BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT Ô TÔ, CHƯƠNG SỨC KÉO

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
3.1. KHÁI NIỆM

Mục đích: tính toán để xác định khả năng kéo của ô tô trong các điều kiện vận hành. Có một số trường hợp cơ bản:

Ô tô đã được thiết kế chế tạo
- Công suất kéo;

- Đặc tính ĐC;
Biết

- Lực kéo;

- it;

Tính

- G (G0, G1, G2 ,…)

- Nhân tố động lực học;
- Khả năng tăng tốc, leo dốc, …

- Kích thước xe, lốp

Ô tô thiết kế chế tạo mới

Biết

- Loại ô tô;

- Chọn động cơ;

- G (Gt, G0);

- Tính it

- vmax;

Tính

- Công suất kéo;

- Đường (f, αmax);

- Lực kéo;

- Kích thước xe, lốp (sơ bộ)

- Nhân tố động lực học;
- Khả năng tăng tốc
1


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
Lắp một động cơ có sẵn lên một xe (cũng đã có sẵn)

- Công suất Ne;
Động cơ

- Mô men Me;

- Khả năng lắp động cơ;

- Số vòng quay ne.

- Tính vmax

- Kích thước xe, lốp

- Công suất kéo;
- Lực kéo;

Xe

- G (G0, G1, G2 ,…)

- Nhân tố động lực học;

- Kích thước xe, lốp

- Khả năng tăng tốc

- it;

2


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
3.2. YÊU CẦU VỀ NGUỒN ĐỘNG LỰC VÀ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC ĐỐI VỚI CÁC ĐIỀU KIỆN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE
3.2.1. Nguồn động lực

3.2.1.1. Sơ lược về đường đặc tính của động cơ
a. Động cơ xăng

Hình 3.1
nemax = (khoảng) 1,2 nN
(3.1)

3


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ

b. Động cơ điêzen

Hình 3.2

4


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ

b. Động cơ xăng có hạn chế số vòng quay

Hình 3.3

nhc = (0,8 ÷ 0,9) nN
(3.2)

5

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
3.2.1.2. Yêu cầu về công suất động cơ
- Khắc phục các sức cản chuyển động,
Công suất động cơ:

- Các hệ thống phục vụ hoạt động của ô tô như bơm, máy nén khí, chiếu

Chi phí năng lượng

sáng, …,
- Các tiện nghi trên xe,

Trong chương này: Công suất động cơ → Khắc phục các sức cản chuyển động
- Vận tốc cực đại vmax,

Loại xe và

- Lực cản cực đại Fψmax,

công dụng của xe

- Gia tốc j,
-…

Lực F (mô men M)
Công suất N

Khi vmax:

Vận tốc dài v (vận tốc góc ω)

α = 0;
j=0

Ff = Gf

Cản lăn
Chỉ còn

2
Fw = 0,5 ρ Cw Avmax

Cản không khí

Công suất động cơ → chuyển động của xe tại vmax:

N e = ( F f + Fω )

vmax
vmax
2
= ( Gf + 0,5ρ Cw Avmax
)η
ηt
t

(3.3)
6

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
3.2.1.3. Điểm làm việc của động cơ khi xe có vận tốc cực đại

N k = N eηt ; N f = Gfv; N w = 0,5ρ Cw Av 3

(3.4)

Xe sẽ đạt vận tốc cực đại khi: Nk = Nf + Nw

(3.5)

Xe 4 chỗ ; G0=15000 N;
B0= 1650 mm;
H= 1450 mm;
f = 0,02

Nk1 → itmin = 3,71;
Nk2 → itmin = 5,26;
Nk3 → itmin = 2,85

Hình 3.4
7


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
3.2.2. Hệ thống truyền lực (HTTL)
- Biến đổi đường đặc tính của động cơ cho phù hợp với nhu cầu của ô tô;
- Thỏa mãn một số yêu cầu khác trong vận hành: Khởi hành, chạy lùi, dừng lâu dài ô tô (động cơ vẫn hoạt
HTTL

động), ...

- Số cấp số nc,
- Giá trị it,
- Quy luật phân bố it,
- Hiệu suất truyền lực ηt

Hình 3.5

8


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ

Giá trị các tỉ số truyền it →thỏa mãn các điều kiện vận hành của xe
vmax
Đảm bảo vận tốc xe

vmin (đối với xe chuyên dụng)
Fkmax ≥ Gψmax = G(f + tanαmax ) (3.6)

Đảm bảo lực kéo

Fk tại vmax
Đảm bảo điều kiện bám

Số lượng và
quy luật it

Fk ≤ Fφ

- Điều kiện vận hành;
- Khả năng tăng tốc của xe;
- Các tính năng động lực học khác

9


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
3.3. CHỌN ĐỘNG CƠ (cho trường hợp thiết kế ô tô mới)
3.3.1. Đặt vấn đề:

Nguồn động lực

- Loại động cơ:

Động cơ đốt

- Công suất động cơ,

trong

- Số vòng quay động cơ.

3.3.2. Chọn động cơ và xây dựng đường đặc tính ngoài

3.3.2.1. Chọn động cơ






Loại động cơ:
Số vòng quay ne: xăng nNemax = 4000 ÷ 6000 v/ph; điênzen: nNemax = 2000 ÷ 4000 v/ph.
Công suất Ne

2
N e = ( Gf + 0,5ρ Cw Avmax
)

vmax
1
3
= ( Gfvmax + 0,5ρ Cw Avmax
)η
ηt
t

3
 Gfvmax ρ Cw Avmax
Ne = 
+
93300
 3600

1
÷
 ηt

(3.8)

Động cơ lắp lên xe: + khoảng 20 ÷ 30 % công suất tính ở 3.7 (hoặc 3.8)
10

(3.7)


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
3.3.2.2. Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ

2
3
 n





n
n
e
e
e
 − c
 
N e = N e max a
+ b
 n N
 nN 

 n N  

Công thức Lâyđecman:

(3.9)

Nếu biết điểm Nemax-nN → tính được các điểm khác

10 3 N e (kw)
10 4 N e (kw)
7162 N e (ml )
M e ( Nm) =
=
=
ω e (1 / s )
1,047ne (v / ph)
ne (v / ph)

(3.10)

Ví dụ 3.1. Chọn và xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ lắp cho xe sau đây: Xe du lịch 4 chỗ ngồi (không kể người lái); tự trọng
xe: 15000 N; kích thước xe:chiều rộng B0= 1650 mm; chiều cao H= 1450 mm; vận tốc cực đại của xe vmax = 180 km/h; chạy trên loại
0
đường có hệ số cản lăn f = 0,02, góc dốc cực đại αmax = 15 .
- Chọn loại động cơ: Chọn động cơ xăng (không hạn chế số vòng quay); số vòng quay tại công suất cực đại n N = 6000 v/ph.
- Tính công suất cần thiết của động cơ:

11

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ

3
 Gfvmax ρ CAvmax
1
Ne = 
+
÷
3600
93300

 ηt

Tính Ne → áp dụng 3.6:

3
2
G = G0 + 4(1000 + 200) N = 15000 + 4800 = 19800 N; ρ = 1,24 kg/m ; ηt = 0,85; C = 0,4; A = 0,85B0H = 0,85.1650.1450 = 2033625 mm ≈
2
2,034 m

 19800.0, 02.180 1, 24.0, 4.2, 034.1803  1
Ne = 
+
= 97, 48kw
÷
3600
93300

 0,85

Thay số:

Chọn điểm làm việc của động cơ khi xe đạt vmax là công suất cực đại Nemax
Chọn động cơ có Nemax = 125 kw (+ ≈ 30%) để lắp lên xe
- Xây dựng đường đặc tính ngoài động cơ:
+ Xác định nemax: nemax = 1,2nN = 1,2.6000 = 7200 v/ph
+ Dùng 3.7 tính Ne; 3.8 tính Me; Đ/c xăng → a = b = c = 1→ lập bảng (bảng 3.1)
Bảng 3.1
ne(v/ph)

600

1200

1800

2400

3000

3600

4200

4800

5400

6000

6600

7200

Ne(kw)

13,6

29,0

45,4

62,0

78,1

93,0

105,9

116,0

122,6

125,0

122,4

114,0

Me(Nm)

216,9

230,8

240,8

246,7

248,7

246,7

240,8

230,8

216,9

199,0

177,1

151,2

12

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ

Hình 3.6
Đồ thị đặc tính ngoài của
động cơ (vẽ từ số liệu bảng
3.1)

Ví dụ 3.2: Chọn động cơ lắp cho xe sau đây: Xe tải có tải trọng 5 tấn (50000 N); trọng lượng bản thân xe: 45000 N; vận tốc cực đại của
0
xe: 100 km/h; loại đường xe hoạt động: hệ số cản lăn: 0,02; góc dốc cực đại: 17 ; kích thước xe: chiều rộng cơ sở B = 1,8 m; chiều cao
H= 2,3 m.

13


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
Chọn loại động cơ: Chọn động cơ điêzen 4 kỳ, buồng cháy trực tiếp; số vòng quay tại công suất cực đại n N = 3000 v/ph.

3
 Gfvmax ρ CAvmax
1
Ne = 
+
÷
3600
93300

 ηt

Tính Nv → áp dụng 3.6:

G = 45000 + 50000 + 2.1000 = 97000 N (2 lái xe, trọng lượng 1000 N);
3
2
ρ = 1,24 kg/m ; C = 0,7; ηt = 0,85; A = B x H = 1,8 x 2,3 = 4,14 m ;

Thay số:

 97000.0, 02.100 1, 24.0, 7.4,14.1003  1
Ne = 
+
= 108, 71kw
÷
3600
93300

 0,85
Chọn điểm làm việc của động cơ khi xe đạt vmax là công suất cực đại Nemax
Chọn động cơ có Nemax = 140 kw (+ ≈ 30%) để lắp lên xe

Dùng 3.7 tính Ne, 3.8 tính Me → lập bảng (bảng 3.2)

Bảng 3.2

ne(v/ph)

600

900

1200

1500

1800

2100

2400

2700

3000

Ne(kw)

32,5

50,8

69,4

87,5

104,2

118,6

129,9

137,3

140,0

Me(Nm)

517,0

539,3

552,7

557,1

552,7

539,3

517,0

485,8

445,7

14


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ

Hình 3.7

Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ (vẽ từ số liệu bảng 3.2)

15


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
3.4. TÍNH TỈ SỐ TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC (HTTL)

Sơ đồ truyền động trên ô tô

Giá trị các tỉ số truyền it →thỏa mãn các điều kiện vận hành của xe
vmax
Đảm bảo vận tốc xe

Đảm bảo lực kéo

vmin (đối với xe chuyên dụng)
Fkmax ≥ Gψmax = G(f + tanαmax )
Fk tại vmax

Đảm bảo điều kiện bám

Fk ≤ Fφ
Xác định số cấp số n và giá trị các tỉ số truyền it

3.4.1. Chọn số cấp số

Nhiều

khoảng 3 ÷ 6,

Ít

phổ biến là 4 hoặc 5

16


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
3.4.3. Tính tỉ số truyền của các cấp số

3.4.3.1. Tỉ số truyền cực tiểu itmin
a. Điều kiện vận tốc:
Vì:

it min




itmin

ω
(1/ s )
= ev max
rb (m)
vmax (m / s )

ω
v = e rb

it

Nên:

it min = 0,377

vmax → Điều kiện vận tốc
Điều kiện khác → kiểm tra

vmax =

ωev max
rb
it min

nev max (v / ph)
rb (m)
vmax (km / h)

(3.11)

b. Điều kiện lực kéo: Điều kiện lực kéo tại vmax: Fk ≥ Ff + Fw

M ev max it minηt
2
≥ Gf + 0,5 ρ Cw Avmax
rb

3
N ev maxηt ≥ Gfvmax + 0,5ρ Cw Avmax

(3.12)

Biểu thức 3.12 tương ứng với biểu thức 3.7. Vì thế Nếu ta chọn công suất động cơ theo điều kiện 3.7 thì điều kiện lực kéo mặc nhiên thoả
mãn.
c. Điều kiện bám
Tại vận tốc cực đại vmax:

Fk ≤ Fφ = Gφφ

(3.13)

Điều kiện bám là điều kiện kiểm tra và thông thường khi ô tô chạy với vận tốc vmax thì điều kiện này luôn thỏa mãn.
17


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
c. Xác định lại vận tốc cực đại của xe
Nếu vmax tại Nemax thì ωevmax = ωN và nevmax = nN
Công thức 3.7 → Ne. Trên thực tế khó chọn Ne đúng giá trị tính toán.
Phải xác định lại vmax

3
N e maxηt = Gfvmax + 0,5 ρ Cw Avmax

(3.14)

Phương pháp đồ thị

Hai tác giả A. Ch. Khuxainop (А. Ш. Хусаинов) và V. V. Xelifonop (В. В. Селифонов) giới thiệu cách tìm v max từ phương trình 3.14 theo công

thức Kardano (Кардано) như sau:

Từ 3.14:

Nghiệm 3.16:

3
vmax
+

ηN
Gf
vmax − t e max = 0
0,5 ρ Cw A
0,5 ρ Cw A

vmax

3
vmax
+ K1vmax + K 2 = 0

(3.16)

K
K
= 3 − 2 + K3 + 3 − 2 − K3
2
2

K  K 
K3 =  1 ÷ +  2 ÷
 3   2 

2

(3.17)

18

2


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
3.4.3.2. Tỉ số truyền cực đại itmax
a. Điều kiện lực kéo:
Vì:

k
e t

Mi
Fk =
ηt
rb

M e max itkmax
ηt ≥ Gψ max
rb

Từ:




itmax

ψmax → Điều kiện lực kéo
Điều kiện bám

Fk max

Nên:

itkmax ≥

Gψ max rb
M e maxηt

M e max it max
η t ≤ Gϕ ϕ
rb

b. Điều kiện lực bám:

M e max itkmax
=
ηt
rb
(3.18)

(3.19)

c. Điều kiện vận tốc: (đối với xe chuyên dụng)

Vì:

ωe
v = v rb
it

Nên:

vmin =

ωev min
rb
v
it max

itvmax ≥ 0,377
itmax được chọn là giá trị lớn trong 2 giá trị

itvmax ≥

ωev min (1/ s)
rb (m)
vmin (m / s )

nev min (v / ph)

rb (m)
vmin (km / h)

itvmax

và
19

it max

(3.20)


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
3.4.3.3. Tỉ số truyền các tay số trung gian
Quy luật phân bố các it

Cần biết
Hiện nay có
2 quy luật:




Cấp số nhân: it1 = a.it2; it2 = a.it3; ... ; itn-1 = a.itn; (3.21)
Cấp số cộng: v2 – v1 = v3 – v2 = ... = vn –vn-1

(3.22)
(a: công bội)

a. Tính tỉ số truyền theo cấp số nhân
it1 = a.it2
Từ
3.21

it2 = a.it3

it1 = a

n-1

a=

itn

n −1

...............
itn-1 = a.itn

it max
it min

Thay a vào 3.21 → ta có it

b. Tính tỉ số truyền theo cấp số cộng

ωe
v=
rb

it

(3.24)

Thay vào 3.22

1 1 1 1
1
1
1
1
− = − = ... −
= ... −
=b
it 2 it1 it 3 it 2
itk itk −1
itn itn −1

(b: công sai)
20

(3.23)


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ

itk −1
itk =
1 + bitk −1
i

it1
it1
it 2 = t1 ; it 3 =
;...; itn =
1 + bit1
1 + 2bit1
1 + ( n − 1) bit1

(3.25)

it1 − itn
b=
( n − 1) it1itn

(3.26)

Thay b vào 3.25 → ta có it
Số lùi→ vận tốc → lùi dễ dàng (3 ÷ 4 km/h)

d. Số lùi il

Thường chọn:

il = (1,2 ÷ 1,3)it1

(3.27)




e. Số truyền tăng
Khi vận hành

Đường tốt (hơn đường thiết kế)
Chở không đủ tải

Để tận dụng công suất → bố trí thêm số truyền tăng in+1
Thường chọn:

Chú ý:

Có it → vận tốc xe:




in+1 = (0,7 ÷ 0,8)it1

(3.28)

Hộp số 3 trục (sơ cấp, thứ cấp đồng tâm)
Thói quen lái xe

ω
v = e rb
it

hoặc

v (km / h) = 0,377

ne (v / ph)
rb (m)
it
21

(3.29)


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ
Ví dụ 3.3. Tính tỉ số truyền cho xe trong trường hợp sau đây: Thông số của xe và đường cho ở ví dụ 3.1: G = 19800 N; f = 0,02; ρ = 1,24
3
2
0
kg/m ; ηt = 0,85; Cw = 0,4; A = 2,034 m ; f = 0,02;αmax = 15 . Xe lắp động cơ đã tính toán được ở ví dụ 3.1: Động cơ xăng, công suất
cực đại 125 kw tại số vòng quay 6000 v/ph. Xe dùng loại lốp P185/75R/14.

- Xác định vmax: Vì xe và động cơ đều lấy ở ví dụ 3.1 nên ta có: vmax = 180 km/h.
- Xác định công suất, mô men động cơ chi phí cho chuyển động của xe:
+ Ở ví dụ 3.1: công suất chi phí cho chuyển động của xe Nemax = 97,48 kW.
+ Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ:
nemax: nemax = 1,2nN = 1,2.6000 = 7200 v/ph
Áp dụng công thức 3.7 để tính công suất; công thức 3.8 để tính mô men xoắn động cơ. Các số liệu được thể hiện ở bảng 3.3.
Bảng 3.3
ne(v/ph)

600

1200

1800

2400

3000

3600

4200

4800

5400

6000

6600

7200

Ne(kw)

10,63

22,62

35,39

48,35

60,93

72,53

82,57

90,46

95,63

97,48

95,43

88,90

Me(Nm)

169,1

180,0

187,8

192,4

194,0

192,4

187,8

180,0

169,1

155,2

138,1

117,9

22


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ

Chọn số lượng số truyền: Giả thiết rằng xe sử dụng HTTLcơ khí → chọn n = 5
Tính rb: r = 0,75.185+0,5.14.25,4 = 316,55 mm; rb = λr → lốp áp suất thấp:
λ = 0,93 ÷ 0,935 → rb = 294,39 ÷ 295,97 → chọn rb = 295 mm = 0,295 m
Tính tỉ số truyền cực đại itmax:



Điều kiện lực kéo: từ 3.11:

it max =

Gψ max rb
M e maxηt

Memax = 194 Nm (bảng 3.3)

0
ψmax = f + tanαmax = 0,02 + tan15 = 0,02 + 0,268 = 0,288
Thay số:



Kiểm tra điều kiện bám: từ 3.14

itkmax =

19800.0, 288.0, 295
= 10, 2
194.0,85
M e max it max
η t ≤ Gϕ ϕ
rb

0
Giả thiết: Gφ = 0,5G = 0,5.19800 = 9900 N; cos15 ≈ 1; φ = 0,6
Thay số:

194.10, 20
0,85 = 5702 N < 9900.0, 6 = 5940 N
0, 295
23

→ Thỏa mãn

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ



Tính tỉ số truyền cực tiểu itmin:

it min = 0,377

Điều kiện vận tốc: từ 3.16:

nev max
6000
rb = 0,377
0, 295 = 3, 71
vmax
180

Tính tỉ số truyền các tay số trung gian: Chọn quy luật cấp số nhân

Từ 3.21:

a = n −1

it max
10, 2
=4
= 1, 287
it min

3, 71

it5 = 3,71; it4 = a.it5 = 1,287.3,71 = 4,78; it3 = 6,15; it2 = 7,91; it1 = 10,20
3
Ví dụ 3.4. Tính tỉ số truyền cho xe trong trường hợp sau đây: Thông số của xe cho ở ví dụ 3.2: G = 97000 N; f = 0,02; ρ = 1,24 kg/m ; ηt =
2
0,85; Cw = 0,7; A = 4,14 m . Xe lắp động cơ điêzen, công suất cực đại 120 kw tại số vòng quay 3000 v/ph. Xe dùng loại lốp: 9.00 – 20.

- Xác định vận tốc cực đại của xe vmax:
+ Chọn vmax tại Nemax
+ Xác định công suất động cơ → chuyển động của xe: Chọn công suất → trang bị trên xe = 25% công suất chi phí cho chuyển động của xe.
24


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SỨC KÉO Ô TÔ

N e max = 120

Công suất động cơ → chuyển động của xe tại vmax:

100
= 96kw
100 + 25

Ví dụ 3.2 → vmax = 100 km/h → Nemax = 108,71 kw, → Nemax = 96 kw → vmax ≠
ηtNemax = 0,85.96 kw = 81,6 kw = 81600 w;
Tính Nf + Nw của xe trong khoảng v = 25,5 ÷ 25,1 m/s. → bảng số liệu (bảng 3.4)

Bảng 3.4

v (m/s)

25,5

25,6

25,7

25,8

25,9

26,0

26,1

Nf + Nw (w)

79263

79809

80357

80909

81463

82020

82580

Bảng 3.4 → đồ thị (hình 3.5). Ta thấy vmax ≈ 25,93 m/s
≈ 93,35 km/h

+ Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ:
nemax = nN = 3000 v/ph
3.7 → Ne; 3.8 → Me
Các số liệu → bảng 3.5

25