn khi

phanh) thì  giảm từ 20% đến 30% Khi đ-ờng -ớt còn có thể giảm hơn nữa (50%60%)

hÖ sè b¸m däc vµ hÖ sè b¸m ngang

35

Hệ số bám dọc xcó thể xác định đ-ợc bằng nhiều cách khác nhau Đơn giản nhất ng-ời

ta xác định bằng cách dùng một xe khác kéo xe đã phanh cứng và giữa hai xe có đặt lực kế để

đo lực bám P phát sinh ở xe đó Biết G ta sẽ suy ra x:

Do hệ số bám phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau và việc xác định các yếu tố này để áp

dụng trong tính toán gặp nhiều khó khăn nên ng-ời ta th-ờng sử dụng hệ số bám trung bình,

phụ thuộc từng loại đ-ờng khác nhau theo bảng I-3:

Đ-ờng đất:

- Pha sét, khô

- Ướt

0.50.6 0.20.4

Đ-ờng cát:

- Khô

- Ướt

0.20.3 0.40.5

Hệ số bám và lực bám có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn trong chuyển động

của ôtô máy kéo, nó có liên quan chặt chẽ đến tính chất động lực học của ôtô máy kéo, đến

hiệu quả phanh và tính ổn định khi phanh, đến tính năng dẫn h-ớng Ngày nay, khi có xu hớng

tăng tốc độ chuyển động của ôtô máy kéo thì hệ số bám và lực bám càng có tầm quan trọng

x 

36

Để ô tô hoặc máy kéo có thể chuyển động đ-ợc mà không bị tr-ợt quay thì lực kéo tiếp tuyến sinh ra ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đ-ờng phải lớn hơn hoặc bằng tổng các lực cản chuyển động, nh-ng phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám giữa bánh xe với mặt đ-ờng, nghĩa là:

Pf  P i +P  Pj + Pm P k P (1.76)

Đối với Pi, dấu (+) là khi ôtô máy kéo lên dốc, còn dấu (-) là khi xuống dốc

Đối với Pj,dấu (+) là khi ôtô máy kéo tăng tốc, còndấu (-) là khi giảm tốc

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG I

1 Nờu Khỏi niệm động lực học và cỏc trạng thỏi động lực học ụtụ

2 Trỡnh bày cỏc lực và mụ men tỏc dụng lờn ụ tụ khi chuyển động thẳng

3 Trỡnh bày cỏc lực và mụ men tỏc dụng lờn ụ tụ khi chuyển động quay vũng

4 Trỡnh bày lực kộo tiếp tuyến và cho vớ dụ trờn xe cụ thể

5 Trỡnh bày lực quỏn tớnh và cho vớ dụ trờn xe cụ thể

6 Trỡnh bày lực cản giú và cho vớ dụ trờn xe cụ thể

7 Trỡnh bày lực ở mooc kộo và cho vớ dụ trờn xe cụ thể

8 Trỡnh bày trọng lực của ụtụ và phõn bố tải trọng trờn cỏc cầu xe

9 Trỡnh bày lực cản lăn của ụtụ và cho vớ dụ trờn xe cụ thể

10 Nờu cỏc yếu tố ảnh hưởng đến lực cản lăn của ụ tụ và cho vớ dụ trờn xe cụ thể

11 Trỡnh bày lực bỏm và cỏc yếu tố ảnh hưởng

12 Nờu điều kiện chuyển động của ụtụ

37

Chương 2:

CÂN BẰNG CÔNG SUẤT, LỰC KÉO VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ÔTÔ

2.1 Cân bằng công suất của ôtô

2.1.1 Đặc tính công suất của động cơ

Trên hình 2.1a trình bày đường đặc tính ngoài của động cơ xăng không có bộ phận hạn chế số vòng quay Loại động cơ này thường được dùng trên ô tô du lịch và đôi khi được dùng trên ô tô hành khách

0 n min n M n N n max n e

N e e

Số vòng quay nmin của trục khuỷu là số vòng quay nhỏ nhất mà động cơ có thể làm việc

ổn định ở chế độ không tải Khi tăng số vòng quay thì mômen và công suất của động cơ tăng lên (hình I-1a) Mômen xoắn đạt giá trị cực đại Mmax ở số vòng quay nM và công suất đạt giá trị cực đại Nmax ở số vòng quay nN Các giá trị Nmax, Mmax và số vòng quay tương ứng với các giá trị trên nN, nM được chỉ dẫn trong các đặc tính kỹ thuật của động cơ Động cơ ô tô làm việc chủ yếu trong vùng nM nN

Khi tăng số vòng quay của trục khuỷu lớn hơn giá trị nN thì công suất sẽ giảm, chủ yếu là

do sự nạp hỗn hợp khí kém đi và do tăng tổn thất ma sát trong động cơ Ngoài ra khi tăng số vòng quay sẽ làm tăng tải trọng động gây hao mòn nhanh các chi tiết động cơ Vì thế khi thiết

kế ô tô du lịch thì số vòng quay của trục khuỷu động cơ tương ứng với tốc độ cực đại của ô tô trên đường nhựa tốt nằm ngang không vượt quá 1020 % so với số vòng quay nN

Động cơ xăng đặt trong ô tô tải thường có bộ phận hạn chế tốc độ nhằm làm tăng tuổi thọ của động cơ Bộ phận hạn chế số vòng quay làm giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ,

do đó công suất và mômen của động cơ sẽ giảm và số vòng quay của trục khuỷu sẽ nhỏ hơn

38

giá trị nN Trên hình 2-1b trình bày đường đặc tính ngoài của động cơ xăng có bộ phận hạn chế số vòng quay Đường đứt nét ứng với động cơ không có bộ phận hạn chế số vòng quay, còn đường đậm nét ứng với động cơ có bộ phận hạn chế số vòng quay

Động cơ diesel được dùng trên ô tô tải, ô tô hành khách và ngày nay được dùng cả trên ô

tô du lịch Động cơ diesel dùng trên ô tô được trang bị bộ điều tốc nhị chế hoặc đa chế độ Hầu hết các máy kéo dùng động cơ diesel có trang bị bộ điều tốc đa chế độ Bộ điều tốc

đa chế độ sẽ giữ cho chế độ làm việc của động cơ ở vùng tiêu hao nhiên liệu riêng ít nhất Hình 2.2 trình bày đường đặc tính ngoài của động cơ diesel

Ở hành trình không tải động cơ có số vòng quay chạy không tải là nc.k Khi xuất hiện tải thì bộ điều tốc sẽ tăng lượng nhiên liệu cung cấp vào xy lanh động cơ, nhờ vậy công suất và mômen của động cơ tăng lên, đồng thời số vòng quay của trục khuỷu động cơ có giảm đi Khi thanh răng của bơm cao áp dịch chuyển tới một vị trị tính toán nhất định (do tác động của bộ điều tốc) tương ứng với điểm tiêu hao nhiên liệu riêng ít nhất thì công suất của động cơ đạt giá trị cực đại (điểm b trên hình 2-2)

Công suất cực đại của động cơ khi làm việc có bộ điều tốc được gọi là công suất định mức của động cơ Nn, mômen xoắn ứng với công suất cực đại được gọi là mômen xoắn định mức Mn, số vòng quay ứng với công suất cực đại được gọi là số vòng quay định mức nn Khoảng biến thiên tốc độ nc.knn phụ thuộc vào độ không đồng đều của bộ điều tốc

e M

Hình 2.2: Đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ diesel

Các đường đồ thị nằm trong khoảng tốc độ nc.knn gọi là các đường đồ thị có điều tốc, còn các đường đồ thị nằm trong khoảng tốc độ nnnM gọi là các đường đồ thị không có điều

39

tốc Ở vùng tốc độ từ nc.knn các đường Ne và Me có dạng đường thẳng Thường đối với máy kéo động cơ làm việc ở gần vùng công suất định mức

Để xét khả năng thích ứng của động cơ đối với sự tăng tải do các ngoại lực tác dụng khi ô

tô và máy kéo làm việc, người ta đưa ra hệ số thích ứng của động cơ theo mômen xoắn và xác định như sau:

Ở đây: k – hệ số thích ứng của động cơ theo mômen xoắn

Đối với từng loại động cơ, hệ số thích ứng theo mômen xoắn có giá trị như sau:

Động cơ xăng: k = 1,11,35

Động cơ diesel không có phun đậm đặc: k = 1,11,15

Động cơ diesel có phun đậm đặc: k = 1,11,25

Cần chú ý rằng, tiêu chuẩn thử động cơ để nhận được đường đặc tính ngoài ở mỗi nước một khác, vì vậy mà cùng một động cơ nhưng thử ở những nước khác nhau sẽ cho những giá trị công suất khác nhau Bảng I-1 trình bày tiêu chuẩn thử động cơ của một số nước phát triển

Từ bảng 2-1 ta thấy rằng, khi thử động cơ xăng theo OCT thì công suất cực đại sẽ lớn hơn khoảng 10% so với khi thử theo DIN, và lớn hơn khoảng 12% so với khi thử theo SAE (Mỹ, sau 1974) Công suất cực đại của động cơ diesel khi thử theo OCT cũng sẽ lớn hơn 8%

so với thử theo DIN, 6% so với khi thử theo BS và 3% so với khi thử theo JIS

Nhiệt

độ (oC)

Độ ẩm tương đối (%)

OCT (Nga) Bộ tiêu âm, két nước, quạt gió, các thiết bị

phục vụ cho gầm xe (máy nén khí, bơm của cường hóa lái…)