Lý thuyết ôtô môn sở then chốt chun ngành khí ơtơ có liên quan đến tính chất khai thác để đảm bảo tính an tồn, ổn định hiệu q trình sử dụng Các tính chất bao gồm: động lực học kéo, tính kinh tế nhiên liệu, động lực học phanh, tính ổn định , động, êm dịu… Bài Tập lớn môn học Lý thuyết ôtô phần môn học, với việc vận dụng kiến thức học tiêu đánh giá khả kéo ơtơ để vận dụng để tính tốn sức kéo động lực học kéo, xác định thong số động hay hệ thống truyền lực loại ơtơ cụ thể Qua đó, biết số thống số kỹ thuật, trạng thái, tính khả làm việc vủa ôtô kéo,
THIẾT KẾ TUYẾN HÌNH ÔTÔ
Xác định các kích thước cơ bản của xe
– Ba hình chiếu của xe Toyota Forturner
– Các kích thước cớ bán:
Thông số Ký hiệu Kích thước Đơn vị
Vận tốc tối đa km/h
Các thông số thiết kế, thông số chọn và tính chọn
a) Thông số theo thiết kế phác thảo:
– Loại động cơ: động cơ xăng, 4 xylanh thẳng hàng; dual VVT-i – Dung tích công tác: Vc = 2694 (cc)
– Công suất tối đa: Pmax = 164 (mã lực) = 122 (kW)
– Mômen xoắn tối đa: Mmax = 245 (N.m)
– Vận tốc lớn nhất: vmax = 170 (km/h) = 47.22 (m/s) – Hệ thống truyền lực:
+ Động cơ đặt trước, cầu sau chủ động
+ Hộp số tự động 6 cấp. b) Thông số chọn:
– Trọng lượng bản thân: 1865 kg
– Trọng lượng hành khách: 60 kg/người
– Trọng lượng hành lí: 20 kg/người
– Hiệu suất truyền lực: η tl =0,9
– Hệ số cản không khí: K=0,25
– Hệ số cản lăn khi V { 17 : Đườ 265 : ng k í n h trong c B 65 : ề r t ộ ỷ ng c l ệ H B ủ al (¿ ủ ố %) a l p(mm) ốp(inc h)
Bán kính thiết kế của bánh xe: r0 = 172,25 + 17 2 25,4 = 388,15 (mm) = 0,388 (m)
Bán kính động học và bán kính động lực học của bánh xe: rb = rk = λ.r0 với λ: Hệ số kể đến biến dạng lốp (λ=0,93 ÷ 0,95)
Chọn lốp có áp suất cao λ = 0,94
- Diện tích cản chính diện:
TÍNH TOÁN SỨC KÉO
Xây dựng đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ
Các đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ là các đường cong thể hiện mối quan hệ giữa công suất, mômen và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo số vòng quay của trục khuỷu Những đường đặc tính này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất hoạt động của động cơ.
+ Đường công suất: Ne = f(ne)
+ Đường mômen xoắn : Me = f(ne)
+ Đường suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ : ge = f(ne)
- Ne = (Ne)max [ a ( n n N e ) + b ( n n N e ) 2 −c ( n n N e ) 3 ] (CT 1-3 GT ) (1)
N với động cơ xăng không hạn chế tốc độ có (λ = 1,1 ÷ 1,2).
Chọn λ = 1,1 (đối với động cơ xăng)
+ Động cơ xăng : a = b = c =1 ( a, b, c là các hệ số thực nghiệm) + vmax = 170 ( km /h )
+ Nev = ƞ 1 tl [ G f v max + K F ( v max ) 3 ] (CT 3-5 , tr 102)
vmax = 47,22 ( m/ s ) > 22 ( m /s ) Vậy hệ số cản lăn f được tính: f=f 0 ∗( 1+ V 1500 max 2 ) = f =0,015∗ ( 1+ 47,221500 2 ) = 0,037
K – hệ số cản khí động học ( chọn K = 0,25)
F: diện tích cản chính diện :
Hiệu suất truyền lực: ƞ tl = 0,9 (tr 15)
Hệ số cản tổng cộng của đường: ψ max = 0,4.
- Vậy công suất động cơ của theo điều kiện cản chuyển động:
- Công suất cực đại của động cơ:
- Xây dựng đường đặc tính tốc độ ngoài:
+ Tính công suất của động cơ ở số vòng quay khác nhau: (sử dụng công thức ledeman)
Trong đó : - Ne max và nN – công suất cực đại của động cơ và số vòng quay tương ứng
- Ne và ne : công suất và số vòng quay ở 1 thời điểm trên đường đặc tính
+ Tính mômen xoắn của trục khuỷu động cơ ứng với số vòng quay ne khác nhau :
- Các thông số nN; Ne ; Me đã có công thức tính
- Kết quả tính được ghi ở bảng:
Bảng 1:Bảng thể hiện mômen và công suất động cơ λ ne (v/f) Me (N.m) Ne (kW)
Sau khi tính toán và xử lí số liệu ta xây dựng được đường đặc tính ngoài với Công suất Ne(kW) và Mômen xoắn Me(N.m):
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 Đồ thị đường đặc tính ngoài của động cơ
Hình 1 Đồ thị đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ
Trị số Me max xác định theo công thức Laydecman như sau :
Xuất phát từ công thức
Trị số công suất Nemax chỉ phản ánh phần công suất động cơ cần thiết để khắc phục các lực cản chuyển động Để lựa chọn động cơ cho ô tô, cần tính thêm công suất để vượt qua các lực cản phụ như quạt gió và máy nén khí Do đó, công suất tối ưu cần được chọn là công suất lớn nhất.
Xác định tỷ số truyền của hệ thống truyền lực
- Tỉ số truyền của hệ thống truyền lực : itl = i0 ih ic ip
Trong đó : + itl – tỷ số truyền của HTTL
+ i0 – tỷ số truyền của truyền lực chính + ih – tỷ số truyền của hộp số
+ ic – tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng + ip – tỷ số truyền của hộp số phụ
- Thông thường, chọn ic = 1; ip = 1
2.2.1 Tỷ số truyền của truyền lực chính.
- Được xác định theo điều kiện đảm bảo ôtô chuyển động với vận tốc lớn nhất ở tay số cao nhất của hộp số.
- Ta có: i0 = 0,105¿ i r bx ∗n v h c ¿i pc ∗v max (CT3-8,tr104) Trong đó: + rbx = 0,365 (m)
+ ne max – số vòng quay của động cơ khi ôtô đạt tốc độ lớn nhất + vmax = 170 (km/h) – tốc độ lớn nhất của ôtô
+ ihc = 1 – tỷ số truyền của tay số cao nhất trong hộp số + ipc = 1– tỷ số truyền của hộp phân phối chính
2.2.2 Tỷ số truyền của hộp số. a Tỷ số truyền của tay số 1.
Tỷ số truyền của tay số 1 được xác định nhằm đảm bảo khắc phục lực cản lớn nhất của mặt đường, giúp bánh xe chủ động không bị trượt quay trong mọi điều kiện chuyển động.
– Theo điều kiện chuyển động, ta có:
Pk max – lực kéo lớn nhất của động cơ
Pψ max – lực cản tổng cộng của đường
PW – lực cản không khí – Khi ôtô chuyển động ở tay số 1 thì vận tốc nhỏ nên có thể bỏ qua lực cản không khí PW
– Vậy : Pk max = M emax ∗i r h 1 ∗i 0 ∗η tl bx
M emax ∗i 0 ∗ƞ tl (Me max = 290,37 [N.m] ) (CT 3-9,tr106)
- Mặt khác, Pk max còn bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường:
M e max ∗i 0 ∗ƞ tl Trong đó: + mk – hệ số lại tải trọng (mk =1)
+ Gφ – tải trọng tác dụng lên cầu chủ động+ φ – hệ số bám của mặt đường (chọn φ = 0,8 : đường tốt) + rk – bán kính động học của xe
Chọn ih1 = 2,29 b Tỷ số truyền của các tay số trung gian.
– Chọn hệ thống tỷ số truyền của các cấp số trong hộp số theo ‘cấp số nhân’
– Công bội được xác định theo biểu thức: q = n−1 √ i i h hn 1 (CT 3-14,tr108) Trong đó: + n – số cấp trong hộp số (n = 6)
+ ih1 – tỷ sô truyền của tay số 1 (ih1 = 2,29)
+ ihn - tỷ số truyền của tay số cuối cùng trong hộp số (ih6 = 1)
– Tỷ số truyền của tay số thứ i trong hộp số được xác định theo công thức sau: ihi = i h(i−1 ) q = i h 1 q i−1
Trong đó: ihi – tỷ số truyền của tay số thứ i trong hộp số (i= 1; 2;…; n-1)
– Từ hai công thức trên, ta xác định được tỷ số truyền ở các tay số:
+ Tỷ số truyền của tay số 2: ih2 = i h1 q 2−1 = 2,29 1,18 = 1,94
+ Tỷ số truyền của tay số 3: ih3 = i h1 q 3−1 = 2,29
+ Tỷ số truyền của tay số 4: ih4 = i h1 q 4−1 = 2,29
+ Tỷ số truyền của tay số 5: ih5 = i h 1 q 5−1 = 2,29
1,18 4 = 1,18 + Tỷ số truyền của tay số 6: ih6 = 1,00
– Tỷ số truyền của tay số lùi: ihl = 1,2¿ih1 = 1,2¿2,29 = 2,75 (5)
Kiểm tra tỷ số truyền của tay số lùi theo điều kiện bám:
– Từ (5) + (6) → ihl = 2,29 c Tỷ số truyền của các tay số
Tỷ số truyền tương ứng với từng tay số được thể hiện ở bảng sau:
Xây dựng đồ thị
2.3.1.Phương trình cân bằng lực kéo và đồ thị cân bằng lực kéo của ôtô
- Phương trình cân bằng lực kéo của ôtô:
Pk = Pf + Pi + Pj + Pw (CT 1-46,tr49)
Trong đó: + Pk – lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động
Pki = M r ki đ = M e i 0 r i hi ƞ tl đ (CT 1-52,tr52) (a)
+ Pf – lực cản lăn Pf = G.f.cos α = G.f (do α = 0)
+ Pi – lực cản lên dốc Pi = G.sin α = 0 (do α = 0)
+ Pj – lực quán tính (xuất hiện khi xe chuyển động không ổn định)
Pj = G g δ j j + Pw – lực cản không khí Pw = K.F.v 2
- Vận tốc ứng với mỗi tay số
60∗i 0 ∗i hi (b) Lập bảng tính Pk theo công thức (a),(b) với từng tỉ số truyền
) ne(v/f) Tay số 1 Tay số 2 Tay số 3 Tay số 4 Tay số 5 Tay số 6
V1 Pk1 V2 Pk2 V3 Pk3 V4 Pk4 V5 Pk5 V6 Pk6
Bảng 2.Giá trị lực kéo ứng với mỗi tay số
Phương trình cân bằng lực cản Pc.
Xét ô tô chuyển động trên đường bằng và không có gió
Pc = fG + KFv² (trang 52) f f 0 khi v ≤ 22 m/s
- Lập bảng tính Pc, P φ vận tốc m/s 0.00 20.55 24.26 28.63 33.79 39.88 47.07
Bảng 3 Giá trị lực cản ứng với mỗi tay số
Tổng lực kéo của ôtô phải nhỏ hơn lực bám giữa bánh xe và mặt đường:
+ mk2 – hệ số phân bố lại tải trọng ở cầu sau( cầu sau chủ động
+ Gφ – tải trọng tác dụng lên cầu chủ động.
+ φ – hệ số bám của mặt đường (chọn φ = 0,8)
Dựng đồ thị Pk =f(v) và P φ =f(v):
1000.00 2000.00 3000.00 4000.00 5000.00 6000.00 7000.00 8000.00 9000.00 10000.00 Đồ thị cân bằng lực kéo
Pk1 Pk2 Pk3 Pk4 Pk5 Pk6 Pc Pφ
Hình 2 Đồ thị cân bằng lực kéo
Trục tung biểu diễn Pk , Pf , Pw Trục hoành biểu diễn v (m/s)
Dạng đồ thị lực kéo của ôtô Pki = f(v) tương tự dạng đường cong Me = f(ne) của đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ.
Khoảng giới hạn giữa các đường cong kéo Pki và đường cong tổng lực cản là lực kéo dư (Pkd) dùng để tăng tốc hoặc leo dốc.
Tổng lực kéo của ôtô phải nhỏ hơn lực bám giữa bánh xe và mặt đường:
2.3.2.Phương trình cân bằng công suất và đồ thị cân bằng công suất của ôtô
– Phương trình cân bằng công suất tại bánh xe chủ động:
Nk = Nf + Ni + Nj + NW (tr 57) – Công suất truyền đến các bánh xe chủ động khi kéo ở tay số thứ I được xác định theo công thức:
Nki = Ne ŋ tl ( v i ớ v i = 0,105 i 0 i r k hi n i e pc ) (tr 57)
– Lập bảng và tính toán các giá trị Nki và vi tương ứng: ne(v/f) Ne(kW) V1 V2 V3 V4 V5 V6 Nk(kW)
Bảng 4 Công suất của ô tô
Trên đồ thị Nk = f(v), dựng đồ thị ∑ N c theo bảng trên:
– Xét ôtô chuyển động trên đường bằng:
∑ N c = G.f.v +K.F.v 3 (CT 1-61,tr 57)– Lập bảng tính ∑ N c
Bảng 5 Công cản của ô tô ứng với mỗi tay số
20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 Đồ thị cân bằng công suất của ôtô
Nk1 Nk2 Nk3 Nk4 Nk5 Nk6 Nc m/s kW
Hình 3 Đồ thị cân bằng công suất của ôtô
2.3.3.Đồ thị nhân tố động lực học
Nhân tố động lực học, ký hiệu là “D”, được xác định bằng tỷ số giữa hiệu số của lực kéo tiếp tuyến (Pk) và lực cản không khí (Pw) so với trọng lượng toàn bộ của ôtô.
G = f + i + g j δ j (CT 1-56,tr55) -Xây dựng đồ thị
ŋ tl -KFv²) (CT 1-57,tr55) vi = 2 60.i π n e r bx
Đồ thị nhân tố động lực học mô tả mối quan hệ giữa lực kéo D và tốc độ chuyển động v của ôtô khi xe được tải đầy Mối quan hệ này được thể hiện qua hàm số D = f(v) khi động cơ hoạt động ở đường đặc tính tốc độ ngoài.
- Lập bảng thể hiện mối quan hệ giữa D và v ở từng tay số: ne(v/f
Tay số 1 Tay số 2 Tay số 3 Tay số 4 Tay số 5 Tay số 6 Me(N.m
Bảng 6:Nhân tố động lực học
Nhân tố động học theo điều kiện bám được xác định như sau :
Bảng 7 Nhân tố động lực học theo điều kiện bám
Dựa vào kết quả bảng tính, dựng đồ thị nhân tố động lực học của ôtô
Hình 4 Đồ thị nhân tố động lực học ôtô
Hình 4 Đồ thị nhân tố động lực học ôtô
Dạng của dồ thị nhân tố động lực học D = f(v) tương tự như dạng đồ thị lực kéo Pk
= f(v); nhưng ở những vân tốc lớn thì đường cong dốc hơn.
Khi ôtô di chuyển ở tốc độ v > vth i (tương ứng với Di max ở từng tay số), xe sẽ hoạt động ổn định do sức cản tăng, dẫn đến tốc độ giảm và động lực học D tăng Ngược lại, khi tốc độ v < vth i, ôtô sẽ rơi vào vùng làm việc không ổn định cho từng tay số.
Giá trị nhân tố động lực học cực đại D1 max tại tay số thấp nhất cho thấy khả năng vượt qua sức cản chuyển động lớn nhất của đường, được biểu thị bằng công thức D1 max = ψmax.
- Vùng chuyển động không trượt của ôtô:
Cũng tương tự như lực kéo, nhân tố động lực học cũng bị giới hạn bởi điều kiện bám của các bánh xe chủ động với mặt đường.
Nhân tố động học theo điều kiện bám Dφ được xác định như sau:
Để ôtô chuyển động không bị trượt quay thì nhân tố động lực học D phải thoả mãn điều kiện sau : Ψ ≤ D ≤ Dφ
Vùng giữa đường cong Dφ và đường cong Ψ trên đồ thị nhân tố động lực học là khu vực đáp ứng các điều kiện cần thiết Khi D lớn hơn Dφ trong một giới hạn nhất định, có thể áp dụng đường đặc tính cục bộ của động cơ để ngăn chặn hiện tượng trượt quay trong các điều kiện khai thác thực tế.
2.3.4.Xác định khả năng tăng tốc của ôtô – xây dựng đồ thị gia tốc
- Biểu thức tính gia tốc :
- Khi ôtô chuyển động trên đường bằng (a = 0) thì:
Ji = D i δ −f i g (CT 1-65,tr59) Trong đó: + Di – giá trị nhân tố động lực học ở tay số thứ i tương ứng với tốc độ vi đã biết từ đồ thị D = f(v);
+ f, i – hệ số cản lăn và độ dốc của đường;
+ ji – gia tốc của ôtô ở tay số thứ i.
+ δ j là hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay δ j = 1+0.05(1+ihi²) (CT 1-37,tr41) ta có:
Bảng 8 Hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay
Khi ô tô chuyển động với vận tốc v22 m/s thì f=f0*(1+1500 v ² )
- Lập bảng tính toán các giá trị ji theo vi ứng với từng tay số:
Bảng 9 Giá trị gia tốc ứng với mỗi tay số
Tư" kế$t quá báng tính, xá(y dưng đọ, thị j = f(v):
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 Đồ thị gia tốc ôtô j1 j2 j3 j4 j5 j6 m/s m /s 2
Hình 5 Đồ thị gia tốc ôtô
Gia tốc cực đại của ôtô lớn nhất ở tay số một và giảm dần đến tay số cuối cùng.
Tốc độ nhỏ nhất của ôtô vmin = 1,87 (m/s) tương ứng với số vòng quay ổn định nhỏ nhất của động cơ nmin = 520 (vòng/phút)
Trong khoảng vận tốc từ 0 đến vmin ôtô bắt đầu khởi hành, khi đó, li hợp trượt và bướm ga mở dần dần.
+ Ở tốc độ vmax = 47,22 (m/s) thì jv = 0, lúc đó xe không còn khả năng tăng tốc. + Do ảnh hưởng của δj mà j2 (gia tốc ở tay số 2) > j1 (gia tốc ở tay số 1).
2.3.5.Xây dựng đồ thị thời gian tăng tốc – quãng đường tăng tốc
2.3.5.1 Xây dựng đồ thị gia tốc ngược
- Biểu thức xác định thời gian tăng tốc:
Từ CT: j = dv dt → dt = 1 j dv
- Thời gian tăng tốc của ôtô từ tốc độ v1 đến tốc độ v2 sẽ là: t = ∫ v 1 v 2
1 j.dv (CT 1-66,tr61)+ ti – thời gian tăng tốc từ v1 đến v2
+ ti = Fi – với Fi là phần diện tích giới hạn bởi phần đồ thị 1 j = f(v); v = v1 ; v = v2 và trục hoành của đồ thị gia tốc ngược.
Thời gian tăng tốc toàn bộ: t i =∑ i=1 n
F i n – số khoảng chia vận tốc (vmin → vmax)
- (vì tại j = 0 → 1 j = ∞ Do đó, chỉ tính tới giá trị v = 0,95vmax = 161,5 km/h)
- Lập bảng tính giá trị 1 j theo v:
Tay số 1 Tay số 2 Tay số 3 Tay số 4 Tay số 5 Tay số 6
Bảng 10 Giá trị 1/j ứng với từng tay số
Từ kết quả bảng tính, dựng đồ thị 1 j = f(v):
0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 Đồ thị gia tốc ngược
Hình 6 Đồ thị gia tốc ngược 2.3.5.2.Cách tính thời gian tăng tốc – quãng đường tăng tốc của ôtô
Xác định Vimax theo phương pháp giải tích:
Từ đồ thị 1/j ta có thể tìm được các giao điểm bằng việc tính vận tốc tại thời điểm chuyển số(Vmax)
Ta có: tại vị trí Vmax1
Từ (1), (2), (3), (4) ta có phương trình sau giao điểm sau:
Thay số vào phương trình ta được
V1max ,62 (m/s) Tính toán tương tự cho các lần chuyển số tiếp theo ta có các vận tốc lần lượt như sau:
V5max= 40,01 (m/s) a Thời gian tăng tốc
Dưới đây là những điểm chính về hình dáng của đồ thị giá và sự chuyển động của giá trị tối đa trong từng giai đoạn.
Tính gá,n đung thếọ cọ(ng thưc:
(s) b Quãng đường tăng tốc dS = v.dt → S= ∫ t 1 t 2 v dt
Ta có : Si = F s i – với F s i phần diện tích giới hạn bởi các đường t = f(v) ; t t1 ; t = t2 và trục tung đồ thị thời gian tăng tốc.
Quãng đường tăng tốc từ vmin ÷ vmax :S=∑ i=1 n
2.3.5.3 Lập bảng tính giá trị thời gian tăng tốc – quãng đường tăng tốc của ôtô
- Có xét đến sự mất mát tốc độ và thời gian khi chuyển số.
+ Sự mất mát về tốc độ khi chuyển số sẽ phụ thuộc vào trình độ người lái, kết cấu của hộp số và loại động cơ đặt trên ôtô
+ Động cơ xăng, người lái có trình độ cao, thời gian chuyển số từ 0,5s đến 2s
(Với người lái có trình độ kém thì thời gian chuyển số có thể cao hơn từ 25 ÷ 40%)
Để tính toán sự mất mát tốc độ trong thời gian chuyển số, chúng ta cần xem xét các yếu tố như trình độ của người lái xe và thời gian chuyển số giữa các tay số khác nhau Công thức tính toán là: Δv = j∗∆ t = f ∗g δ j ∗∆ t + K∗F∗V 2 ∗g Các biến số trong công thức này sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và tốc độ của xe trong quá trình chuyển số.
G∗δ j ∗∆ t (m/s)Trong đó: + f – hệ số cản lăn của đường f = f0¿( 1+1500 V 2 )
+ g – gia tốc trọng trường (g = 9,81 [m/s ]) + ∆t – thời gian chuyển số [s]
Từ công thức trên ta có bảng sau: δj ∆ t (s) Δv (m/s) số 1 → số 2 1,31
Thời gian chuyển số ở giữa các tay số được chọn: ∆ t = 1(s)
0.232583861 số 2 → số 3 1,24 0.296645809 số 3 → số 4 1,19 0.382951577 số 4 → số 5 1,15 0.500767034 số 5 → số 6 1,12 0.662971766
Bảng 11 Độ giảm vận tốc khi sang số
Bảng 12: thời gian và quãng đường tăng tốc 2.3.5.4 Vẽ đồ thị thời gian tăng tốc và quãng đường tăng tốc
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 đồ thị thời gian tăng tốc và quãng đường tăng tốc t (s)
Hình 7 Đồ thị thời gian và quãng đường tăng tốc
Việc tính toán động lực học kéo của ôtô mang tính chất lý thuyết, vì tính tương đối trong các phép tính và sự lựa chọn các hệ số trong quá trình tính toán thường không chính xác.