Luận văn nghiên cứu một số tính chất động lực học của UAZ khi thay thế động cơ điêzen

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học nông nghiệp I

----------------------------------


nông minh tiến



nghiên cứu một số tính chất động lực học
của xe uAZ khi thay thế động cơ xăng
bằng động cơ điêzen



luận văn thạc sĩ kỹ thuật


Chuyên ngành:kỹ thuật máy và thiết bị
cơ giới hóa nông lâm nghiệp
M số: 60.52.14


Ngời hớng dẫn khoa học: pgs.tS. nông văn vìn



Hà Nội - 2005

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận
văn này là trung thực và cha hề sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này
đã đợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều đã đợc chỉ
rõ nguồn gốc.

Tác giả


Nông Minh Tiến












i

Lời cảm ơn

Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại lớp cao học cơ khí khoá
12, Trờng Đại học Nông nghiệp I. Tôi đã nhận đợc sự giúp đỡ,
giảng dạy nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo trong nhà trờng, các
thầy cô khoa Cơ điện. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân
thành tới tập thể các thầy cô giáo trong trờng ĐHNN- I.
Đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình chu đáo, trách nhiệm cao của thầy
giáo PGS- TS Nông Văn Vìn, ngời đã hớng dẫn và giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, tạo điều kiện của Ban
giám hiệu trờng CNKT, trờng trung học Việt Đức, Trung tâm khảo
nghiệm máy Nông nghiệp, sự nhiệt tình giúp đỡ của các bạn đồng
nghiệp, đồng môn trong quá trình nghiên cứu, thí nghiệm và hoàn
thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình giúp đỡ của gia đình đặc biệt
là Mẹ và Vợ con tôi đã luôn luôn động viên tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này của tôi.
Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới
tất cả những tập thể và cá nhân đã dành cho tôi mọi sự giúp đỡ quí
báu, cộng tác và tài trợ kinh phí cho tôi trong quá trình hoàn thành
luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội ngày 10 tháng 9 năm 2005
Tác giả


Nông Minh Tiến

ii

Mục lục
Trang
L
ời cam đoan i

Lời cảm ơn ii
Mục lục iii

Mở đầu
1
Chơng 1.Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
4
1.1. Vài nét về tình phát triển xe ô tô ở Việt Nam 4
1.2. Tình hình sử dụng các loại xe của Liên Xô (cũ) ở miền núi
phía Bắc
5
1.3. Một số giải pháp kỹ thuật thay thế động cơ điêzen cho
động cơ xăng trên ô tô
6
1.4. Vài nét về tình hình nghiên cứu tính chất động lực học của
ôtô
7
1.5 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 10
1.6. Phơng pháp nghiên cứu của đề tài 10
1.7. Kết luận chơng 12
Chơng 2. Một số tính chất động lực học của ô tô khi vận chuyển 13
2.1. Đờng đặc tính động cơ 13
2.1.1. Đờng đặc tính tốc độ 13
2.1.2. Đờng đặc tính tải trọng 18
2.2. Các lực tác dụng lên ô tô 19

2.2.1. Mô men chủ động 19
2.2.2. Các lực tác dụng 21
2.3. Cân bằng lực kéo và cân bằng công suất 27
2.3.1. Cân bằng lực kéo 27
2.3.2. Cân bằng công suất 32
2.4. Đặc tính động lực học của ô tô 35
2.4.1. Nhân tố động lực học 35
2.4.2. Đặc tính động lực học 37

iii

2.4.3. Sử dụng đặc tính động lực học 39
2.4.4. Đặc tính động lực học của ô tô khi tải trọng thay đổi 48
2.5. Quá trình khởi hành và tăng tốc của ô tô 51
2.6. Phơng pháp xây dựng đờng đặc tính động lực học 54
2.7. Kết luận chơng 55
Chơng 3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
56
3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 56
3.2. Phơng pháp xây dựng đờng đặc tính động lực học bằng
thực nghiệm
57
3.2.1. Cơ sở lý luận của phơng pháp 57
3.2.2. Các thông số đo và yêu cầu thiết bị 59
3.3. Tính năng kỹ thuật của thiết bị đo 59
3.3.1. Thiết bị đo vận tốc 59
3.3.2. Thiết bị đo lực kéo 62
3.3.3. Xe thí nghiệm 63
3.4. Thiết lập sơ đồ đo và xử lý số liệu thí nghiệm 65
3.4.1. Thiết lập sơ đồ đo vận tốc 65

3.4.2. Thiết lập sơ đồ đo lực cản lăn 67
3.5. Quy trình thí nghiệm 68
3.5.1. Thí nghiệm đo lực cản lăn và lực cản không khí 68
3.5.2. Thí nghiệm đo vận tốc xe 69
3.6. Phơng pháp xử lý số liệu thí nghiệm và các kết quả
nghiên cứu
69
3.6.1 Kết quả xác định hệ số cản lăn và hệ số cản không khí 69
3.6.2. Kết quả xử lý số liệu xây dựng đờng đặc tính động lực
học
70
3.7. Đo chi phí nhiên liệu riêng trung bình 79
3.8. Kết luận chơng 80

Kết luận chung và đề nghị
82

Tài liệu tham khảo
83




iv

Mở đầu

Xe ôtô là loại phơng tiện đợc sử dụng rông rãi trong nhiều lĩnh vực
kinh tế khác nhau. Việc nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sử dụng loại
phơng tiện vận tải này luôn là vấn đề đợc nhiều nhà khoa học, kỹ thuật

quan tâm giải quyết. Trong những thập kỷ gần đây, sự phát triển của ngành
ôtô trên thế giới đã có nhiều tiến bộ nhảy vọt, đem lại hiệu quả kinh tế ngày
càng cao. Do đó các loại xe thuộc thế hệ kỹ thuật trớc đã dần dần kém hiệu
quả so với các loại xe ô tô hiện đại. Tuy nhiên, các loại xe hiện đại giá thành
cao hoặc rất cao so với thực trạng kinh tế, xã hội ở các nớc chậm phát triển.
ở nớc ta, ngành chế tạo ôtô cha phát triển nên hầu hết các loại xe
đang lu hành đều nhập từ nớc ngoài với đa dạng chủng loại. Trong đó các
loại xe thuộc thế hệ trớc vẫn còn tồn tại khá nhiều. Nhợc điểm chính của
các loại xe này là chi phí nhiên liệu riêng cao hơn nhiều so với các loại xe
hiện đại cùng cỡ công suất và cùng chủng loại. Để khắc phục nhợc điểm
này, đối với ôtô lắp động cơ xăng có thể thay thế bằng động cơ điezen hoặc
hiện đại hơn. Phơng án thay thế động cơ xăng bằng động cơ điezen đã đợc
áp dụng ở nhiều cơ sở sản xuất và đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt. Tuy nhiên,
việc thay thế này còn mang tính tự phát, chủ yếu dựa trên kinh nghiệm và do
đó chất lợng cải tiến cha cao, độ tin cậy sử dụng thấp.
Do vậy, để tận dụng các loại xe xăng thế hệ cũ có hiệu quả hơn cần
thiết phải nghiên cứu cơ sở khoa học để cải tiến thay thế động cơ xăng bằng
động cơ điezen. Trong số đó, cần tập trung nghiên cứu các loại xe xăng nhập
từ Liên Xô (cũ) vì số lợng các loại xe này chiếm tỷ lệ lớn trong hoạt động
vận tải của Việt Nam.
Loại xe UAZ do Liên Xô (cũ) chế tạo đợc nhập vào nớc ta từ nhiều
năm trớc với số lợng lớn, chủ yếu phục vụ cho quân đội và các công việc ở
các cơ quan dân sự có yêu cầu tính cơ động cao. Hiện nay, loại xe này vẫn

1

còn đợc sử dụng khá phổ biến, chủ yếu là ở các tỉnh miền núi. Tuy nhiên,
chất lợng kỹ thuật có giảm sút và đặc biệt là suất tiêu hao nhiên liệu (xăng)
cao so với các loại xe thế hệ mới. Chính vì vậy, để tận dụng các loại xe này đã
có một số cơ sở sản xuất, kể cả cơ sở t nhân đã tiến hành thay thế động cơ

nguyên bản (động cơ xăng) của xe bằng một số loại động cơ điêzen.
Tính năng và hiệu quả sử dụng của ôtô phụ thuộc vào chất lợng thiết
kế, chế tạo và điều kiện sử dụng. Việc đánh giá chất lợng xe có thể theo một
số phơng pháp khác nhau tùy thuộc vào mục đích và phơng tiện xác định
các chỉ tiêu cần đánh giá. Trong đó nhóm các chỉ tiêu động lực học, tính an
toàn điều khiển và tính tiết kiệm nhiên liệu đợc sử dụng phổ biến hơn.[5]
Tính chất động lực học của ô tô đợc thể hiện qua các chuyển vị, vận
tốc, gia tốc, tần số và biên độ dao động theo các phơng khác nhau khi
chuyển động trong điều kiện mặt đờng không bằng phẳng hoặc do tác động
điều khiển nh tăng giảm ga, quay vòng hoặc khi phanh. Tính chất động lực
học ảnh hởng trực tiếp đến khả năng khởi hành và tăng tốc, vận tốc trung
bình, năng suất và giá thành vận chuyển, độ êm dịu và tính an toàn chuyển
động Việc tính toán hoặc xác định chính xác các chỉ tiêu đánh giá tính
chất động lực học của ô tô là một vấn đề rất khó thực hiện vì các chỉ tiêu này
phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có cả các yếu tố ngẫu nhiên.
Ngày nay với sự phát triển nhanh của ngành tin học và các thiết bị
nghiên cứu, nhiều bài toán phức tạp có thể giải quyết một cách nhanh chóng
với độ chính xác cao giúp cho các quá trình tính toán thiết kế, chế tạo rất
thuận lợi, chính xác và cũng là yếu tố quyết định chất lợng các loại xe hiện
đại. Một thành tựu cũng rất lớn là đã xuất hiện những thiết bị và phơng pháp
hiện đại để nghiên cứu đánh giá chất lợng xe thông qua con đờng thực
nghiệm, cho phép kiểm tra chất lợng thiết kế, tình trạng kỹ thuật trong quá
trình sử dụng rất thuận tiện và đảm bảo độ chính xác cao, giúp cho việc hiệu
chỉnh thiết kế, chọn chế độ sử dụng các loại xe ô tô rất có hiệu quả.

2

Đối với các loại xe đợc thết kế cải tiến ở Việt Nam, việc tính toán
kiểm tra các tính chất động lực học của xe cải tiến là rất khó vì hầu hết các
loại xe nhập ngoại hông có đầy đủ các thông số thiết kế, các đặc tính của các

phần tử đàn hồi, đặc tính động cơ Do vậy việc nghiên cứu thực nghiệm để
đánh giá các chỉ tiêu động lực học của các loại xe ô tô cải tiến tại Việt Nam
là vấn đề mang tính cấp thiết và có tính khả thi cao.
Xuất phát từ những lý do trên tôi đã thực hiện đề tài:
Nghiên cứu một số tính chất động lực học của xe UAZ khi thay thế
động cơ xăng bằng động cơ điêzen với mục đích nhằm góp phần xây dựng
cơ sở khoa học cho việc lựa chọn loại động cơ thay thế và chọn chế độ sử
dụng hợp lý các loại xe ôtô sau khi cải tiến.


3

Chơng 1
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

1.1. Vài nét về Tình hình phát triển xe ô tô ở việt nam [6]
Sau hơn 10 năm ra đời, nghành công nghiệp ôtô Việt Nam có đợc
những bớc phát triển đáng kể, đặc biệt trong vài năm trở lại đây có sự tăng
trởng cao cả về số lợng và chất lợng (theo thống kê năm 2001 ôtô tăng
40%, xe máy tăng 200%), đến tháng 5/2005 thành phố Hà Nội và thành phố
Hồ Chí Minh có số lợng ôtô tăng 150% so với năm 2001. Chính phủ Việt
Nam và Bộ công nghiệp đánh giá cao tầm quan trọng của ngành công nghiệp
ôtô và coi đó là một trong những ngành cơ bản của công nghiệp Việt Nam.

Thị trờng ôtô Việt Nam còn rất nhỏ bé so với các nớc Asean và thế
giới, hai lý do chính khiến thị trờng ôtô Việt Nam khó phát triển trớc mắt
cũng nh 10 năm tới là: mức thu nhập còn quá thấp cha tạo ra sức mua lớn
đối với ôtô mới, hạ tầng cơ sở còn yếu, đờng xá cha phát triển đặc biệt là ở
các tỉnh miền núi phía Bắc, quy hoạch đô thị cha phù hợp (nh không có chỗ
để ôtô, khu phố không có chỗ đỗ xe đủ sức chứa...).

Theo cục cảnh sát giao thông đờng bộ, đờng sắt Việt Nam tính đến
31/12/01 số xe ôtô đăng ký lu hành trên toàn quốc là 1534729 xe.
Dự báo trong giai đoạn 2001-2010, số lợng ôtô tăng thêm hàng năm là
12% thì năm 2010 ở Việt Nam số xe ôtô đăng kí lu hành sẽ l 1.100.000 xe.
Từ đó thấy nhu cầu ôtô vào năm 2010 sẽ là khoảng 120.000-130.000 xe/năm,
trong đó:
Nhu cầu xe con chiếm 45%-50% = 54000-60.000 xe/năm.
Nhu cầu xe thơng dụng chiếm 50%-55% = 60.000-66000 xe/năm.
Tỷ lệ tăng trởng trung bình của xe con hàng năm là 6,7%, xe thơng
dụng là 18%, từ đó thấy nhu cầu hàng năm là 81.000 xe/năm trong đó 80% là

4

xe thơng dụng.
Ngoài nguồn cung cấp từ nhập khẩu ôtô nguyên chiếc (hiện đang bị
hạn chế do thuế nhập khẩu và các quy định của Nhà nớc), chúng ta đã có 5-6
cơ sở lắp ráp và sản xuất ôtô dạng CKD, cung cấp khoảng 15% nhu cầu. Nhập
khẩu ôtô đã qua sử dụng từ các nớc chiếm 35%, số còn lại khoảng 50% sử
dụng những ôtô đã qua sửa chữa ở cấp trung đại tu, do vậy các nhà cung ứng
ở Việt Nam cần phải định hớng cung ứng và tiếp nhận sự hỗ trợ của các
nớc có nền công nghệ ôtô tiên tiến. [2]
1.2. Tình hình sử dụng các loại xe liên xô (cũ) ở các tỉnh
miền núi phía bắc
Qua khảo sát thực tế ở các tỉnh: Lạng Sơn, Cao Bằng, Tuyên Quang, Hà
Giang, Hoà Bình, Lai Châu, Lào Cai, Thái Nguyên với đặc điểm địa hình đồi
núi, đèo, dốc, suối ngầm, hạ tầng cơ sở còn đang yếu kém thì các loại ôtô của
Liên Xô cũ đã và đang đợc sử dụng rộng rãi bởi có những u việt về đặc tính
kết cấu, độ bền của các chi tiết phần gầm xe, nhng hiệu quả kinh tế không
cao vì sử dụng nhiên liêu xăng với mức tiêu hao nhiên liệu quá cao.
Tại tỉnh Thái Nguyên hiện có khoảng 250 xe UAZ các loại đang hoạt

động ở thành phố, thị xã, thị trấn, và các xã, làm công việc vận chuyển mọi
nhu cầu xã hội. Nhìn chung số lợng xe UAZ ở một số tỉnh miền núi phía
Bắc chiếm khoảng 510% tổng số xe vận tải trong tỉnh.
Để giảm chi phí nhiên liệu cho các xe sử dụng động cơ xăng, một số
cơ sở đã thay thế động cơ xăng bằng động cơ điêzen có công suất tơng tự và
đợc thực tiễn chấp nhận, đợc phép lu hành. Trong đó Thái Nguyên là một
trong những tỉnh đã sớm thực hiện việc chuyển đổi này cho các loại xe UAZ
và xe ZIL với số lợng khá lớn, không chỉ phục vụ cho Thái Nguyên mà còn
cung cấp cho một số tỉnh khác ở miền núi phía Bắc.
Phần lớn các loại xe chuyển đổi đợc sử dụng ở các cơ sở đào tạo lái xe

5

hoặc các doanh nghiệp vận tải trên các tuyến đờng miền núi.
Các loại động cơ điêzen dùng để thay thế cho động cơ xăng trên ô tô
chủ yếu là các loại động cơ đã qua sử dụng, nhập từ một số nớc công nghiệp
phát triển nh Nhật Bản, Hàn Quốc, Đức [4],[8]
Về hiệu quả thay thế động cơ xăng bằng động cơ điêzen cha có tài
liệu nào công bố chính thức mà chủ yếu do ngời sử dụng tự hạch toán một
cách gần đúng. Tuy vậy, đây cũng là những thông tin có cơ sở tin cậy vì các
cơ sở vẫn tiếp tục thực hiện chuyển đổi.
1.3. Một số giải pháp kỹ thuật thay thế động cơ điêzen
cho động cơ xăng trên xe ô tô
Qua điều tra các loại xe đã hoãn cải đang sử dụng ở một số cơ sở đào
tạo lái xe và một số cơ sở vận tải ở miền Bắc cho thấy có hai hớng thực hiện
việc thay thế động cơ điêzen cho động cơ xăng trên ô tô: Chỉ thay động cơ có
công suất tơng đơng; Thay cả động cơ và hộp số. [9]
Trờng hợp chỉ thay động cỏ ít nhiều cũng sẽ làm thay đổi các tính
năng động lực học của xe vì đặc tính làm việc của các động cơ điêzen khác
với động cơ xăng ngay cả khi chọn hai loại động cơ có cùng tốc độ quay danh

nghĩa và có cùng công suất danh nghĩa. Và nh vậy sẽ có thể xuất hiện một
số nhợc điểm nh khả năng khởi hành và tăng tốc, tính êm dịu chuyển
động, tính năng điều khiển. Một khó khăn khác là khó có thể đảm bảo đợc
sự đồng trục giữa trục hình học của trục khuỷu động cơ với trục hình học của
bộ ly hợp. Điều đó dẫn đến làm giảm khả năng truyền mô men, giảm tuổi thọ
của bộ ly hợp và có thể ảnh hởng xấu đến cả tính chuyển động êm dịu của
các chi tiết cũng nh toàn bộ xe.
Nếu thay cả động cơ và hộp số sẽ khắc phục đợc một số nhớc điểm
của phơng án trên nhng giá thành thay thế sẽ cao hơn. Tuy nhiên về mặt
tính năng động lực học vẫn khác với xe nguyên bản.
Sự thay đổi tính chất động lực học của xe sau khi cải tiến sẽ liên quan

6

đến hàng loạt các chỉ tiêu sử dụng nh khả năng khởi hành và tăng tăng tốc,
tính năng điều khiển, tính êm dịu chuyển động, độ bền và tuổi thọ của các chi
tiết, năng suất vận chuyển [13]
Nh vậy, khi thay thế động cơ điêzen cho loại động cơ xăng trên xe ô
tô cần thiết phải xem xét đến các tính chất động lực học trong đờng truyền
lực cũng nh toàn bộ xe.
Thực tế hiện nay, các cơ sở thay thế động cơ chủ yếu là dựa theo kinh
nghiệm, cha có điều kiện tính toán kiểm tra các thông số động lực học của
xe ô tô cải tiến.
Với những lý do trên, đề tài Nghiên cứu một số tính chất động lực
học của ô tô UAZ khi thay thế động cơ xăng bằng động cơ điêzen là một
đề tài mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn góp phần xây
dựng cơ sở khoa học cho việc lựa chọn loại động cơ, thiết kế cải tiến hệ thống
truyền lực và chọn chế độ sử dụng hợp lý cho loại xe ô tô đang nghiên cứu.
1.4. Vài nét về tình hình nghiên cứu tính chất động lực
học của ô tô

ô tô là loại phơng tiện vận chuyển trên đờng bộ đợc sử dụng hữu
hiệu và phổ biến nhất trên thế giới. Do đó việc nghiên cứu hoàn thiện thiết kế,
nâng cao chất lợng chế tạo, mở rộng tính năng và phạm vi sử dụng của ô tô
luôn là đề tài thờng trực thu hút nhiều nhà khoa học kỹ thuật trên thế giới
quan tâm giải quyết.
ôtô là loại thiết bị có kết cấu phức tạp, chuyển động với tốc độ cao và
thờng xuyên thay đổi, hoạt động trên nhiều loại địa hình khác nhau. Do đó
các tính chất động học và động lực học thay đổi rất phức tạp, các giá trị của
các thông số đặc trng nh vận tốc, gia tốc thay đổi trong phạm vi rộng với
các quy luật khác nhau tùy thuộc vào kết cấu và điều kiện chuyển động cụ
thể. Để có điều kiện nghiên cứu sâu về sự ảnh hởng của các thông số kết cấu
và điều kiện sử dụng, việc nghiên cứu các tính chất động lực học của ô tô

7

thờng đợc phân theo 3 hớng chính: tính chất động lực học theo phơng
chuyển động (phơng dọc), các tính chất động lực học theo phơng thẳng
đứng và các tính chất động lực học theo phơng ngang. Tuy nhiên, các thông
số động lực học của ô tô thay đổi do sự tác động đồng thời của các ngoại lực
theo nhiều phơng khác nhau, nghĩa là phải giải quyết bài toán động lực học
trong không gian thì mới đáp ứng đầy đủ nhất.
Các tính chất động lực học của ô tô ảnh hởng rất lớn đến năng suất
vận chuyển, hiệu quả kinh tế, tính năng điều khiển và an toàn chuyển động
Sự nghiên cứu các tính chất động lực học của ô tô là một trong những nhiệm
vụ trọng tâm khi nghiên cứu các tính năng sử dụng cũng nh nghiên cứu thiết
kế ô tô. Trải qua nhiều giai đoạn nghiên cứu, các thành tựu của các công trình
khoa học trên thế giới đã đa các bài toán lý thuyết tiệm cận dần đến các quá
trình động lực học xẩy ra trên máy thực. Đây cũng là những cơ sở quan trọng
và mang tính quyết định cho việc nghiên cứu hoàn thiện kết cấu và chế tạo
thành công các xe ô tô hiện đại ngày nay.

Điển hình của các nội dung nghiên cứu lý thuyết về các tính chất động
lực học của ô tô trong giai đoạn hiện nay là sử dụng phơng pháp số kết hợp
các phần mềm hiện đại để mô phỏng các quá trình động lực học, trên cơ sở đó
tìm kiếm các phơng án tính toán thiết kế hợp lý và hữu hiệu.
Các quá trình động lực học của ô tô xẩy ra rất phức tạp với sự tác động
của nhiều yếu tố, bao gồm cả các yếu tố ngẫu nhiên của mặt đờng, khả năng
phản xạ của ngời lái nên việc nghiên cứu lý thuyết dù hoàn hảo đến mấy
cũng cần phải có những nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng. Trong nhiều
trờng hợp cụ thể, các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng đã đem lại hiệu
quả rất cao hỗ trợ cho các quá trình nghiên cứu hiệu chỉnh thiết kế hoặc
nghiên cứu thăm dò các phơng án thiết kế mới, hỗ trợ cho việc tổ chức khai
thác các loại xe có hiệu quả cao hơn.
Về phơng diện nghiên cứu thực nghiệm, cùng với sự tiến bộ nhanh

8

của ngành tin học và thiết bị đo lờng vật lý, các phơng pháp và hệ thống
thiết bị nghiên cứu các tính năng sử dụng và các tính chất động lực học của ô
tô cũng tiến bộ rất nhanh, đáp ứng ngày càng cao các yêu cầu nghiên cứu.
Trong những giai đoạn sớm hơn, do sự hạn chế của các tính năng kỹ
thuật của các thiết bị đo, việc xác định các thông số động lực học của ô tô
trên đờng gặp rất nhiều khó khăn và hầu hết các nghiên cứu chỉ xác định giá
trị trung bình hoặc có thể ghi lại ở dạng ảnh. Mặt khác, các phơng tiện xử lý
các kết quả thí nghiệm cũng có nhiều hạn chế, đặc biệt là khi nghiên cứu các
quá trình động lực học máy nói chung và động lực học chuyển động của ô tô
nói riêng.
Ngày nay, nhiều loại thiết bị đo hiện đại kết hợp sử dụng máy vi tính
đã cho phép đo đợc nhiều thông số cùng một lúc với độ chính xác cao, có
thể lu lại các giá trị đo ở dạng số theo từng thời điểm đo (tức là đo theo hàm
thời gian). Nhờ đó có thể ghi lại các quá trình động lực học của ô tô, có thể sử

dụng các thông tin đó cho các nghiên cứu tiếp theo rất thuận tiện và đạt hiệu
quả cao. Ví dụ, khi sử dụng Sensor vận tốc V1 do Cộng hòa Liên bang Đức
chế tạo kết hợp sử dụng máy vi tính và phần mềm DASYLAB 6.5 có thể đo
và ghi lại vận tốc chuyển động của xe theo phơng dọc và phơng ngang thân
xe. Trên cơ sở đó có thể xử lý các kết quả thí nghiệm phục vụ cho các nghiên
cứu tiếp theo nh xác định gia tốc, quãng đờng của xe ở các thời điểm khác
nhau. Có thể nói đây là những tiến bộ rất nổi bật trong việc nghiên cứu các
tính chất động học và động lực học của ô tô. Ngoài ra, nếu kết hợp sử dụng
các đầu đo lực và mô men cùng với Sensor V1 thì khả năng nghiên cứu các
quá trình động lực học bằng thực nghiệm còn đợc mở rộng hơn và ý nghĩa
của các kết quả nghiên cứu sẽ cao hơn. [7],[10]
Tóm lại, trong những năm gần đây các nghiên cứu về động lực học
chuyển động của ô tô đã đạt đợc mức độ rất cao kể cả nghiên cứu lý thuyết
và nghiên cứu thực nghiệm.

9

1.5. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu một số tính chất động lực học của ô tô theo phơng dọc
nhằm góp phần xây dựng cơ sở khoa học để đánh giá chất lợng động lực học
của các xe ô tô sau khi thay thế động cơ xăng bằng động cơ điêzen, giúp cho
quá trình hiệu chỉnh thiết kế và lựa chọn chế độ sử dụng hợp lý các loại xe
ôtô sau khi cải tiến, lấy loại xe UAZ làm đối tợng nghiên cứu cụ thể.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
Để đạt đợc mục tiêu trên, trong đề tài đã thực hiện các nhiệm vụ chính
sau đây:
Tìm hiểu các tính năng kỹ thuật và lựa chọn các loại thiết bị đo;
Xây dựng phơng pháp đánh giá tính chất động lực học của ô tô
bằng thực nghiệm với những thiết bị đo hiện đại.

Xây dựng quy trình và tiến hành các thí nghiệm đo các thông số
động lực học của ô tô trên đờng.
Xử lý các kết quả nghiên cứu thực nghiệm
Đánh giá tính năng động lực học của xe ô tô sau khi cải tiến so với xe
nguyên bản.
1.6. Phơng pháp nghiên cứu của đề tài
Chất lợng động lực học của ô tô thờng đợc đánh giá qua khả năng
khởi hành và tăng tốc với các tải trọng khác nhau, ở các số truyền khác nhau,
trong những điều kiện đờng xá khác nhau. Những khả năng này thờng đợc
thể hiện trên đờng đặc tính động lực học của ô tô.
Để xây dựng đờng đặc tính động lực học có thể thực hiện theo hai
phơng pháp :

10

Đờng đặc tính động lực học đợc xây dựng trên cơ sở sử dụng
đờng đặc tính động cơ và sử dụng các công thức toán học để tính các chỉ tiêu
động lực học và thờng gọi là đờng đặc tính lý thuyết. [4]
Đờng đặc tính động lực học đợc xây dựng theo các số liệu khảo
nghiệm xe trên đờng và thờng đợc gọi là đờng đặc tính thực nghiệm .[7]
Khi sử dụng phơng pháp thứ nhất đòi hỏi phải có đờng đặc tính động
cơ, một số thông số kết cấu của xe và một số thông số về điều kiện sử dụng.
Phơng pháp này có u điểm nổi bật là tính toán đơn giản, nhanh, dễ đặt ra
các phơng án khảo sát ảnh hởng của từng thông số. Tuy nhiên có nhợc
điểm là không thể xem xét ảnh hởng đồng thời của nhiều yếu tố và mặt khác
do phải sử dụng một số giả thiết nên độ chính xác của các kết quả nghiên cứu
có những hạn chế.
Đối với phơng pháp thứ hai, để đo đợc trực tiếp các thông số đòi hỏi
phải có các thiết bị hiện đại, đặc biệt là phải có khả năng đo đợc các tín hiệu
thay đổi theo thời gian với tần số cao và phải có khả năng ghi lại theo quá

trình diễn biến của các thông số. Các loại thiết bị này thờng đắt tiền nên chỉ
đợc trang bị ở các cơ quan nghiên cứu khoa học.
Hiện nay, Khoa Cơ điện, trờng Đại học Nông nghiệp I đã đợc trang
bị loại thiết bị đo đợc quá trình động lực học chuyển động của xe ô tô. Do
đó trong đề tài này sử dụng phơng pháp xây dựng đờng đặc tính động lực
học của ô tô bằng thực nghiệm.
Một lý do khác là hầu hết các loại động cơ điêzen dùng để thay thế
cho đợc xăng trên ô tô đều là các loại động cơ cũ, nhập từ một số nớc công
nghiệp phát triển nh Nhật Bản, Hàn Quốc. Đờng đặc tính động cơ của các
loại động cơ này khó tìm hoặc không t
ơng thích với tình trạng kỹ thuật của
loại động cơ đang nghiên cứu. Do đó sử dụng phơng pháp thực nghiệm để
nghiên cứu đặc tính động lực học của các loại xe hoãn cải động cơ xăng bằng
động cơ điêzen là hợp lý hơn.

11

Nội dung của phơng pháp thực nghiệm tùy thuộc vào tính năng kỹ
thuật của hệ thống thiết bị và phơng pháp xử lý số liệu. Do vậy trong luận
văn này sẽ đề xuất một phơng pháp, sẽ đợc trình bày chi tiết ở chơng 3.
1.7. Kết luận chơng
Qua phân tích tổng quan và theo mục đích nghiên cứu của đề tài có thể
rút một số kết luận sau đây:
1 Các loại xe ô tô dùng động cơ xăng thuộc thế hệ trớc đợc nhập từ
Liên Xô cũ hiện nay chủ yếu đợc sử dụng ở khu vực miền núi với số lợng
vẫn còn tơng đối lớn, trong đó tập trung ở các chủng loại UAZ,
ZIL130/131, ZIL157/164, GAZ53/66.
2 Việc thay thế động cơ điêzen cho các loại xe trên tuy cha đợc
kiểm định chặt chẽ nhng đã đợc ngời sử dụng chấp nhận nhờ giảm đợc
chi phí nhiên liệu (cả về lợng và giá thành nhiên liệu), có khả năng vợt đèo

dốc tốt so với xe xăng. Hớng cải tiến này đang có chiều hớng phát triển.
Tuy nhiên, sự thay thế này còn mang tính tự phát chủ yếu dựa vào kinh
nghiệm, cha xem xét đến các yếu tố động lực học và do đó còn thiếu những
cơ sở khoa học cần thiết cho việc lựa chọn loại động cơ cũng nh các công
việc tính toán thiết kế cải tiến các bộ phận phụ trong hệ thống truyền lực và
điều khiển.
3 Việc sử dụng phơng pháp thực nghiệm để kiểm tra chất lợng
động lực học (khả năng khởi hành và tăng tốc, khả năng vợt dốc) của các
loại xe sau khi thay thế động cơ có tính khả thi và cần thiết.

12

Chơng 2
một số tính chất động lực học của ô tô
khi vận chuyển

Các tính chất động lực học của ô tô liên quan đến nhiều vấn đề trong
tính toán thiết kế, chế tạo và sử dụng ô tô. Trong phạm vi chơng này chỉ
trình bày một số tính chất có liên quan đến việc đánh giá chất lợng động lực
học của ô tô khi vận chuyển khả năng khởi hành và tăng tốc của xe với các
tải trọng khác nhau.
2.1. Đờng đặc tính của động cơ
Động cơ đặt trên các xe ô tô chủ yếu là động cơ đốt trong loại pitông.
Các chỉ tiêu năng lợng và tính kinh tế của động cơ đợc thể hiện rõ trên
đờng đặc tính làm việc của nó. Đặc tính làm việc của động cơ sẽ chi phối
đặc điểm cấu tạo và tính năng sử dụng của ô tô. Vì vậy cần thiết phải nắm
vững các đờng đặc tính của động cơ để giúp cho việc giải quyết vấn đề cơ
bản trong lý thuyết ô tô nh nghiên cứu các tính năng kéo và tính năng động
lực học của ô tô.
Các đờng đặc tính của động cơ có thể chia làm 2 loại: đờng đặc tính

tốc độ và đờng đặc tính tải trọng.[11],[13]
2.1.1. Đờng đặc tính tốc độ
Đờng đặc tính tốc độ là đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc của
công suất hiệu dụng N
e
, mô men quay M
e
, chi phí nhiên liệu giờ G
T
và chi phí
nhiên liệu riêng g
e
(lợng chi phí nhiên liệu để sản ra một đơn vị công suất
hiệu dụng) theo số vòng quay n hoặc theo tốc độ góc của trục khuỷu.
Các loại động cơ điezen lắp trên ô tô đều có bộ điều tốc (máy điều

13

chỉnh tốc độ) để duy trì tốc độ quay của trục khuỷu khi tải trọng ngoài (mô
men cản M
c
) thay đổi. Đờng đặc tính tốc độ của động cơ điezen phụ thuộc
rất lớn vào đặc tính của bộ điều tốc, do đó nó còn gọi là đờng đặc tính tự
điều chỉnh. Có hai loại đờng đặc tính tốc độ: [13],[12]
Đờng đặc tính tốc độ ngoài, gọi tắt là đờng đặc tính ngoài.
Đờng đặc tính cục bộ.
Các đờng đặc tính của động cơ nhận đợc bằng cách khảo nghiệm
trên các thiết bị chuyên dùng (bàn khảo nghiệm động cơ).
Đờng đặc tính ngoài của động cơ nhận đợc khi khảo nghiệm động cơ
ở chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại, tức là khi đặt tay thớc nhiên liệu (ở

động cơ điezen) ở vị trí cực đại hoặc mở hoàn toàn bớm ga (ở động cơ
xăng). Nếu tay thớc nhiên liệu hoặc bớm ga đặt ở vị trí trung gian sẽ nhận
đợc đờng đặc tính cục bộ. Nh vậy ở các động cơ lắp bộ điều tốc đa chế
(máy điều chỉnh mọi chế độ) sẽ có một đờng đặc tính ngoài và vô vàn đờng
đặc tính cục bộ tùy thuộc vào vị trí tay ga.
Trên hình 2.1 biểu diễn đờng đặc tính ngoài tự điều chỉnh của động cơ
điêzen.

n
M
n
N
n

=

N
emax
M
emax
M
e
N
e
g
e
G
e
G
eo

n
M
n
n
n
ck
N
e
M
e


G
e
g
e









Hình 2.1. Đờng đặc tính tự điều chỉnh của động cơ điêzen

14

Qua đó ta thấy rằng, ở chế độ tốc độ n

n
công suất động cơ đạt giá trị
cực đại N
emax
và chi phí nhiên liệu riêng đạt giá trị cực tiểu g
emin
, khi đó động
cơ làm việc có hiệu quả nhất và đợc gọi là chế độ làm việc danh nghĩa hoặc
chế độ làm việc định mức. ở chế độ này các chỉ tiêu của động cơ cũng có tên
gọi tơng ứng: công suất định mức N
n
= N
emax
, mô men quay định mức M
n
và
số vòng quay định mức n
n
Khoảng biến thiên tốc độ từ số vòng quay định mức n
n
đến số vòng
quay chạy không n
ck
phụ thuộc vào độ không đồng đều của bộ điều tốc. Phần
đồ thị tơng ứng khoảng tốc độ n
n
- n
ck
đợc gọi là nhánh tự điều chỉnh (các
đờng đồ thị có dạng đờng thẳng), còn tơng ứng với vùng tốc độ nhỏ hơn

n
n
là nhánh không có điều tốc hoặc nhánh quá tải (các đồ thị có dạng đờng
cong). ở nhánh quá tải công suất của động cơ giảm còn chi phí nhiên liệu
riêng tăng, tức là động cơ làm việc kém hiệu quả. Ngoài ra, các chi tiết của
động cơ sẽ chịu tải trọng lớn hơn đồng thời sự bôi trơn các chi tiết cũng kém
đi do tốc độ quay của trục khuỷu thấp dẫn đến tăng tốc độ mài mòn các chi
tiết và còn một số nhợc điểm khác nữa. Do vậy không nên sử dụng động cơ
ở nhánh quá tải trong thời gian dài, chỉ đợc phép sử dụng để khắc phục các
hiện tợng quá tải tức thời.
ở nhánh quá tải mô men quay vẫn tiếp tục tăng nhng chậm và sau khi
đạt giá trị cực đại M
max
nếu tải trọng tiếp tục tăng lên mô men động cơ sẽ
giảm xuống rồi ngừng quay. Do vậy động cơ chỉ có thể hoạt động đợc với tải
trọng M
c
< M
max
tơng ứng với tốc độ quay n > n
M
.
Trên hình 2.2 là đờng đặc tính tốc độ ngoài của động cơ xăng khi có
(a) và không có (b) bộ phận hạn chế số vòng quay. Để đánh giá khả năng
khắc phục hiện tợng quá tải hay còn gọi là khả năng thích ứng của động cơ
đối với sự tăng tải, ngời ta đa ra hệ số thích ứng theo mô men quay và đợc
xác định :
k
M
M

max
n
M
=
(2.1)

15

Trong đó: M
max
- mô men quay cực đại của động cơ;
M
n
- mô men quay định mức của động cơ.









N
emax
N
e
M
e
n

M
n
n
n
ck
n
mi
M
emax
M
emax
n
ck
n
M
n
n
n
mi
N
e
M
e
N
emax
a) b)
Hình 2.2. Đờng đặc tính tốc độ ngoài của động cơ xăng
a

không có hạn chế số vòng quay; b

có bộ hạn chế số vòng quay.

Động cơ nào có hệ số thích ứng càng lớn thì khả năng khắc phục hiện
tợng quá tải càng tốt. ở các động cơ điêzen thông thờng k
M
= 1.1 ữ 1,25,
còn ở động cơ xăng k
M
= 1,1 ữ 1,35.
ô tô thờng làm việc với tải trọng thay đổi ngẫu nhiên, trong phạm vi
rộng nhiều khi ngời lái không kịp phản xạ để điều chỉnh ga hoặc thay đổi số
truyền và dẫn đến bị chết máy. Do vậy chỉ nên sử dụng công suất động cơ
nhỏ hơn công suất định mức và tất nhiên chỉ cho phép làm việc lâu dài ở
nhánh tự điều chỉnh. Mức độ sử dụng công suất động cơ đợc đánh giá bởi hệ
số sử dụng tải trọng:
=
M
M
c
n
(2.2)
Trong đó: M
c
- mô men cản đặt lên trục khuỷu;
M
n
- mô men quay định mức của động cơ.

16

Đờng đặc tính tốc độ ngoài đợc sử dụng nh một tài liệu kỹ thuật để
đánh giá tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ. Trong lý thuyết ô tô
thờng sử dụng để tính toán tính năng kéo và tính năng động lực học
Việc xây dựng chính xác đờng đặc tính của động cơ chỉ có thể tiến
hành bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, nếu chấp nhận độ chính xác tơng đối
cũng có thể sử dụng phơng pháp giải tích kết hợp sử dụng một số công thức
hoặc hệ số thực nghiệm. Một trong những công thức hay đợc sử dụng là
công thức S.R. Lay Đecman, có dạng nh sau: [3]

NNa
n
n
b
n
n
c
n
n
en
nn n
=+

23
(2.3)
Trong đó: N
e
, n - công suất hiệu dụng và tốc độ quay của động cơ ứng
với một điểm bất kỳ trên đờng đặc tính ngoài;
N
n
, n
n
- công suất định mức (công suất cực đại) và số vòng
quay định mức;
a, b, c - các hệ số thực nghiệm đợc chọn theo loại động cơ;
ở động cơ điêzen 2 kỳ a = 0,87; b = 1,13; c = 1;
ở động cơ điêzen 4 kỳ a = 0,5 ữ 0,7; b = 1,5 ữ 1,3; c = 1.
Giá trị của mô men quay đợc xác định theo công thức:

M
N
n
e
e
=
10
1 047
4
,
(2.4)
Trong đó: Ne - công suất động cơ, KW;
n - số vòng quay của trục khuỷu, v/ph;
Me - mô men quay của động cơ, Nm.
Nh vậy, nhờ sử dụng các công thức (2.3) và (2.4) ta có thể xây dựng
đợc một cách gần đúng các đờng cong N
e
= f(n) và M
e
= f(n).


17

2.1.2. Đờng đặc tính tải trọng
Đờng đặc tính tải trọng là đồ thị biểu diễn mối quan hệ của công suất
hiệu dụng N
e
, số vòng quay của trục khuỷu n và chi phí nhiên liệu giờ G
T

với
mô men quay của động cơ M
e

, thể hiện trên hình 2.3.











M
e
0

N
e
n
G
e
g
e
n
n
n

N
e
G
e
g
e
M
emax
M
n
Hình 2.3. Đờng đặc tính tải trọng của động cơ

Về bản chất của các mối liên hệ giữa các thông số và cách xây dựng
các mối quan hệ đó hoàn toàn giống nh đã phân tích trên đờng đặc tính tốc
độ. Nhng đờng đặc tính tải trọng sẽ thuận lợi hơn cho một số vấn đề nghiên
cứu, nhất là khi nghiên cứu các tính năng kéo của ô tô. Vì rằng, nhánh điều
chỉnh trong đờng đặc tính tải trọng (tơng ứng với khoảng thay đổi mô men
từ 0 đến M
n
) có thể bố trí đợc rộng hơn so với nhánh điều chỉnh ở đờng đặc
tính tốc độ (trong khoảng n
n
- n
ck
). Nhờ đó khi xác định giá trị của các thông
số trên đồ thị sẽ chính xác hơn. Tuy nhiên, để đánh giá tính năng kinh tế - kỹ
thuật của động cơ thì đờng đặc tính tốc độ thể hiện đầy đủ hơn, dễ so sánh
giữa các động cơ với nhau thông qua chi phí nhiên liệu riêng g
e
.

Đờng đặc tính động cơ phụ thuộc nhiều yếu tố [21], [22], do đó khi sử
dụng các đờng đặc tính cần đặc biệt quan tâm đến điều kiện xây dựng chúng

18

2.2. các lực tác dụng lên ô tô
2.2.1. Mô men chủ động [13]
Khi ô tô làm việc công suất và mô men quay của động cơ đợc truyền
qua hệ thống truyền lực rồi đến các bánh xe chủ động để tạo ra sự chuyển
động tịnh tiến của ôtô .
Trên hình 2.4 đợc trình bày sơ đồ đơn giản của hệ thống truyền lực ô
tô bao gồm ly hợp chính 2, hộp số 3, truyền lực chính 4 và hộp vi sai 5.









5


N
e
,
M
e
, n

i
h
3
1
2

4
N
K
M
K
n
K
Hình 2.4. Sơ đồ động học hệ thống truyền lực của ôtô
1 động cơ ; 2 ly hợp ; 3 hộp số;
4 truyền lực chính; 5 hộp vi sai

Mô men quay do động cơ truyền đến các bánh chủ động đợc gọi là
mô men chủ động và thờng đợc ký hiệu là M
k
.
Giá trị của mô men quay M
k
phụ thuộc vào mô men quay của động cơ
M
e
, tỷ số truyền i và hiệu suất
m
của hệ thống truyền lực. Ngoài ra còn phụ
thuộc vào chế độ chuyển động của ô tô.

Khi ô tô chuyển động ổn định:
M
k
= M
e
i
m
(2.5)
Trong đó: M
e
- mô men quay của động cơ;
i,
m
- tỷ số truyền và hiệu suất của hệ thống truyền lực.

19



=








MMJ
d

dt
iJ
d
dt
iJ
d
dt
ked m x
x
xx k
k





(2.6)
Trong đó: J
đ
,
d
dt

- mô men quán tính của các chi tiết chuyển động
khôngđều trongđộng cơ qui đổi đến trục khuỷu và gia tốc góc của động cơ;
J
x
,
d
dt

x

- mô men quán tính và gia tốc của chi tiết thứ x trong hệ
thống truyền lực;
J
k
,
d
dt
k

- mô men quán tính và gia tốc của bánh xe chủ động.
Trong công thức (2.6), dấu cộng (+) đợc sử dụng cho trờng hợp
chuyển động chậm dần và dấu trừ (-) là khi chuyển động nhanh dần.
Mối liên hệ giữa gia tốc tịnh tiến của xe và gia tốc góc của bánh xe
chủ động có thể đợc biểu diễn qua biểu thức:

a
d
dt
r
d
dt
r
i
k
k
k
==

Trong đó: a - gia tốc tịnh tiến của xe;
r
k
- bán kính bánh xe chủ động;
i - tỷ số truyền chung của hệ thống truyền lực.
Từ đó suy ra hệ thức sau:

k
k
x
k
x
k
r
a
dt
d
i
r
a
dt
d
i
r
a
dt
d
=

=
=



;
;

Sau khi thay các giá trị trên vào công thức (2.6) và bằng phép biến đổi
đơn giản nhận đợc mô men chủ động khi chuyển động không ổn định:

(2.7)
akkk
MMM =
'
Trong đó: M
k
- mô men chủ động của tô tô khi chuyển động ổn định;

20