CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC PHANH ĐẾN KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ AN TOÀN CHO XE THACO FRONTIER K165S
3.1. Phanh bằng động cơ (phanh bằng số)
Trường hợp phanh xe khi xuống dốc có độ dốc dọc lớn, nhất là khi chở đầy tải. Ngoài momen xoắn của động cơ tạo nên tốc độ chuyển động của xe, thì lực đẩy tạo nên từ độ dốc (Gsin∝) sẽ càng làm cho vận tốc của xe tăng lên rất lớn. Nếu ta phanh xe lực đẩy của độ dốc dọc sẽ làm xe giảm vận tốc rất chậm, khi đó má phanh xe bị nóng thậm chí nếu dốc có độ dốc lớn và dài có thể còn làm nóng đỏ vành xe và trơ má phanh (giảm độ bám của má phanh) làm giảm hiệu suất phanh, rất nguy hiểm cho người, tài sản và hàng hóa trên xe. Khi đó người lái phải nhỏ hết ga (hầu như không cung cấp nhiên liệu), về số truyền thấp để lực cản nén của động cơ trở thành lực hỗ trợ lực cho phanh làm giảm tốc độ của xe. Xe càng ở số truyền thấp thì lực
cản của động cơ hỗ trợ cho phanh làm giảm tốc độ của xe càng tốt. (vì vậy gọi là phanh bằng động cơ hay phanh bằng số).
Để xác định lực cản nén trong xi lanh của động cơ (lực cản của động cơ) ảnh hưởng đến quá trình phanh xe trong trạng thái phanh bằng động cơ, trước tiên chúng ta đi xác định lực cản lớn nhất của khí trong kỳ nén (lực cản nén). Lực cản nén trong buồng đốt của của xi lanh cuối thời kỳ nén có thể được xác định bằng các phương pháp sau:
- Dùng thiết bị đo áp suất của khí nén trong buồng đốt, sau đó theo nguyên lý động cơ đốt trong để tính ra momen xoắn của trục cơ. [9]
- Dùng thí nghiệm đo lực tác dụng vào tay quay trục cơ để xác định momen cản nén của động cơ và tính là tương đồng với momen xoắn của trục cơ, phải có để khắc phục momen cản nén này.
Phương pháp xác định lực cản nén, momen cản nén do khí nén trong buồng đốt gây nên, như sau.
Đo áp suất của khí nén sau đó xác định momen cản khi nén khí:
Sử dụng đầu đo áp suất lắp vào lỗ lắp vòi phun và liên kết với thiết bị đo các đại lượng không điện bằng điện và máy tính tạo nên hệ thống đo, hoặc máy đo đo áp suất chuyên dùng có cấu tạo như hình (3.1) và thực hiện nguyên lý đo theo các bước như sau:
Hình 3.1: Dụng cụ đo áp suất trong buồng đốt (áp kế cầm tay).
1, Van. 2, áp kế.
- Cho động cơ làm việc đến khi nhiệt độ nước làm mát đạt khoảng (80 – 90)°C rồi tắt máy.
- Tháo tất cả các vòi phun của các xilanh.
- Lắp đầu đo của thiết bị đo vào lỗ lắp vòi phun của xilanh cần đo.
- Dùng máy khởi động để quay trục khuỷu động cơ với tốc độ khoảng 200 – 230 vòng/phút.
- Đọc giá trị áp suất trên đồng hồ của thiết bị đo.
Sau khi đo được áp suất của khí nén trong buồng đốt, chúng ta đi tính được công suất tương ứng với công suất cản của khí nén bằng biểu thức sau.
Ne = 𝑃𝑒𝑉ℎ𝑖𝑛
30𝜏
Từ đó chúng ta xác định được momen cản của khí nén trong bường đốt bằng biểu thức:
𝑀𝜀= 716 𝑁𝑛𝑒
𝑒 (kg.m) Trong đó:
Ne - công suất cản của khí nén trong bường đốt. (CV)
𝑃𝑒 - là áp suất của khí nén trong buồng đốt mà ta đo được. (Kg/cm2) i - là số xi lanh của động cơ (i = 4).
n - là số vòng quay của trục cơ (n=v/p).
𝜏 - là số kỳ của động cơ (2 kỳ=1; 4 kỳ= 2).
ne - tốc độ quay của trục khuỷu tại thời điêm đang tính.
Xác định lực quay trục cơ để xác định momen cản khi nén khí:
Xe ôtô Thaco frontier K165S là động cơ 4 kỳ, khi chúng ta dùng tay quay quay trục khuỷu của động cơ sẽ nhận thấy mỗi chu kỳ (2 vòng quay của trục khuỷu), tương ứng với một xi lanh sẽ xuất hiện một lần lực cản nén. Dùng lực kế hay đo tải trọng tác dụng lên tay quay khi vượt qua lực cản ở cuối kỳ nén chúng ta sẽ xác định được lực cản nén cực đại trong buồng đốt của xi lanh (nếu bỏ qua mất mát do ma sát của pít tông, vòng găng với xi lanh, các ổ đỡ, bánh răng …của
các chi tiết cùng chuyển động khi quay trục cơ). Từ đó chúng ta xác định được lực cản nén và momen cản khi nén khí của động cơ.
Do có nhiều hạn chế về thời gian và kinh phí chúng tôi không có điều kiện thực hiện việc đo áp suất buồng đốt mà chỉ sử dụng thí nghiệm đo lực tác dụng lên tay quay khi quay trục khuỷu của động cơ để có số liệu tiếp tục tính toán của khóa luận, như sau.
Hình 3.2: Sơ đồ thí nghiệm xác định lực cản nén của động cơ.
Chúng tôi sử dụng tay quay để quay trục cơ có độ dài cánh tay đòn tại điểm đặt lực là 450 mm. Cho lực tác dụng vào điểm mút của tay quay rồi đo lực tác dụng đã làm quay trục cơ vượt qua điểm cuối thời kỳ nén (dung lực kế để đo hoặc cân tải trọng tạo nên lực tác dụng) như mô tả trên hình (3.2). Thực hiện thí nghiệm đo nhiều lần để kết quả có hệ số tin cậy với độ chính xác cao và xác định được P
= 40 kg.
Từ sơ đồ hình vẽ 3.2 ta xây dựng được biểu thức tính momen cản nén của động cơ như sau:
𝑀𝜀 = 𝑝. 𝑎 (3.1)
P a
Trong đó:
𝑀𝜀- Momen quay của trục khuỷu kgm.
a - Là bán kính tay đòn, a = 450 mm.
p - Là lực tác dụng lên tay đòn P = 40 kg.
Thay các trị số của thí nghiệm vào biểu thức (3.1) ta có:
𝑀𝜀 = 𝑝. 𝑎 = 40 . 0,450 = 18 kgm.
Theo kết quả trên đây chúng ta khẳng định momen cản nén của mỗi xi lanh của động cơ là 18 kgm, với cấu tạo của xe đang nghiên cứu là động cơ 4 kỳ 4 xi lanh và giả định momen cản khi nén khí đồng đều và không thay đổi trong mỗi vòng quay của trục cơ và tạo nên momen cản của trục cơ có trị số là 18 kgm để tính toán lực cản nén và ý nghĩa của lực cản nén khi phanh bằng số dưới đây.
Xác định lực đẩy xe xuống dốc khi phanh bằng số:
Từ momen quay 𝑀𝜀 của trục khuỷu hay áp lực khí nén 𝑃𝜀 xác định được theo các phương pháp trên đây chúng ta có nhận xét như sau. Trong quá trình động cơ hoạt động phải khắc phục lực cản nén này của xi lanh, vậy khi chúng ta vào số truyền nào đó và đóng côn rồi nhỏ ga hết cỡ để xe trôi xuống dốc thì lực cản của độ dốc sẽ làm quay bánh xe, qua hệ thống truyền lực sẽ guồng trục cơ quay và sẽ xảy ra hai trường hợp:
+ Nếu lực đẩy của độ dốc tạo nên lực kéo tiếp tuyến nhỏ hơn lực cản nén của động cơ thì xe sẽ dừng lại mà không cần phải phanh xe.
+ Nếu lực đẩy của độ dốc tạo nên lực kéo tiếp tuyến lớn hơn lực cản nén của động cơ thì xe vẫn chuyển động. Độ dốc càng cao và dài thì xe vẫn chuyển động với vận tốc vẫn càng cao. Khi đó muốn giảm tốc độ hay dừng xe chúng ta vẫn phải phanh xe.
Như vậy khi càng chở tải lớn, xuống dốc càng cao và dài thì cần phải vào số truyền càng thấp để có sự hỗ trợ của lực cản nén của động cơ càng nhiều cho quá trình phanh xe.
Từ lập luận momen cản nén của động cơ sẽ tạo nên momen cản và lực cản của lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động chúng ta sẽ có công thức xác định
được momen cản từ động cơ truyền đến hãm lại bánh xe chủ động khi phanh số theo các số truyền là:
𝑃𝜀 = 𝑀𝜀𝑖ℎ𝑖𝑟𝑝𝑖𝑜𝑖𝑐𝜂𝑡
𝑏 N (3.2)
Trong đó:
𝑀𝜀- Momen quay của trục khuỷu.
𝑖ℎ - Tỷ số truyền của hộp số chính.
𝑖𝑝 - Tỷ số truyền của hộp số phụ.
𝑖𝑜 - Tỷ số truyền của truyền lực chính.
𝑖𝑐 - Tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng.
𝜂𝑡 - Hiệu suất của hệ thống truyền lực.
𝑟𝑏 – Bán kính của bánh xe.
Thay các tỷ số truyền của các số I; II; III; IV; V ở chương 2 và các thông số 𝑖ℎ, 𝑖𝑝, 𝑖𝑜, 𝑖𝑐, 𝜂𝑡 vào biểu thức (3.2) ta có:
𝑃𝜀1 = 180 .5,192 .4,1 .0,85
0,345 = 9440,4 N.
𝑃𝜀2 = 180 .2,621 .4,1 .0,85
0,345 = 4765,6 N.
𝑃𝜀3 = 180 .1,536 .4,1 .0,85
0,345 = 2792,8 N.
𝑃𝜀4 = 180 .1,000 .4,1 .0,85
0,345 = 1818,2 N.
𝑃𝜀5 = 180 .0,865 .4,1 .0,85
0,345 = 1572,7 N.
Khi xuống dốc chúng ta sử dụng phanh số nhỏ ga hết cỡ thì coi như lực kéo tiếp tuyến sinh ra từ động cơ ≈ 0 và lực tạo nên chuyển động cho xe khi đang xuống dốc là lực Gsin𝛼. Ta có phương trình cân bằng lực cản khi đó là:
𝐺𝑠𝑖𝑛𝛼 ≥ 𝑃𝜀+ 𝑃𝑐𝑥𝑑 + 𝑃𝑣 (3.3) Trong đó:
G – Trọng lượng toàn bộ của ôtô.
𝛼 – Góc dốc mặt đường.
𝑃𝑐𝑥𝑑 – Lực cản khi xuống dốc.
𝑃𝑣 – lực tạo nên chuyển động của xe với vận tốc xe.
Từ phương trình (3.3) ta có:
𝑃𝑣 = 𝐺𝑠𝑖𝑛𝛼 − 𝑃𝜀− 𝑃𝑐𝑥𝑑 (3.4) Thay các trị số 𝑃𝜀 tương ứng của các số truyền ta có:
𝑃𝑣1 = 38450𝑠𝑖𝑛6° − 9440,4 − (−5999,5) = 578,2 N.
𝑃𝑣2 = 38450𝑠𝑖𝑛6° − 4765,6 − (−5999,5) = 5253,1 N.
𝑃𝑣3 = 38450𝑠𝑖𝑛6° − 2792,8 − (−5999,5) = 7225,8 N.
𝑃𝑣4 = 38450𝑠𝑖𝑛6° − 1818,2 − (−5999,5) = 8200,4 N.
𝑃𝑣5 = 38450𝑠𝑖𝑛6° − 1572,7 − (−5999,5) = 8445,9 N.
Nhìn vào kết quả ta thấy lực 𝑃𝑣1 < 𝑃𝑣2 < 𝑃𝑣3 < 𝑃𝑣4 < 𝑃𝑣5.
Như vậy khi xuống dốc sử dụng phanh số chúng ta cho xe đi với số càng thấp thì lực cản nén của động cơ cản lại chuyển động của xe càng lớn, xe chuyển động xuống dốc với lực đẩy càng nhỏ và khi đó xe chạy với vận tốc càng thấp sẽ an toàn hơn khi để xe hoạt động ở số truyền cao.
Thay các giá trị 𝑃𝑣 của lực đẩy do độ dốc tương ứng với các số truyền sau khi đã khắc phục lực cản nén của động cơ vào phương trình cơ bản tính gia tốc theo định luật Niu tơn tương ứng khi xe phanh bằng số ở các số truyền, vậy ta có:
𝑗1 = 𝐹
𝑚 = 𝑃𝑣1
𝐺 = 578,2
3845 = 0,15 m/s.
𝑗2 =𝑚𝐹 = 𝑃𝑣2
𝐺 = 5253,13845 = 1,3 m/s.
𝑗3 =𝑚𝐹 = 𝑃𝐺𝑣3 = 7225,8 3845 = 1,8 m/s.
𝑗4 = 𝑚𝐹 = 𝑃𝐺𝑣4 = 8200,43845 = 2,1 m/s.
𝑗5 = 𝐹
𝑚 = 𝑃𝑣5
𝐺 = 8445,9
3845 = 2,2 m/s.
Sau khi chúng ta xác định được gia tốc chuyển động của xe do lực đẩy của độ dốc tạo nên chúng ta sẽ xác định được vận tốc của xe khi phanh bằng số chuyển động xuống dốc theo độ dài đoạn dốc như sau:
Tính vận tốc của xe ở chân dốc áp dụng công thức:
𝑣12 + 𝑣22 = 2𝑗𝑆 (3.5) Trong đó:
S - độ dài đoạn dốc (m).
𝑣1 2, 𝑣22 - là vận tốc của xe ở đỉnh dốc và chân dốc (m/s).
Từ biểu thức (3.5) ta có:
𝑣22 − 𝑣12 = 2𝑗𝑆 (3.6) Hay: 𝑣2− 𝑣1 = √2𝑗𝑆
Vận tốc của xe tại vị trí chân dốc khi dùng phanh số tương với các số truyền với vận tốc ban đầu từ đỉnh dốc xe chạy 20km/h (5,6m/s) tại đoạn dốc Bãi Nai (km 54) dài 87m sẽ được tính như sau:
Khi xe chạy ở số truyền số 1:
𝑣2 = 𝑣1+ √2𝑗𝑆 = 20.10003600 + √2 . 0,15 .87 = 10,6 m/s Khi xe chạy ở số truyền số 2:
𝑣2 = 𝑣1+ √2𝑗𝑆 = 20.10003600 + √2 . 1,3 .87 = 20,5 m/s Khi xe chạy ở số truyền số 3:
𝑣2 = 𝑣1 + √2𝑗𝑆 = 20.10003600 + √2 .1,8 .87 = 23,2 m/s Khi xe chạy ở số truyền số 4:
𝑣2 = 𝑣1 + √2𝑗𝑆 = 20.10003600 + √2 .2,1 .87 = 24,6 m/s Khi xe chạy ở số truyền số 5:
𝑣2 = 𝑣1 + √2𝑗𝑆 = 20.10003600 + √2 .2,2 .87 = 25,1 m/s
Như vậy khi xe từ đỉnh dốc chuyển động xuống dốc theo chế độ phanh bằng động cơ, người lái điều khiển xe khi đó với tốc độ càng nhỏ, nhả hết chân ga vào số truyền càng thấp sẽ giúp xe chuyển động với vận tốc càng nhỏ hơn ở các số truyền cao và sẽ hỗ trợ được hệ thống phanh nhiều hơn đảm bảo an toàn tốt hơn nhất là khi xe hoạt động trên đường miền núi, dốc dài có độ dốc cao.