Giáo trình ô tô 1 - Chương 5 ppt

80 CHƯƠNG 5 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC Ô TÔ Mục tiêu: Sau khi học xong chương này các sinh viên có khả năng: 1. Xác định được công suất danh định của động cơ theo phương pháp lựa chọn thực nghiệm và tính tốn. 2. Tính tốn được tỉ số truyền cực đại và cực tiểu của hệ thống truyền lực. 3. Xác định được tỉ số truyền ở số một của hộp số. 4. Trình bày được phương pháp phân phối tỉ số truyền theo cấp số nhân. 5. Trình bày được phương pháp phân phối tỉ số truyền theo cấp số điều hòa. 6. Xác định được tỉ số truyền của truyền lực chính. 81 5.1. XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT DANH ĐỊNH CỦA ĐỘNG CƠ THEO PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TỐN: 5.1.1. Phương pháp lựa chọn công suất của động cơ bằng thực nghiệm: Theo kinh nghiệm thì công suất động cơ được chọn theo hai chỉ số sau đây: + Công suất khối lượng : m P emax (kW/tấn) (5.1) + Khối lượng công suất : emax P m (kg/kW) (5.2) Ở đây: P emax – Công suất cực đại của động cơ (kW). m – Khối lượng tồn bộ của xe (kg). Qua thực nghiệm chúng ta có bảng sau: Loại xe m P emax (kW/tấn) emax P m (kg/kW) Du lịch 17 ÷ 65 15 ÷ 60 Xe tải 8 ÷ 12 80 ÷ 125 Xe bus 8 ÷ 12 80 ÷ 125 Xe địa hình 8 ÷ 15 70 ÷ 125 5.1.2. Phương pháp lựa chọn công suất của động cơ bằng tính tốn : Công suất cần thiết của động cơ được tính tốn dựa vào các thông số động lực học theo yêu cầu cho trước như là: +Lực chủ động riêng yêu cầu của xe [F r ] ứng với một vận tốc yêu cầu [v] nào đó. Thông số này thể hiện yêu cầu về sức kéo của ôtô. + Độ dốc yêu cầu [i]. + Gia tốc yêu cầu [j]. 5.1.2.1. Tính tốn theo lực chủ động riêng yêu cầu của xe [F r ] ứng với một vận tốc yêu cầu[v]: Cơ sở để tính tốn là dựa vào phương trình cân bằng lực kéo của ô tô khi xe chuyển động ổn định trên đường nằm ngang và không kéo rơmoóc : F k = F f + F  max (5.3) Ở đây: F k – Lực kéo tiếp tuyến ( lực chủ động ở các bánh xe ) của ô tô. F f – Lực cản lăn. F  - Lực cản không khí. Khi đường nằm ngang ( = 0) và xe đạt vận tốc cực đại thì ta có: 82 F f = G.f F  max = 0,625C x S 2 0max v Trong đó: G – Trọng lượng tồn bộ của ô tô. v 0 – Vận tốc tương đối giữa xe và không khí: v o = v  v g . v – Vận tốc của ô tô. v g – Vận tốc của gió. Khi v = v max thì v g khá nhỏ so với v max nên ta có thể tính gần đúng : v 0max  v max , bởi vậy : F  max = 0,625C x S 2 max v Thay các giá trị F f và F  max vào (5.3) ta có : F k = G.f+ 0,625C x S 2 max v (5.4) Ở đây chúng ta sẽ đưa ra hai khái niệm mới: - Lực chủ động của xe F : F = F k – F  = F k – 0,625C x S 2 v - Lực chủ động riêng của xe: F r = G FF G F ωk   = F kr – F  r Vậy lực chủ động riêng yêu cầu của xe sẽ là: [F r ] = G 1 ( [F k ] – 0,625C x S[ 2 v ]) (5.5) Suy ra lực chủ động yêu cầu ở bánh xe là: [F k ] = G( [F r ] + G 1 0,625C x S[ 2 v ]) (5.6) Lúc đó công kéo yêu cầu ở các bánh xe là: [P k ] = [F k ] .[v] Công suất hữu ích của động cơ được xác định: P e = η P k = η .vF k Do đó xác định được công suất yêu cầu của động cơ: [ P e ] = η ][P k Từ đó xác định được công suất danh định ( công suất thiết kế ) của động cơ là [P ed ]: [P ed ]= d e η ][P =   d k d k η.η .vF η.η P  (5.7) Ở đây :  – Hiệu suất của hệ thống truyền lực.  d – Hệ số sử dụng công suất của động cơ. 83 5.1.2.2. Tính tốn theo độ dốc yêu cầu [i]: Độ dốc mà xe vượt qua được ở một tay số nào đó hoặc ứng với một vận tốc nào đó là một chỉ tiêu quan trọng tiếp theo của ô tô, nhằm biểu thị tính chất động lực học của xe. Khi xác định thông số này, chúng ta tạm thời không cân nhắc đến khả năng bám của xe với mặt đường, cho nên đây chỉ là độ dốc lý thuyết có được ứng với lực kéo F k hoặc lực chủ độâng riêng của xe F r được xác định từ đặc tính ngồi của động cơ. Độ dốc được xác định trong trường hợp xe chuyển động đều ( F j = 0), không kéo rơmoóc ( F m =0 ) và khi lên dốc vận tốc xe khá nhỏ nên có thể coi F  = 0. Lúc này phương trình cân bằng lực kéo của xe sẽ là: F k = F f + F i = Gf.cos + Gsin (5.8) Với: cos = ][i1 1 αtg1 1 22    (5.9) sin = 2 2 tg α [i] 1 tg α 1 [i ]    (5.10) tg =[i] – Độ dốc yêu cầu Nếu  khá nhỏ, có thể coi cos  1, sin  tg  i, lúc đó ta có : F k = Gf + Gi (5.11) Thay (5.9) và (5.10) vào (5.8), ta nhận được lực chủ động yêu cầu ở các bánh xe sẽ là: [F k ] = G                       ][i1 [i]f G ][i1 [i] ][i1 f 222 (5.12) Nếu  khá nhỏ thì : [F k ] = G( f + [i] ) (5.13) Công suất kéo yêu cầu ở các bánh xe là : [P k ] = [F k ] .[v] Công suất yêu cầu của động cơ là: [P e ]= η ][P k Trong trường hợp này , công suất danh định của động cơ là [P ed ]: [P ed ]= d e η ][P = d k d k η.η ].[v][F η.η ][P  (5.14) 84 5.1.2.3. Tính tốn theo gia tốc yêu cầu [j]: Chúng ta xét một ô tô có khối lượng m, diện tích cản gió chính diện là S, hệ số cản không khí là C x , chuyển động trên đường với góc dốc , hệ số cản lăn f, ô tô chịu tác dụng bởi lực kéo tại các bánh xe chủ động là F k . Khi giải quyết bài tốn này, ta vẫn sử dụng phương trình cân bằng lực kéo, trong đó lực cản quán tính được tính thông qua gia tốc yêu cầu [j]. Ở trường hợp này ta xét xe chuyển động trên đường nằm ngang ( F j = 0 ), không kéo rơmoóc ( F m = 0 ) và do xe đang tăng tốc, nên vận tốc của nó không lớn lắm, bởi vậy có thể coi F   0, lúc này ta có : F k = F f + F j (5.15) = G.f +m.j. i = m(g.f + j. i ) (5.16) Bởi vậy lực kéo chủ động yêu cầu ở các bánh xe là: [F k ] = m(g.f + [j]. i ) (5.17) Sau khi có giá trị [F k ], chúng ta sẽ xác định được công suất danh định của động cơ [P ed ] như phần trước : [P k ] = [F k ] .[v] = m(g.f + [j]. i )[v] [P e ] = η ][P k [P ed ]= d e η ][P = d k d k η.η ].[v][F η.η ][P  (5.18) 5.2. XÁC ĐỊNH TỈ SỐ TRUYỀN CỰC ĐẠI VÀ CỰC TIỂU CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC: 5.2.1. Xác định tỉ số truyền cực tiểu i t min : Giả thiết rằng xe chuyển động không trượt, lúc đó v = v o =  b .r b và ta có: v =  b .r b = b t e .r i ω (5.19) Vận tốc đạt giá trị cực đại khi  e =  emax và i t = i t min , tức là : b tmin emax max .r i ω v  (5.20) Suy ra: i t min = b max emax .r v ω (5.21) Ở đây: i t – Tỉ số truyền của hệ thống truyền lực. 85 r b – Bán kính tính tốn của bánh xe chủ động. 5.2.2. Xác định tỉ số truyền cực đại i t max : Khi chúng ta cho xe chuyển động ở tay số 1, ở hộp số phụ đang gài số truyền thấp và nếu truyền lực chính là loại 2 cấp và cũng đang gài số truyền thấp thì lúc này i t = i t max . Lúc này lực kéo chủ động F k = F kmax và xe sẽ phải khắc phục lực cản lớn nhất của đường. Giả thiết xe không kéo rơmoóc ( F m = 0 ), chuyển động ổn định ( F j = 0 ) và ở tay số 1 vận tốc rất nhỏ nên có thể coi F  = 0, lúc này phương trình cân bằng lực kéo sẽ là: F kmax = F fmax + F imax = F mnax = G. max (5.22) Với : F kmax = b tmaxemax r .η.iM (5.23) Suy ra: b tmaxemax r .η.iM = G. max Bởi vậy: .ηM .rG.ψ i emax bmax tmax  (5.24) Ở đây:  max - Hệ số cản tổng cộâng cực đại của đường.  max = f max + i max Để xe chuyển động được, chúng ta cũng cần tính tốn giá trị i t max theo điều kiện bám để các bánh xe không bị trượt : F kmax  F  (5.25) Tức là : b tmaxemax r .η.iM  m i .G b .  => i tmax  i b b emax m G . φ.r M . η (5.26) Kết hợp điều kiện kéo và điều kiện bám ta có: .ηM .rG.ψ emax bmax  i t max  i b b emax m .G . φ.r M . η (5.27) Trong đó: G – Trọng lượng tồn bộ của xe. G b – Trọng lượng bám tác dụng lên các bánh xe chủ động.  – Hệ số bám dọc giữa các bánh xe với đường. m i – Hệ số thay đổi tải trọng lên các bánh xe chủ động. 5.3. PHÂN PHỐI TỶ SỐ TRUYỀN TRONG HỘP SỐ : 86 Việc lựa chọn tỉ số truyền phù hợp sẽ đem lại hiệu quả về tính năng động lực học, tính kinh tế của xe. Xuất phát từ yêu cầu thực tế và điều kiện vận hành cụ thể mà người ta sẽ lựa chọn số lượng tỉ số truyền sao cho phù hợp nhất. Khi tăng số lượng tỉ số truyền trong hộp số sẽ dẫn đến việc tăng tốc độ trung bình của ô tô, điều này là có lợi, nhưng nếu tăng quá mức số lượng tỉ số truyền của hộp số sẽ làm cho cấu tạo của hộp số phức tạp, cồng kềnh, khối lượng của hộp số tăng lên và gây khó khăn cho người điều khiển. Mặt khác khi tăng quá mức số lượng tỉ số truyền thì làm tăng tải trọng động tác động lên các cơ cấu truyền lực, mức độ êm dịu khi chuyển động của ô tô sẽ giảm xuống. Để thay đổi lực kéo tiếp tuyến và vận tốc của ô tô một cách linh hoạt, đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu và tính năng động học của ô tô, người ta phân phối tỉ số truyền thành các cấp xác định. 5.3.1. Xác định tỷ số truyền ở số một của hộp số : Tỷ số truyền ở số một cần phải chọn sao cho lực kéo tiếp tuyến phát ra ở các bánh xe chủ động của ôtô có thể khắc phục được lực cản tổng cộng lớn nhất của mặt đường. Từ phương trình cân bằng lực kéo khi ôtô chuyển động ổn định, ta có : F kmax   max .G + Wv 2 (5.28) Khi ôtô chuyển động ở số một thì tốc độ của chúng rất chậm, do đó ta bỏ qua lực cản của không khí. Như vậy : F kmax   max .G (5.29) .Gψ r η.i.i.iM max b pcoh1emax  Nghĩa là : i h1  η i.iM .rG.ψ pcoemax bmax (5.30) Trong đó : M emax – Mômen xoắn cực đại của động cơ.  max – Hệ số cản chuyển động lớn nhất của đường.  – Hiệu suất của hệ thống truyền lực. r b – Bán kính tính tốn của bánh xe có tính đến sự biến dạng của lốp. i o – Tỷ số truyền của truyền lực chính.  – Hệ số bám dọc. i pc – Tỷ số truyền của hộp số phụ ở số cao. Mặt khác lực kéo tiếp tuyến lớn nhất phát ra ở các bánh xe chủ động F kmax bị hạn chế bởi điều kiện bám, cho nên : F kmax  m i G b  (5.31) hay : b pcohlemax r η.i.i.iM  m i G b  87 Với m i là hệ số thay đổi tải trọng lên các bánh xe chủ động. Theo điều kiện bám thì tỷ số truyền ở số một được chọn là : i h1  i b b emax o pc m G φ r M .i .i η (5.32) Như vậy khi chọn tỷ số truyền ở số một của hộp số thỏa mãn theo biểu thức (5.30), chúng ta cần phải kiểm tra chúng theo điều kiện bám phải thỏa mãn biểu thức (5.32). Nếu như điều kiện (5.32) không được thỏa mãn thì phải tính lại trọng lượng phân bố lên cầu chủ động, nghĩa là phải thiết kế lại bố trí chung của ôtô. Sau khi đã chọn được tỷ số truyền ở số một của hộp số, sẽ tiếp tục chọn hệ thống tỷ số truyền của hộp số. 5.3.2. Xác định tỷ số truyền của các số trung gian trong hộp số : 5.3.2.1. Phân phối tỉ số truyền theo cấp số nhân : Hình 5.1: Đồ thị sang số của ôtô có hộp số 3 cấp bố trí theo cấp số nhân. Dựa trên cơ sở sử dụng công suất trung bình của động cơ khi làm việc ở chế độ tồn tải là không thay đổi trong quá trình gia tốc ô tô. Ở tất cả các số truyền thì khoảng biến thiên số vòng quay động cơ từ n e ’ → n e ’’ là không đổi. Giả thiết: Khi chuyển số thì ô tô không bị ngắt dòng công suất, do đó không bị mất mát vận tốc và xem thời gian chuyển số bằng không hay vận tốc cuối cùng của số thấp bằng vận tốc đầu tiên của số cao tiếp theo, tức là : P e v n e P e 0 n ’’ e v ’’ 1 =v ’ 2 v ’ 1 v ’’ 2 =v ’ 3 v ’’ 3 1 2 3 n ’ e 88 v’’ 1 = v’ 2 ; v” 2 = v’ 3 … v’’ n-1 = v’ n Vận tốc cuối cùng của xe ở các số truyền khác nhau được tính : Số thứ (n -1) v” n-1 = pc1)h(n0 '' eb ii60i nr2π  (5.33) Tốc độ đầu tiên khi gia tốc ở các số truyền khác nhau được tính : Số thứ n v’ n = pchn0 ' eb ii60i nr2π (5.34) Kết hợp các biểu thức trên ta có : h2 ' e h1 '' e i n i n  ; h3 ' e h2 '' e i n i n  hn ' e 1)-h(n '' e i n i n  Vậy ta có : q n n i i i i i i ' e '' e hn 1)-h(n h3 h2 h2 h1  Với : v’,v’’ – Vận tốc ô tô tương ứng với số vòng quay n’ e , n’’ e . n – Số lượng số truyền của hộp số. q – Công bội cấp số nhân. Từ biểu thức trên ta thấy các tỷ số truyền của hộp số được sắp xếp theo cấp số nhân với công bội là q : q i i; ; q i i; q i i 1)-h(n hn h2 h3 h1 h2  Hay : 1)-(n 1 hn 2 h1 h3 q i i; ; q i i   1)-(n hn h1 i i q  (5.35) Để xác định công bội q ta cần biết tỉ số truyền i h1 , số lượng số truyền n và tỉ số truyền của số cuối cùng i hn . Thông thường người ta chọn i hn = 1 (số truyền thẳng). Do đó q được tính như sau : 1n h1 iq   (5.36) Vậy tỉ số truyền của các tay số trung gian: 89 1n 2-n h1h2 ii   1n 3-n h1h3 ii   . . . . . . . . 1n k-n h1hk ii   Trong đó k là số thứ tự của số truyền. Với hộp số có số truyền tăng thì i h.n < 1 và số truyền ngay trước nó i h (n-1) =1. Lúc đó các công thức tổng quát để xác định các tỷ số truyền còn lại sẽ là : Công bội q của cấp số : 2n h1 iq   (5.37) Tỷ số truyền thứ k sẽ là : 2n 1)(k-n h1hk ii    (5.38) Qua các biểu thức trên ta có nhận xét : + Ôtô thông thường hay sử dụng ở số cao của hộp số, nhưng ở khu vực này thì số lượng số truyền ít so với số lượng số truyền có được ở số thấp, đây là một nhược điểm khi chọn hệ thống tỷ số truyền cho các số trung gian theo cấp số nhân. + Đối với hộp số có cấp thì số lượng số truyền bị hạn chế như đã trình bày khi chọn số lượng số truyền của hộp số, do đó sẽ hạn chế khả năng tăng vận tốc trung bình của ôtô và hệ số sử dụng tải trọng của động cơ. 5.3.2.2. Phân phối tỉ số truyền theo cấp số điều hồ: Nhằm mục đích khắc phục nhược điểm của hệ thống tỷ số truyền chọn theo cấp số nhân là ở khu vực số cao thì số lượng số truyền ít, người ta có thể chọn hệ thống tỷ số truyền sao cho khoảng tốc độ giữa các số truyền là như nhau (hình 5.2), nghĩa là : . a. P e v 0 v ’ 1 v ’’ 1 =v ’ 2 v ’’ n -1 =v ’ n v ’’ n n e 1 3 2 n n ' e1 n ’ e2 n ’ e3 n ’ en n ’’ e P e 91 h1 h1 h2 h1h2 a.i1 i ia i 1 - i 1   h1 h1 h3 h2h3 2a.i1 i ia i 1 - i 1   (5. 41) . . . . . = . . . . . h1 h1 hn 1) -h(nhn 1) .a.i(n1 i ia i 1 - i 1   Nếu. thẳng i h.n = 1 thì ta có : a i 1 -1 a i 1 - i 1 1 )-( nh1)-h(nhn  Và h1 h1 1) .a.i(n1 i 1   Vậy : h1 h1 1) .i(n 1- i a   (5. 42) Hằng số điều hòa a phụ thuộc vào tỷ số truyền ở số 1 i h1 của hộp. các kết hợp các biểu thức (5. 41) và (5. 42), ta có : h1 h1 h2 i2 )-( n 1) .i-(n i   h1 h1 h3 i23 )-( n 1) .i-(n i   (5. 43) . . . . . = . . . . . h1 h1 1) -h(n 2)i-(n1 1) .i-(n i   Và tỷ số truyền