Bài giảng môn học lý thuyết ô tô

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG BÀI GIẢNG MÔN HỌC LÝ THUYẾT Ô TÔ Dùng cho sinh viên ngành Cơ khí Động lực Số tiết: 60 Biên soạn: TS. Phan Minh Đức Đà Nẵng 2007 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 2 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Mục lục trang Mục lục ........................................................................................................... 3 1 MỞ ĐẦU ................................................................................................. 7 2 MOMEN XOẮN TẠI BÁNH XE CHỦ ĐỘNG ..................................... 10 2.1. Sự truyền mô men từ động cơ đến bánh xe chủ động ....................... 10 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô men xoắn tại bánh xe chủ động khi xe chuyển động ổn định ....................................................................... 11 2.2.1. Mô men tại bánh đà động cơ..................................................... 11 2.2.2. Tổn thất năng lượng trong hệ thống truyền lực ......................... 14 2.2.3. Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực ........................................ 15 3 TƯƠNG TÁC GIỮA BÁNH XE VÀ MẶT ĐƯỜNG ............................ 19 3.1. Khái quát về tính chất cơ lý của mặt đường ..................................... 19 3.2. Bánh xe ô tô .................................................................................... 20 3.2.1. Cấu tạo lốp xe........................................................................... 20 3.2.2. Ký hiệu bánh xe........................................................................ 22 3.2.3. Các khái niệm bán kính bánh xe ............................................... 24 3.3. Sự cản chuyển động của bánh xe ..................................................... 25 3.3.1. Nhân tố thuộc về lốp xe ............................................................ 25 3.3.2. Nhân tố thuộc về đường............................................................ 31 3.3.3. Nhân tố do sự trượt................................................................... 34 3.3.4. Sự bố trí bánh xe ...................................................................... 36 3.3.5. Kết luận về các thành phần lực cản đối với bánh xe.................. 37 3.4. Sự hình thành phản lực tại bánh xe .................................................. 37 4 CÁC LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ .................................... 42 4.1. Lực cản lên dốc ............................................................................... 42 4.2. Lực cản lăn ...................................................................................... 43 4.3. Lực cản không khí ........................................................................... 44 4.4. Lực quán tính .................................................................................. 46 4.4.1. Lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến .......... 46 4.4.2. Lực quán tính của các khối lượng chuyển động quay................ 46 4.5. Lực cản ở móc kéo .......................................................................... 49 4.6. Xác định phản lực pháp tuyến.......................................................... 50 4.6.1. Giá trị các phản lực pháp tuyến ................................................ 50 4.6.2. Hệ số phân bố tải trọng trên các bánh xe................................... 51 5 ĐỘNG LỰC HỌC KÉO......................................................................... 53 5.1. Cân bằng lực - Phương trình chuyển động của ô tô .......................... 53 5.2. Cân bằng công suất.......................................................................... 55 5.2.1. Cân bằng công suất................................................................... 55 5.2.2. Mức độ sử dụng công suất của động cơ .................................... 56 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 4 5.3. Đặc tính động lực của ô tô ............................................................... 58 5.3.1. Đặc tính động lực của ô tô khi hoạt động với tải định mức ....... 58 5.3.2. Đặc tính động lực của ô tô khi tải trọng thay đổi....................... 60 5.4. Sự tăng tốc ô tô................................................................................ 64 5.5. Ảnh hưởng của tỷ số truyền của truyền lực chính đến tính năng động lực và kinh tế nhiên liệu của ô tô..................................................... 67 5.6. Ảnh hưởng của số cấp của hộp số đến khả năng động lực và kinh tế nhiên liệu của ô tô........................................................................... 68 5.7. Truyền động vô cấp ......................................................................... 69 6 TÍNH TOÁN SỨC KÉO ........................................................................ 70 6.1. Thông số cho trước .......................................................................... 70 6.2. Thông số chọn ................................................................................. 70 6.3. Thông số tính toán ........................................................................... 71 6.3.1. Trọng lượng toàn bộ ................................................................. 71 6.3.2. Cỡ lốp ...................................................................................... 71 6.3.3. Chọn động cơ và xây dựng đặc tính ngoài ................................ 72 6.3.4. Tỷ số truyền của số truyền cao nhất của hộp số ........................ 73 6.3.5. Tỷ số truyền của truyền lực chính............................................. 74 6.3.6. Tỷ số truyền của số truyền thấp nhất của hộp số ....................... 74 6.3.7. Số cấp của hộp số và tỷ số truyền các số trung gian .................. 75 6.3.8. Xác định các chỉ tiêu động lực và kinh tế nhiên liệu của ô tô .... 76 7 TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU CỦA Ô TÔ ........................................... 77 7.1. Xác định tiêu hao nhiêu liệu ............................................................ 77 7.1.1. Phương pháp lý thuyết.............................................................. 77 7.1.2. Đo tiêu hao nhiên liệu............................................................... 82 7.1.3. Các quy tắc đo tiêu hao nhiên liệu ............................................ 83 7.2. Biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu .................................................. 85 8 TÍNH CHẤT PHANH Ô TÔ .................................................................. 88 8.1. Khái niệm ........................................................................................ 88 8.2. Thực nghiệm đánh giá quá trình phanh ............................................ 88 8.3. Thực nghiệm đánh giá quá trình phanh ............................................ 90 8.3.1. Động lực học bánh xe khi phanh............................................... 90 8.3.2. Động lực học ô tô khi phanh..................................................... 93 8.4. Các chỉ tiêu đánh giá quá trình phanh .............................................. 94 8.5. Cơ sở lý thuyết phân bố lực phanh trên các trục bánh xe.................. 97 8.5.1. Quan hệ lý tưởng về phân bố lực phanh trên các trục................ 97 8.5.2. Các biện pháp điều hòa lực phanh ............................................ 99 8.6. Chống hãm cứng bánh xe khi phanh .............................................. 103 9 TÍNH NĂNG DẪN HƯỚNG CỦA Ô TÔ ............................................ 105 9.1. Khái niệm ...................................................................................... 105 9.2. Động học và động lực học quay vòng ............................................ 105 9.2.1. Động học quay vòng............................................................... 105 9.2.2. Động lực học quay vòng......................................................... 107 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 5 9.3. Ảnh hưởng của độ đàn hồi ngang của lốp đến tính năng dẫn hướng111 9.4. Ảnh hưởng của sự dao động của bánh xe dẫn hướng ..................... 117 9.4.1. Sự mất cân bằng của bản thân bánh xe dẫn hướng .................. 117 9.4.2. Sự kém tương thích giữa hệ thống treo và hệ thống lái ........... 117 9.4.3. Hiệu ứng con quay ................................................................. 118 9.5. Sự ổn định của các bánh xe dẫn hướng .......................................... 119 9.6. Sự bố trí các bánh xe dẫn hướng .................................................... 124 10 TÍNH CHẤT ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ.................................................... 125 10.1. Tính ổn định của ô tô ..................................................................... 125 10.1.1. Khái niệm ........................................................................... 125 10.1.2. Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định ngang.............. 125 10.1.3. Xác định các điều kiện tới hạn theo ổn định dọc ................. 130 10.2. Sự ảnh hưởng bởi các điều kiện vận hành ...................................... 130 10.3. Sự ảnh hưởng của hệ thống treo đến tính ổn định ô tô.................... 132 11 TÍNH NĂNG CƠ ĐỘNG CỦA Ô TÔ .................................................. 137 11.1. Khái niệm ...................................................................................... 137 11.2. Các thông số ảnh hưởng tính cơ động của ô tô ............................... 137 11.2.1. Tính chất động lực của ô tô ................................................. 138 11.2.2. Tính chất bám của lốp xe và mặt đường .............................. 138 11.2.3. Các thông số hình học của ô tô............................................ 143 11.2.4. Các thông số kết cấu ........................................................... 144 12 TÍNH ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ..................................... 148 12.1. Khái niệm ...................................................................................... 148 12.2. Thực nghiệm tính êm dịu chuyển động của ô tô............................. 148 12.3. Các đặc trưng êm dịu chuyển động của ô tô ................................... 150 12.4. Dao động ô tô ................................................................................ 153 12.5. Ảnh hưởng của các thông số đến sự dao động................................ 158 12.5.1. Ảnh hưởng của lốp xe ......................................................... 158 12.5.2. Hệ thống treo độc lập .......................................................... 158 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 160 14 PHỤ LỤC ............................................................................................ 162 Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông KÝ HIỆU và VIẾT TẮT Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 1 MỞ ĐẦU Khoa học nghiên cứu về ô tô có mục đích nâng cao hiệu suất và giảm giá thành vận tải. Điều đó có thể thực hiện bằng việc nâng cao vận tốc chuyển động trung bình của ô tô, giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng tính an toàn chuyển động và tiện nghi cho người lái. Sự thấu hiểu về nguyên lý động lực học ô tô là đặc biệt cần thiết cho việc thiết kế, cải tiến và đưa ra những kiểu ô tô mới cũng như lựa chọn đúng kiểu loại ô tô cho việc sử dụng. Những kết luận lý thuyết tạo cơ sở vững chắc cho việc nâng cao hiệu suất cũng như tuổi thọ, độ bền của phương tiện. Môn học Lý thuyết ô tô xem xét đánh giá các nhân tố liên quan trực tiếp đến chuyển động của ô tô, bao gồm: đặc tính động lực học, tính kinh tế nhiên liệu, tính chất dẫn hướng, tính ổn định, khả năng cơ động, và tính êm dịu chuyển động. Các nhân tố khác như độ bền, tính dễ sử dụng và bảo dưỡng,…vv không thuộc đối tượng nghiên cứu của môn học. Đặc tính động lực - Đặc tính động lực của ô tô được hiểu là khả năng của nó chuyên chở được hàng hóa/ người ở tốc độ trung bình tối đa. Đặc tính động lực học càng cao, thời gian vận chuyển càng thấp và do đó hiệu suất vận chuyển càng lớn. Đặc tính động lực học của ô tô phụ thuộc vào khả năng kéo và phanh của ô tô. Tính kinh tế nhiên liệu - Tính kinh tế nhiên liệu là sự tiêu hao nhiên liệu cho đơn vị khối lượng/ công vận chuyển. Những chi phí cho nhiên liệu tham gia vào một phần giá thành vận chuyển. Do đó, chi phí nhiên liệu càng thấp sẽ dẫn đến chi phí vận hành thấp. Tính chất dẫn hướng - Tính chất dẫn hướng là thuộc tính của ô tô đảm bảo hướng chuyển động theo yêu cầu của người lái. Tính chất dẫn hướng ảnh hưởng rất lớn đến tính an toàn chuyển động. Tính ổn định - Tính ổn định là thuộc tính của ô tô giữ được hướng chuyển động và chống lại các lực có xu hướng gây chệch hướng hoặc lật đổ nó. Tính ổn định, cùng với tính dẫn hướng và phanh đảm bảo tính an toàn chuyển Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 8 động của ô tô. Tính ổn định được xem là tốt khi ô tô có khả năng hoạt động với vận tốc lớn ở đường trơn trượt. Khả năng cơ động - Khả năng cơ động là thuộc tính ô tô có thể hoạt động trong nhiều loại đường sá khắc nghiệt (có tuyết, bùn lầy, hoặc lội nước…). Khả năng cơ động là rất quan trọng đối với các ô tô phục vụ nông nghiệp, lâm nghiệp, công trường, … Tính êm dịu - Tính êm dịu chuyển động là khả năng ô tô chuyển động trên đường không bằng phẳng mà thân xe không bị xóc nẩy mạnh. Vận tốc trung bình, tiêu hao nhiên liệu, tải trọng, tiện nghi cho hành khách phụ thuộc vào tính êm dịu của ô tô. Tuy rằng những tính chất nói trên sẽ được xem xét đánh giá riêng, chúng có liên quan chặt chẽ với nhau. Bất cứ sự thay đổi nào trong thiết kế đối với một nhân tố, sẽ dẫn đến sự thay đổi ở tất cả các nhân tố khác. Tính ổn định có thể được nâng cao bằng cách giảm chiều cao trọng tâm ô tô, mặc dầu nó dẫn đến sự giảm tính năng cơ động. Vận tốc của ô tô chủ yếu phụ thuộc vào khả năng động lực của nó, nhưng trên đường trơn trượt nó thường được giảm để đảm bảo tính ổn định và trên đường không bằng phẳng, đảm bảo tính êm dịu. Tăng vận tốc chuyển động trung bình đòi hỏi tăng động lực của ô tô, nhưng đi đôi với việc tăng tiêu hao nhiên liệu. Những yêu cầu trái ngược đối với một ô tô đòi hỏi người thiết kế phải xác định sự thỏa hiệp, cân bằng giữa tính năng cần tăng cường cho một mục đích của ô tô trong khi giảm thiểu những tính năng khác kém quan trong hơn. Do đó, sự đánh giá ô tô cần được xem xét một cách toàn diện; tất cả các tính năng của nó. Kỹ thuật ô tô hiện nay cho phép có thể thiết kế và sản xuất ô tô có thể vận hành trong bất kỳ điều kiện nào. Mặt khác, điều này bị ngăn trở bởi quy mô dây chuyền sản xuất ô tô mà nó được phân biệt bởi một số hữu hạn kiểu loại, và bởi tính thống nhất hóa các tổng thành lắp trên các ô tô công dụng khác nhau. Hơn nữa, mỗi ô tô được dự định hoạt động với điều kiện đa dạng và phải có tính phổ biến nhất định. Điều này giải thích tại sao, ví dụ, rất nhiều ô tô tải công dụng chung có khả năng vận chuyển tất cả các loại hàng hóa, được sản Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 9 xuất hiện nay. Dẫu vậy, để phù hợp hơn, những yêu cầu được đặt ra cho các ô tô chuyên dụng để hoạt động trong điều kiện xác định và vận chuyển một loại hàng hóa nhất định. Những ô tô này hiệu quả hơn nhiều so với các ô tô công dụng chung. Các đặc tính vận hành có thể được xác định bằng thực nghiệm hoặc tính toán. Số liệu nhận được bằng cách thử ô tô trên băng hoặc vận hành trực tiếp trên đường trong điều kiện gần với điều kiện thực tế. Những thử nghiệm này tốn kém và đòi hỏi phòng thí nghiệm có chất lượng. Thêm vào đó, rất khó để tái tạo điều kiện hoạt động thực tế. Vì lý do đó, thông thường các thử nghiệm được kết hợp với việc phân tích lý thuyết và tính toán các đặc trưng của ô tô. Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông Chương 2 MOMEN XOẮN TẠI BÁNH XE CHỦ ĐỘNG 2.1. Sự truyền mô men từ động cơ đến bánh xe chủ động Hình 2-1 minh họa sự truyền mô men xoắn từ động cơ đến bánh xe chủ động đối với ô tô có động cơ đặt dọc phía trước, dẫn động một cầu sau. Hình 2-1 Sự truyền mô men từ động cơ đến bánh xe chủ động Xuất phát từ động cơ và truyền qua hệ thống truyền lực, mô men xoắn tại bánh xe chủ động được xác định bởi:   dt d .I dt d ..i.I.i.'T'T ww n nnntteT Eq. 2-1 Với: T'T - Mô men kéo tại bánh xe chủ động khi chuyển động không đều; T'e - Mô men kéo tại trục khuỷu khi xe chuyển động không đều; it ; t - Tỷ số truyền và hiệu suất của hệ thống truyền lực; in ; n - Tỷ số truyền và hiệu suất từ chi tiết quay thứ n trong hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động; In - Mô men quán tính của chi tiết quay thứ n đối với trục quay của nó; n, w - vận tốc góc của chi tiết quay thứ n và của bánh xe. Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 11 Mặt khác, ta có: de/ dt = ax. it/ rdyn ; dn/ dt = ax. in/ rdyn dw/ dt = ax / rdyn ; T'e = Te - Ie.de/ dt Với Ie - là mô men quán tính của bánh đà và các chi tiết quay trong động cơ quy về trục khuỷu. Kết hợp các biểu thức trên, ta được:   dyn x2 ttew 2 nnntteT r a .i..IIi..I.i.T'T   Eq. 2-2 Bằng cách đặt: teeT .i.TT    dyn x2 ttew 2 nnna r a .i..IIi..IT   Eq. 2-3 Với TT là mô men kéo tại bánh xe chủ động khi ô tô chuyển động ổn định, động cơ quay đều. Ta là mô men của các lực quán tính quy về bánh xe chủ động. Cuối cùng, biểu thức xác định mô men tại bánh xe chủ động trở thành: aTT T-T'T  Eq. 2-4 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô men xoắn tại bánh xe chủ động khi xe chuyển động ổn định 2.2.1. Mô men tại bánh đà động cơ Giá trị mô men tại trục khuỷu thay đổi phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ. Động cơ có thể làm việc ở các chế độ toàn tải (theo đường đặc tính ngoài) hoặc chế độ non tải (cục bộ). Hình 2-2 biểu thị đặc tính ngoài của động cơ xăng không hạn chế số vòng quay (a), động cơ xăng hạn chế số vòng quay (b), và động cơ diesel (c). Số vòng quay nmin của trục khuỷu là số vòng quay nhỏ nhất mà động cơ có thể làm việc ổn định ở chế độ đầy tải. Khi tăng số vòng quay thì công suất và mô men tăng lên. Mô men xoắn đạt giá trị cực đại Temax ở số vòng quay nT và công suất đạt giá trị cực đại Pemax tại số vòng quay nP. Vùng số vòng quay làm Bài giảng môn học LÝ THUYẾT Ô TÔ Biên soạn: TS. Phan Minh Đức – Bộ môn Ô tô, khoa Cơ khí Giao thông 12 việc chủ yếu của động cơ nằm trong khoảng [nT , nP]. Khi tăng số vòng quay của trục khuỷu lớn hơn giá trị nP thì công suất sẽ giảm, chủ yếu do giảm hệ số nạp, tăng tổn thất cơ giới, và giảm áp suất có ích trung bình. Hình 2-2 Đặc tính tốc độ ngoài của động cơ Để đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu cho ô tô, động cơ xăng được lắp bộ phận hạn chế tốc độ để nó không làm việc trong vùng số vòng quay có suất tiêu hao nhiên liệu lớn (Hình A-4, Phụ lục A). Khi số vòng quay của động cơ đạt giá trị cần hạn chế, nhiên liệu không được cung cấp cho động cơ và công suất sẽ giảm. Do quán tính, số vòng quay của động cơ còn tăng thêm chút ít. Thông thường, số vòng quay hạn chế thường nhỏ hơn số vòng quay ứng với công suất cực đại. Đối với động cơ diesel, chế độ phát công suất cực đại là giới hạn “nhả khói đen”. Khi tăng số vòng quay của động cơ lớn hơn giá trị tương ứng với chế độ công suất cực đại, tính kinh tế nhiên liệu của động cơ rất kém. Do đó, động cơ diesel được trang bị bộ điều tốc để tránh động cơ làm việc ở vùng “nhả khói đen”. Khi động cơ đạt số vòng quay nP, bộ điều tốc sẽ cắt nhiên liệu và công suất sẽ giảm. Do quán tính, số vòng quay của động cơ còn tăng thêm chút ít. Bài g