Giáo trình Cơ sở thiết kế Ô tô

Cơ sở thiết kế Ơtơ LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển kỹ thuật ơtơ ngày cách hồn thiện, liên tục cho đời sản phẩm đáp ứng ngày cao u cầu kỹ thuật tính kinh tế ngành chế tạo ơtơ nước ta mẻ, chủ yếu nhập từ nhiều nước khác nhau, việc khai thác phát huy tốt tính kỹ thuật ơtơ, đồng thời nghiên cứu hồn thiện đại hóa chúng nhiệm vụ cán kỹ thuật ngành xe – máy Việc ứng dụng máy tính vào q trình thiết kế, cải tiến đánh giá tính trang bị góp phần rút ngắn q trình tính tốn, đảm bảo độ xác cao cho phép giải tốn mức độ đa dạng phức tạp Sau thời gian học tập, tìm hiểu mơn học “Dao động ơtơ Cơ sở thiết kế ơtơ” giúp ích cho tơi nhiều q trình cơng tác chun mơn, nghiên cứu Trong tiểu luận này, tơi xin trình bày phần Các u cầu kỹ thuật thiết kế ơtơ Tính tốn động lực học , dao động kỹ thuật hổ trợ phần mền Matlab Cảm ơn Thầy PGS – TS Vũ Đức Lập, nhiệt tình hướng dẫn tơi hồn thành tiểu luận Do thời gian hạn chế lần làm quen với lĩnh vực nên tiểu luận khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong Thầy sửa sai đóng góp ý kiến Xin chân thành cảm ơn Trang - - Cơ sở thiết kế Ơtơ A CƠ SỞ THIẾT KẾ ƠTƠ I U CẦU VỀ SỨC KÉO VÀ LƯỢNG TIÊU HAO NHIÊN LIỆU Phương trình chuyển động ơtơ: η m N m = N f + N kk + N j + N s + N mk Nm: cơng suất hữu ích động ηm: hiệu suất truỳên lực từ động đến bánh xe chủ động Nf: cơng suất tiêu hao lực cản lăn Nkk: cơng suất tiêu hao cho lực cản khơng khí Nj: cơng suất tiêu hao cho lực tăng tốc Ns: cơng suất tiêu hao lực cản lên dốc Nmk: cơng suất tiêu hao lực cản móc kéo I.1 Sức kéo ơtơ 1.1.1 Tốc độ lớn Tốc độ lớn suy từ phương trình cân cơng suất ơtơ chuỷên động đường phẳng có hệ số cản lăn nhỏ phần cơng suất để thắng lực cản khơng khí: ηm N m = N f + N kk Tuy nhiên tốc độ bị giới hạn ác quy định tiêu chuẩn sử dụng quốc gia khác Do tốc độ lớn ơtơ khơng định cơng suất động mà định khả tăng tốc Để đánh giá tổng qt sức kéo ơtơ dùng giá trị trọng lượng đơn vị: hệ số trọng lượng ơtơ cơng suất ơtơ (đơn vị: daN/kW) Ơtơ có trọng lượng đơn vị nằm khoảng (35÷50), giá trị cao khả gia tốc xe Khả gia tốc ơtơ trước hết phụ thuộc vào trọng lượng đơn vị ơtơ sau yếu tố kết cấu, điều kiện lực cản tổng cộng, tương thích chế độ làm việc động với tay số truỳên 1.1.2 Lượng nhiên liệu tiêu thụ Lượng tiêu thụ nhiên liệu Q(lít/100km) tốc độ làm việc ổn định ơtơ phụ thuộc vào lực cản chuỷên động vào trọng lượng tồn ơtơ Ví dụ quan hệ lượng tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào tải trọng ơtơ tốc độ v=90km/h Hình 1-1: quan hệ Q v=90(km/h)phụ thuộc vào trọng lượng tồn Trang - - Cơ sở thiết kế Ơtơ Vùng (a) ứng với ơtơ thể thao, ơtơ có cơng thức bánh xe 4x4 ơtơ có hình dáng khơng hồn hảo, hệ số cản khơng khí lớn Vùng (b) ứng với ơtơ có động diesel Khi trọng lượng ơtơ tăng tăng đáng kể lượng tiêu hao nhiên liệu Lượng hao nhiên liệu phụ thuộc vào kết cấu, loại nhiên liệu sử dụng, ngồi hình dáng ơtơ Phản ánh qua hệ số khí động Nếu hệ số nhỏ làm giảm lượng nhiên liệu tiên thụ làm giảm lực cản khơng khí Việc xác định hệ số khí động C w rút từ cơng thức tính lực cản diện sau: Pw = ρ Cw S v 2 (N) Trong đó: Pw: lực cản khơng khí diện ρ: mật độ khơng khí (kg/m3) S: diện tích cản diện (m2) V: vận tốc chuyển động ơtơ so với khơng khí (m/s) Cw: hệ số khí động, đặc trưng cho hình dáng độ nhẵn vỏ xe Hình – 2: Ảnh hưởng dạng vỏ đến Cw Kết nghiên cứu hình dáng ơtơ ảnh hưởng đến giá trị C w sau: giảm góc nghiêng mặt kính trước lượng ∆ϕ nâng cao phần thân xe lượng +∆z cho phép giảm bớt giá trị Cw Mặc khác hình dáng vỏ xe ảnh hưởng đến nhạy cảm với lực gió bên ρ ρ N = C N S v (N) M = CM S v l (N.m) CN CM L : Hệ số khí động theo phương lực bên tác dụng : Hệ số khí động theo momen quay tác dụng : chiều dài ơtơ (m) Hình – 3: Lực momen khí động gây nên với ơtơ Trang - - Cơ sở thiết kế Ơtơ Lực cản diện Pw ảnh hưởng đến lượng tiêu hao nhiên liệu, lực ngang N momen quay xung quanh trục thẳng đứng M chủ yếu ảnh hưởng đến khả ổn định ơtơ chuỷên động với tốc độ cao Vì thiết kế ta cần ý thiết kế tối ưu cho yếu tố tính kinh tế nhiên liệu tính ổn định ơtơ I.2 Sức kéo ơtơ tải u cầu: - Kinh tế vận tải - Có đặc tính động học đáp ứng u cầu vận tải cường độ cao - Tăng tốc tức thời với mục đích nhanh chóng dành tốc độ cần thiết 1.2.1 Tốc độ lớn nhất: Đối với ơtơ tải có tổng trọng lượng đến 3,5 tấn: 110 km/h Đối với ơtơ tải có tổng trọng lượng lớn 3,4 tấn: 90 km/h Đồn xe: 80km/h Giá trị tốc độ dùng để xác lập cơng suất động cần thiết cho việc đảm bảo sức kéo ơtơ phưong diện tốc độ khả gia tốc 1.2.2 Tốc độ vận tải trung bình kỹ thuật vo Ngày nay, ơtơ tải người ta dùng: vận tốc vận tải trung bình kỹ thuật v o, tốc độ đặc trưng cho chế độ sử dụng ơtơ Tốc độ phụ thuộc vào cơng suất động cơ, tốc độ lớn ơtơ, ngồi phụ thuộc vào mức độ sử dụng đặc tính tốc độ điều kiện vận tải cụ thể, ảnh hưởng yếu tố bên ngồi khơng liên quan đến kết cấu ơtơ như: chất lượng mặt đường, số lượng thành phần tham gia vận tải, chướng ngại vật, biển báo tốc độ, khí hậu … Để đánh giá sức kéo ơtơ tải đồn xe ta dùng giá trị cơng suất đơn vị, N M: cơng suất động theo khối lượng tồn ơtơ (kW/tấn) Hình – 4: Quan hệ NM, lượng nhiên liệu tiêu thụ với tốc độ vận tải trung bình Trang - - Cơ sở thiết kế Ơtơ Dựa vào đồ thị ta thấy: tốc độ vận tải trung bình theo cơng suất tăng đến giá trị định, gia tăng tiếp tục cơng suất đơn vị chủ yếu nâng cao gia tốc chuyển động, đảm bảo tăng tốc độ trung bình ơtơ mà lại gây khó khăn cho việc đảm bảo độ tin cậy kết cấu ơtơ Khả nâng cao vận tốc trung bình phụ thuộc vào: - Mức độ sử dụng cơng suất động - Tổng số truỳên hộp số - Dạng đặc tính ngồi tốc độ động Xong việc nâng cao bị giới hạn bởi: - Khả nâng cao suất động hòan thiện chất lượng ơtơ - Tốc độ giới hạn cho phép đảm bảo an tồn giao thơng quốc tế quy định tiêu thụ nhiên liệu 1.2.3 Lượng tiêu thụ nhiên liệu Đây thơng số quan trọng để tính kinh tế nhiên liệu Đơn vị tính tính cho 100km 100km.tấn cho cơng việc vận tải Lượng tiêu thụ nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ chuỷên động điều kiện chuyển động (tượng tự xe con) I.3 Sức kéo ơtơ đầu kéo đồn xe 1.3.1.Đầu kéo: Cơng suất đặt đầu kéo chọn từ giá trị cơng suất đơn gị N M (kW/tấn) thơng thường giá trị cơng suất đơn vị nhỏ phải lớn 2,2 (kW/tấn) để đảm bảo khả vận tải có tính kinh tế nhiên liệu cao đòi hỏi hộp số phải có số lượng tỷ số truyền lớn Lưu ý: khả chuỷên động đạt vmax thiết kế đồn xe xảy mà chủ yếu để tạo điều kiện khắc phục đường dốc tăng tốc đồn xe đến tốc độ ổn định 1.3.2 Lượng tiêu hao nhiên liệu Trong đồn xe, yếu tố ảnh hưởng đến lượng tiêu thụ nhiên liệu là: - Dạng khí động học xe - Số lượng tỉ số truyền - Kết cấu hệ thống truỳên lực - Kết cấu bố trí điều khiển hướng chuyển động Tất các yếu tố làm thay đổi hệ số C w, làm thay đổi đến lực cản khơng khí dẫn đến thay đổi lượng nhiên liệu tiêu thụ I.4 Sức kéo ơtơ có khả động cao Ơtơ loại có khả chuyển động loại mặt đường khơng hồn thiện: hệ số bám thấp, khơng phẳng, độ dốc cao, nhiều chướng ngại vật hình học … 1.4 Lực kéo đơn vị, hay nhân tố động lực học (D) Đánh giá sức kéo ơtơ có khả động cao dùng lực kéo đơn vị p k (lực kéo đơn vị trọng lượng) pk = Pk ≈D Gtb Lực kéo đơn vị ơtơ loại phải đạt (0,5÷0,7) Còn loại xe nhỏ hay loại đặc biệt lấy tới 1,0 ta tăng lực kéo đơn vị khi: - Nâng cao cơng suất động - Nâng cao giá trị tỷ số truyền Trang - - Cơ sở thiết kế Ơtơ Đối với loại có khả động cao sử dụng đường khơng hồn thiện, giá trị cơng suất đơn vị tối thiểu phải lấy (9÷11)kW/tấn, loại xe nhỏ hay sử dụng điều kiện đặc biệt lấy 20kW/tấn 1.4.2 Tỷ số truyền Để ơtơ chuỷên động tốt điều kiện đường phức tạp, cần bố trí thêm số truyền khắc phục lực cản cao, đặc biệt thời gian ngắn điều kiện thế, khơng thay đổi cơng suất động ta phải thêm vào hay hai số truỳên khỏan cách số truyền phải nhỏ Tốt hết sử dụng hệ thống truyền lực tổ hợp gồm: truyền vơ cấp (thủy lực) truỳên có cấp Ơtơ có tỷ số truỳên cao có số lượng tỷ số truỳên 10 cơng bội lớn nên lấy vùng giá trị nhỏ (tối đa q=1,4) Khoảng tỷ số truyền phải phù hợp tốc độ chuyển động tối thiểu u cầu với chế độ làmviệc động số vòng quay tương ứng với M emax Chẳng hạn tốc độ nhỏ ơtơ hoạt động chế độ khó khăn đạt (3÷4)km/h tốc độ động nMmax Việc phân chia tỷ số truyền cần thiết thực theo cấp số nhân có hiệu chỉnh sau: dãn rộng vùng có tỷ số truỳên lớn (số thấp) ép sát vùng có tỷ số truyền nhỏ, điều làm cho ơtơ có khả vựơt chướng ngại vật tốt tốc độ thấp 1.4.3 Lượng dự trữ nhiêu liệu Lượng nhiên liệu dự trử ơtơ có khả động cần thiết phải đảm bảo chuỷên động liên tục khoảng (500÷600)km 1.4.5 Khả vượt dốc Để đảm bảo khả vượt dốc cao, độ dốc tối đa lên đến 80%, thơng thường độ dốc cần khắc phục khoản 60% (≈300) Tuy nhiên cho phép khả vượt dốc cao cần ý đến điều kiện bơi trơn động hệ thống truỳên lực động ngày cho phép làm việc góc 300 I.5 Các biện pháp chung giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ Xu hướng giới tiết kiệm nguồn lượng dự trữ, cụ thể lượng hóa thạch Mặc khác giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu làm giảm nhiểm mơi trường go khí xả động gây nên Lượng nhiên liệu tiêu thụ phụ thuộc vào ngun nhân khác nhau: điều kiện ngoại cảnh, người sử dụng, chất lượng kỹ thuật xe Để làm tốt tính kinh tế nhiên liệu thiết kế ta phải: - Tăng hiệu suất động đốt biện pháp hồn thiện kết cấu - Giảm trọng lượng thân ơtơ - Tạo dáng khí động học tốt - Giảm nhỏ lực cản lăn - Tối ưu hóa tỷ số truyền phù hợp với đặc tính làm việc động - Tăng cường chất lượng bơi trơn - Tiêu chuẩn hóa nhiên liệu sử dụng theo tiêu chuẩn quốc tế - Sử dụng hệ thống điều khiển điện tử cho việc chuyển số 1.5.1 Hồn thiện chất lượng làm việc động Xu hướng sử dụng hệ thống điều khiển phun xăng phun nhiên liệu diesel điện tử, hệ thống tự động điều chỉnh góc mở hành trình xupap nạp → giảm mức tiêu hao nhiên liệu nhiểm mơi trường Trang - - Cơ sở thiết kế Ơtơ Việc sử dụng loại động Hybrid cho phép động làm việc chế độ tối ưu nhiên liệu lý tưởng sử dụng động Hydro Sự thay đổi mạnh mẻ cấu trúc nguồn động lực sẽlà xu hướng phát triển cơng nghiệp ơtơ thời gian tới 1.5.2 Hồn thiện dạng vỏ khí động ơtơ Hình dạng ơtơ ảnh hưởng lớn đến lượng tiêu hao nhiên liệu đặc biệt xe thường xun làm việc tốc độ cao, hay ơtơ có kích thước lớn chất lượng khí động đánh giá thơng qua hệ số khí động Cw q trình thay đổi kết cấu vỏ làm nhẵn bề mặt làm giảm hệ số Cw - Đối với ơtơ sau 50 năm Cw giảm từ 0,55 xuống 0,35 - Đối với xe bus, hồn thiện vỏ xe tập trung vào việc tập trung tối ưu hóa góc lượn R phần đầu nghiên cứu cho thấy tỉ lệ góc lượng R chiều rộng ơtơ B(R/B) ảnh hưởng đến giá trị Cw, thể hình sau - Đối với đồn xe kéo rơ mc, việc giảm lực cản khơng khí tập trung vào giải pháp sau: tăng góc lượng phần đầu giảm khoản trống phần đầu kéo phía trước phần rơ mooc phía sau + Rơ mc có bán kính góc lượn R lớn cho phép giảm 5% giá trị hệ số C w sovới rơmc có R=0 + Rơmc sử dụng đòn kéo ngắn cho phép giảm 6,5% giá trị hệ số Cw so với rơmc có đòn kéo dài + Rơmooc có bán kính góc lượn R lớn sử dụng đòn kéo ngắn cho phép giảm Cw 10% + Rơmooc có phủ kín khoản thân cho phép giảm 12% giá trị hệ số khí động Khi ơtơ chuỷên động mơi trường có gió tác động với góc lệch đến 30 so với trục dọc ơtơ, giá trị lượng tiêu hao nhiên liệu gia tăng lên khoản (15÷60)% tùy thuộc vào kết cấu đồn xe hay kết cấu dạng vỏ I.6 Ơtơ có nguồn động lực động đốt 1.6.1 Đặc tính lý tưởng nguồn động lực ơtơ Nguồn động lực lý tưởng cấp cho ơtơ để khắc phục lực cản chuỷên động biểu diển thơng qua phương trình sau: N e = M e ωe Khi sử dụng động xăng diesel động có nhược điểm sau: - Hiệu suất lượng thấp - Đặc tính tải trọng với dạng đặc tính tốc độ động có dạng parabol - Khơng có khả làm việc tốc độ ω=0 - Sử dụng nhiên liệu có khả gây nhiểm mơi trường - Tiêu thụ nhiên liệu nhiều hoạt động tốc độ thấp cao - Khí thải gây nhiểm mơi trường Trang - - Cơ sở thiết kế Ơtơ Hình – 5: Các đường đặc tính tốc độ động xăng (a) diesel (b) Tuy nhiên nhược điểm cơng suất momen khắc phục cách bố trí thay đổi tốc độ momen qua hộp số Vấn đề giải vấn đề tiêu hao nhiên liệu nhiểm mơi trường Bảng thơng số để lựa chọn loại động cơ: Khối Lượng nhiên Hiệu suất max So sánh giá Loại động lượng*/cơng liệu tiêu thụ (%) thành sản xuất suất (kg/kW) (g/kW.h) Xăng 1,0 2,5÷3,5 270÷305 25÷30 Diesel 3,5÷5,5 210÷235 35÷40 1,5÷2,0 (*): Khối lượng tính cho động Khả gây nhiểm mơi trường hai động khác động xăng lượng khí thải độc hại C xHy, NOx, SO2, CO lớn hơn, lượng muội than nhỏ so với động diesel Nếu xét khoản khơng gian chiếm chổ thì: động xăng có thường có cơng suất nhỏ hơn, độ ồn thấp, giá thành rẻ động diesel lại có lượng nhiên liệu thấp Động diesel có nhiều ưu việt hơn, ơtơ tải chí xe sử dụng loại nhiên liệu Bảng giá trị thường sử dụng thiết kế nguồn động lực (số liệu trung bình giai đoạn 1990÷2000): Kiểu ơtơ Kiểu động Số xilanh Ơtơ Xăng kỳ tải nhẹ Trang - - Thể tích Cơng suất buồng đốt danh nghĩa (dm3) (kW) 0,5÷0,8 15÷30 0,6÷2,5 20÷80 2,0÷4,0 60÷150 2,5÷5,0 80÷200 Số vòng quay danh nghĩa (rpm) 3500÷6000 Cơ sở thiết kế Ơtơ Ơtơ tải Diesel 3,0÷6,0 4,0÷8,0 2,0÷5,0 4,0÷12 8,0÷15 8÷12 75÷150 100÷200 40÷75 75÷250 150÷350 3000÷4000 3000÷4000 Ơtơ tải chun dụng Diesel bus 2500÷3200 Ơtơ động Diesel 6÷12 10÷50 200÷1000 2500÷3000 cao 1.6.2 Quan hệ thích ứng động học động hộp số Khả làm việc động hộp số đánh giá khả thích ứng động học động kđh: k đh = ne max nMe max Trong đó: Nemax: số vòng quay lớn động NMemax: số vòng quay ứng với momen cực đại o Đối với động xăng: kđh=1,9÷2,2 o Đối với động diesel: kđh=1,5÷1,9 Trong năm gần nhờ ứng dụng hệ thống điện tử việc điều khiển động nên cho phép mở rộng giá trị kđh - Đối với động xăng: kđh=1,8÷2,5 - Đối với động diesel: kđh=1,7÷2,1 Kđh định đến việc phân chia tỷ số truỳên số lượng tay số hộp số hộp số ngày phân chia tỷ số truỳên theo cấp số nhân với cơng bội hiệu chỉnh q điều kiện làm việc tốt thực khi: q ≤ k đh Điều kiện thực với số truỳên 2, 3, … trở lên, riêng số 1, dùng q > kđh Khi chế độ tải trọng thay đổi vùng rộng giá trị q phải nhỏ dẫn đến sử dụng nhiều tay số I.7 Tốc độ lớn ơtơ Vmax Ơtơ đạt tốc độ cực đại ứng tốc độ nemax động cơ, nâng cao nemax ta nâng cao tốc độ cực đại vmax ơtơ - Động xăng ơtơ con: nemax đạt đến 8000 (rpm) - Động diesel ơtơ xe tải nhỏ: nemax đạt đến 4200 (rpm) - Động diesel đặt xe tải xe bus: nemax đạt đến 3400 (rpm) Tốc độ cực đại vmax ngồi việc phụ thuộc vào tốc độ cực đại n emax động liên quan chặt chẻ với cách bố trí tỷ số truỳên hộp số, tỷ số truỳên lực Khi ơtơ di chuỷên với tốc độ vmax tay số phải sơ cao → tỷ số truỳên hệ thống truyền lực thấp nhất: - Đối với hộp số có tỷ số truỳên tăng io phải lớn - Đối với hộp số khơng có tỷ số truỳên tăng io nhỏ Khi nâng cao tỷ số truỳên truỳên truỳên lực i o làm tăng hao mòn động cơ, mặc khác gây nên tăng kích thước cầu xe làm giảm khả thơng qua Trang - - Cơ sở thiết kế Ơtơ ơtơ Khi giảm q nhỏ phải nâng cao tỷ số truyền hộp số điều khơng thích hợp cho việc phân chia tỷ số truyền hộp số Giá trị tỷ số truyền hợp lý cho truỳên lực cấp 3,5÷6,0 truyền cấp 5,5÷8,0 ngày người ta sử dụng truỳên bánh hypoic, cơng nghệ chế tạo phức tạp truỳên bánh răng cong có khả làm giảm kích thước bánh bị động giảm độ ồn tối đa I.8 Khả vượt dốc lớn Khả vượt dốc lớn tiêu tính ghơng qua ơtơ lại liên quan mật thiết với momen lớn Memax động sinh tỷ số truỳên hộp số ih1 Góc dốc tối cực đại ơtơ vượt khơng thấp 10 o (18%), thiết kế thường lấy (14÷18)o (hay (25÷32)%) ơtơ thơng dụng Khi lấy giá trị lớn đòi hỏi động phải có momen xoắn cao, tức phải nâng cao cơng suất động Tỷ số truỳên cao hộp số i h1 gị giới hạn điều kiện bám bánh xe, chọn với giá trị lớn dùng ơtơ có khả động cao Tóm lại giá trị tỷ số truỳên hộp số cầu xe chịu anh 3hưởng khả chế tạo động tiêu kinh tế kỷ thuật u cầu ơtơ II CÁC U CẦU VỀ AN TỒN CỦA ƠTƠ 2.1 Tính an tồn Chuỷên động ơtơ tổng hợp trạng thái động lực học phức tạp tạo nên thành phần có biểu sau: Người lái Ơtơ Mơi trường Hình 2-1: Mơ hình người lái – ơtơ – mơi trường Nhiệm vụ quan trọng kết cấu cho phép ơtơ có đặc tính cho hổ trợ người lái tránh tình cố bảo vệ tối đa người, ơtơ hàng hóa trước tai nạn xảy Người lái thành phần điều khiển biểu thị bnằg thơng số vào, thành phần thứ hai mơi trường chuyển động ơtơ, sau đặc tính chuỷên động ơtơ Mơi trường đặc trưng đặc tính thơng số hình học mặt đường, điều kiện khí hậu, mật độ hình dạng chướng ngại vật Các thành phần tính an tonà vận tải ơtơ bao gồm: - An tồn chủ động - An tồn thụ động - An tồn mơi trường Các thành phần tính an tồn liên quan đến hàng loạt vấn đề kết cấu tồn ơtơ, tính điều khiển, thiết bị an tồn bị động: cho người ngồi bên trong, khách hành cách Trang - 10 - Cơ sở thiết kế Ơtơ điểm chổ người lái, ngang tầm đầu lái xe, hai điểm khoang hành khách ngang tầm ghế ngồi, hai điềm sau xe ngang tầm đầu hành khách Một số giá trị độ ồn cho phép: - Đối với xe có tự trọng đến 1,5 tấn: