Bài giảng Lý thuyết ô tô - Phan Minh Đức

........................................................................................... 7 2 MOMEN XOẮN TẠI BÁNH XE CHỦ ĐỘNG ..................................... 10 2.1. Sự truyền mô men từ động cơ đến bánh xe chủ động....................... 10 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô men xoắn tại bánh xe chủ động khi xe chuyển động ổn định....................................................................... 11 2.2.1. Mô men tại bánh đà động cơ..................................................... 11 2.2.2. Tổn thất năng lượng trong hệ thống truyền lực ......................... 14 2.2.3. Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực........................................ 15 3 TƯƠNG TÁC GIỮA BÁNH XE VÀ MẶT ĐƯỜNG ............................ 19 3.1. Khái quát về tính chất cơ lý của mặt đường ..................................... 19 3.2. Bánh xe ô tô .................................................................................... 20 3.2.1. Cấu tạo lốp xe........................................................................... 20 3.2.2. Ký hiệu bánh xe........................................................................ 22 3.2.3. Các khái niệm bán kính bánh xe ............................................... 24 3.3. Sự cản chuyển động của bánh xe ..................................................... 25 3.3.1. Nhân tố thuộc về lốp xe............................................................ 25 3.3.2. Nhân tố thuộc về đường............................................................ 31 3.3.3. Nhân tố do sự trượt................................................................... 34 3.3.4. Sự bố trí bánh xe ...................................................................... 36 3.3.5. Kết luận về các thành phần lực cản đối với bánh xe.................. 37 3.4. Sự hình thành phản lực tại bánh xe .................................................. 37 4 CÁC LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ .................................... 42 4.1. Lực cản lên dốc ............................................................................... 42 4.2. Lực cản lăn...................................................................................... 43 4.3. Lực cản không khí ........................................................................... 44 4.4. Lực quán tính .................................................................................. 46 4.4.1. Lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến .......... 46 4.4.2. Lực quán tính của các khối lượng chuyển động quay................ 46 4.5. Lực cản ở móc kéo .......................................................................... 49 4.6. Xác định phản lực pháp tuyến.......................................................... 50 4.6.1. Giá trị các phản lực pháp tuyến ................................................ 50 4.6.2. Hệ số phân bố tải trọng trên các bánh xe................................... 51 5 ĐỘNG LỰC HỌC KÉO......................................................................... 53 5.1. Cân bằng lực - Phương trình chuyển động của ô tô.......................... 53 5.2. Cân bằng công suất.......................................................................... 55 5.2.1. Cân bằng công suất................................................................... 55 5.2.2. Mức độ sử dụng công suất của động cơ .................................... 56 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 5.3. Đặc tính động lực của ô tô ............................................................... 58 5.3.1. Đặc tính động lực của ô tô khi hoạt động với tải định mức ....... 58 5.3.2. Đặc tính động lực của ô tô khi tải trọng thay đổi....................... 60 5.4. Sự tăng tốc ô tô................................................................................ 64 5.5. Ảnh hưởng của tỷ số truyền của truyền lực chính đến tính năng động lực và kinh tế nhiên liệu của ô tô..................................................... 67 5.6. Ảnh hưởng của số cấp của hộp số đến khả năng động lực và kinh tế nhiên liệu của ô tô........................................................................... 68 5.7. Truyền động vô cấp ......................................................................... 69 6 TÍNH TOÁN SỨC KÉO ........................................................................ 70 6.1. Thông số cho trước.......................................................................... 70 6.2. Thông số chọn ................................................................................. 70 6.3. Thông số tính toán ........................................................................... 71 6.3.1. Trọng lượng toàn bộ................................................................. 71 6.3.2. Cỡ lốp ...................................................................................... 71 6.3.3. Chọn động cơ và xây dựng đặc tính ngoài ................................ 72 6.3.4. Tỷ số truyền của số truyền cao nhất của hộp số ........................ 73 6.3.5. Tỷ số truyền của truyền lực chính............................................. 74 6.3.6. Tỷ số truyền của số truyền thấp nhất của hộp số....................... 74 6.3.7. Số cấp của hộp số và tỷ số truyền các số trung gian.................. 75 6.3.8. Xác định các chỉ tiêu động lực và kinh tế nhiên liệu của ô tô.... 76 7 TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU CỦA Ô TÔ ........................................... 77 7.1. Xác định tiêu hao nhiêu liệu ............................................................ 77 7.1.1. Phương pháp lý thuyết.............................................................. 77 7.1.2. Đo tiêu hao nhiên liệu............................................................... 82 7.1.3. Các quy tắc đo tiêu hao nhiên liệu ............................................ 83 7.2. Biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu.................................................. 85 8 TÍNH CHẤT PHANH Ô TÔ.................................................................. 88 8.1. Khái niệm........................................................................................ 88 8.2. Thực nghiệm đánh giá quá trình phanh ............................................ 88 8.3. Thực nghiệm đánh giá quá trình phanh ............................................ 90 8.3.1. Động lực học bánh xe khi phanh............................................... 90 8.3.2. Động lực học ô tô khi phanh..................................................... 93 8.4. Các chỉ tiêu đánh giá quá trình phanh .............................................. 94 8.5. Cơ sở lý thuyết phân bố lực phanh trên các trục bánh xe.................. 97 8.5.1. Quan hệ lý tưởng về phân bố lực phanh trên các trục................ 97 8.5.2. Các biện pháp điều hòa lực phanh ............................................ 99 8.6. Chống hãm cứng bánh xe khi phanh .............................................. 103 9 TÍNH NĂNG DẪN HƯỚNG CỦA Ô TÔ............................................ 105 9.1. Khái niệm...................................................................................... 105 9.2. Động học và động lực học quay vòng ............................................ 105 9.2.1. Động học quay vòng............................................................... 105 9.2.2. Động lực học quay vòng......................................................... 107 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 4 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 9.3. Ảnh hưởng của độ đàn hồi ngang của lốp đến tính năng dẫn hướng111 9.4. Ảnh hưởng của sự dao động của bánh xe dẫn hướng ..................... 117 9.4.1. Sự mất cân bằng của bản thân bánh xe dẫn hướng.................. 117 9.4.2. Sự kém tương thích giữa hệ thống treo và hệ thống lái ........... 117 9.4.3. Hiệu ứng con quay ................................................................. 118 9.5. Sự ổn định của các bánh xe dẫn hướng .......................................... 119 9.6. Sự bố trí các bánh xe dẫn hướng.................................................... 124 10 TÍNH CHẤT ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ.................................................... 125 10.1. Tính ổn định của ô tô..................................................................... 125 10.1.1. Khái niệm ........................................................................... 125 10.1.2. Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang.............. 125 10.1.3. Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định dọc ................. 130 10.2. Sự ảnh hưởng bởi các điều kiện vận hành...................................... 130 10.3. Sự ảnh hưởng của hệ thống treo đến tính ổn định ô tô.................... 132 11 TÍNH NĂNG CƠ ĐỘNG CỦA Ô TÔ.................................................. 137 11.1. Khái niệm...................................................................................... 137 11.2. Các thông số ảnh hưởng tính cơ động của ô tô............................... 137 11.2.1. Tính chất động lực của ô tô................................................. 138 11.2.2. Tính chất bám của lốp xe và mặt đường.............................. 138 11.2.3. Các thông số hình học của ô tô............................................ 143 11.2.4. Các thông số kết cấu ........................................................... 144 12 TÍNH ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ..................................... 148 12.1. Khái niệm...................................................................................... 148 12.2. Thực nghiệm tính êm dịu chuyển động của ô tô............................. 148 12.3. Các đặc trưng êm dịu chuyển động của ô tô................................... 150 12.4. Dao động ô tô ................................................................................ 153 12.5. Ảnh hưởng của các thông số đến sự dao động................................ 158 12.5.1. Ảnh hưởng của lốp xe......................................................... 158 12.5.2. Hệ thống treo độc lập.......................................................... 158 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................... 160 14 PHỤ LỤC ............................................................................................ 162 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 5 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ KÝ HIỆU và VIẾT TẮT Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 1 MỞ ĐẦU Khoa học nghiên cứu về ô tô có mục đích nâng cao hiệu suất và giảm giá thành vận tải. Điều đó có thể thực hiện bằng việc nâng cao vận tốc chuyển động trung bình của ô tô, giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng tính an toàn chuyển động và tiện nghi cho người lái. Sự thấu hiểu về nguyên lý động lực học ô tô là đặc biệt cần thiết cho việc thiết kế, cải tiến và đưa ra những kiểu ô tô mới cũng như lựa chọn đúng kiểu loại ô tô cho việc sử dụng. Những kết luận lý thuyết tạo cơ sở vững chắc cho việc nâng cao hiệu suất cũng như tuổi thọ, độ bền của phương tiện. Môn học Lý thuyết ô tô xem xét đánh giá các nhân tố liên quan trực tiếp đến chuyển động của ô tô, bao gồm: đặc tính động lực học, tính kinh tế nhiên liệu, tính chất dẫn hướng, tính ổn định, khả năng cơ động, và tính êm dịu chuyển động. Các nhân tố khác như độ bền, tính dễ sử dụng và bảo dưỡng,vv không thuộc đối tượng nghiên cứu của môn học. Đặc tính động lực - Đặc tính động lực của ô tô được hiểu là khả năng của nó chuyên chở được hàng hóa/ người ở tốc độ trung bình tối đa. Đặc tính động lực học càng cao, thời gian vận chuyển càng thấp và do đó hiệu suất vận chuyển càng lớn. Đặc tính động lực học của ô tô phụ thuộc vào khả năng kéo và phanh của ô tô. Tính kinh tế nhiên liệu - Tính kinh tế nhiên liệu là sự tiêu hao nhiên liệu cho đơn vị khối lượng/ công vận chuyển. Những chi phí cho nhiên liệu tham gia vào một phần giá thành vận chuyển. Do đó, chi phí nhiên liệu càng thấp sẽ dẫn đến chi phí vận hành thấp. Tính chất dẫn hướng - Tính chất dẫn hướng là thuộc tính của ô tô đảm bảo hướng chuyển động theo yêu cầu của người lái. Tính chất dẫn hướng ảnh hưởng rất lớn đến tính an toàn chuyển động. Tính ổn định - Tính ổn định là thuộc tính của ô tô giữ được hướng chuyển động và chống lại các lực có xu hướng gây chệch hướng hoặc lật đổ nó. Tính ổn định, cùng với tính dẫn hướng và phanh đảm bảo tính an toàn chuyển Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ động của ô tô. Tính ổn định được xem là tốt khi ô tô có khả năng hoạt động với vận tốc lớn ở đường trơn trượt. Khả năng cơ động - Khả năng cơ động là thuộc tính ô tô có thể hoạt động trong nhiều loại đường sá khắc nghiệt (có tuyết, bùn lầy, hoặc lội nước). Khả năng cơ động là rất quan trọng đối với các ô tô phục vụ nông nghiệp, lâm nghiệp, công trường, Tính êm dịu - Tính êm dịu chuyển động là khả năng ô tô chuyển động trên đường không bằng phẳng mà thân xe không bị xóc nẩy mạnh. Vận tốc trung bình, tiêu hao nhiên liệu, tải trọng, tiện nghi cho hành khách phụ thuộc vào tính êm dịu của ô tô. Tuy rằng những tính chất nói trên sẽ được xem xét đánh giá riêng, chúng có liên quan chặt chẽ với nhau. Bất cứ sự thay đổi nào trong thiết kế đối với một nhân tố, sẽ dẫn đến sự thay đổi ở tất cả các nhân tố khác. Tính ổn định có thể được nâng cao bằng cách giảm chiều cao trọng tâm ô tô, mặc dầu nó dẫn đến sự giảm tính năng cơ động. Vận tốc của ô tô chủ yếu phụ thuộc vào khả năng động lực của nó, nhưng trên đường trơn trượt nó thường được giảm để đảm bảo tính ổn định và trên đường không bằng phẳng, đảm bảo tính êm dịu. Tăng vận tốc chuyển động trung bình đòi hỏi tăng động lực của ô tô, nhưng đi đôi với việc tăng tiêu hao nhiên liệu. Những yêu cầu trái ngược đối với một ô tô đòi hỏi người thiết kế phải xác định sự thỏa hiệp, cân bằng giữa tính năng cần tăng cường cho một mục đích của ô tô trong khi giảm thiểu những tính năng khác kém quan trong hơn. Do đó, sự đánh giá ô tô cần được xem xét một cách toàn diện; tất cả các tính năng của nó. Kỹ thuật ô tô hiện nay cho phép có thể thiết kế và sản xuất ô tô có thể vận hành trong bất kỳ điều kiện nào. Mặt khác, điều này bị ngăn trở bởi quy mô dây chuyền sản xuất ô tô mà nó được phân biệt bởi một số hữu hạn kiểu loại, và bởi tính thống nhất hóa các tổng thành lắp trên các ô tô công dụng khác nhau. Hơn nữa, mỗi ô tô được dự định hoạt động với điều kiện đa dạng và phải có tính phổ biến nhất định. Điều này giải thích tại sao, ví dụ, rất nhiều ô tô tải công dụng chung có khả năng vận chuyển tất cả các loại hàng hóa, được sản Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 8 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ xuất hiện nay. Dẫu vậy, để phù hợp hơn, những yêu cầu được đặt ra cho các ô tô chuyên dụng để hoạt động trong điều kiện xác định và vận chuyển một loại hàng hóa nhất định. Những ô tô này hiệu quả hơn nhiều so với các ô tô công dụng chung. Các đặc tính vận hành có thể được xác định bằng thực nghiệm hoặc tính toán. Số liệu nhận được bằng cách thử ô tô trên băng hoặc vận hành trực tiếp trên đường trong điều kiện gần với điều kiện thực tế. Những thử nghiệm này tốn kém và đòi hỏi phòng thí nghiệm có chất lượng. Thêm vào đó, rất khó để tái tạo điều kiện hoạt động thực tế. Vì lý do đó, thông thường các thử nghiệm được kết hợp với việc phân tích lý thuyết và tính toán các đặc trưng của ô tô. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 9 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương 2 MOMEN XOẮN TẠI BÁNH XE CHỦ ĐỘNG 2.1. Sự truyền mô men từ động cơ đến bánh xe chủ động Hình 2-1 minh họa sự truyền mô men xoắn từ động cơ đến bánh xe chủ động đối với ô tô có động cơ đặt dọc phía trước, dẫn động một cầu sau. Hình 2-1 Sự truyền mô men từ động cơ đến bánh xe chủ động Xuất phát từ động cơ và truyền qua hệ thống truyền lực, mô men xoắn tại bánh xe chủ động được xác định bởi: d d 'T  .i.'T   I i. . . n  I . w Eq. 2-1 T e t t  n n n dt  w dt Với: T'T - Mô men kéo tại bánh xe chủ động khi chuyển động không đều; T'e - Mô men kéo tại trục khuỷu khi xe chuyển động không đều; it ; t - Tỷ số truyền và hiệu suất của hệ thống truyền lực; in ; n - Tỷ số truyền và hiệu suất từ chi tiết quay thứ n trong hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động; In - Mô men quán tính của chi tiết quay thứ n đối với trục quay của nó; n, w - vận tốc góc của chi tiết quay thứ n và của bánh xe. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Mặt khác, ta có: de/ dt = ax. it/ rdyn ; dn/ dt = ax. in/ rdyn dw/ dt = ax / rdyn ; T'e = Te - Ie.de/ dt Với Ie - là mô men quán tính của bánh đà và các chi tiết quay trong động cơ quy về trục khuỷu. Kết hợp các biểu thức trên, ta được: 2 2 a x 'T T  Te t .i.  t   I n . n i. n   I w  I e . t i. t . Eq. 2-2 rdyn Bằng cách đặt: TT  Te i. e .t 2 2 a x Ta   I n .n i. n   I w  I e . t i. t . Eq. 2-3 rdyn Với TT là mô men kéo tại bánh xe chủ động khi ô tô chuyển động ổn định, động cơ quay đều. Ta là mô men của các lực quán tính quy về bánh xe chủ động. Cuối cùng, biểu thức xác định mô men tại bánh xe chủ động trở thành: 'T T  TT - Ta Eq. 2-4 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô men xoắn tại bánh xe chủ động khi xe chuyển động ổn định 2.2.1. Mô men tại bánh đà động cơ Giá trị mô men tại trục khuỷu thay đổi phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ. Động cơ có thể làm việc ở các chế độ toàn tải (theo đường đặc tính ngoài) hoặc chế độ non tải (cục bộ). Hình 2-2 biểu thị đặc tính ngoài của động cơ xăng không hạn chế số vòng quay (a), động cơ xăng hạn chế số vòng quay (b), và động cơ diesel (c). 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 đầy tải. Khi tăng số vòng quay thì công suất và mô men tăng lên. Mô men xoắn đạt giá trị cực đại Temax ở số vòng quay nT và công suất đạt giá trị cực đại Pemax tại số vòng quay nP. Vùng số vòng quay làm Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 11 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ việc chủ yếu của động cơ nằm trong khoảng [nT , nP]. Khi tăng số vòng quay của trục khuỷu lớn hơn giá trị nP thì công suất sẽ giảm, chủ yếu do giảm hệ số nạp, tăng tổn thất cơ giới, và giảm áp suất có ích trung bình. Hình 2-2 Đặc tính tốc độ ngoài của động cơ Để đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu cho ô tô, động cơ xăng được lắp bộ phận hạn chế tốc độ để nó không làm việc trong vùng số vòng quay có suất tiêu hao nhiên liệu lớn (Hình A-4, Phụ lục A). Khi số vòng quay của động cơ đạt giá trị cần hạn chế, nhiên liệu không được cung cấp cho động cơ và công suất sẽ giảm. Do quán tính, số vòng quay của động cơ còn tăng thêm chút ít. Thông thường, số vòng quay hạn chế thường nhỏ hơn số vòng quay ứng với công suất cực đại. Đối với động cơ diesel, chế độ phát công suất cực đại là giới hạn “nhả khói đen”. Khi tăng số vòng quay của động cơ lớn hơn giá trị tương ứng với chế độ công suất cực đại, tính kinh tế nhiên liệu của động cơ rất kém. Do đó, động cơ diesel được trang bị bộ điều tốc để tránh động cơ làm việc ở vùng “nhả khói đen”. Khi động cơ đạt số vòng quay nP, bộ điều tốc sẽ cắt nhiên liệu và công suất sẽ giảm. Do quán tính, số vòng quay của động cơ còn tăng thêm chút ít. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 12 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Điểm hạn chế thường là điểm công suất cực đại hoặc trước công suất cực đại (Phụ lục A). Hệ số thích ứng mô men của động cơ, KT, được định nghĩa như đưới đây và có phạm vi giá trị của KT được thống kê trong Bảng 2-1. Temax K T  Eq. 2-5 TP Bảng 2-1 Hệ số thích ứng mô men của động cơ Loại động cơ KT Xăng 1,25 – 1,35 Diesel 1,05 – 1,15 Hệ số số vòng quay cực đại của động cơ, n, được định nghĩa như dưới đây và phạm vi giá trị của n được thống kê trong Bảng 2-2. n e max max  n   Eq. 2-6 n P P Bảng 2-2 Hệ số số vòng quay cực đại của động cơ Loại động cơ Xăng, không hạn chế số Xăng, hạn chế số Diesel vòng quay vòng quay n 1,1 – 1,25 0,8 – 0,9 0,9 – 1,0 Quan hệ giữa công suất, mô men tại trục khuỷu và số vòng quay của nó có thể nhận được từ kết quả thí nghiệm động cơ (Phụ lục A). Tuy nhiên nếu không có số liệu đầy đủ từ việc thí nghiệm động cơ, ta có thể xây dựng gần đúng đặc tính ngoài của động cơ dựa vào công thức kinh nghiệm: 2 3  n  n   n   P = P . a. e + b. e  - c. e   e emax n  n   n   P  P   P   2 3           e  e   e   Pe = Pemax . a. + b.  - c.   P  P   P     Eq. 2-7 Pe Te  Eq. 2-8 e Với: a, b, c - các hệ số thực nghiệm, có giá trị theo Bảng 2-3. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 13 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Các trang bị phụ như bơm nước, quạt gió, máy nén không khí, máy nén môi chất làm lạnh, vv không được lắp với động cơ khi đo động cơ trên băng thử,. Công suất để dẫn động các trang thiết bị phụ này thường chiếm 10%-20% công suất của động cơ. Do vậy, đối với động cơ thực tế lắp trên ô tô, công suất tại bánh đà chỉ còn lại khoảng 80%-90% so với giá trị đo được bằng băng thử. Bảng 2-3 Các hệ số thực nghiệm Lây- Đec-man Loại động cơ a b c Động cơ xăng 1 1 1 Động cơ diesel buồng cháy thống nhất 0,87 1,13 1 Động cơ diesel buồng cháy ngăn cách 0,6 1,4 1 Động cơ diesel buồng cháy xoáy lốc 0,7 1,3 1 2.2.2. Tổn thất năng lượng trong hệ thống truyền lực Khi truyền qua hệ thống truyền lực, một phần công suất truyền từ động cơ đến bánh xe chủ động bị tiêu hao do: - Tổn thất ma sát: Ma sát trong các cặp bánh răng trong hộp số, hộp số phụ, hộp số phân phối, các ổ đỡ trục, các khớp cac đăng. - Tổn thất thủy lực: Khuấy và vẩy dầu bôi trơn trong hộp số, hộp số phụ, hộp phân phối, truyền lực chính và vi sai. Để đánh giá các tiêu hao này, các khái niệm sau đây được sử dụng: - Hiệu suất thuận, khi đánh giá sự truyền từ động cơ đến bánh xe chủ động: PT Pt t   1 - Eq. 2-9 Pe Pe - Hiệu suất nghịch, khi đánh giá sự truyền từ bánh xe đến động cơ: Pfr,e Pt n   1 - Eq. 2-10 PT Pfr,e  Pt Trong đó: PT - Công suất tại bánh xe chủ động (công suất kéo); Pt - Công suất tiêu hao trong hệ thống truyền lực; Pfr,e - Công suất tiêu hao do ma sat trong động cơ. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 14 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Như vậy, giá trị các hiệu suất thuận và nghịch thay đổi trong quá trình ô tô hoạt động, phụ thuộc nhiều yếu tố. Để đơn giản trong tính toán, người ta coi như chúng có giá trị không đổi. Bảng 2-4 Giá trị hiệu suất truyền lực Loại ô tô Hiệu suất thuận Hiệu suất nghịch Ô tô thể thao, ô tô đua 0,90 – 0,95 0,80 – 0,85 Ô tô con 0,90 – 0,92 0,80 – 0,82 Ô tô tải, ô tô khách, bus 0,82 – 0,85 0,75 – 0,78 Ô tô có tính cơ động cao 0,80 – 0,85 0,73 – 0,76 2.2.3. Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực Hầu hết các ô tô hiện nay sử dụng động cơ xăng hoặc diesel. Đối với loại động cơ này, trong vùng làm việc của động cơ, mô men động cơ chỉ thay đổi trong một phạm vi rất hẹp (Bảng 2-1). Trái lại, điều kiện tải trọng của ô tô và sức cản của đường lại thay đổi trong phạm vi rất lớn. Các loại động cơ này có những ưu điểm nổi bật như công suất riêng lớn, hiệu suất cao, trọng lượng bộ phận chứa nhiên liệu nhỏ. Tuy vậy, chúng có những nhược điểm:  Không thể sinh mô men khi ở trạng thái đứng yên như động cơ hơi nước;  Chỉ phát công suất cực đại ở số vòng quay nhất định;  Hiệu suất biến đổi năng lượng của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ. Hình 2-3 Đặc tính lực kéo khi không dùng hộp số Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 15 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Với giá trị công suất Pmax nếu đạt được trong toàn khoảng tốc độ, các đường cong hyperbol thể hiện “giới hạn lực kéo lý tưởng” FT,id và có kể đến tổn thất trong hệ thống truyền lực FT,h được mô tả trên Hình 2-3. Mặt khác, lực kéo thực tế của động cơ FT,e cũng được mô tả. Lực kéo lớn nhất tại các bánh xe chủ động không thể vượt quá lực bám. Như vậy, nếu chỉ riêng động cơ mà không có hộp số hoặc bộ biến đổi mô men, ô tô không thể làm việc ở vùng gạch chéo trên đồ thị. Ngược lại, khi có hộp số hoặc bộ biến đổi mô men (Hình 2-4), phạm vi biến đổi mô men tại bánh xe chủ động được mở rộng. Vùng được mở rộng yêu cầu càng gần với đường hyperbol càng tốt. Phần gạch chéo còn lại mà tập hợp các đường lực kéo ở tất cả các số không thể phủ được, bắt buộc phải chấp nhận. Ngoài ra, hệ thống truyền lực của ô tô còn đảm bảo thay đổi mô men từ động cơ đến bánh xe chủ động cả về hướng. Hình 2-4 Tác dụng mở rộng vùng làm việc của hộp số cơ khí 4 cấp Trong trường hợp tổng quát, hệ thống truyền lực bao gồm các bộ phận: ly hợp, hộp số, hộp số phụ, hộp số phân phối, truyền lực chính và vi sai, truyền lực cuối cùng. Trong từng trường hợp cụ thể, có thể không có (một hoặc vài) các bộ phận sau: hộp số phụ, hộp số phân phối, truyền lực cuối cùng. Khi truyền từ động cơ đến bánh xe chủ động, mô men xoắn thay đổi it lần: n  i = e = e  i i. i. i. i. i. t n s h hp pp o c b b Eq. 2-11 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 16 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Với is, ih, ihp, ipp, io, ic lần lượt là tỷ số truyền của biến mô, hộp số, hộp số phụ, hộp phân phối, truyền lực chính, và truyền lực cuối cùng. Các giá trị ipp, io, ic lớn hơn 1. Các giá trị ih, ihp, thay đổi tùy thuộc vào số truyền của hộp số mà ô tô hoạt động. Hình 2-5 Bố trí động cơ và hệ thống truyền lực ô tô du lịch Hình 2-6 Bố trí động cơ và hệ thống truyền lực ô tô tải 3 cầu chủ động Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 17 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 2-7 Sơ đồ truyền công suất ở các số truyền của hộp số Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 18 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương 3 TƯƠNG TÁC GIỮA BÁNH XE VÀ MẶT ĐƯỜNG 3.1. Khái quát về tính chất cơ lý của mặt đường Tính chất cơ lý của mặt đường có ảnh hưởng rất lớn đến sự chuyển động của ô tô. Tính chất cơ lý của đất bao gồm:  Cấu trúc và thành phần hạt rắn chứa trong đất.  Trọng lượng riêng.  Trọng lượng riêng của thành phần rắn (khung xương) chứa trong đất. Tính chất này đặc trưng cho độ chặt của đất.  Độ thấm nước.  Độ ẩm và độ chặt. Trong các tính chất trên thì độ ẩm và độ chặt ảnh hưởng nhiều nhất đến sự hoạt động của ô tô. Độ ẩm: Đo bằng tỷ lệ phần trăm lượng nước có trong đất. Nếu độ ẩm quá lớn thì ô tô mất khả năng chuyển động. Độ chặt: Đặc trưng bởi lực cản của đất theo độ biến dạng. Khi có lực tác dụng, đất bị nén và di chuyển theo nhiều hướng khác nhau, do đó phát sinh trong đất những ứng suất pháp và tiếp theo nhiều hướng. Khi tăng dần lực tác dụng vào đất, quan hệ giữa lực cản trong đất và độ lún như hình sau đây.  Q = Co.h Với: Q - áp suất trên đất h - Độ sâu vết lún Co- Hệ số chống lún, phụ thuộc đất  - chỉ số phụ thuộc dạng đất và điều kiện tải trọng. Hình 3-1 Quan hệ giữa lực cản trong đất và độ biến dạng của đất Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Đường cong trên có 3 giai đoạn: - OA: Khi tăng lực từ 0, quan hệ gần như tuyến tính, biểu thị đất chịu nén. - AB: Đất chịu nén và bị di chuyển cục bộ. - BC: Đất bị trôi hoàn toàn. 3.2. Bánh xe ô tô Sự tương tác giữa bánh xe và mặt đường rất quan trọng; làm phát sinh các lực tạo nên sự chuyển động của ô tô. Bánh xe ô tô có chức năng:  Chịu tải trọng thẳng đứng và làm giảm những xung động từ mặt đường;  Phát sinh các lực dọc giúp cho sự tăng tốc và phanh ô tô;  Phát sinh các lực bên tạo nên sự chuyển hướng của ô tô. Bánh xe ô tô là một hệ đàn hồi phi tuyến rất phức tạp, khó định lượng. Nhiều mô hình bánh xe đã được phát triển để ước lượng các đặc trưng của bánh xe. Mặt khác, có thể sử dụng các số liệu thực nghiệm để định lượng các đặc trưng này để có thể hiểu được sự ảnh hưởng của bánh xe đến tính chất động lực học của ô tô. 3.2.1. Cấu tạo lốp xe Kiểu “Bias-ply” Kiểu “Radial-ply” Hình 3-2 Các kiểu bánh xe Hiện nay có 2 kiểu kết cấu thông dụng của bánh xe – kiểu “bias-ply” và “radial-ply”, như minh họa trên. Kiểu “bias-ply” là kiểu chuẩn thông dụng cho đến những năm 1960, khi mà những ưu điểm của kiểu “radial-ply” (được bắt Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 20 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ đầu nghiên cứu ở các nước châu Âu) được xác nhận. Sau vài thập niên kiểu này thay thế dần trên các ô tô du lịch, phổ biến và trở thành chuẩn như hiện nay. Cấu trúc hướng tâm (radial-ply) đặc trưng bởi các sợi chịu tải song song (làm bằng sợi vải được gia cường bằng sợi nylon, tơ nhân tạo, polyester, hoặc sợi thủy tinh hữu cơ) chạy thẳng ngang bánh xe từ đai cốt phía bên này sang phía bên kia, hợp thành 90 độ với chu vi của bánh xe. Các sợi chịu tải tạo thành phần khung của bánh xe. Kiểu cấu trúc này tạo nên độ uyển chuyển bên rất lớn nhưng độ ổn định hướng rất nhỏ hoặc gần như bằng không. Sự ổn định về hướng được đảm bảo nhờ các đai cứng bằng vải hoặc sợi thép chạy vòng theo chu vi của bánh xe, giữa phần khung và talon bánh xe. Khi chuyển hướng, các đai này giúp ổn định phần talon bánh xe và giữ nó phẳng trên đường bất kể sự biến dạng ngang của bánh xe. Đa số bánh xe “radial” của ô tô du lịch có đai 2 lớp sợi thép hoặc đai 2 đến 6 lớp sợi vải. Ở kiểu “bias”, phần khung chịu tải được cấu tạo từ 2 lớp sợi trở lên. Các sợi này hợp thành góc 35 đến 40 ...hông 48 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Fa  e i . m v  m l  a. x Eq. 4-16 Do mô men lực quán tính quy dẫn về bánh xe chủ động phụ thuộc vào bình phương tỷ số truyền nên hệ số khối lượng ei thay đổi trong phạm vi rộng, nhất là đối với những ô tô có tỷ số truyền số 1 lớn như ô tô bus, ô tô tải, hoặc những ô tô cơ động cao có số phụ. Bảng 4-3 Hệ số khối lượng của một số ô tô Ô tô | Số truyền 1 2 3 4 5 Ford Escort 1,32 1,15 1,10 1,07 1,06 BMW 730i 1,21 1,10 1,05 1,03 DB - bus 1,61 1,18 1,08 1,06 1,03 4.5. Lực cản ở móc kéo Lực cản ở móc kéo xuất hiện khi ô tô kéo móc. Thông thường, ô tô thực hiện kéo móc bằng thanh kéo; có liên kết tự lựa tại đầu nối vào móc và ô tô kéo. Do vậy, phương của lực cản ở móc kéo trùng phương nối 2 điểm liên kết trên móc và trên xe kéo. Chiều của lực thường ngược chiều chuyển động của xe kéo và có thể cùng chiều chuyển động của xe kéo khi: - Ô tô chuyển động chậm dần; - Ô tô chuyển động xuống dốc và rơ-mooc không có phanh. Trong trường hợp tổng quát, phương của lực cản móc kéo không song song với mặt đường, và: Fsm  Fsm ,X  Fsm , Z Eq. 4-17 Thành phần song song với mặt đường được xác định bởi: Fsm,x = Gsm . sm Với: Gsm - trọng lượng tổng cộng của sơ mi rơ moc (hoặc rơ moc) và hàng hóa vận chuyển; sm - hệ số cản tổng cộng của đường tác dụng lên rơ moc. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 49 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 4.6. Xác định phản lực pháp tuyến 4.6.1. Giá trị các phản lực pháp tuyến Trong quá trình ô tô hoạt động, phản lực pháp tuyến luôn thay đổi giá trị. Sự thay đổi này có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bám, khả năng kéo, tính chất phanh, tính ổn định, và độ bền các chi tiết của ô tô. Khảo sát trường hợp tổng quát, ô tô có 2 trục bánh xe và đều là chủ động, kéo móc và di chuyển lên dốc chậm dần. Tác dụng vào ô tô có các lực: - Trọng lực G - Lực cản không khí Fdrag - Lực cản lên dốc Fgr - Lực cản lăn trên 2 trục bánh xe FR - Lực quán tính Fa - Lực cản ở moc kéo Fsm Phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe phía trước FZ1 được xác định từ điều kiện cân bằng mô men tất cả các lực và mô men đối với tâm vết tiếp xúc O2 của bánh xe phía sau. .G cos b.  F h.  .G sin  h.  F h.  F h.  F L. F  gr a c gr c drag drag sm x, sm sm z, sm Z1 L FZ2  .G cos  gr  Fsm z,  FZ1   Fsm F, sm x,  Phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe phía sau FZ2 được xác định từ điều kiện cân bằng lực theo phương pháp tuyến với đường. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 50 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 4-7 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô 4.6.2. Hệ số phân bố tải trọng trên các bánh xe Hệ số phân bố tải trọng trên trục bánh xe được định nghĩa là tỷ số giữa phản lực pháp tuyến tại trục bánh xe đó và thành phần trọng lực ô tô theo phương vuông góc với đường. Hệ số này nhằm đánh giá sự phân bố trọng lượng trên các trục bánh xe cũng như sự thay đổi về giá trị của các phản lực pháp tuyến tại các bánh xe trong quá trình ô tô chuyển động. Hệ số phân bố tải trọng trên trục: - các bánh xe trước: m1 = FZ1 / (G. cos) - các bánh xe sau: m2 = FZ2 / (G. cos) Nói chung hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe thay đổi phụ thuộc tính chất chuyển động của ô tô, phụ thuộc các ngoại lực tác dụng lên ô tô. Hệ số phân bố tải trọng tĩnh, mt, là một trường hợp riêng – khi ô tô đứng yên. Ô tô du lịch và ô tô tải 2 trục bánh xe chưa có hàng: m2t  0,5 Ô tô tải 2 trục bánh xe khi đầy tải: m2t  (0,70,75) Phân bố trọng lượng đối với ô tô nhiều trục: Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 51 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Đối với các ô tô nhiều trục, cần đảm bảo sự phân bố trọng lượng hợp lý trên các trục bánh xe. Để đảm bảo tất cả các bánh xe tiếp xúc tốt với mặt đường khi ô tô chuyển động trên đường gồ ghề, liên kết giữa các trục bánh xe cần có kết cấu đặc biệt. Ví dụ: Đối với ô tô 3 cầu, hai cầu sau thường được ghép với đòn treo thăng bằng. Khi đó có thể coi như ô tô 2 cầu có chiều dài cơ sở L là khoảng cách từ trục trước đến đòn treo thăng bằng. Phân bố tải trọng cho các cầu sau phụ thuộc điều kiện cân bằng của đòn treo thăng bằng. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 52 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương 5 ĐỘNG LỰC HỌC KÉO 5.1. Cân bằng lực - Phương trình chuyển động của ô tô Để ô tô có thể chuyển động được, lực kéo tiếp tuyến tại các bánh xe chủ động phải thỏa mãn đồng thời 2 điều kiện: a. Thắng tất cả các lực cản. b. Thõa mãn điều kiện bám của bánh xe chủ động. Theo điều kiện a., trong trường hợp tổng quát, phương trình chuyển động (còn gọi là phương trình cân bằng lực) của ô tô khi nó hoạt động ở số truyền i của hộp số như sau:  'F  (e . m  m ).a  G .   C . A. . V 2  F Eq. 5-1 i,T i v l x w 2 sm,x Nếu ô tô chuyển động đều trên đường nằm ngang và không kéo móc, phương trình trở thành:  F  G f.  C . A. . V 2 Eq. 5-2 i,T R w 2 Theo điều kiện b., lực kéo tại bánh xe chủ động không vượt quá lực bám: 'F i,T  R  x, hay 'F i,T  x . G w . cos  Với: Gw là trọng lượng phân bố trên các trục bánh xe chủ động. Các phương trình trên có thể được biểu thị dưới dạng đồ thị - gọi là đồ thị cân bằng lực kéo. Ứng với mỗi số truyền của hộp số có giá trị tỷ số truyền iTi, quan hệ giữa vận tốc tịnh tiến của ô tô V và vận tốc góc của trục khuỷu e, hay số vòng quay trục khuỷu ne, được liên hệ với nhau bởi: e  n. e V  r. dyn  r. dyn Eq. 5-3 i Ti i. o 30 i. Ti i. o Hình mô tả sự cân bằng lực của một ô tô có lắp hộp số 4 cấp, hoạt động với tải định mức, sử dụng động cơ xăng không hạn chế số vòng quay. Trên cùng một hệ trục tọa độ OFV, các đường cong sau đây được biểu thị: Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ - Lực kéo tiếp tuyến tại các bánh xe chủ động khi ô tô chuyển động đều và động cơ làm việc toàn tải, FTi, tương ứng với 4 tay số (i 1  4 ); - Lực bám R,x tại các bánh xe chủ động với mặt đường; - Lực cản lăn FR; - Tổng lực cản lăn và lực cản không khí: FR + Fdrag; Hình 5-1 Đồ thị cân bằng lực Đồ thị cho phép xác định: a. Lực kéo tối thiểu cần thiết để ô tô chuyển động được: Đường cong [FR +Fdrag] xác định lực kéo tối thiểu cần thiết để ô tô chuyển động được (chuyển động đều vào không kéo móc trên đường bằng). Tại mỗi giá trị vận tốc bất kỳ Va, phần lực kéo Fexc chênh lệch giữa đường cong FTi và đường cong [FR +Fdrag] biểu thị khả năng dự trữ lực kéo ở tay số tương ứng tại vận tốc Va. Dự trữ lực kéo Fexc này có thể được sử dụng cho các mục đích: o Khắc phụ sức cản lớn hơn của đường: hệ số cản lăn cao hơn hoặc/và đường dốc; Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 54 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ o Tăng tốc ô tô để đạt vận tốc cao hơn Va; o Kéo móc. b. Vận tốc cực đại Vận tốc cực đại của ô tô là hoành độ giao điểm của các đường cong FTi và [FR + Fdrag]. Ví dụ, vận tốc cực đại của ô tô (chính là vận tốc lớn nhất ở tay số 4) là Vmax,4. c. Lực cản lớn nhất của đường mà ô tô có thể khắc phục được ở mỗi tay số, ở một tốc độ nào đó Tại mỗi giá trị vận tốc bất kỳ Va, hiệu số [FTi – Fdrag] (biểu thị bằng tổng hai đoạn thẳng ab+cd) xác định được lực cản lớn nhất của đường mà ô tô khắc phục được ở mỗi tay số. d. Xác định điều kiện không trượt quay của các bánh xe chủ động Khu vực nằm dưới đường cong R,x thỏa mãn điều kiện bám của bánh xe chủ động. Khi ô tô hoạt động ở các số 2, 3, và 4, điều kiện bám của bánh xe chủ động luôn được đảm bảo. Khi ô tô hoạt động ở tay số 1, ô tô chỉ có thể hoạt động được ở các chế độ cục bộ của động cơ. 5.2. Cân bằng công suất 5.2.1. Cân bằng công suất Tương tự như cân bằng lực kéo, xét theo công suất ô tô chỉ có thể chuyển động được khi công suất kéo tại bánh xe chủ động thắng tổng công suất tất cả các lực cản tác dụng vào ô tô. Nhân hai vế của phương trình với vận tốc V, ta nhận được phương trình cân bằng công suất:   2  V 'F. i,T  (ei .m v  m l ).a x  G .  C w .A. . V  Fsm,x . V Eq. 5-4  2  'P i,T  P( a  P  Pdrag  Psm ) Eq. 5-5 P( e - Pac .) t  P( a  P  Pdrag  Psm ) Eq. 5-6 Khi chuyển động đều ở đường ngang, không kéo móc, phương trình thành: P i,T  PR  Pdrag Eq. 5-7 Với: P’Ti - công suất kéo tại bánh xe chủ động; Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 55 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Pa - công suất của lực quán tính; PR - công suất của lực cản lăn; P - công suất của lực cản tổng cộng của đường; Pdrag - công suất của lực cản không khí; Psm - công suất của lực cản móc kéo. Đồ thị biểu diễn quan hệ trên gọi là đồ thị cân bằng công suất. Đồ thị cân bằng công suất cũng được sử dụng để xác định các chỉ tiêu sức kéo của ô tô, tương tự như đồ thị cân bằng lực. Hình 5-2 minh họa đồ thị cân bằng công suất của ô tô du lịch lắp động cơ xăng và dùng hộp số có 5 số. Đồ thị tổng công suất cản của không khí, độ dốc và cản lăn được lập với nhiều độ dốc khác nhau p của đường từ 0% đến 40%. Hình 5-2 Đồ thị cân bằng công suất 5.2.2. Mức độ sử dụng công suất của động cơ Mức độ sử dụng công suất của động cơ được đánh giá bằng tỷ số giữa công suất cần thiết để ô tô chuyển động đều và công suất mà động cơ có thể cung cấp được ở tốc độ tương ứng, khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải: P  P P  P Y   drag   drag Eq. 5-8 PTi t P. e Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 56 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-3 trình bày sự ảnh hưởng của số truyền của hộp số, tải trọng, đến tính năng động lực và kinh tế nhiên liệu của một ô tô du lịch lắp hộp số có 5 số. Các đồ thị hyperbol (tương ứng với mức công suất từ 5% đến 111% công suất yêu cầu), mô men cản quy về trục động cơ được vẽ trên “engine map”. Hình 5-3 Ảnh hưởng của mức độ sử dụng công suất động cơ và tính năng động lực và kinh tế nhiên liệu của ô tô Từ định nghĩa của hệ số mức độ sử dụng công suất và từ đồ thị minh họa trên, có thể thấy rằng:  Chất lượng của đường càng tốt, tốc độ xe càng nhỏ thì mức độ sử dụng công suất càng thấp.  Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực thay đổi thì mức độ sử dụng công suất thay đổi.  Mức độ sử dụng công suất càng thấp thì tính kinh tế nhiên liệu của ô tô càng kém. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 57 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 5.3. Đặc tính động lực của ô tô 5.3.1. Đặc tính động lực của ô tô khi hoạt động với tải định mức Đối với mỗi ô tô cụ thể, các đồ thị cân bằng công suất, cân bằng lực kéo có thể đánh giá được chất lượng động lực của nó. Tuy nhiên, trong thực tế cần thiết phải khảo sát với nhiều loại đường khác nhau. Khi đó, việc xác định và vẽ nhiều đường cong FR và [FR+Fdrag] hoặc PR và [PR+Pdrag] trên một hệ trục tọa độ sẽ mất nhiều thời gian, cũng như khó theo dõi. Hơn nữa, khi so sánh các ô tô khác nhau, các thông số lực kéo và công suất không thể đánh giá hết được chất lượng động lực của ô tô. Do vậy, cần thiết phải sử dụng đại lượng không thứ nguyên, gọi là hệ số nhân tố động lực và được xác định bởi: FTi - Fdrag Di = G Eq. 5-9 Giá trị của D chỉ phụ thuộc vào các thông số thiết kế của ô tô, và do đó có thể xác định cho từng kiểu loại. Ở số truyền thấp, hệ số nhân tố D có giá trị lớn ở số truyền cao do sự tăng lực kéo FTi và giảm lực cản không khí Fdrag. Khi ô tô hoạt động với vận tốc thấp, lực cản không khí có giá trị nhỏ nên có thể bỏ qua. Khi đó, phương trình trở thành: FTi Di = G Eq. 5-10 Sau khi kết hợp với phương trình cân bằng lực, hệ số nhân tố D có thể được xác định bởi: a x Di =   i g Eq. 5-11 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 58 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-4 Đồ thị nhân tố động lực của ô tô du lịch lắp động cơ xăng, hộp số 3 cấp Hệ số nhân tố động lực loại bỏ các đại lượng thứ nguyên: Fdrag và G, là các yếu tố gây trở ngại khi so sánh tính năng động lực của nhiều ô tô với nhau. Các đường cong biểu thị mối quan hệ ở trên gọi là đồ thị hệ số nhân tố động lực (khi ô tô đầy tải). Hình 5-4 minh họa đồ thị nhân tố động lực của ô tô du lịch lắp động cơ xăng, hộp số 3 cấp, hoạt động với tải định mức. Khi ô tô chuyển động đều (ax = 0), nhân tố động lực bằng chính hệ số cản tổng cộng của đường: D   Eq. 5-12 Do vậy, hệ số nhân tố động lực DV – tương ứng giá trị vận tốc cực đại - xác định hệ số cản tổng cộng của đường mà ô tô có thể khắc phục được khi hoạt động ở vận tốc này. Giá trị Dmax ở mỗi số truyền xác định giá trị sức cản tổng cộng lớn nhất của đường max mà ô tô có thể khắc phục được ở số truyền đó, đồng thời cũng là trạng thái tới hạn theo điều kiện kéo. Vận tốc tương ứng với Dmax được gọi là vận tốc tới hạn theo điều kiện kéo. Nhánh đồ thị D bên phải điểm cực đại là khu vực làm việc ổn định của ô tô, trong khi nhánh bên trái là khu vực làm việc không ổn định. Ô tô có thể hoạt động được khi nhân tố động lực cần thỏa mãn đồng thời điều kiện kéo và điều kiện bám của bánh xe chủ động: Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 59 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ   D  D  Eq. 5-13 Trong đó:  2 R - F .Z - Cw . A . . V D   x, drag  2 Eq. 5-14  G G Với Z là tổng phản lực pháp tuyến tại các trục bánh xe chủ động. Khi bỏ qua thành phần lực cản không khí, biểu thức của D trở thành: Z D  .  Eq. 5-15  G Bằng đồ thị D, có thể xác định số truyền hoạt động hợp lý của ô tô. Ví dụ, giả sử ô tô hoạt động đầy tải trên đường có hệ số cản tổng cộng 1-1 như biểu thị trên hình. Rõ ràng, ô tô không thể hoạt động ở số 3 do không thỏa mãn điều kiện kéo. Đường thẳng 1-1 cắt đường DII tại điểm có hoành độ V1 và đó là vận tốc lớn nhất ô tô đạt được khi hoạt động trên đường có sức cản 1-1. Nếu hoạt động ở số I, điều kiện kéo được bảo đảm nhưng điều kiện bám không được thỏa mãn khi động cơ chạy toàn tải. Ở số I, cho dù có giảm ga để ô tô có thể chạy được thì vận tốc cũng không thể tăng cao được. Như vậy, số II là số hợp lý trong trường hợp này. Tương tự, nếu đường có sức cản tổng cộng là 4-4 thì số II cũng là số truyền hợp lý và vận tốc lớn nhất tương ứng là V3. 5.3.2. Đặc tính động lực của ô tô khi tải trọng thay đổi Không phải bất cứ lúc nào ô tô cũng hoạt động ở chế độ tải định mức. Do vậy ta cần xét đến các trường hợp tải trọng khác với định mức. Khi trọng lượng ô tô thay đổi từ G thành Gv, tương ứng tải trọng thay đổi từ Q thành Qv, nhân tố động lực thay đổi theo quan hệ: G Di,v = .Di G v Eq. 5-16 Với: G = Go + Q Gv = Go + Qv Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 60 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-5 Đồ thị nhân tố động lực khi tải trọng ô tô thay đổi Như vậy đối với một ô tô thì nhân tố động lực tỷ lệ nghịch với trọng lượng của nó. Để biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số nhân tố động lực với sự thay đổi tải trọng, trọng lượng ô tô ta không cần thiết tính lại D tất cả cho các tải trọng mà ghép thêm về phía bên trái đồ thị D_V một đồ thị tia với cách xây dựng được mô tả như sau. Dải tải trọng của ô tô – tính bằng % so với tải định mức đối với ô tô tải và tính bằng số người đối với ô tô du lịch hoặc khách – được thể hiện trên trục hoành của đồ thị tia này. Giá trị 100% của dải tải trọng trùng điểm gốc của hệ trục (D, V) và gốc 0% là một điểm bất kỳ nằm về phía bên trái. Tại gốc 0% của dải tải trọng, dựng trục Do song song với trục D. Tỷ lệ xích ao của trục Do và tỷ lệ xích a của trục D có quan hệ: G a  .a o o G Nối các điểm có cùng giá trị tương ứng trên hai trục D và Do để lập thành các tia. Các tia này thường được lập với dải giá trị 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; ... Các giá trị trung gian được xác định bằng phương pháp nội suy. Hệ đồ thị Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 61 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ (D,V) và đồ thị tia cho phép giải các bài toán khi tải trọng ô tô thay đổi trong phạm vi bất kỳ. Một số ví dụ điển hình được khảo sát dưới đây. Ví dụ 1: Xác định hệ số cản lớn nhất của đường mà ô tô có thể hoạt động được ở vận tốc 25 m/s khi mang tải 40%. Từ giá trị vận tốc 25 m/s trên trục OV, dựng đường song song với trục D đến khi cắt đường cong DIV. Tại giao điểm này dựng song song với trục hoành về phía bên đồ thị tia cho đến khi giao với đường thẳng đứng đi qua điểm biểu thị 40% tải; giao điểm này xác định hệ số cản lớn nhất của đường mà ô tô có thể khắc phục được (tương ứng với giá trị 0,048 trên đồ thị). Ví dụ 2: Xác định tay số và vận tốc lớn nhất ô tô có thể chạy được khi biết tải trọng 80% và sức cản tổng cộng của đường 0,14. Trên đường thẳng đứng đi qua điểm biểu thị tải 80%, xác định điểm tương ứng với hệ số cản tổng cộng =0,14. Từ điểm này dựng song song với trục hoành về phía đồ thị ODV cho đến khi giao với đường DII. Hoành độ của giao điểm này có giá trị 7 m/s. Như vậy, theo điều kiện kéo thì ô tô có khả năng hoạt động ở số I và II. Tuy nhiên, số II là số truyền hợp lý và ô tô có khả năng chuyển động với vận tốc lớn nhất là 7 m/s. Các số III và IV không thể đáp ứng điều kiện kéo. Ví dụ 3: Xác định khả năng mang tải khi biết sức cản của đường =0,1 và vận tốc của ô tô 13 m/s. Từ giao điểm của đường thẳng đứng đi qua điểm có V=13 m/s và đường cong DIII, gióng song song với trục hoành cho đến khi giao với đường tia biểu thị sức cản = 0,1. Hoành độ của giao điểm này ( trên dải tải trọng) xác định tải trọng ô tô có thể mang được, tương ứng 20% trên đồ thị. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 62 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-6 Điều kiện chuyển động của ô tô khi tải trọng, hệ số bám thay đổi Sự xây dựng các tia xác định điều kiện bám của bánh xe chủ động được thực hiện như sau (Hình 5-6). Trên hai trục D và Do, lập các tia nối các điểm tương ứng có cùng giá trị trong dải x= [0,1; 0,2; ...; 1,0] với tỷ lệ xích xác định từ quan hệ:  Z  Z d  và d o  G G o Với  Z là tổng phản lực pháp tuyến tại các bánh xe chủ động. Các điểm trên các trục được xác định với các giá trị như sau: - Trên trục D: D = d . x - Trên trục Do: Do = do . x Với đồ thị tia xác định hệ số bám giới hạn, ta có thể xác định đầy đủ khả năng di chuyển của ô tô. Các ví dụ sau đây minh họa. Ví dụ 4: Xác định khả năng hoạt động của ô tô khi vận tốc là 25 m/s và mang tải 80%. Từ giao điểm của đường thẳng đứng đi qua điểm có vận tốc 25m/s với đường cong DIV, gióng song song trục hoành cho đến khi giao với đường thẳng đứng đi qua điểm biểu thị 80% tải. Giao điểm A tương ứng với hệ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 63 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ số bám giới hạn x,lim= 0,12. Như vậy, ô tô chỉ có thể hoạt động được nếu điều kiện bám được thỏa mãn: x  x,lim Ví dụ 5: Xác định khả năng hoạt động của ô tô (số truyền, vận tốc) khi biết tải trọng của ô tô 70% và hệ số bám của đường 0,4. Từ giao điểm của đường thẳng đứng đi qua điểm biểu thị tải trọng 70% và tia biểu thị hệ số bám 0,4, gióng song song với trục hoành về phía trục ODV. Vị trí của đường gióng thể hiện giới hạn bám với tải trọng và loại đường đã cho. Ô tô chỉ có thể hoạt động với các điểm nằm dưới đường giới hạn này. 5.4. Sự tăng tốc ô tô Thời gian chuyển động đều chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ (20-25)%, thời gian tăng tốc chiếm khoảng (30-45)%, thời gian chuyển động nhờ quán tính và thời gian phanh chiếm (30-40)% so với tổng thời gian hoạt động của ô tô. Khả năng động lực của ô tô còn được đánh giá bằng khả năng gia tốc ô tô; thể hiện bằng thời gian và quãng đường cần thiết để gia tốc ô tô từ trạng thái đứng yên đến một giá trị xác định. Khả năng tăng tốc của ô tô cũng có thể đánh giá bằng thời gian để thực hiện di chuyển 100m đầu tiên. Thời gian này khoảng từ 8-10 giây đối với các ô tô du lịch và khoảng 10-15 giây đối với ô tô tải. Gia tốc của ô tô được xác định bằng các phương pháp: đo thực nghiệm, tích phân (bằng phương pháp đồ thị hoặc giải tích) hàm số nhân tố động lực. Bảng 5-2 thống kê gia tốc cực đại của các loại ô tô sử dụng hộp số cơ khí. Các quan hệ giữa gia tốc, thời gian, quãng đường di chuyển, và vận tốc ô tô được biểu thị trên đồ thị gia tốc, thời gian và quãng đường tăng tốc ô tô. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 64 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-7 Đồ thị gia tốc ô tô a/ Gia tốc từ trạng thái đứng yên b/ Gia tốc từ vận tốc nhỏ nhất ở mỗi số Thời gian tăng tốc và quãng đường tăng tốc được xác định khi biết gia tốc. dV dV a x   dt  dt a x dS V   dS  V .dt dt Khoảng thời gian để ô tô thay đổi vận tốc từ V1 đến V2 và quãng đường tương ứng ô tô đi được: V2 dV t  Eq. 5-17 V ,1 V2  V1 a x V2 S  V .dt Eq. 5-18 V ,1 V2  V1 Tổng thời gian và quãng đường tăng tốc được xác định: T   t V1,V2   t ch Eq. 5-19 S  SV1,V2  Sch Eq. 5-20 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 65 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 5-8 Đồ thị thời gian và quãng đường tăng tốc ô tô tch là khoảng thời gian cần thiết để thay đổi số truyền. Nó phụ thuộc loại ô tô, loại hệ thống truyền lực, kết cấu hộp số, và trình độ thao tác của người lái. Giá trị thông thường của tch được thống kê trong bảng. Sch, Vch tương ứng là quãng đường ô tô đi được và độ thay đổi giảm tốc độ trong quá trình chuyển số. Bảng 5-1 Thời gian chuyển số Thời gian chuyển số của ô tô dùng: Hộp số Động cơ xăng Động cơ diesel Có cấp, không dùng đồng tốc 1,3 – 1,5 3 – 4 Có cấp, dùng đồng tốc 0,2 – 0,5 1,0 – 1,5 Bán tự động 0,05 – 1,00 0,5 – 0,8 Bảng 5-2 Gia tốc cực đại của các loại ô tô. Số truyền Loại ô tô Số một Số cao nhất Ô tô con 2,0 – 2,5 0,8 – 1,2 Ô tô tải 1,7 – 2,0 0,25 – 0,5 Ô tô khách 1,8 – 2,3 0,4 – 0,8 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 66 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 5.5. Ảnh hưởng của tỷ số truyền của truyền lực chính đến tính năng động lực và kinh tế nhiên liệu của ô tô Tỷ số truyền io của truyền lực chính ảnh hưởng đến khả năng động lực và tính kinh tế nhiên liệu của ô tô. Hình 5-9 giải thích sự ảnh hưởng này. Trên cùng đồ thị thể hiện cân bằng công suất của một ô tô (đối với cùng một điều kiện hoạt động nào đó về tải trọng, đường sá) khi sử dụng 3 bộ truyền lực chính có tỷ số truyền khác nhau. Khi tỷ số truyền là ioa, iob, và ioc đường cong công suất cản (lăn và không khí) cắt các đường công suất kéo tương ứng tại điểm cực trị của nó (điểm A), tại một điểm thuộc nhánh “giảm” (điểm B), và tại một điểm thuộc nhánh “tăng” (điểm C). Từ đồ thị có thể thấy: - Tỷ số truyền ioa cho vận tốc cực đại Vmax,A của ô tô cao nhất. - Tỷ số truyền iob tuy có làm giảm vận tốc cực đại nhưng cho phép ô tô có dự trữ công suất cao hơn trường hợp ioa. - Tỷ số truyền ioc vừa dẫn đến giảm vận tốc cực đại, vừa giảm dự trữ công suất của ô tô ở vận tốc nhỏ hơn. Hình 5-9 Ảnh hưởng của tỷ số truyền của truyền lực chính Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 67 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Như vậy, phương án A (với tỷ số truyền ioa) nên được chọn cho ô tô du lịch và ô tô thể thao trong khi phương án B (với tỷ số truyền iob) nên được chọn cho ô tô tải và khách. Tỷ số truyền của truyền lực chính thường nằm trong khoảng 2 đến 7. Khi giá trị tỷ số truyền lớn, truyền lực chính bao gồm 2 cấp và có thể được bố trí tập trung hoặc phân tán. 5.6. Ảnh hưởng của số cấp của hộp số đến khả năng động lực và kinh tế nhiên liệu của ô tô D 0.35 0.30 D1 0.25 y2 0.20 0.15 0.10 y1 0.05 D2 0.00 0 10 20 30 40 50 60 70 V [Km/h] D 0.35 0.30 D1 0.25 y2 0.20 D2 0.15 D3 0.10 y1 0.05 D4 0.00 0 10 20 30 40 50 60 70 V [Km/h] Hình 5-10 Ảnh hưởng của số cấp hộp số đến khả năng động lực và tính kinh tế nhiên liệu của ô tô Khảo sát hai ô tô giống nhau, tuy nhiên hộp số của ô tô thứ nhất có 2 cấp và của ô tô thứ hai có 4 cấp. Tỷ số truyền của các tay số thứ nhất và cuối cùng Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 68 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ của cả hai ô tô là như nhau. Ô tô thứ 2, do hộp số có nhiều cấp hơn nên có khả năng chuyển động với tốc độ cao hơn khi sức cản của đường thay đổi trong khoảng 1 đến 2. 5.7. Truyền động vô cấp Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 69 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương 6 TÍNH TOÁN SỨC KÉO Bài toán tính sức kéo có hai dạng: Tính thiết kế mới và tính kiểm nghiệm. Tính kiểm nghiệm thực hiện khi tất cả các tham số của ô tô liên quan đến kích thước, động cơ, hệ thống truyền lực và hệ thống chuyển động đều đã biết. Khi đó, tính toán sức kéo nhằm kết luận khả năng hoạt động của ô tô trên loại đường sá cần khảo sát. Tính thiết kế mới bao gồm việc tính chọn động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống chuyển động (trong sự liên hệ với nhau) để đảm bảo yêu cầu đối với ô tô theo các điều kiện về tốc độ, loại đường sá, và tải trọng. Chương này đề cập đến tính toán thiết kế mới. Các thông số liên quan tính toán sức kéo gồm 3 nhóm: Các thông số cho trước, các thông số chọn, và các thông số tính toán. 6.1. Thông số cho trước Nhóm thông số cho trước bao gồm:  Chủng loại ô tô, loại động cơ, loại hệ thống truyền lực.  Tải trọng đối với ô tô tải (hoặc số lượng hành khách đối với ô tô du lịch, ô tô khách).  Tốc độ cực đại Vmax yêu cầu khi đầy tải.  Hệ số cản lăn hoặc loại đường.  Hệ số cản lớn nhất ô tô khắc phục được max. 6.2. Thông số chọn Nhóm thông số chọn được chọn dựa theo số liệu thực nghiệm và những xe tương đương, có tính đến điều kiện phát triển và khả năng công nghệ hiện tại. Nhóm thông số này bao gồm: - Trọng lượng bản thân ô tô, Go. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ - Hệ số khí động, Cw. - Diện tích cản chính diện, A. - Hiệu suất truyền lực, t. - Hệ số phân bố tải trọng tĩnh trên các trục bánh xe, mt. 6.3. Thông số tính toán Các thông số tính toán cùng với trình tự thực hiện như sau: 6.3.1. Trọng lượng toàn bộ * Đối với ô tô du lịch và ô tô khách: G  G o  .n (G p  G l ) Eq. 6-1 * Đối với ô tô tải: G  G o  .n (G p  G l )  Q Eq. 6-2 Trong đó: Go - Trọng lượng bản thân ô tô Gp - Trọng lượng một người. Gl - Trọng lượng hành lý cho mỗi người. n - Số người chở, kể cả người lái. Q - Tải trọng định mức của ô tô tải. 6.3.2. Cỡ lốp Từ kết quả tính toán trọng lượng toàn bộ của ô tô và hệ số phân bố tải trọng trên các trục bánh xe đã chọn, có thể xác định được tải trọng hướng kính tác dụng lên từng bánh xe trên các trục bánh, cũng như tải trọng lớn nhất trong số các lốp xe. Thông thường, lốp xe ô tô trên tất cả các trục bánh có cùng một cỡ. Lốp xe được xác định căn cứ vào: o Loại lốp; o Phạm vi sử dụng; o Vận tốc lớn nhất của ô tô; o Tải trọng hướng kính (tĩnh) tác dụng lên lốp; o Khả năng cung ứng. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 71 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Cỡ lốp được chọn, thông thường là loại có cỡ nhỏ hơn cả trong tất cả các cỡ thỏa mãn các tiêu chí trên. Sau khi chọn cỡ lốp xe cụ thể, có thể xác định các thông số liên quan khác của lốp xe, như bán kính thiết kế. 6.3.3. Chọn động cơ và xây dựng đặc tính ngoài - Công suất cần thiết của động cơ để ô tô duy trì tốc độ cực đại Vmax: + Từ yêu cầu vận tốc lớn nhất Vmax khi ô tô mang đủ tải định mức Q, công suất kéo cần thiết tại các bánh xe chủ động được xác định bởi: PTV  PR  Pdrag Eq. 6-3  3 P  (f  f) . G . V  C . A. . V max Eq. 6-4 TV R max w 2 Với f là lượng dự trữ để ô tô đảm bảo duy trì vận tốc Vmax. Đối với ô tô du lịch, f = 0 Đối với ô tô khách và tải, thông thường: f = (0,0050,015). Như vậy, ô tô du lịch chỉ có thể đạt vận tốc lớn nhất trên đường bằng. + Công suất cần thiết tại bánh đà của động cơ để tạo ra được công suất kéo PTV tại bánh xe chủ động được xác định bởi: PTV PeV  Eq. 6-5 t - Công suất yêu cầu của động cơ: Công suất lớn nhất cần thiết của động cơ được xác định bởi: PeV Pe,max = k ac . 2 3 e  e   e  a. + b.  - c.  P  P   P  PeV Pe,max = k ac . 2 3 a. + b. n - c. n n Eq. 6-6 Với kac > 1, là hệ số tính đến công suất dẫn động các trang bị trên động cơ như: máy nén không khí, máy nén môi chất làm lạnh, bơm nước và quạt gió làm mát động cơ, máy phát điện ...vv Đối với các ô tô thông thường, lượng công suất này có thể chiếm khoảng 10-20% công suất lớn nhất của động cơ. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 72 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ - Chọn động cơ: Động cơ được chọn dựa vào 2 điều kiện: + Số vòng quay cực đại (chọn); + Công suất đáp ứng giá trị yêu cầu Pe,max. Công suất của động cơ được chọn không quá lớn so với công suất yêu cầu Pe,max nhằm đảm bảo tính kinh tế. Sau khi chọn động cơ, các số liệu liên quan đến động cơ sẽ được xác định, ví dụ: số vòng quay lớn nhất, công suất lớn nhất, số vòng quay ổn định nhỏ nhất. Nếu có số liệu thực nghiệm về đặc tính ngoài của động cơ được chọn thì có thể số hóa để phục vụ cho việc tính toán tiếp theo. Trong trường hợp không có số liệu thực nghiệm về đặc tính ngoài, đặc tính ngoài của động cơ được xác định gần đúng: P = P . a. + b.  2 - c. 3 e e,max  n n n  Eq. 6-7 Pe Te  Eq. 6-8 e Công suất kéo, mô men kéo, và lực kéo tại các bánh xe chủ động: PT  Pe . t Eq. 6-9 TT  Te i. t . t Eq. 6-10 TT FT  Eq. 6-11 rdyn 6.3.4. Tỷ số truyền của số truyền cao nhất của hộp số Có hai phương án cho số truyền cao nhất: - Phương...u sâu vết lún càng lớn, lực cản lăn càng tăng. Nếu lực cản quá lớn, bánh xe có thể bị mất bám và ô tô không thể di chuyển được. Áp suất trên vết tiếp xúc có thể được giảm bằng cách giảm áp suất hơi trong lốp, tăng chiều rộng lốp, tăng đường kính lốp, tăng số lốp hoặc số trục bánh xe. Trên quan điểm này, lốp của ô tô cơ động cao thường là loại cung rộng, đường kính lớn và áp suất hơi có thể thay đổi trong phạm vi rộng (từ 0,05 MN/m2 đối với đất mềm đến 0,3 MN/m2 trên đường cứng). Nhược điểm của Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 138 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ lốp cung rộng là tuổi thọ, tải trọng cho phép thấp hơn so với loại thông thường. Hình 11-1 trình bày (a) quan hệ giữa diện tích vết tiếp xúc và áp suất hơi trong lốp cỡ 12.00-18 khi nó lăn trên tuyết, và (b) quan hệ sức cản của đường đối với chuyển động của một ô tô 6x6 lắp lốp 12.00-18 vào áp suất hơi trong lốp. (1 – Cát 2 – Đất lầy 3 – Tuyết ướt) Hình 11-1 Ảnh hưởng của áp suất hơi trong lốp a/ Tiết diện ngang b/ Vết tiếp xúc Hình 11-2 So sánh lốp thông thường cỡ 7.50-20 bố trí kép và lốp cung rộng 1000x650 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 139 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Áp suất trên vết tiếp xúc bánh xe trước và sau không bằng nhau. Vì bánh trước lăn trên đường kém chặt hơn bánh sau; chẳng hạn bánh trước lăn và tạo vết trên đường trước bánh sau, áp suất trên vết bánh trước nên thấp hơn bánh sau khoảng 20-30%. Nếu áp suất như nhau, bánh trước sẽ chìm trong vết tiếp xúc. Trong trường hợp như vậy, khi giảm áp suất hơi bánh trước hoặc phân bố lại tải trọng sẽ tăng được tính cơ động của ô tô. Sự bố trí bánh xe phía trước và sau sao cho vết bánh xe trên đường trùng nhau, làm giảm tổn thất năng lượng cho việc tạo vết bánh xe, cũng dẫn đến tăng tính cơ động của ô tô. Hình 11-3 Ảnh hưởng của sự bố trí bánh xe trước và sau Một biện pháp khác cũng có hiệu quả, đó là sử dụng loại lốp có vân hợp lý để tăng hệ số bám. Kiểu vân lốp e, f, g (Hình 11-4) được dùng cho loại ô tô sử dụng trên mọi địa hình. Vân lốp cao và thô giúp tăng sự bám cơ học và ngăn cản đất bám vào khoảng trống giữa các vân, do đó duy trì được hệ số bám cao. Khi ô tô hoạt động trên đất cát, sẽ hiệu quả hơn nếu dùng lốp có mấu thấp; khi hoạt động trên đường trơn trượt thì dùng lốp có vân như hình e/ và g/ (kiểu “opened-out”). Khi hoạt động trên đường bẩn, dùng lốp có vân như hình c/ và d/ (kiểu “checker-board”). Giảm áp suất hơi cũng có tác dụng tăng hệ số bám. Khi giảm áp suất từ 0,3 MN/m2 xuống 0,05 MN/m2, hệ số bám trên đất mềm tăng từ 0,17 lên 0,48. Điều này cơ bản do tăng diện tích tiếp xúc thực tế của vân lốp trên đất. Các ô tô cơ động cao có thể có hệ thống điều chỉnh áp suất hơi trong lốp. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 140 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ a, b - dùng cho ô tô du lịch c – h - dùng cho ô tô tải Hình 11-4 Các kiểu vân lốp Khi ô tô hoạt động ở địa hình rất xấu, còn có thể tăng bám bằng các công cụ hỗ trợ chuyên dùng như: các loại xích, tời kéo, các bản chống trượt. Hình 11-5 Các loại dụng cụ hỗ trợ tăng bám Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 141 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 11-6 Tang tời kéo và các dụng cụ phụ trợ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 142 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 11-7 Bản chống trượt 11.2.3. Các thông số hình học của ô tô Các thông số hình dáng hình học bao gồm khoảng sáng mặt đường, các góc thoát, các bán kính cơ động, và hành lang quay vòng (Hình 11-8): Hình 11-8 Các thông số thuộc hình dáng hình học thể hiện tính cơ động Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 143 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Khoảng sáng mặt đường, h: là khoảng cách từ điểm thấp nhất của gầm xe đến mặt đường. Nó đặc trưng cho xe khi chuyển động trên đường gồ ghề mà điểm thấp nhất của gầm xe không bị chạm nhấp nhô trên đường. Góc thoát trước và sau: Góc thoát trước tr là góc tạo bởi tiếp tuyến của lốp trước và phần nhô ra thấp nhất của đầu xe với mặt đường. Góc thoát sau tr là góc tạo bởi tiếp tuyến của lốp sau và phần nhô ra thấp nhất của đuôi xe với mặt đường. Các góc thoát này đặc trưng cho xe khi chuyển động trên đường gồ ghề lớn mà đầu hoặc đuôi xe không chạm vào mặt đường. Bán kính cơ động dọc và ngang: - Bán kính cơ động dọc, long là bán kính cung tròn tiếp xúc bánh xe phía trước, sau và điểm thấp nhất của gầm xe nằm trong khoảng cách giữa chúng. - Bán kính cơ động ngang, cr là bán kính cung tròn tiếp xúc bánh xe bên phải, trái và điểm thấp nhất của gầm xe nằm trong khoảng bánh xe phải và trái. Hành lang quay vòng, A: được đánh giá bằng không gian nhỏ nhất mà xe có thể quay vòng được an toàn. Đối với ô tô tải thông thường, được xác định bởi: A  R out  R in  a  b Eq. 11-3 11.2.4. Các thông số kết cấu Ảnh hưởng của bánh xe chủ động và bị động a – Bánh xe bị động b – Bánh xe chủ động Hình 11-9 Ảnh hưởng của mô men kéo đến sự vượt vật cản Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 144 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hình 11-9 (a) thể hiện lực tác dụng lên bánh xe bị động khi nó gặp vật cản có chiều cao h. Z = Gw ; X = T Z = X . tan1 = T . tan1 Gw = T . tan1 2 G w 2r.h - h T   G w . Eq. 11-4 tan1 r  h R – phản lực của vật cản tác dụng vào bánh xe; R  X  Z T, Gw – lực tác dụng vào trục bánh xe bởi khung xe, trọng lực. Như vậy, nếu chiều cao vật cản bằng bán kính bánh xe (h = r), lực đẩy từ khung là vô cùng lớn, có nghĩa là bánh xe bị động không thể lăn qua được. Khảo sát lực tác dụng trên bánh xe chủ động Hình 11-9 (b). Bánh xe chủ động chịu thêm mô men kéo Mw. Dưới tác dụng của nó, phản lực tiếp tuyến Pw của vật cản hình thành tại vết tiếp xúc. Pw  'P w  ''P w " T  X - Pw Eq. 11-5 G w  Z  "P w Thành phần P”w giúp cho ô tô khắc phục vật cản theo phương Z. Thành phần P’w giúp cho ô tô khắc phục vật cản theo phương X. Như vậy, khả năng khắc phục vật cản theo chiều cao của bánh xe bị động kém hơn bánh xe chủ động. Bánh xe bị động chỉ đơn thuần lăn qua vật cản, còn bánh xe chủ động cố gắng vượt qua vật cản. Số trục bánh xe chủ động được thể hiện qua công thức bánh xe, được ký hiệu dưới dạng: 2m x 2n. Trong đó, m là số trục bánh xe và n là số trục bánh xe chủ động. Ảnh hưởng của hệ thống treo Đối với ô tô nhiều trục, nhiều cầu chủ động, hệ thống treo cho cụm trục bánh thường có kết cấu kiểu cân bằng – với mục đích phân bố hợp lý tải trọng trên các trục bánh xe. Khi ô tô đi trên đường nhấp nhô, bộ phận cân bằng của hệ thống treo cho cụm cầu đảm bảo tất cả các bánh xe đều tiếp xúc với đường. Tuy nhiên, với những nhấp nhô quá lớn hệ thống treo có thể không đảm bảo Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 145 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ được khả năng tự điều chỉnh để tất cả các bánh xe đều tiếp xúc với đường. Khi đó, hiện tượng quay trơn của một hoặc nhiều bánh xe có thể xảy ra và ô tô không thể chuyển động được nếu không có bộ phận khóa vi sai giữa các cầu. Ảnh hưởng của vi sai giữa các bánh xe Bộ vi sai được bố trí trên trục bánh xe, có công dụng đảm bảo cho hai bánh xe chủ động có thể quay với vận tốc góc khác nhau. Mo men tại các bán trục: M1  0,5.(M  M fr ) Eq. 11-6 M 2  0,5.(M  M fr ) Eq. 11-7 Với: M1, M2 – mô men trên các bán trục quay chậm, nhanh; M, Mfr – mô men tại trục vào, mô men ma sat trong vi sai. a/ Kết cấu vi sai b/ Phân phối mô men khi chuyển động thẳng c/ Phân phối mô men khi chuyển động vòng 1 – vỏ vi sai 2 – bánh răng hành tinh 3 – bánh răng đầu bán trục 4 – đĩa ép 5 – bánh răng chậu 6 – mặt vát ở đĩa ép và trục vi sai 7 – trục vi sai8 – nắp 9, 10 – đĩa ma sát Hình 11-10 Kết cấu và sự truyền mô men của bộ vi sai Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 146 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Khi ma sát trong của vi sai nhỏ, các bánh răng phân phối phân bố đều mô men ra các bán trục và mô men bị giới hạn bởi mô men bám trên bánh xe phía nào có hệ số bám nhỏ hơn. M fr FT max  .2 min(t Z. t (,) p Z. p )  Eq. 11-8 rdyn Trong vi sai đơn giản, mô men ma sát có giá trị nhỏ nên chênh lệch mô men thường tối đa khoảng 4-6%. Do vậy, bộ vi sai đơn giản làm kém tính năng cơ động của ô tô, do giảm mô men bám – lực kéo lớn nhất – của trục bánh xe. Lực kéo sinh ra có thể không thắng được sức cản để ô tô có thể chuyển động. Trong các bộ vi sai loại cam hoặc trục vít, mô men ma sat lớn hơn, có thể đến 15%. Các biện pháp kết cấu để tăng mô men ma sat cũng có thể được thực hiện, như có thể thấy đối với kết cấu ở Hình 11-10. Trong bộ vi sai có 2 ly hợp ma sát, mà các đĩa 9 được nối với các bánh răng bán trục và các đĩa 10 được nối với vỏ bộ vi sai. Các đĩa ma sát được ép tự động bởi vì trên trục 7 của bộ vi sai và đĩa ép 4 có các cạnh vát, nhờ đó tạo nên được lực ép dọc trục mà nó tỷ lệ với mô men truyền qua bộ vi sai. Bộ ly hợp ma sát ngăn cản sự khác biệt vận tốc góc của một bên bánh chủ động, và mô men ma sát của bộ vi sai phụ thuộc mô men cần truyền, số lượng đĩa ma sát, góc vát trên đĩa ép và trục vi sai. Khi bộ vi sai được khóa tự động, trong điều kiện vận hành thực tế trên đường có hệ số bám khác nhau nhiều ở các bánh xe hai bên, tổng lực kéo có thể tăng 20-25% so với vi sai đơn giản. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 147 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Chương 12 TÍNH ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 12.1. Khái niệm Sự rung động thân ô tô kéo dài, gây ra do sự chuyển động của nó, sẽ làm mệt mỏi hành khách và lái xe quá mức, có thể gây ra chóng mặt và nôn, gây tác hại đến sức khỏe. Đồng thời, nó làm giảm hiệu quả công việc của người lái. Những rung động này cũng sẽ ảnh hưởng đến tải trọng vận chuyển và ảnh hưởng đến bản thân ô tô. Do đó, sự êm dịu chuyển động cũng như tiện nghi tốt là một trong những yêu cầu cơ bản đối với ô tô hiện đại. Sự rung động chủ yếu do sự không bằng phẳng của mặt đường. Sự nhấp nhô của bề mặt đường gồm hai loại: nhấp nhô nhỏ (35 mm theo chiều cao và 8-10 mm theo chiều dài) và sóng (1012 mm theo chiều cao và 58 mm theo chiều dài). Khi đường có mật độ giao thông lớn, nhấp nhô dạng sóng thường xuất hiện sau khoảng 12 năm sử dụng, gây xấu đến tính êm dịu chuyển động của ô tô. 12.2. Thực nghiệm tính êm dịu chuyển động của ô tô Thí nghiệm nghiên cứu dao động của ô tô có thể được thực hiện trong phòng thí nghiệm hoặc trên đường, bằng nhiều biện pháp. Các nhân tố, thông số được khảo sát gồm: đánh giá chung, biên độ dao động, vận tốc dao động, gia tốc dao động, tần số dao động của khối lượng được treo và không được treo. Có thể kích thích dao động bằng các biện pháp:  Kéo thân xe xuống và nhanh chóng thả ra.  Nâng ô tô lên bằng một bệ nâng đặc biệt đến độ cao khoảng 50-60 mm rồi nhanh chóng thả xuống. Hai biện pháp này áp dụng để thử tần số dao động và tính chất giảm dao động, cũng như xác định tâm dao động.  Lắp bánh xe ô tô thử vào băng thử với trống quay có các chỗ nhô ra hoặc lệch tâm. Trống quay có thể lắp vào một hay nhiều trục bánh xe. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ  Gây dao động tuần hoàn sàn đỗ ô tô thử.  Đặt ô tô thử trên băng vô tận có nhấp nhô trên bề mặt tiếp xúc. Để có thể có thể so sánh các ô tô thử khác nhau khi thử trên đường, dao động được kích thích bằng cách cho ô tô chuyển động trên đường nhấp nhô nhân tạo có biên dạng đã xác định trước. Vận tốc chuyển động của ô tô cần thiết phải giữ cố định. Các ô tô khác nhau cùng chủng loại, cùng nhóm được thử với nhấp nhô nhất định (cùng chiều cao, chiều dài). Trong quá trình thử, chuyển vị của khối lượng được treo và không được treo đều được ghi lại. Từ đó, có thể xác định biên độ, vận tốc, gia tốc dao động, cũng như tần số dao động của phần được treo và không được treo. Dao động góc của ô tô trong mặt phẳng dọc Oxz cũng được xác định. Khi nghiên cứu độ êm dịu của ô tô và tính toán hệ thống treo, cần thiết phải xác định mô men quán tính Ib của khối lượng được treo, đối với trục đi qua trọng tâm và song song với phương Oy. Phương pháp thực hiện là xác định mô men quán tính đối với một trục của ô tô. Hình 12-1 Xác định mô men quán tính của khối lượng được treo Mô men quán tính của khối lượng được treo đối với O1: c.L2 T. 2 I  1 Eq. 12-1 1 42 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 149 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Với: c – độ cứng của lò xo L – khoảng cách lò xo đến tâm quay O1 T1 – chu kỳ dao động Mô men quán tính của khối lượng được treo đối với trọng tâm O: 2 Ib  I1 - m b . R o Eq. 12-2 12.3. Các đặc trưng êm dịu chuyển động của ô tô Sự ảnh hưởng của dao động của ô tô đối với con người được đánh giá một cách chủ quan. Sự dao động của ô tô được đánh giá bởi các đặc trưng sau đây.  Chu kỳ dao động, T là khoảng thời gian mà ô tô thực hiện đầy đủ một dao động. Tần số dao động, n là số dao động trong một đơn vị thời gian.  Biên độ dao động, zmax là chuyển vị lớn nhất của thân ô tô từ vị trí cân bằng.  Vận tốc dao động là đạo hàm bậc nhất theo thời gian của chuyển động dao động.  Gia tốc dao động là đạo hàm bậc hai theo thời gian của chuyển động dao động của ô tô.  Tốc độ thay đổi gia tốc dao động là đạo hàm bậc ba theo thời gian của chuyển động dao động của ô tô. Dao động của ô tô có thể được phân tích thành các dao động tần số cao (513 Hz) và các dao động có tần số thấp (0,82,0 Hz). Các khối lượng không được treo thường dao động với tần số cao và các khối lượng được treo dao động với tần số thấp. Dao động tần số cao, khi xuất hiện với biên độ nhỏ gây cảm giác khó chịu. Dao động tần số thấp cũng gây cảm giác khó chịu do nó gây cảm giác say xe. Con người không có cảm giác dao động khi đi bộ do đã quen với dao động có tần số 1,171,66 Hz từ khi còn nhỏ. Do đó, tần số dao động của ô tô nên được khống chế phù hợp với vùng này; thông thường trong khoảng 11,3 Hz. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 150 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Sự thay đổi tần số dao động ảnh hưởng mạnh đến con người hơn là thay đổi về biên độ dao động. Khi tốc độ dao động tăng, sự êm dịu chuyển động kém đi. Tính chất rung động và vận tốc dao động được diễn tả như trong bảng sau đây. Bảng 12-1 Tính chất rung động và vận tốc dao động Tính chất dao động Vận tốc dao động [m/s] Không cảm nhận được 0,035 Khó cảm nhận được 0,035  0,1 Cảm nhận được 0,1  0,2 Cảm nhận rõ 0,2  0,3 Khó chịu, rất khó chịu 0,3  0,4 Bảng 12-2 Giới hạn gia tốc dao động đối với cảm giác con người Gia tốc dao động [m/s2] tạo cảm giác Tần số dao động [Hz] Khó chịu Bệnh tật 1 2,3 2,7 1,5 2,1 2,5 2 1,9 2,3 3 1,7 2,0 Bảng 12-3 Gia tốc cho phép [m/s2] đối với các dạng dao động Dao động Điều kiện Thẳng đứng Dọc, ngang Nghiêng Đi chậm 1,0 0,6 0,5 Đi xe 2,5 1,0 0,7 Di chuyển ngắn 4,0 2,0 1,0 Khi tần số dao động tăng, ngay cả dao động với gia tốc nhỏ cũng gây cảm giác khó chịu hoặc gây bệnh. Với những tần số mà thân xe dao động, tốc độ thay đổi gia tốc dao động có ảnh hưởng lớn nhất đến sự êm dịu chuyển động của ô tô. Cảm giác bứt rứt xuất Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 151 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ hiện khi tốc độ thay đổi gia tốc ở khoảng 25 m/s3 và cảm giác khó chịu, ở khoảng 40 m/s3. Do đó, tốc độ thay đổi gia tốc của dao động ô tô không nên quá 25 m/s3. Bảng 12-3 mô tả các giá trị gia tốc cho phép đối với sức khỏe con người (tuổi trung niên). Sau đây ta xây dựng mối quan hệ giữa các đặc trưng êm dịu chuyển động của ô tô. Với mục đích này, ta khảo sát dao động điều hòa của một hệ dao động một bậc tự do có trọng lượng G. Độ cứng của hệ dao động là c. Ở trạng thái tự do của lò xo, hệ có vị trí I. Khi hệ ở trạng thái cân bằng II, lò xo chịu biến dạng tĩnh dưới tác dụng của trọng lượng G. Chuyển vị của lò xo được xác định bởi G z  Eq. 12-3 o c Nén lò xo để đưa hệ ra vị trí III, xa vị trí cân bằng và thả ra, hệ sẽ dao động. Bằng các thiết bị ghi dao động, ta có được đồ thị quan hệ vị trí của hệ theo thời gian cũng như có thể xác định biên độ zmax, chu kỳ T của dao động. Phương trình vi phân mô tả dao động có dạng: d 2z m .  z.c  0 Eq. 12-4 dt 2 Nghiệm của phương trình: c z  z .sin t.  z .sin t.  Eq. 12-5 max m max c Với   là tần số góc của dao động m - Vận tốc dao động: dz v   z . . cos t.  Eq. 12-6 dt max - Gia tốc dao động: d 2 z j   z- .2 .sin t.  Eq. 12-7 dt 2 max - Tốc độ thay đổi gia tốc dao động: d 3z 'j   z- .3 .cos t.  Eq. 12-8 dt 3 max Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 152 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Tần số góc  và tần số dao động n liện hệ với nhau bởi: 1  1 c 1 g n    .  . Eq. 12-9 T 2 2 m 2 z o Như vậy, độ biến dạng tĩnh của hệ càng lớn thì tần số dao động của hệ càng nhỏ. Với mục đích này, hệ thống treo được giảm độ cứng để giảm tần số dao động tự do của ô tô. 12.4. Dao động ô tô Mô hình đơn giản dao động của một ô tô được mô tả trên hình, trong đó c1 và c2 là độ cứng tương đương của hệ thống treo trước và sau. Hình 12-2 Mô hình dao động đơn giản và hệ dao động tương đương Độ cứng tương đương ceff của hệ thống treo là độ cứng của phần tử đàn hồi mà biến dạng của nó tương đương biến dạng tổng của hệ thống treo (có độ cứng cs) và bánh xe (có độ cứng ct) khi chịu cùng tải trọng. Trọng lượng G gây biến dạng hệ đàn hồi một lượng bằng tổng biến dạng của phần tử đàn hồi của hệ thống treo và của lốp. Do đó, G G G   ceff cs c t cs c. t ceff  Eq. 12-10 cs  ct Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 153 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Độ cứng của hệ thống treo trước và sau của ô tô nằm trong khoảng 20-60 kN/m. Độ cứng của lốp trước và sau của ô tô thuộc khoảng 200-450 kN/m. Các giá trị nhỏ tương ứng với ô tô du lịch, giá trị lớn tương ứng với ô tô tải. Hình 12-3 Các dao động thành phần Thân ô tô có 6 bậc tự do và có thể thực hiện 6 dao động khác nhau. Các chuyển động thẳng theo các trục xx, yy và zz được ký hiệu là Sx, Sy, và Sz, còn các chuyển động quay tương ứng được ký hiệu x, y, z. Việc nghiên cứu dao động đồng thời 6 thành phần trên rất phức tạp. Để đơn giản hóa, ta có thể nghiên cứu dao động với 2 bậc tự do Sz và y. Các thành phần dao động này ảnh hưởng chủ yếu đến tính êm dịu của ô tô và tác động đến cảm giác của người trên ô tô. Dao động thẳng đứng xuất hiện khi bánh xe lăn qua nhấp nhô của mặt đường. Nếu ô tô được trang bị hệ thống treo có độ cứng nhỏ, sự biến dạng lớn của phần tử đàn hồi của hệ thống treo sẽ dễ dàng dập tắt dao động. Đôi khi, các dao động thẳng đứng này tăng vọt nếu tần số ngoại lực kích thích trùng với tần số dao động riêng của hệ thống treo. Hệ thống treo với độ cứng thấp và giảm chấn được sử dụng để giảm dao động thẳng đứng mà nó tác động đến cảm giác khó chịu của hành khách. Tâm đàn hồi của một hệ là điểm mà tại đó chỉ tồn tại chuyển động tịnh tiến dưới tác dụng của ngoại lực kích thích. Để xác định tâm đàn hồi, ta khảo sát thanh nằm trên các phần tử đàn hồi như mô tả trên Hình 12-4. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 154 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Khi ngoại lực kích thích P tác dụng vào một điểm khác với tâm đàn hồi (c.e.), thanh thực hiện 2 chuyển động: tịnh tiến và xoay, như vị trí 1. Khi ngoại lực kích thích tác dụng tại tâm đàn hồi (c.e.), thanh chỉ chuyển động tịnh tiến đến vị trí 2. Trong trường hợp này, độ biến dạng của hệ thống treo trước và sau là giống nhau và góc xoay bằng không. Sau đây ta xác định khoảng cách x từ trọng tâm (c.g.) của thanh đến tâm đàn hồi (c.e.). Từ phương trình cân bằng mô men, ta có R1 a. - .P x - R 2 b.  0 R a. - R b. x  1 2 Eq. 12-11 P Đồng thời, ta lại có: R1  c1 f. 1 và R 2  c2 f. 2 P  R1  R 2  c1 f. 1  c 2 f. 2 Do vậy: c .f c-a. .f b. x  1 1 2 2 c1 .f1  c2 .f 2 c a. c- b. x  1 2 Eq. 12-12 c1  c 2 Khối lượng được treo của ô tô được thay bằng hệ tương đương 3 khối lượng m1, m2, và m3 và liên kết với nhau bởi một thanh không trọng lượng. Khối lượng m1 và m2 đặt tại các vị trí ab và bb và khối lượng m3 đặt tại trọng tâm của phần khối lượng được treo. Các điều kiện sau đây cần được thỏa mãn đối với hệ tương đương: (a) Cân bằng khối lượng, (b) Trọng tâm của hệ thực trùng trọng tâm hệ tương đương, và (c) Cùng mô men quán tính đối với trục yy đi qua trọng tâm của hệ thực. Ba điều kiện này dẫn đến hệ ba phương trình sau: m  m  m  m  1 2 3 b m1 a. b  m 2 b. b Eq. 12-13  2 2 2 m1 a. b  m 2 b. b  m b .b Với b là bán kính quán tính của khối lượng được treo của ô tô đối với trục yy. Giải 3 phương trình trên, ta được: Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 155 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ  2 m b . b m1   a b L.  2  m b . b m 2  Eq. 12-14  b b . L  2    m  m . -1 b   3 b  a b.    b b  Hình 12-4 Mô hình dao động tự do của ô tô và tương đương Khi thanh nối được đẩy ra xa vị trí cân bằng và thả ra, hệ sẽ dao động. Ta sẽ khảo sát tác dụng của khối lượng m3 và vị trí tâm đàn hồi đến dao động của thanh. Khi dao động, lực quán tính tác dụng lên trọng tâm của thanh được xác định bởi: Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 156 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Fin  m3 j. Lực này gây ra mô men quán tính Min đối với tâm đàn hồi Min  Fin . x  m3 x.j. Để tránh dao động lớn, mô men Min cần thiết phải nhỏ hoặc bằng 0. Điều này xảy ra khi cánh tay đòn x hoặc khối lượng m3 bằng 0. # Nếu m3 = 0: 2 b m 3  0  1 Eq. 12-15 a b b. b Điều này có thể đạt được bằng cách phân bố hợp lý khối lượng các cụm chi tiết trên ô tô. # Nếu x = 0: x  0  c1 a. b  c 2 b. b c b 1  b Eq. 12-16 c2 a b Như vậy, độ cứng của hệ thống treo cần thiết kế sao cho tỷ lệ nghịch với trọng tâm của khối lượng không được treo. Khi đó, hệ thống treo trước và sau có cùng biến dạng và ô tô không bị xoay quanh trục yy. Chuyển vị theo phương thẳng đứng Sz được xác định sau khi chọn tần số dao động trong khoảng cho phép 1,1-1,3 Hz. Dao động góc x sinh ra do nhấp nhô không đều ở hai bên của mặt đường. Khi đó, mô men gây dao động ngang xuất hiện rồi triệt tiêu. Dao động góc này có thể khử bằng cách sử dụng thanh ổn định ngang, có tác dụng tăng độ cứng chống biến dạng xoắn hệ thống treo. Bên cạnh dao động do nhấp nhô của đường, ô tô còn chịu rung động phát sinh từ động cơ, hệ thống truyền lực và bánh xe. Sự rung động này thực tế không ảnh hưởng đến độ êm dịu chuyển động nhưng gây ồn và có thể phá hủy liên kết giữa các tổng thành, bộ phận của ô tô. Sự rung động có thể giảm bớt hoặc khử nhờ sử dụng các biện pháp như dùng các bộ phận giảm rung, các bộ phận che đặc biệt, nâng cao chất lượng chế tạo và lắp ráp, và cân bằng tốt để tránh cộng hưởng. Các ghế ngồi với lưng tựa được thiết kế đặc biệt cũng có thể giảm hay khử được dao động và rung động của ô tô. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 157 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 12.5. Ảnh hưởng của các thông số đến sự dao động 12.5.1. Ảnh hưởng của lốp xe Bánh hơi bổ sung thêm phần tử đàn hồi cùng với hệ thống treo và có tác dụng rất lớn đến sự êm dịu chuyển động của ô tô. Là phần tử đàn hồi tốt, do có sự biến dạng của ta-lông nên lốp xe loại trừ hoặc giảm tiếng ồn sinh ra khi chuyển động trên đường nhấp nhô và hấp thụ những nhấp nhô nhỏ của mặt đường. Lốp xe ảnh hưởng không đáng kể đến dao động tần số thấp do biến dạng của nó nhỏ (1535 mm) so với biến dạng cần thiết của hệ thống treo đối với độ êm dịu chuyển động (100250 mm). Trái lại, lốp xe có tác dụng lớn đối với dao động tần số cao bởi vì sự giảm độ cứng của lốp xe dẫn đến sự giảm độ dịch chuyển thẳng đứng của bánh xe và gia tốc dao động của ô tô. Do vậy, sẽ tốt hơn nếu sử dụng lốp xe có độ cứng giảm nhiều để tăng độ êm dịu chuyển động. Với mục đích này, khuynh hướng chế tạo lốp xe hiện đại là giảm độ cứng của lốp xe bằng cách giảm áp suất hơi trong lốp và tăng chiều rộng lốp. Tuy vậy, sẽ là sai lầm khi cho rằng lốp xe mềm cho phép người thiết kế bỏ qua phần tử đàn hồi của hệ thống treo. Điều này có thể giải thích bởi thực tế là để giảm tổn thất cản lăn cần thiết phải giảm nội ma sát trong lốp, nhưng trái lại nó làm tăng độ cứng của lốp xe. Bên cạnh đó, độ nhấp nhô của mặt đường luôn tồn tại và gây ra dao động ô tô nên dao động sẽ mạnh hơn nếu không có hệ thống treo. 12.5.2. Hệ thống treo độc lập Xét trên quan điểm êm dịu chuyển động ô tô, hệ thống treo độc lập có nhiều ưu điểm so với hệ thống treo phụ thuộc. Đối với hệ thống treo phụ thuộc, khi một bên bánh xe lăn qua nhấp nhô của đường, bánh xe phía bên kia cũng có cùng chuyển vị góc x nên thân xe cũng nghiêng theo. Điều này không xảy ra hoặc không đáng kể đối với hệ thống treo độc lập. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 158 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Hệ thống treo độc lập đối với trục trước tạo ra độ võng tĩnh lớn hơn trong khi vẫn đảm bảo tỷ số độ võng tĩnh giữa các trục gần bằng 1. Do đó khi ô tô chuyển động, dao động x được giảm nhiều. Do hệ thống treo độc lập không có dầm cầu nối hai bánh xe hai bên nên trọng lượng phần không được treo giảm đáng kể, tần số dao động riêng của thân xe tăng lên. Do đó giảm tải trọng tác dụng lên giảm chấn. Ở hệ thống treo độc lập, phần tử đàn hồi có thể là lò xo, đệm khí, hoặc thanh xoắn. Khi sử dụng thanh xoắn, một phần khối lượng thanh xoắn là khối lượng được treo và sự phân bố tải trọng lên khung xe cũng đều hơn. Khi sử dụng, thanh xoắn không đòi hỏi bảo dưỡng nhiều như nhíp lá. Tuy nhiên, thanh xoắn khó chế tạo và có tuổi thọ thấp hơn. Hệ thống treo với đệm khí có rất nhiều ưu điểm: độ êm dịu rất cao do độ cứng rất thấp và có thể thay đổi đặc tính đàn hồi với phạm vi rộng trong quá trình vận hành, có thể giữ cố định hoặc thay đổi độ võng của hệ thống treo khi tải trọng thay đổi, tuổi thọ của hệ thống treo dài, khối lượng không được treo nhỏ, thích ứng nhanh với sự nhấp nhô của mặt đường do nội ma sát trong hệ thống treo không đáng kể, và góp phần làm tăng tuổi thọ của ô tô. Tuy nhiên, thiết kế, chế tạo hệ thống treo với đệm khí phức tạp hơn, giá thành chế tạo cao hơn. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 159 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Thái Phạm Minh, Nguyễn Văn Tài, và Lê Thị Vàng. “Lý Thuyết Ô Tô Máy Kéo”. Hà Nội: NXB Khoa học kỹ thuật; 1996. [2] Nguyễn Minh Đường, Nguyễn Xuân Tài, Nguyễn Văn Tài, và Trần Khang. “Lý Thuyết Ô Tô Máy Kéo”. Hà Nội: Đại học Bách Khoa; 1971. [3] Artamonov MD, Ilarionov VA, and Morin MM. “Motor Vehicles - Fundamentals and Design”. Moscow: Mir; 1976. [4] Lechner G and Naunheimer H. “Automotive Transmission - Fundamentals, Selection, Design, and Adaption”. Berlin: Springer- Verlag; 1999. [5] Garett TK, Newton K, and Steeds W. “The Motor Vehicle, 13 ed.” Oxford: Butterworth-Heinemann; 2001. [6] Reimpell J, Stoll H, and Betzler JW. “The Automotive Chassis: Engineering Principles, 2 ed”: Butterworth-Heinemann; 2001. [7] Heisler H. “Advanced Vehicle Technology, 2 ed”. Oxford: Butterworth- Heinemann; 2002. [8] Rajesh R. “Vehicle Dynamics and Control”. New York: Springer; 2006. [9] "Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering ", Professional Engineering Publishing. [10] "International Journal of Vehicle Design (IJVD)", Inder Science. Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 161 14 PHỤ LỤC Phụ lục A ĐẶC TÍNH CỦA MỘT SỐ ĐỘNG CƠ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 162 Hình A-1 Đặc tính ngoài của một động cơ diesel, sử dụng với ô tô tải – Đường cong mô men dạng “phẳng” Hình A-2 Đặc tính ngoài của một động cơ diesel với turbocharger, sử dụng với ô tô khách – Đường cong mô men dạng “sống trâu” Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 163 Hình A-3 Đặc tính ngoài của một động cơ diesel với turbocharger, sử dụng với ô tô tải – Đường cong mô men dạng “sống trâu” Hình A-5 Đặc tính ngoài của một động cơ diesel, sử dụng với ô tô tải – Đường cong mô men dạng “sống trâu” Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 164 Hình A-4 Đặc tính ngoài của một động cơ xăng, sử dụng với ô tô du lịch – Đường cong mô men dạng “tăng dần” Hình A-6 Đặc tính ngoài của một động cơ xăng, sử dụng với ô tô du lịch – Đường cong mô men dạng “phẳng” Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 165 a/ b/ Hình A-7 Đặc tính tốc độ của: a/ Một động cơ xăng 6 xylanh b/ Một động cơ diesel turbocharger 6 xy lanh Specific Diesel Consumption (g/kWh) (Diesel Fuelling) 300 290 40 320 290 285 35 275 280 285 273 273 290 ) 30 m N ( 270 e 300 u 25 q r o T 320 320 e 20 k a r B 350 350 15 400 400 10 500 700 5 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Engine speed (rev/min) Hình A-8 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ diesel 1 xylanh KUBOTA RT120 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 166 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 167