báo cáo thí nghiệm oto

Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình LỜI NÓI ĐẦU Môn học “Thí nghiệm Ôtô& Máy công trình” có một vai trò quan trọng ngành Động lực, giúp sinh viên hiểu rõ phương pháp đo đại lượng vật lý lý thuyết ôtô Điều đó giúp một kỹ sư tương lai dễ dàng tiếp cận với công nghệ mới Trong bài báo cáo này, em thực hiện đo đặc tính lực cản chuyển động xe đường phương pháp lăn trơn Với thân em còn hạn chế mặt kiến thức nên bài báo cáo không tránh những sai sót Rất mong sự dạy thêm quý thầy Sau cùng, em xin chân thành cám ơn thầy Lê Văn Tụy đã hướng dẫn, giúp nhiệt tình trình em làm bài báo cáo môn học này Đà Nẵng, ngày 10 tháng 11 năm 2012 Sinh viên thực hiện ĐO ĐẶC TÍNH LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE TRÊN ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LĂN TRƠN Cơ sở lý thuyết hình thành lực cản bánh xe -1- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình Hình 1.1 Tọa độ trọng tâm và lực tác dụng lên ô tô đường nằm ngang Các ký hiệu hình 1: L – Chiều dài sở xe [m] a – Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước [m] b – Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước [m] Z1 – Phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên cầu trước [ N] Z2 – Phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên cầu sau [ N] Pf1 – Lực cản lăn hai bánh trước [ N] Pf2 – Lực cản lăn hai bánh sau [ N] PK – Lực kéo tiếp tuyến bánh xe chủ động [ N] Pω – Lực cản không khí [ N] G – Trọng lượng xe [ N] v – Vận tốc xe [m/s] Đầu tiên ta tiến hành đo Z1, Z2 phương pháp cân mặt phẳng ngang Z1 + Z2 = G (1) L = a+ b (2) -2- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình Tổng mô men điểm O1 : ΣM/(O1) = Z2.L – G.a = ⇒ a = (Z2/G).L Từ phương trình ( 2) ⇒ b = L – a Từ sơ đồ hình vẽ ta có phương trình cân lực kéo sau: Pf1 + Pf2 + Pω = PK Pk = Mk R bx Pf = G.f  v2   f = f o 1 +  1500  Pω = K.F.v2 Khi xe chuyển động phải chịu lực cản sau: - Lực cản lăn Ff - Lực cản không khí Fω 1.1 Đo Lực cản lăn Ff Lực cản lăn Ff là lực phát sinh có sự biến dạng lốp và đường, sự tạo thành vết bánh xe đường và sự ma sát bề mặt tiếp giữa lốp và đường Để đơn giản, người ta coi lực cản lăn là ngoại lực tác dụng lên bánh xe nó chuyển động, và đuợc xác định theo công thức: Pf = Pf1 + Pf2 = Z1.f1 + Z2.f2 Trong đó: Z1 – Phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên cầu trước f1 – Hệ số cản lăn bánh xe trước Z2 – Phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên cầu sau f2 – Hệ số cản lăn bánh xe sau Hệ số cản lăn có thể là hàm bậc nhất bậc hai theo vận tốc, xác định sau: -3- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình f= a + f ( v) R bx  v2 f ( + )  = 1500 f + b.v 0 Nếu coi hệ số cản lăn bánh trước và bánh sau là nhau, ta có: Pf = Z1 f1 + Z f = ( Z1 + Z ).f = G.f  v2 ) G.f (1 + = 1500 G.(a + b.v)  Trường hợp tổng quát, có thể xem : Pf = G.(f0 + f1.v+f2.v2) Trong đó : f0 – Hệ số cản lăn bản, không phụ thuộc vào tốc độ[ ( m/s) -1 ] f1 – Hệ số cản lăn phụ thuộc bậc nhất vào tốc độ[ ( m/s)-1 ] f2 – Hệ số cản lăn phụ thuộc bậc hai vào tốc độ [ ( m/s)-2 ] • Phương pháp đo lực cản lăn xe: Hình 1.2 Sơ đồ đo lực cản lăn Từ sơ đồ ta đo Pf ⇒ Pf = G.f ⇒ f = Tại : vK ⇒ Pf = G.f ⇒ f vk = vK+1 ⇒ -4- Pf = G.fK+1 Pf ( k ) G ⇒ f K +1 = Pf ( k +1) G Pf ( ) G Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình Tiếp tục ta đo điểm Sau đó ta có bảng sau: STT Vận tốc [ m/s ] Lực cản Pf [ N] Hệ số cản lăn f V1 Pf1 f1 V2 Pf2 f2 V3 Pf3 f3 V4 Pf4 f4 … … … … k VK Pfk ff … … … … n Vn Pfn fn Sau có điểm đo ta dùng phương pháp xấp xỉ bình phương để tìm hệ số cản lăn f f = a0 + a1v + a2v2 Cảm biến : Dùng cảm biết đo lực gắn vị trí nối hai xe để đo lực cản lăn 1.2.Đo Lực cản không khí Pω Khi ôtô chuyển động tạo nên sự thay đổi mật độ không khí bao quanh xe, hình thành lực cản không khí tác dụng lên toàn bộ bề mặt xe Trong tính toán thông thường, tất lực cản gió riêng phần thay lực cản tổng cộng quy ước Pω đặt tâm diện tích cản chính diện ô tô Pω = k.S.v2 -5- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình Trong đó: k – Hệ số cản không khí [Ns2/m4] S – Diện tích cản chính diện ô-tô v – Vận tốc chuyển động ô-tô [m/s] Ở đây, để đơn giản tính toán, ta xét ô tô chuyển động đường ngang, không có gia tốc, tức là bỏ qua lực cản lên dốc và lực quán tính Như vậy, ta có phương trình cân lực kéo sau: PK = Pf1 + Pf2 + Pω Theo cách nhìn mới, đo lực cản chuyển động xe đường, có thể xem Pc = Pf +Pω xe chuyển động thực, hai lực này luôn cùng với tách rời Như vậy, có thể xác định phương trình mô tổng hợp lực cản chuyển động ô tô sau: Pc = Pf +Pω = G(f0 +f1v +f2v2 ) + k.S.v2 = G.f0+G.f1.v+G.f2.v2+k.S.v2 = G.f0+G.f1.v+(G.f2+k.S).v2 = P0+P1.v+P2.v2 Với : P0 = G.f0 [N] P1 = G.f1 [N.(m/s)-1] P2 = G.f2 + kS [N.(m/s)-2] -6- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình • Phương pháp đo lực cản không khí: Hình 1.3.Sơ đồ bố trí đo lực cản không khí ô tô phòng thí nghiệm Phương pháp : Treo xe lên khỏi mặt đất, sau đó thổi không khí vào ống khí động với lưu lượng Q [ m 3/s] , vận tốc v [ m/s] Gắn thiết bị để đo lực cản không khí hình (2) Cảm biến : Ta sử dụng cảm biến đo lực để đo lực cản không khí (Piezoelectric force sensor) Ta có phương trình tính lưu lượng không khí qua ống khí động: Q = v.S Trong đó: Q- Lưu lượng không khí qua ống khí động [ m3/s] v- Vận tốc không khí qua ống khí động [ m/s] S- Diện tích mặt cắt ngang ống khí động vị trí đo [ m2] Mặt khác theo lí thuyết thủy khí ta có: P ω = K.Vm ( m- số thực lực cản không khí ) -7- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình Tại thời điểm đo ứng với giá trị ( Lưu lượng đã biết trước): Q1 ⇒ v1 = Q1/s ⇒ Pω1 = K.V1m Q2 ⇒ v2 = Q2/s ⇒ Pω2 = K.V2m Q3 ⇒ v3 = Q3/s ⇒ Pω3 = K.V3m Qk ⇒ vk = Qk/s ⇒ Pωk = K.Vkm Qn ⇒ = Qn/s ⇒ Pωn = K.Vnm S = πΦ2/4 Phải đo nhiều điểm ứng với tốc độ khác nhau, thay thay đổi vận tốc ô tô ta thay đổi vận tốc gió nhờ quạt thổi Sau tiến hành đo điểm có vận tốc khác tương ứng với lực cản khác ta có bảng số liệu sau: STT Lưu lượng không khí[m3/s] Vận tốc không khí[m/s] Lực cản không khí[N] Q1 V1 Pω1 … k … n Q2 Q3 … Qk … Qn V2 V3 … Vk … Vn Pω2 Pω3 … Pωk … Pωn Sau có số liệu bảng ta tiến hành tìm lực cản tác dụng lên ô tô Dùng phương pháp xấp xỉ để tính: - Trước hết chuyển hàm mũ thành hàm đa thức cách lấy lấy Logarit hai vế phương trình : Pω = K.Vm ln (Pω) = ln(K.Vm ) ⇒ ln (Pω) = ln( K) +m ln(V) Đặt Y = ln (Pω); a0 = ln( K); a1 = ln(V); X = m Lúc đó ta có hàm đa thức Y = a0 + a1.X - Chuyển dữ liệu cũ sang dữ liệu mới theo qui tắt chuyển đa thức - Dùng phương pháp xấp xỉ ta tìm a0; a1 - Tìm ngược lại K, m K = ea0 , m = a1 -8- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình Phương trình lực cản tổng cộng ô tô:   v2  v2  2 G f  +  G f Pf + Pω = o  o   + K.v = G.f0 +  1500  + K.v 1500     f   = G.f0 + 0V +  G + K .v = a0 + a1v + a2v2  1500  Vậy Pf + Pω = a0 + a1v + a2v2 Lực cản chuyển động tổng cộng ô tô Tổ chức thí nghiệm 2.1.Mô tả trang thiết bị a.Đối tượng đo Xe dùng cho việc đo lực cản: Mecedes Benz MB140 có: + Trọng lượng xe G = 27000[N] Hình 2.1 Đối tượng đo - Mecedes Benz MB140 b.Các dụng cụ cảm biến sử dụng: Đồng hồ/Cảm biến đo tốc độ, đồng hồ đếm thời gian thực 2.2.Trình tự đo Chuẩn bị đồng hồ bầm và quan sát hộp táp lô báo tốc độ ô tô, gia tốc cho xe chạy vượt qua tốc độ 16,7134534 m/s bắt đầu nhả bàn đạp ga, cắt li hợp và cho xe lăn trơn mặt đường , xe chuyển động chậm dần , vị trí này ứng với -9- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình t=0.Khi tốc độ ô tô giảm còn 16.505 m/s ta bấm đồng hồ tính giây để xác định ∆t Và cứ làm tốc độ ô tô giảm còn 5,922247 m/s Sau đó ta ghi tất kết đo lại Ta có PK = (Pf + Pω) - G dV g dt Khi ngắt li hợp PK = ⇒ (Pf + Pω) = G dV g dt Đo lực quán tính chuyển động chậm dần thay cho đo lực cản→ Đo gia tốc chậm dần 2.3.Số liệu thu được: Bảng số liệu thu được: t[s] 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 -10- V[m/s] 16,7134534 16,2984802 15,890011 15,487897 15,0919894 14,7021394 14,3181982 13,940017 13,567447 13,2003394 12,8385454 12,4819162 12,130303 11,783557 11,4415294 11,1040714 10,7710342 t[s] 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 V[m/s] 10,442269 10,117627 9,7969594 9,4801174 9,1669522 8,857315 8,551057 8,2480294 7,9480834 7,6510702 7,356841 7,065247 6,7761394 6,4893694 6,2047882 5,922247 Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình Xử lý số liệu Nhận xét & kết luận 3.1 Xử lý số liệu 3.1.1 Xấp xỉ số liệu thu để lấy hàm v = f(t) Phương pháp: Từ bảng số liệu v = f(t), tiến hành xấp xỉ đặc tính biến thiên v = f(t) thành đa thức xấp xỉ bậc ba đối với thời gian t (với vận tốc quy đổi đơn vị [m/s ]) công cụ Trendline Excel để lấy hàm xấp xỉ Kết có dạng: v = a.t3 + b.t2 + c.t + d Vẽ đường cong v= f(t) dùng công cụ trendline excel, ta thu kết sau: Hình 3.1 Đồ thị v = f(t) Hàm vận tốc thu được: v = -3E-06t3 + 0,0008t2 - 0,2091t + 16,713 -11- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình 3.1.2 Xác định hàm dv = f(t) dt Từ hàm xấp xỉ v = f(t), cách lấy đạo hàm nó, ta xác định hàm dv = f(t): dt Ta có: v = a.t3 + b.t2 c.t + d → dv = 3a.t2 + 2b.t +c dt dv Bảng giá trị = f(t): dt t[s] V[m/s] dv/ft=f(t) t[s] V[m/s] dv/ft=f(t) 16,7134534 -2,09E-01 34 10,442269 -1,65E-01 16,2984802 -2,06E-01 36 10,117627 -1,63E-01 15,890011 -2,03E-01 38 9,7969594 -1,61E-01 15,487897 -2,00E-01 40 9,4801174 -1,60E-01 15,0919894 -1,97E-01 42 9,1669522 -1,58E-01 10 14,7021394 -1,94E-01 44 8,857315 -1,56E-01 12 14,3181982 -1,91E-01 46 8,551057 -1,55E-01 14 13,940017 -1,88E-01 48 8,2480294 -1,53E-01 16 13,567447 -1,86E-01 50 7,9480834 -1,52E-01 18 13,2003394 -1,83E-01 52 7,6510702 -1,50E-01 20 12,8385454 -1,81E-01 54 7,356841 -1,49E-01 22 12,4819162 -1,78E-01 56 7,065247 -1,48E-01 24 12,130303 -1,76E-01 58 6,7761394 -1,47E-01 26 11,783557 -1,74E-01 60 6,4893694 -1,46E-01 28 11,4415294 -1,71E-01 62 6,2047882 -1,44E-01 30 11,1040714 -1,69E-01 64 5,922247 -1,44E-01 32 10,7710342 -1,67E-01 -12- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình 3.1.3.Tính giá trị lực cản Pc bằng lực quán tính chuyển động chậm dần dv thời điểm t dt Với: + G = m.g = 27000 [N] – Trọng lượng toàn bộ xe +g =9,81– Gia tốc trọng trường G 27000 = = 2752,294 [Kg] →m= g 9,81 Ta có bảng giá trị: Ta xác định Pc= Pj= - m -13- t[s] V[m/s] dv/ft=f(t) Pc=f(v) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 16,7134534 16,2984802 15,890011 15,487897 15,0919894 14,7021394 14,3181982 13,940017 13,567447 13,2003394 12,8385454 12,4819162 12,130303 11,783557 11,4415294 11,1040714 10,7710342 10,442269 10,117627 9,7969594 9,4801174 9,1669522 8,857315 8,551057 8,2480294 7,9480834 -2,09E-01 -2,06E-01 -2,03E-01 -2,00E-01 -1,97E-01 -1,94E-01 -1,91E-01 -1,88E-01 -1,86E-01 -1,83E-01 -1,81E-01 -1,78E-01 -1,76E-01 -1,74E-01 -1,71E-01 -1,69E-01 -1,67E-01 -1,65E-01 -1,63E-01 -1,61E-01 -1,60E-01 -1,58E-01 -1,56E-01 -1,55E-01 -1,53E-01 -1,52E-01 5,76E+02 5,67E+02 5,58E+02 5,50E+02 5,42E+02 5,34E+02 5,26E+02 5,19E+02 5,11E+02 5,04E+02 4,97E+02 4,91E+02 4,84E+02 4,78E+02 4,72E+02 4,66E+02 4,60E+02 4,54E+02 4,49E+02 4,44E+02 4,39E+02 4,34E+02 4,30E+02 4,25E+02 4,21E+02 4,17E+02 Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình 52 54 56 58 60 62 64 7,6510702 7,356841 7,065247 6,7761394 6,4893694 6,2047882 5,922247 -1,50E-01 -1,49E-01 -1,48E-01 -1,47E-01 -1,46E-01 -1,44E-01 -1,44E-01 4,13E+02 4,10E+02 4,07E+02 4,03E+02 4,00E+02 3,98E+02 3,95E+02 Từ bảng giá trị trên, vẽ đường cong Pc= f(v), tiến hành xấp xỉ để tìm hàm lực cản có dạng: Pc = P0 + P1.v + P2.v2 Sử dụng công cụ Trendline, ta có: Hình 3.2.Đồ thị Pc = f(v) Hàm lực cản thu : Pc = 0,5498v2 + 4,6032v+ 346,76 Như : -14- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình P0 = 346,76 P1 = 4,6032 P2 = 0,5498 3.1.4 Đánh giá biện luận đối với đại lượng F 0, F1 F2 đã xác định thông qua hệ số cản Ta đánh giá đại lương F0, F1, F2 thông qua thông số: P P b= ; a= ; K = F2 Ga Ga Trong đó: Ga : là trọng lượng toàn bộ ô tô [N] Các hệ số a, b, K nằm giới hạn: a ≈ 0,010 ÷ 0,025 b ≈ ÷ 0,0005 K ≈ 0,25 ÷ 1,50 Ta có : a= P0 346,76 = = 0,01284 G a 27000 b= P1 4,6032 = = 0,00017 Ga 27000 K= P2 = 0,5498 Như vậy, hệ số thỏa mãn nằm khoảng yêu cầu Kết thí nghiệm chấp nhận 3.2 Nhận xét - Khi ngắt ly hợp, xe bắt đầu chuyển động chậm dần theo thời gian Hai đồ thị đã chứng minh giữa lí thuyết và thực tế là phù hợp - Lực cản tỷ lệ thuận với tốc độ ô tô theo hàm bậc hai - Do tốc độ tương đối ô tô và không khí tăng lên đó lực cản không khí tăng lên Tốc độ ô tô tăng nên thớ lốp không kịp đàn hồi cũ đồng thời tốc độ biến dạng lốp tăng lên nên nội ma sát lốp tăng nên hệ số cản lăn tăng nên lực cản tăng -15- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình - So với lực cản lăn, lực cản không khí có giá trị rất lớn xe chạy với tốc độ cao Vì tổn thất đó tỉ lệ với bình phương vận tốc 3.3 Kết luận - Bài thí nghiệm giúp cho ta hiểu rõ lực cản lăn và lực cản không khí ảnh hưởng rất lớn đến tính động lực học ô tô Khi lực cản lăn và lực cản không khí tăng xe rất tốn nhiên liệu vận hành - Để giảm lực cản không khí chúng ta phải thiết kế hình dáng bên ngoài xe phù hợp với hình dạng khí động không khí ( ví dụ làm cánh chắn phía sau ô tô một phần để giảm lực cản không khí và một phần giảm lực nâng xe chạy tốc độ cao…) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Tụy - Tài liệu giáo trình tin học Ứng dụng - Lưu hành nội bộ khoa Cơ khí giao thông- ĐH Bách Khoa Đà Nẵng [2] Lê Văn Tụy - Bài giảng môn học Thí nghiệm ô tô Máy công trình - Lưu hành nội bộ khoa Cơ khí giao thông – ĐH Bách Khoa Đà Nẵng -16- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình [3] Nguyễn Hữu Cần, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Dư Quốc Thịnh - Lý Thuyết ô tô máy kéo – NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp Hà Nội 1978 MỤC LỤC Cơ sở lý thuyết sự hình thành lực cản bánh xe 1.1 Đo Lực cản lăn Ff Phương pháp đo lực cản lăn xe: .4 1.2.Đo Lực cản không khí Pω -17- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình Phương pháp đo lực cản không khí: .7 Tổ chức thí nghiệm 2.1.Mô tả trang thiết bị 2.2.Trình tự đo 2.3.Số liệu thu được: 10 Xử lý số liệu Nhận xét & kết luận 11 3.1 Xử lý số liệu 11 3.1.1 Xấp xỉ số liệu thu để lấy hàm v = f(t) .11 3.1.3.Tính giá trị lực cản Pc lực quán tính chuyển động chậm dần 13 3.1.4 Đánh giá và biện luận đối với đại lượng F0, F1 và F2 đã xác định thông qua hệ số cản 15 3.2 Nhận xét 15 3.3 Kết luận 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 -18- [...]... chạy ở tốc độ cao…) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Tụy - Tài liệu giáo trình tin học Ứng dụng - Lưu hành nội bộ khoa Cơ khí giao thông- ĐH Bách Khoa Đà Nẵng [2] Lê Văn Tụy - Bài giảng môn học Thí nghiệm ô tô và Máy công trình - Lưu hành nội bộ khoa Cơ khí giao thông – ĐH Bách Khoa Đà Nẵng -16- Thí nghiệm Ôtô & Máy công trình [3] Nguyễn Hữu Cần, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Dư