Chương 2 - Lý thuyết chuyển động thẳng của ô tô

Chương 2 - Lý thuyết chuyển động thẳng của ô tô (Phần 2 - Lý thuyết ô tô) - kho tài liệu - thư viện tri thức - tài liệu đại học cao đẳng

Chương 2 - Lý thuyết chuyển động thẳng của ô tô2.1 Ngoại lực và momen ngoại lực tác dụng lên ô tô trong trường hộp chuyển động thẳng.2.1.1 Sơ đồ tổng quát của ô tô khi chuyển động thẳng.

Khi khảo sát chuyển động thẳng của ô tô, ta thừa nhận các giả thiết sau:

- Ô tô có tất cả các cầu là chủ động Ô tô có kéo rơ – móc; và rơ – móc là bị động Sự tác động của móc kéo lên ô tô được thể hiện bằng lực cản móc kéo;

- Là bài toán phẳng (ô tô được khảo sát trong mặt phẳng Oxyz); sơ đồ khảo sát là hình chiếu đứng của xe Hai bánh xe của một cầu coi như là một bánh xe và không có chiều dày;

- Lớp phụ mặt đường là đồng nhất; biến dạng của đường, của lốp được kể đến khi xác

định lực cản P f;

- Ô tô chuyển động thẳng, lên dốc α không đổi;

- Phản lực pháp tuyến P z vẽ đi qua tâm trục bánh xe Sự chuyển dời của lực P z được tính

đến thông qua momen cản lăn M z

Từ các giả thiết trên, ta có sơ đồ khảo sát ô tô chuyển động thẳng, xét trường hợp tổng quátkhi có các ngoại lực và momen tác dụng (hình 2-1):

Sơ đồ khảo sát nằm trong mặt phẳng Oxyz:

- Trục Ox nằm song song với mặt đường;

- Trục Oz vuông góc với mặt đường và đi qua trọng tâm ô tô

2.1.2 Các ngoại lực và momen ngoại lực tác dụng lên ô tô khi chuyển động thẳng

a) Trọng lượng của ô tô Kí hiệu là G

Trọng lượng G đặt tại trọng tâm xe

Khi tính toán, trọng lượng ô tô được xác định theo công thức sau:

G=G a+G t

Trong đó:

G a – trọng lượng bản thân xe: G a=G o+G nl+Glx+Gtb

Với:

G o – trọng lượng “tinh” của ô tô;

G nl – trọng lượng nhiên liệu;

G lx – trọng lượng tổ lái;

G tb – trọng lượng các dụng cụ chuyên dung đi kèm xe.

G i – trọng lượng hàng chuyên chở (hoặc trọng lượng hành khách và hành lý mang theo).

Trọng lượng xe (G) là một trong những yếu tố gây ra lực cản trở chuyển động ô tô

b) Lực cản dốc, kí hiệu là P i

Khảo sát trường hợp ô tô lên dốc với góc dốc (hình 2-2) Trọng lượng ô tô G được đặt tại trọng tâm xe và phân ra thành hai phần:

cos α ≈ 1 ; sin α=tan α=α

Kí hiệu α là i _ độ dốc của đường (i= B

Lực cản lăn của ô tô là tổng lực cản lăn của tất cả các bánh xe của nó.

Qua nghiên cứu ở trên ta thấy, lực cản lăn biểu thị sự tổn hao công suất do biến dạng của lốp, của đường cũng như tổn hao cho ma sát giữa đường và lốp, và các dạng tổn hao khác có liên quan đến quá trình lăn của bánh xe

Thực tế cho thấy, lực cản lăn ở mỗi bánh xe riêng biệt thường không như nhau, ngay cả khi chuyển động trên đường có bề mặt cứng

Trên đường biến dạng, lực cản chính diện của các bánh xe cầu sau lăn trên nền đất đã được các bánh xe cầu trước đầm, nhỏ hơn rất nhiều so với lực cản chính diện của các bánh xe cầu trước Ngoài ra, các bánh xe còn được liên hệ với nhau thông qua khung xe, thông qua các cụm của hệ thống truyền lực Tất cả các yếu tố trên tạo nên sự tác dụng tương hỗ giữa chúng rất phức tạp

Sự tác dụng tương hỗ này được phản ảnh trong lực cản lăn Cho nên, tổng các lực cản lăn của từng bánh xe riêng biệt sẽ cho trị số khác xa với lực cản lăn thực tế của toàn xe Vì vậy, lực cản lăn thực tế của ô tô được xác định trong tổng thể ô tô hoàn chỉnh

Các yếu tố ảnh hưởng tới lực cản lăn gồm có:

- Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe;

- Tính chất và trạng thái của đường;

- Vận tốc chuyển động của ô tô;

- Kết cấu và trạng thái của lốp,

Như phần trên đã nêu, lực cản lăn của bánh xe tỷ lệ với phản lực pháp tuyến (P f=P z f)cũng chính là tỷ lệ với tải trọng G k tác dụng theo phương thẳng góc đặt tại tâm trục bánh xe:

f1 , f2 – hệ số cản lăn của các bánh xe cầu trước và cầu sau;

G1 , G2 – trọng lượng ô tô phân bố lên cầu trước và cầu sau.

Nếu coi: f1=f2 ta có:

P f=f(G1+G2)=f cos α (2-3)

Trị số của hệ số cản lăn f và độ dốc i dặc trưng tổng hợp cho chất lượng đường sá Vì vậy, người ta thường sử dụng khái niệm lực cản tổng cộng của đường, kí hiệu là P ψ Lực cản tổngcộng của đường bằng tổng lực cản lên dốc và lực cản lăn:

d) Momen cản lăn Kí hiệu là M f.

Momen cản lăn được kể tới là do việc chuyển dời phản lực pháp tuyến P z từ tâm áp lực K vềmặt phẳng đi qua tâm trục bánh xe:

M f=Mf 1+M f 2=rd f G1cosα+r d f G2cosα=r d f(G1+G2)cosα=r d fG cosα (2-7)

Trong mặt phẳng dọc xe nói chung , lực cản móc kéo có phương nghiêng với mặt đường một

góc γ Nó được phân tích thành hai phản lực thành phần theo các phương Ox và Oz (hình

2-3) Trong đó:

P mk x

=P mk cos γ

P mk z =P mk sin γ

Bản chất của các lực tác dụng lên rơ móc cũng tương tự như các lực tác dụng lên xe kéo

Gọi P mk ' là lực kéo của ô tô tác dụng lên móc kéo

f) Lực cản không khí Kí hiệu là P ω.

Khi ô tô chuyển động trong môi trường khí quyển sẽ xuất hiện lực cản không khí tác dụng lên xe

Lực cản không khí bao gồm hai thành phần:

- Lực cản chính diện Lực cản này sinh ra do sự xoáy lốc của dòng khí Nói cách khác: lực cản chính diện sinh ra bởi sự tang áp suất không khí ở phía trước ô tô và sự giảm áp suấtkhông khí ở phía sau ô tô;

- Lực cản do ma sát giữa vỏ ô tô và không khí ở gần vỏ ô tô với nhau Khi ô tô chuyển động, nó sẽ làm chuyển động các lớp không khí bao quanh nó Lớp không khí này tác động lên các lớp không khí khác Vận tốc của các lớp không khí gần vỏ ô tô cao hơn vận tốc không khí ở xa vỏ ô tô Do vậy, tạo nên sự ma sát giữa các lớp khí Vận tốc của ô tô càng lớn thì khối lượng không khí tham gia vào chuyển động càng nhiều và tổng lực ma sát càng cao

Trên cơ sở thực nghiệm , người ta đã thiết lập được công thức để tính lực cản không khí đối với ô tô như sau:

P ω=cρFρFF v2

=KF v2

(2-9)Trong đó:

cρF – hệ số dạng khí động học của ô tô Hệ số này phụ thuộc vào dạng khí động học của ô tô

và chất lượng bề mặt của nó;

ρF – mật độ không khí [kg /m3];

K=cρFρF – hệ số cản không khí [kgs2/m4] Đối với các loại ô tô, hệ số cản không khí có các giá trị sau:

F – diện tích cản chính diện của ô tô [m3];

v – là vận tốc chuyển động tương đối của ô tô so với không khí [m/s]

Nếu vận tốc chuyển động của ô tô (v) tính bằng [km/h], khi đó:

P ω=KF v2

Việc xác định lực cản chính diện của ô tô gặp nhiều khó khăn Vì vậy, trong thực tế người ta

sử dụng công thức gần đúng như sau:

F=B H [m2]

Trong đó (hình 2-4):

B – chiều rộng cơ sở của ô tô, [m];

H – chiều cao lớn nhất của ô tô, [m]

g) Lực quán tính của ô tô Kí hiệu là P j

Khi ô tô chuyển động không ổn định, lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến

và các khối lượng vận động quay xuất hiện

Lực quán tính này sẽ trở thành lực cản khi ô tô chuyển động nhanh dần và trở thành lực đẩy (lực chủ động) khi ô tô chuyển động chậm dần

Lực quán tính bao gồm các thành phần sau:

- Lực quán tính do gia tốc khối lượng chuyển động tịnh tiến của ô tô, kí hiệu là P j1

- Lực quán tính do gia tốc khối lượng vận động quay của động cơ (chủ yếu là bánh đà), kí

hiệu là P j2

- Lực quán tính do gia tốc khối lượng vận động quay của hệ thống truyền lực và các bánh

xe, kí hiệu là P j3

Nếu kí hiệu gia tốc chuyển động tịnh tiến của ô tô là j= dv

dt thì lực quán tính P j1 được xác định như sau:

P j1=m j=G

g .

dv dt

Trong đó:

m – khối lượng của ô tô;

G – trọng lượng của ô tô;

j – momen quán tính khối lượng vận động quay của động cơ quy dẫn về trục khuỷu, có kể

đến khối lượng vận đông quay phẩn chủ động ly hợp;

ε e=d ω e

dt – gia tốc góc của khối lượng quay của động cơ (quy về trục khuỷu động cơ);

ω e – vận tốc góc của trục khuỷu động cơ;

i tl – tỷ số truyền của hệ thống truyền lực;

η tl – hiệu suất của hệ thống truyền lực

i tln – tỷ số truyền tính từ chi tiết quay thứ n trong HTTL tới bánh xe chủ động;

η tln – hiệu suất tính từ chi tiết quay thứ n trong HTTL tới bánh xe chủ động;

J k – momen quán tính của bánh xe chủ động và các chi tiết cùng quay với nó;

ω n – vận tốc góc của chi tiết quay thứ n trong HTTL đối với trục quay của nó.

Biến đổi các gia tốc góc về gia tốc chuyển động tinh tiến của ô tô và thay vào biểu thức trên,

Tổng hợp các lực quán tính thành phần ở trên ta được:

δ – hệ số ảnh hưởng của các khối lượng quay đến chuyển động tịnh tiến

Khi coi r k=rd=rl , hệ số δ được xác định theo biểu thức:

Hệ số δ phụ thuộc vào tỷ số truyền của hệ thống truyền lực Hệ số δ có giá trị lớn ở tay số 1

và giảm dần ở các tay số tiếp theo

Khi không biết chính xác giá trị của J e và J n , hệ số δ có thể tính toán theo công thức kinh

nghiệm sau:

δ=1+0,05(1+i hi2 )G G d

b

Trong đó:

G d - trọng lượng toàn bộ của ô tô ứng với tải trọng định mức;

i hi – tỷ số truyền của hộp số ở tay số thứ i;

G k – trọng lượng toàn bộ của ô tô ứng với tải trọng bất kỳ, khác với tải trọng định mức.2.1.3 Hệ số cản lăn f và các phương pháp xác định chúng.

Như trên đã nêu, hệ số cản lăn f phụ thuộc vào tính chất và sự biến dạng của đường, của

lốp Tải trọng động phát sinh khi bánh xe lăn trên đường càng lớn, sự biến dạng lớp phủ mặt

đường càng lớn thì hệ số cản lăn f sẽ càng lớn.

Mặt đường không bằng phẳng sẽ tạo ra tải trọng động làm cho lốp them biến dạng, tổn hao

do đàn hồi của lốp tang lên Trên đường đất, hệ số cản lăn f sẽ lớn hơn so với đường

nhựa và đường bê tông, thâm chí kể cả khi hai loại đường nói trên có sự biến dạng như nhau Nếu trên bề mặt đường có một màng nước mỏng hoặc bụi bẩn dính ướt thì hệ số cản lăn cũng bị tang do có tổn hao thủy lực để ép trên các lớp màng đó

Hệ số cản lăn f thường được xác định bằng thực nghiệm: phương pháp cho ô tô chuyển

động chậm dần hoặc phương pháp dung xe kéo

Phương pháp cho ô tô chuyển động chậm dần

Cho ô tô chuyển động ổn định trên đường bằng với vận tốc xác định, sau đó cắt động lực từ động cơ bằng cách đưa cần số về số không không Khi đó, ô tô chuyển động chậm dần rồi dừng hẳn Như vậy, động năng của ô tô trong trường hộp này sẽ bị tiêu hao để khắc phục lực cản lăn

Thành lập phương trình cân bằng động năng ta có:

Giá trị lớn sử dụng với ô tô nhiều cầu và có đường kính bánh xe lớn

v – vận tốc của ô tô khi bắt đầu cắt nguồn động lực, [m/s];

m – khối lượng của ô tô [kg]

S – quãng đường lăn được của ô tô sau khi cắt động lực [m].

Từ công thức trên ta tính được lực cản lăn P f [N], sau đó xác định hệ số cản lăn theo công thức sau:

f = P f

G

Với G – trọng lượng của ô tô, [N]

Phương pháp dùng xe kéo

Cho hai ô tô kéo nhau (hình 2-5), giữa chúng bố trí lực kế tự ghi

Khi xe kéo chuyển động với vận tốc ổn định, lực kế sẽ chỉ một giá trị xác định Giá trị này chính bằng lực cản lăn của ô tô được kéo Khi biết trọng lượng của ô tô được kéo sẽ xác định được hệ số cản lăn của bánh xe với mặt đường

Khi thử nghiệm cần đảm bảo điều kiện về áp suất hơi lốp, tải trọng và tốc độ chuyển động trung bình đúng như tiêu chuẩn của nhà máy sản xuất đã quy định

Qua thực nghiệm người ta đã xác định được các giá trị trung bình của hệ số cản lăn trên các loại đường khác nhau (bảng 2-1)

2.2 Phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe.

Khi ô tô chuyển động, ngoài việc chịu tác dụng của các ngoại lực, bánh xe còn chịu tác dụng của phản lực tiếp tuyến từ đường (trong mối tương tác giữa bánh xe – mặt đường) Phản lực này luôn thay đổi, phụ thuộc vào các ngoại lực và momen tác dụng lên bánh xe.Trị số của các phản lực tiếp tuyến ảnh hưởng tới chất lượng kéo, chất lượng phanh, tính ổn định, tính dẫn hướng của ô tô Đồng thời cũng ảnh hưởng tới độ bề, tuổi thọ các chi tiết,các cụm chịu lực của ô tô

Dưới đây ta sẽ khảo sát cho trường hợp ô tô hai cầu và ô tô ba cầu có treo cân bằng cho cầu giữa và cầu sau

2.2.1 Đối với ô tô hai cầu

Trường hợp tổng quát, ô tô chuyển động lên dốc có gia tốc và kéo rơ móc Đặt các ngoại lực

và momen tác dụng lên ô tô (hình 2-6)

Để xác định các phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên cả hai bánh xe cầu trước (P z 1)

và hai bánh xe cầu sau (P z 2), ta thành lập hai phương trình tĩnh học sau:

- Phương trình hình chiếu các lực lên trục Oz Với các giả thiết góc γ, góc hợp bởi mặt

phẳng song song với đường và cần kéo rơ móc nhỏ nên ta có thể coi:

P z 2=aG cosα

P ω h ω L

e) Trường hợp ô tô đứng yên:

Từ các biểu thức trên ta nhận thấy rằng: khi ô tô chuyển động, phản lực pháp tuyến của

đường P z 1 , P z 2 tác động lên ô tô không những phụ thuộc vào các thông số kết cấu như h g , α , b, h mk …mà còn thay đổi theo trạng thái chuyển động của ô tô Ví dụ, khi ô tô lên dốc P z 1

giảm, P z 2 tăng Khi ô tô tăng tốc, trị số của P z 1 giảm, P z 2 tăng lên Ngoài ra, lực cản móc kéo,

lực cản không khí cũng làm cho P z 1 , P z 2 thay đổi Vì vậy, để đánh giá mức độ thay đổi và để

xác định P z 1 , P z 2 trong các trường hợp chuyển động khác nhau, người ta sử dụng hệ số phân bố tải trọng

Đặt P z 1

G1=λ1 – hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe cầu trước;

P z 2

G2=λ2 – hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe cầu sau

Các giá trị tới hạn λ1, λ2 thường thay đổi các phạm vi sau:

- Khi xuống dốc và phanh: λ1=1,5; λ2=0,5

Tóm lại, giá trị tới hạn của λ1 và λ2 nằm trong khoảng:

λ1=0,5 ÷1,5 ; λ2=1,5÷ 0,5

Trị số λ1 ảnh hưởng rất lớn đến tính dẫn hướng của ô tô Đối với các ô tô (công thức bánh xe

4x2) có cầu sau chủ động thì λ2 đặc trưng cho trọng lượng bám của xe

2.2.2 Đối với ô tô 3 cầu có treo cầu giữa và sau là treo cân bằng

Trường hợp này (hình 2-7), phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe cầu

giữa P z 2 và cầu sau P z 3 được xác định thông qua phản lực pháp tuyến tương đương P zt đặt tại tâm trục cân bằng với:

sử dụng them phương trình đàn hồi của hệ treo để khảo sát

2.3 Nội lực và momen nội lực Tổn thất công suất trong các cơ cấu

Lực (hoặc momen) tác dụng tương hỗ giữa các chi tiết của cơ cấu trên ô tô gọi là nội lực (hoặc momen nội lực) Nội lực hoặc momen nội lực khác với các loại lực đã khảo sát ở trên (xem mục 2.1) – đó là lực tác động tương hỗ giữa môi trường bên ngoài và ô tô

Lực hoặc momen nội lực có ảnh hưởng lớn tới đến điều kiện chuyển động của ô tô là

momen xoắn của động cơ, các lực cản trong động cơ, trong hệ thống truyền lực, trong phần vận hành Do có các nội lực (và momen nội lực) cản nên gây tổn thất công suất trong các cơ cấu Vì vậy, công suất để khắc phục các ngoại lực cản bị suy giảm

2.3.1 Công suất và momen xoắn động cơ

Công suất do động cơ sinh ra (công suất động cơ) là nguồn năng lượng nội lực thường được

ký hiệu là N e Một cách gần đúng, người ta thường coi N e phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ (n e) ứng với trạng thái toàn tải của động cơ Các yếu tố khác của động cơ được coi

là ở chế độ tối ưu, ta có:

N e=f(n e)

Trong thực tế, N e còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

- Mức độ cung cấp nhiên liệu (mức độ mở bướm ga, thanh răng, lượng phun nhiên liệu);

- Chất lượng và lượng cung cấp nhiên liệu

- Số vòng quay của trục khuỷu động cơ n e

Momen xoắn của động cơ (M e) cân bằng với momen sinh ra nội lực cản (trong động cơ và

trong hệ thống truyền lực) và momen sinh ra bởi ngoại lực cản chuyển động

Tương tự như N e , trị số của M e cũng phụ thuộc vào mức cung cấp nhiên liệu, số vòng quay trục khuỷu động cơ

Do vậy, khi tính toán người ta thường xác định công suất (N e) và momen xoắn M e động cơ,

căn cứ vào đường đặc tính ngoài của động cơ

2.3.2 Đường đặc tính ngoài của động cơ

Định nghĩa:

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa momen xoắn của động cơ M e (hoặc công suất động cơ N e

) và số vòng quay của trục khuỷu n e Khi cung cấp nhiên liệu ở mức lớn nhất được gọi là đường đặc tính vận tốc ngoài của động cơ và thường gọi tắt là đường đặc tính ngoài của động cơ (hình 2-8)

Đặc tính ngoài của động cơ cho các trị số lớn nhất của momen xoắn M e (hoặc công suất N e)

ở số vòng quay xác định

Các trị số nhỏ hơn của M e và N e có thể nhận được bằng cách giảm mức cung cấp nhiên liệu

Các đặc điểm của đường đặc tính là điểm công suất cực đại N emax ứng với số vòng quay n N

và điểm momen xoắn cực đại M emax ứng với số vòng quay n M

Khi tăng số vòng quay của động cơ lên quá số vòng quay n N, công suất của động cơ sẽ giảm.Nguyên nhân giảm công suất là do quá trình cháy của động cơ xấu đi, tổn thất công suất trong động cơ tăng lên và sự mài mòn các chi tiết trong động cơ cũng tăng Vì vậy, khi thiết

kế ô tô người ta mong muốn n emax (tương ứng với vận tốc v max của ô tô) khi xe chạy trên đường bằng, có lớp phủ mặt đường cứng (đường bê tông, đường nhựa khô) không vượt

quá số vòng quay n N từ (10 ÷ 20) % Để thực hiện mục đích đó, trên mỗi ô tô có sử dụng bộ

hạn chế số vòng quay của động cơ

Trên đường đặc tính, n emax là số vòng quay làm việc ổn định thấp nhất của động cơ