Tính toán tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN CẦU

TÍNH TỐN TÍNH NĂNG LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA XE
BUS KHI THAY ĐỔI ĐỘNG CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HÀ NỘI - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN CẦU

TÍNH TỐN TÍNH NĂNG LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA XE BUS
KHI THAY ĐỔI ĐỘNG CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Quang Vinh

HÀ NỘI - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng bảo vệ ở bất kỳ học vị
nào.
Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2017
Học viên

Nguyễn Văn Cầu


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện đào tạo
Sau đại học, Viện Cơ khí động lực và Bộ mơn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi
thực hiện luận văn này tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS Trần Quang Vinh đã
hướng dẫn tơi hết sức tận tình, chu đáo để tơi có thể thực hiện và hồn thành luận
văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô Bộ mơn Động cơ đốt trong - Viện Cơ
khí động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và cho tôi những
điều kiện hết sức thuận lợi để hồn thành luận văn này.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội
đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tơi có thể
hồn chỉnh luận văn và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên khun khích tơi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu,
học tập và thực hiện luận văn.


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..........................................................................4
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...........................................................7
CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ ...............................10
1.1.

Lực và mơ-men chủ động trên ô tô...............................................................10

1.2.

Các lực cản chuyển động của ô tô.................................................................11

1.2.1.

Lực cản lăn ...............................................................................................12

1.2.2.

Lực cản dốc ..............................................................................................13

1.2.3.

Lực cản không khí ...................................................................................13

1.2.4.

Lực cản quán tính ....................................................................................14

1.2.5.

Lực cản mooc kéo.....................................................................................14

1.3.

Điều kiện chuyển động của xe .......................................................................14

1.4.

Cân bằng công suất ô tô.................................................................................15

1.4.1.

Phƣơng trình cân bằng cơng suất ..........................................................15

1.4.2.

Đồ thị cân bằng cơng suất .......................................................................16

1.5.

Cân bằng lực kéo ơ tơ ....................................................................................16

1.5.1.

Phƣơng trình cân bằng lực kéo ..............................................................16

1.5.2.

Đồ thị cân bằng lực kéo ..........................................................................17

1.6.

Nhân tố động lực học .....................................................................................18

1.6.1.

Cơng thức tính ..........................................................................................18

1.6.2.

Đồ thị nhân tố động lực học ....................................................................18

1.7.

Khả năng tăng tốc của ô tô ............................................................................21

1.7.1.

Gia tốc ô tô ................................................................................................21

1.7.2.

Thời gian tăng tốc ....................................................................................22

1.7.3.

Quãng đường tăng tốc s ...........................................................................23

CHƢƠNG 2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH XE SAMCO WENDA TRÊN PHẦN MỀM
AVL CRUISE ...............................................................................................................24
2.1.

Giới thiệu phần mềm AVL Cruise ...............................................................24

2.2.

Phạm vi khả năng của phần mềm AVL Cruise...........................................24

2.2.1.

Các tính năng của phần mềm ..................................................................24

2.2.2.

Một số phần mềm hỗ trợ ..........................................................................25

2.3.

Các thành phần, mơ đun chính của phần mềm ..........................................25
Page 1


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
2.4.

Giới thiệu xe Samco Wenda ..........................................................................25

2.5.

Các bƣớc xây dựng mơ hình xe Samco Wenda ...........................................27

2.5.1.

Tạo project ................................................................................................27

2.5.2.

Các thành phần và thông số cơ bản của xe ............................................28

2.5.3.

Tạo liên kết giữa các thành phần ............................................................42

2.5.4.

Thiết lập thơng số động cơ .......................................................................44

CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH XE BUS SAMCO WENDA TRÊN PHẦN MỀM AVL
CRUISE ..........................................................................................................................50

3.1.

Chạy mơ hình mơ phỏng ...............................................................................58

3.1.1.

Thiết lập chu trình thử .............................................................................58

3.1.2.

Chạy mơ hình mơ phỏng ..........................................................................60

3.2.

Kết quả mơ phỏng ..........................................................................................61

3.2.1.

Kết quả mơ phỏng chạy theo chu trình (Cycle Run) ..............................62

3.2.2.

Kết quả mô phỏng chạy liên tục (Constant Drive)..................................66

3.2.3.

Kết quả mô phỏng đặc tính leo dốc (Climbing performance) ................69

3.2.4

Đặc tính kéo (Maximum Traction Force) ...............................................73

3.2.5

Gia tốc toàn tải (Full Load Acceleration) ...............................................76

KẾT LUẬN ..................................................................................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................83

Page 2


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: Thông số kỹ thuật của xe Samco Wenda. ................................................................ 44
Bảng 2. 2: Dữ liệu quan hệ giữa công suất động cơ và tốc độ động cơ D6CA. ...................... 44
Bảng 2. 3: Dữ liệu xác định mức tiêu thụ nhiên liệu xe Samco Wenda động cơ D6CA. .......... 45
Bảng 2. 4: Dữ liệu xác định mức độ phát CO thải xe Samco Wenda động cơ D6CA .............. 46
Bảng 2. 5: Dữ liệu xác định mức độ phát HC thải xe Samco Wenda động cơ D6CA. ............. 48
Bảng 2. 6: Dữ liệu quan hệ giữa công suất động cơ và tốc độ động cơ D1146. ..................... 49
Bảng 2. 7: Dữ liệu xác định mức tiêu thụ nhiên liệu xe Samco Wenda động cơ D1146. ......... 51
Bảng 2. 8: Dữ liệu xác định mức độ phát CO thải xe Samco Wenda động cơ D1146. ............ 52
Bảng 2. 9: Dữ liệu xác định mức độ phát HC thải xe Samco Wenda động cơ D1146. ............ 53
Bảng 2. 10: Dữ liệu quan hệ giữa công suất động cơ và tốc độ động cơ D1146..................... 55
Bảng 2. 11: Dữ liệu xác định mức tiêu thụ nhiên liệu xe Samco Wenda động cơ D1146. ....... 56

Page 3


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1: Sơ đồ truyền động trên ô tô. .................................................................................... 11
F
Hình 1. 2: Lực cản lăn f ........................................................................................................ 12
Fd
Hình 1. 3: Lực cản dốc

....................................................................................................... 13
Hình 1. 4: Đồ thị cần bằng cơng suất ơ tơ. .............................................................................. 16
Hình 1. 5: Đồ thị cân bằng lực kéo ô tô. .................................................................................. 17
Hình 1. 6: Đồ thị nhân tố động lực học .................................................................................... 18
Hình 1. 7: Đồ thị gia tốc ơ tơ.................................................................................................... 21
Hình 1. 8: Đồ thị gia tốc ngược. ............................................................................................... 22
Hình 1. 9: Đồ thị thời gian tăng tốc. ........................................................................................ 23

Hình 2. 1: Giao diện tạo project. ...................................................................................27
Hình 2. 2: Nhập tên cho project.....................................................................................27
Hình 2. 3: Giao diện mở mơ hình. .................................................................................27
Hình 2. 4: Mơ đun xe. ....................................................................................................28
Hình 2. 5: Các thơng số cơ bản của xe. .........................................................................28
Hình 2. 6: Giải thích các thành phần của mơ đun xe.....................................................29
Hình 2. 7: Mơ đun động cơ đốt trong. ...........................................................................30
Hình 2. 8: Thông số cơ bản của mô đun động cơ đốt trong. .........................................31
Hình 2. 9: Giải thích các thành phần của mơ đun động cơ ...........................................31
Hình 2. 12: Các thơng số cơ bản của bộ truyền động....................................................32
Hình 2. 13: Mơ đun bộ truyền đơn. ...............................................................................33
Hình 2. 14: Thơng số cơ bản của bộ truyền đơn. ..........................................................33
Hình 2. 15: Giải thích các thơng số của bộ truyền đơn. ................................................33
Hình 2. 16: Mơ đun vi sai. .............................................................................................34
Hình 2. 17: Các thơng số cơ bản của vi sai. ..................................................................34
Hình 2. 18: Giải thích các thơng số của vi sai. ..............................................................35
Hình 2. 19: Mơ đun phanh. ............................................................................................35
Hình 2. 20: Giải thích các thơng số của phanh. .............................................................36
Hình 2. 20: Giải thích các thơng số của phanh. .............................................................37
Hình 2. 21: Mơ đun bánh xe. .........................................................................................37
Hình 2. 22: Các thơng số của bánh xe. ..........................................................................38
Hình 2. 23: Giải thích các thơng số của bánh xe. ..........................................................38

Page 4


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
Hình 2. 24: Bán kính vịng lăn của bánh xe. .................................................................39
Hình 2. 25: Mơ đun khoang lái. .....................................................................................39
Hình 2. 26: Thơng số của mơ đun khoang lái. ..............................................................40
Hình 2. 27: Các biểu đồ đặc tính của khoang lái. ..........................................................41
Hình 2. 28: Mơ đun màn hình hiển thị. .........................................................................41
Hình 2. 29: Các thơng số hiển thị trên màn hình. ..........................................................42
Hình 2. 30: Mơ hình xe Samco Wenda .........................................................................42
Hình 2. 31: Liên kết các dữ liệu BUS. ..........................................................................43
Hình 2. 32: Đồ thị quan hệ giữa cơng suất và tốc độ động cơ ......................................44
Hình 2. 33: Đồ thị đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu của xe Samco Wenda .................46
Hình 2. 34: Đồ thị đánh giá mức phát thải CO của xe Samco Wenda ..........................47
Hình 2. 35: Đồ thị đánh giá mức phát thải HC của xe Samco Wenda ..........................49
Hình 2. 36: Đồ thị đánh giá mức phát thải NOx của xe Samco Wenda ........................50

Hình 3. 1: Tạo Task Folder mới. ...................................................................................60
Hình 3. 2: Tạo chu trình thử Cycle Run. .......................................................................60
Hình 3. 3: Tạo bảng dữ liệu. ..........................................................................................61
Hình 3. 4: Giao diện tính tốn. ......................................................................................61
Hình 3. 5: Hiển thị kết quả sau khi mơ phỏng. ..............................................................62
Hình 3. 6: Đồ thị mức tiêu thụ nhiên theo thời gian (l/h). .............................................62
Hình 3. 7: Đồ thị mức tiêu hao nhiên liệu theo thời gian (l). ........................................63
Hình 3. 8: Đồ thị phát thải CO theo thời gian (g/h). .....................................................63
Hình 3. 9: Đồ thị phát thải CO theo thời gian (g)..........................................................64
Hình 3.10: Phát thải HC theo thời gian (g/h) ................................................................64
Hình 3.11: Đồ thị phát thải NOx theo thời gian (g/h) ....................................................59
Hình 3.12: Đồ thị phát thải NOx theo thời gian (g) .......................................................65

Hình 3.13: Đồ thị vận tốc tối đa ở chế độ khơng tải .....................................................65
Hình 3.14: Đồ thị vận tốc tối đa ở chế độ tồn tải.........................................................65
Hình 3.15: Đồ thị khả năng leo dốc của xe khi đầy tải .................................................65
Hình 3.16: Đồ thị gia tốc toàn tải ..................................................................................65

Page 5


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.

Hình 3. 17: Bảng hiển thị kết quả chi tiết. .....................................................................63
Hình 3. 18: Đồ thị đường đặc tính leo dốc (với m = 16000kg, C = 0.7) .......................64
Hình 3. 19: Đồ thị đường đặc tính leo dốc ....................................................................65
Hình 3. 20: Sự ảnh hưởng của hệ số khí động đến khả năng leo dốc tại tay số 5 .........65
Hình 3. 21: Sự ảnh hưởng của tải trọng đến khả năng leo dốc tại tay số 5. ..................66
Hình 3. 22: Bảng hiển thị kết quả chi tiết ......................................................................67
Hình 3. 23: Đồ thị đường đặc tính kéo (với m = 16000 kg, C = 0.7) ............................68
Hình 3. 24: Đồ thị đường đặc tính kéo. .........................................................................69
Hình 3. 25: Sự ảnh hưởng của tải trọng đến đặc tính kéo tại tay số 4...........................69
Hình 3.26: Sự ảnh hưởng của hệ số khí động đến dặc tính kéo tại tay số 4..................70
Hình 3.27: Bảng kết quả gia tốc thay đổi từ trạng thái nghỉ đến vận tốc tối đa ............70
Hình 3.28: Đồ thị sự thay đổi gia tốc, vận tốc và quãng đường tăng tốc ......................71
Hình 3.29: Đồ thị thời gian tăng tốc ..............................................................................71
Hình 3.30: Bảng hiển thị kết quả chi tiết gia tốc tồn tải ..............................................73
Hình 3.31: Đồ thị gia tốc tồn tải (với m=16000 kg, C=0.7) ........................................73
Hình 3.32: Đồ thị gia tốc tồn tải ..................................................................................74
Hình 3.33: Sự ảnh hưởng của hệ số khí động đến gia tốc tối đa ở tay số 2 ..................74
Hình 3.34: Sự ảnh hưởng của tải trọng đến gia tốc tối đa ở tay số 2 ...........................75

Page 6

Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Ý nghĩa
Chu trình thử Châu Âu

Đơn vị
-

MVEG-B Motor Vehicle Emission Group

Chu trình thử Châu Âu

-

FTP

Federal Test Procedure

Chu trình thử của Mỹ

-

LPG

Liquefied Petroleum Gas

Khí hóa lỏng

-

CNG

Compressed Natural Gas

Khí thiên nhiên nén

-

Hệ thống truyền lực

-

Viết tắt
NEDC

Diễn giải
New European Driving Cycle

HTTL
AMT

Automated Manual Transmission

Hộp số bán tự động

-

AT

Automatic Transmission

Hộp số tự động

-

CVT

Continuously Variable Transmission

Hộp số vô cấp

-

ECU

Electric Control Unit

Bộ điều khiển điện tử

-

ASC
Mqtv

Anti-Slip Control

Chế độ chống trượt bánh

Momen quán tính vào vi sai

kG/m2

Momen qn tính ra hai
bánh

kG/m2

Mqt1,
Mqt2
CO
HC

Mơnơxit cácbon
Hyđrơ cácbon

-

NOx

Ơxit nitơ

-

CO2
E-Diesel

Cácbonníc
Hỗn hợp nhiên liệu diesel-etanol

-

SAE
TCVN

Hội kỹ sư ô tô thế giới
Tiêu chuẩn Việt Nam

-

AVLBoost
Ne
Me

Phần mềm mô phỏng một chiều của
hãng AVL (Áo)
Công suất có ích
Mơmen có ích

kW
Nm

Page 7


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.

LỜI NÓI ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Ơ tơ là phương tiện được sử dụng rộng rãi trong hoạt động kinh tế và nhiều
hoạt động khác. Việc nghiên cứu và nâng cao hiệu quả sử dụng của loại phương tiện
này luôn là vấn đề mà nhiều nhà khoa học quan tâm. Trong những năm gần đây, sự
phát triển của các ngành công nghiệp ô tơ có nhiều bước nhảy vọt về kỹ thuật lẫn công
nghệ, đem lại hiệu quả kinh tế ngày càng cao hơn, độ an toàn hơn khi điều khiển.
Trong thực tế sản xuất, nhiều nhà sản xuất ơ tơ có nhu cầu chuyển đổi chủng loại động
cơ, hệ thống truyền lực,… xuất phát từ các yếu tố về tính kinh tế hoặc thay đổi nhà
cung cấp. Vấn đề đặt ra khi thay đổi hoặc chuyển đổi động cơ lắp lên xe là tính năng
phương tiện (tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải) sẽ thay đổi như thế nào? Động cơ
mới có đáp ứng các yêu cầu đặt ra hay khơng, có phù hợp hay khơng?. Trên cơ sở đó,
đề tài: “Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ ”
thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề trên.
2. Mục đích nghiên cứu
Xác định được các tính năng động học, động lực học, tiêu thụ nhiên liệu, mức
phát thải của xe bus khi thay thế hoặc chuyển đổi động cơ.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu được lựa chọn là xe khách SAMCO Wenda sử dụng
động cơ diesel 6

, dung tích cơng tác là 12.920cc, có cơng suất cực đại 380 mã lực

và trang bị hộp số sàn 5 cấp do tính phổ biến và nhu cầu thực tế của một số nhà sản
xuất trong nước.
- Động cơ : Diesel, 4 kỳ, 6 xilanh thẳng hàng, làm mát bằng nước, tăng áp. Một số các
thông số khác:
+

ác phần tử điều khiển

+ Hệ thống truyền lực chính

+ Bánh xe, phanh
+ Khoang lái
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu dựa trên mô phỏng bằng phần mềm VL ruise.

Page 8


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
AVL CRUISE là phần mềm mô phỏng được sử dụng để nghiên cứu các chu
trình vận hành, mức tiêu thụ nhiên liêu và lượng khí thải. Nhờ các mơ đun cho trước
người dùng có thể thiết lập bất kỳ mơ hình xe.
VL RUISE được sử dụng chủ yếu cho việc tính tốn và tối ưu: tiêu thụ
nhiên liệu và khí thải, khả năng vận hành, tỉ số truyền, hiệu suất phanh, tải trọng tập
trung khi tính tốn ứng suất, rung động gây ra. Các mơ đun của CRUISE cho phép có
thể mơ phỏng tất cả các mẫu xe hiện tại và tương lai.
AVL CRUISE có thể kết hợp để nghiên cứu khả năng vận hành, mức tiêu thụ
nhiên liệu và khí thải của xe trong các điều kiện khác nhau (ví dụ như FTP72,
NE ,…), tăng tốc, tốc độ tối đa, khả năng leo dốc...
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Kết quả của đề tài là cơ sở trong việc sử dụng phần mềm VL ruise để thực
hiện việc nghiên cứu mơ phỏng xác định các tính năng động học để giải quyết các vấn
đề :
-

Khảo sát yêu cầu và đặc tính làm việc của xe bus hiện tại.

-

Sơ bộ lựa chọn động cơ phù hợp để thay thế/chuyển đổi.

-

Khảo sát đặc tính động cơ.

-

Tính tốn tính năng làm việc của xe khi lắp động cơ mới.

6. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được trình bày trong 4 chương với cấu trúc
như sau:
Mở đầu



hương I: ơ sở lý thuyết động lực học ô tơ.
hương II: Xây dựng mơ hình xe bus SAMCO Wenda trên phần mềm AVL
Cruise

hương III: Kết quả tính tốn mơ phỏng xe bus SAMCO Wenda trên phần
mềm AVL Cruise

Page 9


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.

CHƢƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ

1.1. Lực và mơ-men chủ động trên ô tô
1.1.1 Mô-men chủ động
Nguồn động lực giúp ô tô di chuyển là công do nhiên liệu cháy sinh ra truyền
qua bánh đà được nối với hệ thống truyền lực (HTTL) đến bánh xe của ô tô. Bánh xe
nhận công từ động cơ là bánh xe chủ động.
Sơ đồ truyền động sau đây:
ĐỘNG Ơ

HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC

BÁNH XE

Me; ωe

ne; it; ηt

Mk; ωb

Hình 1. 1: Sơ đồ truyền động trên ô tô.

Khi động cơ làm việc sinh ra mô-men động cơ Me, mô-men này truyền từ động
cơ qua HTTL đến bánh xe. Mơ-men tại bánh xe có giá trị như sau:

M k  M e .it .t

(1.1)

Trong đó:
Mk: Mơ-men xoắn của bánh xe chủ động.
it: Tỷ số truyền của HTTL.

ηt: Hiệu suất truyền lực.
1.1.2 Lực kéo trên bánh xe chủ động
Lực kéo được tính như sau

Fk 

M k M e .it .t

rb
rb

(1.2)

Trong đó:
rb: Bán kính bánh xe.
Để xe có thể chuyển động được thì lực kéo Fk phải thắng được tất cả các lực
cản trên đường. Các lực này sẽ được phân tích trong mục 1.2 dưới đây.
1.1.3 Lực bám và hệ số bám

Page 10


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
Như phân tích ở trên, sự xuất hiện lực kéo tiếp tuyến Fk là do kết quả của tác
động tương hỗ giữa bánh xe và mặt đường. Khi bánh xe khơng cịn khả năng bám sẽ
xảy ra hiện tượng trượt quay hoàn toàn, lúc đó trị số của giá trị lực kéo tiếp tuyến sẽ
đạt giá trị cực đại.
Giá trị cực đại của lực kéo tiếp tuyến theo khả năng bám của bánh xe được gọi
là lực bám Fφ

F  Fk max

(1.3)

Về mặt bản chất, lực bám được tạo thành bởi hai thành phần chính: lực ma sát
giữa bánh xe và mặt đường; sức chống cắt của đất được sinh ra do tác động của các
mấu bám. Khi chuyển động trên đường cứng, lực bám được tạo thành do các lực ma
sát, còn khi chuyển động trên đất mềm lực bám được tạo thành do lực cản ma sát, và
lực chống cắt của đất. Do vậy lực bám sẽ phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo của bánh xe,
tính chất mặt đường và tải trọng pháp tuyến. Khi chuyển động trên mặt đường nằm
ngang, tải trọng pháp tuyến Gb là phần trọng lượng ô tô tác dụng lên bánh xe bao gồm
cả trọng lượng bản thân của bánh xe. Thực nghiệm cũng đã khẳng định rằng, lực bám
phụ thuộc rất lớn vào tải trọng pháp tuyến và có mối quan hệ tỷ lệ thuận. o đó, mối
quan hệ này thường hay được sử dụng khi nghiên cứu khả năng bám của bánh xe.
Tỷ số giữa lực bám F và tải trọng pháp tuyến Gk được gọi là hệ số bám và
thường được ký hiệu là φ:



F
Gb

(1.4)

Hệ số bám là một thông số quan trọng dùng để đánh giá tính chất bám của ơ tơ.
Nó phụ thuộc vào kết cấu của hệ thống di động và trạng thái mặt đường. Do tính chất
phức tạp và đa dạng của điều kiện sử dụng ô tô, nên giá trị của hệ số bám chỉ được xác
định bằng thực nghiệm và độ chính xác của các số liệu chỉ mang tính chất tương đối.
Như vậy điều kiện cần để ơ tơ có thể chuyển động được là:
Fk  F

(1.5)

Điều kiện trên cũng nói lên rằng khả năng chuyển động của ô tô sẽ bị giới hạn
bởi khả năng bám của các bánh xe chủ động.
Tóm lại, khi tính toán lực kéo tiếp tuyến hoặc lực chủ động của ô tô cần phải
xem xét cho 2 trường hợp:
Khi đủ bám sẽ tính theo mơ-men của động cơ, có thể sử dụng công thức (1.4) hoặc
(1.5) khi không đủ bám sẽ tính theo lực bám:
Fk max  F

1.2.

(1.6)

Các lực cản chuyển động của ô tô
Page 11


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
Khi chuyển động, xe chịu các lực cản như lực cản của đường (lực cản lăn và lực
cản dốc); lực cản khơng khí; lực cản quán tính; lực cản mooc kéo.
1.2.1. Lực cản lăn
Là lực cản lại sự chuyển động của bánh xe do ma sát giữa mặt đường và bánh
xe, biến dạng của bánh xe và mặt đường (hình 1.2).

Hình 1. 2: Lực cản lăn F f .

Trên từng bánh xe lực cản lăn Ff được xác định như sau:
Ff  fFz  fGb

(1.7)

f là hệ số cản lăn, Fz là phản lực tác dụng từ mặt đường lên bánh xe, Gb là trọng
lượng xe phân bố lên bánh xe (kể cả trọng lượng bánh xe).
Đối với cả xe ta có:
Ff  Ff 1  Ff 2  Fz1 f1  Fz 2 f 2

(1.8)

Trong đó:
Ff1 là lực cản lăn tại các bánh xe trước;
Ff2 là lực cản lăn tại các bánh xe sau;
f1 là hệ số cản lăn tại bánh xe trước;
f2 là hệ số cản lăn tại bánh xe sau;
Có thể coi f1 ≈ f2 = f (hệ số cản lăn của đường), do đó có thể viết:

Ff  Fz1 f  Fz 2 f  Gf

(1.9)

G là trọng lượng của xe;

Page 12


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
Biểu thức (1.9) đúng trong trường hợp xe chuyển động trên đường bằng. Trong
trường hợp tổng quát có thể viết:
Ff  fG cos 

(1.10)

Trong đó α là góc dốc mặt đường.
1.2.2. Lực cản dốc
Là lực cản xuất hiện khi ơ tơ lên dốc.

Hình 1. 3: Lực cản dốc Fd .

Lực cản dốc Fd = Gsinα là thành phần song song với mặt đường.
Như vậy khi ô tô lên dốc sẽ xuất hiện lực cản lăn và lực cản dốc. Tổng của hai
lực này được gọi là lực cản tổng cộng của đường, ký hiệu là . Như vậy ta có:
F  Fd  Ff  Gf cos   G sin 

(1.11)

F  G( f cos   sin  )

(1.12)

Đặt ψ = fcosα + sinα là hệ số cản của tổng cộng của đường.
Với góc α nhỏ thì cosα ≈ 1; sinα = tanα. Khi đó ψ = f + tanα
F  G( f  tan  )

(1.13)

1.2.3. Lực cản khơng khí
Ơ tơ chuyển động trong mơi trường khí quyển và do đó bị khơng khí cản lại.
Lực cản khơng khí kí hiệu là Fw, được tính bằng cơng thức sau:
Fw  0,5CAv2

(1.14)

Trong đó:
ρ: Mật độ khơng khí, ρ = 1,24 kg/m3.

Page 13


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
C: Hệ số khí động của ơ tơ; C phụ thuộc hình dạng khí động học của xe, chất
lượng bề mặt vỏ xe...: xe du lịch: C=0,3 ÷ 0,5; xe khách: C>0,7; xe tải: C>0,85; xe tải
có mooc C>1,25
A: Diện tích chính diện của ô tô (m2).
1.2.4. Lực cản quán tính
Khi ô tô chuyển động với vận tốc thay đổi, nghĩa là có gia tốc, do đó có lực
qn tính Fq:
Fq  m

(1.15)

Lực qn tính Fq có chiều ngược chiều với gia tốc nên khi ơ tơ chuyển động
nhanh dần thì gia tốc sẽ cùng chiều chuyển động với vận tốc nên khi đó lúc quán tính
Fq sẽ trở thành lực cản quán tính.
Trong trường hợp chuyển động nhanh dần đều thì lực cản qn tính trên xe ơ tơ
sẽ có 2 thành phần:
Fq  Fq'  Fq''

(1.16)

Trong đó:
Fq’: thành phần lực do khối lượng chuyển động tịnh tiến của ô tô gây ra.
Fq’’: thành phần lực do khối lượng các chi tiết chuyển động quay gây ra (bánh
đà, bánh xe, các ổ trục, ổ lăn,...).
Lực cản quán tính Fq = m ̇ δ1

(1.17)

Trong đó δ1 gọi là hệ số kể đến ảnh hưởng của khối lượng quay ô tô.

1  1,05  0,0015it2

(1.18)

1.2.5. Lực cản mooc kéo
Khi xe kéo mooc, xe chịu thêm lực cản từ các mooc kéo. Các lực kéo cũng chịu
các lực cản gần giống với xe kéo.
Lực cản tổng cộng của đường
Fm  nQ cos 

(1.19)

Lực cản khơng khí: khi xe kéo mooc, hệ số khí động C của đồn xe tăng lên từ
9÷32% phụ thuộc vào khoảng cách giữa mooc và xe.
Lực cản quán tính của các mooc kéo Fqm  n Q dv
g dt

1.3.

Điều kiện chuyển động của xe

Xe muốn chuyển động được thì lực phát ra từ bánh xe phải thắng tất cả các lực
cản. Từ đó, ta có các điều kiện để xe có thể chuyển động.

Page 14


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
 Fk  Fc  Ff  Fd  Fw  Fq  Fm

 Fk max  F

 F  Fk  Ff  Fd  Fw  Fq  Fm

(1.20)

Từ điều kiện để xe ơ tơ có thể chuyển động kết hợp với điều kiện di chuyển của
xe (lên dốc hay xuống dốc) và vận tốc ô tô là nhanh dần hay chậm dần ta có phương
trình cân bằng lực kéo:
Fk  Ff  Fw  Fd  Fq  Fm

(1.21)

1.4. Cân bằng cơng suất ơ tơ
1.4.1. Phƣơng trình cân bằng cơng suất
Khi xe vận hành công suất của động cơ lắp trên ô tô tiêu tốn cho chuyển động
của ô tô gồm công suất mất mát trong HTTL (ma sát, khuấy dầu,...) (Nt), cơng suất cản
lăn (Nf), cơng suất cản khơng khí (Nw), công suất cản lên dốc (Nd), công suất cản qn
tính (Nq) và cơng suất cản mooc kéo (Nm).
Ta có phương trình cân bằng cơng suất như sau:

N k  N e  Nt  N f  N w  N d  N q  N m

(1.22)

Trong đó: Nk là công suất kéo trên bánh xe chủ động.
Các thành phần cơng suất được tính như sau:
Cơng suất kéo trên bánh xe chủ động: Nk  t Ne
Công suất cản lăn:

Nf 

Gfv cos 
3, 6

(1.23)
(1.24)

Trong đó Nf được tính bằng W; G tính bằng N; v tính bằng km/h.
Cơng suất cản khơng khí:

Nw 

1
 CAv3
93,3

(1.25)

Gv sin 
3, 6

(1.26)

m i
j
3, 6

(1.27)

Các giá trị ; ; ρ xem tại mục (1.33)
Công suất cản lên dốc:

Nd 

Cơng suất cản qn tính:

Nq 

Cơng suất cản kéo moóc:

Nm 

Fm v
3, 6

Trong đó :
G: Trọng lượng toàn bộ của xe
j: Gia tốc theo phương dọc của ô tô.
δi: Hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng quay của ô tô tăng tốc.
Page 15

Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.

Phương trình cân bằng tổng quát:
N k  Net 

1
1
1
1
1
Gfv cos  
CAv3 
Gv sin  
m i jv 
Fmv
3, 6
93,3
3, 6
3, 6
3, 6

(1.29)

1.4.2. Đồ thị cân bằng công suất
Biểu diễn các giá trị của các thành phần trong biểu thức 1.29 lên đồ thị N –
v(ne) ta được đồ thị cân bằng công suất (hình 1.4). Đồ thị hình 1.4 biểu diễn các giá trị
cơng suất của xe có 5 số truyền. Khi chạy số 5, đường Nf + Nw gặp Nk tại vị trí xe đạt
vmax.

Hình 1. 4: Đồ thị cân bằng công suất ô tô.

Kẻ một đường thẳng đứng đi qua điểm có vận tốc nào đó, cắt các đường cơng suất,
cho các giá trị công suất này tại một vận tốc nào đó.
Ndt là cơng suất dự trữ: cơng suất này có thể sử dụng để tăng tốc, lên dốc hoặc kéo
mooc.
Ví dụ để lên dốc: Ndt = Nd =Gvsinα. → sin  

N dt
→ từ đây có thể tính được góc dốc
Gv

mà xe có thể vượt qua.
1.5.

Cân bằng lực kéo ô tô

Khi xe chuyển động, lực kéo phát ra tại bánh xe chủ động phải thắng các lực: cản lăn,
khơng khí, cản lên dốc, cản qn tính và cản mooc kéo.
1.5.1. Phƣơng trình cân bằng lực kéo
Fk  Ff  Fw  Fd  Fq  Fm
Page 16


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
Biểu thức đã được trình bày tại cơng thức 1.21.
1.5.2. Đồ thị cân bằng lực kéo
Đồ thị hình 1.5 biểu diễn lực kéo của xe có 5 tỉ số truyền. Đường Ff+Fw gặp
đường Fk5 (số lớn nhất) tại vmax.

Hình 1. 5: Đồ thị cân bằng lực kéo ô tô.

Đường Fφ là đường lực bám.
Phần đường Fk > Fφ sẽ khơng sử dụng được vì nếu Fk > Fφ thì bánh xe sẽ bị trượt
(quay).
Tại v1 kẻ đường song song với Fk đường này cắt các lực tại các điểm. Khoảng cách
giữa các điểm đó biểu thị các giá trị lực tại v1.
Ta thấy Fdt trên đồ thị là lực kéo dự trữ khi chạy ở số 3 tại v1. Lực kéo dự trữ này có
thể dùng để lên dốc, tăng tốc, kéo mooc. Khi có giá trị cụ thể của Fdt ta có thể tính
được góc dốc mà xe có thể vượt qua, hoặc giá trị gia tốc mà xe có thể đạt được, hoặc
trọng lượng mooc mà xe có thể kéo được tại v1 ứng với tay số tương ứng.
1.6.

Nhân tố động lực học

Giá trị lực kéo Fk có thể đánh giá khả năng động lực học của xe, nhưng chưa
tồn diện. Vì có 2 xe có cùng lực kéo thì xe nào có trọng lượng nhỏ hơn hoặc xe nào
có hình dáng khí động học tốt hơn sẽ có khả năng động lực học tốt hơn.

Page 17


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
Vì thế người ta đưa ra một giá trị có thể đánh giá tồn diện khả năng động lực
học của xe, trong đó có chứa các yếu tố lực kéo, trọng lượng và cả lực cản khơng khí
(là lực mà khi xe chuyển động là mặc nhiên xuất hiện). Giá trị này được gọi là nhân tố
động lực học, ký hiệu là D.
1.6.1. Biểu thức xác định nhân tố động lực học
D

Fk  Fw
G

(1.30)

Từ biểu thức (1.21) ta biến đổi như sau: Fk  Fw  Ff  Fd  Fq  Fm
Chia biểu thức trên cho G và triển khai vế phải ta có:
Fk  Fw Gf cos  G sin  M  i
G



  m cos 
G
G
G
G
G

(1.31)

Giả sử khơng có mooc kéo và góc α nhỏ thì cosα ≈ 1; tanα ≈ sinα
D  f  tan  

Khi đó:

i
g

(1.32)

j

Trong đó:
j: Gia tốc theo phương dọc của ô tô.
δi: Hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng quay của ô tô tăng tốc.
Nhân tố động lực học theo điều kiện bám Dφ:
D 

F  Fw

(1.33)

G

Điều kiện chuyển động của xe trở thành: D  D  f  sin    i j
g

(1.34)

1.6.2. Đồ thị nhân tố động lực học
Biểu diễn các giá trị của D, Dφ, f lên đồ thị D – v ta được đồ thị nhân tố động
lực học (hình 1.6).

Hình 1. 6: Đồ thị nhân tố động lực học

Page 18

Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
1.6.2.1 Xác định vận tốc lớn nhất của ôtô
Ta biết rằng khi ôtô chuyển động đều (ổn định) nghĩa là j = 0 thì tung độ mỗi
điểm của đường cong đặc tính động lực học D ở các số truyền khác nhau chiếu xuống
trục hồnh sẽ xác định vận tốc lớn nhất của ơtơ ở loại đường với hệ số cản tổng cộng
đã cho.

Hình 1. 7: Xác định tốc độ lớn nhất và khu vực làm việc của đặc tính động lực học

Ví dụ: Ðể xác định vận tốc lớn nhất của ô tô trên loại đường có hệ số cản ,
(hình 1.6a) ta theo trục tung của đồ thị đặc tính động lực học vạch một đường
, đường này cắt đường
tại điểm A, chiếu điểm A xuống trục hoành ta xác định
được vận tốc lớn nhất của ơtơ, ở vận tốc này hồn toàn thỏa mãn điều kiện D = .
Nếu đường cong đặc tính động lực học hồn tồn nằm phía trên đường hệ số cản
tổng cộng của mặt đường (đường 1– 1) thì ơtơ khơng có khả năng chuyển động đều
(ổn định) khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải. Ðể thỏa mãn điều kiện này thì chúng
ta có thể giải quyết bằng hai cách sau đây:
Cách thứ nhất là người lái có thể chuyển sang số cao hơn để cho đường cong đặc
tính động lực học cắt đường hệ số cản tổng cộng của mặt đường
ở phần làm việc ổn
định trên đường đặc tính động lực học.
Cách thứ hai là người lái cần giảm ga hoặc trả về bớt thanh răng bơm cao áp để
giảm bớt công suất của động cơ. Nếu không giải quyết bằng một trong hai biện pháp
trên thì sẽ xảy ra hiện tượng tăng tốc của ôtô.
Trong trường hợp ôtô chuyển động đều (ổn định) tức là j = 0 và trên loại đường
tốt, nằm ngang
, hệ số cản tổng cộng của mặt đường sẽ bằng hệ số cản lăn:
. Giao điểm A của đường hệ số cản lăn f và đường cong nhân tố động lực học
chiếu xuống trục hoành xác định được vận tốc lớn nhất của ôtô

ở số truyền cao
nhất và động cơ làm việc ở chế độ tồn tải (hình 1.6).
Đường f là đường thể hiện hệ số cản lăn của đường. Tại vị trí đường f gặp
đường D3 xe đạt vận tốc cực đại (vmax).
Page 19


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
Đường Dφ là đường nhân tố động lực học theo điều kiện bám (theo biểu thức
1.33). Những giá trị D nằm trên đường Dφ sẽ khơng sử dụng được vì tại đó bánh xe sẽ
bị trượt quay.
Đồ thị nhân tố động lực học có giá trị sử dụng rất cao. Ví dụ tại v1 ta kẻ một
đường song song với trục D, khoảng cách từ đồ thị D (của tay số nào đó) đến đường f
chính là giá trị dự trữ (Ddt) và xe có thể dùng tăng tốc, lên dốc hoặc kéo mooc. Giả sử
chỉ để lên dốc: từ biểu thức 1.32 ta có: tgα = dt. Ngồi ra cịn nhiều ứng dụng khác.
Nhìn đồ thị D ta thấy sau khi có HTTL đường đặc tính động lực học của ơ tơ,
xây dựng đường đặc tính của động cơ đã phù hợp với u cầu của ơ tơ (hình 1.6). Ở
đây thể hiện rõ vai trò của HTTL là biến đổi đường đặc tính của động cơ cho phù hợp
với yêu cầu của ô tô.
1.6.2.2 Xác định độ dốc lớn nhất mà xe có thể vƣợt qua đƣợc
Như đã trình bày ở trên, trong trường hợp ơtơ chuyển động đều (ổn định) thì có
, nếu biết hệ số cản lăn của loại đường thì ta có thể tìm được độ dốc lớn nhất
của đường mà ơtơ có thể khắc phục được ở một vận tốc cho trước. Ta có:
(1.35)
Giả sử ơtơ chuyển động ở vận tốc v (hình 1.6) thì độ dốc lớn nhất mà ơtơ có thể khắc
phục được ở các số truyền khác nhau của hộp số được thể hiện bằng các đoạn tung độ
ad (ở số1), ac (ở số 2) và ab (ở số 3). òn độ dốc lớn nhất mà ơtơ có thể khắc phục
được ở mỗi tỷ số truyền khác nhau của hộp số, khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải
được xác định bằng các đoạn tung độ
, như vậy:

(1.6)
ũng cần chú ý rằng tại điểm có đặc tính động lực học lớn nhất D ở mỗi một số
truyền thì đường cong đặc tính động lực học chia làm hai khu vực bên trái và bên phải
mỗi đường cong (hình 1.6a).
Các vận tốc chuyển động của ôtô ứng với điểm cực đại của mỗi đường cong đặc
tính động lực học được gọi là vận tốc tới hạn của ôtô ở mỗi số truyền của hộp số
.
Giả thiết rằng ôtô đang chuyển động đều (ổn định) ở vận tốc lớn hơn vận tốc tới hạn.
Ở vận tốc này khi lực cản của mặt đường tăng lên, vận tốc chuyển động của ơtơ sẽ
giảm xuống, lúc đó đặc tính độnglực học tăng lên (hình 1.6a), do đó nó có thể thắng
được lực cản tăng lên và giữ cho ơtơ chuyển động ổn định. Vì vậy vùng bên phải vận
tốc tới hạn v >
gọi là vùng ổn định.
Ngược lại khi ôtô chuyển động ở vận tốc nhỏ hơn vận tốc tới hạn thì khi lực cản
chuyển động tăng lên, vận tốc chuyển động của ôtô sẽ giảm xuống, lúc đó đặc tính
động lực học giảm xuống (hình 1.6a), do đó nó khơng có khả năng thắng lực cản tăng
lên, làm cho ôtô chuyển động chậm dần và dẫn đến dừng hẳn. Vì vậy vùng bên trái của
vận tốc tới hạn
gọi là vùng mất ổn định.

Page 20


Tính tốn tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ.
1.7.

Khả năng tăng tốc của ô tô

Khả năng tăng tốc của ô tô cũng một yếu tố đánh giá chất lượng động lực học
của ô tô. Nhìn trên các đồ thị cân bằng công suất, cân bằng lực kéo hay đồ thị nhân tố

động lực học thấy khi ô tô chưa đạt giá trị vận tốc cực đại bao giờ cũng tồn tại một
công suất (hoặc lực kéo) dự trữ. Công suất (hoặc lực kéo) dữ trữ này cũng được dùng
để tăng tốc, lên dốc hoặc kéo mooc.
Khả năng tăng tốc được đánh giá bằng các thông số: gia tốc, thời gian tăng tốc
và quãng đường tăng tốc.
1.7.1. Gia tốc ô tô
Từ biểu thức (1.32) nếu xe chạy trên đường bằng không kéo mooc ta có:
D f 

Từ đó:

j

i
g

j

(D  f ) g

i

(1.35)
Biểu diễn các giá trị j lên đồ thị j - v ta được đồ thị gia tốc ơ tơ hình 1.7:

Hình 1. 7: Đồ thị gia tốc ô tô

Tại nơi j5 cắt trục hồnh, ơ tơ khơng hề tăng tốc được nữa, tại đó xe đặt giá trị
vận tốc cực đại vmax
 i  1, 05  0, 0015it2

(1.36)

Page 21