Tỷ số truyền nhỏ nhất đƣợc xác định theo điều kiện đảm bảo cho ô tô đạt đƣợc vận tốc lớn nhất theo thiết kế Vmax;
max min max 3,6 30 e d T n r i V (2.9)
Trong đó nemax tính theo v/ph, Vmax tính theo km/h và rd tính theo m.
Giá trị của vận tốc tối đa của các loại ô tô đƣợc xác định theo yêu cầu của điều kiện sử dụng. Vì vậy, Vmax phải xác định riêng cho từng loại ô tô cụ thể. Dƣới đây, trình bày quan điểm và phƣơng pháp xác định vận tốc thiết kế tối đa cho 2 chủng loại:
+ Ô tô tải và ô tô khách + Ô tô con.
- Ô tô tải và ô tô khách
Vận tốc thiết kế tối đa của các loại ô tô này phụ thuộc vào quy định pháp lý về hạn chế tốc độvà điều kiện hoạt động theo mục đích sử dụng của từng loại. Chẳng hạn, đối với các ô tô thiết kế cho các nƣớc châu âu, vận tốc thiết kế tối đa có thể đƣợc chọn theo biểu đồ hình 2.4.
- Ô tô con
Việc lựa chọn tỷ số truyền nhỏ nhất của hệ thống truyền lực của ô tô con phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Một trong những yếu tố quan trọng là tỷ lệ phần trăm thời gian ô tô hoạt động ở các tay số cao nhất. Đối với ô tô con, tỷ lệ này có thể lớn
Hình 2.4. Vùng lựa chọn vận tốc thiết kế tối đa đối với các loại ô tô tải và ô tô khách
Tỷ số truyền nhỏ nhất của hệ thống truyền lực ô tô con có thể lựa chọn theo các phƣơng án thiết kế khác nhau:
+ Thiết kế chuẩn: iTmin = iTlt
+ Thiết kế vòng tua cao: iTmin > iTlt + Thiết kế vòng tua thấp: iTmin < iTlt
a. Thiết kế chuẩn
Thiết kế chuẩn nhằm mục đích sử dụng tối đa công suất của động cơ ở vận tốc cực đại. Khi đó đƣờng công suất cản (4) đi qua điểm cực đại của đƣờng công suất kéo (điểm A trên hình 2.5).
Hình 2.5. Các phƣơng án chọn tỷ số truyền nhỏ nhất của hộp số với vận tốc thiết kế làV*
Trong trƣờng hợp thiết kế chuẩn, tỷ số truyền nhỏ nhất của hệ thống truyền lực đƣợc chọn đúng bằng tỷ số truyền lý thuyết đƣợc xác định theo điều kiện đạt đƣợc tốc độ tối đa:
min
T Tlt
i i (2.10)
b. Thiết kế vòng tua cao
Thiết kế tốc độ thấp đƣợc mô tả bằng đồ thị công suất số 2 trên hình 2.5. Tỷ số truyền nhỏ nhất của hệ thống truyền lực trong trƣờng hợp này lớn hơn so với trƣờng hợp thiết kế chuẩn (iTmin iTlt ). Vì vậy, vận tốc tối đa ở đây nhỏ hơn vận tốc tối
đa trong trƣờng hợp thiết kế chuẩn (Vmax 2 Vmax1). Với cách lựa chọn nhƣ vậy, ngƣời ta có đƣợc công suất dƣ Nk2 là lớn nhất, nhờ đó mà ô tô có thể tăng tốc nhanh nhất ở tay số cuối. Đây là phƣơng án thiết kế phù hợp với các ô tô thể thao. Tuy nhiên, tỷ số truyền lớn sẽlàm tăng tốc độ quay của động cơ đểđạt đƣợc vận tốc V*, nghĩa là động cơ phải làm việc ở vùng có mức tiêu hao nhiên liệu lớn hơn, tính kinh tế nhiên liệu ô tô kém đi.
c. Thiết kế vòng tua thấp
Trong phƣơng án thiết kế này, tỷ số truyền nhỏ nhất của hệ thống truyền lực đƣợc chọn nhỏhơn tỷ số truyền lý thuyết:
min
T Tlt
i i (2.11)
Mục tiêu chính của các lựa chọn tỷ số truyền này là giảm vận tốc làm việc của động cơ nhằm đƣa điểm làm việc của nó vào vùng hoạt động với mức tiêu hao nhiên liệu thấp hơn. Để thực hiện thiết kế này, ta có thể sử dụng một số giải pháp sau:
- Tăng hệ số thích ứng ( vùng biến thiên tỷ số truyền) của hệ thống truyền lực (hình 2.6);
Hình 2.6. Tăng hệ số thích ứng
- Giảm tỷ số truyền các cấp số (hình 2.7);
Hình 2.7. Giảm tỷ số truyền cấp số cao nhất
- Tăng hệ số thích ứng bằng cách tăng cấp số: thêm tỷ số truyền tăng (hình 2.8)
Hình 2.8. Tăng thêm cấp số
Trên hình 2.5 mô tả các phƣơng án thiết kế vòng tua thấp đối với hệ thống truyền lực ô tô con. Xe cơ sởđƣợc thiết kế với hộp số 4 cấp (hình 2.9)
Hình 2.9. Thiết kế chuẩn
Phƣơng án tăng hệ số thích ứng của hệ thống truyền lực (hình cho phép mở rộng vùng biến thiên tỷ số truyền, tuy nhiên khả năng tăng tốc của ô tô sẽ kém đi. Phƣơng án giảm tỷ số truyền của cấp số cao nhất (hình với điều kiện giữ nguyên hệ số thích ứng sẽ làm giảm tỷ số truyền ở cấp số 1 và vì vậy giảm khảnăng khắc phục lực cản lớn nhất (khảnăng vƣợt dốc) của ô tô. Vì những lý do trên, hiện nay các nhà thiết kế thƣờng nghiêng về phƣơng án bổ xung thêm cấp số vào hộp số cơ sở 4 cấp, thƣờng là tỷ số truyền thẳng của hộp số ih4=1 (xem hình 2.10). Cấp số 5 đƣợc sử dụng khi ô tô chuyển động trong điều kiện đƣờng xá tốt, bằng phẳng nhằm duy trì vùng làm việc của động cơ với mức tiêu hao nhiên liệu thấp.
2.1.2.Quy luật phân bố tỷ số truyền[1]
Mối quan hệ giữa tỷ số truyền của hai cấp số lân cận đƣợc gọi là bƣớc số và đƣợc xác định nhƣ sau: 1 max n e n M i n q i n (2.12)
Bƣớc số phải đủ lớn để cấp số n-1 phải đƣợc gài khi mô men của động cơ đạt đƣợc giá trị cực đại ở cấp số n (xem hình 2.11)
Trên hình 2.11 thể hiện ví dụ của đồ thị quan hệ giữa tốc độ động cơ và vận tốc của ô tô với hệ thống truyền lực có 5 cấp số. Nếu động cơ đạt đƣợc giá trị mô men xoắn lớn nhất ở tốc độ nM thì ở mỗi cấp số, tốc độ của động cơ thay đổi trong khoảng từ nM đến nmax. Đồ thị này thể hiện một cách trực quan mối quan hệ giữa tỷ số truyền của các cấp số.
Hiện nay, các loại hộp số ô tô sử dụng chủ yếu 2 quy luật phân bố tỷ số truyền: phân bố với bƣớc sốkhông đổi và phân bố với bƣớc số giảm dần.
Hình 2.11 Đồ thị quan hệ tốc độ động cơ và vận tốc của ô tô 2.1.2.1. Phân bố tỷ số truyền với bƣớc sốkhông đổi
Phân bố tỷ số truyền với bƣớc số không đổi còn gọi là phân bố theo cấp số nhân, bƣớc số trong trƣờng hợp này chính là công bội:
1 1 z T q k (2.13) Các cấp sốđƣợc tính từ1 đến z, khi đó tỷ số truyền ở cấp sốn đƣợc tính: 1 z n n z i i q (2.14)
Trên thực tế, khi thiết kế tỷ số truyền có thể đƣợc điều chỉnh lệch đi một chút so với các giá trị đƣợc tính theo biểu thức trên. Với cách lựa chọn tỷ số truyền này, đặc tính kéo ở các tay số tiệm cận đều với đƣờng đặc tính lý tƣởng (hình 2.12).
Cách phân bố tỷ số truyền theo cấp số nhân đƣợc sử dụng nhiều trên các ô tô tải và ô
tô khách.
2.1.2.2. Phân bố tỷ số truyền với bƣớc số giảm dần
Cách phân bố tỷ số truyền này đƣợc sử dụng chủ yếu trên các ô tô con. Bƣớc số giảm dần theo cấp số nhƣ có thể thấy trên hình (hình 2.13)
Hình 2.13 Phân bố theo quy luật bƣớc số giảm dần
Có thể nhận thấy rằng, trong trƣờng hợp lựa chọn tỷ số truyền với bƣớc số giảm dần thì vùng tỷ số truyền nhỏ (cấp số cao) các đƣờng đặc tính kéo gần hơn với đặc tính lý tƣởng. Còn ở vùng tỷ số truyền lớn ( các cấp số thấp), công suất dƣ lớn giúp cho ô tô tăng tốc nhanh hơn.
Đối với trƣờng hợp phân bố tỷ số truyền với bƣớc số giảm dần, bƣớc số đƣợc tính theo công thức sau:
1 2 0,5( 1)( 2) 1 z T z z q k q (2.15) Tỷ số truyền ở tay số bất kỳ đƣợc tính: 0,5( )( 1) 2 0 z n z n z n n z i i q q (2.16)
Có thể tham khảo các giá trị cụ thể nhƣ sau:
2 1,1 1,7
q
0 1,0 1, 2
q
Các phƣơng pháp tính toán tỷ số truyền nêu trên đƣợc sử dụng để xác định sơ bộ giá trị tỷ số truyền của các cấp số. Sau đó, ngƣời ta điều chỉnh các số liệu ban đầu này theo yêu cầu, điều kiện làm việc cụ thể của xe thiết kế. Những yếu tố quan trọng quyết định giá trị cuối cùng của tỷ số truyền là mức tiêu hao nhiên liệu và mức ô nhiễm môi trƣờng.
Trong bảng 1.1 thể hiện ví dụ cụ thể của lựa chọn tỷ số truyền ở các cấp số của ô tô con, trong đó q2 = 1,1 và q0 = 1,24.
Bảng 2.1. Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực theo các quy luật khác nhau
Cấp số 1 2 3 4 5
Tỷ số truyền theocấp số nhân 4,14 2,93 2,05 1,43 1,0
Tỷ số truyền theo bƣớc số giảm dần 4,14 2,54 1,96 1,24 1,0
Tỷ số truyền thiết kế 4,2 2,49 1,66 1,24 1,0
2.1.3. Ảnh hƣởng của quy luật phân bố tỷ số truyền tới hoạt động của ô tô
Đểđảm bảo hoạt động của động cơ sao cho có hiệu quả cao nhất thì các thông số thiết kế hệ thống truyền lực cần đƣợc tối ƣu hóa trong một hệ thống khép kín từ động cơ tới các bánh xe chủđộng, đƣợc gọi chung là hệ thống động lực. Các mục tiêu tối ƣu bao gồm:
- Công suất.
- Mức độc hại của khí xả. - Tính tiện nghi điều khiển.
Hệ thống truyền lực với chức năng liên kết động cơ với các bánh xe chủ động phải biến đổi các thống số của động cơ (mô men và vận tốc góc) thành lực kéo và vận tốc tại các bánh xe chủ động phù hợp với yêu cầu của điều kiện chuyển động. Ngƣợc lại, hệ thống truyền lực phải đƣợc thiết kế sao cho trong mọi điều kiện vận hành, động cơ thƣờng xuyên hoạt động ở vùng làm việc có mức tiêu hao nhiên liệu thấp nhất xem hình 2.14 nghĩa là, quá trình đồng bộ của động cơ với hệ thống truyền lực đƣợc thực hiện theo cả hai chiều: thích ứng hệ thống truyền lực với động cơ và ngƣợc lại. Tuy nhiên, trong thực tế, đặc tính của động cơ quyết định quá trình đồng bộ và hệ thống truyền lực cần đƣợc điều chỉnh để phù hợp với động cơ. Thông sốđiều chỉnh trong trƣờng hợp này chính là tỷ số truyền.
Sự đồng bộ hoạt động của động cơ với hệ thống truyền lực nhằm đạt đƣợc tính kinh tế nhiên liệu của ô tô đƣợc thể hiện trên hình 2.14 Đƣờng mô men lớn nhất của động cơ (1) đƣợc lấy từđƣờng đặc tính ngoại của nó (ở chếđộ cung cấp nhiên liệu tối đa). Các đƣờng đẳng mức tiêu hao nhiên liệu (ge = const) thể hiện các chế độ làm việc với suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kw.h) (4)bằng nhau. Các đƣờng đẳng công suất (3) thể hiện các chếđộ làm việc với cùng công suất (kw). Trên đồ thị còn thể hiện các đƣờng mô men cản chuyển động của ô tô (5) đƣợc quy dẫn vềđộng cơ tƣơng ứng với hệ thống truyền lực có 5 cấp số. Có thể thấy rằng, cấp số cao nhất (số 5) có đặc tình gần với vùng làm việc tiêu hao nhiên liệu thấp. Trên đồ thị này, ô tô có thể chuyển động với vận tốc không đổi (không gia tốc) tại các điểm cắt giữa đƣờng công suất cắt và công suất cản.
Khi ô tô chuyển động trên đƣờng, có hai yếu tố quyết định công suất yêu cầu tại các bánh xe, đó là:
- Lực cản chuyển động, phụ thuộc vào điều kiện đƣờng xá cụ thể;
- Vận tốc chuyển động, do ngƣời lái quyết định tùy theo ý muốn chủ quan và điều kiện khách quan ( điều kiện đƣờng, mật độgiao thông, quy định về hạn chế tốc độ…).
Nhƣ vậy, khi ô tô chuyển động trên một đoạn đƣờng cụ thể, động cơ duy trì một mức công suất phù hợp với điều kiện chuyển động. Trên hình 2.14 thể hiện một ví dụ: với công suất yêu cầu là 40 kw, ô tô có thể chuyển động ổn định ở các cấp số 3, 4 và 5. Nếu ngƣời lái chọn số 3 (điểm A trên hình 2.14) thì suất tiêu hao nhiên liệu ge 350 g/kw.h với cùng số vòng quay của động cơ lớn hơn 5.500 v/ph. Nhƣng nếu ngƣời lái chọn số 5 (điểm B) thì suất tiêu hao nhiên liệu giảm đi đáng kể: ge
270 g/kw.h và tốc độ của động cơ giảm xuống dƣới 3.500 v/ph. So sánh hai trƣờng hợp trên có thể thấy rằng, với cùng điều kiện chuyển động nhƣ nhau (cùng công suất yêu cầu) nếu lựa chọn cấp số hợp lý thì ô tô sẽ tiêu tốn ít nhiên liệu hơn. Không những thế, việc giảm tốc độ của động cơ sẽ làm giảm hao mòn và tăng tuổi thọ của nó.
Hình 2.14 Đặc tính động cơ với các đƣờng đẳng suất tiêu hao nhiên liệu
1- Đường mô men ở chế độ toàn tải; 2- Đường suất tiêu hao nhiên liệu tối thiểu;
3- Đường đẳng công suất; 4- đường đẳng suất tiêu hao nhiên liệu; 5- đường mô
111 Ne (kW) 100 80 60 40 20 10 5 250 275 300 325 350 400 450 500 50 0 100 150 200 Me (Nm) ne (v/ph) 500 1500 2500 3500 4500 5500 gemin 1 2 3 4 A B Số 5 Số 4 Số 3 Số 2 Số 1 5
Đồ thị trên hình 2.14 cho thấy, tỷ số truyền của hệ thống truyền lực càng nhỏ thì đặc tính làm việc của nó càng nằm gần với vùng có mức tiêu hao nhiên liệu thấp nhất của động cơ. Vì vậy, để có thể sử dụng vùng làm việc của động cơ với mức tiêu hao nhiên liệu thấp, ngƣời ta thƣờng thiết kế hộp số có số truyền tăng. Chẳng hạn, trong ví dụ trên, nếu thiết kế thêm cấp số 6 với tỷ số truyền nhỏhơn cấp số 5 (số truyền tăng trong hộp số) thì đƣờng mô men cản quy dẫn của nó sẽ dịch về phía gần vùng có mức tiêu hao nhiên liệu thấp nhất của động cơ.
2.2. Đặc tính kéo của ô tô[1]
Công suất tại bánh xe chủ động đƣợc thể hiện bằng lực kéo và vận tốc chuyển động:
k k
N P V (2.17)
Cùng một công suất phát ra từ động cơ, lực kéo đƣợc sử dụng ở các mức khác nhau cho phù hợp với điều kiện chuyển động cụ thể và tƣơng ứng với nó là vận tốc mà ô tô có thểđạt đƣợc. Để đáp ứng đƣợc mọi điều kiện chuyển động theo yêu cầu sử dụng, hộp số phải có vùng biến thiên tỷ số truyền (hệ số thích ứng) đủ lớn với sự phân bố các tỷ số truyền một cách hợp lý. Khả năng đáp ứng các điều kiện chuyển động của ô tô đƣợc thể hiện trên đƣờng đặc tính kéo. Trên hình 2.15 mô tả đặc tính kéo của ô tô con với hộp số có tỷ số truyền tăng (i5 = 0,8). Trên đƣờng đặc tính kéo có thể hiện đặc tính lý tƣởng ( nét mảnh) và các đƣờng lực cản chuyển động (nét đứt) ứng với các loại đƣờng có độ dốc khác nhau, từ 0% đến 40%.
Hình 2.15 Đặc tính kéo của ô tô con có 5 cấp số
Đặc tính kéo thƣờng đƣợc sử dụng để đánh giá khảnăng động lực học của ô tô. Để thấy rõ điều này, ta xét một ví dụ cụ thể trên hình 2.15: giả sửđƣờng có độ dốc là 20%, có thể thấy rằng ô tô chỉ có thể chuyển động đƣợc ở cấp số 1 hoặc số 2. Nếu ô tô chuyển động ở cấp số2, thì điểm A là điểm cân bằng lực kéo và lực cản, lúc này ô tô chuyển động không gia tốc với vận tốc khoảng 42 km/h. Cũng với vận tốc này, nếu ô tô chuyển động trên đƣờng bằng (i = 0%) ở cấp số 2 thì lực kéo dƣ đƣợc xác định nhƣ sau:
( ) ( )
kd k k
P P A P B (2.18)
Trong đó Pk(A) và Pk(B) là lực kéo tính tại các điểm A và B tƣơng ứng. Lực kéo dƣ này có thểđểtăng tốc hoặc vƣợt dốc.
Trên đƣờng bằng phẳng (i = 0%), tốc độ tối đa của ô tô đạt đƣợc ở tay số số 4, tại thời điểm cân bằng lực kéo và lực cản. Số 5 có tỷ số truyền nhỏ nhất chỉ đƣợc sử dụng trong điều kiện thuận lợi ( chở non tải, đƣờng tốt, tốc độ chuyển động thấp) nhằm đƣa động cơ vào vùng làm việc có mức tiêu hao nhiên liệu thấp (các điểm trên đƣờng số 2, hình 2.15).
Từđồ thị trên hình 2.15 có thể nhận thấy rằng, các đƣờng lực kéo ở vùng số truyền thấp rất thƣa và ngƣợc lại, ở vùng các số truyền cao chúng nằm gần nhau hơn. Cách bố trí tỷ số truyền này suất phát từ yêu cầu sử dụng thực tế: các cấp số