Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô, việc thiết kế và tính toán động lực học cho các phương tiện vận tải đóng vai trò cốt lõi nhằm xác định công suất động cơ phù hợp, tỷ số truyền hệ thống truyền lực tối ưu, cũng như bảo đảm các tiêu chuẩn về tính năng kéo, tính năng bám và độ ổn định chuyển động. Đồ án chuyên đề "Kết cấu và Tính toán Ô tô" do sinh viên Đào Duy Nhơn (MSSV: 62134062) thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Huỳnh Trọng Chương tại Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Nha Trang (năm 2023) tập trung giải quyết bài toán thiết lập cơ sở lý thuyết và tính toán các thông số động lực học ban đầu cho ô tô.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về kết cấu các hệ thống chính trên ô tô (động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống treo, khung sườn, hệ thống lái và phanh) và phương pháp xác định các thông số động lực học chuyển động.
  2. Xây dựng các mô hình giải tích và phương pháp lập bảng tính tự động trên phần mềm bảng tính nhằm xác định mô-men xoắn, lực kéo tiếp tuyến, vận tốc và kiểm tra điều kiện bám của xe trên đường.
  3. Thực hiện chọn và tính toán sơ bộ cho một đối tượng cụ thể là xe khách 29 chỗ với các điều kiện vận hành xác định trên đường nhựa tiêu chuẩn tại Việt Nam.

Đối tượng nghiên cứu là xe khách 29 chỗ (công thức bánh xe $4 \times 2$) hoạt động trên đường giao thông công cộng. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc tính toán các thông số tải trọng, lực cản chuyển động, xác định công suất cực đại của động cơ đốt trong (Diesel), và phân bổ tải trọng lên các cầu xe trong không gian nghiên cứu tại Việt Nam vào năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu sử dụng các lý thuyết cơ bản của ngành Kỹ thuật Ô tô về động lực học kéo và chuyển động của phương tiện giao thông đường bộ:

  • Lý thuyết động lực học kéo và cân bằng lực: Sử dụng phương trình cân bằng lực kéo tiếp tuyến phát ra ở bánh xe chủ động đối với tổng lực cản môi trường (cản lăn, cản dốc, cản không khí và cản quán tính).
  • Mô hình đường đặc tính ngoài của động cơ đốt trong theo hàm S. Lay Decman: Xác định sự biến thiên công suất $N_e$ và mô-men xoắn $M_e$ theo số vòng quay trục khuỷu $n_e$ dựa trên các hệ số thực nghiệm phù hợp với từng loại buồng cháy và chu trình làm việc của động cơ.
  • Lý thuyết phân chia tỷ số truyền hệ thống truyền lực: Phân tách hệ thống truyền lực thành cụm "tỷ số truyền không thay đổi" (truyền lực chính, truyền lực cuối cùng) và "tỷ số truyền thay đổi" (hộp số chính, hộp số phụ) với phương án phân bố cấp số theo cấp số nhân hoặc cấp số điều hòa.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích lý thuyết và tra cứu bảng thực nghiệm kỹ thuật:

  • Phương pháp phân tích - tính toán giải tích: Thiết lập các biểu thức toán học xác định khối lượng hữu ích, khối lượng toàn tải, lực bám tiếp tuyến nhỏ nhất và lớn nhất, bán kính lăn của bánh xe, và công suất yêu cầu của động cơ ứng với vận tốc cực đại $v_{max}$.
  • Phương pháp thực nghiệm và tra cứu thông số kỹ thuật: Dựa vào các bộ số liệu thực nghiệm chuẩn theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và sổ tay thiết kế ô tô để xác định các hệ số khí động học $K$, hệ số cản lăn $f_0$, hệ số bám $\varphi$, và hiệu suất hệ thống truyền lực $\eta_t$.
  • Phương pháp mô hình hóa dữ liệu bảng tính: Xây dựng cấu trúc ma trận tính toán trên Microsoft Excel để xử lý đồng thời các biến số vận tốc ($v$), mô-men kéo ($M_k$), lực kéo tiếp tuyến ($P_k$) và lực bám ($P_\varphi$) theo từng tay số và số vòng quay động cơ.

Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán bao gồm các bảng thông số quy chuẩn về khối lượng bản thân, tải trọng phân bố, dải kích thước bao, dải tỷ số truyền và các hệ số thực nghiệm của động cơ đốt trong được quy định cho các dòng xe con, xe khách và xe tải.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Lý thuyết kết cấu và tính toán ô tô

Phần này trình bày toàn bộ cơ sở lý luận, hệ thống công thức giải tích và nguyên lý kết cấu của các hệ thống trên ô tô, làm nền tảng cho quy trình tính toán:

  1. Thông số ban đầu và các lực cản chuyển động:

    • Xác định các đại lượng đầu vào: số lượng người tham gia ($n$), khối lượng hàng hóa ($G_{hh}$), vận tốc cực đại ($v_{max}$), vận tốc cực tiểu ($v_{min}$), độ dốc mặt đường ($i$).
    • Phân loại trạng thái mặt đường và hệ số tương tác: Bảng tra hệ số bám $\varphi$ và hệ số cản lăn cơ sở $f_0$ ứng với vận tốc $v \le 80\text{ km/h}$. Khi $v > 80\text{ km/h}$, hệ số cản lăn biến đổi theo hàm thực nghiệm: $$f_{vi} = f_0 \cdot \left[ 1 + \left( \frac{v_i - 80}{80} \right)^2 \right]$$ hoặc đối với mặt đường nhựa/bê tông khô: $f_{vi} = \frac{32 + v_i}{2800}$ (với $v_i$ tính bằng m/s).
    • Nhân tố khí động học $W$ được xác định qua diện tích cản chính diện $F$ và hệ số cản khí động học $K$: $W = K \cdot F$ (với $F = W_{(F)} \cdot H_0 \cdot \text{hệ số hình dáng}$).

  2. Động cơ đốt trong và đường đặc tính ngoài:

    • Hàm thực nghiệm S. Lay Decman mô tả đường đặc tính công suất: $$N_e = f(n_e) = N_{max} \left[ a \left( \frac{n_e}{n_N} \right) + b \left( \frac{n_e}{n_N} \right)^2 - c \left(\frac{n_e}{n_N}\right)^3 \right]$$ Trong đó, các hệ số $a, b, c$ phụ thuộc vào chu trình (2 kỳ/4 kỳ), nhiên liệu (xăng/diesel) và cấu tạo buồng cháy (trực tiếp, dự bị, xoáy lốc).
    • Mối quan hệ giữa mô-men xoắn trục khuỷu $M_e$ (N.m) và công suất $N_e$ (kW): $$M_e = 10^4 \cdot \frac{N_e}{n_e}$$

  3. Lực bám và chọn lốp xe:

    • Thiết lập điều kiện bám không trượt quay khi xe bắt đầu khởi hành và chuyển động: $P_c \le P_{ki} \le P_\varphi$.
    • Tính toán tải trọng cực đại phân bố lên một đầu trục bánh xe $M = \max(G_{wo1}, G_{wa1}, G_{wo2}, G_{wa2})$ để tra cứu chọn lốp, xác định bán kính thiết kế $r_0$ và bán kính lăn $r_b = \lambda \cdot r_0$ (với $\lambda$ là hệ số biến dạng lốp phụ thuộc áp suất).

  4. Hệ thống truyền lực tổng quát và phân phối tỷ số truyền:

    • Thiết lập công thức hiệu suất tổng quát $\eta_t = \eta_{lh} \cdot \eta_h \cdot \eta_p \cdot \eta_{cd} \cdot \eta_o \cdot \eta_{vs} \cdot \eta_{cc}$ và tỷ số truyền tổng $i_{t(i,j)} = i_{hi} \cdot i_{pj} \cdot i_o \cdot i_{cc}$.
    • Tách thành hai cụm: Cụm tỷ số truyền không đổi ($i_n = i_o \cdot i_{cc}$) xác định từ điều kiện đạt $v_{max}$, và cụm tỷ số truyền thay đổi ($i_{yi} = i_{hi} \cdot i_{pj}$) xác định từ điều kiện đạt $v_{min}$.
    • Phương pháp phân chia tỷ số truyền trung gian trong hộp số chính:
      • Theo cấp số nhân: Công bội $q = \sqrt[n-1]{\frac{i_{h1}}{i_{hn}}}$, số cấp số $n = \log_q\left(\frac{i_{h1}}{i_{hn}}\right) + 1$.
      • Theo cấp số điều hòa: Hằng số điều hòa $a = \frac{\frac{i_{h1}}{i_{hn}} - 1}{(n-1) \cdot i_{h1}}$, xác định $i_{h2} = \frac{i_{h1}}{1 + a \cdot i_{h1}}$.
      • Tỷ số truyền tay số lùi: $i_{lui} = [a] \cdot i_{h1}$ (với $[a] = 1,1 \div 1,3$).

  5. Cân bằng lực kéo và các hệ thống kết cấu khác:

    • Phương trình cân bằng lực kéo: $P_{k(i,j)} = P_{mfv} \pm P_{mi} + P_\omega \pm P_{mj}$.
    • Khảo sát kết cấu khung sườn (rời, nguyên khối, bán nguyên khối), hệ thống treo (độc lập, phụ thuộc, phần tử đàn hồi lò xo/nhíp/thanh xoắn/khí nén), hệ thống lái (đòn ngang liền/gãy, cơ cấu lái trục vít/thanh răng, trợ lực thủy lực/điện) và hệ thống phanh (dẫn động dầu/khí nén, cơ cấu đĩa/guốc).

Phần II: Chọn và tính toán sơ bộ

Phần này áp dụng toàn bộ phương pháp luận của Phần I vào việc tính toán các thông số kỹ thuật cụ thể cho đối tượng thiết kế:

  1. Xác lập thông số thiết kế ban đầu:

    • Chủng loại phương tiện: Xe khách 29 chỗ ($n = 29$ người).
    • Khối lượng hàng hóa chuyên chở: $G_{hh} = 200\text{ kg}$.
    • Vận tốc yêu cầu: $v_{max} = 118\text{ km/h}$ ($32,78\text{ m/s}$), $v_{min} = 4\text{ km/h}$ ($1,11\text{ m/s}$) trên mặt đường nhựa khô sạch ($\varphi = 0,7 \div 0,8$).
    • Độ dốc mặt đường thử nghiệm: $i = 0,005$.

  2. Tính toán khối lượng và phân bố tải trọng:

    • Khối lượng bản thân: Chọn $G_0 = 4100\text{ kg}$ (nằm trong dải chuẩn $2025 \div 8525\text{ kg}$).
      • Phân bố cầu trước: $G_{o1} = 1300\text{ kg}$ ứng với $31,7%$ $G_0$ (thỏa mãn dải quy định $31 \div 59%$).
      • Phân bố cầu sau: $G_{o2} = 2800\text{ kg}$ ứng với $68,3%$ $G_0$ (thỏa mãn dải quy định $41 \div 69%$).
    • Khối lượng hữu ích $G_e$:
      • Khối lượng trung bình người $G_p = 70\text{ kg}$, hành lý $G_{hl/p} = 5\text{ kg}$.
      • Khối lượng hành khách và hành lý xách tay: $G_{AP} = (70 + 5) \times 29 = 2175\text{ kg}$.
      • Tổng khối lượng hữu ích: $G_e = 2175 + 200 = 2375\text{ kg}$.
    • Khối lượng toàn tải ($G_a$):
      • $G_a = G_0 + G_e = 4100 + 2375 = 6475\text{ kg}$ (tương ứng trọng lượng $64750\text{ N}$).
      • Phân bố cầu trước khi đủ tải: $G_{a1} = 2365\text{ kg}$ ứng với $36,5%$ $G_a$ (thỏa mãn dải $36 \div 44%$).
      • Phân bố cầu sau khi đủ tải: $G_{a2} = 4110\text{ kg}$ ứng với $63,5%$ $G_a$ (thỏa mãn dải $56 \div 64%$).
    • Tọa độ trọng tâm xe: Khoảng cách từ trọng tâm $G$ đến tâm cầu trước $a% = 36,52% L$, đến tâm cầu sau $b% = 63,48% L$.

  3. Tính toán hệ số cản và nhân tố khí động học:

    • Hệ số cản lăn tại vận tốc cực đại ($v_{max} = 118\text{ km/h} \approx 32,78\text{ m/s}$): $$f_{vmax} = \frac{32 + 32,78}{2800} \approx 0,023$$
    • Thông số kích thước và khí động học: Chiều rộng bao $W_0 = 2050\text{ mm}$, hệ số cản khí động học $K = 0,25\text{ Ns}^2/\text{m}^4$.

  4. Tính toán chọn động cơ đốt trong:

    • Lựa chọn phương án động cơ: Động cơ Diesel 4 kỳ, buồng cháy xoáy lốc, đặt phía sau theo phương ngang của xe.
    • Các thông số vòng quay: $n_{min} = 600\text{ v/p}$, có bộ hạn chế số vòng quay; tỷ số vòng quay $\lambda = \frac{n_{max}}{n_N} = 0,9$.
    • Các hệ số thực nghiệm Lay Decman tra bảng: $a = 0,7$; $b = 1,3$; $c = 1$.
    • Hiệu suất hệ thống truyền lực trung bình (chủng loại truyền lực chính 1 cấp): $\eta_t = 0,89$.
    • Tính toán công suất:
      • Công suất yêu cầu tại $v_{max}$: $$N_{vmax} = \frac{1}{\eta_t} \cdot \left[ (f_{vmax} + i) \cdot G_a + W \cdot v_{max}^2 \right] \cdot v_{max} = 122,856\text{ kW}$$
      • Công suất cực đại của động cơ tính theo công thức Lay Decman tại điểm $n_e = n_{max}$: $$N_{max} = \frac{N_{vmax}}{a \cdot \lambda + b \cdot \lambda^2 - c \cdot \lambda^3} = \frac{122,856}{0,7 \cdot 0,9 + 1,3 \cdot 0,9^2 - 1 \cdot 0,9^3} = 128,783\text{ kW}$$
      • Quy chuẩn lựa chọn động cơ thực tế: Chọn động cơ có công suất cực đại định mức $N_{max} = 130\text{ kW}$ tại số vòng quay định mức $n_N = 3250\text{ v/p}$.

  5. Phân tích lực bám của bánh xe chủ động:

    • Cấu hình dẫn động: Công thức bánh xe $4 \times 2$, cầu sau chủ động.
    • Khối lượng bám không tải: $G_{o\varphi} = G_{o2} = 2800\text{ kg}$.
    • Khối lượng bám toàn tải: $G_{a\varphi} = G_{a2} = 4110\text{ kg}$.

Kết quả và đóng góp

Tài liệu đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán động lực học ban đầu cho xe khách 29 chỗ với các kết quả cụ thể được tổng hợp trong bảng số liệu kỹ thuật:

Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị tính toán / lựa chọn Đơn vị
Số chỗ ngồi thiết kế $n$ $29$ chỗ
Khối lượng hàng hóa chuyên chở $G_{hh}$ $200$ kg
Khối lượng bản thân xe $G_0$ $4100$ kg
Phân bố khối lượng không tải cầu trước $G_{o1}$ $1300$ ($31,7%$) kg
Phân bố khối lượng không tải cầu sau $G_{o2}$ $2800$ ($68,3%$) kg
Khối lượng toàn bộ khi đủ tải $G_a$ $6475$ kg
Phân bố khối lượng đủ tải cầu trước $G_{a1}$ $2365$ ($36,5%$) kg
Phân bố khối lượng đủ tải cầu sau $G_{a2}$ $4110$ ($63,5%$) kg
Vận tốc lớn nhất thiết kế $v_{max}$ $118$ km/h
Vận tốc nhỏ nhất ổn định $v_{min}$ $4$ km/h
Hệ số cản lăn tại $v_{max}$ $f_{vmax}$ $0,023$ -
Độ dốc đường thử nghiệm $i$ $0,005$ -
Hiệu suất hệ thống truyền lực $\eta_t$ $0,89$ -
Công suất động cơ tại $v_{max}$ $N_{vmax}$ $122,856$ kW
Công suất cực đại tính toán $N_{max\text{ (tính)}}$ $128,783$ kW
Công suất động cơ lựa chọn $N_{max\text{ (chọn)}}$ $130$ kW
Số vòng quay ứng với $N_{max}$ $n_N$ $3250$ v/p
Khối lượng bám trục chủ động (toàn tải) $G_{a\varphi}$ $4110$ kg

Đóng góp chính của đồ án gồm:

  • Xây dựng một quy trình giải tích chuẩn hóa, kết nối chặt chẽ giữa các bảng tra cứu thực nghiệm tiêu chuẩn kỹ thuật với các công thức giải tích động lực học ô tô.
  • Thiết lập các bảng mẫu phân tích lực và mô-men trên nền tảng bảng tính Excel (từ Bảng mẫu 12 đến Bảng mẫu 16), cho phép tự động hóa quá trình xác định đường đặc tính lực kéo tiếp tuyến, vận tốc và kiểm tra điều kiện bám chống trượt ở mọi chế độ làm việc của động cơ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nội dung văn bản đồ án mới dừng lại ở giai đoạn tính toán sơ bộ công suất động cơ, phân bố tải trọng và xác lập khối lượng bám. Các bước tính toán chi tiết kích thước hình học bánh răng hộp số, tỷ số truyền cụ thể từng cấp số, tính toán bền trục truyền cardan, bán trục, hệ thống treo, phanh và cơ cấu lái chưa được thể hiện chi tiết trong phần văn bản này.
  • Hướng mở rộng:
    • Tiếp tục hoàn thiện việc xác định chính xác tỷ số truyền của hộp số chính ($i_{h1} \div i_{hn}$) và truyền lực chính ($i_0$) theo dải cấp số nhân hoặc cấp số điều hòa.
    • Sử dụng phần mềm bảng tính đã thiết lập để xuất đồ thị cân bằng lực kéo hoàn chỉnh ($P_k - v$), đồ thị nhân tố động lực học ($D - v$) và đồ thị gia tốc của xe.
    • Tiến hành tính toán kiểm nghiệm bền chi tiết cho các cụm cơ cấu truyền động và dẫn động theo tải trọng tĩnh và tải trọng động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật phù hợp cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Giao thông, Cơ khí Động lực khi thực hiện đồ án môn học "Kết cấu và Tính toán Ô tô" hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế ô tô chuyên dụng, xe khách, xe tải.
  • Phần đáng tham khảo nhất là:
    • Hệ thống công thức và bảng tra cứu các hệ số thực nghiệm S. Lay Decman ($a, b, c, \lambda$) theo các loại buồng cháy động cơ Diesel.
    • Phương pháp luận phân chia và kiểm tra tỷ số truyền hệ thống truyền lực ($i_n$ và $i_{yi}$) dựa trên hai điều kiện biên $v_{max}$ và $v_{min}$.
    • Cấu trúc các bảng tính ma trận mô-men và lực kéo tiếp tuyến trên phần mềm Excel.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối lượng toàn tải của xe khách 29 chỗ trong đồ án được tính toán như thế nào?
Khối lượng toàn tải $G_a$ được tính bằng tổng khối lượng bản thân ($G_0 = 4100\text{ kg}$) và khối lượng hữu ích ($G_e = 2375\text{ kg}$), đạt $G_a = 6475\text{ kg}$. Trong đó, khối lượng hữu ích gồm khối lượng của 29 người và hành lý xách tay ($G_{AP} = (70 + 5) \times 29 = 2175\text{ kg}$) cộng với khối lượng hàng hóa ($G_{hh} = 200\text{ kg}$).

2. Động cơ đốt trong được lựa chọn trang bị cho xe thiết kế có các thông số kỹ thuật chính là gì?
Xe được trang bị động cơ Diesel 4 kỳ, buồng cháy xoáy lốc, bố trí phía sau và đặt theo phương ngang của xe. Động cơ có công suất cực đại lựa chọn $N_{max} = 130\text{ kW}$ tại số vòng quay định mức $n_N = 3250\text{ v/p}$, số vòng quay nhỏ nhất $n_{min} = 600\text{ v/p}$, có bộ hạn chế số vòng quay với tỷ số $\lambda = n_{max}/n_N = 0,9$.

3. Công thức thực nghiệm S. Lay Decman áp dụng các hệ số $a, b, c$ nào cho động cơ của xe?
Đối với động cơ Diesel 4 kỳ sử dụng buồng đốt xoáy lốc, các hệ số thực nghiệm Lay Decman được tra cứu theo bảng quy chuẩn là $a = 0,7$; $b = 1,3$; $c = 1$.

4. Sự phân bố tải trọng lên các trục cầu của xe khách 29 chỗ ở hai trạng thái không tải và đủ tải đạt giá trị bao nhiêu?
Ở trạng thái không tải ($G_0 = 4100\text{ kg}$), cầu trước chịu $G_{o1} = 1300\text{ kg}$ ($31,7%$), cầu sau chịu $G_{o2} = 2800\text{ kg}$ ($68,3%$). Ở trạng thái đủ tải ($G_a = 6475\text{ kg}$), cầu trước chịu $G_{a1} = 2365\text{ kg}$ ($36,5%$), cầu sau chịu $G_{a2} = 4110\text{ kg}$ ($63,5%$).

5. Tỷ số truyền trong hệ thống truyền lực tổng quát được phân chia thành những cụm nào để xác định các tổng thành?
Tỷ số truyền tổng $i_t$ được tách thành: cụm "tỷ số truyền không thay đổi" $i_n = i_o \cdot i_{cc}$ (xác định qua điều kiện vận tốc cực đại $v_{max}$ và số vòng quay $n_{max}$) và cụm "tỷ số truyền thay đổi" $i_{yi} = i_{hi} \cdot i_{pj}$ (xác định qua điều kiện vận tốc cực tiểu $v_{min}$ và số vòng quay $n_{min}$).

Kết luận

Đồ án chuyên đề "Kết cấu và Tính toán Ô tô" của tác giả Đào Duy Nhơn tại Trường Đại học Nha Trang đã trình bày có hệ thống phương pháp luận tính toán động lực học kéo và phân tích kết cấu ô tô. Bằng việc kết hợp các công thức giải tích cổ điển với phương pháp tra cứu thực nghiệm hiện hành, đồ án đã hoàn thành việc xác định chính xác các thông số cơ bản về tải trọng, kích thước khí động học, lực cản và lựa chọn động cơ công suất $130\text{ kW}$ cho dòng xe khách 29 chỗ. Tài liệu có giá trị kỹ thuật rõ ràng, cung cấp khung phương pháp luận chuẩn xác cho việc nghiên cứu và thực hành thiết kế ô tô trong môi trường đào tạo đại học.