1.3 Giới thiệu về động học và động lực học của xe * Đặc tính công suất: Công suất là yêu cầu qua trong khi mua một chiếc xe, để phân tích, tính toán và xác định được các lực hoặc momen
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC , ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE
Các thông số cho trước của xe Thaco Ollin 720
Thaco Ollin 720 sử dụng động cơ diesel với các thông số như sau:
- Công suất cực đại: 132 (Ps)
- Momen xoắn cực đại: 400 (Nm)
- Tốc độ quay cực đại: 2600 (v/p)
- Kích thước tổng thể (DxRxC): 8040 x 2250 x 3270 (mm)
- Vệt bánh trước / sau: 1710 / 1630 (mm)
- Chiều dài 2 trục bánh xe: 4500 (mm)
- Khoảng sáng từ mặt đường đên điểm thấp nhất của xe: 200 (mm)
- Trọng lượng bản thân xe: 4175 (Kg)
- Trọng lượng toàn bộ: 11470 (Kg)
- Tỉ số truyền hộp số: 6.158 – 3.826 – 2.224 – 1.361 – 1 – 0.768
- Tỉ số truyền số lùi: 5.708
- Tỉ số truyền lực chính: 5.286
- Tốc độ tối đa: (90 km/h)
Đặc tính của động cơ đốt trong
Hay còn được hiểu nôm na là công suất mà động cơ có thể sinh ra trong điều kiện làm việc bình thường, nghiên cứu nó ta có thể xác định được lực và momen tác dụng lên các bánh xe chủ động của ô tô Đặc tính công suất của động cơ có ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của động cơ Đường đặc tính ngoài của động cơ được xây dựng nhờ công thức kinh nghiệm của S.R.Laydecman , công thức này có dạng như sau:
Với 𝑃 𝑒 , 𝑛 𝑒 – là công suất hữu ích ứng với số vòng quay của nó
𝑃 𝑒𝑚𝑎𝑥 , 𝑛 𝑒 𝑝 – là công suất hữu ích cực đại ứng với số vòng quay của nó a,b,c là các hệ số thực nghiệm trên từng loại động cơ của S.R.Laydecman
Khi đã biết 𝑃 𝑒 và 𝑛 𝑒 ta ta có thể tính được momen xoắn của động cơ theo công thức sau:
𝑃 𝑒 – Công suất của động cơ (kW)
𝑀 𝑒 – Momen xoắn của động cơ (Nm)
𝑛 𝑒 – Tốc độ góc của động cơ (v/ph)
Từ các công thức trên ta có được đồ thị sau:
Hình 2.1: Đồ thị đặc tính ngoài động cơ Thaco ollin
Xe có công suất lớn nhất của xe là 132 Ps tại 2600 v/p
Xe có momen xoắn lớn nhất là 400 N.m tại 1600 v/p
Các lực tác dụng lên ô tô
Khi chuyển động ô tô sẽ chịu các lực tác dụng sau:
Hình 2.2 : Sơ đồ các lực và momen tác dụng lên xe
G – Tải trọng của toàn bộ ô tô
𝐹 𝑓1 - Lực cản lăn ở các bánh xe phía trước vị trí trọng tâm
𝐹 𝑓2 - Lực cản lăn ở các bánh xe phía sau vị trí trọng tâm
𝐹 𝜔 – Lực cản do không khí và bề mặt xe gây nên khi chuyển động
𝐹 𝑖 – Lực cản khi xe leo lên các địa hình đồi núi
𝐹 𝑗 – Lực cản khí xe chuyển động bất ổn (khi có gia tốc)
𝐹 𝑚 – Lực cản do các rơ-moc tác dụng lên điểm đặt lực
𝑍 1 , 𝑍 2 – Phản lực vuông góc với đường ở các bánh xe trước vị trí trọng tâm và sau vị trí trọng tâm
𝑀 𝑓1 – Momen cản lăn các bánh xe phía trước vị trí trọng tâm
𝑀 𝑓2 – Momen cản lăn ở các bánh xe phía sau vị trí trọng tâm
𝛼 – Góc mà xe leo dốc
𝑟 𝑏 – Bán kính tính toán của bánh xe
ℎ 𝑔 – Chiều cao tại vị trí trong tâm của xe so với mặt đường
ℎ 𝑚 – Chiều cao tính từ vị trí đặt rơ-móc tới mặt đường
ℎ 𝜔 – Chiều cao từ điểm đặt lực cản không khí tới bề mặt đường
L – chiều dài giữa 2 trục bánh xe
𝑙 𝑚 – Khoảng các từ tâm bánh xe đến điểm đặt lực cản ở móc kéo
𝑀 𝑗1 , 𝑀 𝑗2 - Momen cản quán tính của bánh xe
Trên rất nhiều những chiếc xe đang lưu thông hiên nay có sơ đồ truyền lực như sau:
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống truyền lực trên ô tô
Khi ô tô di chuyển động năng quay vòng của ô tô từ động cơ sẽ đươc truyền qua ly hợp tới hộp số tiếp theo đó là trục các đăng tới bộ vi sai sau cuối cùng là tới bán trục và bánh xe chủ động Để xe di chuyển về phía trước thì lực đẩy từ động cơ truyền xuống bánh xe phải ngược hướng chuyển động của bánh xe Theo đó tại tâm điểm tiếp xúc giữa
14 bánh xe và mặt đường cũng sinh ra một phản lực có cùng độ lớn như lực đẩy và đó là lực kéo tiếp tuyến
Lực kéo tiếp tuyến được xác định như sau:
𝑖 𝑡 - là tỉ số truyền của hệ thống truyền lực
𝑟 𝑏 - là bán kính tính toán (bán kính làm việc trung bình) của bánh xe
𝑖 ℎ - là tỉ số truyền hộp số
𝑖 𝑝 - là tỉ số truyền hộp số phụ (nếu có)
𝑖 𝑜 - là tỉ số truyền của truyền lực chính
𝑖 𝑐 - là tỉ số truyền của truyền lực cạnh (truyền lực cuối cùng, nếu có)
Khi xe chuyển động lên dốc, trọng lương (G) của xe không hoàn toàn tác dụng xuống mặt đường mà một phần hình thành lực cản lại sự chuyển động của xe Ta xét theo sơ đồ lực hình 2.2, khi xe lên dốc thành phần lực tác dụng xuống mặt đường và gây nên các lực pháp tuyến ở bánh trước (𝑍 1 ) và bánh sau (𝑍 2 ) là 𝐺 𝑐𝑜𝑠 𝛼 Phần hình thành lực cản sự chuyển động của xe được gọi là lực cản lên dốc
Lực cản lên dốc được tính như sau:
𝐹 𝑖 = 𝐺 𝑠𝑖𝑛 𝛼 Độ dốc của mặt đường được thể hiện qua góc dốc 𝛼 hoặc độ dốc i với 𝑖 = 𝑡𝑔 𝛼 Nếu góc dốc 𝛼 quá nhỏ khoảng 𝛼 < 5 0 thì ta có thể coi 𝑖 = 𝑡𝑔 𝛼 = 𝑠𝑖𝑛 𝛼, vậy lực cản lên dốc có thể được tính như sau:
𝐹 𝑖 = 𝐺 𝑠𝑖𝑛 𝛼 = 𝐺𝑖 Khi xe xuống dốc, lực cản lên dốc 𝐹 𝑖 sẽ trở thành lực đẩy giúp xe chuyển động Vậy nên khi lên dốc 𝐹 𝑖 mang giá trị dương (+) vì lúc này 𝐹 𝑖 trở thành lực cản chuyển
15 động của xe, còn khi xuống dốc 𝐹 𝑖 mang giá trị âm (-) vì lức này 𝐹 𝑖 trở thành lực đẩy giúp xe chuyển động
Nó được hình thành do sự tiếp xúc giữa các bánh xe và mặt đường Khi ô tô di chuyển trên đường, lực cản lăn sẽ tác động lên bánh xe và làm giảm tốc độ di chuyển của ô tô Lực cản lăn phụ thuộc vào nhiều yếu tố một vài yếu tố chính được kể đến là tải trọng của ô tô, loại và độ trơn của lốp, độ dốc của đường và tốc độ di chuyển của ô tô
Lực cản lên lăn được tính như sau
𝐹 𝑓 = (𝑍 1 + 𝑍 2 )𝑓 = 𝑓 𝐺 𝑐𝑜𝑠 𝛼 Nếu xe di chuyển trên đoạn đường có mức dốc không đáng kể thì có thể coi như cos𝛼 = 1.0 thì ta có :
𝐹 𝑓 = 𝑓 𝐺 𝑐𝑜𝑠 𝛼 = 𝑓 𝐺 Ngoài ra ta còn có khái niệm về lực cản tổng cộng (𝐹 𝜓 ) của mặt đường tác dụng lên xe Lực cản tổng cộng là tổng của lực cản lăn (𝐹 𝑓 ) và lực cản lên dốc (𝐹 𝑖 ) nên được tính như sau:
Với 𝜓 là hệ số cản tổng cộng
Khi và chỉ khi góc dốc quá nhỏ (𝛼 < 5 0 )
Khi xe di chuyển các phân tử trong không khí sẽ va đập và ma sát vào xe tạo ra lực cản trở chuyển động của xe ta gọi nó là lực cản không khí Lực cản không khí được mô tả hễ hiểu qua hình dưới đây:
Hình 2.4 : Mình họa dễ hiều về lực cản không khí
Nguyên nhân lớn nhất hình thành lực cản không khí là dó hình dạng của xe (chiếm
80 ÷ 90%) Tiếp theo đó là ảnh hưởng do xoáy lốc (chiếm 10 ÷ 15%), cuối cùng là ảnh hưởng do ma sát giữa bề mặt xe và không khí (chiếm 4 ÷ 10%)
Lực cản không khí tác dụng lên xe ô tô có điểm đặt tại tâm của lực khí động học tác dụng lên ô tô và được tính như sau:
S – Diện tích cản gió của ô tô
𝐶 𝑥 – Hệ số cản không khí
𝜌 – Khối lượng riêng của không khí (kg/𝑚 2 ), ở nhiệt độ 25 0 C và áp suất không khí 0,1013 MPa thì 𝜌 = 1,25 kg/𝑚 2
𝑣 0 – Vận tốc tương đối giữa xe và không khí (m/s)
Khi xe di chuyển bất ổn ( phanh đột ngột hay tăng tốc tức thời) sẽ xuất hiện lực quán tính (𝐹 𝑗 ) do các bộ phận thực hiện chuyển động tịnh tiến của xe (khung xe , người điều khiển xe ,……) và các bộ phận thực hiện chuyển động quay (bánh xe, bánh đà, các đăng, )
Lực cản quán tính của xe được tính như sau:
𝑔𝑗 Với 𝛿 𝑖 là hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay
Nếu ở phía sau xe có kéo theo xe khác hoặc thứ gì khác có bánh xe thì nó cũng phải chịu các lực cản từ mặt đường tác dụng lên bánh xe, vì thế nếu xe đang keo theo thì chúng tạo ra lực cản sự chuyển động của xe Lực cản rơ móc (𝐹 𝑚 ) kéo đó được tính như sau:
𝐹 𝑚 = 𝑛𝑄𝜓 Với: n – Số lượng móc kéo theo
𝜓 – Hệ số cản tổng cộng của đường
2.3.7 Lực bám Để xe có thể di chuyển trên đường thì giữa bánh xe và mặt đường phải có độ bám nhất định, khi xe di chuyển bánh xe có thể lấy đó làm điểm tựa để đẩy xe đi Nếu lực bám quá nhỏ thì bánh xe có thể bị trượt quay như hình 2.5 (các bánh xe vẫn quay đều như xe di chuyển chậm hoặc không di chuyển) hoặc bị trượt lết như hình 2.6 (các bánh xe quay chậm hoặc đứng yên nhưng xe vẫn di chuyển nhanh)
Hình 2.5 : Xe đang bị trượt lăn
Hình 2.6: Xe đang bị trượt lết
Vậy lực bám nói đến khả năng bám của bánh xe với mặt đường ở điều kiện bình thường (không có trượt quay và trượt lết)
Lực bám được xác định như sau:
𝑍 𝑏 – Phản lực thẳng đứng từ mặt đường từ mặt đường tác dụng lên bánh xe
𝐺 𝑏 – Tải trọng tác dụng lên bánh xe
2.3.8 Lực phanh Đúng như tên gọi của nó lực phanh dùng để hãm lại sự chuyển động của xe Khi người lái tác dụng lực lên bàn đạp thắng, ở cơ cấu phanh tạo ra mômen cản chống lại sự chuyển động tịnh tiến của xe còn gọi là momen phanh 𝑀 𝑝 Điểm tiếp xúc giữa xe với mặt đường lúc này xuất hiện thêm một lực có chiều ngược với chiều lực kéo và cùng chiều lực cản
Xét xe chuyển động như hình 2.7 ta có:
Hình 2.7: Các lực tác dụng lên xe khi phanh trên đường ngang
Vì lực phanh lớn nhất tác để xe hoạt động ổn định bị giới hạn bởi lực bám, nên lực phanh sinh ra ở các bánh xe phía khoang hành khách và và phía khoang người lái là:
Cân bằng lực kéo trên ô tô
Ta có thể thấy khi xe di chuyển sẽ có nhiều lực cản tác dụng lên xe vậy nên lực kéo tiếp tuyến dùng để khắc phục các lực cản di chuyển của xe, giúp xe di chuyển trên đường Vậy phương trình cân bằng giữa lực kéo ở các bánh xe chủ động và lực cản được gọi là phương trình cân bằng lực kéo
Phương trình cân bằng lực kéo được tính như sau:
Từ đây ta có thể vẽ được đồ thị cân bằng lực kéo như sau:
Hình 2.8: Đồ thị cân bằng lực kéo của xe
Lực bám của xe là 61 KN
Lực kéo dư lớn nhất để xe có thể tăng tốc, lên dốc, vượt vật cản trên đường là
Vận tốc cực đại của xe mà tại đó lực kéo bằng các lực cản là 100km/h
2.5 Cân bằng công suất của xe
Từ cách tính lực tác dụng lên ô tô ta có thể tính được công suất tương ứng do lực đó sinh ra
- Công suất kéo ở các bánh xe chủ động 𝑃 𝑘
- Công suất cản lên dốc 𝑃 𝑖
- Công suất cản của không khí 𝑃 𝜔
- Công suất cản quán tính 𝑃 𝑗
- Công suất cản ở móc kéo 𝑃 𝑚
- Công suất cản tổng cộng từ mặt đường tác dụng lên xe 𝑃 𝜓 (Công suất tiêu tốn để xe có thể thắng lực cản từ mặt đường tác dụng lên xe)
Và cũng giống như phương trình cân bằng lực kéo ta có:
Ta có phương trình cân bằng công suất như sau:
Từ đây ta có thể thiết kế được đồ thị cân bằng công suất của xe như sau:
Hình 2.9: Đồ thị cân bằng công suất của xe
Công suất lực kéo lớn nhất của xe là 93.13 kW
Giới hạn vận tốc của xe mà tại đó công suất lực kéo bằng công suất cản là 100 km/h
Các đặc tính tăng tốc của xe
2.5.1 Gia tốc của xe Ở đây ta dùng phương trình cân bằng lực:
Ta xét trường hợp xe di chuyển trên đường bằng (𝛼 = 0 => 𝐹 𝑖 = 0) và không kéo theo rơ-móc (𝐹 𝑚 = 0), lúc đó ta có:
Ta có thể xây dựng được đồ thị đặc tính gia tốc của xe như sau:
Hình 2.10: Đặc tính gia tốc của xe
Xe tăng tốc có giá trị lớn nhất là 0.94 m/s 2 tại vận tốc độ là 3.4 m/s
Từ vận tốc 100 km/h trở đi xe không thể tăng tốc do các lực cản lớn hơn lực kéo
2.5.2 Quãng đường tăng tốc của xe
Từ mối quan hệ này ta có thể vẽ được đồ thi quãng đường tăng tốc như sau:
Hình 2.11: Đồ thị quãng đường tăng tốc
Nhận xét: Để xe có thể tăng tốc từ 0 đến 90 km/h thời gian tăng tốc của xe là 84s và quãng đường cần phải di chuyển là 1.5 cây số
Tính ổn định của ô tô
Để ô tô chuyển động ổn định trên quỹ đạo của người mà người lái yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động với các kiểu đường khác nhau đặc biệt kiểu đường của Việt Nam Tùy thuộc điều kiện sử dụng, ô tô có thể đứng yên, chuyển động trên đường dốc (đường có góc nghiêng dọc hoặc nghiêng ngang) có thể hãm bánh hoặc quay vòng ở các kiểu đường khác nhau (đường gồ ghề, đường bằng phẳng, đường sóng hình sin, đường lầy lội… )
Trong những điều kiện đó, ô tô phải giữ được quỹ đạo của nó sao cho không bị lật đổ, không bị trượt hoặc thùng xe không bị nghiêng, trục xe bị quay lệch trong giá trị cho phép để đảm bảo chúng chuyển động không bị xảy ra sự cố, đẩy mạnh tốc độ di chuyển của xe có nghĩa là tăng giá trị của xe trong mặt khách hàng và tính ổn định của ô tô trong mọi kiểu đường đặc biệt các kiểu đường của Việt Nam
2.6.1 Tính ổn định dọc tĩnh Ở đây ta xét ô tô đang đứng yên trên đường có độ dốc (𝛼) như sau
Hình 2.12: Sơ đồ lực và momen khi xe đứng yên trên đường dốc
- Xét ổn định theo điều kiện lật đổ
Xét xe đậu quay đầu lên dốc (hình 2.12a )
Sử dụng phương trình momen đối với điểm 𝑂 2 ta có:
ℎ 𝑔 Xét xe quay đầu xuống dốc (hình 2.12b)
Lập phương trình momen đối với điểm 𝑂 1 ta có:
ℎ 𝑔 Nhận xét: Ở đây ta có thể thấy góc dốc mà tại đó xe có dấu hiệu lật đổ tĩnh chỉ phụ thuộc vào vị trí trọng tâm xe
- Xét ổn định theo điều kiện trượt:
• Xét xe đang đứng yên và phanh trên đường dốc cầu chủ động phanh Khi xe quay đầu lên dốc, ta sử dụng công thức sau:
26 Khi xe quay đầu xuống dốc, ta sử dụng công thức sau:
• Xét xe sử dụng phanh ở cả 2 cầu chủ động và bị động: Điều kiện để ô tô trên dốc bị trượt như sau:
𝑡𝑔𝛼 𝑡𝜑 = 𝑡𝑔𝛼′ 𝑡𝜑 = 𝜑 Thực tế để tăng tính thận trọng cho xe đứng yên trên đường dốc thì quá trình trượt phải xảy ra trước quá trình lật đổ:
=> 𝑡𝑔𝛼 𝑡𝜑 < 𝑡𝑔𝛼 𝑡 Vậy để xe có thể đứng trên dốc mà không xảy ra tình trạng trượt hay ngã đổ đều phụ thuộc hoàn toàn vào vị trí trọng tâm của xe
2.6.2 Tính ổn định dọc động
Khi di chuyển trên đường dốc xe có thể ngã đổ hay bánh xe mất tiếp xúc với mặt đường dưới tác dụng của các lực và momen hoặc khi chuyển động ở tốc độ cao trên đường cao tốc được trải nhựa Xét xe chuyển động không ổn định lên dốc
- Xét xe chuyển động bất ổn khi lên dốc
Ta xét trường hợp xe chuyển động ổn định trên dốc (𝐹 𝑗 = 0) và không kéo theo gì cả (𝐹 𝑚 = 0), ta có thể coi cos 𝛼 =1 vì 𝛼 nhỏ (𝛼 < 5 0 )
Rút gọn biểu thức tính 𝑍 1 với các giá trị ta xét, ta được góc dốc giới hạn khi xe bị lật đổ:
- Xét xe chuyển động lên dốc với vận tốc nhỏ , chuyển động ổn định và không kéo theo rơ-móc
Ta có : 𝐹 𝑗 = 0, 𝐹 𝑚 = 0, 𝐹 𝜔 ≈ 0, 𝐹 𝑓 ≈ 0 (vì xe chuyển động với vận tốc nhỏ nên lực cản lăn và lực cản không khí có thể được bỏ qua)
• Xét xe theo điều khiện lật đổ :
Khi xe quay đầu lên dốc, ta sử dụng công thức sau:
ℎ 𝑔 Khi xe quay đầu lên dốc, ta sử dụng công thức sau:
• Xét ổn định theo điều kiện trượt
Ta xác định được góc dốc giới hạn mà xe bị trượt:
𝐿 − 𝜑ℎ 𝑔 Đểm đảm bảo điều kiện cho ô tô trượt trước khi bị ngã đổ là : 𝑡𝑔𝛼 𝜑đ < 𝑡𝑔𝛼 đ
- Xét xe chuyển động lên dốc có kéo theo rơ-móc chuyển động ổn định với vận tốc nhỏ
Ta có : 𝐹 𝑗 = 0, 𝐹 𝜔 ≈ 0, 𝐹 𝑓 ≈ 0 (vì xe chuyển động với vận tốc nhỏ nên lực cản lăn và lực cản không khí có thể được bỏ qua)
• Xét ổn định theo điều kiện lật đổ:
Ta có góc dốc mà tại đó xe ngã đổ trên đường:
• Xét ổn định theo điều kiện trượt:
Ta có góc dốc mà tại đó bánh xe tiếp xúc với mặt đường nhưng chưa bị ngã đổ:
- Xe chuyển động với vận tốc cao trên đường bằng và không kéo theo rơ- móc
Ta có tốc độ tối đa khi xe bị lật đổ như sau:
𝑣 𝑛 - Vận tốc giới hạn mà xe bị lật đổ (m/s)
W – Nhân tố cản không khí
Với 𝑣 𝑛 có đơn vị km/h
2.6.3 Tính ổn định ngang của ô tô
- Các lực và momen tác dụng lên ô tô khi quay vòng trên đường nghiêng ngang
Hình 2.13: Sơ đồ các lực và moment tác dụng lên xe khí xe di chuyển quay vòng trên đường nghiêng ngang
Ta giả thuyết rằng vết của bánh xe phía trước vị trí trọng tâm và sau vị trí trọng tâm trùng nhau, trọng tâm của xe nằm đối xứng giữa hai vết bánh xe Các lực tác dụng lên xe gồm:
G – Trọng lượng toàn bộ của ô tô và được lượng giác theo góc nghiêng ngang 𝛽
𝑀 𝑗𝑛 - Moment của các lực quán tính của các phần quay của động cơ và hệ thống truyền lực
𝐹 𝑙 =𝐺𝑣 2 𝑔𝑅 Với : v- Vận tốc di chuyển xe tải
R- Bán kính quay vòng xe tải g- Gia tốc trọng trường
𝑍′ 1 , 𝑍′′ 1 và 𝑍′ 2 , 𝑍′′ 2 - Các phản lực theo phương vuông góc với mặt đường ở cầu trước và cầu sau của các bánh nằm bên khoang người lái và khoang hành khác
𝑌′ 1 , 𝑌′′ 1 và 𝑌′ 2 , 𝑌′′ 2 - Các phản lực song song với mắt đường ở cầu trước và cầu sau của các bánh nằm bên khoang người lái và khoang hành khác c- Chiều rộng thiết kế xe tải
YY – Trục quay vòng xe tải
𝛽- Góc của mặt đường từ bên ngoài hương vào trục quay vòng
Sử dụng phương trình momen để xác định phản lực pháp tuyến của các bánh xe ở bên khoang người lái với đường thẳng đi qua hai điểm với các bánh xe đó (điểm A)
Sử dụng phương trình momen để xác định phản lực pháp tuyến của các bánh xe ở bên khoang hành khách với đường thẳng đi qua hai điểm với các bánh xe đó (điểm B)
Sử dụng phương trình momen để xác định phản lực ngang của các bánh xe ở cầu ở sau tọa độ trọng tâm với đường thẳng đi qua hai điểm với các bánh xe đó (điểm O2)
Sử dụng phương trình momen để xác định phản lực ngang của các bánh xe ở cầu ở trước tọa độ trọng tâm với đường thẳng đi qua hai điểm với các bánh xe đó (điểm O1)
𝑌 1 - Phản lực ngang do mặt đường tác dụng lên các bánh xe nằm ở phía trước tọa độ trọng tâm xe tải
𝑌 2 - Phản lực ngang do mặt đường tác dụng lên các bánh xe nằm ở phía sau tọa độ trọng tâm tải
𝑙 𝑚 - Chiều dài từ điểm chịu lực đến đến lực kéo do xe phải chịu tải đến từ rơ-moc đến điểm O2
- Xét chuyển động thẳng trên đường nghiêng ngang
Hình 2.14: Sơ đồ các lực và moment tác dụng lên xe khi xe chuyển động thẳng trên đường nghiêng ngang
• Xét theo điều kiện lật đổ:
Ta có góc giới hạn mà tại đó xe chuyển động trên đường có góc nghiêng hướng vào bán kính quay bị lật đổ là:
• Xét theo điều kiên trượt:
Ta có góc góc giới hạn mà tại đó xe chuyển động trên đường có góc nghiêng hướng vào bán kính quay bị trượt là:
Sự trượt của xe phải diễn ra trước điều kiện lật để đảm bảo tính ổn định của xe:
- Xét xe chuyển động quay vòng trên đường nghiêng ngang
Bỏ qua các yếu tố tác động bên ngoài (lực gió, vật cản có trên đường), của xe ta chỉ cần xét các lực sau: lực ly tâm 𝐹 𝑙 , trọng lượng toàn bộ của xe G và lực kéo móc 𝐹 𝑚 (nếu có)
• Xét theo điều kiện lật đổ:
❖ Trường hợp xe nghiêng ra ngoài
Ta có thể xác định được vận tốc khi dốc nghiêng hướng ra ngoài bán kính quay vòng mà tại đó khi xe quay vòng bị ngã đổ như sau:
Hình 2.15 : Sơ đồ các lực và momen tác dụng lên xe khi xe chuyển động quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài
❖ Trường hợp xe nghiêng vào trong
Ta có vận tốc khi dốc nghiêng hướng vào trong bán kính quay vòng mà tại đó khi xe quay vòng bị ngã đổ như sau:
Hình 2.16 : Sơ đồ các lực và moment tác dụng lên xe khi xe chuyển động quay vòng trên đường nghiêng ngang vào trong
❖ Trường hợp xe nằm ngang
Hình 2.17 : Sơ đồ các lực và moment tác dụng lên xe khi xe chuyển động quay vòng trên đường ngang
Lúc này vận tốc mà tại đó xe nằm trên đường ngang khi xe quay vòng bị ngã đổ là:
Ta chọn gia tốc trọng trường g = 10 m/𝑠 2
Vậy tốc độ tối đa để xe Thaco Ollin 720 đời 2019 bị ngã đổ khi di chuyển quay vòng trên đường ngang là:
• Xét theo điều kiện trượt:
35 Khi quay vòng trên đường nghiêng ngang xe có thể bị trượt dưới sự tác dụng của các thành phần lực: Gsin 𝛽 và 𝐹 𝑙 𝑐𝑜𝑠𝛽
❖ Khi xe quay vòng trên đường nghiêng ngang ra ngoài:
Ta có vân tốc giới hạn mà tại đó khi xe di chuyển trên đường góc nghiêng ngang hướng vào ra ngoài trục quay vòng bị trượt là:
❖ Khi xe quay vòng trên đường nghiêng ngang vào trong:
Ta có vân tốc giới hạn mà tại đó khi xe di chuyển trên đường góc nghiêng ngang hướng vào vào trong trục quay vòng bị trượt là:
❖ Khi xe góc nghiêng ngang bằng không
Ta có vân tốc mà tại đó xe di chuyển trên đường có góc nghiêng bằng không (𝛼 0) bị trượt như sau:
𝛽 𝜑 - Góc nghiêng ngang của đường khi xe quay vòng bị trượt
𝜑 𝑦 - Hệ số bám ngang của mặt đường và bánh xe
Ta chọn gia tốc trọng trường g = 10 m/𝑠 2
Vậy tốc độ tối đa để xe Thaco Ollin 720 đời 2019 bị trượt khi di chuyển quay vòng trên đường ngang là:
Nhận xét : Vậy ta có thể thấy góc nghiêng cực hạn của xe và vận tốc mà tại đó xe bị lật đổ hoặc sự tiếp xúc của bánh xe và mặt đường nhỏ hơn không phụ thuộc vào vị trí trọng tâm, bán kính quay vòng và hệ số bám ngang của bánh xe với mặt đường
CÁC XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN XE TRONG TƯƠNG LAI
Các phương án
3.1.1 Tăng khả năng chịu tải của xe Đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng cũng như các nhà sản suất xe tải và bán tải , tải trọng của xe luôn được đặt lên hàng đầu ở các phần khúc giá nên việc tăng khả năng chịu tải của xe là một phương án hữu hiệu giúp tăng tính cạnh tranh trên thị trường hiện nay
Tăng khả năng chịu tải của xe nhằm nhắm giúp cho tài xế có thể chở được nhiều hàng hóa hơn giúp tiết kiệm thời gian, công sức và tiền bạc khi làm việc và tăng năng suất làm việc
Có rất nhiều cách để tăng tải trọng xe nhưng hầu hết chúng sẽ làm biến dạng xe và làm mất tính ổn định của xe Vậy nên ở đâu ta sẽ có nhưng yêu cầu để có thể tăng khả năng chịu tải của xe
Xe chở được tải trọng tối đa là 9100 kg
Không tính đến hiệu suất phanh
Vẫn giữ nguyên hình dạng của xe
Vẫn đảm bảo các điều kiện an toàn và di chuyển ổn định
Tốc độ tối đa của xe là 90 km/h
- Các phương pháp để tăng tải trọng của xe
+ Thêm tăng số lượng bánh xe để có thể chịu được tải trọng 13100kg
+ Tăng công suất động cơ Ở phần này chúng ta chỉ quan tâm đến việc tăng tải trọng của xe một cách hợp lý, không tính đến độ bền của các chi tiết cũng như vẫn giữ nguyên thể tích thùng xe
3.1.2 Tăng tốc độ tối đa của xe
Vận chuyển hàng hóa trong một thời gian ngắn đang trở thành yêu cầu ngày càng cấp thiết, nhất là trong thời kì dịch bệnh hoành hành nhu cầu vận chuyển hàng hóa cùng
43 với đó được đẩy lên cao, cùng với đó cơ sở hạ tầng của nước ta ngày càng phát triển, nâng cao tính cạnh tranh của doanh nghiệp trong thị trường, đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng ngày càng cao của khách hàng, giảm thiểu chi phí thu mua hàng hóa Để đáp ứng những yêu cầu trên, nâng cao tốc độ cho xe là một biện pháp đáng được xem xét nhưng phải phù hợp với địa lý việt nam, vì tốc độ tối đa cho phép trên đường là 120km/h (đường cao tốc) , để tận dụng tốt điều này ta có các yêu cầu sau:
+ Tốc độ tối đa của xe được nâng lên thành 110km/h
+ Ô tô di chuyển ổn định với khối lượng tối đa
+ Vẫn đảm bảo tính ổn định của xe
- Các phương pháp để tăng tốc độ xe
+ Lắp đặt động cơ mới
+ Thiết kế lại tỉ số truyền hộp số Ở đây chỉ đề cập đến việc tăng tốc độ xe không bao hàm kiểm nghiệm bền hay khung xe với giả thiết khung xe có thể lắp đặt được động cơ khác mà không gặp tổn hại
3.1.3 Tăng khả năng leo dốc của xe
Tính khả dụng của xe di chuyển trên nhiều địa hình đặc biệt là địa có độ dốc cao đang là một trong những tiêu chí hàng đầu của khách hàng khi mua xe vì địa hình của Việt Nam nhất là khi di chuyển vào những cùng sâu vùng xa và vùng đồi núi (như Gia Lai, Lâm Đồng…)
Cải thiện khả năng leo dốc cho xe khi di chuyển trên địa hình đồi núi không chỉ thỏa mãn nhu cầu của khách hàng tăng khả năng cơ động của xe mà còn tăng khả năng cạnh tranh của xe đối với các dòng xe có cùng phân khúc mà còn đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng hóa vào vùng sâu vùng xa, với dòng rất khó khăn để tới được
+ Góc dốc tối đa có thể leo là 20 o
+ Xe di chuyển trên đường tốt
+ Đảm bảo tính ổn định của xe
- Các phương pháp để tăng khả năng leo dốc của xe
44 +Thiết kê lại hộp số có tỉ số truyền lớn hơn nhằm tăng momen
+Tăng công suất động cơ
+Chở những vật có trọng lượng lớn nhưng không quá to nhằm hạ thấp trọng tâm xe Ở đây ta chỉ tăng khả năng leo dốc của xe và không tính đến kiểm nghiệm bền hay kết cấu của xe
3.1.4 Tăng khả năng cơ động của xe
Khi xe di chuyển trên đường (ở việt nam) sợ nhất là khi mắc phải những vũng lầy hoặc phải di chuyển khi trời đang mưa to hoặc đi vào những nơi có độ bám kém mà tắc đường cũng là những lý do để người Việt ít sở hữu xe hơi cho dù việc mua một chiếc xe hơi thuận tiện lợi cho họ Vậy nên ta tăng tính cơ động của xe là điều cần phải khắc phục ,để khắc phục điều này ta có những biên pháp sau những biện pháp sau:
+ Tăng tính cơ động của xe
+ Xe di chuyển tốt được trên các cũng đường có hệ số bám thấp
+ Đảm bảo tính ổn định của xe
- Các phương án để tăng tính cơ động của xe:
+ Thêm một hộp số phụ vào xe, biến từ xe 2WD thành xe 4WD
+ Thêm một cầu chủ động cho xe
+ Thiết kế vỏ xe có hệ số bám tốt Ở đây ta chỉ tăng khả năng cơ động của xe, không tính đến tính kinh tế của xe hay gầm xe.
Tính khả thi của các phương án đó
3.2.1 Tăng khả năng chịu tải của xe
Sau khi mô phỏng tăng khả năng chịu tải trên ô tô ta có những kết quả sau:
Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn lực kéo
Hình 3.2 : Đồ thị biểu diễn gia tốc
Hình 3.3: Đồ thị quãng đường tăng tốc
Hình 3.4: Đồ thị thời gian tăng tốc khi xe tăng tải trọng
Trên phần mềm matlab chỉ ra rằng: khi tăng tải trọng lên xe vẫn đạt được các giá trị tối đa về tốc độ, hình dạng của xe được đảm bảo nguyên dạng về kích thước của nó tuy nhiên thời gian tăng tốc tăng, quãng đường tăng tốc của xe tăng do phải chịu thêm tải trọng
Hình 3.5 :Mô Phỏng trên Carsim Đến với carsim ta thấy được xe có dấu hiệu bị lật khi đang phanh Hiện tượng này là do khả năng chịu tải tối đa của các bánh xe trước vị trí trọng tâm và sau vị trí trọng tâm của xe thấp hơn so với phân bố tải trọng của xe tới từng cầu Trong thực tế nếu chỉ số tải trọng bánh xe không thể đáp ứng được tải trọng của xe, lốp xe bị biến dạng dẫn tới vỡ lốp, đặc biệt hơn khi xe phanh gấp hoặc tăng tốc tức thời lốp không chỉ vỡ mà còn có thể lật xe Điều này là rất nguy hiểm cho người lái và cả các xe xung quanh khi đang di chuyển trên đường
Từ đây ta có những thương án để cải thiện tình trạng này như sau:
- Thêm một cầu chủ động cho xe:
Hình 3.6: Sơ đồ cầu chủ động của xe
- Thiết kế lại bánh xe
Hình 3.7: Kích thước lốp xe
Hình 3.8 : Phản lực pháp tuyến tác dụng lên các bánh xe
Qua đồ thị phản lực pháp tuyến ở các bánh xe trước vị trí trọng tâm và sau vị trí trọng tâm ta thấy các bánh xe không có khả năng chịu được phân bố tải trọng từ trọng lượng xe Để khắc phục thực trạng trên một số 2 phương án khả thi được đưa ra nhằm tăng khả năng chịu tải của các bánh xe một là thiết kế thêm một cầu gồm có bốn bánh, phương án thứ 2 đó là tái thiết kế lại lốp, khi đó ta có được các kết quả trên carsim như sau:
Hình 3.9: Mô phỏng xe chuyển động sau khi thay lốp
Hình 3.10: Đồ thị phản lực tại các bánh xe
Mô phỏng xe chạy trên đường vơi các khúc cua có bán kính R = 40m , suy ra tốc độ tối đa khi lật đổ và khi trượt là:
Vận tốc tối đa khi lật đổ:
2.1,510.40 = 16.7 m/s= 60 km/h Vận tốc tối đa khi trượt:
Qua ảnh mô phỏng ta có thể thấy dù tải trọng có tăng lên từ 7100kg lên 9100kg thì xe vẫn chuyển động ổn định và an toàn ngay cả khi xe còn đang vào cua Sau khi thiết kế lại bánh xe khả năng chịu tải của bánh xe đã được cải tiến, xe không còn hiện tượng lật khi khi đang giảm tốc độ Ở đồ thị này xe vẫn đảm bảo tính ổn đinh theo điều kiện lật đổ, có thể thấy các bánh xe vẫn luôn tiếp xúc với mặt đường (thỏa mãn điều kiện lật đổ) dùng có đi trên đường nhiều góc cua và khúc khuỷu
Hình 3.11: Đồ Thị tốc độ của xe
Ngoài ra xe còn đảm bảo tính ổn định theo điều kiện trượt của xe, như ta có thể thấy ở đồ thị này tốc độ của xe luôn lớn hơn 0 ( thỏa mãn điều kiện trượt)
Nhận xét: Khi sử dụng phương án thiết kế lại lốp thì xe vẫn đảm bảo phương trình lực kéo và điều kiện để xe di chuyển trên đường cùng với đó là vẫn đảm bảo được tính ổn định của xe Từ đó nâng giá thành và giá trị sử dụng của xe
3.2.2 Tăng khả năng cơ động của xe
Qua các tính toán trên matlab ta có thể thấy:
Khi đi trên đường có hệ số bám thấp (0.1 – 0.2) lực bám của xe giảm khiến cho bánh xe bị trượt quay khi đang di chuyển, điều này ảnh hưởng không tốt đối với trường hợp xe một cầu chủ động bị mắc lầy hoặc trên đường sỏi đá
Hình 3.12: Đồ thị cân bằng lực kéo của xe 1 cầu chủ động Ở xe một cầu chủ động khi đi trên đường có hệ số bám thấp xe lực kéo dư để xe tăng tốc bị giảm đi do lực bám đã bị giảm Để khắc phụ điều này ta cần phải tận dụng triệt để lực bám của xe vì xe một cầu chủ động chỉ sử dụng lực bám ở bánh sau để tạo điểm tựa giúp xe di chuyển
Vậy để tối ưu lực bám ta sẽ biến xe thành xe hai cầu chủ động Qua các tính toán trên phần mềm Matlab ta có được kết quả sau:
Hình 3.13: Đồ thị cân bằng lực kéo của xe 2 cầu chủ động
54 Khi xe 2 cầu chủ động lực bám của xe tăng, tính cơ động của xe tăng lên khi di chuyển trên những đoạn cần khả năng tăng tốc vượt trội Phương án biến xe từ cầu sau chủ động thành xe hai cầu chủ động đã có hiệu quả Vậy để biến xe từ một cầu chủ động thành xe hai cầu chủ động ta sẽ thêm hộp số phụ cho xe Hộp số phụ được thiết kế như sau:
Hình 3.14: Hộp số phụ của xe
Thông số của hộp số phụ như sau:
Hình 3.14 Hộp số phân phối hai cấp gài cầu trước không thường xuyên
55 2H: SC → Z1 → I→ TC1 ips = 1 4L cầu sau: SC → Z1 → Z2 → TG → Z3 → Z4 → I → TC1
20= 1,36 4L cầu trước: SC → Z1 → Z2 → TG → Z3 → Z4 → I → TC1 → II → Z5→ Xích → Z6
25= 1,36 4H cầu sau: SC → I → TC1 → Cầu sau
𝑖 𝑝𝑠 = 1 4H cầu trước: SC → I → TC1 → II → Z5 → Z6 → Cầu trước
Mô phỏng trên carsim cho thấy xe 2 cầu chủ động có khả năng cơ động tốt hơn trên đường trơn trượt:
Hình 3.15: Mô phỏng trên carsim (xe xanh 2 cầu chủ động , xe tím cầu sau chủ động)
Hình 3.16: Momen cầu sau của xe một cầu chủ động và xe 2 cầu chủ động
Tại cầu sau của 2 xe, trong khoảng thời gian xe tăng tốc (0-8 giây) để vượt qua đường có hệ số bám thấp momen cầu sau của 2 xe là bằng nhau khi đang chuyển động trên đường có hệ số bám thấp
Hình 3.17: Momen cầu trước của xe một cầu chủ động và xe 2 cầu chủ động
Tại cầu trước của 2 xe, trong khoảng thời gian xe tăng tốc (0-6 giây) để vượt qua đường có hệ số bám thấp momen cầu trước của xe hai cầu chủ động lớn hơn momen cầu trước một cầu chủ động Điều này được lý giải là do xe 2 cầu chủ động có hộp phân phối nên đường
57 truyền công suất không những phân bố đến cầu sau mà còn được truyền đến cho cầu trước Qua đó lực bám của xe được tăng lên tính cơ động của xe có thể tăng lên khi di chuyển trên đoạn đường sình lầy, đường có hệ số bám thấp Ở đây ta có thể thấy rằng xe đã có tính cơ động tốt hơn khi di chuyển trên đường có hệ số bám thấp cũng như tính ổn định của xe đã được nâng cao hơn đáng kể khi so với xe 1 cầu chủ động
Nhận xét: Khi thêm hộp số phụ cho động cơ tính cơ động của xe được tăng lên , di chuyển tốt trên đường có hệ số bám thấp
3.2.3 Tăng khả tốc độ tối đa của xe Ở đây có nhiều người nghĩ rằng chỉ cần vặn thêm gas hoặc chỉnh cho động cơ chạy nhanh hơn (tốn nhiên liệu hơn) xong nhưng không, nếu ta cố chấp vặn gas xe sẽ không thể đạt được tốc độ như mòng muốn vì lúc này lực cản khi xe di chuyển sẽ tăng lên nên lúc này lực kéo từ động cơ sẽ không đủ để xe di chuyển Tính toán trên Matlab đã chứng minh điều này
Hình 3.18: Đồ thị cân bằng lực kéo của xe
Vì thế ta chọn phương án lắp đặt động cơ mới có công suất cực đại 152psi và tốc độ quay cực đại 2500v/p, một động cơ đãng được nhà sản xuất Thaco sử dụng trong một số mẫu xe của mình, đông cơ này có đường đặc tính công suất như sau:
Hình 3.19: Đồ thị đặc tính ngoài động cơ
