Chương 2 : LÝ THUYẾT VỀ SỰ LĂN VÀ SỰ BÁM CỦA BÁNH XE
3.5 Các đặc tính tăng tốc của ôtô
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 qn 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 toàn 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 ô tô 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 không 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 thông 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
• Cơng 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 công suất trên ôtô
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 cơng 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 khơng 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:
Trục e là trục truyền cơng suất ra bánh xe phía ngồi, tức bánh xe quay nhanh hơn khi ơ tơ quay vịng (đây là bánh xe bị trượt quay nhiều hơn).
Trục i là trục truyền cơng suất ra bánh xe phía trong, tức bánh quay chậm hơn (bánh xe bị trượt quay ít hơn).
Các quan hệ động học của vi sai được mơ tả bằng biểu thức quan hệ dưới đây:
• Khi truyền động từ trục e tới trục i và phần tử r (vỏ vi sai) được giữ cố định
(𝐞 − 𝐢)𝐫:
ieir = −Zp2
Zp1 = −1;iier = −Zp1
Zp2 = −1
(vì vi sai đối xứng, nên Zp1 = Zp2) Trong đó:
- ieir , iier là tỉ số truyền từ trục e tới trục i và ngược lại từ trục i tới trục e, khi phần tử r đứng yên.
- Zp1, Zp2 là số răng của bánh răng p1và p2.
Dấu âm chứng tỏ 2 bánh răng P1và P2 quay ngược chiều nhau. Các thông số nêu trên tương ứng với hiệu suất truyền động neir , nier , nr.
• Khi truyền động từ r tới trục e của i: trong trường hợp chuyển động thẳng và bán kính các bánh xe là như nhau:
Vi sai nón đối xứng với ir = 1 ta có quan hệ: ωe = ωi = ωtrục, với ωi
ωtrục = 1
Như vậy trong điều kiện chuyển động thẳng tốc độ góc của các trục e, i và vỏ vi sai là bằng nhau.
4.2.1.3 Động học và quan hệ momen của vi sai bánh xe
Chúng ta khảo sát quan hệ động học giữa 2 bánh xe của 1 cầu chủ động có trang bị vi sai nón đối xứng khi cầu xe quay vịng với bán kính R.
Gọi tỉ số ρ = R
B là bán kính quay vịng riêng, ta có quan hệ sau:
• Tốc độ tịnh tiến của cầu xe:
V = R. Ω
Với Ω là tốc độ quay của cầu xe xung quanh tâm quay vòng O.
• Quan hệ giữa các tốc độ tịnh tiến trong (i) và ngoài (e):
Ve = (R +B 2) . Ω = r. ωe Vi = (R −B 2) . Ω = r. ωi Do đó Ve Vi =ωe ωi = (R +B 2)/(R −B 2) = (2ρ + 1)/(2ρ − 1) Từ đó suy ra tốc độ góc của các trục: ωe =(R +B2) Ω r = (1 +2ρ1) V r
ωi =(R −B2) Ω
r =
(1 −2ρ1) V r
• Tốc độ vỏ của vi sai:
ωr = 0,5(ωe + ωi) (vi sai đối xứng)
V = 0,5(Ve + Vi) = 0,5r(ωe+ ωi) = rωr
Từ đó suy ra:
ωe = ωr(1 + 1
2ρ), ωi = ωr(1 − 1
2ρ)
Biểu thức trên có nghĩa là khi quay vịng bánh xe ngồi quay nhanh hơn vỏ còn bánh xe trong quay chậm hơn.
Hình 4.5: Sơ đồ quay vòng của cầu chủ động 4.2.1.4 Quan hệ moment 4.2.1.4 Quan hệ moment
• Khi bỏ qua tổn hao trong vi sai: Ta có các quan hệ sau: Me Mi = iie r = 1 Me Mr = −ire i = − 1 1 − ir = − 1 2
Mi Mr= −iri e = − 1 1 − iier = − 1 2 ⇒Me Mr = Mi Mr = − 1 2
Nhận xét: Khi bỏ qua tổn hao trong vi sai, tức là khi vi sai không ma sát thì momen xoắn
phân bố cho 2 bán trục ln bằng nhau và bằng một nửa giá trị momen trên vỏ vi sai. Do đó:
Me = Mi = 0,5Mr; Me + Mi = Mr
Quy ước về dấu của momen và tốc độ góc các phần tử trong vi sai như sau:
Bả ng 4.1: Dấu của moment và tốc độ góc các phần tử vi sai
Chủ động Phanh Dấu ω Dấu của Mr + - ωr > 0 Dấu của Mi - + ωi > 0 ωe > 0 Dấu của Me • Khi tính đến tổn hao
Trong trường hợp này, chúng ta sẽ kể đến tổn hao do ma sát trong truyền động từ trục e tới trục i (hoặc ngược lại) khi vỏ vi sai giữ đứng yên, tức là kể đến hiệu suất riêng ηr của vi sai. Những vi sai có hiệu suất riêng thấp (nhỏ hơn 1) được gọi là vi sai có ma sát, chúng thường được sử dụng ở các xe cơ động cao hoặc trong hộp phân phối. Chúng ta khảo sát dịng cơng suất trong 2 trường hợp:
Chủ động, tức là dịng cơng suất truyền từ động cơ tới các bánh xe.
+Trong trường hợp chủ động: Truyền động từ phần tử r tới (e+i). Công suất thế năng của các phần tử e và i cho bởi các quan hệ sau: Xuất phát từ:
ωe − ωr = ωer > 0, Me < 0 ωi − ωr = ωir < 0, Mi < 0
Do đó cơng suất thế năng:
Per = Me. ωer < 0 Pir = Mi. ωir > 0
Như vậy, khi ta tính đến tổn hao do ma sát (chỉ sinh ra khi có chênh lệch tốc độ giữa trục e, i và vỏ vi sai r) và theo 2 biểu thức trên ta có nhận xét rằng: Dịng cơng suất thế năng sẽ đi từ trục i tới trục e. Nói cách khác, cơng suất trên trục i sẽ lớn hơn công suất trên trục e một lượng mất mát là (1 − ηr)%
Về quan hệ momen:
Me
Mi = −iie
r . ηier = ηr
Phương trình cân bằng momen:
Me+ Mi + Mr = 0
Suy ra các mối quan hệ sau:
Me Mr = i r. η r 1 − ir. ηr = η r 1 + ηr Mi Mr = 1 ir. ηr− 1 = − 1 1 + ηr} Và do đó: Me Mi = −i r. ηr = ηr
Như vậy trong trường hợp có tính đến ma sát tỉ số momen giữa trục e và i là không đổi và bằng giá trị hiệu suất riêng, momen lớn trên trục i.
+ Trong trường hợp phanh: Khi phanh bằng động cơ hay hộp số tức là truyền động từ (e+i) đến r, ta có các quan hệ:
ωer > 0, Me < 0 ωir < 0, Mi > 0
Công suất thế năng:
Per = Me. ωer > 0, Pir = Mi. ωir < 0
Như vậy dịng cơng suất thế năng đi từ trục e đến trục i. Về quan hệ momen: Mi Me = −iei r . ηeir = −ηr. ir = ηr Me+ Mi + Mr = 0 Suy ra: Mi Mr = −ir. ηr 1−ir.ηr = − ηr 1+ηr Me Mr = 1 ir.ηr−1= − 1 1+ηr } Tỉ số momen: Mi Me = −ir. ηr = ηr
Như vậy trong trường hợp phanh, momen trên trục quay nhanh lớn hơn momen trên trục quay chậm.
4.2.1.5 Các quan hệ về lực của cầu có vi sai
Trên tấc cả các cầu chủ động đều có trang bị vi sai đối xứng, khi quay vịng hay khi chuyển động trên đường trơn tốc độ góc giữa bánh xe trái-phải sẽ khác nhau, vi sai trong cầu sẽ bắt đầu làm việc, quan hệ về lực và hiệu quả của cầu được phân tích dưới đây.
Hình 4.6a: Cầu được phanh Hình 4.6b: Cầu chủ động
Moment trên các trục Me , Mi tạo ra các lực kéo tiếp tuyến Fke và Fki sau khi đã kể đến thành phần lực cản lăn chúng ta có các phản lực tiếp tuyến tại các bánh xe Xe và Xi (đây cũng là các lực đẩy tại ổ trục bánh xe).
Trong trường hợp chủ động ( vì lực cản lăn coi là như nhau tại các bánh xe) ta ln có Xi > Xe , trong trường hợp phanh ( bằng động cơ) thì Xi < Xe nhưng có chiều ngược lại.
Chúng ta có các mối quan hệ sau:
Bả ng 4.2: Quan hệ moment ở cầu chủ động và cầu phanh
Ở cầu chủ động Ở cầu được phanh
|Me| = Fke. r = (Xe + Ffe). r Me = Fke. r = (Xe − Ffe). r |Mi| = Fki. r = (Xi + Ffi). r Mi = Fki. r = (Xi− Ffi). r |Me| < |Mi| Me > Mi Xe =|Me| r − Ffe =|Me|−Mfe r Xe =Me r + Ffe = Me + Mfe r Xi =|Mi| r − Ffi =|Mi|−Mfi r Xi =Mi r + Ffi = Mi+ Mfi r
Trong cả 2 trường hợp ta ln có: Phản lực tiếp tuyến tổng cộng của cả cầu:
X = Xe+ Xi
Do Xe ≠ Xi nên phản lực tổng hợp X không đặt tại tâm cầu mà lệch một đoạn Δ về
phía bên trục i. Do đó tạo ra một moment xoay cầu. MΔ = X. Δ = 0,5B(Xi − Xe)
Với Δ = B(Xi− Xe)/2X
Trong trường hợp vi sai đối xứng ir = −1 do đó: Me/Mi = ηr
Me/Mr = −ηr/(1 + ηr) Me/Mi = −1/(1 + ηr)
Khi quay vòng với tốc độ khơng lớn (để có thể coi Ffe = Ffi và giả thiết các lực Xi
(khi kéo) và Xe (khi phanh) khơng bị hạn chế bởi giới hạn bám.Ta có trường hợp chung đối với vi sai đối xứng:
MΔ = |Mr|
2r(1+ηr). B. (1 − ηr)
Như vậy trong cả 2 trường hợp đều xuất hiện moment MΔ có xu hướng làm xoay cầu và thơng qua nhíp làm xoay cả xe ngược chiều quay vịng. Vì thế có thể nói vi sai trong cầu chủ động là một trong những yếu tố tạo ra khuynh hướng quay vòng thiếu của ơ tơ, vi sai có hiệu suất riêng càng thấp thì khuynh hướng này càng rõ nét, nếu vi sai khơng ma sát thì khuynh hướng này có thể bỏ qua.
Khi ô tô chuyển động thẳng trên đường tốt ( khả năng bám hai bên bánh xe trái-phải là như nhau) thì tốc độ góc các bánh xe trái-phải sẽ bằng nhau và bằng tốc độ của vỏ vi sai. Khi đó cơ cấu ma sát trong vi sai ( đối với vi sai có ma sát) sẽ khơng có hiệu quả, vi sai làm việc như khơng có ma sát, Xe = Xi và moment xoay cầu cũng khơng có, ơ tơ chuyển động ổn định.
4.2.1.6 Khả năng bám của cầu có vi sai
Như ta đã biết ưu điểm chính của vi sai là cho phép hai bán trục có thể quay với tốc độ góc khác nhau, tuy nhiên việc phân bố moment xoắn cho hai bán trục theo một tỉ lệ cố định lại trở thành một nhược điểm nếu như một trong hai bánh xe mất khả năng bám.
Moment bám được xác định Mφ = Z. φ. r ( với φ là hệ số bám giữa bánh xe và mặt
đường).