Mức tiêu thụ nhiên liệu là thông số quan trọng phản ánh hiệu quả hoạt động của ô tô, thƣờng đƣợc đánh giá thông qua
Trên hình 1.36 thể hiện đồ thị mối quan hệ giữa lƣợng tiêu thụ nhiên liệu với tốc độ chuyển động của ô tô con ở các tay số khác nhau.
Có thể thấy rằng, ở mỗi cấp số đều có một điểm làm việc với mức tiêu thụ nhiên liệu là tối thiểu. Do lực cản không khí tỷ lệ với bình phƣơng vận tốc nên mức tiêu thụ nhiên liệu tăng rất nhanh ở vùng tốc độ cao.
Trên hình 1.22 cho thấy, nếu ô tô chuyển động với vận tốc 150 km/h ở cấp số 3 thì sẽ tiêu tốn hết 12,4 lít xăng cho 100 km. Nhƣng nếu chọn cấp số 5 thì mức tiêu thụ nhiên liệu chỉ còn là 9,3 lít /100 km.
Đồ thị mức tiêu thụ nhiên liệu trên hình 1.38 cho thấy, nếu ô tô chuyển động ở các tay số 3,4 và 5 thì vùng vận tốc hợp lý nằm trong khoảng từ 50 đến 70 km/h. Với vận tốc chuyển động nhƣ vậy, vận tốc của động cơ nằm xấp xỉ 2000 vòng/phút.
Cần lƣu ý rằng, ở cùng một cấp số của hệ thống truyền lực, nếu chạy với tốc độ quá thấp thì tính kinh tế nhiên liệu cũng sẽ kém đi. Vì vậy, để vận hành ô tô một cách hợp lý nhất thì ngƣời lái cần lựa chọn cấp số (tỷ số truyền) phù hợp với điều kiện chuyển động cụ thể và duy trì mức ga (vận tốc của động cơ hợp lý).
Hình 1.22. Đồ thị mức tiêu thụ nhiên liệu ở các cấp số khác nhau của ô tô con 1.4. Nội dung của luận văn
Đểđáp ứng các yêu cầu đặt ra với hệ thống truyền lực việc nghiên cứu tỷ số truyền có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Việc thay đổi số lƣợng, giá trị của các tỷ số truyền có ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến lƣợng tiêu thụ nhiên liệu của ô tô. Chính vì vậy hƣớng nghiên cứu luận văn của em là: “nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số
truyền trong hệ thống truyền lực có cấp tới mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô”.
- Mục tiêu của luận văn là xây dựng đƣợc đƣờng mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô. - Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn là tính toán lý thuyết.
- Nội dung luận văn
+ Chƣơng 1: Tổng quan
+ Chƣơng 2: Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực cơ khí + Chƣơng 3: Tính toán mức tiêu thụ nhiên liệu.
CHƢƠNG 2
TỶ SỐ TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC CƠ KHÍ 2.1. Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực cơ khí[1]
Hệ thống truyền lực phải cung cấp các tỷ số truyền để đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau đây trong hoạt động của ô tô:
- Khắc phục đƣợc điều kiện cản nặng nhọc nhất; - Đạt đƣợc vận tốc tối đa mong muốn;
- Động cơ hoạt động thƣờng xuyên ở vùng tiết kiệm nhiên liệu.
Tỷ số truyền lớn nhất của hệ thống truyền lực đƣợc lựa chọn theo yêu cầu thứ nhất iTmax. Từ yêu cầu thứhai ngƣời ta xác định tỷ số truyền để ô tô đạt vận tốc cao nhất iTVmax. Còn tỷ số truyền nhỏ nhất iTmin đƣợc xác định theo yêu cầu thứ ba.
Hình 2.1. Đồ thị quan hệ tốc độ động cơ và vận tốc của ô tô
Trên hình 2.1 thể hiện đồ thị mô tả mối quan hệ gia tốc của động cơ và vận tốc của ô tô ở các tỷ số truyền khác nhau. Vùng biến thiên tốc độ của động cơ và vận tốc của ô tô đƣợc giới hạn bởi các giá trị tỷ số truyền nhỏ nhất iTmin và tỷ số truyền lớn nhất iTmax.
Các nhà thiết kế lựa chọn vùng biến thiên tỷ số truyền của hệ thống truyền lực của ô tô tùy theo mục đích sử dụng và điều kiện làm việc của nó. Chẳng hạn, các quy định ngặt nghèo về hạn chế tốc độ trên đƣờng những năm gần đây đã làm giảm tầm quan trọng của vận tốc tối đa của ô tô con, khả năng tăng tốc của ô tô là một thông sốđộng lực học ngày càng đƣợc chú trọng hơn.
Các loại ô tô con cỡ lớn SUV thƣờng phải có vùng biến thiên tỷ số truyền rộng vì:
- Tỷ số truyền iTmax lớn để hoạt động trong điều kiện đƣờng xá khó khăn nhất hoặc không đƣờng xá.
- Tỷ số truyền iTmin nhỏđể có thể chuyển động trên đƣờng cao tốc với tốc độ động cơ nhỏ nhằm tiết kiệm nhiên liệu.
Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực bao gồm ( xem sơ đồ hình 2.1): tỷ số truyền của bộ phận ly hợp, tỷ số truyền của hộp số và tỷ số truyền của cầu chủ động.
Tỷ số truyền ic do ly hợp hoặc biến mô thủy lực tạo nên. Ly hợp ma sát chỉ đóng vai trò kết nối và truyền mô men, nên có tỷ số truyền: ic = 1.
Nhƣ vậy tỷ số truyền của hệ thống truyền lực đƣợc tính nhƣ sau: 0
T c h
i i i i (2.1)
Hình 2.2. Sơ đồ các bộ phận tạo tỷ số truyền của hệ thống truyền lực
Tỷ số truyền ih là của cụm hộp số của ô tô. Đối với các loại ô tô có tải trọng không lớn, hộp sốthƣờng đƣợc cấu tạo thành một cụm. Tuy nhiên, các hộp số của ô tô tải có tải trọng lớn có thể có thêm hộp số chia ở trƣớc hoặc sau hộp số chính nhằm nhân số cấp số lên một số lần. Trong trƣờng hợp này, tỷ số truyền của hộp số chia phải đƣợc tính vào ih của hộp số.
Tỷ số truyền của truyền lực chính i0 trong cầu chủđộng thƣờng đƣợc tạo bởi một hoặc hai cặp bánh răng (côn hoặc trụ) đặt ở trung tâm cầu với tỷ số truyền nằm
trong khoảng từ 2 ÷ 7. Trên cầu chủđộng của các loại ô tô tải có tải trọng lớn, để có tỷ số truyền i0 > 7, ngƣời ta bố trí thêm hộp giảm tốc ởhai bên bánh xe đƣợc gọi là truyền lực cuối.
Cần lƣu ý rằng, trong các bộ truyền lực cơ khí (truyền lực bằng bánh răng, bằng xích, bằng dây đai, …) mà không có hiện tƣợng trƣợt giữa phần chủ động và bịđộng thì tỷ số truyền đƣợc hiểu nhƣ sau:
2 1 1 2 M n i M n (2.2)
Trong đó: M là mô men trên trục, n là tốc độ quay của trục, chỉ số1 tƣơng ứng với trục chủđộng, chỉ số2 tƣơng ứng với trục bịđộng.
Biểu thức trên thể hiện sự bảo toàn năng lƣợng: mô men trên trục bị động tăng lên bao nhiêu lần so với mô men trên trục chủ động thì vận tốc của nó giảm đi bấy nhiêu lần. Tuy nhiên, điều này không còn đúng trong trƣờng hợp có sự trƣợt tƣơng đối giữa phần tử chủđộng và bị động, vì lúc này một phần năng lƣợng bị mất đi và chuyển thành nhiệt. Khi đó ngƣời ta sử dụng các khái niệm sau:
- Hệ số biến đổi tốc độ (tỷ số truyền động học) 2
1
n n
(2.3)
- Hệ số biến đổi mô men (tỷ số truyền động lực học) 2
1
M M
(2.4)
Chẳng hạn, đối với biến mô thủy lực thì hệ số biến đổi mô men (thƣờng gọi tắt là hệ số biến mô) đạt đƣợc giá trị tối đa khi biến mô trƣợt hoàn toàn.
2.1.1.Sốlƣợng tỷ số truyền[1]
2.1.1.1. Hệ số thích ứng của hệ thống truyền lực
Hệ số thích ứng thể hiện vùng biến thiên tỷ số truyền của hệ thống truyền lực, nó đƣợc xác định nhƣ sau:
max 1 min T h T T hz i i K i i (2.5)
Trong đó: iTmax là tỷ số truyền lớn nhất của hệ thống truyền lực; iTmin là tỷ số truyền nhỏ nhất; ih1 là tỷ số truyền của hộp số ở cấp số 1, ihz là tỷ số truyền của hộp số ở cấp số z (cấp số cao nhất).
* Hệ số thích ứng phụ thuộc chủ yếu vào:
- Công suất riêng của động cơ (cống suất trên một kg khối lƣợng của ô tô); - Hệ số thích ứng của động cơ;
- Mục đích sử dụng của ô tô.
Trên hình 2.3 thể hiện hệ số thích ứng của hệ thống truyền lực của một số loại ô tô. Lƣu ý rằng, trong các trƣờng hợp hộp số tựđộng thì phải tính thêm hệ số biến đổi mô men của biến mô. Từ các số liệu thống kê trên hình, có thể rút ra một số nhận xét sau:
- Các loại ô tô có điều kiện làm việc phức tạp cần có vùng biến thiên tỷ số truyền lớn hơn để thích ứng với các loại đƣờng xá khác nhau ( ô tô tải, ô tô khách đƣờng dài).
- Các loại xe chỉ hoạt động trong điều kiện thành phố, địa hình ít phức tạp hơn nên đòi hỏi hệ số thích ứng nhỏhơn ( ô tô buýt).
- Ô tô con thƣờng có mức dƣ công suất lớn, phạm vi hoạt động hẹp nên không đòi hỏi phải có vùng biến thiên tỷ số truyền rộng nhƣ ô tô tải hay ô tô khách đƣờng dài.
- Động cơ diesel có hệ số thích ứng thấp hơn động cơ xăng, nên ô tô có động cơ diesel cần có hệ số thích ứng của hệ thống truyền lực lớn hơn.
2.1.1.2. Tỷ số truyền lớn nhất
Tỷ số truyền lớn nhất đƣợc xác định theo ba điều kiện sau:
- Ô tô phải khắc phục đƣợc lực cản lớn nhất (gồm cản lăn và cản do độ dốc của đƣờng) trong điều kiện đƣờng xá xấu nhất;
- Lực kéo tại các bánh xe không vƣợt quá lực bám trong điều kiện đƣờng tốt; - Đảm bảo tốc độ tối thiểu của ô tô khi cần chuyển động ổn định ở tốc độ thấp. Theo điều kiện cản, tỷ số truyền lớn nhất của hệ thống truyền lực đƣợc xác định theo điều kiện khắc phục góc dốc cao nhất:
max max ( cos sin ) a d T e T m g f r i M (2.6)
Với α là góc dốc mà xe phải vƣợt qua đƣợc theo yêu cầu.
Theo điều kiện bám, tỷ số truyền lớn nhất của hệ thống truyền lực bị hạn chế bởi điều kiện lực kéo tối đa tại bánh xe không vƣợt quá lực bám:
max max 1 e T T a d M i p m g r (2.7)
Trong đó φ hệ số bám theo yêu cầu.
Trong một sốtrƣờng hợp đặc biệt, đối với các ô tô có yêu cầu hoạt động ở vận tốc rất thấp thì tỷ số truyền lớn nhất phải đáp ứng đƣợc vận tốc đó. Khi đó, tỷ số truyền đƣợc tính nhƣ sau: min max min 3,6 30 e d T n r i V (2.8)
Trong đó, nemin tính theo v/ph, Vmin tính theo km/h và rd tính theo m.
Đối với ô tô con, ngƣời ta xác định tỷ số truyền theo điều kiện khắc phục lực cản lớn nhất mà không kiểm tra 2 điều kiện còng lại. Do ô tô con thƣờng có công suất riêng rất lớn nên ở các tay số thấp, các bánh xe chủđộng sẽ bịtrƣợt quay trong mọi điều kiện đƣờng xá, còn vận tốc tối thiểu ổn đỉnh của nó thƣờng đạt đƣợc khi động cơ hoạt động ở chếđộ không tải.
2.1.1.3. Tỷ số truyền nhỏ nhất
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