Khi khơng cĩ đƣờng đặc tính tốc độ ngồi của động cơ bằng thực nghiệm, ta cĩ thể xây dựng đƣờng đặc tính tốc độ ngồi bằng cơng thức kinh nghiệm của S.R.Lây- đéc-man nhƣ sau (theo [3], trang 11):
Ne = Nmax 3 2 N N N nn nn nne b e c e a (1 - 2) Trong đĩ:
Ne , ne là cơng suất hữu ích của động cơ và số vịng quay của trục khuỷu ứng với một điểm bất kỳ của đồ thị đặc tính ngồi.
Nmax , nNlà cơng suất cĩ ích cực đại và số vịng quay ứng vớicơng suất cực đại a,b,c là các hệ số thực nghiệm. Các hệ số này chọn theo bảng 1.1.
Các giá trị Nmax và nNthƣờng cho trong các tài liệu kỹ thuật của động cơ.
Khi biết đƣợc các giá trị Nmax và nN, bằng cách cho các giá trị nekhác nhau, dựa vào cơng thức (1-2) ta sẽ tính đƣợc các giá trị cơng suất Netƣơng ứng và từ đĩ vẽ đƣợc
12 đồ thị Ne = f(ne).
Bảng 1. 1. Hệ số kinh nghiệm của S.R.Lây-đéc- man (theo [3], trang 12
LOẠI ĐỘNG CƠ a b c
Động cơ xăng 1 1 1
Động cơ điêzen 4 kỳ cĩ buồng cháy trực tiếp 0,5 1,5 1 Động cơ điêzen 4 kỳ cĩ buồng cháy gián tiếp 0,6 1,4 1 Động cơ điêzen 4 kỳ cĩ buồng cháy xốy lốc 0,7 1,3 1
Khi cĩ các giá trị của Ne và ne cĩ thể xác định đƣợc giá trị mơ men xoắn Me của động cơ theo cơng thức sau:
Me = e n 1047. N 104 e (1 - 3) Trong đĩ: Ne - cơng suất của động cơ (KW)
ne - số vịng quay của trục khuỷu (v/ph)
Me - mơ men xoắn của động cơ (Nm)
Từ các giá trị của Meta cĩ thể vẽ đƣợc đồ thị Me = f(ne)
Sau khi đã cĩ đồ thị đặc tính ngồi của động cơ ta mới cĩ thể xác định tính chất động lực học của ơ tơ.
CÂU HỎI ƠN TẬP
1. Trình bày định nghĩa và phân loại xe cơ giới
2. Trình bày khái niệm, đặc điểm của ơ tơ con, ơ tơ khách và ơ tơ tải. 3. Trình bày định nghĩa, phân loại cầu ơ tơ. Cầu chủ động, dẫn hƣớng. 4. Trình bày ƣu nhƣợc điểm khi ơ tơ bố trí FWD, RWD, 4WD, AWD.
5. Liệt kê và phân tích ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng án bố trí động cơ và cầu chủ động trên ơ tơ.
6. Trình bày những yêu cầu đối với động cơ dùng trên ơ tơ.
13
Chƣơng 2
ĐỘNG LỰC HỌC TỔNG QUÁT CỦA Ơ TƠ 2.1. Khái niệm về các loại bán kính bánh xe và ký hiệu của lốp 2.1.1. Các loại bán kính bánh xe
Khi nghiên cứu về động lực học của bánh xe ơ tơ, ngƣời ta thƣờng sử dụng các loại bán kính bánh xe sau đây:
2.1.1.1. Bán kính thiết kế (cịn gọi là bán kính danh định)
Bán kính thiết kế là bán kính đƣợc xác định theo kích thƣớc tiêu chuẩn, bán kính này thƣờng đƣợc giới thiệu trong các sổ tay kỹ thuật của ơ tơ, ký hiệu là ro. Để xã định bán kính thiếtkế thƣờng dựa vào ký hiệu của lốp.
Ví dụ: Một loại lốp cĩ ký hiệu là B-d, ta cĩ thể xác định đƣợc bán kính thiết kế của bánh xe theo cơng thức sau:
ro = 2 d B 25,4 (mm) (2-1)
Trong đĩ: B - bề rộng của lốp (ins).
d - đường kính vành bánh xe (ins).
2.1.1.2. Bán kính tĩnh của bánh xe
Bán kính tĩnh của bánh xe là loại bán kính đo đƣợc bằng khoảng cách từ tâm trục bánh xe đến mặt phẳng của đƣờng khi xe đứng yên và chỉ chịu tải trọng thẳng đứng. Bán kính tĩnh của bánh xe ký hiệu là rt.
2.1.1.3. Bán kính động lực học của bánh xe
Bán kính động lực học của bánh xe là bán kính đo đƣợc bằng khoảng cách từ tâm trục bánh xe đến mặt phẳng của đƣờng khi bánh xe lăn, đƣợc ký hiệu là rđ.
2.1.1.4. Bán kính lăn của bánh xe
Bán kính lăn của bánh xe là bán kính của một bánh xe giả định, ký hiệu là rl. Bánh xe giả định này khơng bị biến dạng, khơng bị trƣợt lết, trƣợt quay khi làm việc thì cĩ cùng tốc độ tịnh tiến và tốc độ quay nhƣ bánh xe thực tế. Qua nghiên cứu ngƣời ta thấy rằng trị số của bánh xe động lực học và bán kính lăn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ: tải trọng tác dụng lên bánh xe, áp suất khơng khí trong lốp, vật liệu chế tạo lốp, hình dạng mặt ngồi của lốp, tình trạng của mặt đƣờng và loại đƣờng. Những thơng số này luơn luơn thay đổi trong quá trình ơ tơ chuyển động. Vì vậy trị số của bán kính lăn chỉ cĩ thể xác định bằng thực nghiệm.
2.1.1.5. Bán kính làm việc trung bình
Trong thực tế tính tốn, ngƣời ta thƣờng sử dụng bán kính làm việc trung bình của bánh xe. Đây là loại bán kính cĩ kể đến sự biến dạng của lốp do ảnh hƣởng của các thơng số đã kể ở trên. Bán kính làm việc trung bình đƣợc ký hiệu là rb và đƣợc tính theo cơng thức sau:
14
rb = l.ro (2-2)
Trong đĩ:ro- bán kính thiết kế của bánh xe
l- hệ số cĩ kể đến sự biếndạng của lốp, thường được chọn theo loại lốp.
- Với lốp cĩ áp suất thấp l = 0,930 0,935 - Với lốp cĩ áp suất cao l = 0,945 0,950
2.1.2. Ký hiệu của lốp
Các kích thƣớc của lốp đƣợc biểu thị trên hình 2-1. Hiện nay trên thế giới ngƣời ta thƣờng sử dụng các hệ thống ký hiệu lốp tuỳ thuộc vào từng nƣớc hoặc từng khu vực nhƣ hệ thống ký hiệu lốp của châu Âu, của Mỹ, của Nga.
Hình 2. 1.Sơ đồ kích thƣớc hình học của lốp
Tuy nhiên trên thực tế các loại lốp này vẫn cĩ chung các kích thƣớc cơ bản.
2.1.2.1. Với hệ thống ký hiệu của Nga: Lốp đƣợc chia làm hai loại
- Lốp cĩ áp suất thấp:
Là loại lốp cĩ áp suất khơng khí chứa trong lốp p = 0,08 0,50 MN/m2 tƣơng đƣơng với 0,80 5,0 KG/cm2.
Ví dụ: Ký hiệu của lốp cĩ áp suất thấp là B - d = 9,0 - 20 hoặc 260 - 20 Trong đĩ: Bề rộng của lốp là 9 insơ hoặc 260 mm (coi B = H)
Đường kính vành bánh xe là 20 insơ
- Lốp cĩ áp suất cao:
Là loại lốp cĩ áp suất khơng khí chứa trong lốp p = 0,50 0,70 MN/m2 tƣơng đƣơng với 5,0 7,0 KG/cm2.
Ký hiệu của lốp cĩ áp suất cao là D x B hoặc D x H (với B = H). Trong đĩ: D - đường kính ngồi của lốp
B - bề rộng của lốp H - chiều cao phần đầu lốp
Các kích thƣớc này đƣợc tính theo insơ hoặc mm
2.1.2.2. Với hệ thống ký hiệu của châu Âu: Ngồi các thơng số về kích thƣớc của lốp cịn cĩ các thơng số khác nhƣ: chỉ số profin, chỉ số quy định tốc độ tối đa, cấu trúc
15 xƣơng lốp.
Ví dụ: Một loại lốp xe du lịch cĩ ký hiệu là 185/70 H R 14
Trong đĩ:185 - bề rộng của lốp (mm)
70 - chỉ số profin
H - tiêu chuẩn tốc độ ơ tơ ứng với v = 210 km/h
R - cấu trúc xương lốp
14 - đường kính vành bánh xe (insơ)
2.2. Các khái niệm chung
2.2.1. Vận tốc chuyển động lý thuyết vo:
volà vận tốc của xe khi chuyển động hồn tồn khơng cĩ trƣợt.
b b b b l o r t N r 2 t S v (2-3) Ở đây:
Sl –Quãng đƣờng lý thuyết mà bánh xe đã lăn. t –Thời gian bánh xe đã lăn.
rb – Bán kính tính tốn của bánh xe. Nb –Tổng số vịng quay của bánh xe.
b
–Vận tốc gĩc của bánh xe.
2.2.2. Vận tốc chuyển động thực tế v:
v là vận tốc chuyển động của xe khi cĩ tính đến ảnh hƣởng của sự trƣợt của bánh xe với mặt đƣờng. l b b l t r t N r t S v 2 (2-4) Trong đĩ: St –quãng đƣờng thực tế mà bánh xe đã lăn. t –thời gian mà bánh xe đã lăn.
rl –bán kính lăn của bánh xe.
2.2.3. Vận tốc trƣợt
Khi xe chuyển động cĩ sự trƣợt giữa bánh xe với mặt đƣờng thì vận tốc thực tế của xe và vận tốc lý thuyết sẽ khác nhau. Sự chênh lệch giữa hai loại vận tốc vừa nêu trên chính là vận tốc trƣợt: b b l b o r r v v v (2-5) 2.3. Động lực học của bánh xe bị động 2.3.1. Đặt vấn đề
Khi ơ tơ chuyển động, bề mặt của lốp tiếp xúc với đƣờng ở rất nhiều điểm và tạo thành một khu vực tiếp xúc. Do tác dụng tƣơng hỗ giữa bánh xe và mặt đƣờng, tại
16 điểm tiếp xúc sẽ xuất hiện các phản lực riêng phần từ đƣờng tác dụng lên bánh xe và đƣợc gọi là các phản lực của đƣờng. Các phản lực này đƣợc chia làm ba thành phần lực nhƣ sau:
- Phản lực pháp tuyến là thành phần thẳng gĩc với mặt đƣờng, nằm trong mặt phẳng bánh xe, ký hiệu là hợp lực Z.
- Phản lực tiếp tuyến tác dụng trong mặt phẳng bánh xe, song song với mặt đƣờng, ký hiệu là Pt.
- Phản lực ngang nằm trong mặt phẳng của đƣờng và vuơng gĩc với mặt phẳng bánh xe, ký hiệu là Y.
Ngồi ra, bánh xe cịn chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng Gb và lực đẩy từ khung xe tác dụng lên trục bánh xe, ký hiệu là Px.
Sự lăn của bánh xe trên đƣờng cĩ thể xét trong các trƣờng hợp sau:
- Trƣờng hợp 1: Bánh xe đàn hồi lăn trên đƣờng cứng (đƣờng nhựa hoặc đƣờng bê tơng)
- Trƣờng hợp 2: Bánh xe đàn hồi lăn trên đƣờng biến dạng (đƣờng đất hoặc đƣờng cát).
2.3.2. Động lực học của bánh xe đàn hồi lăn trên đƣờng cứng
2.3.2.1. Sự biến dạng của lốp
Khi ơ tơ chuyển động, bánh xe lăn và chịu tác dụng của các lực sau:
- Tải trọng thẳng đứng Gb1
- Lực đẩy từ khung xe tác dụng tại tâm trục bánh xe Px
- Hợp lực của các phản lực thẳng gĩc Z1, lực cản lăn Pf1.
Các lực này đƣợc thể hiện trên hình 2.2. Ngồi ra cịn cĩ các lực và mơ men ma sát trong ổ trục bánh xe, mơ men quán tính nhƣng chúng cĩ giá trị nhỏ nên cĩ thể bỏ qua khi tính tốn.
Hình 2. 2. Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe đàn hồi lăn trên đƣờng cứng Ở trƣờng hợp này, bánh xe bị biến dạng, cịn mặt đƣờng nhựa cứng coi nhƣ khơng bị biến dạng. Do đĩ khi bánh xe lăn, chỉ cĩ các phần tử của lốp bị biến dạng. Các phần tử của lốp ở phía trƣớc lần lƣợt đi vào khu vực tiếp xúc và bị nén lại, các phần tử của lốp. Ở phía sau sẽ lần lƣợt ra khỏi khu vực tiếp xúc và phục hồi lại trạng thái ban đầu. Nếu lốp cĩ độ đàn hồi lý tƣởng thì năng lƣợng tiêu hao cho sự biến dạng của lốp sẽ đƣợc trả lại hồn tồn khi nĩ phục hồi lại trạng thái ban đầu. Tuy nhiên trong thực tế phần năng lƣợng bị tiêu hao khơng đƣợc trả lại hồn tồn mà cĩ một phần bị biến thành nhiệt toả ra mơi trƣờng xung quanh. Nhƣ vậy sẽ phát sinh lực cản chuyển động
17 của ơ tơ do xuất hiện ma sát giữa các phần tử của lốp (gọi là nội ma sát) và ma sát giữa lốp với đƣờng.
Hình 2.3 biểu thị sự biến thiên của độ biến dạng trong các phần tử của lốp (Dl) theo tải trọng tác dụng lên bánh xe (Gb). Khi tải trọng tăng, độ biến dạng của lốp tăng, phần năng lƣợng tiêu hao cho sự biến dạng của lốp ở giai đoạn nén tƣơng ứng với diện tích OAC.
Khi tải trọng giảm dần, lốp sẽ đàn hồi trở lại, năng lƣợng đƣợc trả lại do sự đàn hồi của lốp tƣơng ứng với diện tích BAC. Nhƣ vậy phần năng lƣợng bị tiêu hao do nội ma sát của lốp và ma sát giữa lốp với đƣờng chính là giá trị hiệu hai phần diện tích nĩi trên (diện tích OAB).
Hình 2. 3. Đồ thị đặc tính biến dạng của bánh xe đàn hồi
Do sự biến dạng của các phần tử của lốp khi đi vào khu vực tiếp xúc nên các phản lựcriêng phần của đƣờng tác dụng lên bánh xe ở phần trƣớc của khu vực tiếp xúc lớn hơn ở phía sau. Chính vì vậy mà hợp lực của chúng bị lệch về phía trƣớc một khoảng a1 so vớiđƣờng thẳng đứng đi qua tâm trục bánh xe.
2.3.2.2. Xác định lực cản lăn và hệ số cản lăn
Để xác định trị số của lực cản lăn (hợp lực của các phản lực tiếp tuyến) và hệ số cản lăn, ta lập phƣơng trình cân bằng mơ men của tất cả các lực đối với tâm trục bánh xe:
Z1.a1 - Pf1.rđ = 0 Z1.a1 = Pf1.rđ
Mà Z1.a1 = Gb1.a1= Px.rđ (2-6) Từ cơng thức trên ta rút ra cơng thức tính lực cản lăn nhƣ sau:
Pf1 = Z1 d r a1 = Gb1 d r a1 (2-7) Trong đĩ: rđ - bán kính động lực học của bánh xe
a1- khoảng cách từ điểm đặt hợp lực Z1 đến giao điểm của đường thẳng gĩc đi qua tâm trục bánh xe với đường
Nếu ta biểu thị f1 =
d
r
a1 (2-8)
thì ta cĩ: Pf1 = f1.Gb1 = f1.Z1
Hệ số f1 đƣợc gọi là hệ số cản lăn. Nhƣ vậy lực cản lăn bằng tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe nhân với hệ số cản lăn.
Mơ men cản lăn: Mf = Pf1.rđ (2-9)
18 Các yếu tố ảnh hƣởng tới lực cản lăn và mơ men cản lăn là:
* Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe * Vật liệu chế tạo lốp
* Áp suất khơng khí trong lốp * Tính chất cơ lý của đƣờng.
2.3.3. Động lực học của bánh xe đàn hồi lăn trên đƣờng biến dạng
Khi bánh xe lăn, cả bánh xe và đƣờng đều bị biến dạng nhƣng độ biến dạng của đƣờng nhỏ hơn độ biến dạng của lốp.
Hình 2.4 là sơ đồ nghiên cứu động lực học của bánh xe bị động khi bánh xe đàn hồi lăn trên đƣờng biến dạng. Với trƣờng hợp này, phƣơng pháp xác định lực cản lăn, hệ số cản lăn và mơ men cản lăn cũng làm tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp 1.
Hình 2. 4.Động lực học của bánh xe bị động khi bánh xe đàn hồi lăn trên đƣờng biến dạng
2.4. Động lực học của bánh xe chủ động
Khi bánh xe chủ động lăn trên đƣờng cũng xảy ra ba trƣờng hợp giống nhƣ bánh xe bị động. Trong phần này ta chỉ xét trƣờng hợp bánh xe chủ động lăn trên đƣờng biến dạng
2.4.1. Sự biến dạng của lốp
Trong trƣờng hợp này, khi bánh xe lăn thì cả bánh xe và đƣờng đều bị biến dạng nhƣng biến dạng của lốp sẽ nhỏ hơn trƣờng hợp bánh xe đàn hồi lăn trên đƣờng cứng. Ngồi các lực tác dụng lên bánh xe nhƣ Gb2, Pxbánh xe cịn chịu các lực sau:
- Mơ men xoắn Mk truyền từ bán trục tới bánh xe. Mơ men này làm cho các thớ lốp hƣớng kính bị biến dạng vịng. Khi bánh xe lăn, do các thớ lốp đi vào khu vực tiếp xúc sẽ bị uốn cong và nén lại, khi ra khỏi khu vực tiếp xúc, chúng lại dãn ra.
Nhƣ vậy, một phần năng lƣợng bị tiêu hao cho biến dạng vịng của lốp.
- Hợp lực của các phản lực pháp tuyến riêng phần từ đƣờng tác dụng lên bánh xe đƣợc ký hiệu là R và phản lực tiếp tuyến T hƣớng theo chiều chuyển động của xe.
Phân tích các hợp lực R và T theo hai phƣơng thẳng đứng và song song với mặt đƣờng ta cĩ:
19
R = ZR + XR
T = ZT + XT
Điểm đặt hợp lực R, T sẽ nằm tại điểm cách giao điểm của đƣờng thẳng đứng đi qua tâm trục bánh xe và đƣờng một khoảng a2. Do ảnh hƣởng của mơ men Mk nên trị số a2 lớn hơn so với a1 của bánh xe bị động.
Hình 2. 5.Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe chủ động
2.4.2. Xác định lực cản lăn và hệ số cản lăn
Để xác định lực cản lăn, ta cũng sử dụng phƣơng trình cân bằng mơ men cho tất cả các lực đối với tâm trục bánh xe