Bài giảng Lí thuyết oto full

Tiếng Việt: XE: một phương tiện vận chuyển trên mặt đất (rất chung): xe trượt, xe cút kít, xe bò, xe cải tiến, xe đạp, xe máy, xe ô tô, xe hỏa,… Xe ra đời là do nhu cầu vận chuyển của con người Sơ lược về sự ra đời và phát triển của lốp xe 1839: Công nghệ lưu hóa cao su: Charles Goodyear, 1845: Lốp hơi đầu tiên: Robert Willam Thompson, (một vài ống cao su mỏng được bơm hơi vào, bên ngoài phủ một lớp da) 1888: John Boyd Dunlop đăng ký phát minh lốp hơi cho xe đạp, 1893: Cty lốp Dunlop (The Dunlop Pneumatic and Tyre Co.) ra đời ở Hanau 1895: André và Edoard Michelin sản xuất lốp hơi cho xe Feugeot chạy thử nghiệm hành trình Paris – Bordeaux – Paris (720 dặm ≈ 1158 km), xe bị xẹp lốp 50 lần và phải thay mất 22 bộ săm, 1899: châu Âu: chế tạo được lốp bền hơn (khoảng 500 km), 1904: cho các bon vào cao su tạo nên lốp đen, 1908: Frank Seiberling: làm lốp có khía rãnh (hoa lốp, talong), 1922: Dunlop: lốp có vành thép ở mép lốp, 1943: lốp không săm được đăng ký bản quyền ở châu Âu, 1946: lốp hướng kính (radian) ra đời

1.1 XE

1.1.1 Mở đầu - Tiếng Việt: XE: một phương tiện vận chuyển trên mặt đất (rất chung): xe trượt, xe cút kít, xe bò, xe cải tiến, xe

đạp, xe máy, xe ô tô, xe hỏa,…

- Xe ra đời là do nhu cầu vận chuyển của con người

P1 G

P2 G

1.1.2 Bánh xe và xe có bánh

Fk do người hoặc súc vật (lực kéo)

Fk thông qua khung xe → Pb lên trục bánh xe → Mô men Mb = Fbr

Mb làm cho bánh xe quay → xe chuyển động

Fk G

=

1877 - Động cơ xăng: Nicolaus August Otto

1897 - Động cơ điêzen: Rudolf Diesel

Hình 1.10

Động cơ xăng của

Otto

Hình 1.12Rudolf Diesel

1858 - 1913

Hình 1.11 Nicolaus August Otto

1832 - 1891

Xe tự chạy có động cơ, có trên 2 bánh hoặc phối hợp bánh với xích

và dùng để vận chuyển chủ yếu trên đường bộ

Hình 1.13 Ô tô - đối tượng nghiên cứu của chúng ta

1.2 BÁNH XE

1.2.1 Giới thiệu chung

Bánh xe là phần tử liên kết thân xe với mặt đường Nhiệm vụ:

- Đỡ toàn bộ trọng lượng xe theo phương thẳng đứng,

- Giảm tác động từ mặt đường lên xe,

- Truyền lực dọc, lực ngang khi chuyển động thẳng, phanh và khi quay vòng,

- Kiểm soát hướng chuyển động của ô tô

Hình 1.14 Bánh xe ô tôBánh xe có săm (trái);

Bánh xe không săm (phải)

1 Săm; 2 Lốp; 3 Vành bánh xe; 4 Van không khí

Chỉ nghiên cứu bánh xe đàn hồi trên nền cứng

1.2.2 Lốp xe

1.2.2.1 Sơ lược về sự ra đời và phát triển của lốp xe

1839: Công nghệ lưu hóa cao su: Charles Goodyear,

1845: Lốp hơi đầu tiên: Robert Willam Thompson,

(một vài ống cao su mỏng được bơm hơi vào, bên ngoài phủ một lớp da)

1888: John Boyd Dunlop đăng ký phát minh lốp hơi cho xe đạp,

1893: Cty lốp Dunlop (The Dunlop Pneumatic and Tyre Co.) ra đời ở Hanau

1895: André và Edoard Michelin sản xuất lốp hơi cho xe Feugeot chạy thử nghiệm hành trình Paris – Bordeaux – Paris (720 dặm ≈ 1158 km), xe bị xẹp lốp 50 lần và phải thay mất 22 bộ săm,

1899: châu Âu: chế tạo được lốp bền hơn (khoảng 500 km),

1904: cho các bon vào cao su tạo nên lốp đen,

1908: Frank Seiberling: làm lốp có khía rãnh (hoa lốp, talong),

1922: Dunlop: lốp có vành thép ở mép lốp,

1943: lốp không săm được đăng ký bản quyền ở châu Âu,

1946: lốp hướng kính (radian) ra đời

1.2.2.2 Sơ lược về cấu tạo của lốp xe

Ví dụ lốp có ký hiệu: 9.00 – 20 (lắp cho các xe tải khoảng 5 tấn) có r0 được tính

theo biểu thức 1.1 như sau:

Ký hiệu vmax (km/h) Ký hiệu vmax (km/h) Ký hiệu vmax (km/h) Ký hiệu vmax (km/h)

95: tải trọng mà lốp có thể chịu được: 75 ÷ 105 ~ 380 ÷ 925 kg

H: giới hạn vận tốc tối đa (vmax): H tương ứng với vận tốc tối đa 210 km/h

Ví dụ lốp có ký hiệu P215/65R15 95H có r0 được tính như sau:

0

15.25, 4 2.215.0, 65

330, 25 2

Có thể căn cứ vào ký hiệu lốp để xác định r0

1.2.3.2 Bán kính tĩnh rt: Khoảng cách từ tâm trục bánh xe đến mặt đường khi xe đứng yên và chịu tải trọng thẳng đứng.

1.2.3.3 Bán kính động lực học rd: Khoảng cách từ tâm trục bánh xe đến

mặt đường khi xe chuyển động → bán kính thực tế của xe khi chuyển

động

Bán kính rd phụ thuộc: tải trọng thẳng đứng, vật liệu lốp, áp suất lốp, mô

men trên bánh xe, vận tốc xe

Trượt quay → rl giảm, trượt lết → ngược lại.

Trượt quay hoàn toàn : v = 0 → rl = 0; Trượt lết hoàn toàn: ω = 0 → rl = ∞

l

v r

ω

=

Các yếu tố ảnh hưởng đến bán kính lăn rl cũng bao gồm tải trọng thẳng đứng, vật liệu lốp, áp suất lốp, mô men trên bánh xe, vận tốc xe, trong đó yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất là mô men trên bánh xe.

Hình 1.17

Biến dạng tiếp tuyến

của lốp xe khi chịu

mô men xoắn

Hình 1.18

Sự thay đổi giá trị bán kính lăntheo mô men xoắn tác dụng vào bánh xe

1.2.3.5 Bán kính làm việc trung bình rb: Là bán kính có kể đến biến dạng của lốp do ảnh hưởng của các thông số đã trình bày ở trên

Bán kính này sẽ được sử dụng trong quá trình tính toán động lực học cũng như thiết kế ô tô

rb = λr0 (1.3)

Lốp áp suất thấp (áp suất = 0,08 ÷ 0,5 MN/m2): λ = 0,930 ÷ 0,935

Lốp áp suất cao (áp suất = 0,5 ÷ 0,7 MN/m2): λ = 0,945 ÷ 0,950

Hình 1.17Ảnh hưởng của mô men chủ độngđến bán kính lăn của bánh xe

1.3 LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA BÁNH XE VÀ MẶT ĐƯỜNG

Xét bánh xe mềm lăn trên nền cứng, xe không chịu lực ngang

Nơi bánh xe tiếp xúc với mặt đường → nơi xe giao tiếp với mặt đường

Điều kiện tiếp xúc giữa bánh xe và mặt

 Phương,

 Chiều

 Giá trị

 Thành phần thẳng đứng: vuông góc với mặt đường,

 Thành phần song song với mặt đường theo phương dọc,

 Thành phần song song với mặt đường theo phương ngang

Trường hợp tổng quát phản lực này gồm 3 thành phần:

Trong mục này khảo sát chủ yếu thành phần song song với mặt đường theo phương dọc

1.3.2 Thành phần song song với mặt đường theo phương dọc

Các lực tác dụng (hình 1.20):

 Từ khung xe: Lực đẩy dọc Fb: chiều phụ thuộc M

 Trọng lượng: Gb = G’b + G”b;

 Từ mặt đường: Fz , Fx; Fz dịch về phía trước một khoảng e;

 Lực quán tính (tịnh tiến) của bánh xe Fqb;

 Mô men quán tính của bánh xe và các chi tiết liên quan Mqb

Lực cản lăn Ff

Có khi xe chuyển động (e ≠ 0) Ngược chiều CĐ

r

=

Lực kéo tiếp tuyến Fk(1.10)

Chỉ có khi có M

Nếu là Mk:

Lực phanh FpNếu là Mp:

(1.12)

(1.11)

Hình 1.21

k k

d

M F

d

M F

r

=

e t t k

1.3.3 Phản lực mặt đường khi bánh xe chịu mô men phanh

Hình 1.25 Sự thay đổi của khoảng cách

dịch chuyển e theo lực phanh (thí nghiệm với bánh xe của xe ГАЗ-АА)

1.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ SỐ CẢN LĂN

Hình 1.27 Ảnh hưởng của vật liệu đường, áp suất lốp

Hình 1.26 Ảnh hưởng của vận tốc xe, kết cấu lốp

d

e f

r

=

Hình 1.29 Ảnh hưởng của vật liệu đường, đường kính bánh xe Hình 1.28

Ảnh hưởng của vận tốc xe, nhiệt độ lốp

(1.17) (v > 80 km/h; v: m/s)

,

f

1.5 SỰ TRƯỢT CỦA BÁNH XE

Khi lăn tinh: s = nπrd (1.18)Hoặc: vb = ωbrd (1.19)Khi s ≠ nπrd hoặc vb ≠ ωbrd → bánh xe bị trượt

ω

Không trượt: λk = 0; Trượt quay hoàn toàn: λk = 1

Sự trượt của bánh xe chủ động do:

- Biến dạng của lốp xe theo chiều tiếp tuyến,

- Trượt tương đối giữa bề mặt lốp và đường

Hình 1.30

Quan hệ giữa độ trượt và

hệ số lực kéo

1.5.2 Bánh xe chịu mô men phanh

Không trượt: λp = 0; Trượt lết hoàn toàn: λp = 1

Sự trượt của bánh chịu mô men phanh do:

- Biến dạng của lốp xe theo chiều tiếp tuyến,

- Trượt tương đối giữa bề mặt lốp và đường

Hình 1.31Quan hệ giữa độ trượt và hệ số lực phanh trên các loại đường khác nhau

1.6 VẤN ĐỀ BÁM CỦA BÁNH XE VÀ VỚI MẶT ĐƯỜNG

1.6.1 Khả năng bám

Khả năng bám là khả năng giữ cho bánh xe không bị trượt khi có mô men xoắn tác dụng vào

bánh xe

Bánh xe chủ động: Mk → trượt quay

Bánh xe khi phanh: Mp → trượt lết

Khả năng bám phụ thuộc: vật liệu lốp, cấu tạo hoa văn và tình trạng của lốp, vật liệu đường

và tình trạng mặt đường,

1.6.2 Lực bám

Hình 1.32

M tăng, → Fx tăng; nhưng chỉ tăng đến một giá trị nhất định;

Nếu M tăng nữa → bánh xe trượt → Fx → Fxmax

1.6.3 Hệ số bám: Hệ số không thứ nguyên, ký hiệu φ

Nhựa, bê tông

- Khô, sạch

- Ướt

0,7 ÷ 0,8 0,35 ÷ 0,45

Đường đất

- Pha sét, khô

- Ướt

0,5 ÷ 0,6 0,2 ÷ 0,4

Đường cát

- Khô

- Ướt

0,2 ÷ 0,3 0,4 ÷ 0,5

1.6.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám

Hình 1.34Vận tốc xe, trạng thái mặt đường Hình 1.33

Tải trọng, trạng thái mặt đường

Hình 1.35

Áp suất lốp, trạng thái mặt đường

Hình 1.36

Độ trượt

BÀI TẬP

1 Tính r0 và rb cho lốp có ký hiệu sau đây: 6.00 – 14; 235/55R18; 8.25 – 16; 215/45R17, biết rằng đây là lốp áp suất thấp

2 Tính bán kính lăn và độ trượt của các bánh xe, nêu nhận xét về xe và tình trạng chuyển động của xe trong các trường hợp sau:

a Xe lắp lốp loại 8.25 – 16, tại v = 22 km/h, hai bánh trước có nb =150 v/ph, bánh sau phải và trái có số nb lần lượt là 195 v/ph và

4 Tính độ trượt của các bánh xe trong trường hợp sau:

a Xe tăng tốc, tại v = 18 km/h, hai bánh trước có nb = 95 v/ph, bánh sau phải và trái nb = 130 v/ph và 145 v/ph, rd = 0,5 m

b Xe đang phanh, tại v = 10 km/h, hai bánh sau nb = 0, bánh trước phải và trái có nb = 30 v/ph và 45 v/ph, rd = 0,32 m

c Xe đang đi qua quãng đường lầy lội với v = 7 km/h, hai bánh trước có nb = 37 v/ph, bánh sau phải và trái có nb = 150 v/ph và 120 v/ph, rd = 0,5 m

4 Tính độ trượt của các bánh xe trong trường hợp sau:

a Xe đang tăng tốc, tại thời điểm vận tốc 18 km/h, hai bánh trước có số vòng quay 95 v/ph, bánh sau bên phải và bên trái có số vòng quay 130 v/ph và 145 v/ph, bán kính động lực học bánh xe 0,5 m

b Xe đang phanh, tại thời điểm vận tốc 10 km/h, hai bánh sau có số vòng quay = 0, bánh trước bên phải và bên trái có số vòng quay

30 v/ph và 45 v/ph, bán kính động lực học bánh xe 0,32 m

c Xe đang đi qua quãng đường lầy lội với vận tốc 7 km/h, hai bánh trước có số vòng quay 37 v/ph, bánh sau phải và trái có số vòng quay 150 v/ph và 120 v/ph, bán kính động lực học bánh xe 0,5 m

 

Lực và mô men chủ động → lực và mô men làm cho ô tô chuyển động;

Xe tự hành → chuyển động → phải có nguồn động lực đặt trên xe

2.1 LỰC VÀ MÔ MEN CHỦ ĐỘNG

2.1.1 Nguồn động lực

 Khi chưa có động cơ → người, súc vật,

 Động cơ nhiệt:

- Động cơ hơi nước: đốt ngoài (Jem Wat/1764)

- Động cơ đốt trong loại pittông: xăng (Nicolaus August Otto/1877),

điêzen (Rudolf Diesel/1897)

Hình 2.2Hình 2.1

FbMk

F

(2.1)

(2.2)

(2.3)Hình 2.4

b

t t e b

k k

r

i

M r

b

M F

r

=

2.2.2 Lực cản dốc Fd

Khi leo dốc: G

GcosαGsinαSong song mặt đườngNgược chiều ch.độngGsinα

Lực cản lên dốc: Fd = Gsinα (2.7)

Fψ = G(fcosα + sinα) (2.8) → ψ = fcosα + sinα (2.9) → Hệ số cản tổng cộng

Lực cản tổng cộng của đường Fψ : Fψ = Ff + Fd = Gfcosα + Gsinα

cosα ≈ 1; sinα ≈ tanα → ψ = f + tanα (2.10)

Hình 2.6

Khi α ≤ 150 vì sai số khi tính theo 2.10 hoặc 2.11 và theo 2.9 nhỏ

Ví dụ: f = 0,02; α = 150; Theo 2.9: ψ = 0,02cos150 + sin150 = 0,278;

theo 2.10: ψ = 0,02 + tan150 = 0,288 Ta có sai số ≈ 3,5%

2.2.3 Lực cản không khí Fw

1 Lực cản chính diện;

2 Lực cản do tạo thành khoảng chân không phía sau ô tô;

3 Lực cản do ma sát giữa lớp không khí sát với mặt bên ô tô

Lực cản không

khí

Hình 2.7

Thành phần 1 và 2: hình dạng xe: thiết kế

ρ: mật độ không khí: 1,24 kg/m3C: hệ số khí động:

Thành phần 3: công nghệ: nhấp nhô hiện nay: 0,5 ÷ 1 μm

Ngoài ra: thành phần nhiễu: gương, tay nắm cửa;

2.2.4 Lực cản quán tính Fq

Khi v ≠ const → j, ε → lực và mô men quán tính

F = mj (2.16) M = Iε (2.17)

Có 2 khối lượng tạo ra lực quán tính:

Chuyển động tịnh tiến: khối lượng toàn bộ xe m → F’q (thành phần thứ nhất)

Khối lượng chuyển động quay:

Xe chuyển động → Bánh xe quay → động cơ, HTTL quay

Xe: j → chi tiết quay: ε → Mô men quán tính Mj → F”q (thành phần thứ hai)

b e

r

i j

b n

r

i j

i =

= ε ε

δi = 1,05 + 0,0015it2 (2.32)

2.2.5 Lực cản mooc kéo

Khi kéo mooc → lực cản mooc kéo cũng có các thành phần:

- Đường: n, Q: số lượng, trọng lượng mooc kéo;

I

mr ≈

m q

2.3.2 Xe chuyển động trên đường bằng

2.3.2.1 Xe chuyển động trên đường bằng

Không kéo mooc:

2.3.2.3 Phanh trên đường bằng

(không kéo mooc)

L

h F h

F fr

z

G a fr F h F h F

b G

a G

z

+ +

=

2

L

h F

Ga

Fz − q

=

2

(2.50)

(2.51)

2.3.2.3 Phanh trên đường bằng (không kéo mooc)

Hình 2.12Phanh cực đại :

Fq = Fp1 + Fp2 → Fqmax = Fp1max + Fp2max = Fz1φ +Fz2φ = (Fz1 + Fz2)φ = Gφ (2.52)

L

h F

2.3.2.4 Xe chuyển động trên đường bằng với vận tốc cao

Ví dụ: Xe con G = 20000 N; b = 1,2 m; Cw = 0,4; A = 2 m2; hw = 0,6 mĐiều kiện

m GL

h F

Gfr GL

Gb G

F

t w

w b

k z k

m GL

h F

Gfr GL

Ga G

F

t w

w b

k z k

+ +

=

+ +

GL

h F GL

Gb G

GL

h F GL

Gb G

11

L

h m

1 1

2.3.3 Xe đứng yên trên đường dốc

Khi xe quay đầu lên dốc:

Điều kiện lật xe:

Tính toán → Xe không tải: α = 600 ; Có tải: du lịch: α = 600 ; tải: α = 350 ÷ 400

cos

L

hG bG

2.3.4 Xe chuyển động thẳng trên đường dốc

Các dấu trong biểu thức phụ

thuộc lên hoặc xuống dốc,

tăng tốc hoặc phanh

F h

fr b

F h

fr a

G

2

Các trường hợp nguy hiểm: Xe lên dốc có tăng tốc

Khó xảy ra Fz1 → 0 xe sẽ mất kiểm soát → rất nguy hiểm

→ Gbcosα ≤ Gfrbcosα +Ghsinα + Fwhw + Fqh + Fmhm (2.82)

Khả năng xe bị trượt: Gsinα + Fq + Fm ≥ Fz1φ + Fz2φ = φGcosα (bỏ qua Ff , Fw)

F Gh

2.3.5 Xe đứng yên hoặc chuyển động thẳng trên đường nghiêng

(2.89)

(2.90)

Điều kiện bị xe trượt:

(Fyt + Fyp)max ≤ Gsinβ

2.3.6 Xe quay vòng trên đường phẳng

(2.96)

(2.97)

(2.100) Fzp ≤ 0 →nguy hiểm →lật

lt zp

lt zt

GB F h F

h v

3 G = 50000 N, đường bằng; Me = 300 Nm, it = 25, ηt = 0,85, rb = 0,4 m Tính gia tốc của xe, coi rằng lực cản không khí không đáng kể.

4 Xác định khả năng chuyển động của xe trong các trường hợp sau:

a Xe con G = 21000 N, cầu trước chủ động, a/b = 1,3/1,2 (m), Me = 180 Nm, it = 15, rb = 0,32 m, ηt = 0,85; f = 0,02, id = 25%, φ = 0,4; coi rằng lực cản không khí không đáng kể

b Xe tải G = 90000 N, cầu sau chủ động, a/b = 2,9/1,4 (m), Me = 400 Nm, it = 40, rb = 0,45 m, ηt = 0,85; f = 0,02, id = 26%, φ = 0,7; coi rằng lực cản không khí không đáng kể

5 Đường bằng f = 0,02, φ = 0,7; xe con cầu trước chủ động, a/b = 1,2/1,3 (m), G = 10000 N có thể kéo được xe tải có trọng lượng bao

nhiêu, giả thiết rằng xe con lắp động cơ có công suất đủ lớn

6 Đường id = 10%, f = 0,02, φ = 0,7; xe tải có cầu sau chủ động G = 80000 N, a/b = 2,7/1,3 (m) có thể kéo được xe mooc nặng bao nhiêu Biết xe tải có Memax = 350 Nm, itmax = 38, ηt = 0,85, rb = 0,42 m

7 Xe: a/b/h = 2,7/1,3/1,2 (m), đường: φ = 0,5 Xác định góc dốc của đường mà xe có thể đứng được (không bị trượt xuống) trong các trường hợp sau:

a Xe chỉ phanh cầu sau, đầu xe hướng lên dốc;

b Xe chỉ phanh cầu sau, đầu xe hướng xuống dốc;

c Xe chỉ phanh cầu trước, đầu xe hướng lên dốc;

d Xe chỉ phanh cầu trước, đầu xe hướng xuống dốc

3.1 KHÁI NIỆM

Mục đích: tính toán để xác định khả năng kéo của ô tô trong các điều kiện vận hành Có một số trường hợp cơ bản:

Ô tô đã được thiết kế chế tạo

Lắp một động cơ có sẵn lên một xe (cũng đã có sẵn)

- Công suất Ne;

- Mô men Me;

- Số vòng quay ne.

- Kích thước xe, lốp Động cơ

b Động cơ điêzen

Hình 3.2

3.2.1.2 Yêu cầu về công suất động cơ

- Khắc phục các sức cản chuyển động,

- Các hệ thống phục vụ hoạt động của ô tô như bơm, máy nén khí, chiếu sáng, …,

- Các tiện nghi trên xe,

Công suất động cơ:

Chi phí năng lượng

Trong chương này: Công suất động cơ → Khắc phục các sức cản chuyển động

α = 0;

j = 0 Chỉ còn

Cản lăn Cản không khí Khi vmax:

Công suất động cơ → chuyển động của xe tại vmax:

(3.3)

Công suất N

Lực F (mô men M) Vận tốc dài v (vận tốc góc ω)

3.2.2 Hệ thống truyền lực (HTTL)

HTTL

- Biến đổi đường đặc tính của động cơ cho phù hợp với nhu cầu của ô tô;

- Thỏa mãn một số yêu cầu khác trong vận hành: Khởi hành, chạy lùi, dừng lâu dài ô tô (động cơ vẫn hoạt động),

- Số cấp số nc,

- Giá trị it,

- Quy luật phân bố it,

- Hiệu suất truyền lực ηt

Hình 3.5

Số lượng và quy luật it

Fk tại vmax

Giá trị các tỉ số truyền it →thỏa mãn các điều kiện vận hành của xe

3.3 CHỌN ĐỘNG CƠ (cho trường hợp thiết kế ô tô mới)

3.3.1 Đặt vấn đề:

Động cơ đốt trong Nguồn động lực

Ví dụ 3.1 Chọn và xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ lắp cho xe sau đây: Xe du lịch 4 chỗ ngồi (không kể người lái); tự trọng xe: 15000 N; kích

thước xe:chiều rộng B0= 1650 mm; chiều cao H= 1450 mm; vận tốc cực đại của xe vmax = 180 km/h; chạy trên loại đường có hệ số cản lăn f = 0,02, góc dốc cực đại αmax = 15 0.

- Chọn loại động cơ: Chọn động cơ xăng (không hạn chế số vòng quay); số vòng quay tại công suất cực đại nN = 6000 v/ph.

- Tính công suất cần thiết của động cơ:

=

32

max

N

e N

e N

e e

e

n

n c n

n b n

n a N

N

) / (

) (

7162 )

/ ( 047 , 1

) (

10 )

/ 1 (

) ( 10

) (

43

ph v

n

ml

N ph

v n

kw

N s

kw N