NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC

Tải trọng động xuất hiện trong các bộ phận và chi tiết của hệ thống truyền lực HTTL khi đóng ly hợp đột ngột, khi gài số trong quá trình tăng tốc, khi phanh đột ngột bằng phanh tay, hay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN BẢN

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ MÁY KÉO - 605246

S 0 6

S KC 0 0 3 7 4 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN BẢN

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TẢI TRỌNG ĐỘNG

TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ MÁY KÉO - 605246

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN NƯỚC

Tp Hồ Chí Minh, 2012

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Quê quán: Hương La, Tân Lãng, Lương Tài, Bắc Ninh Dân tộc: Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên Đại học Nguyễn Tất Thành

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 557/80/2A Hương lộ 3, Bình Hưng Hòa, Bình Tân, Tp Hồ Chí Minh

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0937.719.846

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế hoán cải hệ thống phanh

xe tải KIA RHINO

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 4 năm 2008, tại Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Nước

4 Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ: Anh văn, trình độ B

ii

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Tháng 4/2008 Công ty CP Hồng Hà Bình Dương Quản lý thiết bị - Xe –Máy

Tháng 6/2009 Công ty liên doanh vận tải Việt Nhật

Tháng10/2009 Trường Đại học Nguyễn Tất Thành Giảng viên

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các kết quả và số liệu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong các công trình khác nào khác

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 9 năm 2012

iv

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, ngoài việc lỗ lực của bản thân, tôi còn nhận được nhiều sự giúp đỡ tận tình của Giảng viên hướng dẫn _ TS Nguyễn Nước, các giảng viên Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đạo học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh Bên cạnh đó, tôi còn nhận được sự giúp đỡ từ các giảng viên Khoa Cơ khí – Tự động, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành; các giảng viên Khoa

Cơ khí, Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh và nhiều sự giúp đỡ của các bạn đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Nước, Thầy cô và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt để tôi hoành thành được luân văn này

Chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Bản

v

TÓM TẮT

Ô tô là một hệ thống động lực học rất phức tạp, khi chuyển động với vận tốc khác nhau trên các loại đường thì tình trạng chịu tải của các chi tiết thay đổi Khi tính toán độ bền của các bộ phận và chi tiết ô tô ngoài tải trọng tĩnh chúng ta phải xét đến tải trọng động Tải trọng động tác dụng lên các chi tiết trong thời gian ngắn nhưng giá trị của nó lớn hơn tải trọng tĩnh rất nhiều

Tải trọng động xuất hiện trong các bộ phận và chi tiết của hệ thống truyền lực (HTTL) khi đóng ly hợp đột ngột, khi gài số trong quá trình tăng tốc, khi phanh đột ngột bằng phanh tay, hay khi phanh gấp không mở ly hợp …Xác định chính xác giá trị tải trọng tác dụng lên các chi tiết của HTTL là một bài toán rất phúc tạp

Đề tài: “Nghiên cứu mô hình hóa hệ thống truyền lực và phương pháp tính tải trọng động trong hệ thống truyền lực” được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý

thuyết về tải trọng động trong HTTL kiểu cơ khí trên ô tô, sau đó tiến hành mô hình hóa HTTL và sử dụng kết quả mô hình hóa để tính toán ứng dụng trên một vài cụm

chi tiết của HTTL

Nội dung của đề tài bao gồm :

Chương 1 Tổng quan : trình bày tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, những công trình đã được công bố Chọn đối tượng nghiên cứu là HTTL cơ khí, hướng nghiên cứu nhắm tới mục tiêu xác định được các chế độ tải trọng tác dụng lên HTTL và phương pháp tính toán các tải trọng đặc trưng đó

Chương 2 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tải trọng động trên xe ô tô : phân tích sơ

đồ bố trí hệ thống, thông số ban đầu để tính toán HTTL và các đặc trưng về tải trọng động Lựa chọn thông số cơ bản của HTTL kiểu cơ khí có cấp, phân tích chất lượng kéo của ô tô để đánh giá được mức độ chính xác việc lựa chọn các thông số của động cơ và của HTTL Tiến hành đánh giá chất lượng kéo và tính kinh tế nhiên liệu của ô tô trong các điều kiện gần giống với điều kiện thực tế nhất để có được số liệu ban đầu để tính toán chính xác độ bền của các cụm và của các chi tiết trong HTTL

vi

Chương 3 Mô hình hóa hệ thống truyền lực: phân tích những đặc tính hư hỏng và khả năng làm việc của các chi tiết phụ thuộc vào các yếu tố chính gây nên phá hủy chi tiết Tính toán độ bền để phòng ngừa gẫy vỡ hoặc hư hỏng bề mặt làm việc khi chịu tải trọng động lớn nhất Để tính bền cần xác định được tải trọng lớn nhất trong điều kiện làm việc nặng nhọc nhất Để đơn giản ta dùng phương pháp mô hình hóa, đưa HTTL về sơ đồ tính tương đương Tính chất tải trọng động của HTTL được xác định bởi các tham số rất đa dạng tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động, kể

cả các tham số động lực học của ô tô Hệ thống động lực học thông thường là các tham số phân bổ và tham số rời rạc Trong hệ thống tham số phân bổ thì mỗi phần

tử được đặc trưng bởi hai tính chất: quán tính và đàn hồi Trong các hệ thống đưa về dạng rời rạc, khối lượng được coi là khối lượng tập trung và chỉ có một tính chất là quán tính Các bộ phận nối với khối lượng này có dạng là phần tử đàn hồi được đặc trưng bởi một độ cứng xác định Sự rời rạc hóa khi tính toán HTTL được tiến hành bằng cách nghiên cứu kỹ bản vẽ chi tiết của HTTL và phân chia thành các phần tử

có khối lượng tập trung và phần tử chỉ có tính đàn hồi Bánh đà, đĩa ly hợp, mặt bích, các bánh răng, vỏ hộp số và vỏ các chi tiết sẽ được coi là khối lượng tập trung Các phần tử chỉ có tính đàn hồi, trước tiên phải kể tới là các trục trong HTTL và các cụm chi tiết đàn hồi của hệ thống treo Việc xác định đúng độ cứng của các phần tử liệt kê ở trên có một ý nghĩa rất quan trọng khi thành lập sơ đồ tính toán HTTL tương đương

Chương 4 Tính toán ứng dụng: sử dụng hệ thống HTTL tương đương tính toán thông số tải trọng của bộ dập tắt dao động, tính toán độ bền bánh răng trong hộp số

Chương 5 Kết luận và kiến nghị và hướng phát triển tiếp theo của đề tài

vii

SUMMARY

Automobile is a complex dynamics system When it moves on different types of roads with different speeds, the supporting state of its parts changes When calculating the durability of parts and outside static loading capacity of automobile parts, we must consider dynamic loading Dynamic loading has an effect on the parts in a short time but its value is much greater than the static loading capacity Dynamic loading appears in the parts and details of power train when the clutch is closed suddenly, when engaging gear during accelerating, breaking suddenly by hand break, or when breaking suddenly without opening the clutch… Exactly determining the value of loading effect to parts of the powertrain is a very complex problem

The theme « Researching the power train modeling and method of dynamic loading calculation in the power system” was carried out based on research about dynamic loading of the powertrain with automotive mechanical type, then modeling the power train and using the modeling for calculating on a few parts of the cluster powertrain

The content of the theme including :

Chapter 1 Overview : Presenting the domestic and aboard researching situation, the works have been published Chosing the researching object is mechanical power train, the way researching is aimed to identify the mode of load acting on the power train and method of calculating its specific loads

Chapter 2 Research the theory basis of dynamic loading on automobile: Analyse the diagram of the system arrangement, the initial parameter is to calculate the power train and the features of dynamic loading Select the basic parameter of the mechanical power train analyse the tractive quality of automobile is to evaluate the accuracy in choosing the parameter of the engine and of the power train Evaluating the tractive quality and the fuel economy of automobile in the conditions approaching the real conditions is to get the initial figures to calculate the durability

of the blocks and the items in the power train

Chapter 3 Simulate the power train: Analyse the defect features and the operating capacity of the componenst depends on the main factors causing the defects of the component Calculate the durability is to prevent the breaks or defects of the working surface when suffering the maximum dynamic load For calculating the durability, it is necessary to define the maximum dynamic load in the hardest working condition The simple way is the simulate method; it means we make the diagram of the power train The dynamic load of the power train is defined by various parameter affecting on the automobile during the operation, including the dynamic parameter of the automobile Among the allocating parameter system, each element is specified by two features: the inertia and the elasticity Among the desultory systems, the mass is considered as concentrated mass and this mass only

viii

has the inertia feature The components connecting to this mass are the elastic elements and these components are specified by a defined hardness The digitization, when calculating the power train, is carried out by the careful study the detailed drawing of the power train and devide it into the components which only have the concentrated mass and the components which only have the elasticity feature Flywheel, clutch plate, flange, gears, gear housing, covers of the components are considered as the components which have the concentrated mass The first of the components, which have only the elasticity feature, is the core axis

of the power train and the elastic assembly of the suspended system Define the exact hardness of the above listed components is very important to set up the diagram of the power train

Chapter 4 Calculate the application: Use the system of the equivalent power train

to calculate the load parameter of the oscillator, and to calculate the durability of the gears in the gear box

Chapter 5 Conclusion and proposal for the next development of the theme

ix

MUÏC LUÏC

Trang

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan iii

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt v

Mục lục ix

Danh sách các bảng xi

Danh sách các hình xii

Danh sách các ký hiệu xiv

Chöông 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2 Mục đích của đề tài 4

1.3 Nhiệm vục hính của đề tài 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu 4

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC CỦA Ô TÔ 5

2.1 Sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực 9

2.2 Các thông số ban đầu để tính toán hệ thông truyền lực 12

2.3 Thống số cơ bản của hệ thống truyền lực kiểu cơ khí có cấp 25

2.4 Đánh giá chất lượng kéo của ô tô có hệ thống cơ khí 38

2.5 Tính toán chế độ chuyển động của ô tô 45

Chương 3 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 51

3.1 Đặc tính hư hỏng và các dạng tính toán hệ thống truyền lực 51

3.1.1 Đặc tính hư hỏng 51

3.1.2 Các dạng tính toán bền 54

3.2 Mô hình hóa hệ thống truyền lực để tính toán hệ thống 58

x

3.3 Xác định tải trọng lớn nhất trong hệ thống truyền lực 78

3.4 Chế độ tải trọng khi tính tốn về độ bền lâu của hệ thống truyền lực 84

Chương 4: TÍNH TỐN ỨNG DỤNG TRÊN MỘT SỐ CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 98

4.1 Tính tốn bộ dập tắt dao động 98

4.1.1 Lựa chọn thơng số bộ dập tắt dao động 98

4.1.2 Tính tốn các thơng số tải trọng của ly hợp 104

4.1.3 Tính tốn các chi tiết của ly hợp 109

4.2 Tính tốn độ bền lâu của bánh răng trong hộp số 114

Chương 5 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1.a Các giá trị khối lượng của ô tô 14

Bảng 2.1.b Tải trọng của ô tô trên một cầu của ô tô loại A và loại B 16

Bảng 2.2 Diện tích cản chính diện của một số xe hiện đại 18

Bảng 2.4 Các thông số của một số loại động cơ để tính toán sức kéo 20

Bảng 2.5 Công suất tiêu hao trong việc dẫn động các cơ cấu của động cơ 23

Bảng 2.6 Mối liên hệ giữa công suất riêng và vận tốc cực đại 25

Bảng 2.7 Tỷ số truyền lực chính của một số loại xe ô tô 28

Bảng 2.8 Phụ thuộc của khoảng động học và số lượng số truyền 29

Bảng 2.9 Đặc điểm chính của HTTL cơ khí trên một số ô tô 33

Bảng 2.10 Đặc điểm chính của HTTL cơ khí trên một số ô tô có hộp số phụ 36

Bảng 2.11 Tỷ số truyền hộp số phụ của một số loại xe 39

Bảng 2.12 Thông số động lực học của một số loại ô tô 41

Bảng 2.13 Thời gian tăng tốc của một số kiểu ô tô 46

Bảng 3.1 Công thức tính độ đàn hồi và mômen quán tính của một số chi tiết 63

Bảng 3.2 Thành phần động học của mô hình cơ khí có hình dạng tương ứng 69

Bảng 3.3 Quãng đường xe chạy của một số kiểu xe 89

Bảng 3.4 Thông số để tính toán tải trọng riêng của một số loại xe 93

xii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Đồ thị trị số khối lượng riêng phụ thuộc vào sức chứa định mức

của xe buýt chạy liên tỉnh và trong thành phố 15

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa khối lượng và hệ số tải trọng trên xe vận tải 16

Hình 2.3 Đặc tính ngoài của động cơ IAMZ– 238 20

Hình 2.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa N er và v amax 25

Hình 2.5 Đồ thị động lực học của ô tô ZIL 130 41

Hình 2.6 Mối quan hệ giữa gia tốc và vận tốc khi thay đổi số truyền 45

Hình 3.1 Mô hình tính toán hệ thống truyền lực 62

Hình 3.2 Phương pháp tính mô men khi chia nhỏ chi tiết 65

Hình 3.3 Tính mô men với chi tiết không phân tích được thành các hình đơn giản 65

Hình 3.4 Đơn giản hóa hệ thống động lực học 76

Hình 3.5 Mô men trong HTTL khi đóng mở ly hợp 79

Hình 3.6 Sơ đồ xác định tải trọng lớn nhất của ô tô 4x2 và 6x4 79

Hình 3.7 Sơ đồ khối để giải bài toán trên máy tính 84

Hình 3.8 Phân bố lực vòng riêng để tính toán các chi tiết truyền lực chính xe tải nặng 96

Hình 3.9 Đồ thị để xác định quãng đường xe chạy theo ứng suất uốn 97

Hình 3.10 Đồ thị để xác định quãng đường xe chạy theo ứng suất tiếp xúc 97

Hình 4.1 Mômen M e của động cơ 101

Hình 4.2 Hệ khối lượng dùng tính toán bộ dập tắt dao động 102

Hình 4.3 Khâu đàn hồi của bộ dập tắt dao động 103

Hình 4.4 Sơ đồ khối để giải phương trình 4.1 104

Hình 4.5 Sự phụ thuộc của biên độ dao động cực đại M 12 của M x và M ms trên ly hợp ô tô vận tải 4x2 105

Hình 4.6 Sư thay đổi của ω e và ω a theo thời gian 106

Hình 4.7 Sơ đồ tính toán ly hợp 106

xiii

Hình 4.8 Quá trình trượt của ly hợp 107

Hình 4.9 Sơ đồ để tính toán lò xo đĩa 112

xiv

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

HTTL Hệ thống truyền lực

ma Khối lượng của ô tô

mrm Khối lượng của rơ moóc

mđx Khối lượng của đoàn xe

H0 Chiều cao cơ sở của ô tô

B0 Bề rộng cơ sở của ô tô

ma Khối lượng toàn bộ của ô tô

mci Tải trọng có ích

mn Khối lượng con người 75kg/ người

mδ Là khối lượng hành lý

kG hệ số tải trọng

kđx Hệ số khối lượng của đoàn xe

kB Hệ số diện tích cản chính diện của xe

kc Hệ số tổn hao công suất

Ψυ Hệ số cản của đường ở tốc độ lớn nhất của xe

i0 Tỷ số truyền của truyền lực chính

m Trọng lượng bám

ηt Hiệu suất của hệ thống truyền lực

δ Hệ số tính tới khối lượng chuyển động quay tới khối lượng

chuyển động tịnh tiến

Ner Công suất riêng của động cơ

Mtt Mô men tính toán

ntt Tốc độ tính toán

Mtt Mô men tính toán tương đương

ks Hệ số quãng đường xe chạy

ξu Quãng đường xe chạy tương ứng ở tay sô u

γtt(u) Lực vòng tính toán riêng trên các số truyền

xv

M emax Mô men cực đại của động cơ,

iu Tỷ số truyền tương ứng ở tay số thứ u,

ηu Hiệu suất tương ứng ở tay số truyền thứ u

MH Mô men ở bánh bơm khi cung cấp năng lượng hoàn toàn,

kp Hệ số mô men

Gφ Trọng lượng bám

θ Hệ số kể tới hiện tượng tuần hoàn công suất,

λ Hệ số kể tới một phần công suất truyền qua cụm khảo sát,

γ Lực vòng tính toán đơn vị

vtt(i) Vận tốc tính toán của ô tô ở số truyền u

vtb Tốc độ trung bình của ô tô

σ H , σ B Giới hạn của ứng suất tính toán

γi Trị số biến đổi của lực vòng riêng,

γtb(i) Trị số trung bình của lực vòng riêng ở tay số i,

ihp Tỷ số truyền của hộp số phân phối

vamax Tốc độ tính toán lớn nhất của ô tô

vkmax Tốc độ động học lớn nhất

cv Hệ số truyền

xvi

Dk Khoảng động lực học của ô tô

D Nhân tố động lực học

nemin Số vòng quay nhỏ nhất của động cơ ( v/phút)

vamin Vận tốc chuyển động ổn định nhỏ nhất của ô tô

Ii’ ei’ Mô men quán tính khối lượng và độ đàn hồi của hệ cơ khí

Ii ei Mô men quán tính khối lượng và độ đàn hồi của hệ tương đương

Rz Phản lực pháp tuyến

φ Hệ số bám của bánh xe với mặt đường

ω Tần số dao động riêng của hệ cục bộ

etđ Độ đàn hồi tương đương

Itđ Mô men quán tính tương đương

pΣ Lực cản tổng cộng của đường và của không khí

Pp Lực phanh cần thiết của ô tô

Ppc Lực phanh của cơ cấu phanh

Ppđ Lực phanh bằng động cơ

St Quãng dường phanh

Mpđ Mô men phanh động cơ

Ia Mômen quán tính tương ứng với khối lượng chuyển động tịnh tiến

xvii

Tc Thời gian đóng ly hợp

k Hệ số đặc trưng cho mức độ đóng ly hợp

βc Hệ số dự trữ của ly hợp

Mcmax Mô men tĩnh khi đóng hoàn toàn ly hợp

vtb Tốc độ trung bình của ô tô

Mms Mô mem ma sát của ly hợp

Mx Mô men xoắn của ly hợp

Mr Mô mem tại thời điểm đóng lò xo

Wµ Công trượt riêng của ly hợp

W1,2 Công trượt riêng của ly hợp tương ứng với giai đoạn 1 và giai đoạn 2

Wb Công trượt riêng toàn bộ của ly hợp

Δt Sự tăng nhiệt độ trung bình của đĩa ép sau một lần đóng mở ly hợp

Ftd Lực tác dụng lên đĩa ép của lò xo

F0 Lực tổng cộng của lò xo kéo và lò xo nén của ly hợp

Flx Lực tác dụng lên lò xo khi mở ly hợp

Id Mô mem quán tính của động cơ

Id Quán tính bánh đà thay thế cho khối lượng chuyển động tịnh tiến

Mt Mô men cực đại của các khâu trong hệ thống truyền lực và động cơ [1] Tên tài liệu tham khảo

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

Hệ thống truyền lực (HTTL) trên xe ô tô giữ một vị trí vô cùng quan trọng dùng

để nối và truyền mô men quay từ động cơ tới các bánh xe chủ động HTTL phải đảm bảo truyền được mô men quay một cách êm dịu, cắt truyền động đến các chi tiết một cách nhanh chóng dứt khoát (cụm ly hợp), truyền và biến đổi mô men quay, đổi chiều chuyển động (hộp số), phân chia mô men đến từng bánh xe chủ động, đảm bảo các bánh xe có thể chuyển động ở các tốc độ khác nhau Trong quá trình thiết kế tính toán HTTL Vấn đề đầu tiên đặt ra là cần phải xác định tải trọng động tác dụng lên hệ thống

Trong lĩnh vực này tác giả Nguyễn Khắc Tuấn đã có công trình nghiên cứu

“Vybor putey snizheniya dinamicheskih nagruzok vmehanicheskoy transmissii

avtomobilya kombinirovannoy ustanovkoy pri zapuske dvs skhodu”- “Lựa chọn con

đường giảm tải trọng động trong HTTL kiểu cơ khí của ô tô có HTTL kiểu hỗn hợp khi khởi hành” Trong đề tài này tác giả đã đưa ra được phương pháp cải thiện nhằm nâng cao tính an toàn và hiệu quả của HTTL, tránh được những hư hỏng có thể gây ra bởi tải trọng động Tác giả cũng xây dựng một thuật toán điều khiển và khắc phục sự cố một cách tự động khi xuất hiện tải trọng động lớn trong HTTL Đặc biệt khi trong HTTL xuất hiện tải trọng động ở tần số cao

HTTL bao gồm rất nhiều các chi tiết và hoạt động rất phúc tạp, để mô tả quá trình hoạt động của HTTL, bằng công trình: “Driveline modelling using mathmodelica”- “Sử dụng MathModelica để mô hình hóa HTTL”, Tác giả Per Nobrant

đã xây dựng mô hình HTTL trong MathModelica Một số phần tử của hệ thống được lấy từ các thư viện có sẵn trong Modelica, đã được tiêu chuẩn và sử dụng thích hợp Các thành phần còn lại được xác định bởi các phương trình toán học Công trình

2

này mô hình hóa một cách cụ thể và mô phỏng một cách chính xác hoạt động của ly hợp, hộp số, các đăng, truyền lực chính, bán trục và bánh xe Mô phỏng cũng được thực hiện với các chế độ khác nhau khi vận hành (khởi hành xe, chuyển động ổn đinh, thay đổi số truyền ) và các điều kiện khác nhau của mặt đường

Các mô phỏng tương ứng với từng chế độ vận hành được đề cập chi tiết trong công

trình nghiên cứu: “Driveline modeling and principles for speed control and gear-shift

control”- “Mô phỏng HTTL điều khiển tốc độ và kiểm soát quá trình sang số” Ở công trình nghiên cứu này, tác giả Magnus Pettersson đã làm các thí nghiệm và mô hình hóa bằng cách sử dụng một chiếc xe tải hạng nặng Ông đã chứng minh rằng tải trọng động

và đặc biệt là hiện tượng cộng hưởng rất nguy hiểm trong HTTL Đó là một mô hình tuyến tính với một HTTL linh hoạt có thể lý giải đầy đủ các chệ độ hoạt động của

xe tương ứng với từng tốc độ động cơ và tốc độ bánh xe Công cụ kiểm soát tự động các sự biến đổi trong HTTL cũng được đề cập Một bước quan trọng là kiểm soát không để mất mát năng lượng trong hộp số và các bánh truyền động trung gian Tác giả đi tới kết luận: dao động trong HTTL là một yếu tố cần hạn chế trong hệ thống

Công trình nghiên cứu “The modeling and control of an automotive drivetran” – “Mô phỏng và điều khiển HTTL ô tô” của Nicholas M.Northcote lại ghi nhận chấn động và những dao động trong một HTTL xe là hai hiện tượng của HTTL gây nên cảm giác không thoải mái cho lái xe Chúng phải chịu tác động bởi những chấn động mạnh và các dao động theo sau đó Nó được gây ra bởi một sự thay đổi nhanh chóng mô-men xoắn động cơ Ngày nay, hầu hết các xe hiện đại đều được trang bị ga điện tử cho phép các đơn vị điều khiển trên bo mạch điện tử để điều khiển mô-men xoắn của hệ thống một cách phù hợp trước khi gửi một tín hiệu điều chỉnh hệ số tải của động cơ Trong cách này, một hệ thống kiểm soát thông tin phản hồi có thể được sử dụng để đảm bảo

3

rằng HTTL đáp ứng những yêu cầu về sự thay đổi mô men xoắn càng nhanh càng tốt

mà không gây chấn động hoặc dao động

Trong luận văn này, một mô hình HTTL được đề xuất và các tham số của nó được xác định bằng thực nghiệm Độ chính xác của mô hình đã được xác nhận bằng cách sử dụng dữ liệu thử nghiệm từ một chiếc xe, và kết luận rằng mô hình là công cụ mô phỏng chính xác một chiếc xe Một bộ điều khiển HTTL được thiết kế và mô phỏng hiệu suất của nó bằng cách sử dụng mô hình xe Các mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển làm giảm đáng kể tải trọng động trong HTTL qua đó cải thiện sự thoải mái cho lái xe

4

Công trình “modeling and simulation of a driveline with an automatic gearbox” – “ Mô phỏng HTTL ô tô sử dụng hộp số tự động” của tác giả Tomas Zackrisson: mô hình động học của HTTL của một chiếc xe tải với một hộp số tự động được xây dựng và thực hiện trong ngôn ngữ phần mền mô phỏng Modelica Mô hình này được xây dựng trong một mô-đun để tạo điều kiện thuận lợi cho việc tái sử dụng và sắp xếp các mô hình Mô hình chiếc xe tải này đã được phát triển từ một mô hình được tạo ra trước đó

mô phỏng hệ thống truyền lực sử dụng hộp số cơ khí Công trình nghiên cứu này đã phát triển một mô hình chiếc xe tải có thể được sử dụng để mô phỏng các tín hiệu tốc

độ từ các bộ phận khác nhau của HTTL, để cho phép thử nghiệm một hệ thống hộp số

tự động trong một phòng thí nghiệm thay vì thử nghiệm trên một chiếc xe tải bình thường Để thực hiện đầy đủ các thử nghiệm như vậy, tín hiệu tốc độ từ các bộ phận khác nhau của HTTL của một chiếc xe tải đã được tạo ra bởi mô hình Nói cách khác, các tín hiệu tốc độ được cảm nhận trên một chiếc xe tải thực sự được điều khiển bởi hệ thống mô phỏng, tức là các bộ phận cơ khí trong các đường truyền lực của một chiếc

xe tải phải được thay thế bởi các tín hiệu điện mô phỏng đầy đủ hoạt động của các thành phần Để làm được điều này phải sử dụng các thiết bị điều khiển có độ tin cậy cao, khả năng tiếp nhận tín hiệu ở tốc độ cao từ một chiếc xe tải thực Vấn đề là tạo ra một cách thức tính toán các tín hiệu tốc độ với trạng thái động lực để đạt được kết quả giống như với thực tế

1.2 Mục đích của đề tài:

Đề tài thực hiện nhằm bổ sung vào những nghiên cứu trên về tải trọng động trong HTTL cơ khí trên ô tô Đây là đề tài tương đối phức tạp, hiện có rất ít tài liệu nghiên cứu về tải trọng động trong HTTL phục vụ học tập nghiên cứu của sinh viên và kỹ thuật viên Vì vậy đề tài có nhiệm vụ:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tải trọng động trong HTTL kiểu cơ khí trên ô tô

- Mô hình hóa HTTL trên ô tô

5

- Tính toán ứng dụng trên một vài cụm chi tiết của HTTL

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài:

- Xác định các chế độ tải trọng tác dụng lên HTTL ô tô;

- Xây dựng mô hình và phương pháp tính toán, xác định các chế độ tải trọng động đặc trưng;

-Tính toán ứng dụng :

 Tính toán tải trọng lớn nhất trong HTTL

 Xác định tải trọng khi tính độ bền của HTTL

 Tính toán ly hợp

 Tính toán độ bền bánh răng trong hộp số

Vì thời gian có hạn và với kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, nên đề tài chỉ chọn đối tượng nghiên cứu là HTTL cơ khí có kiểu công thức bánh xe 4 x 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên các công trình đã được công bố,

- Nghiên cứu ứng dụng: Sử dụng kết quả của nghiên cứu lý thuyết kết hợp với các phần mền Office, Autocad, phần mền mô phỏng, phần mền tính toán để làm công cụ thực hiện các nhiệm vụ của đề tài

ra khi nhả bàn đạp (đóng ly hợp) ly hợp đột ngột, khi gài số trong quá trình tăng tốc, khi phanh đột ngột bằng phanh phanh tay, khi phanh không mở ly hợp, hoặc khi bánh

xe đi qua mặt đường không bằng phẳng , v.v… Muốn xác định kích thước của các chi tiết để làm việc được an toàn, cần phải xác định tải trọng động tác dụng lên các chi tiết

đó khi ô tô làm việc Xác định chính xác trị số tải trọng động tác dụng lên các chi tiết ô

tô là vấn đề rất phức tạp, vì tải trọng động có thể sinh ra trong nhiều điều kiện sử dụng khác nhau Xác định tải trọng động bằng lý thuyết có mục đích để hạn chế bớt số trường hợp gây nên tải trọng động và để đơn giản quá trình tính toán Bởi vậy tải trọng động thường được xác định theo công thức kinh nghiệm nhận được từ hàng loạt các thí nghiệm

Thông thường, tải trọng động đặc trưng bằng hệ số tải trọng động Hệ số này bằng tỷ số của của trị số tải trọng động trên tải trọng tĩnh Đối với HTTL của ô tô, tải

trọng tĩnh tác dụng lên chi tiết được tính từ mômen cực đại của động cơ M emax truyền

xuống

Khi khởi động ô tô tại chỗ và đóng ly hợp đột ngột sẽ gây tải trọng động lớn nhất, bởi vì khi đóng ly hợp đột ngột các đĩa chủ động và bị động được ép vào nhau không những nhờ lực ép của lò xo mà còn nhờ lực quán tính sinh ra khi đĩa chủ động chạm vào đĩa bị động Thí nghiệm và tính toán chứng tỏ rằng mômen của các lực quán tính này có thể lớn hơn nhiều so với mômen ma sát sinh ra giữa các đĩa ly hợp Tải

Như vậy, khi đóng ly hợp đột ngột sẽ gây tải trọng động lớn nhất lên HTTL có thể làm gãy vỡ các chi tiết Đó là chế độ tải trọng thừa nhận để tính toán bánh răng, trục của hệ thống truyền truyền lực theo tải trọng động

Hệ số tải trọng động của ô tô là k, trong trường hợp này được tính theo công

thức kinh nghiệm như sau:

K d =

i

i 8

 Trong đó : i – tỷ số truyền chung của HTTL ứng với số truyền đang tính;

Kiểm tra mômen quay tác dụng lên các chi tiết khi phanh cho đến khi trượt lết bánh xe

mà không mở ly hợp (phanh bằng động cơ) và khi phanh bằng phanh tay đặt ở trục thứ cấp hộp số (phanh trung ương) có thể tiến hành bằng phương pháp lý thuyết như sau:

Khi phanh không mở ly hợp thì các bộ phận quay của động cơ (chủ yếu là bánh đà với

mômen quán tính J b.đ ) phải dừng lại trong thời gian rất ngắn t và với gia tốc chậm dần

8

rất lớn d bd

dt



(bd - tốc độ góc của bánh đà) Trong trường hợp này, mômen các lực

quán tính M j của bánh đà sẽ truyền qua ly hợp để tác dụng lên HTTL

Mômen này xác định theo công thức :

phanh ngặt ở số truyền thẳng của hộp số (ih = 1), vì lúc đó độ cứng C của HTTL sẽ cực

đại Trường hợp này hay gặp trong điều kiện sử dụng

Khi phanh gấp ô tô đang chạy ở tốc độ cao (số vòng quay của trục khuỷu khoảng 2000

÷ 2500 vg/ph) không mở ly hợp thì mômen các lực quán tính tính toán M j sẽ lớn hơn

mômen cực đại của động cơ khoảng 15 ÷ 20 lần Mômen này truyền từ bánh đà qua ly hợp đến HTTL Trong trường hợp này ly hợp làm nhiệm vụ của cơ cấu an toàn để tránh cho HTTL khỏi bị tải trọng lớn Lúc đó ly hợp sẽ trượt và mômen quay bánh đà truyền xuống HTTL chỉ có thể bằng mômen quay cực đại mà ly hợp có thể truyền

Khi phanh bằng phanh tay ( trung ương) trên đường trơn, hệ thống truyền lực sẽ bị tải trọng bởi mômen các lực quán tính M’j truyền từ bánh xe lên xác định bằng công thức :

M j = J bx d x

dt



Ở đây: i0 là tỷ số truyền của truyền lực chính,

φc , φc’, φc’’ lần lượt là góc xoắn của bán trục, các đăng thứ nhất và các đăng thứ hai

Kết cấu của HTTL có tác dụng lớn trong việc làm giảm tải trọng động Khi dùng khớp nối đàn hồi ở trục các đăng, tải trọng động sẽ giảm từ 10 ÷ 15% Khi dùng bộ phận đàn hồi ở hệ thống treo phía sau để truyền lực đẩy lên khung, tải trọng động giảm đi 10 ÷ 20%, ngoài ra ly hợp dùng trên ô tô cũng có tác dụng giảm tải trọng động đáng kể

Phương pháp tốt nhất để giảm tải trọng động là dùng hộp số thủy cơ và ly hợp thủy lực

ở HTTL của ô tô Thí nghiệm chứng tỏ rằng, khi dùng hộp số thủy cơ, tải trọng động giảm 1.5 ÷ 4.5 lần lúc khởi động, giảm 3 lần lúc tăng tốc, giảm 1.8 ÷ 2.7 lần khi ô tô đi qua đường không bằng phẳng và 2.5 lần khi phanh

Ngoài tải trọng động tác dụng lên chi tiết do ngoại lực sinh ra còn có tải trọng động tác dụng lên chi tiết do quá trình gia công, chế tạo và lắp ghép và cân bằng không chính xác Bởi thế khi tính toán từng cơ cấu của HTTL cần chú ý tới hệ số tải trọng động rời rạc của từng cơ cấu

Từ những phân tích trên cho chúng ta thấy rõ các cụm và các chi tiết của HTTL trên ô

tô làm việc theo tải trọng động Cần chú ý, tải trọng động trên ô tô thay đổi tùy theo loại ô tô, loại đường và kết cấu của từng cụm… Vì vậy tính toán tải trọng theo lý

10

thuyết là rất phức tạp và khó chính xác Do những nguyên nhân trên mà hiện nay các chi tiết và các cụm của ô tô được tính chủ yếu theo tải trọng tĩnh Để các chi tiết làm việc đảm bảo độ bền, khi chọn ứng suất cho phép phải chú ý tới tải trọng động có thể sinh ra trong lúc sử dụng, nghĩa là phải chọn hệ số an toàn cho thích hợp Ngoài ra ở một số công thức tính toán có tính tới hệ số tải trọng động tìm ra bằng thực nghiệm

Hiện nay có rất nhiều phương pháp tính toán tải trọng động Những nội dung tiếp theo của đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu một trong những phương pháp tính được nhiều người quan tâm

2.1 Sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực

HTTL của ô tô bao gồm các bộ phận và cơ cấu nhằm thực hiện nhiệm vụ truyền mômen xoắn từ động cơ tới các bánh xe chủ động HTTL thường bao gồm các chi tiết sau: Ly hợp, hộp số, hộp số phân phối, truyền động các đăng, truyền lực chính, vi sai, bán trục Ở trên xe một cầu chủ động sẽ không có hộp phân phối Ngoài ra, trên xe tải nặng, HTTL có thêm truyền lực cuối cùng

Mức độ phức tạp của HTTL trên một xe cụ thể được thể hiện qua công thức bánh xe

Công thức bánh xe được ký hiệu tổng quát là a x b, với a _ số lượng bánh xe và b _ số

lượng bánh xe chủ động Trong ký hiệu trên, bánh xe kép vẫn được coi như một bánh

13

Trong các sơ đồ HTTL trên:

1 là động cơ, 2 ly hợp, 3 hộp số, 4 hộp số phụ, 5 truyền lực cuối cùng

2.2 Các thông số ban đầu để tính toán HTTL

Khi tính toán ô tô chúng ta tính toán các thông số sau của HTTL: tỷ số truyền truyền lực chính, khoảng động học, tỷ số truyền của hộp số chính và tỷ số truyền của hộp số phân phối

Khi thiết kế ô tô, nhiệm vụ kỹ thuật được đặt ra gồm nghiên cứu các tài liệu gốc và nghiên cứu cơ sở để thiết kế phác thảo và thiết kế kỹ thuật sẽ cho các thông số ban đầu

để tính toán Trong đó định hướng chung về thiết kế, về nghiên cứu và công nghệ kỹ thuật sẽ được xác định

Trong nhiệm vụ kỹ thuật xác định được kiểu ô tô, đặc điểm vắn tắt về lĩnh vực sử dụng, điều kiện đường xá, chế độ sử dụng kèm theo những chỉ dẫn về khí hậu thì tuân theo tiêu chuẩn ГOCT 15150 – 69 Ở đây cũng chỉ ra những đặc tính sử dụng của ô tô (như công suất, tốc độ và các chỉ tiêu khác để xác định chất lượng động lực học của ô tô), các chỉ tiêu về khối lượng, kích thước, thời gian dự trữ tới thời kỳ đại tu, về quãng đường xe chạy về chu kỳ bảo dưỡng, những thuận lợi trong việc sản xuất và khối lượng lao động, những yêu cầu về việc cải biên, vật liệu, dầu mỡ bôi trơn và các vấn đề khác

để tiến hành thiết kế

14

Khối lượng toàn bộ của ô tô m a và khối lượng của romoóc m rm , số lượng cầu nói chung

và số cầu chủ động và cách phân bố các cầu, phân bố khối lượng cho các bánh xe, chiều rộng cơ sở B0 và chiều cao H0, hệ số lưu thông kx là các chỉ tiêu về kích thước, khối lượng và các thông số bố trí chung của ô tô Chúng có ảnh hưởng trực tiếp tới đặc tính của HTTL trên ô tô

Khi giải bài toán kỹ thuật ( khi thực hiện nhiệm vụ kỹ thuật), các thông số này được xác định theo các xe tương tự có tính đến công dụng của ô tô, tính truyền thống, trang

bị kỹ thuật của nhà máy, chất lượng của các loại vật liệu dự tính sẽ sử dụng

Khối lượng của ô tô và của đoàn xe được xác định bằng trạng thái khối lượng sau: maH– khối lượng không kể tới các phụ kiện ( dụng cụ đồ nghề, bánh xe dự phòng và các thiết bị phụ như radio…), khối lượng tra nạp (nhiên liệu, dầu bôi trơn và nước, khối lượng chất lỏng trong phuộc nhúng, các khớp bản lề, dung dịch và điện cực của accu)

Khối lượng bổ sung vào ô tô m0 : là khối lượng có kể tới các khối lượng phụ nói trên nhưng không kể tới khối lượng lái xe và hành khách

Khối lượng toàn bộ ma : là khối lượng tổng cộng của ô tô và các thiết bị phụ và các tải trọng có ích Mci, lái xe và hành khách

Khối lượng của đoàn xe mđx bằng khối lượng của ô tô và romoóc, khối lượng toàn bộ của ô tô được xác định theo công thức sau:

Khối lượng bổ sung m0 của xe du lịch tùy thuộc vào cấp độ nhóm của xe Căn cứ vào thể tích công tác của động cơ làm thông số cơ bản để phân cấp độ xe (bảng 2.1.a):

Bảng 2.1.a: Các giá trị khối lượng của ô tô

Nhóm rất nhỏ

1

2

A0 0.849 0.85 – 1.099

A0 0.649

650 – 799

30 – 50

50 – 65 Nhóm nhỏ

1

2

1.1– 1,299 1.3– 1.499

1500 – 1900 Không giới hạn

110 – 120

16

Khối lượng bổ sung của xe buýt m0 phụ thuộc vào sức chứa định mức Trên bảng 2.1 cho các trị số của khối lượng phù hợp với một hành khách tương ứng với khối lượng riêng lớn nhất và nhỏ nhất Sức chứa định mức là số lượng hành khách mà xe buýt chuyên chở trong điều kiện chuyển động bình thường ( không tính theo giờ / cung đường)

Hình 2.1: Đồ thị trị số khối lượng riêng phụ thuộc vào sức chứa định mức của xe buýt

chạy liên tỉnh và trong thành phố

Nếu biết trọng tải của xe vận tải, khối lượng toàn bộ của nó có thể căn cứ vào số liệu

đã cho ở trạng thái tĩnh và xuất phát từ hệ số tải trọng kG

kG = mG / ma Các đường cong tương ứng với hệ số tải trọng cực đại trên xe vận tải đối với ô tô tải thùng, xe ben và xe đầu kéo được cho trên hình 2.2:

17

Hình 2.2: Mối quan hệ giữa khối lượng và hệ số tải trọng trên xe vận tải

Đường nét đậm là của xe ben, đường nét đứt là của xe tải thùng

và đường chấm gạch là của xe đầu kéo

Phân bố khối lượng cho các cầu được xác định bằng việc sử dụng toàn bộ tải trọng có ích của lốp xe và tải trọng cho phép tối đa của một cầu trên đường một cách hợp lý Bảng 2.1.b cho phép xác định tải trọng của ô tô trên một cầu của ô tô loại A và loại B Trong tiêu chuẩn này, chuyển động của ô tô loại A chỉ chuyển động trên đường loại 1

và loại 2, khoảng cách giữa các cầu tính bằng mét

Bảng 2.1.b: Tải trọng của ô tô trên một cầu của ô tô loại A và loại B

Khoảng cách giữa các cầu(m) 1.0 – 1.25 1.26 – 1.3 1.4 – 2.5 > 2.6

Trọng tải cho phép tối đa trên 1 cầu

Với xe loại A

Với xe loại B

68.7 44.1

76.5 49.0

88.3 53.9

98.1 58.9

18

Khối lượng của romoóc kéo phụ thuộc vào công dụng của cả đoàn xe Khối lượng xe đầu kéo phụ thuộc vào số cầu chủ động của xe đầu kéo và phụ thuộc vào một loạt các thông số khác

Tỷ số khối lượng của xe romoóc trên khối lượng xe đầu kéo là hệ số khối lượng kđx của đoàn xe:

kđx = mrm / mđkĐối với xe chạy trên đường cứng, hệ số kđx khoảng 0.5 – 1.2, giá trị lớn ứng với ô tô loại A và đoàn xe Với đoàn xe có đầu kéo, dẫn động hoàn toàn chuyển động trên đường đất, hệ số kđx = 0.3 – 0.6

Lực cản không khí có ảnh hưởng tới đặc tính kéo của ô tô khi xe chạy với tốc độ cao, phụ thuộc vào diện tích cản chính diện F, hình dạng của ô tô và được đánh giá bằng hệ

số kB Khi không có số liệu chính xác, chúng ta có thể tính toán theo công thức sau:

F = α H0B0 Trong đó: H0 , B0 là chiều cao và bề rộng lớn nhất của xe,

α là hệ số điền đầy thể tích

Xe du lịch: α = 0.78 – 0.8, xe vận tải: α = 0.75 – 0.9 Giá trị α lớn lấy với xe tải nặng

19

Bảng 2.2: Diện tích cản chính diện của một số xe hiện đại

Hệ số kB của các xe khác nhau cho trong bảng 2.3:

Bảng 2.3: Hệ số diện tích cản chính diện của một số xe

Nemax, mômen xoắn cực đại Memax, mômen xoắn ứng với công suất cực đại MN, số vòng

20

quay lớn nhất của trục khuỷu nemax , số vòng quay tương ứng với chế độ công suất cực đại nN, hệ số thích ứng theo mô men của động cơ kM, hệ số thích ứng của động cơ theo

số vòng quay kω,

Đối với động cơ xăng kM = 1.1 – 1.35, kω = 1.5 – 2.5

Đối với động cơ Diesel kM = 1.1 – 1.15, kω = 1.45 – 2.0

Khi tính toán, chúng ta thường sử dụng công thức gần đúng:

Ở đây: a, b, c là các hệ số được lựa chọn theo đặc tính ngoài của động cơ

Nếu biết kM và kω, các hệ số a, b, c có thể được xác định theo công thức:

Hình 2.3: Đặc tính ngoài của động cơ IAMZ– 238

Đồ thị trên cho các giá trị đặc tính ngoài của động cơ IAMZ – 238 và các điểm mô men

và công suất tính theo công thức 2.1 và 2.2