Tính toán lý thuyết ô tô Audi 100E (1991-1993)

Bài tiểu luận nói về tính toán lực kéo, vận tốc của xe theo từng tay số, tính các thông số cơ bản như vân tốc tối đa, gia tốc tối đa,... Bên cạnh đó, bài tiểu luận tính toán sức tiêu hao nhiên liệu và tính ổn định của xe khi vận hành.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC -o0o -

TIỂU LUẬN CUỐI KỲ

XE AUDI 100 E (1991-1993)

GVHD: Ths Trần Anh Sơn SVTH: Nguyễn Hoàng Khan – MSSV:18025341

TPHCM, tháng 06/2021

Nguyễn Hoàng Khan ii

Thông số kỹ thuật của xe Audi 100 2.0 E (1991-1993)

Động cơ:

Công suất cực đại của động cơ động cơ (𝑁𝑒𝑚𝑎𝑥): 74 KW tại 5500 rpm Moment cực đại của động cơ (𝑀𝑒𝑚𝑎𝑥): 157 Nm tại 2750 rpm

Trọng lượng:

Nguyễn Hoàng Khan iii

MỤC LỤC

1 Xác định lực kéo tiếp tuyến của xe ô tô v

1.1 Lực kéo tiếp tuyến cực đại của ô tô ứng với mỗi tay số: v

1.2 Lực kéo tiếp tuyến của xe ô tô ứng với tùng tay số khi số vòng quay động cơ 𝒏𝒆 = 𝟑𝟎𝟎𝟎 𝒓𝒑𝒎 vi

2 Xác định vận tốc tịnh tiến lý thuyết của xe ô tô vii

2.1 Vận tốc tịnh tuyến lý thuyêt cực đại của xe ô tô ứng với từng tay số vii

2.2 Vận tốc tịnh tuyến lý thuyêt cực đại của xe ô tô ứng với từng tay số khi số vòng quay động cơ 𝒏𝒆 = 𝟐𝟓𝟎𝟎 𝒓𝒑𝒎 vii

3 Xác định các lực cản chuyển động tác dụng lên xe ô tô trong quá trình chuyển động; lực kéo tiếp tuyến cần thiết của xe ô tô ứng với các trường hợp: viii

3.1 Xe ô tô di chuyển ổn định đều lên dốc với tốc độ 40 km/h trên đường nhựa tốt viii 3.2 Xe ô tô di chuyển ổn định đều xuống dốc với tốc độ 50 km/h trên đường nhựa tốt x 3.3 Xe ô tô di chuyển ổn định đều trên đường bằng với tốc độ 70 km/h trên đường nhựa tốt xi

4 Tính các thông số cơ bản của xe ô tô xii

4.1 Vận tốc cực đại mà xe đạt được: xii

4.2 Độ dốc cực đại của ô tô xiii

4.3 Gia tốc cực đại của xe ô tô xiv

5 Toán sức kéo cần thiết của xe ô tô xv

5.1 Giả thuyết xv

5.2 Các lực cản bên ngoài xv

5.3 Đặc tính lực kéo của động cơ xvi

5.4 Bảng tống kê và biểu đồ từ các biểu thức trên xvi

6 Tính mức tiêu hao nhiên liệu của xe ô tô xvii

6.1 Xe ô tô di chuyển ổn định đều lên dốc với tốc độ 40 km/h trên đường nhựa tốt xviii 6.2 Xe ô tô di chuyển ổn định đều trên đường bằng với tốc độ 60 km/h trên đường nhựa tốt xviii

7 Khảo sát tính ổn định của xe ô tô khi đứng yên trong mặt phẳng dọc; mặt phẳng ngang xix

7.1 Tính ổn định của xe khi đứng yên trong mặt phẳng dọc xix

7.1.1 Tính ổn định theo điều kiện lật đỗ xix

Nguyễn Hoàng Khan iv

7.1.2 Tính ổn định theo điều kiện trượt xx

7.2 Tính ổn định của xe khi đứng yên trong mặt phẳng ngang xxiii

7.2.1 Xét tính ổn định theo điều kiện lật đổ xxiii

7.2.2 Xét tính ổn định theo điều kiện trượt xxiv

8 Tài liệu tham khảo xxiv

MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1 Hiệu suất truyền lực của các loại ô tô v

Bảng 3.1 Các loại hệ số cản lăn trên các loại đường khác nhau ix

Bảng 3.2 Các thông số về tính lực cản không khí của các loại xe ix

Bảng 5.1 Lực kéo và lực cản theo tốc độ xvi

Bảng 7.1 Hệ số bám của các loại đường khác nhau xxi

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 3.1 Xe ô tô di chuyển ổn định đều lên dốc viii

Hình 3.2 Xe ô tô di chuyển ổn định đều xuống dốc x

Hình 3.3 Xe ô tô di chuyển ổn định trên đường bằng xi

Hình 4.1 Xe ô tô vận hành với tốc độ cực đại xii

Hình 4.2 Xe ô tô vận hành với độ dốc cực đại xiii

Hình 4.3 Xe ô tô vận hành với gia tốc cực đại xiv

Hình 5.1 Lực kéo và lực cản theo vận tốc xvii

Hình 7.1 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi xe đứng yên và quay đầu lên dốc xix

Hình 7.2 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi xe đứng yên và quay đầu xuống dốc xx Hình 7.3 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi xe phanh sau và quay đầu lên dốc xxi Hình 7.4 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi xe phanh sau và quay đầu xuống dốc

xxii

Hình 7.5 Xe đứng yên trên mặt phẳng nghiêng ngang xxiii

Nguyễn Hoàng Khan v

1 Xác định lực kéo tiếp tuyến của xe ô tô

1.1 Lực kéo tiếp tuyến cực đại của ô tô ứng với mỗi tay số:

 Moment cực đại của động cơ: 𝑀𝑒𝑚𝑎𝑥 = 157 𝑁𝑚

 Tỉ số truyền ở mỗi tay số:

 Hiệu suất của hệ truyền lực:

Bảng 1.1 Hiệu suất truyền lực của các loại ô tô [tr21,1]

Vì mẫu xe nhóm chọn là Audi 100 2.0 E (1991-1993) là một dòng xe ô tô du lịch nên hiệu suất của hệ truyền lực nhóm chọn 𝜂𝑡 = 0,93

Nguyễn Hoàng Khan vi

1.2 Lực kéo tiếp tuyến của xe ô tô ứng với tùng tay số khi số vòng quay động cơ

𝑁𝑒𝑚𝑎𝑥: công suất hữu ích cực đại (KW, HP)

= 50371,15 𝑊 Công suất động cơ ở tua máy 3000 v/p: 𝑁𝑒𝑚𝑎𝑥 = 50371,15 𝑊

 Moment xoắn tại tua máy 3000 v/p:

𝑀𝑒3000 =𝑁𝑒3000

𝑊3000 =

50371,152𝜋 × 300060

Nguyễn Hoàng Khan vii

2 Xác định vận tốc tịnh tiến lý thuyết của xe ô tô

2.1 Vận tốc tịnh tuyến lý thuyêt cực đại của xe ô tô ứng với từng tay số

Do đối tượng tính toán là xe Audi 100 2.0 E (1991-1993) sử dụng động cơ xăng nên chọn 𝑁𝑒𝑚𝑎𝑥 = 1,1𝑛𝑁

 Vận tốc lý thuyết của xe ô tô:

60×𝑖𝑡5× 𝑟𝑏 =2𝜋×2500

60×3,45 × 0,31725 = 24,07 𝑚/𝑠

Nguyễn Hoàng Khan viii

3 Xác định các lực cản chuyển động tác dụng lên xe ô tô trong quá trình chuyển động; lực kéo tiếp tuyến cần thiết của xe ô tô ứng với các trường hợp (vẽ sơ đồ): 3.1 Xe ô tô di chuyển ổn định đều lên dốc với tốc độ 40 km/h trên đường nhựa tốt

Từ giả thuyết suy ra:

- Xe ô tô di chuyển ổn định đều: không có lực quán tính (𝑃𝑗 = 0)

Vẽ sơ đồ

Hình 3.1 Xe ô tô di chuyển ổn định đều lên dốc

Lực cản dốc:

- Giả sử xe di chuyển với góc dốc (𝛼 = 20°)

- Giả sử xe vận hành trong điều kiện có 1 người lái nặng 70 kg

Nguyễn Hoàng Khan ix

Bảng 3.1 Các loại hệ số cản lăn trên các loại đường khác nhau [tr32,1]

ứng với 𝑣 ≤ 22,2 𝑚/𝑠 (80 km/h) Đường nhựa bê tông 0,012-0,015

- Đối tượng tính toán là xe ô tô du lịch nên hệ số cản không khí: K = 0,25 (Nsec2/m4)

Bảng 3.2 Các thông số về tính lực cản không khí của các loại xe [tr38,1]

Nguyễn Hoàng Khan x

Tử giả thuyết suy ra:

- Xe ô tô di chuyển ổn định đều: Pj = 0

Nguyễn Hoàng Khan xi

Lực kéo tiếp tuyến cần thiết cho xe ô tô:

Từ giả thuyết ban đầu suy ra:

- Xe ô tô di chuyển ổn định đều: Pj = 0

- Xe ô tô di chuyển trên đường bằng: Pi = 0

Nguyễn Hoàng Khan xii

4 Tính các thông số cơ bản của xe ô tô như: 𝑣𝑚𝑎𝑥, 𝑖𝑚𝑎𝑥, 𝑗𝑚𝑎𝑥

4.1 Vận tốc cực đại mà xe đạt được:

Giả thuyết

- Xe vận hành ở tay số cao nhất (số 5)

- Xe vận hành với công suất cực đại

- Xe vận hành với vận tốc cực đại nên không tăng tốc được nữa, xem như xe chuyển đồng đều (Pj = 0)

- Xe vận hành trên đường bằng (Pi = 0)

- Bỏ qua sự trượt

Vẽ sơ đồ

Hình 4.1 Xe ô tô vận hành với tốc độ cực đại

Lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động:

- Moment ứng với công suất cực đại:

𝑀𝑁 =𝑁𝑒𝑚𝑎𝑥

𝑊𝑁 =

740002𝜋 × 550060

Lực cản lăn

Nguyễn Hoàng Khan xiii

Kết luận: Vận tốc cực đại của xe: 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 149,62 𝑘𝑚/ℎ

4.2 Độ dốc cực đại của ô tô

Hình 4.2 Xe ô tô vận hành với độ dốc cực đại

Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động

- Tỉ số truyền ở tay số 1:

𝑖𝑡1 = 𝑖ℎ1× 𝑖𝑜× 𝑖𝑐 = 3,5 × 1 × 4,11 = 14,39

Nguyễn Hoàng Khan xiv

Kết luận: Độ dốc cực đại mà xe leo được 𝑖𝑚𝑎𝑥 = 54,22%

4.3 Gia tốc cực đại của xe ô tô

Nguyễn Hoàng Khan xv

Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động

Kết luận: Gia tốc cực đại của ô tô 𝑗𝑚𝑎𝑥 = 2,86 𝑚 𝑠⁄ 2

5 Toán sức kéo cần thiết của xe ô tô (tính ứng với số 1, lên dốc, đường xấu; Pkct =

Pc =……)

5.1 Giả thuyết

- Xe vận hành với tay số 1 ⟹ 𝑖𝑡1 = 14,39

- Xe vận hành trong điều kiện lên dốc

- Xe vận hành trong điều kiện đường xấu f = 0,05 (bảng 3.1)

- Giả sử góc dốc 𝛼 = 20°

- Xe Audi 100 2.0 E (1991-1993) nên hệ số cản không khí K = 0,25 (bảng 3.2)

- Giả sử xe chạy ổn định đều lên dốc Pj = 0

5.2 Các lực cản bên ngoài

Lực cản lăn:

𝑃𝑓= 𝑓 × 𝐺 × 𝑐𝑜𝑠𝛼 = 0,05 × 13520 × cos 20° = 635,23 𝑁 Lực cản dốc:

Nguyễn Hoàng Khan xvi

𝑃𝑖 = 𝐺 × 𝑠𝑖𝑛𝛼 = 13520 × sin 20° = 4624,11 𝑁 Lực cản không khí:

𝑃𝑤 = 𝐾 × 𝐹 × 𝑣2 = 0,25 × 2,54 × 𝑣2 = 0,635𝑣2Lực kéo cần thiết của xe:

𝑃𝑘𝑐𝑡 = 𝑃𝑐 = 𝑃𝑓+ 𝑃𝑖 + 𝑃𝑤 = 635,23 + 4624,11 + 0,635𝑣2Mà:

5.3 Đặc tính lực kéo của động cơ

Công suất của động cơ:

𝑊 =2𝜋 × 𝑛𝑒

60Moment động cơ:

𝑀𝑒 = 𝑁𝑒𝑊Lực kéo của động cơ

5.4 Bảng tống kê và biểu đồ từ các biểu thức trên

Công suất động cơ (W)

Moment xoắn (Nm)

Lực kéo của động cơ (N)

Vận tốc tại bánh

xe (km/h)

Lực cản, lực kéo cần thiết (N)

500 52.33 7283.25 139.18 5871.09 4.15 5260.18

1000 104.67 15456.05 147.66 6228.81 8.31 5262.73

1500 157 24184.82 154.04 6497.94 12.46 5266.94

2000 209.33 33135.99 158.3 6677.64 16.61 5272.84

Nguyễn Hoàng Khan xvii

để đảm bảo 𝑃𝑘 ≥ 𝑃𝐾𝐶𝑇

6 Tính mức tiêu hao nhiên liệu của xe ô tô

Trọng lượng riêng nhiên liệu 𝜌𝑛 = 0,76 𝑘𝐺 𝑙𝑖𝑡⁄ ;tiêu hao nhiên liệu riêng

Nguyễn Hoàng Khan xviii

𝑔𝑒 = 330 𝑘𝑔 𝑘𝑊⁄

6.1 Xe ô tô di chuyển ổn định đều lên dốc với tốc độ 40 km/h trên đường nhựa tốt Giả thuyết

- Xe ô tô di chuyển ổn định đều (Pj=0)

- Xe chuyển động lên dốc với độ dốc i = 10% ⟹ 𝛼 = arctan 10% = 5,71°

- Xe ô tô di chuyển ổn định đều (Pj = 0)

- Xe ô tô di chuyển trên đường bằng (Pi =0)

- Xe ô tô di chuyển với tốc độ 60 km/h = 16,67 m/s

- Xe ô tô di chuyển trên đường nhựa tốt, hệ số cản lăn f = 0,015 [tr32,1]

Nguyễn Hoàng Khan xix

7 Khảo sát tính ổn định của xe ô tô khi đứng yên trong mặt phẳng dọc; mặt phẳng ngang

𝑎 = 𝑏 =𝐿

2=

2687

2 = 1343,5 𝑚𝑚; ℎ𝑔 = ℎ𝑤 = 714,5 𝑚𝑚

7.1 Tính ổn định của xe khi đứng yên trong mặt phẳng dọc

7.1.1 Tính ổn định theo điều kiện lật đỗ

7.1.1.1 Khi đầu xe hướng lên dốc

Hình 7.1 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi xe đứng yên và quay đầu lên dốc

- Khi xe lật đỗ các bánh trước nhấc khỏi mặt đường: Z1 = 0

- Ta lập phương trình cân bằng moment đối với O2

Σ𝑀𝑂2 = 0 ⇔ 𝑍1 × 𝐿 − 𝐺 × 𝑏 × 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑙+ 𝐺 × ℎ𝑔× 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑙 = 0 Cho Z1 = 0: 𝐺 × ℎ𝑔× 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑙= 𝐺 × 𝑏 × 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑙

⇔ 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑙𝑐𝑜𝑠𝛼𝑙 =

⇔ 𝛼𝑙 = 620

Kết luận: xe sẽ bị lật đổ khi đứng yên trên mặt phẳng dọc đầu xe hướng lên dốc có

góc dốc: 𝛼𝑙 ≥ 620

Nguyễn Hoàng Khan xx

7.1.1.2 Khi đầu xe hướng xuống dốc

Hình 7.2 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi xe đứng yên và quay đầu xuống dốc

- Khi xe lật đổ thì các bánh xe sau nhấc khỏi mặt đường

- Ta lập phương trình cân bằng moment đối với O1

Σ𝑀𝑂1 = 0 ⇔ 𝑍2× 𝐿 − 𝐺 × 𝑎 × 𝑐𝑜𝑠𝛼′𝑙+ 𝐺 × ℎ𝑔× 𝑠𝑖𝑛𝛼′𝑙 = 0 Cho Z2 = 0: 𝐺 × ℎ𝑔 × 𝑠𝑖𝑛𝛼′𝑙 = 𝐺 × 𝑎 × 𝑐𝑜𝑠𝛼′𝑙

⇔ 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑙𝑐𝑜𝑠𝛼𝑙 =

⇔ 𝛼′𝑙= 620

Kết luận: xe sẽ bị lật đổ khi đứng yên trên mặt phẳng dọc đầu xe hướng xuống dốc

có góc dốc: 𝛼′𝑙 ≥ 620

7.1.2 Tính ổn định theo điều kiện trượt

Trạng thái cân bằng theo điều kiện trượt

𝑃𝑃2 = 𝐺 × 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑙Khi lực phanh đạt tới giới hạn bám: 𝑃𝑃2 = 𝑍2 × 𝜑

Suy ra: 𝐺 × 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑡 = 𝑍2× 𝜑 (*)

Nguyễn Hoàng Khan xxi

Bảng 7.1 Hệ số bám của các loại đường khác nhau [tr29,1]

Loại đường và tình trạng mặt đường Hệ số bám 𝜑𝑥

Đường nhựa hoặc bê tông Khô và sạch 0,7 ÷ 0,8

7.1.2.1 Khi xe phanh tay, đầu xe hướng lên dốc và chạy trên đường nhựa khô

Hình 7.3 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi xe phanh sau và quay đầu lên dốc

Ta lập phương trình cân bằng moment đối với O1

Σ𝑀𝑂1 = 0 ⇔ 𝑍2× 𝐿 − 𝐺 × 𝑎 × 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑡− 𝐺 × ℎ𝑔× 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑡= 0

⇒ 𝑍2 = 𝐺 × 𝑎 × 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑡+ 𝐺 × ℎ𝑔× 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑡

𝐿Thay Z2 vào (*) ta được:

Nguyễn Hoàng Khan xxii

ℎ𝑔× 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑡𝑐𝑜𝑠𝛼𝑡 ) ⇔ 𝑡𝑎𝑛𝛼𝑡× 𝐿 = 𝜑(𝑎 + ℎ𝑔𝑡𝑎𝑛𝛼𝑡)

7.1.2.2 Khi xe phanh tay, đầu xe hướng xuống dốc và chạy trên đường nhựa khô

Hình 7.4 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi xe phanh sau và quay đầu xuống dốc

Ta lập phương trình cân băng moment đối với O1

Σ𝑀𝑂1 = 0 ⇔ 𝑍2× 𝐿 − 𝐺 × 𝑎 × 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑡+ 𝐺 × ℎ𝑔× 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑡= 0

Nguyễn Hoàng Khan xxiii

⇒ 𝑍2 = 𝐺 × 𝑎 × 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑡− 𝐺 × ℎ𝑔× 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑡

𝐿Thay Z2 vào (*) ta được:

ℎ𝑔 × 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑡𝑐𝑜𝑠𝛼𝑡 ) ⇔ 𝑡𝑎𝑛𝛼𝑡× 𝐿 = 𝜑(𝑎 − ℎ𝑔 × 𝑡𝑎𝑛𝛼𝑡)

Hình 7.5 Xe đứng yên trên mặt phẳng nghiêng ngang

7.2.1 Xét tính ổn định theo điều kiện lật đổ

- Xe lật đỗ quanh điểm B: Zp = 0

Nguyễn Hoàng Khan xxiv

- Ta lập phương trình cân bằng moment tại B

∑ 𝑀𝐵 = 𝑍𝑝× 𝑐 + 𝐺 × ℎ𝑔× sin𝛽𝑙−𝐺 ×𝑐

2× cos 𝛽𝑙= 0 Cho Zp = 0 ⟹ 𝐺 × ℎ𝑔× sin 𝛽𝑙− 𝐺 ×𝑐

7.2.2 Xét tính ổn định theo điều kiện trượt

- Trạng thái cân bằng theo điều kiện trượt

Kết luận: Để xe không bị trượt khi đứng yên ở mặt đường nghiêng ngang 𝛽 ≤ 34,99°

8 Tài liệu tham khảo

[1] PGS TS Nguyễn Văn Phụng Nhà Xuất Bản Đại Học Công Nghiệp Tp HCM (2013)