Chương 2 : LÝ THUYẾT VỀ SỰ LĂN VÀ SỰ BÁM CỦA BÁNH XE
3.3 Cân bằng công suất của ôtô
3.3.1 Các loại công suất
Tấc cả các lực : lực cản lăn, lực cản khơng khí, lực cản dốc, lực cản qn tính, lực cản móc kéo nhân them tốc độ v cho ta ccs công suất tương ứng:
Công suất kéo :
Pk = Fk. v = Me.itl.ηe r .ωe
itl . r = Me. ωe. ηtl = Pe. ηtl
Công suất cản lăn
Pf = Ff. v
Cơng suất cản gió
Pω = Fω. v = 0.63. Cx. v3. S
Công suất cản dốc
Pi = Fi. v
Cơng suất cản qn tính
Pj = Fj. v
Cơng suất cản móc kéo
Pm = Fm. v
3.3.2 Phương trình cân bằng cơng suất của ơ tơ
Cơng suất của động cơ phát ra sau khi đã tiêu tốn đi một phần do ma sát trong hệ thống truyền lực, phần còn lại để khắc phục các lực cản lăn, lực cản khơng khí, lực cản dốc, lực cản qn tính, lực cản móc kéo. Biểu thức cân bằng giữa công suất phát ra của động cơ
và các dạng cơng suất cản nới trên gọi là phương trình cân bằng cơng suất của ơ tô khi chúng chuyển động
Pk = Pf+ Pω ± Pi ± Pj+ Pm
Trong phương trình trên cơng suất tiêu hao do lực cản dốc Pi có giá trị dương khi ơ tơ chuyển động lên dốc và có giá trị âm khi chuyển động xuống dốc. cịn cơng suất tiêu hao do lực cản qn tính Pj có giá trị dương khi ơ tơ chuyển động tăng tốc và ngược lại chúng có giá trị âm khi chuyển động giảm tốc.
Phương trình trên có thể biểu diễn dưới dạng như sau
Pk = Pe − Pt = Pf+ Pω ± Pi ± Pj+ Pm
Trong đó
Pt – cơng suất tiêu hao do ma sát trong hệ thống truyền lực
Pe – công suất động cơ phát ra
Pk = Pe − Pt = Pe. ηtl với ηtl – là hiệu suất của hệ thống truyền lực
3.3.3 Đồ thị công bằng công suất
Đồ thị được dựa theo quan hệ giữa công suất phát ra của động cơ và các công suất cản của xe chuyển động, phụ thuộc vào vận tốc chuyển động, tức là P=f(v).
Mặt khác, cũng có thể biểu thị quan hệ theo P=f(ne) do mối quan hệ giữa v và ne qua công thức sau: v = π.ne.r
30.itl (m/s)
Trong đó ne – số vòng quay động cơ (vòng/phút)
itl – tỉ số truyền lực r – bán kính tính tốn (m)
Hình 3.3: Đồ thị cân bằng công suất của ô tô
Chúng ta vẽ cho trường hợp:
Hộp số có ba số truyền, xe chuyển động ổn định (j = 0) và khơng kéo rơmóc, tức là:
Pk = Pe. ƞ = Pe− Pt = Pf + Pω
+ Vẽ các đường biểu thị công suất Pe dựa vào:
- Đường đặc tính ngồi của động cơ: để có mối quan hệ Pe = f(ne). -Cơng thức tính vận tốc chuyển động của xe ở các số truyền:
v =πnerb 30in
-Từ hai mối quan hệ trên, ta nhận được: Pe = f(v).
+Vẽ các đường biểu thị công suất Pki ở các tay số dựa vào:
+ Vẽ các đường biểu thị các công suất cản chuyển động dựa vào các công thức: + Đường công suất cản của mặtđường: Pf = G. f. v
Nếu f = const thì Pf là đường thẳng phụ thuộc vào v. Nếu f ≠ const thì Pf là đường cong phụ thuộc vào f,α, v.
- Đường công suất cản không khí: Pω = Wv3. Vì vậy đường biểu thị Pω là đường cong bậc ba theo vận tốc v.
- Đường cong (Pf+Pω) là tổng của các giá trị Pf và Pω tương ứng.
3.3.4 Ứng dụng của đồ thị cân bằng công suất
Ứng với các vận tốc khác nhau thì tung độ nằm giữa đường cong (Pf+Pω) và đường cong Pk là công suất dự trữ, được gọi là công suất dư Pd dùng để: leo dốc, tăng tốc, kéo rơmóc...
Tại điểm A: Pd = 0, xe khơng cịn khả năng tăng tốc, leo dốc... Chiếu điểm A xuống trục hành, ta được vmax của xe ở loại đường đã cho.
Lưu ý: vận tốc lớn nhất của xe chỉ đạt được khi xe chuyển động đều trên đường nằm ngang, đồng thời bướm ga mở tối đa (hoặc thanh răng bơm cao áp đã kéo hết) và đang ở tay số cao nhất của hộp số.
Nếu muốn ôtô chuyển động ổn định (đều) trên một loại đường nào đó với vận tốc v nhỏ hơn vmax thì cần đóng bớt bướm ga lại (hoặc trả thanh kéo nhiên liệu về), mặt khác có thể phải chuyển về tay số thấp hơn của hộp số.
3.4 Xác định thơng số động lực học chuyển động thẳng bằng tính tốn
Tại phần này, ta sẽ xác định các thông số vmax , jmax , imax thơng qua tính tốn.
Trong phần này, ta thừa nhận rằng, ô tô chỉ đạt tốc độ cực đại khi xe chạy trên đường nằm ngang (α=0), ổn định (j=0) và công suất cực đại (bướm ga mở hoàn toàn hoặc thanh răng bơm cao áp đã kéo hết cỡ), xe làm việc ở tay số cuối cùng.
Dựa vào phương trình cân bằng lực:
Fkv = Ff+ Fω = G. f + 0,63. Cx. vmax2 . S
Với Fkv = Memax.itln.ηtl r
Trong đó itln là tỉ số truyền tay số cuối cùng của hộp số.
Vậy từ đó ta suy ra được vmax = √
Memaxitln .ηtl
𝑟 −G.f
0,63.Cx.S (m/s)
Hoặc có thể tính bằng cách xây dựng sau:
Fk. vmax = Pemax. ηtl
⇒ Fk =Pemax.ηtl
vmax
Từ đây, ta có Pemax.ηtl
vmax = G. f + 0,63. CxS. vmax2
⇒ 0,63. CxS. vmax3 + G. f. vmax− Pemax.ηtl = 0
Giải phương trình bậc 3 ta có được vmax.
3.4.2 Góc dốc lớn nhất (αmax) hay độ dốc lớn nhất (imax)
Khi xác định độ dốc lớn nhất, ta thừa nhận xe có mơmen xoắn cực đại Memax.,tay số 1, tốc độ leo dốc thấp, nên ta có Fω=0, lực qn tính Fj = 0, không kéo rơ mooc (Fm = 0)
Fkmaxi = Ff+ Fimax
Tức là :
Fkmax =Memax. itlmaxηtl
r = G. f. cosαmax+ G. sinαmax
Mặt khác ta có
cosαmax = 1
√1+tg2αmax
sinαmax = tgαmax √1 + tg2αmax
Đặt imax = tgαmax
Thay vào phương trình trên ta được
Fkmax = G. ( f
√1 + imax2 + imax
√1 + imax2 ) = G.(f + imax) √1 + imax2
Tiếp tục biến đổi ta được phương trình bậc 2 đối với độ dốc lớn nhất imax
(Fkmax2 − G2) imax2 − 2G2f. imax + (Fkmax2 − G2f2) = 0
Giải phương trình trên ta được
imax =G
2. f + Fkmax√G2(1 + f2) − Fkmax2
Với Fkmax =Memax.itlmaxI .ηtl 𝑟
3.4.3 Gia tốc quán tính cực đại (jmax)
Để ô tô đạt được gia tốc cực đại, động cơ làm việc ở tay số 1, mômen xoắn động cơ cực đại Memax, trên đường bằng phẳng, ô tô chuyển động ở tốc độ thấp nên lực cản khơng khí khơng đáng kể 𝐹𝜔 = 0
Ta có:
Fkj = Ff + Fjmax Memax. itlmaxI . ηtl
r = G. f + m. δj. jmax
Từ đây, suy ra gia tốc cực đại jmax:
jmax =Memax. itlmax
I . ηtl 𝑟. m. δj −
g. f δj
3.5 Các đặc tính tăng tốc của ô tô
3.5.1 Xác định khả năng khởi hành và tăng tốc cho ô tô
Chúng ta xét một ơ tơ có khối lượng m, diện tích cản gió tổng cộng là S, hệ số cản khơng khí Cx, chuyển động trên đường có α,, hệ số cản lăn là f, ô tô chịu tác dụng bởi lực kéo tại các bánh xe chủ động là Fk. Bài toán đặt ra ở đây là xác định chuyển động của ơ tơ đó: biến thiên gia tốc, tốc độ, quãng đường theo thời gian-j(t), v(t), S(t).
Khi giải bài toán này chúng ta vẫn sử dụng các phương trình cân bằng lực, trong đó lực cản qn tính được biểu thị thơng qua gia tốc j.
Fk = Ff+ Fω+ Fj
Hình 3.4: Đặc tính tốc độ của gia tốc Từ đó, gia tốc được xác định: j = Fk−Ff−Fω Từ đó, gia tốc được xác định: j = Fk−Ff−Fω m.δj j =(Fk− Fω) − Ff m. δj = F − Ff m. δj = (Me. i𝑟tl. ηtl− Gf − W. v2) m. δj
Với F: lực chủ động của xe. F = D. G = F.G
F:lực chủ động riêng của xe
Đặc tính tốc độ của gia tốc
Bởi vì F và Ff là hàm của tốc độ v nên ta có thể xây dựng đặc tính tốc độ của gia tốc j(v). Nếu cho rằng ảnh hưởng của vận tốc tới cản lăn là khơng lớn lắm thì dạng của đường cong j(v) tương tự như đường cong F(v) nhưng nằm thấp hơn. Độ chênh lệch giữa hai đường cong này sẽ càng lớn ở tay số càng thấp bởi vì ơ tơ đó hệ số khối lượng quay δj có giá trị lớn. Thí dụ về đặc tính tốc độ vế cùng với đặc tính động lực học.
Để xác định biến thiên tốc độ của ô tô theo thời gian v(t) chúng ta dựa trên cơ sở phân tích sau:
j = dv
suy ra dt = 1 jdt suy ra t2-t1 = Δt = ∫ 1 jdv v2 v1
Phân tích trên có thể giải được nếu biết j(v) và như vậy xác định được khoảng thời gian Δt cần thiết để tăng tốc từ V1 đến V2.
Hình 3.5: Xác định biến thiên của tốc độ theo thời gian khi tăng tốc
Tích phân cũng có thể giải bằng đồ thị và tiến hành cho nhiều điểm kế tiếp nhau ta xây dựng được đường cong v(t), tức là biến thiên tốc độ theo thời gian. Q trình thực hiện được mơ tả bằng đồ thị sau:
Hình 3.6: Xác định biến thiên của quảng đường theo thời gian và tốc độ theo quãng đường
Xác định X(t) hoặc V(S), ta tiến hành tương tự:
Từ biến thiên V(t) đã biết ta xác định quãng đường đi được ΔX trong khoảng thời gian t2 – t1. Hình trên cho thấy cách xác định biến thiên X(t) và V(X) bằng phương pháp đồ thị.
Tập hơp các đặc tính j(v),V(t),X(t),V(x) được gọi là các đặc tính tăng tốc của xe, đây cũng là chỉ số quan trọng để đánh giá tính năng động lực học của ơ tơ. Thơng thường các đặc tính V(T), V(X) hay được sử dụng nhất.
3.5.2 Quá trình chạy đà:
Khi ngắt truyền động các bánh xe chủ động (ngắt ly hợp hoặc trả về số 0) thì ơ tơ chuyển động theo quán tính từ tốc độ V0 nafoo đó cho đến khi dừng hẵn. Quá trình đấy gọi là sự chạy đà.
Nếu bỏ qua sự tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền lực khi chạy đà chúng ta có thể viết phương trình cân bằng:
Fk = Fj + Ff+ Fω Do đó: Fj = mδjj = −G. f − 0,625. Cx. V2. S Suy ra: j = − g δj(0,625CxV 2S G+ f)
Biểu thức trên biểu thị biến thiên j(v) khi chạy đà, bằng phương pháp tương tự phần trước chúng ta sẽ xây dựng được tồn bộ các đặc tính chạy đà j(v), V(t), X(t),V(x) như cho thấy ở hình sau:
Hình 3.7: Cách xây dựng các đặc tính chạy đà. 3.5.3 Khởi hành và tăng tốc của ơ tơ có hộp số cơ khí 3.5.3 Khởi hành và tăng tốc của ơ tơ có hộp số cơ khí
Trong thực tế hầu hết các ơ tơ đều sử dụng hộp số cơ khí với vài tay số. Vì vậy các đặc tính tăng tốc sẽ khơng liên tục vì có những thời điểm chuyển số và lực kéo thay đổi.
Ở hệ thống truyền lực hồn tồn cơ khí do sử dụng ly hợp ma sát nên khi sang số ly hợp sẽ được tách, dịng cơng suất khơng truyền qua hộp số, bởi vậy q trình sang số khơng có tải.
Khi sang số khơng tai, lực kéo coi như bằng không, cho nên sẽ diễn ra quá trình chạy đà trong thời gian này. Đặc tính tăng tốc tổng hợp sẽ là kết hợp của các đặc tính tăng tốc và các đặc tính chạy đà, được chỉ ra ở hình sau đây:
Chương 4: LÝ THUYẾT VỀ SỰ TRUYỀN CÔNG SUẤT XE NHIỀU CẦU CHỦ ĐỘNG CẦU CHỦ ĐỘNG
4.1 Sơ đồ truyền năng lượng từ bánh xe tới mặt đường
Năng lượng từ động cơ truyền đến các bánh xe chủ động thơng qua hệ thống truyền lực. Sau đó năng lương từ các bánh xe được truyền tới mặt đường. Tùy thuộc vào trạng thái chuyển động của bánh xe, sẽ tồn tại những dòng năng lượng sau đây.
Hình 4.1: Dịng cơng suất ở bánh xe bị động
Hình 4.3: Dịng cơng suất ở bánh xe phanh
Khi khảo sát năng lượng truyền từ bánh xe tới mặt đường,sẽ xuất hiện 3 dịng cơng suất sau:
• Cơng suất trên trục bánh xe Pk hoặc Pp :
Trong trường hợp bánh xe chủ động đang có lực lực kéo, moment Mk và vận tốc góc
ωk cùng chiều suy ra Pk dương : Pk = Mk. ωk > 0
Trong trường hợp bánh xe đang bị phanh, moment Mp và vận tốc góc ωk ngược chiều suy ra Pp âm : Pp = Mp. ωk < 0
• Công suất truyền qua ổ trục của bánh xe Px Px = Fx. v
Trong trường hợp bánh xe chủ động đang có lực kéo, Fx và v ngược chiều nhau. Bởi
vậy công suất Px được coi là âm vì nó truyền khỏi bánh xe. Đây là dịng cơng suất truyền lên khung xe và đẩy xe chạy tới.
Trong trường hợp bánh xe đang bị phanh, Fx và v cùng chiều nhau. Nên công suất Px
được coi là dương và dịng cơng suất này được truyền tới bánh xe, sau đó sẽ được tiêu hao chủ yếu do cơ cấu phanh.
• Cơng suất tổn hao Pth
Vì Pth là cơng suất mất mát nên nó mang giá trị âm.
Khi bánh xe chuyển động ổn định, Pk > 0 , Px < 0 , Pth < 0 . Nên ta có phương trình
cân bằng năng lượng :
Pk− Px − Pth = 0 Từ đó khai triển: Pth = Pk− Px = Mk. ωk− Fx. v = Fk. vo− (Fk− Ff). v = Ff. v + Fk. (v0− v) = Ff. v + Fk. |v − v0| = Ff. v + Fk. |vδ| = Pf+ Pδ Trong đó:
- vo = ωk. r (m/s) là tốc độ lý thuyết của xe (khi chuyển động hồn tồn
khơng có trượt).
- Pf = Ff. v là cơng suất cản lăn, có giá trị âm.
- vδ = v − vo gọi là tốc độ trượt (với v là tốc độ tịnh tiến thực tế của ơtơ), có giá trị dương khi phanh (trượt lết) và giá trị âm khi kéo (trượt quay).
- Pδ = Fk. vδ gọi là công suất trượt ( trượt lăn khi kéo, trượt lết khi phanh).
- Công suất trượt luôn luôn nhỏ hơn không.
Rõ ràng rằng, công suất cản lăn ln tồn tại khi bánh xe lăn, trong khi đó cơng suất trượt chỉ tồn tại khi có lực Fk (kéo hoặc phanh). Khi ôtô chuyển động với tốc độ cao trên nền đường cứng thì tốc độ trượt thường khá nhỏ nên cơng suất trượt có thể bỏ qua, khi chuyển động trên đường địa hình thì điều này khơng cho phép.
4.2 Phân phối cơng suất trên ơtơ
Một ơtơ ít nhất có hai dịng cơng suất từ động cơ dẫn đến hai bánh xe trái, phải của cầu chủ động, ở xe nhiều cầu chủ động thì dịng cơng suất tăng lên gấp bội, nghiên cứu phân
phối công suất là qui luật phân phối công suất (momen xoắn và tốc độ góc) từ động cơ đến các cầu chủ động và đến các bánh xe của cầu chủ động, đồng thời cũng khảo sát các hiện tượng xảy ra trong quá trình phân phối này.
Việc phân phối cơng suất thì được thực hiện bằng cơ cấu phân phối công suất ở cầu chủ động, cơ cấu này là vi sai (hai bậc tự do) . Ở hộp phân phối giữa hai cầu thì cơ cấu này có thể dùng vi sai, hoặc khơng dùng vi sai. Ở đây ta nghiên cứu tính tốn về hộp phân phối không dùng vi sai.
4.2.1 Phân phối công suất dùng vi sai 4.2.1.1 Nhiệm vụ của vi sai 4.2.1.1 Nhiệm vụ của vi sai
Việc phân phối công suất trên ô tô thường sử dụng cơ cấu vi sai, vi sai trên ơ tơ có nhiệm vụ:
Phân phối tốc độ góc khác nhau cho hai trục để đảm bảo tốc độ tiếp tuyến khác nhau của các bánh xe (sự khác nhau giữa bánh ngồi và bánh trong khi quay vịng hoặc giữa các cầu khi chuyển động trên đường gồ ghề hoặc bám kém).
Phân phối momen xoắn cho các trục theo một tỉ lệ xác định
4.2.1.2 Động học của cơ cấu vi sai
Vi sai là một cơ cấu có ít nhất 2 bậc tự do, vi sai thì có nhiều loại, ví dụ như: vi sai
bánh răng nón, vi sai bánh răng trụ, vi sai trục vít, vi sai hành tinh,… Ở đây ta chỉ nghiên cứu vi sai bánh răng nón đối xứng.
Hình 4.4: Sơ đồ vi sai nón
Trên sơ đồ chúng ta kí hiệu 2 trục ra là e và i với qui ước: