TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI GIẢNG
HỌC PHẦN: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ Ô TÔ
SỐ TÍN CHỈ: 02
LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên - 2015


CHƢƠNG I: BỐ TRÍ CHUNG CỦA ÔTÔ

1.1. BỐ TRÍ ĐỘNG CƠ Ô TÔ.
Trên ô tô động cơ có thể bố trí ở rất nhiều vị trí nhƣng trên các loại ô tô hiện đại thì
động cơ thƣờng đƣợc bố trí ở các ví trí sau:
- Động cơ đặt ở đằng trƣớc xe ( loại FF).
- Động cơ đặt ở giữa xe
(loại MR).
- Động cơ đặt ở đằng sau xe
(loại RR).
1.1.1. Các vị trí dặt động cơ trên các xe hiện nay
Dƣới đây là vị trí của động cơ trên các loại xe cụ thể:

Hình 1: Động cơ đặt trước loại hộp số thường có
cầu trước chủ động

Hình 2: Động cơ đặt trước loại hộp số tự động có
cầu trước chủ động


H

C

L
H

L C H

§

H

DC

DC

L

L

C

DC

CD

C

L

b. Bố trí động cơ trên xe khách:

2


Hình 6: Các vị trí đặt động cơ trên xe khách
c. Bố trí động cơ trên xe tải:

Hình 7: Các vị trí đặt động cơ trên xe tải
1.2. BỐ TRÍ CÁC HỆ THỐNG GẦM Ô TÔ
1.2.1. Hệ thống treo

Hệ thống treo ở đây đƣợc hiểu là hệ thống liên kết giữa bánh xe và khung xe
hoặc vỏ xe. Mối liên kết treo của xe là mối liên kết đàn hồi.

3


Hình 8: Vị trí đặt hệ thống treo trên ô tô
1.2.2. Hệ thống phanh
a. Hệ thống phanh dầu
Hệ thống phanh có nhiệm vụ làm giảm tốc độ của ôtô hoặc làm dừng hẳn sự
chuyển động của ôtô. Hệ thống phanh còn đảm bảo giữ cố định xe trong thời gian dừng.
Đối với ôtô hệ thống phanh là một trong những hệ thống quan trọng nhất vì nó đảm bảo
cho ôtô chuyển động an toàn ở chế độ cao, cho phép ngƣời lái có thể điều chỉnh đƣợc
tốc độ chuyển động hoặc dừng xe trong tình huống nguy hiểm.

Hình 9. Vị trí hệ thống phanh dầu trên ô tô
b. Hệ thống phanh khí
Kết cấu của hệ thống phanh khí gồm có cơ cấu phanh và bộ phận dẫn động phanh.

xylanh và tâm trục khuỷu ; loại lệch tâm là loại đ-ờng tâm chốt piston không nằm trên
mặt phẳng chứa đ-ờng tâm xylanh ( loại lệch tâm chốt) hoặc mặt phẳng chứa đ-ờng tâm
xylanh không chứa đ-ờng tâm trục khuỷu ( loại lệch tâm xylanh).

2.1.1.1.Qui luật động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.
Nghiên cứu qui luật chuyển động tịnh tiến của piston là nhiệm vụ chủ yếu của động
học. để tiện việc nghiên cứu, ta giả thiết trong quá trình làm việc, trục khuỷu quay với
một tốc độ góc không đổi.
a. Chuyển vị của piston.
Hình 1.1 giới thiệu sơ đồ của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm. Từ hình 1.1
ta thấy chuyển vị x tính từ điểm chết trên (ĐCT) của piston tuỳ thuộc vào vị trí của trục
khuỷu ( trị số của x thay đổi theo góc quay của trục khuỷu ). Từ hình vẽ ta có:
x AB' AO ( DO DB' )
(l R) ( R cos l cos )

hay

l
l
x [(l ) (cos cos )]R

(2-1)


Đây là dạng công thức chính xác của chuyển vị piston. Để tính toán trị số gần đúng của x,
ta có thể dùng công thức gần đúng. Từ tam giác OCB, ta có:

6



Trị số A đ-ợc tính sẵn theo và ghi trong bảng thống kê ở phần phụ lục (Kết cấu và
tính toán động cơ đốt trong- ĐHBKHN).
b. Vận tốc của piston.
Lấy đạo hàm công thức (1-2) đối với thời gian, ta có tốc độ dịch chuyển (vận tốc)
của piston:
v

Trong đó

d x d x d d x



d t d d t d

(2-3)

dx
là tốc độ góc của trục khuỷu.
d

7


v R (sin


2

sin 2 ) RB

Hoặc
Trong đó:

C (cos cos 2 )

Trị số của C tính theo và đ-ợc thống kê trong phần phụ lục (Kết cấu và tính
toán động cơ đốt trong - ĐHBKHN).
Chiều của gia tốc qui định nh- sau: chiều h-ớng tâm O là chiều d-ơng, ng-ợc lại là
âm.
Gia tốc đạt cực đại khi đạo hàm :
dj
d

Tức là :

R 2 (sin 2 sin 2 ) 0

(sin 2 sin 2 ) sin 4 sin cos sin (1 4 cos ) 0

Từ ph-ơng trình trên ta có :
sin 0 khi 0 và 1800
1 4 cos 0 khi arccos(

1
)
4

Trong tr-ờng hợp thứ nhất, khi 0 và 1800 gia tốc đạt cực trị:
j 0 R 2 (1 )



j ' j 1800 R 2 (

Khi

1
(4 1) 2
) R 2 (1 ) R 2
8
8

1
trị số chênh lệch này bằng không.
4

j ' j 1800 R 2 (1 ) jmin

Lúc này:

j f ( ) khi 1/ 4 và 1/ 4

Quan hệ của hàm
Biểu thị trên hình (1.2)

3

4
90

5



2R

b

2

R(1+)

1

R(1-)

2R


(2-13)

11


sin 2

k
1

k
)
1
k
2 arcsin(
)
1
1 arcsin(

Do đó :

(1-14)

b. Hành trình của piston.
Gọi S1 , S2 là khoảng cách từ ĐCT đến A và ĐCD đến A đến trục hoành qua gốc 0
thì hành trình S của piston có thể xác địmh dễ dàng:
S S1 S 2 (l R) 2 a 2 (l R) 2 a 2

1
1

R
R


Do đó độ lệch tâm t-ơng đối phải nằm trong phạm vi sau:
0k

1



1

c. Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston.
Chuyển vị của piston
Từ hình 1.3 ta thấy khi trục khuỷu quay đi một góc , chuyển vị của piston tính từ
ĐCT A có thể xác định theo công thức sau:
x S1 S x

12


Trong đó
S x R cos l cos R(cos

1



cos )

Tuy nhiên, do hệ số k th-ờng rất nhỏ nên nếu bỏ qua các số hạng k2, ph-ơng trình
(1-14) có dạng khá đơn giản:

(2-18)
x R[(1 cos ) (1 cos 2 ) k sin ]
4

Vận tốc của piston.
Lấy đạo hàm 2 vế ph-ơng trình (1-14) đối với thời gian ta có công thức tính vận tốc
của piston :
d
d d

(2-19)
v x x R (sin sin 2 k cos )
dt

d d t

2

Gia tốc của piston.
Lấy đạo hàm 2 vế của ph-ơng trình (1-18) đối với thời gian ta có công thức tính gia
tốc piston:
j

d v d v d

R 2 (cos cos 2 k sin )
d t d d t


(2-22)

Công thức trên cũng hoàn toàn giống nh- công thức tính tốc độ góc chủa thanh truyền
giao tâm, nh-ng quan hệ của và thì phải xác lập theo công thức (1-20) do vậy:
tt

cos

(2-23)

1 2 (sin k ) 2

Lấy đạo hàm 2 vế của (1-21) đối với thời gian ta có công thức tính gia tốc của thanh
truyền:
d
d d
d
tt tt tt tt
dt

d d t

d

tt 2 sin sec3 (cos 2 cos 2

sin
)
sin


14


b. Khối l-ợng của nhóm piston.
Khối l-ợng của nhóm piston bao gồm khối l-ợng của piston, xéc măng, cần guốc
tr-ợt, guốc tr-ợt
mnp = mp + mx + mc + mg + ..(kg)
Khối l-ợng nhóm piston là khối l-ợng chuyển động tịnh tiến.
c. Khối l-ợng của thanh truyền.
Do thanh truyền chuyển động song phẳng : đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến, đầu to
chuyển động quay nên khi xét khối l-ợng của thanh truyền phải qui dẫn về 2 tâm: tâm đầu
nhỏ và tâm đầu to.
Nói chung khi thay thế thanh truyền thực bằng các khối l-ợng t-ơng đ-ơng, bao
giờ ta cũng phải đảm bảo điều kiện bảo toàn của động năng và thế năng. Các ph-ơng án
qui dẫn khối l-ợng của thanh truyền giới thiệu trên (hình 2.3).
A

A

A

A

A
Mt

l1
l1
l

O

O

d

e

Hình 2.3. Các ph-ơng án qui dẫn khối l-ợng của thanh truyền

Ph-ơng án (a) thay thế khối l-ợng thanh truyền bằng hệ t-ơng đ-ơng một khối
l-ợng tập trung ở trọng tâm G. Khi thay thế theo ph-ơng án này, khối l-ợng m tt vẫn
chuyển động song phẳng, vì vậy qua tính toán ta thấy rằng nếu thay thế thanh truyền thực
bằng hệ t-ơng đ-ơng một khối l-ợng thì cơ cấu trục khuỷu thanh truyền sẽ chịu tác dụng
của một khối l-ợng chuyển động tịnh tiến:
- Khối l-ợng đặt tại tâm đầu nhỏ:

15


m1 = mtt(

l l1
)
l

(2-27)

- Khối l-ợng đặt tại tâm đầu to:
m2 = mtt l1


(2-31)

Mômen quán tính của hệ thay thế:
I O (mtt

(l l1 )
l
)l12 (mtt 1 )(l l1 ) 2 mtt (l l1 )l1 I G
l
l

(2-32)

Khối l-ợng phân bố càng xa trọng tâm thì IO càng lớn hơn IG mômen quán tính thanh
truyền thực.
Ph-ơng án (c) phân bố thanh truyền thành 2 khối l-ợng: một đặt ở tâm nhỏ và một
đặt ở tâm dao động con lắc K( coi thanh truyền dao động nh- một con lắc). phân bố khối
l-ợng theo ph-ơng án này hoàn toàn đảm bảo điều kiên động năng không đổi.
Nghĩa là:
mA + mK = mtt
mAl1 + mKl0 =0
(2-33)
mAl12 +mKl02 = IG
Tuy nhiên trong ph-ơng án này mK vẫn chuyển động song phẳng nên lại phải làm thêm
b-ớc qui dẫn mK về 2 tâm đầu nhỏ và tâm đầu to y nh- trong ph-ơng án (a).
Ph-ơng án (b) phân khối l-ợng thanh truyền thành hai khối l-ợng và một mômen
thanh truyền. Ph-ơng án này khắc phục đ-ợc nh-ợc điểm của ph-ơng án (b). Mômen
thanh truyền của hệ thay thế th-ờng có trị số Mt = IG. tt


R

mok



R

mm

a

d

Hình 2.4. Xác định khối l-ợng của khuỷu trục

Trong đó phần khối l-ợng chuyển động quay theo bán kính R là m ok (phần gạch
dọc trên (hình 2.4). Phần khối l-ợng chuyển động theo bán kính là mm ( phần có gạch
chéo ).
Nếu đem mm qui dẫn về tâm chốt trục khuỷu bằng khối l-ợng mmr thì :

mmr mm .

R

(2-36)

Do đó khối l-ợng chuyển động quay của trục khuỷu là:

17

Mr
l
(m2 mk )
FP
FP

(2-40)

2.1.2.3. Lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.
- Lực quán tính của các chi tiết chuyển động.
- Lực của môi chất khí bị nén và khí cháy giãn nở tác dụng trên đỉnh piston(lực khí thể).
- Trọng lực.
- Lực ma sát.
Trừ trọng lực ra, các lực còn lại đều có trị số và chiều thay đổi trong quá trình làm
việc của động cơ. Do lực khí thể và lực quán tính có trị số rất lớn nên khi tính toán chỉ xét
đến 2 loại lực này.
a. Lực quán tính.
Lực quán tính của khối l-ợng chuyển động tịnh tiến nếu chỉ xét 2 thành phần đầu
có thể tính theo công thức sau:
Pj m j1 mR 2 (cos cos 2 )

Gọi :

Thì :

(2-41)

Pj1 mR 2 cos

là lực quán tính cấp 1


Lực quán tính chuyển động quay có trị số không đổi :
Pk mr R 2 const

(2-42)

Lực quán tính này tác dụng trên đ-ờng tâm má khuỷu và luôn luôn là lực ly tâm.
b. Lực khí thể.
Lực khí thể của động cơ 4 kỳ biến thiên theo góc quay của trục khuỷu giới thiệu
trên hình vẽ.
Đ-ờng po trên hình vẽ biểu thị áp suất khí trời, khi tính toán lực khí thể ta đều tính
theo áp suất t-ơng đối.
Pkt P Po
(2-43)

19


Trong đó P là áp suất trong xylanh của động cơ. Vì vậy lực khí thể tác dụng trên
đỉnh piston:
Pkt P

D 2
4

( MN )

(2-44)

c. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.

sin( )
cos

P

cos( )
cos

Z 2.6.
Ptt cos(
) dụng trên cơ cấu trục
Hình
Hệ
lực tác
khuỷu thanh truyền giao tâm

(2-49)

Các giá trị của biểu thức

sin( )
cos( )
và
tính theo và đ-ợc thống kê
cos
cos

trong bảng phụ lục (Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong ĐHBKHN).
- Lực quán tính chuyển động quay Pk tác dụng trên chốt khuỷu


cấu lệch tâm hoàn toàn giống nh- công
thức của hệ lực cơ cấu giao tâm.
Từ hệ lực trên hình 2.7 ta cũng có :
P Pkt Pj

Và do :
P N Ptt

Nên:
Ptt P

l
cos

(1-43)
N P tg

Cũng phân Ptt thành lực tiếp tuyến T và lực
pháp tuyến Z ta có :
sin( )
T P
cos
P sin


2

Hình 2.7. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu
trục khuỷu thanh truyền lệch tâm



(sin k )
1 2 (sin k ) 2

cos 2


2

k sin )

(2-55)

(2-56)

N (l cos R cos )

NR(

cos


Do độ lệch tâm a R sin l sin

Nên :
Do đó :

k
1



sin

(2-59)
)

Vì vậy thân máy của động cơ dùng cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm chịu
một tổng mômen lật là:
Ml M N M P

M l P R(sin k

Do :

(sin k )

sin
sin
cos sin
)
cos


sin



22



- Đảm bảo kết cấu của trục khuỷu có tính công nghệ tốt nhất.
- Đảm bảo tính cân bằng của hệ trục.
Thông th-ờng khó có thể thoả mãn cùng một lúc tất cảc các yêu cầu trên mà th-ờng
đảm bảo tính đồng đều của mômen, tính cân bằng của hệ trục và phụ tải của ổ trục phải
nhỏ. Vì vậy, góc công tác của các khuỷu trục đ-ợc tính theo công thức sau:
ct

180 0.
i

(2-61)

Trong đó: là số kỳ của động cơ
i là số xylanh của động cơ
Từ công thức trên ta thấy góc công tác chỉ phụ thuộc vào số kỳ và số xylanh của
động cơ. Do vậy mỗi kết cấu của trục khuỷu đều ứng với nhiều thứ tự làm việc khác nhau.
Tuy nhiên chỉ có một hoặc hai thứ tự làm việc trong đó là đảm bảo đ-ợc điều kiện cân
bằng và phụ tải ổ trục nhỏ nhất. ví dụ: trục khuỷu trên (hình 2.8) của động cơ 6 xylanh, 4
kỳ có ct 1200 và ứng với 4 thứ tự làm việc sau đây:

23


1 v 6

1

6
1-2


Nh- trong phần nghiên cứu hệ lực tác dụng trên trục khuỷu đã chỉ rõ: trên khuỷu thứ
i có các lực sau đây tác dụng:
- Lực tiếp tuyến T; Lực pháp tuyến Z; Lực quán tính quay Pk.; Mômen của các khuỷu
phái tr-ớc

M

i 1

, mômen Mi tác dụng trên khuỷu này, và mômen

M

i

tác dụng trên cổ

trục phía sau của khuỷu.

M M
1

Để tính đ-ợc tổng mômen

M

i

i 1