Chương 3 tính toán sức kéo của ô tô 9

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT
CƠ SỞ ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN

BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT Ô TÔ
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ

GIẢNG VIÊN: VŨ THẾ TRUYỀN


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
NỘI DUNG
3.1. Cân bằng lực kéo của ô tô
3.2. Cân bằng công suất của ô tô
3.3. Nhân tố động lực học của ô tô
3.4. Sự tăng tốc của ô tô
3.5. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và của truyền
động thủy lực đến chất lượng kéo của ôtô
3.6.Tính toán sức kéo


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.1. Cân bằng lực kéo của ô tô
3.1.1. Phương trình cân bằng lực kéo của ôtô.
Lực kéo tiếp tuyến Pk của bánh xe chủ động dùng khắc phục các lực cản:
- Lực cản lăn Pf

- Lực cản quán tính Pj

- Lực cản lên dốc Pi
- Lực cản không khí Pω

- Lực của moóc kéo Pm

Trường hợp tổng quát PTCB lực kéo có dạng: Pk = Pf ± Pi +Pω ± Pj + Pm

M k M e .it .ηt
G
=
=
f
.
G
.cos
α
±
G
.sin
α
±
. j.δ i + K .F .v 2 + n.ψ .Q

rb
rb
g
Trường hợp ôtô chuyển động đều (ổn định), trên mặt đường nằm ngang, thì
PTCB lực kéo có dạng : Pk=Pf+Pω

M e .it .η t
⇔
= f .G + W .v 2
rb

Me-Mô men xoắn của động cơ; rb-Bán kính của bánh xe chủ động.


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.1. Cân bằng lực kéo của ô tô
3.1.1. Phương trình cân bằng lực kéo của ôtô.

Lực cản tổng cộng của đường có dạng:

PΨ=Pf± Pi
PΨ=f.G.cosα± G.sinα=G.(f.cosα±

sinα)
PΨ=Ψ.G
PΨ : Lực cản tổng cộng của đường.
Ψ = f ± i : Hệ số cản tổng cộng của đường.
i - Độ dốc của mặt đường; i ≈ tgα.
Biểu thức Ψ, “+” khi ôtô chuyển động lên dốc, “-” khi ôtô chuyển động xuống dốc.
⇒Ψ có giá trị “+” khi ôtô chuyển động trên mặt đường nằm ngang (α =0) hoặc lên
dốc hoặc xuống dốc nhưng f > i


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.1. Cân bằng lực kéo của ô tô
3.1.2. Đồ thị cân bằng lực kéo.
Phương trình cân bằng lực kéo biểu diễn bằng đồ thị xây dựng mối quan hệ
giữa lực kéo tiếp tuyến Pk với vận tốc v của ôtô (P = f(v))
Đồ thị cân bằng lực kéo của ôtô

Pk

Pk1
Pϕ

biểu diễn quan hệ giữa các lực và
Pk2

vận tốc chuyển động của ôtô
Pψ = f (υ ) : là hàm bậc nhất đối với
vận tốc của ôtô.

Pk3

d

+ f, i=const và v ≤ 22m / s thì là
một đường nằm ngang
+ v > 22 m/s thì là một đường cong

Pω = f (υ 2 )

là hàm bậc hai đối
với vận tốc của ôtô.

O

v2

Pψ+Pω
A

Pd
Pψ
Pω a b
v c v
v

neI

1

neII

max

neIII

Hình 3.1. Đồ thị cân bằng lực kéo của ô tô.


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.2. Cân bằng công suất của ô tô
3.2.1. Phương trình cân bằng công suất của ôtô.
- Công suất của động cơ phát ra được tiêu tốn cho:
+ Ma sát trong hệ thống truyền lực
+ Khắc phục lực cản lăn Pf, lực cản không khí, lực cản dốc Pi, lực cản quán tính Pj
- Biểu thức cân bằng giữa công suất phát ra của động cơ và các công cản được gọi
là ‘‘Phương trình cân bằng công suất của ôtô’’ khi chuyển động.
Phương trình có dạng tổng quát như sau:

N e = Nt + Nf + Nω ± Nj ± Ni

Ne : công suất phát ra của động cơ;
Nt : công suất tiêu hao do ma sát phát ra trong hệ thống truyền lực;
Nf : công suất tiêu hao để thắng lực cản lăn;
Nω : công suất tiêu hao để thắng lực cản không khí;


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.2. Cân bằng công suất của ô tô
3.2.1. Phương trình cân bằng công suất của ôtô.
Ta có: N i = Gv sin α ; N ω = Wv 3 ; N f = fvG cos α ; N j =
=>

G
jδ i v
g

G
N e = N e (1 − η t ) + Gfv cos α ± Gv sin α ± jδ i v ± Wv 3
g

⇒ Ne =

1
G
(Gfv cosα ± Gv sin α ± jδ i v ± Wv 3 )
ηt
g

Khi ôtô chuyển động trên đường bằng, không có gia tốc tức là α = 0, j = 0. Ta có

phương trình cân bằng công suất có dạng sau:

N e = N t + N f ± Nω =

1
1
( N f ± Nω ) ⇔ N e =
(Gfv ± Wv 3 )
ηt
ηt


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.2. Cân bằng công suất của ô tô
3.2.2. Đồ thị cân bằng công suất của ôtô.

2πne rb m
v=
;
60it s

Ne

Nt

Ne
NkI

Ne
NkIII

A
Nψ+Nω

Nψ

Nψ

Nω

Nd

NkII
N'kII

Số vòng quay của trục khuỷu động
cơ ne và vận tốc của ôtô có mối quan hệ
phụ thuộc bậc nhất, được biểu thị bằng
công thức:

N

N'kIII

Từ phương trình cân bằng công suất
của ôtô ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối
quan hệ giữa công suất của động cơ và
công tiêu hao để thắng lực cản trong
quá trình ôtô chuyển động theo vận tốc
của ôtô, có dạng : N = f(v)

O

n eI v'

n eII

vmax

v
n eIII

Hình 3.2. Đồ thị cân bằng công suất
của ôtô.


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.2. Cân bằng công suất của ô tô
3.2.2. Đồ thị cân bằng công suất của ôtô.
Nếu f thay đổi và phụ thuộc vào vận tốc N
chuyển động của ôtô thì đồ thị là một
đường cong dạng: N = f ( v )

Ne

ψ

Nt

Đồ thị công suất cản của không khí là

một đường cong bậc ba phụ thuộc vào v:

độ
sẽ
để
và O

Nω

Ứng với các v khác nhau thì các tung
giới hạn bởi đồ thị và trục hoành
tương ứng với công suất tiêu hao
thắng được sức cản của mặt đường
không khí.

N'k

Nk
A'

Nψ+Nω

Nψ

Nψ

Tổng 2 đường cong Nϖ +N ψ được gọi là
đường cong tổng công suất cản khi ôtô
chuyển động.

Nd

N ω = W .v 3

A

v1vN vmax v
vmin
Hình 3-3. Đồ thị cân bằng công suất
Tại A thì ôtô đạt vmax ; công suất dự trữ Pd
= 0 nên không còn khả năng tăng tốc
của ôtô.
Để ôtô chuyển động với vận tốc v1 thì người lái cần phải giảm ga hoặc trả bớt thanh
răng về nhằm giảm Nk giảm xuống để cho đường cong Nk cắt đường cong (Nψ +Nω)
’


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.2. Cân bằng công suất của ô tô
3.2.3. Mức độ sử dụng công suất của động cơ.
Mức độ sử dụng công suất của động cơ là tỷ số công suất cần thiết để ôtô chuyển
động đều với công suất của động cơ phát ra tại các bánh xe chủ động Nk khi mở
hoàn toàn bướm ga hoặc kéo hết thanh răng bơm cao áp

YN =

Nψ + N ω
Nk

=

Nψ + N ω
N e .η t

Chất lượng của mặt đường càng tốt (hệ số cản tổng cộng Ψ của đường giảm) và vận
tốc của ôtô càng nhỏ thì công suất động cơ được sử dụng càng nhỏ khi tỷ số truyền
của hộp số càng lớn, do đó làm cho hệ số sử dụng công suất động cơ Y N càng nhỏ


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.3. Nhân tố động lực học của ô tô
3.3.1. Khái niệm và ý nghĩa của nhân tố động lực học.
Khi so sánh tính chất động lực của các loại ôtô khác nhau và ứng với các
điều kiện làm việc của ôtô trên các loại đường khác nhau, người ta mong muốn
có được một thông số mà nó thể hiện được ngay tính chất động lực học của ôtô.
Nhân tố động lực học của ôtô là tỷ số giựa lực kéo tiếp tuyến P k – Pω và chia
cho trọng lượng toàn bộ của ôtô. Tỷ số này ký hiệu bằng chữ “D”

Pk − Pω  M e itη t
2 1

D=
=
− Wv  ;
G
 rb
G
Mối liên hệ giữa nhân tố động lực học D với điều kiện chuyển động của ôtô,
nếu từ vế phải của phương trình ta chuyển lực cản không khí sang vế trái và chia
cả hai vế cho trọng lượng toàn bộ của ôtô ta được biểu thức:

 M e i tη t

G

− Wv 2  G ( f cos α ± sin α ) ± δ i j
D=

rb

G

=

g

G

=ψ ±

G
δi j
g


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.3. Nhân tố động lực học của ô tô
3.3.1. Khái niệm và ý nghĩa của nhân tố động lực học.
D thể hiện khả năng ôtô thắng lực cản tổng cộng và khả năng tăng tốc.
Khi ôtô chuyển động đều (ổn định), j = 0 thì D = ψ , khi ôtô chuyển động đều trên
đường bằng i = 0 thì D = f, giá trị này có được khi ôtô chuyển động ở số truyền cao

nhất của hộp số, động cơ làm việc ở chế độ toàn tải và vận tốc lớn nhất của ôtô v max.
Giá trị Dmax tương ứng với sức cản của mặt đường được đặc trưng bằng hệ số cản tổng
cộng lớn nhất ở số truyền thấp nhất của hộp số ψ max.
Các trị số nhân tố động lực học D = ψ , Dmax và vmax là các chỉ tiêu đặc trưng cho tính
chất động lực học của ôtô khi chuyển động đều (ổn định)


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.3. Nhân tố động lực học của ô tô
3.3.1. Khái niệm và ý nghĩa của nhân tố động lực học.
Để duy trì cho ôtô chuyển động một thời gian dài thì cần thoả mãn điều kiện sau:
D≥ψ
Và nhân tố động lực học tính toán theo điều kiện bám như sau:
Dϕ =

Pϕ − Pω
G

=

mϕGϕ − Wv 2
G

Để cho ôtô chuyển động không bị trượt quay của bánh xe chủ động trong
một thời gian dài thì nhân tố động lực học của ôtô phải thoả mãn điều kiện:
Dϕ ≥ D
Kết hợp điều kiện (2-26) và (2-28) để duy trì cho ôtô chuyển động chúng
phải thoả mãn điều kiện sau:
Dϕ ≥ D ≥ D ψ

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.3. Nhân tố động lực học của ô tô
3.3.2. Đồ thị nhân tố động lực.
3.3.2.1. Định nghĩa:
Đồ thị nhân tố động lực học D biểu thị mối quan hệ phụ thuộc giữa nhân tố động
lực học D và vận tốc chuyển động của ôtô, nghĩa là D = f(v).

D

DI

DmaxI = ψmax
Dϕ
DII

Hình 3-4: Đồ thị nhân tố
động lực học D ôtô.

DmaxII

DmaxIII

DIII

DmaxIV
O

vI

vII vIII

vIV

Dv

DIV

A
vmax

f
v


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.3. Nhân tố động lực học của ô tô
3.3.2. Đồ thị nhân tố động lực.
3.3.2.1. Định nghĩa:
Trên đồ thị nhân tố động lực học D ta cũng xây dựng các đường cong D ϕ = f(v) và ψ =
f(v) để xét mối quan hệ nhân tố động lực học D của ôtô theo điều kiện bám của các bánh
xe chủ động với mặt đường và điều kiện lực cản của mặt đường.

D
Dϕ
ψ
D1

Hình 3-5: Vùng sử dụng đồ
thị nhân tố động lực học D

theo điều kiện bám của bánh
xe chủ động và điều kiện sức
cản của mặt đường..

Dϕ

D2
A

ψ
1'
O

1

ψ1
v


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.3. Nhân tố động lực học của ô tô
3.3.2. Đồ thị nhân tố động lực.
3.3.2.2. Sử dụng đồ thị:

D

a. Xác định vận tốc lớn nhất của ô tô.

D1

d

Khi ôtô chuyển động đều (j = 0)

c

thì tung độ mỗi điểm của đường

D2

cong D ở các số truyền khác nhau
chiếu xuống trục hoành được vmax
của ôtô ở mỗi loại đường với hệ số
cản tổng cộng đã cho.

f
O

b
a
v1

D3

A

vmax v

Hình 3-6. Xác định tốc độ lớn nhất của ôtô trên đồ
thị nhân tố động lực học

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.3. Nhân tố động lực học của ô tô
3.3.2. Đồ thị nhân tố động lực.
3.3.2.2. Sử dụng đồ thị:
D

b.Xác định độ dốc lớn nhất của ô tô.

ψmax

D1max

ψ1

Ôtô chuyển động đều thì D = ψ , nên :
imax= D –f = ψ - f

DIII

Khi động cơ làm việc ở chế độ toàn

f

tải xác định bằng các đoạn tung độ
Dmax-f ,nên

imax = Dmax – f

0

v2

vth

v1

vmax v

Hình 3-7. Xác định tốc độ lớn nhất của ôtô
trên đồ thị nhân tố động lực học


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.3. Nhân tố động lực học của ô tô
3.3.3. Đặc tính động lực học của ô tô khi tải trọng thay đổi.
Giá trị D tỷ lệ nghịch với trọng lương toàn bộ của nó nên ta tính được D
tương ứng với trọng lượng bất kì nào đó theo công thức: DG = D x Gx
G
Dx = D
Gx

Hình 3-8: Đồ thị D của ôtô có bốn số
truyền khi chuyển động với tải trọng đầy
G và khi có Gx= 0,5 G

Hình 3-9. Đồ thị kia theo nhân động lực
học khi tải trọng thay đổi

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.4. Sự tăng tốc của ô tô
3.4.1.Gia tốc của ô tô
Khi biết trị số của hệ số cản mặt đường ψ , nhân tố động lực học D,thì gia tốc
D
của ôtô xác định như sau:
I

δ
g dv
D = ψ + i j ⇒ j = ( D −ψ ) =
g
δ i dt

3.4.2.Thời gian tăng tốc của ô tô

d
ψ2

Thời gian tăng tốc của ôtô từ tốc độ v1 đến
v2
tốc độ v2 sẽ là:
1

t =

∫

dv

ψ1
j
v1
O
3.4.2.Quãng đường tăng tốc của ô tô

Quãng đường tăng tốc S từ vận tốc v1 đến v2
v2

s = ∫ vdt
v1

e

c

II

b

III
A

a
vn

v2

v1

Hình 3- 10: Xác định khả năng
tăng tốc của ôtô theo đồ thị

v


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.5. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và của truyền
động thủy lực đến chất lượng kéo của ôtô
2.4.1. ảnh hưởng của tỷ số truyền của truyền lực chính.
Từ công thức xác định nhân tố động lực học của ôtô ta có:
M e itη t
− Wv 2
Pk − Pω
rb
D=
=
G
G
it –tỷ số truyền của hệ thống truyền lực với it =ihi0iP
ih - tỷ số truyền của hộp số:
iP - tỷ số truyền của hộp số phụ (nếu có )
io - tỷ số truyền của truyền lực chính;
v - vận tốc chuyển động của ôtô.

v=

2π ne rb
60ih it io

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ

Hình 3-11. Đồ thị cân bằng công suất ôtô với các tỷ số truyền lực khác
nhau của truyền lực chính io


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.5. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và của truyền
động thủy lực đến chất lượng kéo của ôtô
2.4.2. ảnh hưởng của số lượng số truyền trong hộp số.
Xét động lực học của 2 loại ôtô: có D như nhau; ôtô thứ nhất có 3 số truyền và
ôtô thứ hai có 4 số truyền; tỷ số truỳên ở số thứ nhất (số I) và số cuối bằng nhau.

Hình 3-12. đặc tính động lực học của ôtô
a) Ôtô có hộp số 3 cấp b) Ôtô có hộp số 4 cấp


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
3.5. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và của truyền
động thủy lực đến chất lượng kéo của ôtô
2.4.3 . Ảnh hưởng của tỷ số truyền của hộp số.
2.4.3.1. Xác định tỷ số truyền ở số 1 của hộp số.
Khi ôtô chuyển động ở số 1 thì tốc độ của chúng nhỏ, lực cản không khí nhỏ nên bỏ qua ta xác định tỷ số truyền ihI theo công thức:
Theo điều kiện bám thì tỷ số truyền ở số I của hộp số được chọn là:

=> Khi chọn tỷ số truyền ở số I của hộp số thì phải thoả mãn:

ψ max Grb

ihI ≥
M e max i0i pηt

ihI ≤

mGϕ ϕ .rb
M e max i0 i pη t

mGϕ ϕ .rb
ψ max Grb
≤ ihI ≤
M e i p i0icη t
M e max i0 i pη t


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
2.4.3.2. Xác định tỷ số truyền của số trung gian trong hộp số theo
cấp số nhân.
Ta có đồ thị sang số của ôtô có hộp số 3 cấp bố trí theo cấp số nhân như hình :
Trong phần này ta phải xác định được công bội ‘q’:q

=

n −1

ihI
ihn

Để xác định được công bội “q” của cấp số nhân ta cần biết tỷ số truyền ihI ở
số I, số lượng số truyền n trong hộp số và tỷ số truyền của số cuối cùng trong hộp

số ihn


CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA ÔTÔ
Khi đó tỷ số truyền của các số trung gian được xác định theo biểu thức:

ihII = n −1 ihI( n − 2)
ihIII =

n −1

( n −3)

ihI

M

(2.52)

ihk = n −1 ihI( n − k )

Hình 2.21. Đồ thị sang số của ôtô có hộp số 3
cấp bố trí theo cấp số nhân