Đồ án tốt nghiệp: Động lực học chuyển động thẳng của xe nhiều cầu chủ động 4x4

Đồ án tốt nghiệp phân tích động lực học chuyển động thẳng của xe 4x4. So sánh gia tốc, vận tốc và khả năng leo dốc với xe một cầu chủ động.

• Tác giả: Huỳnh Đoàn Anh Thắng
• Người hướng dẫn: Ts. Lâm Mai Long
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Động lực học chuyển động thẳng của xe nhiều cầu chủ động (4x4)
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm Cơ Bản Về Động Lực Học Xe 4x4 Nhiều Cầu

Động lực học chuyển động thẳng của xe 4x4 nhiều cầu là lĩnh vực nghiên cứu sự tương tác giữa các lực tác dụng lên xe và chuyển động của nó trên địa hình. Xe 4x4 chủ động (all-wheel drive) có khả năng phân phối công suất đến tất cả bốn bánh xe, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất vận hành. Hệ thống nhiều cầu chủ động cho phép xe vượt qua địa hình khó khăn hơn so với xe một cầu chủ động. Việc hiểu rõ nguyên lý động lực học giúp các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế, nâng cao hiệu năng và an toàn của xe. Đề tài này tập trung vào phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động thẳng, bao gồm lực kéo, lực cản, và khả năng bám của bánh xe trên đường.

1.1. Định Nghĩa Xe 4x4 Chủ Động

Xe 4x4 chủ động là loại xe ô tô du lịch có hệ thống truyền động đến bốn bánh xe độc lập. Khác với xe hai cầu thông thường, xe nhiều cầu chủ động có khả năng điều khiển lực kéo đến từng bánh, tăng độ bám và khả năng vận hành trên địa hình xấu. Hệ thống này sử dụng vi sai thông minh để phân phối momen hiệu quả.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Động Lực Học

Nghiên cứu động lực học chuyển động thẳng giúp tối ưu hóa vận tốc cực đại, khả năng tăng tốc và khả năng leo dốc của xe. Việc phân tích chi tiết về lực bám bánh, sự trượt bánh và phân phối công suất là nền tảng để thiết kế xe an toàn và hiệu quả hơn.

II. Các Lực Tác Động Và Cân Bằng Lực Trên Xe 4x4

Khi xe 4x4 chuyển động thẳng, nhiều lực tác động cần được cân bằng để duy trì chuyển động ổn định. Lực kéo tiếp tuyến được tạo ra từ động cơ thông qua hệ truyền động, trong khi lực cản lăn (rolling resistance) luôn chống lại chuyển động. Ngoài ra còn có lực cản không khí (aerodynamic drag), lực cản dốc khi xe leo dốc, và lực quán tính. Đối với xe nhiều cầu chủ động, phương trình cân bằng lực kéo phức tạp hơn vì công suất được chia sẻ giữa các cầu. Đồ thị cân bằng lực kéo thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc và lực kéo có sẵn, từ đó xác định được vận tốc cực đại và khả năng vượt qua địa hình.

2.1. Các Loại Lực Cản Trên Xe

Lực cản lăn phụ thuộc vào hệ số bám và trọng lượng xe. Lực cản không khí tăng theo bình phương vận tốc. Lực cản dốc được xác định bởi góc dốc và trọng lượng. Lực quán tính xuất hiện khi xe gia tốc. Lực cản ở móc kéo (nếu có) cũng phải tính toán.

2.2. Phương Trình Cân Bằng Công Suất

Cân bằng công suất của xe được biểu diễn bằng: công suất động cơ = tổng công suất cần thiết để vượt các lực cản. Đối với xe 4x4 chủ động, công suất được phân phối hiệu quả giữa các bánh, giúp tăng khả năng leo dốc và gia tốc quán tính.

III. Sự Lăn Và Bám Của Bánh Xe 4x4

Sự lăn của bánh xe là một khía cạnh quan trọng trong động lực học xe. Bán kính lăn của bánh thay đổi tùy theo tải trọng và áp suất lốp, ảnh hưởng đến tốc độ chuyển động của xe. Khả năng bám bánh được xác định bởi hệ số bám (μ), phụ thuộc vào loại lốp, bề mặt đường, và điều kiện thời tiết. Lực bám bánh là lực tối đa mà bánh có thể truyền mà không bị trượt, được tính bằng: F_bám = μ × N (N là lực pháp tuyến). Khi xe 4x4 chủ động, lực bám được phân phối đến bốn bánh, cho phép xe hoạt động tốt trên địa hình khó khăn như cát, bùn hoặc đá. Sự trượt bánh được kiểm soát tốt hơn nhờ hệ thống điều khiển tự động.

3.1. Các Loại Bán Kính Của Bánh Xe

Bán kính thiết kế là kích thước danh nghĩa của lốp. Bán kính tĩnh được đo khi bánh không lăn. Bán kính động lực học là bán kính hiệu dụng khi bánh truyền lực. Bán kính lăn là bán kính khi bánh chuyển động trên đường. Bán kính tính toán là trung bình dùng cho phép tính.

3.2. Đặc Tính Trượt Và Hệ Số Bám

Hệ số bám tăng từ 0 đến giá trị tối đa khi tỷ lệ trượt tăng, sau đó giảm. Trên xe 4x4 chủ động, lực bám được tối ưu hóa ở từng bánh độc lập, cho phép xe leo dốc mà không bị trượt ngược.

IV. Hệ Thống Phân Phối Công Suất Trên Xe Nhiều Cầu Chủ động

Hệ thống phân phối công suất là yếu tố then chốt quyết định hiệu suất của xe 4x4 chủ động. Vi sai là cơ cấu chính trong hệ thống, có nhiệm vụ phân phối momen kéo giữa bánh trái và bánh phải sao cho chúng có thể quay với vận tốc khác nhau khi cần thiết (ví dụ khi quay). Đối với xe nhiều cầu chủ động, công suất được chia sẻ giữa cầu trước và cầu sau thông qua vi sai trung tâm. Hệ thống không dùng vi sai giới hạn tính toán chặt hơn. Phân phối công suất tối ưu cho phép xe đạt vận tốc cực đại cao hơn, khả năng tăng tốc nhanh hơn, và đặc biệt là khả năng leo dốc tăng đáng kể so với xe một cầu chủ động. Kết quả nghiên cứu cho thấy xe nhiều cầu chủ động có thể vượt qua địa hình dễ dàng hơn.

4.1. Vai Trò Của Vi Sai Trong Phân Phối Momen

Vi sai cho phép phân phối momen tự động giữa bánh phải-trái và cầu trước-sau. Động học vi sai đảm bảo rằng mỗi bánh nhận được lực kéo thích hợp tùy theo điều kiện bám đường. Vi sai thông minh trên xe 4x4 chủ động điều chỉnh phân phối dựa trên cảm biến, cải thiện khả năng vượt địa hình.

4.2. So Sánh Hiệu Suất Giữa Xe Một Cầu Và Nhiều Cầu Chủ động

Xe một cầu chủ động chỉ truyền động đến hai bánh, giới hạn khả năng bám trên địa hình xấu. Xe 4x4 chủ động truyền lực đến bốn bánh, tăng hệ số bám toàn bộ, nâng cao vận tốc cực đại 15-20%, khả năng leo dốc tăng 25-30%, và gia tốc quán tính tốt hơn rõ rệt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Lời mở đầu Trong những năm gần đây, những yêu cầu về tính năng cơ động, chất lượng động lực học của ô tô ngày càng được nâng cao. Cùng với xu hướng phát triển hiện nay, các nhà thiết kế ô tô đã cho ra đời các thế hệ xe sử dụng nhiều cầu chủ động để đáp ứng tính năng cơ động cao. Một trong những khuynh hướng nâng cao tính chất động lực học của ô tô là việc phân bố và sử dụng hợp lý lực kéo trên các cầu chủ động và trên các bánh xe trái-phải của cầu chủ động. Điều này liên quan đến việc nghiên cứu về khả năng bám, sự phân phối công suất từ động cơ đến các bánh xe chủ động.

Và đây cũng là những nội dung chính mà chúng em sẽ nghiên cứu và trình bày trong Đồ án của mình, đó là nghiên cứu về khả năng bám, sự phân phối công suất, tính chất động lực học chuyển động thẳng trên model xe sử dụng hai cầu chủ động, một cầu chủ động, từ đó đưa ra các kết quả tính toán, so sánh các tính chất động lực học chuyển động thẳng để rút ra kết luận cuối cùng, hướng đến cái nhìn tổng quát về ưu điểm của xe hai cầu chủ động so với các mẫu xe sử dụng một cầu chủ động về khả năng cơ động, vượt địa hình 1.2 Mục đích của đề tài Nội dung của đề tài là xây dựng được mô hình nghiên cứu lý thuyết để thiết lập các phương trình mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng mô hình phẳng một vết. Khảo sát quỹ đạo chuyển động của xe khi biết trước quy luật, xem xét các nhân tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động có kể đến các đặc tính biến dạng của lốp, sự phân bố tải trọng lên các bánh xe, phân phối công suất, thay đổi vận tốc của xe, điều đó làm thay đổi quỹ đạo chuyển động của ô tô. Ta đặc biệt quan tâm đến xe có nhiều cầu chủ động là bởi vì nguyên nhân chủ yếu khiến cho ô tô bị mất ổn định khi chuyển động thẳng là do lực kéo có hay không có, lực kéo lớn hay lực kéo nhỏ, như vậy việc phân bố lực kéo ở các cầu chủ động sẽ làm ảnh hưởng đến sự trượt của cầu đó. Vì vậy, ta sẽ nghiên cứu về ổn định chuyển động thẳng giữa ô tô có hai cầu chủ động xem nó khác với ô tô một cầu chủ động như thế nào.3 Giới hạn của đề tài 1 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Đồ Án Tốt Nghiệp Để giải quyết các vấn đề trên, đề tài “Động lực học chuyển động thẳng xe nhiều cầu chủ động 4x4” chỉ nghiên cứu tập trung vào các nội dung sau: ▪ Tính toán các thông số động lực học của xe.

▪ Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển động thẳng.4 Phương pháp nghiên cứu ▪ Phương pháp nghiên cứu tài liệu: trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến lý thuyết chuyển động thẳng của xe ô tô, thu thập tài liệu qua sách, luận văn thạc sĩ, qua Internet. ▪ Phương pháp phân tích triển khai và giải các phương trình động lực học chuyển động thẳng. ▪ So sánh đánh giá. 2 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Đồ Án Tốt Nghiệp Chương 2: LÝ THUYẾT VỀ SỰ LĂN VÀ SỰ BÁM CỦA BÁNH XE 2.1 Các loại bán kính của bánh xe Bán kính của bánh xe là một thông số hình học cơ bản của bánh xe.

Do lốp xe có độ đàn hồi nên có thể biến dạng theo mọi phương. Bởi vậy bán kính bánh xe có lốp đàn hồi sẽ không nhất định và phụ thuộc vào phương pháp định nghĩa.1 Bán kính thiết kế Bán kính thiết kế ro (mm) là bán kính của bánh xe không quay, không chịu tải, áp suất không khí trong lốp ở mức danh định. Bán kính này được xác định theo kích thước tiêu chuẩn tên lốp,được cho bởi nhà chế tạo. Ví dụ : một lốp có kí hiệu B-d Trongđó: B – Bề dày của lốp (inch).

d – Đường kính vành bánh xe (inch). 𝑟0 – bán kính thiết kế Lúc đó r0 được xác định như sau d r0 = (B + ) 25,4 (mm) 2 2.2 Bán kính tĩnh của bánh xe Bán kính tĩnh rt (m) là khoảng cách từ tâm bánh xe tới mặt đường khi bánh xe đứng yên và chịu lực tác dụng theo chiều pháp tuyến. Giá trị của rt phụ thuộc vào các lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe và áp suất không khí trong lốp.3 Bán kính động lực học của bánh xe Bán kính động lực học rđ (mm) là khoảng cách từ tâm bánh xe tới mặt đường khi bánh xe đang lăn và chịu các lực tác dụng theo cả ba chiều: dọc,đứng và ngang. 3 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Đồ Án Tốt Nghiệp Giá trị của rđ phụ thuộc vào các yếu tố sau : - Tải trọng thẳngđứng tác dụng lên bánh xe.

- Lực ly tâm khi bánh xe quay. - Mômen chủ động MK hoặc mômen phanh MP (N.m) - Áp suất không khí trong lốp.4 Bán kính lăn của bánh xe Bán kính lăn rl (m) không phải là thông số hình học mà là thông số động học, nó là tỉ lệ giữa vận tốc tịnh tiến thực tế v (m/s) và vận tốc góc của bánh xe ωk (rad/s). Bán kính lăn được xác định : v rl = ωk Bán kính lăn (rl ) liên quan đến sự trượt: + Lực phanh mạnh thì sẽ bị trượt nhiều + Lực phanh nhẹ thì sẽ trượt ít Sự trượt phụ thuộc vào lực kéo hay lực phanh nên rl cũng phụ thuộc vào lực kéo hay lực phanh. Fp Với : rl 0 là bán kính lăn của bánh xe khi không có lực kéo (m) λF là hệ số biến dạng vòng (0,001 ÷ 0,01) Fk , Fp là lực kéo và lực phanh (N.m) 4 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Đồ Án Tốt Nghiệp ̀ h 2.1: Sự phụ thuộc của bán kính lăn vào moment hoặc lực tác dụng lên bánh xe Hin Khi lực kéo Fk tăng thì bán kính lăn rl sẽ giảm đó khi đó sự trượt quay của bánh xe sẽ tăng.

Khi lực kéo Fk = Fkmax thì bán kính lăn rl = 0 và khi đó xe sẽ xảy ra hiện tượng trượt quay hoàn toàn. Khi lực phanh Fp tăng thì bán kính lăn rl tăng nên sự trượt lết của bánh sẽ tăng dần. Khi lực phanh Fp = Fpmax thì bán kính lăn rl = ∞ và khi đó sẽ xảy ra hiện tượng trượt lết hoàn toàn.5 Bán kính làm việc trung bình (bán kính tính toán) của bánh xe Trong tính toán thực tế, người ta thường sử dụng bán kính của bánh xe có kể đến sự biến dạng của lốp do ảnh hưởng của các thông số đã trình bày ở trên. Giá trị của bán kính này so với bán kính thực tế sai lệch không lớn nên gọi là bán kính làm việc trung bình và được kí hiệu là r và được tính : r = λ.

r0 Trong đó : r0 - Bán kính thiết kế của bánh xe (m) 5 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Đồ Án Tốt Nghiệp λ - Hệ số kể đến sự biến dạng của lốp, được chọn phụ thuộc vào loại lốp Với lốp có áp suất thấp : λ = 0,93 ÷ 0,935 Với lốp có áp suất cao : λ = 0,945 ÷ 0,95 Với sai lệch không đáng kể có thể chọn r = rl0 2.2 Động lực học bánh xe lăn 2.1 Các khái niệm • Vận tốc chuyển động lý thuyết v0 v0 là vận tốc của xe khi chuyển động hoàn toàn không có trượt. r t t Với : Sl – Quãng đường lý thuyết mà bánh xe đã lăn (m) t – Thời gian bánh xe đã lăn (s) r – Bán kính tính toán của bánh xe (m) N –Tổng số vòng quay của bánh xe (vòng/phút) ωk –Vận tốc góc của bánh xe (rad/s) • Vận tốc chuyển động thực tế v v (m/s) là vận tốc chuyển động của xe khi có tính đến ảnh hưởng của sự trượt của bánh xe với mặt đường.N v= t= = ωk rl t t Với : 6 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Đồ Án Tốt Nghiệp St – quãng đường thực tế mà bánh xe đã lăn (m) t – thời gian mà bánh xe đã lăn (s) rl – bán kính lăn của bánh xe (m) • Vận tốc trượt vδ : Khi xe chuyển động có sự trượt giữa bánh xe với mặt đường thì vận tốc thực tế của xe và vận tốc lý thuyết sẽ khác nhau. Sự chênh lệch giữa hai loại vận tốc vừa nêu trên chính là vận tốc trượt vδ (m/s) vδ = v − v0 = ωk. r • Hệ số trượt và độ trượt + Hệ số trượt và độ trượt khi kéo: Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt δk v v −v r δk = − δ = 0 =1− l v0 v0 r Mức độ trượt của bánh xe được đánh giá thông qua độ trượt λk : λk = δk 100% + Hệ số trượt và độ trượt khi phanh: Trong trường hợp phanh ta có hệ số trượt và độ trượt : v v −v v r δp = − δ = 0 = 0−1= −1 v v v rl λp = δp 100% 2.2 Các quan hệ động lực học bánh xe lăn trên đường 7 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Đồ Án Tốt Nghiệp Khi bánh xe lăn trên đường chỉ có thể ở 1 trong 3 trạng thái sau: +Lăn không trượt (ở bánh xe bị động và không phanh) +Lăn có trượt quay (ở bánh xe chủ động và đang có lực kéo) +Lăn có trượt lết (ở bánh xe đang phanh) ➢ Trạng thái 1: Bánh xe lăn không trượt: Hin ̀ h 2.2: Lăn không trượt Trường hợp này, tốc độ thực tế bằng tốc độ lý thuyết v0 , ta có : v = v0 = ωk.

r Lúc này bán kính lăn bằng bán kình tính toán rl = r Trạng thái này chỉ có được ở bánh xe bị động với MP = 0, lúc đó vδ = 0 ➢ Trạng thái 2: Lăn có trượt quay 8 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Đồ Án Tốt Nghiệp Hin ̀ h 2.3: Lăn có trượt quay Trường hợp này của bánh xe đang có lực kéo ,tốc độ thực tế v nhỏ hơn tốc độ lý thuyết v0 và bán kính lăn rl nhỏ hơn bán kính tính toán r. Trong vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường,theo quy luật phân bố vận tốc thì sẽ xuất hiện 1 vận tốc trượt vδ. Ta có quan hệ: v = v0 + vδ = ωk .