Giáo trình ô tô 1 - Chương 4 docx

49 CHƯƠNG 4 CƠ HỌC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA ÔTÔ Mục tiêu: Sau khi học xong chương này các sinh viên có khả năng: 1. Nêu được các lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp chuyển động tổng quát. Giải thích được các khái niệm về các lực riêng và các công suất tương ứng. 2. Trình bày được phương trình cân bằng lực kéo, phương trình cân bằng công suất, đặc tính động lực học của ô tô và các đồ thị tương ứng. 3. Xác định được các thông số động lực học chuyển động bằng tính tốn. 4. Trình bày được các đặc tính tăng tốc của ôtô. 50 4.1. CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ TRONG TRƯỜNG HỢP CHUYỂN ĐỘNG TỔNG QUÁT. LỰC RIÊNG VÀ CÁC CÔNG SUẤT TƯƠNG ỨNG: 4.1.1. Các lực tác dụng lên ôtô khi chuyển động tổng quát: Chúng ta xét chuyển động ôtô ở dạng tổng quát tức là khi ôtô chuyển động trên đường dốc không ổn định (có gia tốc) và có lực cản ở móc kéo. Hình 4.1: Sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ôtô khi chuyển động lên dốc. Trên hình 4.1 trình bày sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ôtô đang đang chuyển động tăng tốc ở trên dốc. Ý nghĩa của các ký hiệu ở trên hình vẽ như sau: G – Trọng lượng tồn bộ của ôtô. F k – Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động. F f1 – Lực cản lăn ở các bánh xe bị động. F f2 – Lực cản lăn ở các bánh xe chủ động. ω F – Lực cản không khí. F i – Lực cản lên dốc. F j – Lực cản quán tính khi xe chuyển động không ổn định (có gia tốc). F m – Lực cản ở móc kéo. Z 1 , Z 2 – Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước, cầu sau. M f1 – Mômen cản lăn ở các bánh xe bị động. M f2 – Mômen cản lăn ở các bánh xe chủ động.  – Góc dốc của mặt đường. M f1  h ω F v a b L i FGsinα  M f2 M j2 M k Z 2 F j M j1  F f2 F k G cosG F f1 h g Z 1 F m h m l m 51 Sau đây ta sẽ khảo sát giá trị của các lực và mômen vừa nêu trên: * Lực kéo tiếp tuyến F k : F k là phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động theo chiều cùng với chiều chuyển động của ôtô. Điểm đặt của F k tại tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường: b te b k k r ηiM r M F  (4.1) * Lực cản lăn F f : Khi bánh xe chuyển động trên mặt đường sẽ có lực cản lăn tác dụng song song với mặt đường và ngược với chiều chuyển động tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường. Trên hình 4.1 biểu thị lực cản lăn tác dụng lên các bánh xe trước là F f1 và lên các bánh xe sau là F f2 . Lực cản lăn phát sinh là do có sự biến dạng của lốp với đường, do sự tạo thành vết bánh xe trên đường và do ma sát ở bề mặt tiếp xúc giữa lốp với đường. Để đơn giản người ta coi lực cản lăn là ngoại lực tác dụng lên bánh xe khi nó chuyển động và được xác định theo công thức: F f = F f1  F f2 (4.2) Với F f là lực cản lăn của ôtô. Lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau là: F f1 = Z 1 f 1 ; F f2 = Z 2 f 2 (4.3) Với f 1 , f 2 là hệ số cản lăn ở bánh xe trước và sau. Ở đây nếu coi hệ số cản lăn ở các bánh xe trước và sau là như nhau thì f 1 = f 2 = f. Lúc đó ta có: F f =(Z 1  Z 2 )f = cosfG (4.4) Khi xe chuyển động trên mặt đường có độ dốc nhỏ thì góc  khá nhỏ nên có thể coi 1cos hoặc khi mặt đường nằm ngang thì ta có: fGfGcosF f  (4.5) Lực cản lăn và các lực cản khác được quy ước là dương khi tác dụng ngược chiều chuyển động của xe. Ngồi ra hệ số cản lăn còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Vấn đề này sẽ được trình bày kỹ ở chương tiếp theo. * Mômen cản lăn M f : Mômen cản lăn của ôtô được tính: M f = M f1  M f2 = Z 1 fr đ  Z 2 fr đ = cosGfr ñ (4.6) Ở đây: M f1 , M f2 – Mômen cản lăn ở các bánh xe cầu trước và cầu sau. r đ – Bán kính động lực học của bánh xe. Nếu xe chuyển động trên đường ngang thì: M f = F f r đ = Gfr đ (4.7) 52 * Lực cản lên dốc F i : Khi xe chuyển động lên dốc thì trọng lượng G được phân tích ra hai thành phần: lực cosG vuông góc với mặt đường và lực sinG song song với mặt đường. Thành phần cosG tác dụng lên mặt đường và gây nên các phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe là Z 1 và Z 2 . Thành phần thứ hai sinG cản lại sự chuyển động của xe khi lên dốc và được gọi là lực cản lên dốc F i : F i = Gsin  (4.8) Mức độ dốc của mặt đường được thể hiện qua góc dốc  hoặc qua độ dốc i: i = tg  Nếu  < o 5 thì có thể coi: i = tg  = sin  và khi đó ta có: F i = Gsin  = Gi (4.9) Khi xe xuống dốc, lực F i sẽ cùng chiều chuyển động của xe và F i trở thành lực đẩy (lực chủ động). Bởi vậy, khi xe lên dốc thì F i trở thành lực cản sẽ có dấu    , còn khi xuống dốc thì F i trở thành lực đẩy sẽ có dấu (-) trong công thức (4.10). Ngồi ra, người ta còn dùng khái niệm lực cản tổng cộng của đường  F là tổng của lực cản lăn và lực cản lên dốc:     ifGsinαfcosαGFFF if   (4.10) Đại lượng f  i được gọi là hệ số cản tổng cộng của đường và ký hiệu là  :  = f  i (4.11) Bởi vậy: G)sinG(fcosF ψαα   (4.12) * Lực cản không khí ω F : Khi ôtô chuyển động, lực cản không khí xuất hiện bởi các lực khí động học. Trong đó chiếm một phần lớn là lực cản do hình dạng của xe (khoảng 80  90%), sau đó là thành phần gây ra do ảnh hưởng của xốy lốc (10  15%), cuối cùng là thành phần tạo ra do ma sát giữa bề mặt xe và không khí (4  10%). Lực cản không khí tỉ lệ với áp suất động học q d , diện tích cản gió S và hệ số cản của không khí C x theo biểu thức sau: 2 ox 2 oxdx Sv0,625CSvC 2 1 SqCF  ρ ω (4.13) Ở đây:  - Khối lượng riêng của không khí (kg/m 3 ), ở nhiệt độ o 25 C và áp suất 0,1013 MPa thì  =1,25kg/m 3 . v o – Vận tốc tương đối giữa xe và không khí (m/s): go vvv  (4.14) v – Vận tốc của ôtô (m/s). v g – Vận tốc gió (m/s). Dấu (+) ứng với khi vận tốc của xe và của gió ngược chiều. Dấu (-) ứng với khi vận tốc của xe và của gió cùng chiều. 53 Khi tính tốn, người ta còn đưa vào khái niệm nhân tố cản không khí W có đơn vị là Ns 2 /m 2 . W = 0,625C x S (4.15) Từ đó ta có: 2 o WvF  ω (4.16) Lực cản không khí có điểm đặt tại tâm của lực khí động học. Một số giá trị của hệ số C x và diện tích cản gió S của một số xe được cho ở bảng dưới đây: Bảng 4.1: Hệ số cản và diện tích cản không khí. Loại xe C x (Ns 2 /m 4 ) S (m 2 ) + Xe du lịch - Loại thường - Loại đuôi xe cao - Loại mui trần + Xe tải - Loại thùng hở - Loại thùng kín + Xe bus 0,35  0,5 0,3  0,45 0,5  0,65 0,8  1 0,6  0,8 0,5  0,7 1,6  2,5 1,5  2,0 1,5  2,0 4  7 5  8 5  7 * Lực cản quán tính F j : Khi ôtô chuyển động không ổn định, lực quán tính của các khối lượng chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến xuất hiện. Lực quán tính này sẽ trở thành lực cản khi xe chuyển động nhanh dần và trở thành lực đẩy khi xe chuyển động chậm dần. Điểm đặt của lực quán tính tại trọng tâm của xe. Lực quán tính ký hiệu là F j gồm hai thành phần sau: - Lực quán tính do gia tốc các khối lượng chuyển động tịnh tiến của ôtô, ký hiệu là F ’ j . - Lực quán tính do gia tốc các khối lượng chuyển động quay của ôtô, ký hiệu là F ’’ j . Bởi vậy F j được tính: F j = F ’ j  F ’’ j (4.17) Lực F ’ j được tính: F ’ j j g G  (4.18) Với dt dv j  là gia tốc tịnh tiến của ôtô. Lực F ’’ j được xác định như sau: b b b b nnn n b tee j r 1 dt dω ΣJ r ηi dt dω ΣJ r ηiεJ F"  (4.19) Ở đây: J n – Mômen quán tính của các chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực đối với trục quay của chính nó. J b – Mômen quán tính của một bánh xe chủ động đối với trục quay của chính nó. 54 i n – Tỷ số truyền tính từ chi tiết thứ n nào đó của hệ thống truyền lực tới bánh xe chủ động.  n Hiệu suất tính từ chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực tới bánh xe chủ động. J e – Mômen quán tính của khối lượng chuyển động quay của động cơ quy dẫn về trục khuỷu, có kể đến khối lượng chuyển động quay của phần chủ động ly hợp.    dt d e e Gia tốc góc của khối lượng chuyển động quay của động cơ. i t – Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực.  Hiệu suất của hệ thống truyền lực. dt dv r i dt d i dt d b tb t e e      (4.20) dt dv r i dt d i b nb nn    (4.21) F j ’’= dt dv r J r i J r iJ b b b n n n b te             22 2 2 2 1 (4.22) Thay (4.18) và (4.22) vào (4.17) ta có: F j j g G g Gr JiJiJ b bnnnte                   2 22 1 (4.23) Ở đây bỏ qua đại lượng 2 2 b nn n r i J   vì khối lượng của chúng nhỏ hơn nhiều so với khối lượng bánh đà và khối lượng các bánh xe. Chúng ta sẽ đặt: g Gr JiJ b bte i           2 2 1 (4.24) Do đó: j g G F j i δ (4.25) Với i  là hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay. Ta có thể tính i  gần đúng như sau: 2 050051 hi i,,  (4.26) * Lực cản ở móc kéo F m : Điểm đặt của F m tại móc kéo, có phương song song với mặt đường và được tính như sau: ψnQF m  (4.27) Trong đó: Q – Trọng lượng tồn bộ của một rơmóc. 55 n – Số lượng rơmóc được kéo theo. ψ – Hệ số cản tổng cộng của đường. * Điều kiện để cho ôtô có thể chuyển động: Để ôtô chuyển động được thì lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động phải lớn hơn hoặc bằng tổng các lực cản tác dụng lên xe, nhưng phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám giữa các bánh xe chủ động với mặt đường: xω F   kmjif FFFFFF (4.28) Ở lực F i , dấu    khi xe lên dốc, dấu (–) khi xe chuyển động xuống dốc. Ở lực F j , dấu    khi xe chuyển động tăng tốc, dấu (–) khi xe chuyển động giảm tốc. 4.1.2. Các lực riêng và các công suất tương ứng: 4.1.2.1. Các lực riêng: Khi cần so sánh đặc tính động lực học của các loại xe khác nhau, người ta phải dựa vào các lực riêng tác dụng lên ôtô. Chúng là các lực tác dụng lên ôtô tính trên một đơn vị trọng lượng G của xe và được tính như sau: + Lực kéo tiếp tuyến riêng F kr : b te k kr Gr ηiM G F F  (4.29) + Lực cản lăn riêng F fr : fcosα G fGcosα G F F f fr  (4.30) + Lực cản lên dốc riêng F ir : sinα G Gsinα G F F i ir  (4.31) + Lực cản quán tính riêng F jr : g jδ gG Gj δ G F F i i j jr  (4.32) + Lực cản không khí riêng ωr F : G Sv0,625C G SvC 2 1 G F F 2 ox 2 ox r  ρ ω ω (4.33) + Lực cản ở móc kéo riêng F mr : G nQψ G F F m mr  (4.34) Với các lực riêng này, chúng ta có thể viết phương trình cân bằng như sau: mrjrωrirfrkr FFFFFF  (4.35) 56 4.1.2.2. Các công suất tương ứng với các lực tác dụng lên ôtô: Từ các công thức tính lực tác dụng lên ôtô, chúng ta tính được các công suất tương ứng do các lực đó sinh ra: + Công suất kéo ở các bánh xe chủ động P k ( công suất chủ động): ηP r ηviM vFP e b te kk  (4.36) + Công suất cản lăn P f : GfvcosαvFP ff  (4.37) + Công suất cản lên dốc P i : GvsinαvFP ii  (4.38) + Công suất cản không khí ω P : 3 xωω Sv0,625CvFP  (4.39) (Khi vận tốc của gió nhỏ, có thể coi v o  v). + Công suất cản quán tính P j : jvδ g G vFP ijj  (4.40) + Công suất cản ở móc kéo P m : nQψP m  v (4.41) Cân bằng các công suất trên ta có thể viết như sau: mjifk PPPPPP  ω (4.42) Lưu ý rằng ở công suất P i dấu    dùng khi xe lên dốc, dấu (–) dùng khi xe xuống dốâc. Còn ở P j , dấu    dùng khi xe tăng tốc và dấu (–) dùng khi xe giảm tốc. Công suất kéo P k do công suất của động cơ truyền xuống dùng để khắc phục các công suất cản vừa nêu trên. Công suất chủ động dùng để khắc phục công suất cản tương ứng có giá trị đúng bằng công suất cản đó. Bởi vậy, các công suất cản ở vế phải nếu đứng trên quan điểm là các thành phần của công suất P k thì chúng được gọi là: P f – Công suất tiêu hao cho lực cản lăn. P i – Công suất tiêu hao cho lực cản lên dốc.  ω P Công suất tiêu hao cho lực cản không khí. P j – Công suất tiêu hao cho lực cản quán tính. P m – Công suất tiêu hao cho lực cản ở móc kéo. 4.2. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG LỰC KÉO, PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CÔNG 57 SUẤT, ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA ÔTÔ VÀ CÁC ĐỒ THỊ TƯƠNG ỨNG: 4.2.1. Cân bằng lực kéo của ôtô: 4.2.1.1. Phương trình cân bằng lực kéo: Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động dùng để khắc phục các lực cản chuyển động. Biểu thức cân bằng giữa lực kéo ở các bánh xe chủ động và các lực cản được gọi là phương trình cân bằng lực kéo. Xét trường hợp tổng quát, ta có: mjifk FFFFFF  ω (4.43) Ở lực F i : dấu (+) dùng khi xe lên dốc, dấu )( dùng khi xuống dốc. Ở lực F j : dấu (+) dùng khi xe tăng tốc, dấu )( dùng khi giảm tốc. Thay các giá trị các lực vào phương trình trên, ta nhận được: nQψjδ g G WvGsinαGfcosα r ηiM i 2 b te  (4.44) Nếu chúng ta tổng hợp hai lực cản F f và F i , ta sẽ được lực cản tổng cộng của đường ψ F :   GψsinαfcosαGFFF if   (4.45) Với: G – Trọng lượng tồn bộ xe. ψ – Hệ số cản tổng cộng của đường: sinαfcosαψ  , nếu o 5 có thể coi: ψ = f  i. i – Độ dốc của mặt đường: i = tg . + Lưu ý: - Độ dốc i có giá trị (+) khi xe lên dốc, và giá trị )( khi xe xuống dốc. - Hệ số ψ có giá trị (+) khi f > i và giá trị )( khi f < i hoặc ψ = 0 khi f = i khi xuống dốc. Nếu xe chuyển động đều (j = 0) trên đường nằm ngang (  = 0) và không kéo theo rơmóc thì phương trình cân bằng lực kéo sẽ đơn giản hơn: 2 b te fk WvGf r iM FFF  η ω (4.46) 4.2.1.2.Đồ thị cân bằng lực kéo: Phương trình cân bằng lực kéo của ôtô có thể biểu diễn bằng đồ thị. Chúng ta xây dựng quan hệ giữa lực kéo F k và các lực cản chuyển động phụ thuộc vào vận tốc của xe v, tức là: F = f(v). Ở trục tung ta đặt các giá trị lực, trên trục hồnh là các giá trị vận tốc. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa các lực nêu trên và vận tốc của xe gọi là đồ thị cân bằng lực kéo của xe (hình 4.2). F k 58 Hình 4.2: Đồ thị cân bằng lực kéo của ôtô. * Phương pháp xây dựng đồ thị: Chúng ta vẽ cho trường hợp: xe chuyển động đều (j = 0) và không kéo rơmóc, hộp số có ba số truyền. Tức là: ωψ FFF k  + Vẽ các đường biểu thị lực kéo F ki ở các tay số dựa vào: - Đường đặc tính ngồi của động cơ: để xác định các giá trị M ei ứng với các giá trị n ei , sau đó thế các giá trị M ei vào công thức sau đây. - Công thức tính lực kéo tiếp tuyến: b ne kn r ηiM F  (4.47) Với: F kn – Lực kéo ở các bánh xe chủ động ở số thứ n của hộp số. i n – Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực ở số thứ n. - Công thức tính vận tốc chuyển động của xe ở các số truyền: n be n i rn v 30   (m/s) (4.48) Với v n là vận tốc của xe ở tay số thứ n. + Vẽ các đường biểu thị các lực cản chuyển động dựa vào các công thức: - Đường lực cản của đường:   sinαfcosαGF   . Nếu f = const và  = const thì  F = const, cho nên đường  F sẽ là đường thẳng song song với trục hồnh. Nếu f  const hoặc  const thì  F  const, lúc này đường  F sẽ là đường cong. - Đường lực cản không khí: 2 xω Sv0,625CF  . Đây là đường cong bậc hai phụ thuộc vào vận tốc của xe. - Đường cong   ω FF   là tổng của các giá trị  F và ω F tương ứng. F k2 F k1  F ω F F k3 a F d d A v ωψ FF  ψ F b c 0 v 2 v 1 v max [...]... A a v 0 v1 vmax 65 f D D1max max D1 f 0 v2 vth v1 vma x 66 v i D j g dv dt D j g i f ( v) 67 D D1 0,3 e 0,2 d c 0 ,1 D2 b D3 A a 0 20vn v2 60 D i D f i 68 80 v1 10 0 v j j1 1, 5 C 1, 0 j2 A 0,5 B j3 0 20 40 60 80 vma x D 69 v max b a 70 j M ei t rb Gf G Wv g i j(m/s2) 71 j1 1, 5 1 j2 A 0,5 B j3 0 20 40 60 80 vmax(km/h ) v v(t) v2 (v) v1 t v v j t dv t v 0 v1 v2 0 72 t1 t2 t t t v v j dv t v dS dt dS vdt... v2 0 72 t1 t2 t t t v v j dv t v dS dt dS vdt S S t S vdt t S 73 S(t) S v arctgv2 v(t) v2 S2 v1 S1 t S S arctgv1 vdt t t t 0 t1 0 t2 t1 v v(S) v2 v1 S S S1 j g i 0,625C x S 2 v G 74 S2 f t2 j v 0 1 j v2 v1 0 v t j(v) 1 v j b) a) S v v0 S2 v1 S(t) v2 v(t) S1 t 0 t t1 t2 t 0 t1 d) c) t2 v v0 v1 v2 0 v(S) S S1 S2 e) 75 v S III III I II II I t 0 t 0 a) b) v III II I S 0 c) 76 v S II II A I I A t 0 t 0... P 1 P P P o v P 60 ne r b it Pe Pk1 Pt Pe Pk2 Pe Pk3 A P P Pd P1 0 vmax Pk Pe v Pe Pt P ne r b in P Wv 3 P P P 61 P v P 62 P M ei t rb D M ei t rb Gf cos Wv G G sin G f cos Wv G ij g G sin max D D D D D 63 G ij g D i g j D D1 D D max max D2 Dmax2 Dmax3 D3 D4 Dmax4 f A v 0 v1 v2 v3 vmax v4 D f ( v) D f ( v) f ( v) D D1 D D2 1 0 A vmax 64 v f ( v) f ( v) D D1 d c D2 D3 b f A a v 0 v1 vmax 65 f D D1max . tốn. 4. Trình bày được các đặc tính tăng tốc của tô. 50 4 .1. CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ TRONG TRƯỜNG HỢP CHUYỂN ĐỘNG TỔNG QUÁT. LỰC RIÊNG VÀ CÁC CÔNG SUẤT TƯƠNG ỨNG: 4 .1. 1. Các lực tác dụng lên tô. trượt quay. - Điều kiện để tô chuyển động được trong trường hợp này là:   ωψ FFFF k   (4. 50) 4. 2.2. Cân bằng công suất của tô: 4. 2.2 .1. Phương trình cân bằng công suất: Công suất do động. tiêu hao nhiên liệu của tô. 4. 2.3. Đặc tính động lực học của tô: 4. 2.3 .1. Khái niệm về đặc tính động lực học của tô: Khi so sánh tính chất động lực học của các loại tô khác nhau và ứng với