Chương 4

c.Phương pháp chạy theo quán tính

Thí nghiệm được tiến hành trên đường nằm ngang.ở bên lề đường có cắm hai cọc cao 2 m cách nhau 1 m và đường nối chân của hai cọc thẳng góc với đường tâm của đường (xem hình 4.2).

Cho ôtô chạy với vận tốc dưới 5,55 m/s (20 km/h) để tránh ảnh hưởng của lực cản không khí. Người quan sát ngồi trên ôtô và dọc theo hai cọc. Khi tầm mắt của người quan sát và hai cọc nằm trên một đường thẳng cần phảI ngắt hộp số (tách động cơ khỏi hệ thống truyền lực) để ôtô chạy theo quán tính cho đến khi dừng hẳn. Dùng thước dây đo quãng đường chạy theo quán tính S kể từ vị trí cắm cọc cho đến vị trí ôtô dừng.

Phương trình cân bằng  năng lượng sẽ có dạng như sau:

d = fGS,                                                (4.8)

Trong đó: v - vận tốc của ôtô khi bắt đầu chạy theo quán tính, m/s;

                    - hệ số tính đến các khối lượng quay của ôtô khi hộp số đã bị ngắt, chủ yếu là của các bánh xe;

                   S - quãng đường chạy theo quán tính của ôtô, m;

                   G- trọng lượng của ôtô, N ;

                    g- gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2).

……………………………………(trang 57)

Hình 4.2.Đường thí nghiệm và cọc đóng ở trên đường.

            Hệ số  có thể xác định theo biểu thức:

d = 1+  hoặc d = 1,04 0,05 i,        (4.9)

Trong đó: Jb.x - mômen quán tính của tất cả các bánh xe, Nms2 ;

rb.x - bán kính làm việc trung bình của bánh xe;

ih - tỷ số truyền của hộp số khi chưa ngắt hộp số.

Bán kính làm việc trung bình của bánh xe xác định theo công thức:

rb.x  = l ro ,                                                        (4.10)

Trong đó: ro - bán kính tự do của bánh xe;

l - hệ số biến dạng của lốp, l = 0,930,95.

Từ biểu thức (4.8) có thể xác định hệ số cản lăn f như sau:

f =                                                              (4.11)

4.1.2. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm

Trong phòng thí nghiệm người ta xác định hệ số cản lăn trên bệ thử loại trống (hình 4.3a) hoặc bệ thử loại đĩa (hình 4.3b).

……………………………………(trang58)

Hình 4.3. Sơ đồ bệ thử loại trống (a) và bệ thử loại đĩa (b).

Bệ thử loại trống (hình 4.3a) gồm có động cơ điện 1 qua khớp nối 2 làm quay bánh xe 3. bánh xe 3 chịu tảI trọng đứng Q. Khi bánh xe 3 quay sẽ làm cho trống 4 quay và qua khớp nối 5 làm quay máy phát điện 6.

Bệ thử loại đĩa (hình 4.3b) khác với loại trống ở chỗ công suất truyền từ bánh xe 3 đến máy phát điện 6 qua đĩa 4 và cặp bánh răng côn 7.

Động cơ điện 1 và máy phát điện 6 được thiết kế theo loại treo, vì vậy khi bệ thử làm việc người ta có thể xác định được mô men quay sinh ra ở động cơ điện 1 và ở máy phát điện 6 nhờ sự xoay của stator của chúng. Biết được mô men quay và đo số vòng quay ở động cơ điện và máy phát điện ta có thể xác định công suất tiêu hao do cản lăn như sau:

Nf = Nđ.c – Nm.ph = Mđ.cwđ.c - Mm.phwm.ph ,                      (4.12)

Trong đó: Nf - công suất tiêu hao cho cản lăn;

Nđ.c - công suất của động cơ điện;

Nm.ph - công suất của máy phát điện;

Nđ.c - mô men quay của động cơ điện;

Mm.ph - mô men quay của máy phát điện;

wđ.c - vận tốc góc của động cơ điện;

wm.ph - vận tốc góc của máy phát điện.

Công suât cản lăn có thể xác định theo biểu thức:

Nf = Pf v = Pfwđ.c rb.x ,                                                      (4.13)

Trong đó: Pf - lực cản lăn sinh ra ở bánh xe;

v - vận tốc tiếp tuyến tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với trống hay đĩa;

rb.x - bán kính làm việc của bánh xe.

Lắp biểu thức (4.13) vào (4.12) ta có:

Pfwđ.c rb.x = Mđ.cwđ.c – Mm.phwm.ph                                 (4.14)

Từ đó có thể xác định được lực cản lăn Pf như sau:

Pf =                                                (4.15)

Thay wđ.c­ =   và  wm.ph =  vào biểu thức (4.15) ta có:

Pf =                                                  (4.16)

Trong đó: nđ.c - số vòng quay của động cơ điện;

Nm.ph - số vòng quay của máy phát điện.

Hệ số cản lăn được xác định như sau:

f =  =                                         (4.17)

Trong đó: Q- lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe.

Thí nghiệm để xác định hệ số cản lăn f trên bệ thử loại trống hoặc loại đĩa đều có nhược điểm là sự làm việc của bánh xe không mô phỏng đúng điều kiện làm việc trên đường. Bệ thử loại đĩa có ưu điểm hơn loại trống là có thể tạo ra các loại bề mặt với chất liệu khác nhau, và bánh xe lăn trên mặt phẳng chứ không phảI trên mặt trụ như ở bệ thử loại trống. Tuy nhiên ở bệ thử loại đĩa bánh xe không  lăn trên đường thẳng mà lăn theo đường cong với bán kính nhỏ, do đó sẽ phát sinh sự ma sát phụ thêm giữa bánh xe và đĩa và làm ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.

Khi thí nghiệm trên bệ thử người ta có thể thay đổi áp suất trong lốp, thay đổi lốp với các dạng hoa lốp khác nhau, thay đổi tải trọng tác dụng lên lốp, thay đổi vận tốc góc của bánh xe, thay đổi mô men quay tác dụng lên bánh xe một cách dễ dàng hơn nhiều so với khi thí nghiệm trên đường. Nhờ vậy có thể vẽ đồ thị chỉ quan hệ giữa hệ số cản lăn f với các thông số nói trên.

Để hình dung được giá trị của hệ số cản lăn f trên một số đường thông dụng chúng ta xem số liệu cho ở bảng 4.1.

Bảng 4.1. Giá trị trung bình của hệ số cản lăn f

…………………………………………………(trang61)

4.2. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CẢN KHÔNG KHÍ

Hệ số cản không khí được xác định bằng thử nghiệm trên đường hoặc thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

4.2.1. Thử nghiệm ở trên đường

Khi thử nghiệm ô tô ở trên đường để xác định hệ số cản không khí K có thể dùng một trong các phương pháp sau đây:

a)Dùng ống Pitô kết hợp với dao động ký

Đặt ống Pitô (cảm biến áp suất) ở mặt trước ô tô, nối ống Pitô vào sơ đồ đo gồm cầu đo, dao động ký. Thiết bị này cho phép đo áp lực của không khí tác dụng lên ô tô.

Thí nghiệm được tiến hành trên đường phẳng nằm ngang ở thời tiết không có gió. Cho ô tô chạy với vận tốc ổn định bắt đầu từ 5,55 m/s (20 km/h) rồi đo áp lực không khí Pw ghi trên dao động ký, tiếp đó cho ô tô chạy ổn định với các vận tốc khác 8,33 m/s, 11,11 m/s, 13,88 m/s, 16,66 m/s (30,40,50,60 km/h) và cũng do Pw ứng với các tốc độ nói trên thí nghiệm được lặp lại 3 lần ở mỗi tốc độ để lấy giá trị trung bình.

Gia công đồ thị ghi trên máy ghi sóng chúng ta sẽ xác định được lực cản không khí Pw như sau:

Pw = hwmw ,                                                                      (4.18)

Trong đó: Pw -lực cản không khí, N;

hw - tung độ của đồ thị áp lực không khí lên diện tích chính diện của ô tô, mm;

mw - tỷ lệ xích của đồ thị áp lực không khí khi lấy chuẩn, N/mm.

Hệ số cản không khí K được xác định theo biểu thức:

K =  ,                                                               (4.19)

Trong đó: F – diện tích cản chính diện của ô tô, m2;

v- vận tốc của ô tô khi thí nghiệm, m/s.

Diện tích cản chính diện của ô tô xác định như sau:

-         Đối với ô tô con

F = 0,78 Bo Ho , m2 ;                                                      (4.20)

-         Đối với ô tô tải

F = B Ho , m2                                                                   (4.21)

Trong đó: B –chiều rộng cơ sở của ô tô, m;

Bo - chiều rộng toàn bộ của ô tô, m;

Ho - chiều cao toàn bộ của ô tô, m.

b) Ô tô chạy xuống dốc dưới tác dụng của lực trọng trường

Theo phương pháp này trước hết cần xác định hệ số cản lăn f theo phương pháp xác định hệ số cản lăn đã trình bày ở trên kia. Biết được hệ số cản lăn f chúng ta có thể xác định hệ số cản không khí K bằng cách cho ô tô chạy xuống dốc nhờ lực thành phần Pi của trọng lượng ô tô (Pi = Gsina; a - góc dốc, G – trọng lượng ôtô). Lực Pi song song với mặt đường dốc. Đoạn đường thí nghiệm cần có độ dài đủ để cho ô tô bắt đầu chậy từ trên đầu dốc nhờ lực Pi và sẽ đạt vận tốc ổn định do có lực cản lăn và lực cản không khí. Đoạn đường này thường không nhỏ hơn 500 m. Khi ô tô đạt được vận tốc ổn định chúng ta có phương trình cân bằng lực kéo như sau:

Pi = Pf + Pw ,                                                                   (4.22)

trong đó: Pi -thành phần của trọng lượng tác dụng song song với mặt đường dốc.

Thay giá trị của Pi, Pf và Pw vào biểu thức (4.2) ta có:

G sina = G f + K F v2 ,                                                  (4.23)

Trong đó: v – vận tốc của ô tô khi chạy ổn định trên dốc, vận tốc này đo được khi thí nghiệm, m/s.

Từ biểu thức (4.23) ta xác định được hệ số cản không khí K như sau:

K =  ,                                                  (4.24)

Thí nghiệm được tiến hành 3 lần, rồi lấy giá trị K trung bình.

c) Ô tô thí nghiệm được kéo bằng ô tô khác

Hệ số cản không khí K có thể xác định băng cách dùng một ô tô kéo ô tô thí nghiệm ở vận tốc tương đối cao 11,11 m/s16,66 m/s (hay là 40 km/h60 km/h) nhưng không lớn hơn 19,44 m/s (70 km/h), vì bắt đầu từ vận tốc 19,44 m/s trở lên thì hệ số cản lăn f thay đổi theo vận tốc. Giữa hai ô tô kéo nhau có mắc lực kế tự ghi. Khoảng cách giữa hai ô tô (hay chiều dài dây nối) không nhỏ hơn 15 m để tránh ảnh hưởng của ô tô đằng trước tới dòng không khí tác động lên ô tô đằng sau. Hệ số cản lăn f đã được xác định trước theo phương pháp đã trình bày ở trên.

Để trành hiện tượng ô tô đăng sau trườn nhanh về phía trước làm chùng dây nối và làm ảnh hưởng đến chỉ số trên lực kế tự ghi người ta có thể tiến hành thí nghiệm trên đường có độ dốc không lớn. Độ dốc này phải được biết trước khi thí nghiệm.

Phương trình cân bằng lực kéo trong trường hợp này có dạng sau:

Pk = Pf + Pi + Pw ,                                                             (4.25)

Trong đó: Pk -lực chỉ trên lực kế tự ghi.

Từ phương trình (4.25) có thể viết dưới dạng khác

Pk = f G cosa + G sina + K F v2  ,                                  (4.26)

Từ phương trình (4.26) có thể xác định hệ số cản không khí

K =  ,                                           (4.27)

Nếu thí nghiệm tiến hành trên đường nằm ngang thì hệ số cản không khí xác định theo biểu thức:

K =  ,                                                             (4.28)

Như vậy khi thí nghiệm ta đo lực Pk, vận tốc v và biết trước hệ số cản lăn f thì có thể xác định được hệ số K.

4.2.2. Thử nghiệm ở trong phòng thí nghiệm

Trong phòng thí nghiệm người ta dùng ống khí động để xác định hệ số cản không khí K. Trong ống động 1 người ta treo ô tô mẫu 4 (hình 4.4). Một đầu của ống khí động có đặt động cơ điện 2 có lắp cánh quạt 3. Ô tô mẫu có hình đồng dạng với ô tô thiết kế nhưng ở kích thước thu nhỏ. Khi động cơ điện 2 làm việc sẽ làm quay cánh quạt 3 và sẽ tạo luồng không khí chạy qua ống khí động. Tại chỗ đặt ô tô mẫu có đặt dụng cụ 6 để đo tốc độ dòng không khí. Dòng không khí chạy qua ống khí động sẽ đẩy ô tô mẫu lùi về phía sau. Để cho ô tô mẫu trở lại vị trí ban đầu thì trên bàn cân 5 cần đặt thêm các quả cân. Bàn cân 5 được nối với ô tô mẫu qua hệ thống ròng rọc. Nhờ vậy trọng lượng của các quả cân trên bàn cân 5 sẽ bằng lực của dòng không khí đẩy ô tô mẫu hay là lực cản không khí. Thay đổi tốc độ của cánh quạt chúng ta ssẽ có các tốc độ khác nhau v của dòng không khí trong ống khí động và từ đó các lực cản không khí Pw khác nhau. Hệ số cản không khí K được xác định theo biểu thức:

K =  ,        

Trong đó : Fm – diện tích cản chính diện của ô tô mẫu, m2;

v- tốc độ dòng không khí, đo trên ống khí động, m/s;

Pw - lực đẩy ô tô mẫu (lực cản không khí), đo bằng các quả cân trên bàn cân 5, N.

……………………………………(trang 66)

Hình 4.4. sơ đồ khí động để xác định hệ số cản không khí.

Xác định giá trị K ứng với các tốc độ v khác nhau sau đó lấy giá trị K trung bình.

Cần chú ý rằng ô tô mẫu nằm trong không khí động phải đồng dạng với ô tô thật chuyển động trong môi trường thực tế. Muốn thế phải đảm bảo chỉ tiêu đồng dạng nghĩa là đảm bảo “ trị số Rây nôn” của hai trường hợp có giá trị như nhau. Chỉ số đồng dạng thể hiện qua số Rây nôn theo biểu thức:

Re =  ,                                                                 (4.29)

Trong đó : Re – trị số Rây nôn;

v- vận tốc dòng không khí;

l- một trong những kích thước chủ yếu của ô tô (thí dụ chiều dài cơ sở chẳng hạn);

- hệ số nhớt động học của không khí.

Từ biểu thức (4.29) thấy rằng để đảm bảo chỉ tiêu đồng dạng thì vận tốc dòng không khí trong ống khí động phải tăng bao nhiêu lần so với vận tốc chuyển động của ô tô, bấy nhiêu lần kích thước của ô tô thực lớn hơn kích thước của ô tô mẫu. Các ống khí động hiện nay cũng khó đảm bảo được điều kiện nói trên, cho nên hệ số cản không khí xác định trong ống khí động cần phải đem so sánh với hệ số cản không khí xác định bằng thí nghiệm trên đường để có sự chỉnh lý cần thiết.

Để dòng không khí bao quanh ô tô trong ống khí động gần giống với điều kiện thực tế ô tô chạy trên đường người ta có thể làm nhiều phương án đặt

………………………………………….(trang67)

Hình 4.5. các loại sơ đồ đặt ô tô mẫu trong ống khí động

ôtô mẫu khác nhau. Trên hình 4.5 trình bày 4 phương án đặt ô tô mẫu. ở hình 4.5 a là loại đơn giản dùng một ô tô mẫu, ở hình 4.5b dùng hai ô tô mẫu úp sát nhau, ở hình 4.5c ô tô mẫu đặt trên một tấm phẳng cố đinh, còn ở hình 4.5d ô tô mẫu đặt trên băng tải chuyển động. Sơ đồ bố trí ở hình 4.5d là gần giống với thực tế nhất.

Để hình dung được giá trị của hệ số cản không khí, chúng ta sẽ xem bảng 4.2.

Bảng 4.2. hệ số cản không khí K

Loại ô tô

Hệ số cản không khí K, Ns2/m4

Du lịch

Vận tải

Ô tô buýt (chở khách)

Xe đua (thể thao)

0,20,35

0,60,7

0,250,4

0,130,15

4.3. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ BÁM

Hệ số bám  có ý nghĩa quan trọng tới tính chất kéo, tới chất lượng phanh và tính ổn định chuyển động của ô tô.

Hệ số bám  được xác định bằng thử nghiệm ở trên đường hoặc ở trong phòng thí nghiệm.

4.3.1. Thử nghiệm ở trên đường.

Để xác định hệ số bám  bằng thử nghiệm ở trên đường có thể dùng một trong các phương pháp sau:

a)     Phương pháp dùng một ô tô kéo ô tô đằng sau.

Theo phương pháp này người ta dùng một ô tô kéo ô tô đằng sau (xem hinh 4.1), giữa hai ô tô có đặt lực kế tự ghi. Để tránh ảnh hưởng của lực cản không khí người ta cho ô tô chạy ở tốc độ nhỏ hơn 5,55 m/s (20 km/h). Khi thí nghiệm người ta phanh cứng các bánh xe của ô tô bị kéo ở đằng sau, do đó ô tô đằng sau bị kéo lê trên đường. Chỉ số ở lực kế tự ghi cho ta lực bám P của ô tô đằng sau. Biết được trọng lượng G của ô tô bị kéo ở đằng sau và lực bám P ta có thể xác định hệ số bám  giữa bánh xe và mặt đường như sau:

j =                                                                                          (4.30)

b)     Phương pháp phanh

Cho ô tô chạy trên đường nằm ngang với vận tốc v rồi phanh ngặt và đo quãng đường phanh Sp. Khi phanh ô tô chúng ta có phương trình cân bằng động năng như sau:

Pp Sp =   ,                                                                  (4.31)

Trong đó : Pp – lực phanh sinh ra ở các bánh xe;

G – trọng lượng ô tô;

d - hệ số tính đến các trọng khối quay của ô tô;

G - gia tốc trọng trường.

Lực phanh sinh ra ở các bánh xe Pp được xác định theo biểu thức:

Pp =G                                                                                             (4.32)

Thay giá trị Pp từ biểu thức (4.32) vào biểu thức (4.31) ta có:

j G Sp =   ,                                                         (4.33)

Từ đó rút được j 

j =  ,                                                                             (4.34)

Hệ số d xác định theo biểu thức (4.9) đã nêu ở trên. Như vậy đo được các thông số v và Sp chúng ta có thể xác định hệ số bám j theo biểu thức (4.34).

4.3.2. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Trong phòng thí nghiệm người ta xác định hệ số bám  trên các bệ thử loại trống và loại đĩa đã trình bày ở trên (hình 4.3a và 4.3b). Nhưng trong trường hợp này cần phải làm cho bánh xe bị trượt quay trên con lăn hoặc trên đĩa của bệ thử. Muốn vậy người ta tăng dần mô men quay trên bánh xe, còn con

Bảng 4.3. Giá trị hệ số bám của một số loại đường

Loại đường

Hệ số bám

Đường nhựa hoặc đường bê tông

- Khô và sạch

- Ướt và bẩn

Đường đất

- Pha sét, khô

- Ẩm ướt

Đường cát

- Khô

- Ẩm ướt

0,6 0,8

0,3  0,5

0,5 0,6

0,3 0,4

0,2 0,3

0,4 0,5

lăn hoặc đĩa của bệ thử thì bị hãm lại. Đo được mômen quay trên bánh xe M và biết được bán kính bánh xe rb.x cũng như biết được lực Qb.x ép bánh xe vào con lăn hoặc vào đĩa của bệ thử ta có thể xác định hệ số bám  theo biểu thức:

j =  ,                                                                         (4.35)

Để hình dung được giá trị của hệ số bám, chúng ta sẽ xem các số liệu ở bảng 4.3.