Tài liệu 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 TOÁN 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 TOÁN 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 môn 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 tôi hết sức tận tình, chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô Bộ môn 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 hoàn thành luận văn này. Tôi 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 tôi có thể hoàn 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 khuyên khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu, học tập và thực hiện luận văn. Tính toán 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 Ô TÔ ...............................10 1.1. Lực và mô-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 công suất ..........................................................15 1.4.2. Đồ thị cân bằng công suất .......................................................................16 1.5. Cân bằng lực kéo ô tô ....................................................................................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. Công 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 MÔ 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, mô đun chính của phần mềm ..........................................25 Page 1 Tính toán 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 mô 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 thông số động cơ .......................................................................44 CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH XE BUS SAMCO WENDA TRÊN PHẦN MỀM AVL CRUISE ..........................................................................................................................50 3.1. Chạy mô hình mô phỏng ...............................................................................58 3.1.1. Thiết lập chu trình thử .............................................................................58 3.1.2. Chạy mô hình mô phỏng ..........................................................................60 3.2. Kết quả mô phỏng ..........................................................................................61 3.2.1. Kết quả mô 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 toán 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 toán 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 công suất ô tô. .............................................................................. 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 ô tô.................................................................................................... 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 mô hình. .................................................................................27 Hình 2. 4: Mô đun xe. ....................................................................................................28 Hình 2. 5: Các thông số cơ bản của xe. .........................................................................28 Hình 2. 6: Giải thích các thành phần của mô đun xe.....................................................29 Hình 2. 7: Mô 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 mô đun động cơ ...........................................31 Hình 2. 12: Các thông số cơ bản của bộ truyền động....................................................32 Hình 2. 13: Mô đun bộ truyền đơn. ...............................................................................33 Hình 2. 14: Thông số cơ bản của bộ truyền đơn. ..........................................................33 Hình 2. 15: Giải thích các thông số của bộ truyền đơn. ................................................33 Hình 2. 16: Mô đun vi sai. .............................................................................................34 Hình 2. 17: Các thông số cơ bản của vi sai. ..................................................................34 Hình 2. 18: Giải thích các thông số của vi sai. ..............................................................35 Hình 2. 19: Mô đun phanh. ............................................................................................35 Hình 2. 20: Giải thích các thông số của phanh. .............................................................36 Hình 2. 20: Giải thích các thông số của phanh. .............................................................37 Hình 2. 21: Mô đun bánh xe. .........................................................................................37 Hình 2. 22: Các thông số của bánh xe. ..........................................................................38 Hình 2. 23: Giải thích các thông số của bánh xe. ..........................................................38 Page 4 Tính toán tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ. Hình 2. 24: Bán kính vòng lăn của bánh xe. .................................................................39 Hình 2. 25: Mô đun khoang lái. .....................................................................................39 Hình 2. 26: Thông số của mô đun khoang lái. ..............................................................40 Hình 2. 27: Các biểu đồ đặc tính của khoang lái. ..........................................................41 Hình 2. 28: Mô đun màn hình hiển thị. .........................................................................41 Hình 2. 29: Các thông số hiển thị trên màn hình. ..........................................................42 Hình 2. 30: Mô hình xe Samco Wenda .........................................................................42 Hình 2. 31: Liên kết các dữ liệu BUS. ..........................................................................43 Hình 2. 32: Đồ thị quan hệ giữa công 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 toán. ......................................................................................61 Hình 3. 5: Hiển thị kết quả sau khi mô 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 không tải .....................................................65 Hình 3.14: Đồ thị vận tốc tối đa ở chế độ toàn 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 toán 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 toàn tải ..............................................73 Hình 3.31: Đồ thị gia tốc toàn tải (với m=16000 kg, C=0.7) ........................................73 Hình 3.32: Đồ thị gia tốc toàn 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 toán 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 quán tính ra hai bánh kG/m2 Mqt1, Mqt2 CO HC Mônôxit cácbon Hyđrô cácbon - NOx Ôxit 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 Mômen có ích kW Nm Page 7 Tính toán tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ. LỜI NÓI ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ô tô 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 tô 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 ô tô 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 không, có phù hợp hay không?. Trên cơ sở đó, đề tài: “Tính toán 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 công tác là 12.920cc, có công 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 toán 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 mô đun cho trước người dùng có thể thiết lập bất kỳ mô hình xe. VL RUISE được sử dụng chủ yếu cho việc tính toán 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 toán ứng suất, rung động gây ra. Các mô đun của CRUISE cho phép có thể mô 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 mô 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 toán 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 tô. hương II: Xây dựng mô hình xe bus SAMCO Wenda trên phần mềm AVL Cruise  hương III: Kết quả tính toán mô phỏng xe bus SAMCO Wenda trên phần mềm AVL Cruise Page 9 Tính toán tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ. CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 1.1. Lực và mô-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. Mô-men tại bánh xe có giá trị như sau: M k  M e .it .t (1.1) Trong đó: Mk: Mô-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 toán 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 không còn 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 ô tô. 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 ô tô 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 mô-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 toán 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 không 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 toán 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 ô tô 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 không khí Ô tô chuyển động trong môi trường khí quyển và do đó bị không khí cản lại. Lực cản không khí kí hiệu là Fw, được tính bằng công thức sau: Fw  0,5CAv2 (1.14) Trong đó: ρ: Mật độ không khí, ρ = 1,24 kg/m3. Page 13 Tính toán tính năng làm việc và phát thải của xe bus khi thay đổi động cơ. C: Hệ số khí động của ô tô; 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 quán tính Fq: Fq  m (1.15) Lực quán tính Fq có chiều ngược chiều với gia tốc nên khi ô tô 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 quán tính trên xe ô tô 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 không khí: khi xe kéo mooc, hệ số khí động C của đoàn 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 toán 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 ô tô 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 công suất ô tô 1.4.1. Phƣơng trình cân bằng công 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), công suất cản lăn (Nf), công suất cản không khí (Nw), công suất cản lên dốc (Nd), công suất cản quán tính (Nq) và công suất cản mooc kéo (Nm). Ta có phương trình cân bằng công 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 công suất được tính như sau: Công 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. Công suất cản không 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  Công suất cản quán tính: Nq  Công 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 toán 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 công 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 công suất, cho các giá trị công suất này tại một vận tốc nào đó. Ndt là công suất dự trữ: công 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, không khí, cản lên dốc, cản quán tính và cản mooc kéo. 1.5.1. Phƣơng trình cân bằng lực kéo Fk  Ff  Fw  Fd  Fq  Fm Page 16