Bài giảng Lý thuyết ô tô

Nhờ có mômen xoắn truyền đến bánh xe chủ động và nhờ có sự tiếp xúc giữa bánh xe chủ động với mặt đường cho nên tại vùng tiếp xúc của bánh xe chủ động và mặt đường sẽ[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI GIẢNG

HỌC PHẦN: LÝ THUYẾT Ô TÔ

SỐ TÍN CHỈ: 02

LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên - 2015

1

PHẦN 1: ĐỘNG LỰC HỌC ÔTÔ

Chương 1:

ĐỘNG LỰC HỌC ÔTÔ TRONG QUÁ TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG

1.1 Các trạng thái động lực học ôtô :

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

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

- Phản lực thẳng góc Z 1 , Z 2

Xác định phản lực thẳng góc ở bánh xe tr-ớc:

Viết ph-ơng trình mômen đối với điểm A

 M A = Z 1 L + Ph + (P i + P j )h g - Gbcos + P m h m + M f1 + M f2 + M j1 + M j2 = 0; (1.1) Trong đó:

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:

P i : lực cản lên dốc, P i = G sin

Z 1 , Z 2: hợp lực của các phản lực thẳng góc từ đ-ờng tác dụng lên bánh xe cầu tr-ớc và bánh xe cầu sau

có thể bỏ qua

4

Khi xe kéo theo móc, lực cản ở móc kéo đ-ợc xác định theo công thức:

Thay thế (1.2), (1.3) vào (1.1) ta đ-ợc:

0 cos cos

) sin

(

Z

L

h P h P P G

fr b G



 1 cos( ) ( sin )

T-ơng tự ta viết ph-ơng trình mômen đối với điểm B hoặc cân bằng lực theo ph-ơng thẳng đứng

L

h P h P P G

fr a G

Z  b   j  g  m m

2







b Trường hợp xe chuyển động ổn định trờn đường nằm ngang, khụng kộo múc

Hình 1.2 : Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe

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

5

rồi rút gọn ta có:

0



2

mà  =0 M f G.f.r b thay vào ph-ơng trình (1.4), ta có:

0

1LP h G f r G b

L

h P r f b G

Z ( b)  

1







Tơng tự xác định đ-ợc :

L

h P r f a G

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

d Trường hợp xe chuyển động lờn dốc, khụng thay đổi vận tốc và cú kộo múc

Thế vào ph-ơng trình (1.4), (1.5) ta có:

L

h P h P G

r f b G

Z2 .cos (  . b)( sin  ). g  m. m

L

h P h P G

r f b G

Z1 .cos (  . b)( sin  ). g  m. m

Nhận xét:

6

Qua sự tính toán các tr-ờng hợp trên ta thấy rằng: sự phân bố tải trọng lên các bánh xe chủ yếu phụ thuộc vào toạ độ trọng tâm của xe

Toạ độ trọng tâm có ảnh h-ởng lớn đến:

- Chất l-ợng bám của bánh xe với mặt đ-ờng

- Tính ổn định của xe

- Tính dẫn h-ớng của xe

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

7

+ Điểm đặt: tại vị trí đặt móc

- Lực ly tâm xuất hiện khi ô tô quay vòng : ký hiệu P lt

R

v g

G

Plt

2 .

Trong đó:

v: vận tốc chuyển động của xe R: bán kính quay vòng

g: gia tốc trọng tr-ờng

Gọi :

- : 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

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 2 cos

2 sin

cos 2

sin '

'

Vậy:

















































2 cos sin

2 cos sin

cos 2

1

C

8

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

















































2 cos sin

2 cos sin

cos 2

1

C

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 1









T-ơng tự nh- trên, ta lập ph-ơng trình mômen đối với điểm B (B là giao tuyến của đ-ờng

L

L l P a

P Ga

Y Y

Y '' sin l cos m( m ) cos

2 ' 2 2











Trong đó:

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

b

b

Xét về mặt kết cấu tỷ số truyền đ-ợc xác định:

c o p h

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

- Sự khuấy dầu

- Dẫn động phụ

Cho nên công suất tại bánh xe chủ động luôn nhỏ hơn công suất của động cơ

Công suất truyền đến bánh xe chủ động sẽ là :

t e

Trong đó :

N k : công suất truyền đến bánh xe chủ động

10

e t

e

t e

e

k t

N

N N

N N N

N









Hiệu suất của hệ thống truyền lực phụ thuộc vào nhiều thông số và phụ thuộc vào điều kiện làm việc của ôtô nh:

- Chế độ tải trọng

- Tốc độ chuyển động

- 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

t     

Trong đó:

l

h

cd

o

c

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

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

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

t t e

- 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

k

t c o p h e

k

k k

r

i i i i M r

M



Khi đó ta có:

b

t c o p h e

b

k k

r

i i i i M r

M



Nếu chuyển động không ổn định :

j k

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

13

- Lực cản quán tính

- Lực cản ở móc kéo

Hình I.5: Lực và mô men tác dụng lên ô tô chuyển động tăng tốc ở trên dốc

Trong đó:

- G : Trọng l-ợng toàn bộ ôtô

- Pi : Lực cản lên dốc

- Pj : lực cản quán tính

1.3.1 Lực quỏn tớnh

Ký hiệu là: P j

- 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:

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

g

G

P j' 

Trong đó :

G: trọng l-ợng toàn bộ của ô tô

dt

dv

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

k M i

- Khi ô tô chuyển động không ổn định thì mômen xoắn tác dụng lên bánh xe chủ

động là:

b b n n n n t t e e t t e

Trong đó:

dẫn về trục khuỷu

15

chính nó

e

n

b

i t: tỷ số truyền của hệ thống truyền lực

t

n

Gia tốc góc của các chi tiết xác định từ gia tốc tịnh tiến của ôtô:

b t

b

t b b t b e

r

i j r

i r dt

d

  .

b n

b

n b b n b n

r

i j r

i r dt

d

  .

b b

b b b

r

j r

r dt

 

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

16























b b

b

n n n

b

t t e t

t e k

r

I r

i I r

i I j i M

định đ-ợc quy dẫn về trục bánh xe chủ động

b

b n n n t t e j

r

I i

I i

I j

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

2

2 2

"

b

b n n n t t e

b

j j

r

I i

I i

I j r

M

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

r

I i

I P

b

b t

t e

2

" 

Từ đó ta suy ra:

j g

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



























2 2

2

2

"

'



17

Gr

I i

I

b

b t

t e

2

g

G

2 2 1

ở đây:

2 2

2

2

b b b

t o e

Gr

I g Gr

g i I













và giá trị gần đúng của chúng là:

2 2

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

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



Trong đó:

- K: Hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào dạng ôtô, chất l-ợng bề mặt, mật độ không khí (N.s2

/m4 )

- F: Diện tích cản chính diện của ôtô hay máy kéo, nghĩa là diện tích hình chiếu của ô tô

)

18

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

xác định đ-ợc hệ số K trung bình của loại ôtô thiết kế