Lực cản không khí

2. Các giải pháp đề ra để nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập

1.4.Lực cản không khí

Ký hiệu: Pω

- Phương: song song với mặt đường (giả thiết)

- Chiều: ngược chiều chuyển động của ôtô (giả thiết) - Điểm đặt: tại tâm của diện tích cản chính diện của ôtô

Nguyên nhân sinh ra lực cản không khí: Khi ôtô chuyển động làm áp suất không khí trên bề mặt và các phần không khí bao quanh xe thay đổi tạo thành các dòng xoáy khí ở phần sau ôtô gây ra ma sát giữa không khí với bề mặt của chúng sinh ra lực cản không khí. Hình 1-12. Sơ đồ dòng khí xoáy tác dụng lên các dạng ôtô. Có thể coi lực cản không khí tác dụng vào ôtô gồm các thành phần cản sau: - Lực cản do không khí tác dụng vào diện tích chính diện của đầu xe

- Lực cản do ma sát giữa không khí với toàn bộ vỏ xe

- Lực cản do sự hình thành những xoáy lốc phía dưới gầm xe, lực cản này có xu hướng nhấc xe lên. Thực nghiệm đã chứng tỏ lực cản 2 0   KF P  (1.68)

Đồ án tốt nghiệp Trang 44

không khí được xác định theo (1.68). K: hệ số cản không khí hay còn gọi là

hệ số dạng khí động, phụ thuộc vào: - Hình dạng và chất lượng bề mặt của ôtô

- Mật độ không khí có đơn vị là Ns2/m4.

F : Diện tích cản chính diện của ôtô,

có đơn vị m2

v0: tốc độ tương đối giữa ôtô và không khí, đơn vị (m/s) g o v v v   (1.69) Trong đó: v: vận tốc ôtô vg: vận tốc gió

Trong phương trình (1.69): dấu (+) khi tốc độ của ôtô và tốc độ của gió ngược chiều, dấu (-) khi tốc độ của ôtô và tốc độ của gió cùng chiều.

Hệ số cản của không khí K của ôtô thay đổi trong phạm vi rộng tuỳ theo dạng khí động của ôtô. Hệ số cản K được xác định bằng thực nghiệm.

Để xác định hệ số cản không khí K của các loại ôtô đã được thiết kế người ta sử dụng sơ đồ dùng ống khí động như sau:

Hình 1.13. Sơ đồ dùng ống khí động để

xác định hệ số cản K của các loại ôtô đã được thiết kế

1. Ống khí động; 2. Động cơ điện; 3. Quạt gió; 4. Ôtô mẫu; 5. Quả cân; 6. Miệng hướng gió; 7. Đồng hồ đo tốc độ luồng khí

Đồ án tốt nghiệp Trang 45

Quá trình tiến hành như sau:

Ô tô mẫu được làm giống hệt ôtô đã thiết kế nhưng có kích thước nhỏ hơn. Treo ôtô mẫu 4 trong ống khí động 1, khi động cơ điện 2 làm việc quạt 3 quay sẽ hút gió tạo ra luồng không khí thổi qua ống khí động. Nhờ miệng hướng gió 6 và kết cấu dạng ống khí động, luồng không khí đi qua ôtô mẫu sẽ tăng tốc độ lên rất lớn. Qua tốc độ quay của động cơ điện và kết cấu dạng cánh quạt ta có thể biết được tốc độ luồng khí tại tiết diện đặt quạt gió vì vậy ta có thể xác định được tốc độ của luồng khí tại tiết diện đặt ôtô mẫu nhờ đồng hồ 7. Những quả cân 5 dùng để đo lực cản không khí Pω¬. Như vậy mỗi lần thay đổi tốc độ của quạt gió ta lại được một giá trị Pω tương ứng và ta tìm được một giá trị của hệ số cản K. Qua nhiều lần như vậy ta sẽ xác định được hệ số K trung bình của loại ôtô thiết kế.

Việc xác định chính xác diện tích cản chính diện của xe có nhiều khó khăn vì vậy trong thực tế người ta thường sử dụng công thức tính gần đúng sau:

Hình 1-14. Sơ đồ xác định diện tích cản

chính diện của ôtô.

- Với ôtô tải: F = BH - Với ôtô du lịch: F = 0,8BoH Trong đó :

B : chiều rộng cơ sở của ôtô Bo: chiều rộng lớn nhất của ôtô H : chiều cao lớn nhất của ôtô

Các kích thước B, Bo, H được biểu diễn trên hình bên:

Ngoài ra còn phải tính nhân tố cản không khí, ký hiệu là W (Ns2/m2) được xác định theo công thức :

W= KF

Suy ra : Pω =Wv02 (1.70) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Giá trị trung bình của K, F, W ở mỗi loại ôtô khác nhau là khác nhau, giá trị của

chúng được trình bày ở bảng 1-2:

Nhận xét :

Đồ án tốt nghiệp Trang 46

+ Hình dạng của ôtô, chất lượngbề mặt của ôtô. + Phụ thuộc và mật độ không khí.

+ Phụ thuộc vào vận tốc của ôtô và vận tốc của gió.

1.5. Lực ở moóc kéo.

 Ký hiệu: Pm

- Phương: Song song với mặt đường (nằm ngang). - Chiều: ngược với chiều chuyển động của ôtô. - Điểm đặt: tại vị trí đặt moóc

Lực cản ở moóc kéo được xác định theo công thức (1.71).

Nhận xét :

- Lực ở moóc phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Trọng lượng bản thân moóc và tải trọng chất ở moóc

+ Số lượng moóc kéo ở sau ôtô.



nQ

Pm  ; N (1.71) Q: trọng lượng toàn bộ của moóc, bao gồm:

- Trọng lượng bản thân moóc - Tải trọng đặt lên moóc

n: số lượng moóc được kéo theo sau

ôtô

: hệ số cản tổng cộng của đường

1.6. Trọng lực của ôtô.

 Ký hiệu: G

- Phương: Vuông góc với mặt phẳng nằm ngang - Chiều: hướng về tâm của trái đất

- Điểm đặt: trọng tâm của xe

 Khi ô tô chuyển động trên đường bằng thì trọng lực G gây ra các lực thẳng góc của đường tác dụng lên các bánh xe.

 Khi ô tô chuyển động trên dốc thì trọng lực của ô tô chia ra thành : một thành phần lực Gcosα thẳng góc với mặt phẳng đường và lực Gsinα song song với mặt phẳng đường như Thành phần Gcosα sẽ tác dụng lên mặt đường và gây ra các lực thẳng góc của đường tác dụng lên bánh xe Z1 và Z2. Thành phần thứ hai Gsinα cản lại sự chuyển động của xe khi lên dốc và được gọi là lực cản dốc.

Đồ án tốt nghiệp Trang 47

Ký hiệu: Pf

- Phương: song song với mặt đường - Chiều: ngược với chiều chuyển động (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

- Điểm đặt: tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường.

Lực cản lăn được sinh ra bởi:

- Sự biến dạng của lốp với mặt đường.

- Do sự ma sát tạo thành vết bánh xe trên mắt đường tại bè mặt tiếp xúc giữa lốp và mặt đường.

 Khi ôtô chuyển động lực cản lăn sinh ra ở 4 bánh là khác nhau để đơn giản ta chỉ xét ở cầu trước và cầu sau trên mặt phẳng dọc, chúng lần lượt được ký hiệu là Pf1

và Pf2

Để đơn giản lực cản lăn được coi là ngoại lực tác dụng lên bánh xe. Khi đó lực cản lăn được xác định theo công thức: 2 1 f f f P P P   ; N (1.72) Các lực cản Pf1; Pf2 được xác định theo biểu thức (1.73) và (1.74): Ở đây:

Pf : lực cản lăn của ôtô.

Pf1, Pf2: các lực cản lăn ở bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau.

Z1; Z2: Phản lực pháp tuyến ở cầu trước và cầu sau.

f1 ; f2: hệ số cản lăn ở bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau.

Pf1= Z1.f1 ; N (1.73) Pf2= Z2.f2 ; N (1.74) Trong tính toán ta coi :

f1= f2= f (1.75) Khi đó ta có: ) ( 1 2 2 1 fZ f Z Z fZ Pf     ; N (1.76)

Cân bằng lực theo phương thẳng đứng ta có:    2 cos 1 Z G Z Pf  fGcos (1.77)

G: trọng lượng toàn bộ của ôtô

: góc dốc của mặt đường S

Khi ôtô chuyển động trên đường nằm ngang thì:  0

Đồ án tốt nghiệp Trang 48

Giá trị của hệ số cản lăn f đã được xác định bằng thực nghiệm và được tra ở bảng 1-3:

1.8. Đ iều kiện chuyển động của ôtô.

1.8.1. Lực bám.

- Để ôtô có thể chuyển động được thì ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải có độ bám nhất định được đặc trưng bằng hệ số bám.

- Độ bám ( hệ số bám) thấp thì bánh xe có thể trượt quay khi có mômen xoắn lớn truyền từ động cơ đến bánh xe chủ động và lúc đó ôtô không thể chuyển động về phía trước được. Trường hợp này sảy ra khi bánh xe chủ động đứng trên mặt đường lầy hoặc đứng trên băng. Độ bám của bánh xe phụ thuộc kết cấu của lốp xe hay cách bố trí các cầu chủ động.

Sự tiếp xúc giữa bánh xe với mặt

đường sinh ra hệ số bám. Ký hiệu là: φ Độ lớn:   G Pkmax  (1.79)  G : là tải trọng thẳng đứng. Từ công thức (1.79) có thể xác định lực kéo tiếp tuyến cực đại phát sinh theo điều kiện bám giữa bánh xe chủ động với mặt đường như sau:

 G

Pkmax  . ; N (1.80)

Nếu gọi Z là phản lực thẳng góc từ

mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động ta có:  G Z  Lực bám tại bánh xe chủ động - Ký hiệu P Trong đó:

Mkmax: mômen cực đại truyền tới bánh xe chủ động. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Độ lớn: P .Z

Pkmax được tính theo công thức Pkmax=

Z

.

 nghĩa là phải thoả mãn không vuợt qua giới hạn bám. Pkmax ≤ Pφ ; N (1.81) Hay ; Z r M b kmax .

Đồ án tốt nghiệp Trang 49

Để ôtô có thể chuyển động được mà không bị trượt quay thì lực kéo tiếp tuyến sinh ra ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường phải :

- Thắng được tổng các lực cản chuyển động

- Giới hạn bởi lực bám của bánh xe với mặt đường

  P P P P P P Pf  i  j   m  k  (1.82) Đối với lực cản dốc thì:

Đối với lực cản quán tính thì :

- Dấu “-“ khi ôtô xuống dốc. - Dấu “+” khi ôtô lên dốc. - Dấu “-“ khi ôtô giảm tốc. - Dấu “+” khi ôtô tăng tốc

Đồ án tốt nghiệp Trang 50

CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG CÔNG SUẤT, LỰC KÉO VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ

2.1. Cân bằng công suất ôtô.

2.1.1. Đặc tính công suất của động cơ.

 Lịch sử phát triển ngành ô tô đã chứng kiến nhiều loại động cơ khác nhau dùng trên ô tô, nhưng hiện nay nguồn động lực chính dùng trên ô tô vẫn là động cơ đốt trong loại piston.vì vậy để xác định được lực và mô men tác dụng lên các bánh xe chủ động của ô tô cần phải nghiên cứu đường đặc tính tốc độ của động cơ đốt trong loại piston. Đường đặc tính tốc độ của động cơ là các đồ thị chỉ sự phụ thuộc của công suất có ích Ne, mô men xoắn có ích Me, tiêu hao nhiên liệu trong một giờ GT công suất tiêu hao nhiên liệu ge theo số vòng quay n hoặc theo tốc độ góc  của trục khuỷu.

 Có hai loại đường đặc tính tốc độ của động cơ : - Đường đặc tính tốc độ cục.

- Đường đặc tính tốc độ ngoài, gọi tắt là đường đặc tính ngoài của động cơ.

 Đường đặc tính tốc độ của động cơ nhận được bằng cách thí nghiệm động cơ trên bệ thử.

- Khi thí nghiệm động cơ trên bệ thử ở chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại, tức là mở bướn ga hoàn toàn đối với động cơ xăng hoặc thanh răng của bơm cao áp ứng với chế độ cấp nhiên liệu hoàn toàn đối với động cơ Diezel chúng ta sẽ nhận được đặc tính ngoài của động cơ. Nếu bướn ga hoặc thanh răng ở vị trí trung gian thì sẽ nhận cá đường đặc tính cục bộ.như vậy đối với mỗi động cơ đốt trong sẽ có một đường đặc tính tốc độ ngoài và rất nhiều đường đặc tính cục bộ tùy theo vị trí của bướm ga hoặc vị trí thanh răng .

- Trên hình 2-1a trình bày đường đặc tính ngoài của động cơ xăng không có bộ

phận hạn chế số vòng quay. Loại động cơ này thường được dùng trên ô tô du lịch và đôi khi được dùng trên ô tô hành khách.

Đồ án tốt nghiệp Trang 51 Hình 2-1. Đường đặc tính ngoài của động

cơ xăng (đặc tính công suất).

a) Không hạn chế số vòng quay. b) Có hạn chế số vòng quay.

Số vòng quay nmincủa trục khuỷu là số vòng quay nhỏ nhất mà động cơ có thể làm việc ổn định ở chế độ toàn tải .

Khi tăng số vòng quay thì mômen và công suất của động cơ tăng nên (hình 2- 1a) mômen xoắn đạt giá trị cực đại Mmaxở số vòng quay nM và công suất đạt giá trị cực đại Nmax ở số vòng quay nN. Các giá trị Nmax, Mmax và số vòng quay tương ứng vớ giá trị trên nN và nM được chỉ dẫn trong các đặc tính kỹ thuật của động cơ . Động cơ ô tô làm việc chủ yếu trong vùng

N

n - nN . (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Khi tăng số vòng quay của trục khuỷu lớn hai giá trị nN thì công suất sẽ giảm, chủ yếu là do sự nạp hỗn hợp khi nến khi và do tăng tổn thất ma sát trong động cơ . ngoài ra khi tăng số vòng quay sẽ làm tăng tải trọng động gây hao mòn nhanh các chi tiết động cơ. Vì thế khi thiết kế ô tô du lịch thì số vòng quay của trục khuỷu động cơ tương ứng với tốc độ cực đại của ô tô trên đường nhựa tốt nằm ngang không vượt quá 10 /20 phần trăm so với số vòng quay nN.

Động cơ xăng đạt trong ô tô tải thường có bộ phận hạn chế số vòng quay nhằm lảm tăng tuổi thọ của động cơ. Bộ phận hạn chế số vòng quay làm giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ do đó công suất và mômen của động cơ sẽ giảm và quay số vòng quay của trục khuỷu sẽ ít hơn giá trị nN. Trên hình 2-1b trình bày đường dặc

tính ngoài của động cơ xăng có bộ phận hạn chế số vòng quay. Đường đứt nét ứng với động cơ không có bộ phận hạn chế số vòng quay, còn đường nét đậm ứng với động cơ có bộ phận hạn chế số vòng quay.

Động cơ điêden được dùng trên ô tô tải, ô tô hành khách và ngày nay dùng cả trên ô tô du lịch. Động cơ điêden dùng trên ô tô được trang bị bộ điều tốc nhị chế hoặc đa chế.

Đồ án tốt nghiệp Trang 52

Hình 2-2 trình bày đường đặc tính ngoài của động cơ Diezel.

Ở hành trình không tải, động cơ có số vòng quay chạy không nc k. . Khi xuất hiện tải thì bộ điều tốc sẽ tăng lượng nhiên liệu cung cấp vào trong xy lanh động cơ, nhờ vậy công suất và mô men quay của động cơ tăng lên, đồng thời số vòng quay trục khuỷu động cơ giảm đi. Khi thanh răng của bơm cao áp dịch chuyển tới một vị trí tính toán nhất định (do tác dụng của bộ điều tốc). tương ứng với điểm tiêu hao nhiên liệu riêng ít nhất thì công suất của động cơ đạt giá trị cực đại (điểm b trên hình 2-2).

Hình 2-2. Đường đặc tính ngoài của

động cơ Diezel.

Công suất cực đại của động cơ khi làm việc có bộ điều tốc được gọi là công suất định mức của động cơ Nn mômen xoắn ứng với công suất cực đại được gọi là mômen xoắn định mức Mn số vòng quay ứng với công suất cực đại được gọi là số vòng quay định mức nN. Khoảng biến thiên tốc độ nc k. nn phụ thuộc vào độ không đồng đều của bộ điều tốc.

Các đường đồ thị nằm trong khoảng tốc độ từ nc k. đến nn gọi là các đường đồ thị nằm trong khoảng tốc độ từ nn đến nM

gọi là các đường đồ thị không có điều tốc. Ở vùng tốc độ từ nc k. đến nn các đường Ne

và Me có dạng đường thẳng . Thường đối với máy kéo động cơ làm việc ở gần vùng công suất định mức

 Ta có thể xây dựng các đường đặc tính nói trên nhờ công thức nghiệm của S.R.Lây Đécman. Việc sử dụng quan hệ giải tích giữa công suất , mômen xoắn với số vòng quay của động cơ theo công thức Lây Đécman để tính đặc tính ngoài bằng thực nghiệm , nhất là hiện nay việc sử dụng máy vi tính đã trở nên phổ cập.