(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mối quan hệ và các giải pháp kỹ thuật liên quan tới động lực học và tiêu hao nhiên liệu của ô tô du lịch

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang ii


CẢM TẠ

Trong thời gian học Cao học tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ
Chí Minh, em đã tích lũy được nhiều kiến thức bổ ích và nâng cao được khả
năng tự nghiên cứu về chuyên môn của mình.
Cùng với nỗ lực của bản thân trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt
nghiệp, hôm nay luận văn đã được hoàn thành. Em xin gởi lời cảm ơn chân
thành đến:


Thầy TS. Lâm Mai Long: là người đã tận tình giảng dạy và hướng dẫn

chun mơn trong những lúc gặp khó khăn nhất.
 Ban giám hiệu, phịng sau Đại học và khoa Cơ khí động lực trƣờng Đại
học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi trong
suốt quá trình học tập tại trường.
 Các thầy cô tham gia giảng dạy cao học.
 Lãnh đạo trƣờng Cao Đẳng nghề số 8-BQP.
 Gia đình và bạn bè đã động viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh,ngày tháng năm 2013
Học viên: Ngô Duy Đông.

Trang iii


TÓMTẮT
Sự phát triển của xe cộ sử dụng động cơ đốt trong, đặc biệt là ôtô, là một
trong những thành tựu lớn nhất của kỹ thuật hiện đại.Ơ tơ đã có những đóng góp
to lớn trong sự phát triển của xã hội hiện đại bằng cách làm thỏa mãn nhu cầu
vận chuyển hàng ngày.
Đối với bất kỳ một người sử dụng xe ngồi giá cả thì hai tính năng động
lực học và tiêu hao nhiên liệu luôn luôn là điều quan tâm số một.Trong bối cảnh
cạn kiện các nguồn cung cấp nhiên liệu, nhưng các hãng sản xuất ô tô vẫn liên
tục cho ra đời các dịng xe có dung tích động cơ lớn hơn, tính năng động lực học
cao hơn. Tuy nhiên điều này nảy sinh vấn đề tiêu hao nhiên liệu sẽ nhiều hơn.
Trong các thập niên gần đây,những hoạ động nghiên cứu và phát triển liên
quan đến giao thông đã chú trọng đến việc phát triển các mẫu xe có tính cân
bằng giữa tính năng động lực học và tiêu hao nhiên liệu. Những chiếc xe này
vừa thỏa mãn cho người lái các tính năng vận hành vừa có mức tiêu thụ nhiên
liệu vừa phải và thân thiện với môi trường.
Trong luận văn này, tác giả tập trung “Nghiên cứu mối quan hệ và các giải
pháp kỹ thuật liên quan tới động lực học và tiêu hao nhiên liệu của ô tô du lịch“.
Nội dung của luận văn gồm có một số phần chính như sau:

Chƣơng1. Tổng quan.
Chƣơng2. Cơ sở lý thuyết về động lực học và tiêu hao nhiên liệu.
Chƣơng3. Mối quan hệ giữa động lực học và tiêu hao nhiên liệu.
Chƣơng4.Các giải pháp kỹ thuật liên quan tới động lực học và tiêu hao
nhiên liệu.

Chƣơng5. Kết luận.

Trang iv


ABSTRACT
The development of internal combustion engine vehicles, especially
automobiles, is one of the greatest achievements

of modern technology.

Automobiles have made great contributions to the growth of modern society by
satisfying many of its needs for transportation in every daylife.
For a driver, in addition to price, both dynamic performance and fuel
consumption is always the most concern. Despite the supply of drain fuel , the
car manufacturers are continually released cars with larger engine capacity,
higher dynamic features. This problematic fuel consumption will be much more.
In recent decades, the research and development activities related to
transportationhaveconcentrated onthedevelopment models which have a balance
between dynamic performance and fuel consumption.These cars are not only just
satisfied to drivers operating features but also moderate fuel consumption and
environmentally friendly.
In this thesis, the author focuses "The research on relationship and
technical solutions related to the dynamics and fuel consumption of
automobiles." The content of the thesis consists of a main part as follows:
Chapter1.Overview.
Chapter2.The basis of the theory of dynamics and fuel consumption.
Chapter3.The relationship between dynamics and fuel consumption.
Chapter 4.Technical solutions related to the dynamics and fuel
consumption.

Chapter5. Conclusion.

Trang v


MỤC LỤC
Trang tựa .................................................................................................... TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân .................................................................................................. i
Lời cam đoan ..................................................................................................... ii
Cảm tạ ............................................................................................................... iii
Tóm tắt ............................................................................................................... iv
Mục lục .............................................................................................................. vi
Danh sách các hình ............................................................................................ x
Danh sách các chữ viết tắt .................................................................................. xii
Chƣơng 1: TỔNG QUAN.......................................................................................... 1

1.1 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu. ............................................. 3
1.2 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu. ............................................... 3
1.3 Phương pháp nghiên cứu. ............................................................................. 3
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 4

2.1 Sự truyền năng lượng trên ô tô ..................................................................... 4
2.1.1 Sự truyền và biến đổi năng lượng trong hệ thống truyền lực ................... 4
2.1.2 Sự biến đổi năng lượng trong hệ thống chuyển động ............................... 6
2.1.3 Sự tổn hao năng lượng khi truyền năng lượng trên xe .............................. 7
2.2 Các quan hệ về lực khi bánh xe lăn trên đường .......................................... 8
2.2.1 Bánh xe bị động ....................................................................................... 9
2.2.2 Bánh xe chủ động ..................................................................................... 10
2.2.3 Bánh xe phanh ........................................................................................... 11

Trang vi


2.3 Bán kính lăn rl và mối quan hệ giữa sự trượt và bán kính lăn ..................... 12
2.3.1 Bán kính lăn .............................................................................................. 12
2.3.2 Mối quan hệ giữa bán kính lăn và sự trượt ............................................... 13
2.3.2.1 Khi lăn không trượt ................................................................................ 13
2.3.2.2 Khi lăn có trượt quay ............................................................................. 14
2.3.2.3 Khi lăn có trượt lết ................................................................................. 16
2.3.3 Hiệu suất trượt ........................................................................................... 17
2.4 Giới hạn bám khi kéo và khi phanh ............................................................. 19
2.5 Sai lệch động học. ........................................................................................ 20
2.6 Các chỉ tiêu kinh tế nhiên liệu của ơtơ ......................................................... 22
2.6.1 Tính kinh tế nhiên liệu của ơtơ .................................................................. 22
2.6.2 Phương trình tiêu hao nhiên liệu. .............................................................. 22
2.6.3 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi chuyển động ổn định . ............... 27
Chƣơng 3: MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TIÊU HAO NHIÊN
LIỆU............................................................................................................................ 32

3.1 Xác định lượng tiêu hao nhiên liệu khi xe đạt vận tốc cực đại .................... 32
3.2 Xác định độ dốc cực đại và lượng tiêu hao nhiên liệu khi leo dốc cực đại. 36
3.2.1 Xác định độ dốc cực đại. ........................................................................... 36
3.2.2 Xác định tiêu hao nhiên liệu khi leo dốc cực đại. ..................................... 39
3.3 Xác định gia tốc cực đại và lượng tiêu hao nhiên liệu khi gia tốc cực đại. . 42
3.3.1 Xác định gia tốc cực đại. ........................................................................... 42
3.3.2 Xác định lượng tiêu hao nhiên liệu khi gia tốc cực đại. ........................... 43

Trang vii

3.4 Ảnh hưởng của sự phân chia lực kéo giữa các bánh xe chủ đô ̣ng tới động lực
học và tiêu hao nhiên liệu................................................................................... 46
3.4.1 Khơng có lưu thơng cơng suất. ................................................................. 47
3.4.1.1 Công suất tổ n hao do trượt trên xe (4x4) và (4x2). ................................ 47
3.4.1.2 Sự ảnh hưởng của lực bám đến tính năng động lực học. ....................... 50
3.4.1.3 So sánh ảnh hưởng của sự trượt đến tiêu hao nhiên liệu của xe( 4x4) và
(4x2). .................................................................................................................. 51
3.4.2 Khi có lưu thơng cơng suất. ...................................................................... 52
3.4.2.1 Xác định lực kéo tiếp tuyến và đô ̣ trươ ̣t tại mỗi cầu . ............................. 52
3.4.2.2 Công suất tổn hao do trươ ̣t. .................................................................... 55
3.4.2.3 Hiệu suất trượt. ....................................................................................... 57
3.4.2.4 Xác định tiêu hao nhiên liệu khi có lưu thơng cơng suất. ...................... 59
3.5 Kế t luâ ̣n ........................................................................................................ 60
CHƢƠNG 4: CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT LIÊN QUAN ĐẾN ĐỘNG LỰC
HỌC VÀ TIÊU HAO NHIÊN LIỆU ........................................................................ 61

4.1 Giảm các lực cản chuyển động. ................................................................... 61
4.1.1 Giảm lực cản của gió ................................................................................. 61
4.1.2 Giảm lực cản lăn. ...................................................................................... 62
4.1.3 Giảm trọng lượng xe. ................................................................................ 63
4.2 Tối ưu hoạt động của động cơ. ..................................................................... 65
4.3 Tối ưu hoạt động của hệ thống truyền lực. .................................................. 67
4.3.1 Hộp số tự động vô cấ p .............................................................................. 67
4.3.2 Hộp số ly hợp kép. .................................................................................... 67
4.3.3Các giải pháp phân phối công suất............................................................. 69

Trang viii

4.4 Hê ̣ thố ng kiể m soát lực kéo Traction Control (TRC)................................... 72
4.4.1 Khái niệm cơ sở về TRC ........................................................................... 73
4.4.2 Thiết bị điều khiển công suất động cơ EMS ............................................. 74
4.4.2.1 Đối với động cơ xăng ............................................................................. 74
4.4.2.2Động cơ động cơ diezel........................................................................... 74
4.4.2.3Điều khiển bàn đạp chân ga .................................................................... 75
4.4.3Bộ điều khiển ASR..................................................................................... 76
4.4.3.1Các đặc điểm làm việc của ASR ............................................................. 76
4.4.3.2 Các bộ phận của hệ thống phanh ABS có TRC ..................................... 77
4.4.3.3 Điều khiển tốc độ ô tô ............................................................................ 78
4.4.4Bộ điều chỉnh mô men phanh bẳng động cơ MSR .................................... 79
4.4.5 Bộ khoá vi sai điện tử ABS+ABD80 ........................................................ 80
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN ......................................................................................... 82

5.1 Đánh giá đề tài. ............................................................................................ 82
5.2 Kiến nghị. ..................................................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 84

Trang ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Các lực và moment tác dụng lên bánh xe bị động , chủ động và bánh xe
phanh .................................................................................................................. 10
Hình 2.2 Đặc tính rl(Fk) ..................................................................................... 12
Hình2.3 Lăn khơng trượt .............................................................................. 20
Hình 2.4 Lăn có trượt quay ............................................................................... 16
Hình 2.5 Lăn có trượt lết ................................................................................... 17
Hình 2.6 Đặc tính ngồi của động cơ. ........................................................... 24

Hình 2.7 Đồ thị đặc tính tải trọng của động cơ( ne’> ne’’>ne’’’).................. 27
Hình 2.8 Đồ thị cân bằng cơng suất của ơtơ ứng với các hệ số cản  khác nhau
của mặt đường. .................................................................................................. 28
Hình 2.9 Đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ơtơ khi chuyển động ổn định .30
Hình 3.1 Đồ thị đặc tính tải trọng của động cơ khi xe đạt vận tốc cực đại ....... 34
Hình 3.2 Đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ơtơ khi chuyển động ổn định ở
vận tốc cực đại. ....................................................................................................... 35
Hình 3.3 Đồ thị đặc tính tải trọng của động cơ khi leo dốc cực đại ............... 41
Hình 3.4 Đồ thị đặc tính tải trọng của động cơ khi gia tốc cực đại .................... 45
Hình 3.5 Cơng suất tổn hao do trượt tại bánh xe khi Fk1  Fk 2 . ......................... 48
Hình 3.6 Cơng suất tổn hao do trượt tại bánh xe khi Fk1  Fk 2 . .......................... 49
Hình 3.7 Cơng suất tổn hao do trượt tại bánh xe khi Fk1  0, Fk 2  0 . ................. 50

Trang x


Hình 3.8 Mối quan hệ hiệu suất trượt- lực kéo tiếp tuyến- sai lệch động học .. 59
Hình 4.1 Đường đặc tính tồn tải của động cơ mercedes E250 ........................ 68
Hình 4.2 Sơ đồ chuyể n số của hô ̣p số tự đô ̣ng CVT và AT ............................... 69
Hình 4.3 Hô ̣p số ly hơ ̣p kép ............................................................................... 70

Trang xi


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1. AT: Automatic Transmission
2. CVT: Continuously Variable Transmission
3. DTC: dual-clutch transmisson
4. 4WD (4x4): 4 Wheel Drive

5. AWD: All Wheel Drive
6. TRC: Traction Control
7. ABS: Anti-lock Brake System
8. ASR: Anti Spin Regulator
9. EMS: Electronic Engine-Mangement System
10. MSR: Automatic Barking Differential

Trang xii


Chương 1 Tổ ng quan

Chương 1

TỔNG QUAN

Đối với bất kỳ một người sử dụng xe, ngồi giá cả thì hai tính năng động
lực học và tiêu hao nhiên liệu ln ln là điều đáng quan tâm. Có thể nói hai
yếu tố này rất quan trọng. Trước hết, ta hãy bàn về tính năng động lưc học.
Tính năng động lực học hay tính năng vận hành tức là nói đến tính năng
khởi hành, tăng tốc, leo dốc, vận tốc cực đại.
Mỗi một tài xế có một phong cách lái xe khác nhau. Mỗi người thích cảm
nhận tính năng vận hành khác nhau của chiếc xe tuy nhiên có một điểm chung
là ai cũng thích xe có tính năng động lực học tốt.
Đây cũng là điều dễ hiểu, khi điều khiển một chiếc xe có tính năng động
lực, hay nói cách khác là tính năng vận hành cao sẽ cho người điều khiển rất
nhiều thuận lợi.
Đầu tiên an toàn là trong khi tránh, vượt các xe khác vì xe có gia tốc lớn.
người tài xế có thể chủ động về tốc độ của xe cũng như thời gian tăng tốc.
Thứ hai là khi leo dốc hay vượt qua chướng ngại vật trên đường. Chiếc xe

có tính năng động lực tốt có thể thơng qua những con đường có độ dốc lớn,
chướng ngại vật cao mà những xe có tính năng động lực học yếu khơng thể
thực hiện được.
Đó là những minh họa rất gần gũi để ta thấy rằng tính năng động lực học
có sức hấp dẫn rất lớn đối với người tiêu dùng. Điều này cũng tác động đến
quan điểm thiết kế xe của các hãng sản xuất ô tô. Rõ ràng là tăng tính năng
động lực học dẫn đến tiêu hao nhiên liệu lớn hơn. Nhưng các nhà sản xuất ô tô
liên tục cho ra đời những mẫu xe tính năng động lực học cao. Tuy nhiên trong

Trang 1


Chương 1 Tổ ng quan

bối cảnh giá xăng dầu tăng cao điều này cũng cần dung hịa với tính kinh tế
nhiên liệu của xe.
Có một thời gian các hãng xe lớn của Mỹ như Ford, GM rơi vào khủng
hoảng vì xe khơng bán được. Nếu so sánh về tính năng vận hành, có thể nói
các xe của Nhật Bản khơng hẳn tốt hơn xe của Mỹ nhưng về mặt tiết kiệm
nhiên liệu thì tốt hơn do đó được nhiều khách hàng ưa chuộng hơn.
Lượng tiêu hao nhiên liệu của xe được tính theo nhiều phương pháp cũng
như có nhiều quy trình thử mức tiêu hao nhiên liệu.
Các quy trình thử theo tiêu chuẩn của Nhật, Mỹ, châu âu, có những điểm
giống và khác nhau nhưng nói chung là đều dựa trên các cơ sở: loại đường xe
vận hành đô thị hay đường xa lộ, trong quá trình thử nghiệm các thao tác được
tiến hành giống như các thói quen của người tài xế.
Lượng tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Do đó đơi khi
lượng tiêu thụ nhiên liệu mà các nhà sản xuất xe cung cấp khơng hồn tồn
giống với thực tế.
Việc mua được một chiếc xe có tính năng vận hành tốt khơng đồng nghĩa

với sự thảo mãn của người chủ xe vì xe khơng tiết kiệm nhiên liệu.Do đó vấn
đề cân bằng giữa hai yếu tố này thực sự là một bài tốn khó đối với các nhà
sản xuất cũng như những người nghiên cứu về ơ tơ.
Ngày nay đã có nhiều cơng nghệ mới để có thể làm cho chiếc xe vừa có
tính năng động lực học tốt lại vừa có mức tiêu hao nhiên liệu ở mức độ chấp
nhận được.
Có một số giải pháp tập trung vào các vấn đề sau: thiết kế động cơ, thiết
kế hệ thống truyền lực, thiết kế khí động học của xe, cơng nghệ thu hồi năng
lượng, thiết kế theo điều kiện giao thông, chất lượng đường sá, huấn luyện kỹ
năng của người điều khiển xe.

Trang 2


Chương 1 Tổ ng quan

Trong phạm vi của đề tài, người nghiên cứu sẽ tập trung vào tìm hiểu mối liên
hệ giữa hai yếu tố này nhằm chỉ ra một cách rõ các mâu thuẫn, đưa ra các
minh chứng cụ thể và từ đó đưa ra các giải pháp.
1.1 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu.
- Nghiên cứu và tìm ra mối quan hệ giữa hai vấn đề động lực học và tiêu hao
nhiên liệu.
- Đề ra các giải pháp kỹ thuật liên quan tới hai vấn đề này nhằ m đảm bảo tính
năng đô ̣ng lực ho ̣c trong khi mức tiêu thu ̣ ở mức vừa phải .
- Đối tượng nghiên cứu: xe ô tô du lịch.
1.2 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu.
- Nghiên cứu mối quan hệ giữa hai vấn đề động lực học và tiêu hao nhiên liệu.
Từ đó tìm ra các giải pháp kỹ thuật liên quan tới hai vấn đề này.
- Nghiên cứu tính tốn các thơng số động lực học và tiêu hao nhiên liệu khi có
kể đến trượt.

Phạm vi nghiên cứu:
- Chỉ nghiên cứu trên ô tơ con, ơ tơ du lịch.
- Chỉ nghiên cứu tính toán các chỉ tiêu, sự tác động của các hệ thống chứ
khơng đi vào phân tích cụ thể các mạch điện điều khiển, cấu tạo…
1.3 Phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến các thông số động lực học và tiêu hao
nhiên liệu của ô tô.
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến trượt.
- Nghiên cứu các tài liệu về các trang bị hiện đại để hạn chế sự trượt.
- Tham khảo ý kiến đóng góp của các thầy hướng dẫn và các thầy cơ, các anh
chị học viên.

Trang 3


Chương 2 Cơ sở lý thuyế t

CHƢƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Sự truyền năng lƣợng trên ơ tơ
Q trình truyền năng lượng từ động cơ đến mặt đường thông qua hệ thống
truyền lực và hệ thống chuyển động sẽ làm thay đổi vận tốc (vận tốc góc hoặc vận
tốc tịnh tiến) và mô ment (hoặc lực), một phần năng lượng truyền đi sẽ tiêu hao ở hệ
thống truyền lực do sự tích lũy năng lượng ở dạng động năng (do các chi tiết có
khối lượng) và thế năng (do tính đàn hồi sinh ra) và một phần năng lượng nữa bị
tiêu hao do có sự xuất hiện của sự trượt.
Bây giờ chúng ta xét đến quá trình truyền năng lượng trên xe trong trường hợp
xe chuyển động ổn định và chưa xét đến trượt.

2.1.1 Sự truyền và biến đổi năng lƣợng trong hệ thống truyền lực
Ở ô tô năng lượng được truyền từ động cơ đến các bánh xe chủ động thơng qua hệ
thống truyền lực. Q trình truyền và biến đổi năng lượng được đặc trưng bởi các
thành phần của công suất đầu vào Pe và công suất đầu ra ở bánh xe Pk, nghĩa là bởi
vận tốc góc và mômen xoắn tương ứng:
P e  M e e

(2.1)

P k  M k k

Các mối quan hệ giữa các thông số Me, Mk,  e,  b được gọi là các đặc tính truyền
động.
Ở đây:
Pk – Cơng suất truyền đến các bánh xe chủ động.

[W]

 k – Vận tốc góc của bánh xe chủ động.

[rad/s]

Trang 4


Chương 2 Cơ sở lý thuyế t

Mk – Mômen của các bánh xe chủ động.

[N.m]

Mặt khác, để thể hiện các mối quan hệ chức năng ở truyền động, chúng ta sử dụng
các khái niệm sau:
+ Tỷ số truyền động học (truyền vận tốc):

it 

1 ωe n e


ν ωb n b

(2.2)

Trong đó:
it – Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực, thường dùng ở truyền động có cấp.
 – Tỷ số truyền được dùng trong hệ thống truyền động thủy lực. [m/s]

ne – Số vòng quay của động cơ

[vòng/phút]

nb – Số vòng quay của bánh xe.

[vòng/phút]

Theo kết cấu của hệ thống truyền lực thì tỷ số truyền it cịn được tính theo công thức
sau:
it = ihipioic

(2.3)

Ở đây:
ih – Tỷ số truyền của hộp số.
ip – Tỷ số truyền của hộp số phụ (hoặc hộp phân phối).
io – Tỷ số truyền của truyền lực chính.
ic – Tỷ số truyền của truyền lực cạnh (truyền lực cuối cùng).
+ Tỷ số truyền mômen:

im 

Mk
Me

Trang 5

(2.4)


Chương 2 Cơ sở lý thuyế t

+ Hiệu suất của hệ thống truyền lực:
ηtl 

Pk Mkωk
i

 i m .ν  m
Pe M eωe
it

(2.5)

Ở trường hợp đang xét  chính là hiệu suất của hệ thống truyền lực.
Xét về mặt kết cấu của hệ thống truyền lực thì hiệu suất  cịn được tính như sau
η tl =  l  h  p  cđ  o  c

(2.6)

Ở đây:
 l – Hiệu suất của ly hợp.
 h – Hiệu suất của hộp số.
 p – Hiệu suất của hộp số phụ (hoặc hộp số phân phối).
 cd – Hiệu suất của cac đăng.
 o – Hiệu suất của truyền lực chính.
 c – Hiệu suất của truyền lực cạnh.

2.1.2 Sự biến đổi năng lƣợng trong hệ thống chuyển động
Hệ thống chuyển động là cụm truyền động giữa bánh xe với mặt đường. Ở
trường hợp này chúng được coi là cụm biến đổi bậc không, nghĩa là ta không để ý
đến khối lượng và biến dạng của nó.
Cơng suất của bánh xe chủ động được thể hiện qua Mk và  k. Nhờ có Mk tại
bánh xe chủ động và nhờ sự tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường nên đã phát sinh
phản lực Fk từ mặt đường tác dụng lên bánh xe hướng theo chiều chuyển động của
xe. Phản lực này chính là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động.
Như vậy hệ thống chuyển động đã biến đổi chuyển động quay của bánh xe
thành chuyển động tịnh tiến của xe. Tức là biến đổi mômen Mk và vận tốc góc  k
trên trục bánh xe thành lực kéo của bánh xe và vận tốc tịnh tiến v.

Trang 6

Chương 2 Cơ sở lý thuyế t

Quan hệ giữa các thông số vừa nêu được thể hiện:
F k

M k M e i t ηtl M e i h i p i o i c ηtl


r
r
r
v  r lk

(2.7)
(2.8)

Ở đây:
r – Bán kính tính tốn (bán kính làm việc trung bình) của bánh xe.
v – Vận tốc tịnh tiến thực tế.
rl – Bán kính lăn của bánh xe.
Trong thực tế có thể coi r = const, cịn rl  const, vì rl phụ thuộc vào nhiều yếu
tố, ví dụ: tải trọng, vận tốc… Cho nên từ (2.7) và (2.8) cho thấy rằng hệ thống
chuyển động biến đổi lực với một tỉ lệ không đổi, nhưng sự truyền vận tốc không
phải là ổn định. Khi xe chuyển động ở đường tốt và với vận tốc lớn thì có thể xem
rl = r. Trên đường xấu và với vận tốc nhỏ thì rl  r, lúc này chúng ta phải cân nhắc
đến sự trượt giữa bánh xe với mặt đường.
2.1.3 Sự tổn hao năng lƣợng khi truyền năng lƣợng trên xe
Khi truyền năng lượng từ động cơ đến khung xe sẽ có một phần năng lượng

biến đổi thành nhiệt năng không thể thu hồi được. Giá trị này cần phải biết khi tính
tốn thiết kế bởi hai lý do sau:
-

Nhằm xác định công suất sử dụng dùng để truyền động ô tô ứng với công suất

đã cho của động cơ. Hoặc ngược lại để xác định công suất yêu cầu của động cơ ứng
với yêu cầu năng lượng của xe đã cho.
-

Nhằm xác định các yêu cầu làm mát đảm bảo cho hệ thống làm việc bình

thường.

Trang 7


Chương 2 Cơ sở lý thuyế t

Các tổn thất được biểu thị về mặt định lượng bởi công suất tổn hao P  hay
mômen tổn hao M  . Tuy vậy người ta thường biểu thị bằng các hệ số không thứ
nguyên là hiệu suất η tl  hoặc hệ số tổn hao  .
Mối quan hệ giữa các đại lượng:

P γ Pe P k
Mγ

γ



P
Pe



Pγ
Pe

(2.9)

Pγ
ωe


Pγ
Me

P e P k
P
 1  k  1  ηtl
Pe
Pe
ηtl  1  

(2.10)

(2.11)
(2.12)

Công việc tính tốn tổn hao dựa trên cơ sở kinh nghiệm và định hướng, bởi
vậy nó ln là gần đúng. Muốn xác định chính xác chỉ có thể bằng con đường thực
nghiệm. Khi tính tổn hao ta tiến hành riêng cho từng bộ phận. Tổng tổn hao được
xác định theo nguyên tắc các tổ hợp mắc nối tiếp nhau.
Cần lưu ý rằng ở truyền động cơ khí chỉ có tổn hao về mơmen mà khơng có
tổn hao về vận tốc.
Tổn hao ở truyền động cơ khí khơng những khơng phụ thuộc vào kết cấu, ma
sát giữa các bề mặt của các chi tiết, sơ đồ động học, mà còn phụ thuộc vào mômen
truyền, vận tốc, độ nhớt và nhiệt độ của dầu bôi trơn…
2.2 Các quan hệ về lực khi bánh xe lăn trên đƣờng
Chúng ta cũng khảo sát ứng với ba trạng thái lăn của bánh xe, sơ đồ lực tác
dụng ở các trạng thái được chỉ ra ở hình ở 2.1.

Trang 8


Chương 2 Cơ sở lý thuyế t

2.2.1 Bánh xe bị động (Hình 2.1a)
Để cho bánh xe có tải trọng F có thể chuyển động được với tốc độ V (hoặc
k) thì tại ổ trục của nó phải có lực F hướng theo hướng của V. Hợp lực của F và
F đi qua ổ trục và nghiêng một góc , cắt mặt đường ở khoảng cách a. Tại điểm
này có tác dụng của tất cả các phản lực của bánh xe với mặt đường X và Z.
Phản lưc Z ngược hướng với tải trọng thẳng đứng trên bánh xe F  và bằng nó về giá
trị:
Z = F

(2.13)

Phản lực X sẽ ngược chiều chuyển động của xe, tức là ngược chiều trục x và được

coi là lực cản, đó là lực cản lăn ký hiệu Ff. Lực cản lăn phải được khắc phục bởi lực
đẩy F, vì thế ta phải có phương trình:
F = X = Ff

(2.14)

Xét về mặt định lượng, lực cản lăn được mô tả bằng quan hệ:
Ff = Zf

(2.15)

Trong đó f được gọi là hệ số cản lăn
Nếu viết phương trình cân bằng moment tại tâm bánh xe, ta có:
Z.a = Ff.rd = Z.f.rd = Mf

(2.16)

Trong đó moment Mf sẽ được đưa vào sơ đồ nếu giả thiết rằng các phản lực tác
dụng từ mặt đường nằm tại giao điểm của trục thẳng đứng đối xứng của bánh xe với
mặt đường. Moment Mf được gọi là moment cản lăn.
Cũng từ sơ đồ ta rút ra quan hệ sau:
tg = a/rd = Ff/Z = f

Trang 9

(2.17)


Chương 2 Cơ sở lý thuyế t

2.2.2 Bánh xe chủ động (Hình 2.1b)

Hình 2.1: Các lực và moment tác dụng lê n bánh xe bi ̣đô ̣ng (a.), chủ động (b.)và
bánh xe phanh (c.)

Trang 10


Chương 2 Cơ sở lý thuyế t

Nếu chúng ta đặt trên bánh xe bị động một moment chủ động Mk (cùng chiều
k) và cân bằng với nó là một cặp lực Fk, một đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và
mặt đường (gọi là lực kéo tiếp tuyến) và một đặt tại tâm bánh xe (là thành phần đẩy
vào khung gây ra do moment chủ động Mk) chúng ta sẽ có trạng thái chịu lực của
bánh xe chủ động.
Tải trọng thẳng đứng F vẫn bằng phản lực thẳng đứng Z:
Z = F

(2.18)

Lực kéo tiếp tuyến Fk xác định bằng quan hệ:
Fk = Mk/rd

(2.19)

Lực đẩy tổng cộng vào khung xe:
F  = F k – Of = X

(2.20)

Với X còn được gọi là phản lực tiếp tuyến của bánh xe với mặt đường, khi kéo nó
cùng chiều với chiều chuyển động.
2.2.3 Bánh xe phanh (Hình 2.1c.)
Tương tự như trường hợp bánh xe chủ động nhưng trong trường hợp này
moment Mk ngược chiều quay k (hay còn gọi là moment phanh Mb). Theo qui ước
về dấu thì Mk (hay Mb) và Fb trong trường hợp này được coi là âm.
Một cách tương tự ta có quan hệ:
F = Z

(2.21)

F = Fk + Ff = X

(2.22)

Trang 11


Chương 2 Cơ sở lý thuyế t

Như vậy trong trường hợp này lực đẩy lên khung F bằng tổng của lực phanh
(do cơ cấu phanh sinh ra) và lực cản lăn, nó cân bằng với phản lực tiếp tuyến của
bánh xe với mặt đường khi phanh.
2.3 Bán kính lăn rl và mối quan hệ giữa sự trƣợt và bán kính lăn
2.3.1 Bán kính lăn
Bán kính lăn rl: bán kính lăn khơng phải là một thơng số hình học mà là một
thơng số động học, nó là tỉ lệ giữa tốc độ góc k và tốc độ tịnh tiến V của bánh xe.
Bán kính lăn được xác định bằng mối quan hệ:

rl 

V
ωk

(2.23)

Từ định nghĩa ta rút ra rằng:
rl là bán kính của một bánh xe ảo, nó chuyển động khơng có trượt với một tốc
độ tịnh tiến tương đương với tốc độ của bánh xe thực tế.
rl có thể coi là khoảng cách giữa tâm bánh xe tới cực P (hình 2.3, 2.4, 2.5)
của chuyển động tương đối giữa bánh xe và mặt đường.
Bán kính lăn cũng có thể xác định từ quãng đường X và tổng số vòng quay N k cẩn
thiết để đi hết quãng đường đó
rl 

X
2 N k

(2.24)

Có ảnh hưởng rõ rệt đến bán kính lăn ngồi tốc độ quay là các thơng số như
sau: tải trọng Z, áp suất lốp pv và moment xoắn Mk. Ảnh hưởng của Z và pv là rõ rệt
hơn ở loại lốp Diagonal, cịn sự phụ thuộc rl(Mk) thì cho thấy rằng ở vùng Mk nhỏ
quan hệ này gần như tuyến tính, sự phi tuyến chỉ xuất hiện trong vùng M k đủ lớn,
khi đó xuất hiện sự trượt giữa bánh xe và mặt đường. Ở giới hạn trượt khi kéo (trượt
lăn) ứng với Mkmax thì rl = 0, cịn ở giới hạn trượt khi phanh (trượt lết) ứng với Mkmin
thì rl = .

Trang 12

Chương 2 Cơ sở lý thuyế t

2.3.2 Mối quan hệ giữa bán kính lăn và sự trƣợt
Lực kéo (lực phanh) ảnh hưởng rất lớn đến sự trượt, khi có lực kéo (lực
phanh) thì sẽ có sự trượt do đó mối quan hệ giữa bán kính lăn và sự trượt cũng
chính là mối quan hệ giữa bán kính lăn (rl) và lực kéo Fk (lực phanh Fp) và được thể
hiện qua đặc tính rl(Fk) (hình 2.2).

Hình 2.2: Đặc tính rl(Fk)
2.3.2.1 Khi lăn khơng trƣợt (hình 2.3)
Trong trường hợp này, tốc độ của tâm bánh xe (cũng là tốc độ xe) bằng với tốc
độ vịng. Nói cách khác tốc độ thực tế V của xe bằng tốc độ lý thuyết V0, ta có:

V  V0  k .r

(2.25)

Do vậy, tâm quay tức thời (cực P) của bánh xe nằm trên vòng bánh xe và bán
kính lăn bằng bán kính tính tốn.
rl = r
Nếu chúng ta chọn r = r l 0 thì trạng thái này chỉ có được ở bánh xe bị động,
ứng với M k = 0.

Trang 13


Chương 2 Cơ sở lý thú t

Hình2.3 Lăn khơng trượt

2.3.2.2 Khi lăn có trƣợt quay (hình 2.4)
Khi đó tốc độ của tâm bánh xe (tốc độ thực tế) V nhỏ hơn tốc độ lý thuyết V 0
= kr, do vậy cực P nằm ở bên trong vòng bánh xe rl < r. Trong vùng tiếp xúc của
bánh xe với mặt đường, theo qui luật phân bố vận tốc sẽ xuất hiện một vận tốc trượt
V ngược hướng với trục X.
Ta có quan hệ:

Do đó

V = rk - V = rlk

(2.26)

V = V - rk = V – V0 < 0

(2.27)

Để kể tới ảnh hưởng của sự trượt khi kéo, người ta đưa ra khái niệm gọi là độ trượt
khi kéo, ký hiệu k và nó được định nghĩa:

k  

V
r V V
 1 l  0
0
V0
r
V0

Ở trạng thái trượt hoàn tồn thì ta có quan hệ:
V = 0, k > 0
rl = 0
V = -rk = - V0
k = 1

Trang 14

(2.28)