4.2.2.2 Nghiên cứu quá trình chuyển động thẳng của ô tô
Trong mục này chúng ta sẽ nghiên cứu việc phân chia moment MΣ cho các bánh xe hay các cầu trong trường hợp ô tô chuyển động thẳng trên cơ sở sử dụng đặc tính rl(Fk) :
Các bánh xe (hay các cầu) có λF như nhau, tải trọng Z như nhau, nhưng bán kính lăn khi khơng tải rl0 khác nhau (bán kính có thể khác nhau do nhiều nguyên nhân như sai số chế tạo, độ mịn của lốp, áp suất khí trong lốp v.v…) Trạng thái này có thể được mơ tả theo hình vẽ dưới đây:
Khi chuyển động thẳng, tốc độ tịnh tiến thực tế của hai bánh xe (hay hai cầu) sẽ bằng nhau V1 = V2 , tức là :
rl1. ω1 = rl2. ω2 suy ra rl2/rl1 = ω1/ω2 = i
Nếu i =1, tức là tốc độ góc của hai bánh xe (hay hai cầu) bằng nhau (điều này là đương nhiên đối với hai bánh xe của một cầu và là phổ biến đối với hai cầu chủ động của ô tô hai cầu) thì ta có:
rl1 = rl2 = rl tức là hai bánh xe (hay hai cầu) chuyển động với cùng một bán kính lăn thì chắc chắn tại hai bánh xe sẽ có hai lực Fk khác nhau (Fk1> Fk2).
Trong giới hạn bám, tức là Fkmin < Fk < Fkmax ta có thể sử dụng phương trình:
rl = rl01− λ. Fk1 = rl02− λ. Fk2
Từ đó rút ra: ΔFk = Fk2− Fk1 = (rl02− rl01)/λ = Δrl/λ
Lực tổng cộng: Fk = Fk1+ Fk2 = 2Fk1+ ΔFk
Hay Fk1 = 0,5(Fk− ΔFk)
Như vậy với các giá trị Δrl và λ đã biết ta có thể xác định được ΔFk, từ đây quan hệ về phân phối moment cũng được xác định từ các phương trình :
MΣ = MΣ1+ MΣ2 Mk1 = i1. η1. MΣ1 Mk2 = i2. η2. MΣ2
Fk1 = Mk1/rd1 ; Fk2 = Mk2/rd2 ΔFk = Fk2− Fk1 = (rl02− rl01)/λ = Δrl/λ
Nhận xét: trong trường hợp khảo sát ta ln có Fk1 ≠ Fk2, điều này khác với giả thiết về một đường truyền năng lượng trong những tính tốn thơng thường (khi sử dụng vi sai đối xứng khơng ma sát) trong trường hợp lý thuyết này thì:
Fki0 = 0,5Fk (i = 1,2)
Lượng chênh lệch giữa Fki thực tế và trường hợp lý thuyết nói trên được xác định:
ΔFk1 = |Fk1− Fk10 | = 0,5ΔFk = Δrl/2λ ΔFk2 = |Fk2− Fk20 | = ΔFk1
Các giá trị ΔF1,2 gọi là các lực ký sinh Ngồi ra cịn có khái niệm:
Moment ký sinh: ΔMki = ΔFki. rli
Công suất ký sinh: ΔPki = ΔMki. ωki = ΔFki. rli. ωki
Sự khác biệt của Fk1và Fk2 dẫn đến dự trượt của các bánh xe sẽ khác nhau và mài mòn lốp cũng khác nhau. Đây là một nhược điểm.
Tiếp theo chúng ta phải khảo sát trường hợp một trong hai lực Fki đạt tới giới hạn bám (ví dụ Fk2 = Fmax) (ở Hình a)
Hình 4.12: Đặc tính lực của bán kính lăn khi Fk đạt tới giới hạn bám và khi bán kính lăn thay đổi
Tương tự chúng ta có thể viết:
Fk1 = Fk− Fkmax
Giá trị Fk2 = Fkmax = Z. φ coi như đã biết, bài tốn coi như chỉ cịn ẩn số là Fk1 và có thể giải dễ dàng. Ngồi ra ta có thể viết:
rl = rl01− λF. Fk1
Các giá trị ký sinh cũng có thể xác định dễ dàng bằng các phương trình :
ΔFk1 = |Fk1− Fk10 | = 0,5ΔFk = Δrl/2λ ΔFk2 = |Fk2− Fk20 | = ΔFk1
ΔMki = ΔFki. rli
ΔPki = ΔMki. ωki = ΔFki. rli. ωki
Bài toán này cũng được xác định trong trường hợp tương tự Fk1 = Fkmin.
Trong trường hợp cả hai bánh xe đều đạt tới giới hạn bám, tức là khi các bán kính lăn khơng cắt các đường đặc tính rl(Fk) chúng ta có:
Fk1 = Fk2 = Fkmax(hoặc Fkmin)
Giá trị Fk của cả cầu khi đó Fk = Fkmax(hoặc Fkmin) Bán kính lăn trường hợp này
khơng xác định được. Bán kính lăn cũng khơng xác định được trong trường hợp cả hai bánh xe là tuyệt đối cứng (λ = 0) và có bán kính khác nhau (ở hình b); khi đó Fk2 = Fkmax (bánh xe lớn trượt lăn), Fk1 = Fkmin (bánh xe nhỏ trượt lết), bán kính lăn trong khoảng rl01 < rl < rl02.
4.2.2.3 Trạng thái lăn của cầu - hiện tượng lưu thông công suất
Đối với cầu phân phối công suất không dung vi sai tương tự như ở một bánh xe độc lập giá trị lực kéo tổng cộng Fk xác định trạng thái chuyển động của cầu:
Duới đây mô tả các đặc tính lực của bán kính lăn đối với cầu ở trạng thái chuyển động khác nhau với lưc Fk giảm dần (bán kính lăn tăng dần) hình vẽ bên dưới mơ tả dạng năng lượng.
Trên hình a là cầu chủ động với các lực kéo tiếp tuyến Fk1 , Fk2 và các phản lực tiếp tuyến X1 , X2 đều dương. Dịng cơng suất đi từ trục vào PΣ được truyền tới hai bánh xe 1 và 2. Tại mỗi bánh xe công suất kéo Pk1,2 được chi dung để:
-Khắc phục công suất cản lăn Pf1,2 cho mỗi bánh xe
-Truyền xuống mặt đường một phần công suất là P1,2 = X1,2. v , đây cũng là công suất
đẩy vào khung, trường hợp này chúng ta có giá trị dương.
Trên hình b khi lực kéo tổng cộng Fk giảm (rl tăng) dẫn đén trường hợp mặc dù cả hai giá trị Fk1,2 vẫn dương nhưng phản lực tiếp tuyến trên 1 bánh âm X1 < 0 ( trong khi X2
vẫn dương). Như vậy lực kéo tiếp tuyến truyền đến bánh xe 1 chưa đủ khắc phục bản thân nó (Fk1 < Ff1 ) bánh xe này sẽ là bánh xe được kéo theo (mặc dù vẫn là chủ động).
Dịng cơng suất trong trường hợp này được mô tả từ trục vào vẫn có hai dịng cơng suất dương Pk1 = Fk1. V và Pk2 = Fk2. V truyền đến bánh xe 1 và 2. Tại mỗi bánh xe tình
trạng truyền năng lượng có khác nhau
Tại bánh xe 2 công suất Pk2 được dùng để khắc phục công suất cản lăn Pf2, phần cịn lại truyền xuống mặt đường nhầm tạo cơng suất đẩy dương P2 = X2. V và hỗ trợ bánh 1 khắc
phục cơng suất cản lăn của nó. Như vậy cơng suất trên trục 2 sẽ bằng:
Pk2 = Pf. V + X2. V + |Pf− Fk1|. V
Công suất kéo trên bánh 2 bắt đầu gia tăng do hỗ trợ cho bánh 1.
Trên hình c: khi tiếp tục giảm lực kéo tổng cộng sẽ dẫn đến trường hợp thứ 3, khi đó lực kéo Fk1 giảm tới mức mang giá trị âm và đổi chiều, dịng cơng suất lúc này đóng lại và xảy ra hiện tượng gọi là lưu thông công suất. Bánh xe 1 lúc này là bánh xe phanh (do
Fk1 âm), công suất kéo trên bánh xe 2 được xác định: Pk2 = Pf. V + X2. V + |Fk1+ Pf|. V
Công suất kéo trên trục bánh xe 2 trong trường hợp này là lớn nhất vì thế có thể nói hiện tượng lưu thơng cơng suất là có hại vì gây q tải cho hệ thống truyền lực.
Hiện tượng lưu thông công suất cũng xảy ra trong trường hợp cầu bị động được kéo theo khi đó Fk1 = −Fk2 cơng suất kéo của cầu Pk = 0
Như vậy hiện tượng lưu thông công suất cũng xảy ra nếunh ư một trong hai lực kéo
Fki mang giá trị dương còn lực kia mang giá trị âm. Cơng suất lưu thơng nói chung khơng bằng cơng suất ký sinh ngoại trừ cầu bị động do Fk = 0 nên |Fk1| = |Fk2| và đồng thời bằng ΔFki . Trong các trường hợp khác thì cơng suất lưu thơng được xác định từ giá trị Fki nhỏ hơn trong các giá trị |Fk1 và |Fk2|. Cụ thể:
Plt = min|Fki| V
4.2.2.4 Những nhược điểm của việc phân phối công suất trên ô tô khi khơng dùng vi sai và khi có vi sai sai và khi có vi sai
Đối với cầu phân phối công suất không dùng vi sai thường xảy ra hiện tượng lưu thông công suất. Hiện tượng lưu thông công suất luôn xảy ra khi Fk1và Fk2 trái dấu nhau. Khi hiện tượng lưu thông công suất xảy ra sẽ gây quá tải cho hệ thống truyền lực dẫn đến hư hỏng hệ thống truyền lực.
Nhược điểm của xe sử dụng vi sai không ma sát với ηr (hiệu suất riêng ) bằng 1 dẫn đến hiện tượng là việc giảm lực kéo của cầu chủ động khi khả năng bám của một trong hai bánh xe bị giảm dần và xe không thể tự mình vượt qua vùng lầy. Khắc phục hiện tượng này người ta trang bị cơ cấu khóa hãm vi sai. Nó có cấu tạo như một ly hợp. Khi ly hợp được nối moment sẽ dẫn cho bánh xe còn bám tốt để tận dụng hết khả năng bám của bánh xenayf và xe có thể vượt qua được lầy. Nhưng sau đó phải ngắt ly hợp ngay nếu không xảy ra hiện tượng lưu thông công suất gây hư hỏng cầu.
Tóm lại, để cải thiện khả năng kéo của ô tô người ta trang bị cho ô tô có cơ cấu khóa hãm vi sai hay dùng vi sai có ma sát. Thế nhưng đó khơng phải là phương pháp tối ưu vì khi dùng vi sai có cơ cấu khóa vi sai, khi khóa hãm vi sai để vượt qua đường xấu mà quên ngắt hay khi vi sai có mà hoạt động ngồi vùng làm việc của nó thì sẽ gây ra hiện tượng lưu thông công suất.
Chương 5: TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA Ô TÔ DU LỊCH 4x4, SO SÁNH VỚI TRƯỜNG HỢP Ô
TÔ 4x2
Ở các chương trước, ta đã nêu các phương pháp lý thuyết để xác định các tính chất động lực học trên xe ơ tơ, bao gồm các tính chất:
- Vận tốc cực đại. - Gia tốc cực đại. - Độ leo dốc cực đại.
Nhưng, có một giả thuyết đã được đặt ra ban đầu, đó là chỉ có 1 dịng cơng suất truyền từ động cơ đến 1 bánh xe chủ động. Chính vì vậy, ta mới có thể áp dụng công thức lên mô-đel phẳng, với 1 bánh chủ động. Với giả thuyết như vậy, việc tính tốn cho xe ơ tơ có hệ thống một cầu hay hai cầu là điều khơng thể. Vì, dù cho là xe có ít nhất một cầu, thì cũng có 2 dịng cơng suất truyền đến 2 bánh chủ động trái và phải, và đối với xe hai cầu thì dịng cơng suất còn truyền đến cầu trước và cầu sau. Đây cũng là vấn đề trọng tâm của đề tài nghiên cứu của chúng em, nghĩa là nêu ra được sự khác biệt giữa xe hai cầu và một cầu ảnh hưởng như thế nào đến các tính chất động lực học.
Ngồi ra, trong q trình tính tốn, ta cũng đã bỏ qua sự trượt, điều này trong tính tốn cho thực tế là khơng thể. Vì sự trượt gây tổn hao cơng suất rất đáng kể trong q trình hoạt động của ơ tơ. Nhất là ở 2 trạng thái tăng tốc và leo dốc. Vì, khi lực kéo mơmen đạt tối đa thì cũng là khi sự trượt ở trạng thái cao nhất. Mà, thông số lực kéo tối đa dùng để xác định khả năng tăng tốc là leo dốc của ô tô. Chỉ khi thông số tốc độ tối đa, nghĩa là mơmen thấp nhất, thì ta mới chấp nhận bỏ qua sự trượt, vì khi đó sự trượt có giá trị thấp nhất, nên tốc độ thực tế và tốc độ lý thuyết không khác biệt nhiều về giá trị.
5.1 Sự ảnh hưởng của xe hai cầu chủ động và một cầu chủ động đối với khả năng bám
Đối với khả năng bám, nó tỉ lệ với khối lượng của xe tác động lên các bánh chủ động:
Trong đó:
- Fφx : lực bám dọc - φx : hệ số bám dọc
- 𝑍 : phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe. 𝑍 = 𝐺 Với G là tải trọng
pháp tuyến tác dụng lên bánh xe chủ động.
Với trường hợp xe một cầu chủ động, tổng tải trọng tác dụng lên các bánh xe chủ động, cụ thể ở đây là 2 bánh, chắc chắn sẽ nhỏ hơn tổng tải trọng tác dụng lên các bánh chủ động của xe ơ tơ có hệ thống hai cầu chủ động (4 bánh). Đặt ví dụ một loại xe ô tô, một chiếc với hệ thống một cầu chủ động (cầu trước chủ động), ta sẽ có lực bám dọc sẽ là: Fφx4x2 = φx. Z1. Chiếc thứ hai với hệ thống hai cầu chủ động, ta sẽ có lực bám dọc sẽ là:Fφx4x4 = φx. (Z1+ Z2). Trong đó, Z1, Z2 lần lượt là phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau. Như vậy có thể thấy rằng, lực bám dọc của xe có hệ thống hai cầu chủ động sẽ lớn hơn xe một cầu chủ động. Ngoài ra, đối với xe hai cầu chủ động, lực kéo Fk truyền từ động cơ đến mỗi bánh chủ động sẽ được chia ra làm 4 phần (4 bánh), trong khi xe hai cầu chủ động chỉ truyền đến 2 bánh. Phân tích như trên có thể thấy, lực kéo tiếp tuyến mỗi bánh Fk của xe hai cầu thì giảm xuống ở mỗi bánh, nhưng lực bám dọc Fφx tồn bộ xe lại tăng lên. Do đó, khả năng bám của xe có hệ thống hai cầu chủ động sẽ tối ưu hơn xe sử dụng một cầu chủ động.
5.2 Bài tốn tính tốn động lực học chuyển động thẳng và so sánh giữa ô tô hai cầu chủ động(4x4) với một cầu chủ động(4x2)
5.2.1 Thơng số xe Huyndai Santafe Động cơ xăng khơng chì V6 2.7, Cam kép (Engine 2.7cc, unleaded gasoline V6 DOHC) (Engine 2.7cc, unleaded gasoline V6 DOHC)
Bả ng 5.1: Thông số của Thông số xe Huyndai Santafe Động cơ xăng
Động cơ
Dung tích xilanh (cc) 2,656cc
Đường kính xilanh và hành trình piston (mm x mm)
86,7 x 75,0
Tỉ số nén 10,4
Công suất cực đại (kw/rpm) 138/6000
Mô men xoắn cực đại (kg.m/rpm) 248/4000
Hệ thống truyền lực Hộp số 4 số tự động. Tỉ số truyền Số 1 2,842 Số 2 1,495 Số 3 1,0 Số 4 0,731 Số lùi 2,720 Tỉ số truyền cuối 4,520
Dung tích dầu bơi trơn (lit) 8,5
Kích thước
Dài x Rộng x Cao (m) 4,650 x 1,890 x 1,795
Chiều dài cơ sở (m) 2,7
Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm cầu trước a (m) 1,08 Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm cầu sau b (m) 1,62
Vệt trước x sau (m) 1,615 x 1,620
Số chỗ ngồi 7
Trọng lượng không tải (kg) 1570
Trọng lượng tồn tải (kg) 2290
Thơng số lốp xe 235/55R19
Bán kính bánh xe r0 (cm) 37,055
Bánh kính tính tốn r (cm) 34,65
Hệ số cản lăn bánh xe với mặt đường f 0,015÷0,035
Hệ số biến dạng vịng λF (m/kN) 0,001÷0,01
Hệ số bám φx 0,5÷0,6
Hệ số cản gió Cx (Ns2/m4) 0,3÷0,45
Diện tích chắn gió S (m2) 1,5÷2,0
Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động khi quay δj (Ns2/kg.m)
1,05+0,05ih2
Tải trọng phân bố cầu trước(kg) 965
Tải trọng phân bố cầu sau(kg) 605
5.2.2 Sự ảnh hưởng của tải trọng phân bố lên các cầu chủ động đến khả năng bám của xe xe
Đây là bài toán so sánh giữa xe một cầu chủ động và xe hai cầu chủ động với trường hợp xe đang được sử dụng trên đường bám kém, giả thiết đã đạt đến giới hạn bám. Ở đây ta chỉ sử dụng hệ số bám dọc φx, hệ số bám ngang φy chỉ sử dụng cho bài toán ổn định. Ta gọi
φx = φ và Fφx = Fφ.
5.2.2.1 Xe một cầu chủ động (4x2)
Giả sử xe cầu trước chủ động
Theo giả thiết, vì đã đạt đến giới hạn bám nên Fk4x2 = Fφ4x2 = φ. Z1
Gia tốc chỉ đạt cực đại khi ô tô chuyển động trên đường bằng (α = 0, Fi = 0), chuyển
động ở tốc độ thấp do đó lực cản khơng khí khơng đáng kể (Fω = 0), đồng thời ơ tơ đang
làm viêc ở tay số 1, từ đó ta có phương trình cân bằng sau:
Fk maxj = Ff+ Fj max= φ. Z1 m. g. f + m. δj. jmax = φ. Z1 ⇒ jmax =φ.Z1−m.g.f δj.m Ta có các giá trị: φ = 0,55 Z1 = 9650 N m = 1570 kg f = 0,015 δj = 1,454 Ns2/kg.m
Thay các giá trị trên vào phương trình ta được
jmax = 2,22 m/s2
• Xác định độ dốc cực đại imax
Khi ô tơ leo dốc cực đại thì tốc độ của ơ tơ bé nên ta có thể bỏ qua lực cản gió (Fω = 0),