TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
Lời mở đầu
Trong những năm gần đây, yêu cầu về tính năng cơ động và chất lượng động lực học của ô tô ngày càng cao Để đáp ứng xu hướng phát triển này, các nhà thiết kế ô tô đã cho ra đời các thế hệ xe sử dụng nhiều cầu chủ động, nhằm nâng cao tính năng cơ động Một trong những xu hướng quan trọng là phân bố và sử dụng hợp lý lực kéo trên các cầu chủ động và giữa các bánh xe trái-phải Điều này liên quan đến việc nghiên cứu khả năng bám đường và phân phối công suất từ động cơ đến các bánh xe chủ động.
Trong Đồ án này, chúng em sẽ nghiên cứu khả năng bám, phân phối công suất và tính chất động lực học của xe sử dụng hai cầu chủ động và một cầu chủ động Qua việc tính toán và so sánh các đặc tính động lực học của hai loại xe, chúng em sẽ rút ra kết luận về ưu điểm của xe hai cầu chủ động, đặc biệt trong khả năng cơ động và vượt địa hình.
Mục đích của đề tài
Đề tài này tập trung vào việc xây dựng mô hình nghiên cứu lý thuyết để thiết lập các phương trình mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng mô hình phẳng một vết Nghiên cứu sẽ khảo sát quỹ đạo chuyển động của xe dựa trên quy luật đã biết, đồng thời xem xét các yếu tố ảnh hưởng như đặc tính biến dạng của lốp, phân bố tải trọng lên bánh xe, phân phối công suất và thay đổi vận tốc Đặc biệt, nghiên cứu sẽ chú trọng đến xe có nhiều cầu chủ động, vì lực kéo ảnh hưởng lớn đến sự ổn định khi ô tô di chuyển thẳng Việc phân bố lực kéo giữa các cầu chủ động sẽ tác động đến hiện tượng trượt, từ đó so sánh sự ổn định chuyển động thẳng giữa ô tô hai cầu chủ động và ô tô một cầu chủ động.
Giới hạn của đề tài
Để khắc phục các vấn đề liên quan, đề tài “Động lực học chuyển động thẳng xe nhiều cầu chủ động 4x4” sẽ tập trung nghiên cứu vào những nội dung chính sau đây.
Tính toán các thông số động lực học của xe.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển động thẳng.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu được thực hiện bằng cách khảo sát các tài liệu liên quan đến lý thuyết chuyển động thẳng của xe ô tô Việc thu thập thông tin được tiến hành qua sách, luận văn thạc sĩ, và các nguồn tài liệu trực tuyến.
Phương pháp phân tích triển khai và giải các phương trình động lực học chuyển động thẳng.
LÝ THUYẾT VỀ SỰ LĂN VÀ SỰ BÁM CỦA BÁNH XE
Các loại bán kính của bánh xe
Bán kính bánh xe là một thông số hình học quan trọng, nhưng do lốp xe có tính đàn hồi, nó có thể biến dạng theo nhiều hướng Vì vậy, bán kính của bánh xe lốp đàn hồi không cố định và phụ thuộc vào cách định nghĩa cụ thể.
Bán kính thiết kế (mm) của bánh xe là bán kính của bánh xe không quay, không chịu tải, với áp suất không khí trong lốp ở mức danh định Kích thước này được xác định dựa trên tiêu chuẩn tên lốp do nhà chế tạo cung cấp.
Ví dụ : một lốp có kí hiệu B-d
Trongđó: B – Bề dày của lốp (inch). d – Đường kính vành bánh xe (inch).
– bán kính thiết kế Lúc đó được xác định như sau
2.1.2 Bán kính tĩnh của bánh xe
Bán kính tĩnh (m) là khoảng cách từ tâm bánh xe đến mặt đường khi bánh xe không di chuyển và chịu tác động của lực pháp tuyến Giá trị này phụ thuộc vào các lực pháp tuyến tác động lên bánh xe cũng như áp suất không khí trong lốp.
2.1.3 Bán kính động lực học của bánh xe
Bán kính động lực học (mm) là khoảng cách từ tâm bánh xe đến mặt đường khi bánh xe lăn và chịu tác động của các lực theo ba chiều: dọc, đứng và ngang.
Giá trị của phụ thuộc vào các yếu tố sau :
- Tải trọng thẳngđứng tác dụng lên bánh xe
- Lực ly tâm khi bánh xe quay
- Mômen chủ động hoặc mômen phanh (N.m)
- Áp suất không khí trong lốp.
2.1.4 Bán kính lăn của bánh xe
Bán kính lăn (m) là một thông số động học, không phải hình học, được xác định bằng tỉ lệ giữa vận tốc tịnh tiến thực tế v (m/s) và vận tốc góc của bánh xe (rad/s).
Bán kính lăn () liên quan đến sự trượt:
+ Lực phanh mạnh thì sẽ bị trượt nhiều
+ Lực phanh nhẹ thì sẽ trượt ít
Sự trượt phụ thuộc vào lực kéo hay lực phanh nên cũng phụ thuộc vào lực kéo hay lực phanh.
Với : là bán kính lăn của bánh xe khi không có lực kéo (m) là hệ số biến dạng vòng (0,001 0,01) là lực kéo và lực phanh (N.m)
Hình 2.1: Sự phụ thuộc của bán kính lăn vào moment hoặc lực tác dụng lên bánh xe
Khi lực kéo tăng thì bán kính lăn sẽ giảm đó khi đó sự trượt quay của bánh xe sẽ tăng.
Khi lực kéo thì bán kính lăn và khi đó xe sẽ xảy ra hiện tượng trượt quay hoàn toàn.
Khi lực phanh tăng, bán kính lăn cũng tăng theo, dẫn đến sự gia tăng trượt lết của bánh xe Khi lực phanh đạt mức cao, hiện tượng trượt lết hoàn toàn sẽ xảy ra.
2.1.5 Bán kính làm việc trung bình (bán kính tính toán) của bánh xe
Trong thực tế, bán kính của bánh xe được tính toán dựa trên sự biến dạng của lốp do các thông số đã đề cập Giá trị bán kính này thường không sai lệch nhiều so với bán kính thực tế, vì vậy được gọi là bán kính làm việc trung bình, ký hiệu là r, và được tính toán dựa trên các yếu tố liên quan.
Trong đó : - Bán kính thiết kế của bánh xe (m)
- Hệ số kể đến sự biến dạng của lốp, được chọn phụ thuộc vào loại lốp Với lốp có áp suất thấp :
Với lốp có áp suất cao : Với sai lệch không đáng kể có thể chọn
Động lực học bánh xe lăn
Vận tốc chuyển động lý thuyết là vận tốc của xe khi chuyển động hoàn toàn không có trượt.
– Quãng đường lý thuyết mà bánh xe đã lăn (m) t – Thời gian bánh xe đã lăn (s) r – Bán kính tính toán của bánh xe (m)
N –Tổng số vòng quay của bánh xe (vòng/phút) –Vận tốc góc của bánh xe (rad/s)
Vận tốc chuyển động thực tế v v (m/s) là vận tốc chuyển động của xe khi có tính đến ảnh hưởng của sự trượt của bánh xe với mặt đường.
– quãng đường thực tế mà bánh xe đã lăn (m) t – thời gian mà bánh xe đã lăn (s) – bán kính lăn của bánh xe (m)
Khi xe di chuyển, sự trượt giữa bánh xe và mặt đường dẫn đến sự khác biệt giữa vận tốc thực tế và vận tốc lý thuyết của xe Chênh lệch này được gọi là vận tốc trượt, đo bằng mét trên giây (m/s).
Hệ số trượt và độ trượt
+ Hệ số trượt và độ trượt khi kéo:
Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt
Mức độ trượt của bánh xe được đánh giá thông qua độ trượt :
+ Hệ số trượt và độ trượt khi phanh:
Trong trường hợp phanh ta có hệ số trượt và độ trượt :
2.2.2 Các quan hệ động lực học bánh xe lăn trên đường
Khi bánh xe lăn trên đường chỉ có thể ở 1 trong 3 trạng thái sau:
+Lăn không trượt (ở bánh xe bị động và không phanh)
+Lăn có trượt quay (ở bánh xe chủ động và đang có lực kéo)
+Lăn có trượt lết (ở bánh xe đang phanh)
Trạng thái 1: Bánh xe lăn không trượt:
Trường hợp này, tốc độ thực tế bằng tốc độ lý thuyết , ta có :
Lúc này bán kính lăn bằng bán kình tính toán
Trạng thái này chỉ có được ở bánh xe bị động với = 0, lúc đó
Trạng thái 2: Lăn có trượt quay
Hình 2.3: Lăn có trượt quay
Trong trường hợp bánh xe có lực kéo, tốc độ thực tế nhỏ hơn tốc độ lý thuyết, và bán kính lăn nhỏ hơn bán kính tính toán Tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, theo quy luật phân bố vận tốc, sẽ xuất hiện một vận tốc trượt.
Khi đó hệ số trượt khi kéo được tính :
Trường hợp xe trượt quay hoàn toàn, ta có :
Trạng thái 3: Lăn có trượt lết
Hình 2.4: Lăn có trượt lết
Trong trường hợp bánh xe đang chịu lực phanh, tốc độ thực tế lớn hơn tốc độ lý thuyết và bán kính lăn cũng lớn hơn bán kính tính toán Tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, theo quy luật phân bố vận tốc, sẽ xuất hiện một vận tốc trượt.
Khi đó hệ số trượt khi phanh được tính :
Trường hợp xe trượt lết hoàn toàn, ta có :
2.2.3 Các quan hệ về lực khi bánh xe lăn trên đường
Hình 2.5: Các lực và momen tác dụng lên bánh xe chủ động và bánh xe phanh
Trên hình vẽ, ta có
(N.m) là moment xoắn từ động cơ truyền xuống bánh xe chủ động, nó có chiều cùng chiều quay của bánh xe và giá trị được tính:
Moment xoắn của động cơ (N.m) là yếu tố quan trọng trong hệ thống truyền lực, tỷ số truyền của nó ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Tuy nhiên, hiệu suất này không thể vượt quá giới hạn do độ bám giữa bánh xe và mặt đường quy định.
Với Z (N) là tải trọng pháp tuyến tác động lên bánh xe, nó cũng đại diện cho hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường Phương trình bên phải được xác định là momen bám.
+ : trọng lượng từ khung truyền xuống bánh xe.
+ (N) là phản lực đẩy từ khung xe truyền xuống bánh xe, nó ngược chiều chuyển động vận tốc v của bánh xe chủ động.
X (N) là phản lực tiếp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe, nó cùng chiều chuyển động khi bánh xe là chủ động.
Lực kéo tiếp tuyến trên bánh xe chủ động (N) và lực cản lăn (N) được xác định bởi hệ số cản lăn (f) Momen cản lăn, luôn ngược chiều quay của bánh xe, được biểu thị bằng (N.m).
Sự trượt của bánh xe, khả năng bám, hệ số bám và lực bám
2.3.1 Sự trượt của bánh xe
Khi bánh xe lăn, mômen xoắn chủ động tạo ra lực ép đất theo phương ngang, làm đất bị nén và khiến trục bánh xe lùi lại so với trường hợp không biến dạng Hiện tượng này dẫn đến việc xe giảm vận tốc tịnh tiến, chính là bản chất của trượt quay.
Mômen xoắn tác động lên các thớ lốp gây biến dạng theo hướng tiếp tuyến, làm giảm vận tốc tịnh tiến của xe và dẫn đến hiện tượng trượt Khi các phần tử lốp tiếp xúc với mặt đường, chúng bị nén lại, khiến bán kính thực tế của bánh xe nhỏ hơn, dẫn đến quãng đường di chuyển sau mỗi vòng quay giảm Vì vậy, mômen xoắn được xác định là nguyên nhân chính gây ra sự trượt ở bánh xe chủ động.
Khi bánh xe phanh, mômen phanh làm nén đất theo chiều di chuyển của xe, khiến trục bánh xe tiến về phía trước so với trường hợp không biến dạng Điều này dẫn đến việc tăng vận tốc thực tế của xe, phản ánh bản chất của hiện tượng trượt lết Đồng thời, sự biến dạng theo hướng tiếp tuyến của các thớ lốp dưới tác dụng của mômen phanh cũng góp phần tăng vận tốc, tạo ra sự trượt lết ở các bánh xe đang phanh.
Ngồi ra tải trọng, vật liệu chế tạo lốp, áp suất trong lốp và điều kiện mặt đường cũng là nguyên nhân gây nên sự trượt ở bánh xe.
2.3.2 Khả năng bám,hệ số bám và lực bám
2.3.2.1 Khả năng bám Điều kiện để ô tô có thể chuyển động được là ở các bánh xe chủ động phải có mômen xoắn chủ động truyền đến và tại bề mặt tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải có độ bám nhất định Nếu độ bám nhỏ thì bánh xe có thể bị trượt quay khi ở bánh xe có mômen chủ động lớn hoặc bánh xe bị trượt lết khi ở bánh xe có mômen phanh lớn.
Khả năng bám của bánh xe là khả năng chuyển động bình thường mà không bị trượt quay dưới tác động của mômen chủ động, cũng như không bị trượt lết khi đang chịu mômen phanh.
2.3.2.2 Hệ số bám Độ bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bởi hệ số bám
Hệ số bám được hiểu như hệ số ma sát của bánh xe với mặt đường.
Hệ số bám dọc được xác định khi bánh xe chỉ nhận phản lực dọc, bao gồm lực kéo hoặc lực phanh, cho thấy khả năng bám theo chiều dọc của xe.
–Lực kéo tiếp tuyến cực đại giữa bánh xe với mặt đường (N) –Tải trọng pháp tuyến tác dụng lên bánh xe (N)
Nếu xét khả năng bám theo chiều ngang (khi dưới bánh xe chỉ có phản lực ngang ), thì hệ số bám được gọi là hệ số bám ngang
Với : là phản lực ngang cực đại của mặt đường tác dụng lên bánh xe (N)
Nếu gọi (N) là phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe thì:
Khi đó lực bám dọc được tính:
Khi bánh xe chịu tác động của phản lực ngang, khả năng bám đường theo chiều ngang được xác định bởi lực bám ngang Để bánh xe không bị trượt quay, lực kéo tiếp tuyến cực đại phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc giữa bánh xe và mặt đường.
Để bánh xe không bị trượt lết khi phanh, lực phanh cực đại phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc Đồng thời, để tránh trượt ngang, phản lực ngang cực đại cũng cần phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám ngang.
Từ các biểu thức trên cho thấy lực bám theo một chiều nào đó sẽ tỷ lệ thuận với hệ số bám và (hoặc trọng lượng bám ).
Lực kéo cực đại của xe bị giới hạn bởi lực bám, vì vậy để tối ưu hóa lực kéo từ động cơ, cần tăng lực bám Việc tăng lực bám có thể thực hiện bằng cách nâng cao hệ số bám hoặc trọng lượng bám, tốt nhất là cải thiện cả hai yếu tố này Để tăng hệ số bám, lốp có vấu cao thường được sử dụng, trong khi để tăng trọng lượng bám, thiết kế xe với nhiều cầu chủ động giúp tận dụng toàn bộ trọng lượng của xe.
Đặc tính trượt của bánh xe
Nghiên cứu cho thấy hệ số bám, bao gồm bám dọc và bám ngang, không phải là hằng số cho một loại đường cụ thể Thay vào đó, nó phụ thuộc vào tình trạng trượt của từng bánh xe khi di chuyển trên bề mặt đường.
Đồ thị mô tả tính trượt của bánh xe thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt Trong trạng thái trượt hoàn toàn, hệ số bám không đạt giá trị cực đại; giá trị cực đại này xuất hiện tại một mức độ trượt nhất định, áp dụng cho tất cả các loại đường.
Khi hệ số bám ngang tại ( hay ) thì , ô tô lúc này gần như không còn khả năng bám ngang và rất dễ văng ngang khi phanh.
Bảng 2.1: Hệ số bám ứng với 1 số loại đường cụ thể Đường nhựa khô Đường bê tông Đường bê tông ướt Đường sỏi Đường tuyết Đường đóng băng
Chương 3 LÝ THUYẾT VỀ VIỆC ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA Ô TÔ
Các lực tác dung lên ô tô trong trường hợp tổng quát
Hình 3.1: Sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ô tô khi chuyển động lên dốc.
Chúng ta xem xét chuyển động của ôtô trong điều kiện tổng quát, khi ôtô di chuyển trên đường dốc không ổn định với gia tốc và chịu tác động của lực cản tại móc kéo.
G – Trọng lượng tồn bộ của ôtô (N) – Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động (N) – Lực cản lăn ở các bánh xe bị động (N)
– Lực cản lăn ở các bánh xe chủ động (N)
Fω – Lực cản không khí (N) – Lực cản lên dốc (N) – Lực cản quán tính khi xe chuyển động không ổn định (có gia tốc) (N) – Lực cản ở móc kéo (N)
– Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước, cầu sau (N)
– Mômen cản lăn ở các bánh xe bị động (N.m) – Mômen cản lăn ở các bánh xe chủ động (N.m) – Góc dốc của mặt đường (độ)
3.1.1 Trọng lượng toàn bộ của xe
G=m.g (N) Nó được phân ra hai thành phần theo phương õ là : và theo phương oy là :
Trong chuyển động đều hoặc khi tính toán với khối lượng thu gọn, bao gồm cả các chi tiết chuyển động quay trong chuyển động không đều của xe, lực được coi là lực tĩnh và được xác định một cách cụ thể.
: momen xoắn của động cơ (N.m) :tỷ số truyền lực chính
: hiệu suất của hệ thống truyền lực r : bán kính tính toán (m) là tổng các lực chủ động trên các bánh xe (N)
Khi bánh xe di chuyển trên mặt đường, lực cản lăn xuất hiện tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, tác động ngược chiều với hướng chuyển động Lực cản lăn này được hình thành do sự biến dạng của lốp xe khi tiếp xúc với mặt đường, sự hình thành vết bánh xe trên bề mặt đường, và ma sát tại điểm tiếp xúc giữa lốp và mặt đường.
Hệ số cản lăn ở bánh trước và bánh sau được ký hiệu là : , trong đó phản lực tiếp tuyến của bánh xe trước và bánh sau được biểu thị bằng Nếu giả định rằng hệ số cản lăn của cả hai bánh là giống nhau, chúng ta có thể rút ra các kết luận quan trọng về hiệu suất vận hành của xe.
Lực cản lăn được quy ước dương khi tác dụng ngược chiều chuyển động của xe, âm khi cùng chiều chuyển động của xe
Mômen cản lăn của ôtô được tính:
– Mômen cản lăn ở các bánh xe cầu trước và cầu sau (N.m) – Bán kính động lực học của bánh xe (m)
Nếu xe chuyển động trên đường ngang thì:
Khi xe chuyển động lên dốc thì trọng lượng G được phân tích ra hai thành phần lực
Lực Gcosα vuông góc với mặt đường tạo ra phản lực pháp tuyến Z1 và Z2 tác dụng lên các bánh xe Đồng thời, thành phần Gsinα song song với mặt đường gây cản trở chuyển động của xe khi lên dốc, được gọi là lực cản lên dốc.
Mức độ dốc của mặt đường được thể hiện qua góc dốc α hoặc qua độ dốc i
Nếu α < 5 thì có thể coi: i = tg α = sin α và khi đó ta có:
Khi xe di chuyển xuống dốc, lực tác động theo chiều chuyển động của xe sẽ trở thành lực đẩy, tức là lực chủ động Ngược lại, khi xe lên dốc, lực này sẽ trở thành lực cản và có dấu (+), trong khi khi xe xuống dốc, lực đẩy sẽ có dấu (-).
Ngoài ra, người ta còn dùng khái niệm lực cản tổng cộng của đường Fψ là tổng của lực cản lăn và lực cản lên dốc:
Với ψ là hệ số cản của mặt đường ψ= f ± i
Khi ôtô di chuyển, lực cản không khí xuất hiện chủ yếu do các yếu tố khí động học Trong đó, khoảng 80 đến 90% lực cản đến từ hình dạng của xe, tiếp theo là lực cản do xốy lốc chiếm từ 10 đến 15%, và cuối cùng là lực cản do ma sát giữa bề mặt xe và không khí, chiếm từ 4 đến 10%.
Lực cản không khí tỉ lệ với áp suất động học qd, diện tích cản gió S và hệ số cản của không khí Cx theo biểu thức:
Fω = Cx.qd.S Ở đây: - hệ số cản gió phụ thuộc vào hình dạng khí động học thân xe và chất lượng bề mặt ô tô (/m 4 )
Diện tích cản gió (S) và khối lượng riêng của không khí (ρ) là hai yếu tố quan trọng trong tính toán vận tốc tương đối giữa xe và không khí (vo) Ở nhiệt độ 25°C và áp suất 0,1013, khối lượng riêng của không khí là ρ = 1,25 kg/m³ Vận tốc tương đối (vo) được tính bằng công thức vo = v ± vg, trong đó v là vận tốc của ôtô (m/s) và vg là vận tốc gió (m/s).
Dấu (+) ứng với khi vận tốc của xe và của gió ngược chiều.
Dấu (-) ứng với khi vận tốc của xe và của gió cùng chiều.
Khi tính toán, người ta còn đưa vào khái niệm nhân tố cản không khí W có đơn vị là
Lực cản không khí được xác định tại tâm của lực khí động học Dưới đây là bảng thể hiện một số giá trị của hệ số Cx và diện tích cản gió S của các loại xe khác nhau.
Bảng 3.1: Giá trị hệ số cản gió và diện tích cản gió của một số xe
Khi ô tô chuyển động không ổn định, lực quán tính các khối lượng chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến sẽ xuất hiện.
Lực quán tính đóng vai trò quan trọng trong chuyển động của xe, trở thành lực cản khi xe tăng tốc và lực đẩy khi xe giảm tốc Điểm tác dụng của lực quán tính nằm tại trọng tâm của xe.
Trong đó j – gia tốc chuyển động ( khối lượng thu gọn của ô tô : m – khối lượng thực tế của ô tô là hệ số khối lượng quay ()
3.1.8 Lực cản ở móc kéo Điểm đặt của tại móc kéo, có phương song song với mặt đường và được tính như sau:
Q – trọng lượng của rơ mooc
N – số lượng rơ mooc Ψ – hệ số cản tổng cộng của đường
Cân bằng lực kéo của ô tô
3.2.1 Phương trình cân bằng lực kéo
Lực kéo tiếp tuyến tại các bánh xe chủ động của ô tô giúp khắc phục các lực cản chuyển động như lực cản lăn, lực cản không khí, lực quán tính và lực cản móc kéo Phương trình cân bằng lực kéo của ô tô mô tả sự cân bằng giữa lực kéo tiếp tuyến và tất cả các lực cản này.
Trong trường hợp tổng quát ta có biểu thức sau
– là lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động – là lực cản lăn
– là lực cản dốc – là lực cản quán tính – là lực cản không khí – lực cản ở móc kéo
Trong phương trình, lực cản lăn luôn dương, trong khi lực cản dốc dương khi ô tô lên dốc và âm khi xuống dốc Lực cản không khí dương khi ô tô di chuyển không có gió, có gió ngược hoặc gió cùng chiều nhưng tốc độ gió lớn hơn ô tô Lực quán tính dương khi ô tô tăng tốc và âm khi giảm tốc.
3.2.2 Đồ thị cân bằng lực kéo
Phương trình cân bằng lực kéo của ô tô có thể biểu diễn bằng đồ thị.
Mối quan hệ giữa lực kéo Fk và lực cản chuyển động của xe phụ thuộc vào vận tốc v, được biểu diễn bằng công thức F = f(v) Trong đó, trục tung thể hiện các giá trị lực và trục hoành thể hiện các giá trị vận tốc.
Hình 3.2: Đồ thị cân bằng lực kéo của ô tô
Chúng ta vẽ cho trường hợp: xe chuyển động đều (j=0) và không kéo rơ mooc, hộp số có ba số truyền.
Vẽ các đường biểu thị lực kéo Fki ở các tay số dựa vào:
Để xác định các giá trị Mei tương ứng với các giá trị nei của động cơ, cần phân tích đường đặc tính ngoài của động cơ và áp dụng công thức phù hợp.
- Công thức tính lực kéo tiếp tuyến:
–Lực kéo ở các bánh xe chủ động ở số thứ n của hộp số –Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực ở số thứ n
- Công thức tính vận tốc chuyển động của xe ở các số truyền:
- vận tốc của xe ở tay số thứ n
– số vòng quay củ động cơ
Vẽ các đường biểu thị các lực cản chuyển động dựa vào các công thức:
-Đường lực cản của đường:
Nếu f = const thì Ff = const, cho nên đường sẽ là đường thẳng song song với trục hành
Nếu f ≠const thì Ff ≠const, lúc này đường Ff sẽ là đường cong
-Đường lực cản không khí: Đây là đường cong bậc hai phụ thuộc vào vận tốc của xe.Đường cong (Ff + Fω)của các giá trị Ff và Fω tương ứng.
3.2.3 Ứng dụng của đồ thị cân bằng lực kéo
Hai đường cong Fk3 và (Ff+Fω) cắt nhau tại A, chiếu A xuống trục hành ta được giá trị vmax của xe ở điều kiện chuyển động đã cho
Lực kéo dư của xe, ký hiệu là Fd, nằm giữa đường cong Fk và (Ff+Fω) bên trái điểm A Lực này được sử dụng để tăng tốc, leo dốc và kéo rơmóc.
Khi α=0, lực cản Ff bằng lực ψ, dẫn đến tổng lực cản là tổng của Fψ và Fω Tại điểm A, lực Fd bằng 0, và tốc độ tối đa vmax được đạt trên đường nằm ngang với tay số cao nhất.
Từ đồ thị có thể xác định được vmax của xe và các lực cản thành phần ở một vận tốc nào đó
Ví dụ: tại vận tốc v1,đoạn bc là Ff ,đoạn ab là Fω ,đoạn ad là Fd,đoạn cd là Fk3
Trên đồ thị ta vẽ thêm đường biểu thị lực bám Fφ=f(v).
Trọng lượng xe phân bố lên cầu chủ động (N) và hệ số thay đổi tải trọng tác động lên cầu được xác định bởi lực bám Fφ nằm ngang, song song với trục hành Khi Fk ≤ Fφ, khu vực xe không bị trượt quay, nhưng nếu Fk ≥ Fφ, các bánh xe chủ động sẽ bị trượt quay Để ôtô có thể chuyển động trong trường hợp này, cần phải đảm bảo các điều kiện nhất định.
Cân bằng công suất của ô tô
Tất cả các loại lực như lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản dốc, lực cản quán tính và lực cản do móc kéo đều ảnh hưởng đến tốc độ v và tạo ra công suất tương ứng.
Công suất cản quán tính
Công suất cản móc kéo
3.3.2 Phương trình cân bằng công suất của ô tô
Công suất của động cơ ô tô được xác định sau khi trừ đi phần công suất tiêu tốn do ma sát trong hệ thống truyền lực Phần công suất còn lại sẽ được sử dụng để khắc phục các lực cản như lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản dốc, lực cản quán tính và lực cản móc kéo Sự cân bằng giữa công suất phát ra của động cơ và các dạng công suất cản này được thể hiện qua phương trình cân bằng công suất của ô tô khi di chuyển.
Trong phương trình, công suất tiêu hao do lực cản dốc có giá trị dương khi ô tô di chuyển lên dốc và giá trị âm khi di chuyển xuống dốc Ngược lại, công suất tiêu hao do lực cản quán tính có giá trị dương khi ô tô tăng tốc và giá trị âm khi ô tô giảm tốc.
Phương trình trên có thể biểu diễn dưới dạng như sau
– công suất tiêu hao do ma sát trong hệ thống truyền lực – công suất động cơ phát ra với – là hiệu suất của hệ thống truyền lực
3.3.3 Đồ thị công bằng công suất Đồ thị được dựa theo quan hệ giữa công suất phát ra của động cơ và các công suất cản của xe chuyển động, phụ thuộc vào vận tốc chuyển động, tức là P=f(v).
Mặt khác, cũng có thể biểu thị quan hệ theo P=f(ne) do mối quan hệ giữa v và ne qua công thức sau: (m/s)
Trong đó – số vòng quay động cơ (vòng/phút)
– tỉ số truyền lực r – bán kính tính toán (m)
Hình 3.3: Đồ thị cân bằng công suất của ô tô
Chúng ta vẽ cho trường hợp:
Hộp số có ba số truyền, xe chuyển động ổn định (j = 0) và không kéo rơmóc, tức là:
+ Vẽ các đường biểu thị công suất Pe dựa vào:
- Đường đặc tính ngồi của động cơ: để có mối quan hệ Pe = f(ne)
-Công thức tính vận tốc chuyển động của xe ở các số truyền:
-Từ hai mối quan hệ trên, ta nhận được: Pe = f(v)
+Vẽ các đường biểu thị công suất Pki ở các tay số dựa vào:
+ Vẽ các đường biểu thị các công suất cản chuyển động dựa vào các công thức: + Đường công suất cản của mặtđường:
Nếu f = const thì Pf là đường thẳng phụ thuộc vào v
Nếu f ≠ const thì Pf là đường cong phụ thuộc vào f,α, v
- Đường công suất cản không khí: Pω = Wv 3 Vì vậy đường biểu thị Pω là đường cong bậc ba theo vận tốc v.
- Đường cong (Pf+Pω) là tổng của các giá trị Pf và Pω tương ứng.
3.3.4 Ứng dụng của đồ thị cân bằng công suất Ứng với các vận tốc khác nhau thì tung độ nằm giữa đường cong (Pf+Pω) và đường cong Pk là công suất dự trữ, được gọi là công suất dư Pd dùng để: leo dốc, tăng tốc, kéo rơmóc
Tại điểm A: Pd = 0, xe không còn khả năng tăng tốc, leo dốc Chiếu điểm A xuống trục hành, ta được vmax của xe ở loại đường đã cho
Lưu ý rằng để xe đạt vận tốc lớn nhất, cần đảm bảo xe di chuyển đều trên đường nằm ngang, bướm ga mở tối đa hoặc thanh răng bơm cao áp đã kéo hết, và đang ở tay số cao nhất của hộp số.
Để ôtô di chuyển ổn định trên một loại đường với vận tốc nhỏ hơn vmax, cần đóng bớt bướm ga hoặc điều chỉnh thanh kéo nhiên liệu, đồng thời có thể cần chuyển về số thấp hơn trong hộp số.
Xác định thông số động lực học chuyển động thẳng bằng tính toán
Tại phần này, ta sẽ xác định các thông số vmax , jmax , imax thông qua tính toán.
3.4.1 Xác định tốc độ cực đại v max
Ô tô đạt tốc độ cực đại khi di chuyển trên đường ngang (α=0), trong điều kiện ổn định (j=0) và sử dụng công suất tối đa, với bướm ga mở hoàn toàn hoặc thanh răng bơm cao áp đã kéo hết cỡ, đồng thời xe hoạt động ở số cuối cùng.
Dựa vào phương trình cân bằng lực:
Trong đó itl n là tỉ số truyền tay số cuối cùng của hộp số.
Vậy từ đó ta suy ra được (m/s)
Hoặc có thể tính bằng cách xây dựng sau:
Giải phương trình bậc 3 ta có được vmax.
3.4.2 Góc dốc lớn nhất (α max ) hay độ dốc lớn nhất (i max )
Khi xác định độ dốc lớn nhất, xe được giả định có mômen xoắn cực đại Memax ở tay số 1 và tốc độ leo dốc thấp Do đó, lực quán tính Fj bằng 0, lực kéo rơ mooc Fm cũng bằng 0, dẫn đến Fω = 0.
Phương trình cân bằng lực kéo sẽ là:
Mặt khác ta có Đặt
Thay vào phương trình trên ta được
Tiếp tục biến đổi ta được phương trình bậc 2 đối với độ dốc lớn nhất
Giải phương trình trên ta được
3.4.3 Gia tốc quán tính cực đại (j max ) Để ô tô đạt được gia tốc cực đại, động cơ làm việc ở tay số 1, mômen xoắn động cơ cực đại Memax, trên đường bằng phẳng, ô tô chuyển động ở tốc độ thấp nên lực cản không khí không đáng kể
Từ đây, suy ra gia tốc cực đại jmax:
Các đặc tính tăng tốc của ô tô
3.5.1 Xác định khả năng khởi hành và tăng tốc cho ô tô
Chúng ta xem xét một ô tô với khối lượng m, diện tích cản gió S, hệ số cản không khí Cx, và hệ số cản lăn f, khi ô tô di chuyển trên đường với góc α Lực kéo tác động tại các bánh xe chủ động là Fk Nhiệm vụ đặt ra là xác định chuyển động của ô tô, bao gồm biến thiên gia tốc, tốc độ và quãng đường theo thời gian, được biểu diễn bằng j(t), v(t) và S(t).
Khi giải bài toán này chúng ta vẫn sử dụng các phương trình cân bằng lực, trong đó lực cản quán tính được biểu thị thông qua gia tốc j.
Từ đó, gia tốc được xác định:
Với F: lực chủ động của xe = F.G
F:lực chủ động riêng của xe Đặc tính tốc độ của gia tốc
Ff là hàm của tốc độ v, cho phép xây dựng đặc tính tốc độ của gia tốc j(v) Nếu coi ảnh hưởng của vận tốc tới cản lăn là không đáng kể, đường cong j(v) sẽ tương tự như đường cong F(v) nhưng ở mức thấp hơn Độ chênh lệch giữa hai đường cong này sẽ lớn hơn ở tay số thấp, do hệ số khối lượng quay δj có giá trị lớn Để xác định biến thiên tốc độ của ô tô theo thời gian v(t), chúng ta cần dựa vào phân tích này.
Đặc tính tốc độ của gia tốc có thể được phân tích thông qua sự chênh lệch thời gian t2 - t1 Việc này chỉ có thể thực hiện nếu biết hàm j(v), từ đó xác định khoảng thời gian cần thiết để tăng tốc từ vận tốc V1 lên V2.
Hình 3.5: Xác định biến thiên của tốc độ theo thời gian khi tăng tốc
Tích phân có thể được giải bằng cách sử dụng đồ thị, từ đó xây dựng đường cong v(t) thể hiện sự biến thiên của tốc độ theo thời gian Quá trình này được minh họa qua đồ thị.
Hình 3.6: Xác định biến thiên của quảng đường theo thời gian và tốc độ theo quãng đường
Xác định X(t) hoặc V(S), ta tiến hành tương tự:
Từ biến thiên V(t) đã biết ta xác định quãng đường đi được trong khoảng thời gian t2
– t1 Hình trên cho thấy cách xác định biến thiên X(t) và V(X) bằng phương pháp đồ thị.
Tập hợp các đặc tính j(v), V(t), X(t), V(x) được gọi là đặc tính tăng tốc của xe, là chỉ số quan trọng để đánh giá tính năng động lực học của ô tô Trong đó, các đặc tính V(T) và V(X) thường được sử dụng nhiều nhất.
Khi ngắt truyền động ở các bánh xe chủ động, như ngắt ly hợp hoặc chuyển về số 0, ô tô sẽ tiếp tục di chuyển do quán tính với tốc độ V0 cho đến khi dừng hẳn Quá trình này được gọi là sự chạy đà.
Nếu bỏ qua sự tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền lực khi chạy đà chúng ta có thể viết phương trình cân bằng:
Biểu thức này mô tả sự biến thiên j(v) trong quá trình chạy đà Bằng cách áp dụng phương pháp tương tự như phần trước, chúng ta có thể xây dựng toàn bộ các đặc tính của chạy đà, bao gồm j(v), V(t), X(t) và V(x), như được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 3.7: Cách xây dựng các đặc tính chạy đà.
3.5.3 Khởi hành và tăng tốc của ô tô có hộp số cơ khí
Hầu hết các ô tô hiện nay sử dụng hộp số cơ khí với nhiều tay số, dẫn đến đặc tính tăng tốc không liên tục do có thời điểm chuyển số và thay đổi lực kéo Trong hệ thống truyền lực hoàn toàn cơ khí, việc sang số sẽ tách ly hợp ma sát, khiến dòng công suất không truyền qua hộp số và quá trình sang số diễn ra mà không có tải.
Khi chuyển sang số không tai, lực kéo trở nên bằng không, dẫn đến quá trình chạy đà diễn ra Đặc tính tăng tốc tổng hợp là sự kết hợp giữa các đặc tính tăng tốc và các đặc tính chạy đà, như được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 3.8: Đặc tính tăng tốc khi sang số có tách ly hợp
LÝ THUYẾT VỀ SỰ TRUYỀN CÔNG SUẤT XE NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG
Sơ đồ truyền năng lượng từ bánh xe tới mặt đường
Năng lượng từ động cơ truyền đến các bánh xe chủ động thông qua hệ thống truyền lực.
Năng lượng từ các bánh xe được truyền tới mặt đường, và tùy thuộc vào trạng thái chuyển động của bánh xe, sẽ xuất hiện các dòng năng lượng khác nhau.
Hình 4.1: Dòng công suất ở bánh xe bị động
Hình 4.2: Dòng công suất ở bánh xe chủ động
Hình 4.3: Dòng công suất ở bánh xe phanh
Khi khảo sát năng lượng truyền từ bánh xe tới mặt đường,sẽ xuất hiện 3 dòng công suất sau:
Công suất trên trục bánh xe :
Trong trường hợp bánh xe chủ động đang có lực lực kéo, moment và vận tốc góc cùng chiều suy ra dương :
Trong trường hợp bánh xe đang bị phanh, moment và vận tốc góc ngược chiều suy ra âm :
Công suất truyền qua ổ trục của bánh xe
Khi bánh xe chủ động đang chịu lực kéo ngược chiều, công suất sẽ được xem là âm do nó truyền ra khỏi bánh xe Điều này tạo ra dòng công suất truyền lên khung xe, giúp xe di chuyển về phía trước.
Khi bánh xe đang bị phanh và chuyển động cùng chiều, công suất được xem là dương Dòng công suất này được truyền tới bánh xe và chủ yếu bị tiêu hao do cơ cấu phanh.
Vì là công suất mất mát nên nó mang giá trị âm.
Khi bánh xe chuyển động ổn định, Nên ta có phương trình cân bằng năng lượng :
- (m/s) là tốc độ lý thuyết của xe (khi chuyển động hoàn toàn không có trượt).
- là công suất cản lăn, có giá trị âm.
Tốc độ trượt, được ký hiệu là v, là tốc độ tịnh tiến thực tế của ôtô Giá trị của tốc độ trượt là dương khi ôtô đang phanh (trượt lết) và âm khi ôtô đang kéo (trượt quay).
- gọi là công suất trượt ( trượt lăn khi kéo, trượt lết khi phanh).
- Công suất trượt luôn luôn nhỏ hơn không.
Công suất cản lăn luôn hiện diện khi bánh xe lăn, trong khi công suất trượt chỉ xuất hiện khi có lực kéo hoặc phanh Khi ôtô di chuyển nhanh trên bề mặt cứng, công suất trượt thường nhỏ và có thể bị bỏ qua; tuy nhiên, trên địa hình gồ ghề, điều này không thể áp dụng.
Phân phối công suất trên ôtô
Một ôtô thường có ít nhất hai dòng công suất từ động cơ đến hai bánh xe của cầu chủ động, và ở những xe nhiều cầu chủ động, số dòng công suất này tăng lên đáng kể Nghiên cứu phân phối công suất, bao gồm momen xoắn và tốc độ góc, từ động cơ đến các cầu chủ động và bánh xe, là rất quan trọng Đồng thời, việc khảo sát các hiện tượng xảy ra trong quá trình phân phối công suất cũng cần được thực hiện để hiểu rõ hơn về hiệu suất hoạt động của xe.
Việc phân phối công suất được thực hiện thông qua cơ cấu phân phối công suất ở cầu chủ động, sử dụng vi sai với hai bậc tự do Trong hộp phân phối giữa hai cầu, có thể áp dụng vi sai hoặc không Bài viết này tập trung vào việc tính toán hộp phân phối không sử dụng vi sai.
4.2.1 Phân phối công suất dùng vi sai
4.2.1.1Nhiệm vụ của vi sai
Việc phân phối công suất trên ô tô thường sử dụng cơ cấu vi sai, vi sai trên ô tô có nhiệm vụ:
Phân phối tốc độ góc không đồng đều cho hai trục là cần thiết để đảm bảo tốc độ tiếp tuyến khác nhau giữa các bánh xe, giúp cải thiện khả năng vận hành khi xe quay vòng hoặc di chuyển trên địa hình gồ ghề và bám kém.
Phân phối momen xoắn cho các trục theo một tỉ lệ xác định
4.2.1.2 Động học của cơ cấu vi sai
Vi sai là một cơ cấu cơ khí có ít nhất hai bậc tự do và có nhiều loại khác nhau, bao gồm vi sai bánh răng nón, vi sai bánh răng trụ, vi sai trục vít và vi sai hành tinh Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu vi sai bánh răng nón đối xứng.
Hình 4.4: Sơ đồ vi sai nón
Trên sơ đồ chúng ta kí hiệu 2 trục ra là e và i với qui ước:
Trục e là bộ phận truyền công suất đến bánh xe bên ngoài, giúp bánh xe này quay nhanh hơn khi ô tô thực hiện các vòng quay Điều này xảy ra do bánh xe bên ngoài bị trượt nhiều hơn trong quá trình ô tô di chuyển.
Trục i là trục truyền công suất ra bánh xe phía trong, tức bánh quay chậm hơn (bánh xe bị trượt quay ít hơn).
Các quan hệ động học của vi sai được mô tả bằng biểu thức quan hệ dưới đây:
Khi truyền động từ trục e tới trục i và phần tử r (vỏ vi sai) được giữ cố định :
(vì vi sai đối xứng, nên )
- là tỉ số truyền từ trục e tới trục i và ngược lại từ trục i tới trục e, khi phần tử r đứng yên.
Số răng của bánh răng ảnh hưởng đến hiệu suất truyền động, với dấu âm cho thấy hai bánh răng quay ngược chiều nhau Các thông số này rất quan trọng trong việc xác định hiệu suất hoạt động của hệ thống truyền động.
Khi truyền động từ r tới trục e của i: trong trường hợp chuyển động thẳng và bán kính các bánh xe là như nhau:
Vi sai nón đối xứng với ta có quan hệ:
Như vậy trong điều kiện chuyển động thẳng tốc độ góc của các trục e, i và vỏ vi sai là bằng nhau.
4.2.1.3 Động học và quan hệ momen của vi sai bánh xe
Chúng ta nghiên cứu mối quan hệ động học giữa hai bánh xe của cầu chủ động được trang bị vi sai nón đối xứng khi cầu xe thực hiện quay vòng với bán kính R.
Gọi tỉ số là bán kính quay vòng riêng, ta có quan hệ sau:
Tốc độ tịnh tiến của cầu xe:
Với là tốc độ quay của cầu xe xung quanh tâm quay vòng O.
Quan hệ giữa các tốc độ tịnh tiến trong (i) và ngoài (e):
Từ đó suy ra tốc độ góc của các trục:
Tốc độ vỏ của vi sai:
Biểu thức trên có nghĩa là khi quay vòng bánh xe ngoài quay nhanh hơn vỏ còn bánh xe trong quay chậm hơn.
Hình 4.5: Sơ đồ quay vòng của cầu chủ động 4.2.1.4Quan hệ moment
Khi bỏ qua tổn hao trong vi sai:
Ta có các quan hệ sau:
Khi bỏ qua tổn hao trong vi sai, tức là khi vi sai không ma sát, momen xoắn phân bố cho hai bán trục sẽ luôn bằng nhau và bằng một nửa giá trị momen trên vỏ vi sai.
; Quy ước về dấu của momen và tốc độ góc các phần tử trong vi sai như sau:
Bảng 4.1: Dấu của moment và tốc độ góc các phần tử vi sai
Khi tính đến tổn hao
Trong trường hợp này, chúng ta xem xét tổn hao do ma sát trong truyền động từ trục e đến trục i khi vỏ vi sai giữ đứng yên, tức là đánh giá hiệu suất riêng của vi sai Những vi sai có hiệu suất riêng thấp (nhỏ hơn 1) được gọi là vi sai có ma sát, thường được sử dụng trong các xe cơ động cao hoặc trong hộp phân phối Chúng ta sẽ khảo sát dòng công suất trong hai trường hợp.
Chủ động, tức là dòng công suất truyền từ động cơ tới các bánh xe.
Phanh (bằng động cơ hay hộp số), công suất được tiêu thụ tại cơ cấu phanh của hộp số.
+Trong trường hợp chủ động: Truyền động từ phần tử r tới (e+i).
Công suất thế năng của các phần tử e và i cho bởi các quan hệ sau:
Do đó công suất thế năng:
Khi xem xét tổn hao do ma sát, xảy ra do chênh lệch tốc độ giữa trục e, i và vỏ vi sai r, ta nhận thấy rằng dòng công suất thế năng sẽ chuyển từ trục i sang trục e Điều này có nghĩa là công suất tại trục i sẽ cao hơn công suất tại trục e một lượng tương ứng với tổn thất.
Phương trình cân bằng momen:
Suy ra các mối quan hệ sau:
Trong trường hợp tính đến ma sát, tỉ số momen giữa trục e và i được giữ không đổi và tương đương với giá trị hiệu suất riêng, dẫn đến momen lớn xuất hiện trên trục i.
+ Trong trường hợp phanh: Khi phanh bằng động cơ hay hộp số tức là truyền động từ (e+i) đến r, ta có các quan hệ:
, Như vậy dòng công suất thế năng đi từ trục e đến trục i.
Như vậy trong trường hợp phanh, momen trên trục quay nhanh lớn hơn momen trên trục quay chậm.
4.2.1.5 Các quan hệ về lực của cầu có vi sai
Tất cả các cầu chủ động đều được trang bị vi sai đối xứng, cho phép bánh xe trái và phải quay với tốc độ góc khác nhau khi xe quay vòng hoặc di chuyển trên đường trơn Vi sai trong cầu sẽ hoạt động để điều chỉnh lực và hiệu quả truyền động, điều này sẽ được phân tích chi tiết trong bài viết.
Hình 4.6a: Cầu được phanh Hình 4.6b: Cầu chủ động
Các moment trên các trục tạo ra lực kéo tiếp tuyến, sau khi tính đến thành phần lực cản lăn, dẫn đến việc hình thành các phản lực tiếp tuyến tại các bánh xe Những lực này cũng chính là lực đẩy tại ổ trục bánh xe.
Trong trường hợp chủ động, lực cản lăn được coi là đồng nhất giữa các bánh xe Khi phanh bằng động cơ, lực này sẽ có chiều ngược lại.
Chúng ta có các mối quan hệ sau:
Bảng 4.2: Quan hệ moment ở cầu chủ động và cầu phanh Ở cầu chủ động Ở cầu được phanh
Trong cả 2 trường hợp ta luôn có: Phản lực tiếp tuyến tổng cộng của cả cầu:
Do nên phản lực tổng hợp X không đặt tại tâm cầu mà lệch một đoạn về phía bên trục i Do đó tạo ra một moment xoay cầu.
Với Trong trường hợp vi sai đối xứng do đó:
Với là hiệu suất riêng của vi sai.
Khi quay vòng với tốc độ thấp, chúng ta có thể giả định rằng các lực kéo và lực phanh không bị giới hạn bởi độ bám Điều này tạo ra một trường hợp chung cho vi sai đối xứng.