Xây dựng mô hình dao động xoắn hệ thống truyền lực ô tô tải loại trung bình

Luận văn được trình bày gồm bốn chương: • Chương I: Cơ sở lý thuyết của đề tài • Chương II: Xây dựng mô hình mô phỏng các cụm chi tiết của hệ thống truyền lực • Chương III: Xây dựng mô h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ MINH DIỄN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XOẮN HỆ THỐNG

TRUYỀN LỰC ÔTÔ TẢI LOẠI TRUNG BÌNH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của

Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Ô tô

và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2011

Tác giả

Vũ Minh Diễn

LỜI NÓI ĐẦU

Xuất phát từ thực tế phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu, sản xuất các cụm chi tiết của ô tô là rất quan trọng trong việc tiến tới từng bước làm chủ công nghệ trong sản xuất ô tô

Trong quá trình học tập và nghiên cứu học viên đã chọn đề tài “Xây dựng

mô hình dao động xoắn hệ thống truyền lực ô tô tải loại trung bình” làm luận văn

tốt nghiệp của mình Quá trình làm luận văn học viên đã sử dụng các kiến thức đã được học tại trường và các kiến thức tích lũy trong thực tế cùng sự giúp đỡ rất tận

tình của Thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan và các Thầy trong

bộ môn Luận văn được trình bày gồm bốn chương:

• Chương I: Cơ sở lý thuyết của đề tài

• Chương II: Xây dựng mô hình mô phỏng các cụm chi tiết của hệ thống truyền lực

• Chương III: Xây dựng mô hình mô phỏng toàn bộ hệ thống truyền lực

• Chương IV: Khảo sát một số chế độ làm việc và ảnh hưởng của các thông số kết cấu lên hệ thống truyền lực

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn em muốn bày tỏ lòng cảm ơn

sâu sắc tới sự giúp đỡ rất tận tình của Thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan và các Thầy trong bộ môn Kỹ thuật Ô tô và xe chuyện dụng – Trường

Đại học Bách khoa Hà nội đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 10

DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ 11

PHẦN MỞ ĐẦU 14

Sự phát triển ngành công nghiệp ô tô và sử dụng ô tô ở Việt Nam 14

Lý do chọn đề tài 15

Lịch sử nghiên cứu 16

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 17

Mục đích nghiên cứu của luận văn 17

Phương pháp nghiên cứu 18

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 19

1.1 Đặt vấn đề 19

1.2 Xây dựng mô hình cơ học 21

1.2.1 Mô hình tập trung đầy đủ 22

1.2.2 Mô hình tập trung đơn giản hoá 23

1.2.3 Mô hình cặp bánh răng ăn khớp: 24

1.3 Cách tính các thông số của mô hình 25

1.3.1 Mô men quán tính khối lượng, độ cứng xoắn của các đoạn trục, độ cản nhớt, độ đàn hồi được tính như sau: 25

1.3.2 Tải tác động lên hệ thống 28

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CÁC CỤM CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 31

2.1 Cụm ly hợp 31

2.1.1 Đặc điểm, sơ đồ cấu tạo của cụm ly hợp 31

2.1.2 Xây dựng mô hình cơ học để mô phỏng ly hợp 33

2.1.3 Mô hình dao động xoắn của ly hợp, hệ phương trình vi phân mô tả ly hợp 35

2.1.4 Giải hệ phương trình vi phân mô tả ly hợp 39

2.2 Mô phỏng cụm hộp số 44

2.2.1 Đặc điểm của hộp số cơ khí 44

2.2.2 Mô hình hộp số cơ khí 45

2.2.3 Xây dựng mô hình dao động xoắn, phương trình vi phân mô tả hệ bánh răng và các trục của hộp số cơ khí 45

2.2.4 Giải hệ phương trình vi phân mô tả hộp số 50

2.3 Mô phỏng Cụm cầu xe 53

2.3.1 Đặc điểm cầu chủ động 53

2.3.2 Mô hình cầu xe 53

2.3.3 Sơ đồ động lực học 55

2.3.4 Xét cặp bánh răng qủa dứa và vành chậu 55

2.3.5 Xét bánh răng bán trục và các bán trục 56

2.3.6 Giải hệ phương trình vi phân mô tả cụm cầu xe 57

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TOÀN BỘ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 62

3.1 Đặt vấn đề 62

3.2 Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực cơ khí 62

3.2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực 62

3.2.2 Xây dựng các phương trình vi phân mô tả hệ thống 63

3.3 Giải hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống truyền lực 65

CHƯƠNG IV: KHẢO SÁT MỘT SỐ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU LÊN HỆ THÔNG TRUYỀN LỰC 71

4.1 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu đối với hệ thống truyền lực 71

4.1.1 Ảnh hưởng của Momen quán tính phần bị động của ly hợp đối với hệ thống truyền lực 71

4.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng bánh răng lên hệ thống truyền lực 76

4.2 Khảo sát điều kiện sử dụng ảnh hưởng đến hệ thống truyền lực 78

4.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng xe đối với hệ thống truyền lực 78

4.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ đóng ly hợp đối với hệ thống truyền lực .83

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

Phụ lục 1 91

Phụ lục 2 95

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

2 Memax N.m Mô men lớn nhất của động cơ

3 MeN N.m Mô men ưng với công suất lớn nhất của động cơ

5 M2 N.m Mô men phần bị động của ly hợp

7 M3 N.m Mô men trục trung gian hộp sô

12 Moto N.m Mô men tại bánh xe chủ động

18 I1 kg.m2 mô men quán tính của động cơ và bánh đà

19 I2 kg.m2 mô men quán tính phần chủ động của ly hợp

20 I3 kg.m2 mô men quán tính phần bị động của ly hợp

21 I4 kg.m2 mô men quán tính bánh răng chủ động của hộp

27 Iôtô kg.m2 mô quán tính của bánh đà tương đương thay cho

khối lượng chuyển động tịnh tiến của ôtô

28 c1 N.m/rad độ cứng chống xoắn phần chủ động của ly hợp

29 c2 N.m/rad độ cứng chống xoắn phần bị động của ly hợp

độ cứng chống xoắn của trục trung gian của hộp

số

31 c4 N.m/rad độ cứng chống xoắn trục bị động của hộp số

32 c5 N.m/rad độ cứng chống xoắn của bán trục

33 c N.m/rad độ cứng chống xoắn của các bánh răng

34 b1 N.m.s/rad hệ số cản xoắn phần chủ động của ly hợp

35 b2 N.m.s/rad hệ số cản xoắn phần bị động của ly hợp

36 b3 N.m.s/rad hệ số cản xoắn của trục trung gian của hộp số

37 b4 N.m.s/rad hệ số cản xoắn trục bị động của hộp số

38 b5 N.m.s/rad hệ số cản xoắn của các bán trục

39 b N.m.s/rad hệ số cản xoắn của các bánh răng

55 φ5 rad góc quay bánh răng trục thứ cấp hộp số

56 φ6 rad góc quay bánh răng quả dứa cầu chủ động

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1 : Giá trị hệ số tải trọng động trên trục sơ cấp hộp số theo I3 73

Bảng 4.2 : Thời gian trượt ly hợp khi momen quán tính phần bị động ly hợp I3 thay

đổi 75

Bảng 4.3: Giá trị hệ số tải trọng động trên trục thứ cấp hộp số khi độ cứng bánh

răng thay đổi 77

Bảng 4.4: Giá trị hệ số tải trọng động trên bán trục khi tải trọng xe ô tô thay đổi 79

Bảng 4.5: Thời gian trượt ly hợp khi tải trọng của xe thay đổi 82

Bảng 4.6: Hệ số tải trọng động K đ trên bán trục khi thay đổi thời gian đóng ly hợp

85

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ bố trí chung hệ thống truyền lực cơ khí ôtô 4x2 19

Hình 1.2 Mô hình một chi tiết có đủ 3 thông số đặc trưng 22

Hình 1.3 Mô hình phần tử nối các khối lượng tập trung ( trục) 22

Hình 1.4 Mô hình cơ học hệ thống truyền lực 23

Hình 1.5 Mô hình ăn khớp của cặp bánh răng 24

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực của ôtô 31

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo ly hợp ma sát khô một đĩa 32

Hình 2.3 Mô hình cơ học của khớp ma sát 33

Hình 2.4 Đĩa ma sát 34

Hình 2.5 Mô hình ly hợp 35

Hình 2.6 Mô hình ly hợp 36

Hình 2.7 Sơ đồ động lực học của toàn bộ ly hợp 37

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc simulink mô phỏng ly hợp 38

Hình 2.9 Mô men M đc từ động cơ đưa vào ly hợp 39

Hình 2.10 Mô men M1 phần chủ động của ly hợp 39

Hình 2.11 Mô men M2 trục bị động ly hợp 40

Hình 2.12 Góc quay phần chủ động ly hợp 40

Hình 2.13 Góc quay phần bị động ly hợp 41

Hình 2.14 Vận tốc góc phần chủ động ly hợp 41

Hình 2.15 Vận tốc góc phần bị động ly hợp 42

Hình 2.16 Vận tốc góc phầnchủ động và bị động ly hợp 42

Hình 2.17 Đồ thị vận tốc góc phần chủ động và bị động LH khi đóng ly hợp 43

Hình 2.18 Hộp số xe tải 44

Hình 2.19 Sơ đồ truyền lực khi gài số của hộp số 45

Hình 2.20 Mô hình hộp số 46

Hình 2.21 Sơ đồ động lực học hộp số 47

Hình 2.22 Sơ đồ động lực học hộp số 48

Hình 2.23 Sơ đồ cấu trúc Simulink mô phỏng hộp số cơ khí 49

Hình 2.24 Mô men của động cơ đưa vào hộp số 50

Hình 2.25 Mô men trên trục chủ động của hôp số 50

Hình 2.26 Mô men trên trục trung gian của hộp số 51

Hình 2.27 Mô men trên trục bị động của hộp số 51

Hình 2.28 Vận tốc góc trên các trục của hộp số 52

Hình 2.29 Cấu tạo của cầu chủ động 53

Hình 2.30 Mô hình cơ học của cầu chủ động ôtô 54

Hình 2.31 Sơ đồ động lực học cầu xe 55

Hình 2.32 Sơ đồ cấu trúc simulink giải hệ phương trình vi phân cầu xe 57

Hình 2.33 Mô men của động cơ đưa vào cầu xe 58

Hình 2.34 Mô men trên trục quả dứa cầu xe 58

Hình 2.35 Mô men trên trục bánh răng vành chậu cầu xe 59

Hình 2.36 Mô men trên bán trục phải cầu xe 59

Hình 2.37 Mô men trên bán trục trái cầu xe 60

Hình 2.38 Vận tốc góc bán trục trái cầu xe 60

Hình 2.39 Vận tốc góc bán trục phải cầu xe 61

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực với 1 số đã được gài 62

Hình 3.2 Sơ đồ động lực hệ thống truyền lực với 1 số đã được gài 63

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc simulink giải hệ phương trình vi phân 65

Hình 3.4 Mô men của động cơ được đặt vào hệ thống truyền lực 66

Hình 3.5 Mô men trên phần chủ động của ly hợp 66

Hình 3.6 Mô men trên các trục của hộp số 67

Hình 3.7 Mô men bánh răng quả dứa của cầu xe 67

Hình 3.8 Mô men bánh răng vành chậu của cầu xe 68

Hình 3.9 Mô men trên bán trục 68

Hình 3.10 Vận tốc góc phần chủ động và bị động của ly hợp 69

Hình 3.11 Vận tốc trên các trục của hộp số 69

Hình 4.1 Đồ thị momen trên trục sơ cấp hộp số khi thay đổi momen quán tính I3 72

Hình 4.2 Đồ thị biểu thị hệ số tải trọng động trên trục sơ cấp hộp số khi I3 thay đổi 73

Hình 4.3 Đồ thị vận tốc góc phần chủ động và bị động ly hợp khi I3 thay đổi 74

Hình 4.4 Đồ thị thời gian ly hợp bị trượt khi I3 thay đổi 75

Hình 4.5 Đồ thị Momen trên trục thứ cấp hộp số khi thay đổi độ cứng của bánh răng 77

Hình 4.6 Đồ thị hệ số tải trọng động trên trục thứ cấp hộp số khi thay đổi độ cứng bánh răng 77

Hình 4.7 Đồ thị momen trên bán trục khi tải trọng xe thay đổi 79

Hình 4.8 Đồ thị hệ số tải trọng động trên bán trục tải trọng xe thay đổi 80

Hình 4.9 Đồ thị vận tốc góc phần chủ động và bị động ly hợp tải trọng xe thay đổi

81

Hình 4.10 Đồ thị thời gian trượt ly hợp khi momen quán tính ô tô thay đổi 82 Hình 4.11 Mô men trên bán trục khi thay đổi thời gian đóng ly hợp 84 Hình 4.12 Đồ thị hệ số tải trọng động bán trục khi thay đổi thời gian đóng ly hợp 85 Hình 4.13 Vận tốc góc phần chủ động và bị động của ly hơp 86

PHẦN MỞ ĐẦU

Sự phát triển ngành công nghiệp ô tô và sử dụng ô tô ở Việt Nam

Ô tô ra đời hơn 100 năm qua và là phương tiện vận tải quan trọng của hệ thống giao thông đường bộ Ngày nay Ô tô được sử dụng hết sức đa dạng và linh hoạt, dùng để chở người và hàng hóa trên các địa hình, cung đường khác nhau Trong quá trình phát triển ngành công nghiệp Ô tô đã không ngừng nghiên cứu cải tiến, hoàn thiện kết cấu của Ô tô nhằm thỏa mãn từng bước các tiêu chí phát triển Ngày nay ngành công nghiệp ô tô trong quá trình phát triển phải gắn liền với các tiêu chí:

1 Thỏa mãn tính năng kỹ thuật yêu cầu

2 Tiết kiệm năng lượng

3 Thân thiện môi trường

4 An toàn vận tải

5 Dễ dàng điều khiển, tiện nghi và thẩm mỹ

- Nghiên cứu không ngừng nâng cao năng suất và tăng tính kinh tế trong

sử dụng ôtô

- Hiện đại hoá công nghệ sản xuất ôtô và tự động hoá quá trình điều khiển

ôtô nhằm đạt tính kinh tế và độ tin cậy cao, giảm ô nhiễm môi trường

- Ứng dụng các công nghệ hiện đại để rút ngắn thời gian chế tạo sản phẩm

ôtô và phụ tùng ôtô

Ngành công nghiệp ôtô Việt Nam đã có những bước phát triển vượt bậc, tính

từ năm 1995 đến nay hàng năm số phương tiện ôtô luôn tăng trưởng hàng năm từ 12÷20% Khối lượng vận chuyển hàng hoá cho các ngành kinh tế chiếm 60÷70% Ôtô tại thị trường Việt Nam có nhiều chủng loại, phong phú về kiểu dáng, đa dạng

về nhãn hiệu xe Xe nhập khẩu, xe chế tạo và các xe được lắp ráp trong nước của các liên doanh ôtô

Mặc dù chính phủ đã có nhiều giải pháp để giảm lượng các xe ôtô có số năm

sử dụng cao, nhưng chất lượng của các xe ôtô ở nước ta còn nhiều vấn đề cần khắc phục, sản phẩm ôtô sản xuất trong nước còn hạn chế về công nghệ, độ bền cũng như giá thành của sản phẩm

Sự phát triển của ngành ôtô Việt Nam tuy có những thành tựu đáng kể, song

so với khu vực và thế giới vẫn ở mức rất thấp về số lượng, chất lượng và mức độ hiện đại của phương tiện Các liên doanh ô tô mới chỉ dừng ở mức độ lắp ráp các cụm, chi tiết nhập từ nước ngoài và có thể sản xuất, những chi tiết đơn giản, sau đó nghiên cứu sản xuất một số cụm chi tiết

Lý do chọn đề tài

Ngành công nghiệp ôtô đã được Chính phủ xác định là ngành công nghiệp quan trọng Sau hơn 15 năm kể từ khi có liên doanh ôtô đầu tiên tại Việt Nam, hiện nay ngoài 17 liên doanh đã có hơn 30 doanh nghiệp nhà nước, tư nhân sản xuất, lắp ráp ôtô, đặt ngành công nghiệp ôtô Việt Nam trước những thách thức lớn, trong đó

có vấn đề tỷ lệ nội địa hoá các chi tiết của ôtô, tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo ôtô trong quá trình hội nhập với khu vực và Thế giới Do đó việc nghiên cứu, chế tạo hoàn thiện và đảm bảo chất lượng các chi tiết, cụm chi tiết và hệ thống của ôtô

là việc làm tất yếu đối với sự phát triển của nghành công nghiệp ôtô Việt Nam Trong sự phát triển công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, chúng ta cần rất nhiều các loại xe tải vào việc chuyên chở hàng hóa Tuy nhiên do hệ thống giao thông chưa được hoàn thiện nên các phương tiện xuống cấp rất nhanh, với ô tô tải đặc biệt là hệ thống truyền lực

Do đó, việc nghiên cứu hệ thống truyền lực nhằm tối ưu hoá quá trình thiết kế, sản xuất để giảm giá thành, phù hợp với điều kiện sử dụng ở nước ta là vấn đề rất đáng được quan tâm trong tình hình hiện nay Có nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau, nhưng ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, mô phỏng được coi là phương pháp nghiên cứu mang lại hiệu quả cao, tiết kiệm được thời gian, công sức và chi phí cho quá trình nghiên cứu

Bởi vậy tôi chọn đề tài: “Xây dựng mô hình dao động xoắn hệ thống truyền

lực ô tô tải loại trung bình”

Lịch sử nghiên cứu

Các nghiên cứu ở trong nước

Đã có nhiều tác giả trong nước qua các đề tài tốt nghiệp đại học, Thạc sỹ đã nghiên cứu về hệ thống truyền lực của ôtô trong đó:

Tác giả Nguyễn Văn Thuyết trong luận văn cao học “xây dựng phương pháp xác định các chế độ tải trọng phục vụ cho việc đánh giá độ bền của hệ thống truyền lực ôtô tải sản suất tại Việt Nam” Tác giả đã đi sâu nghiên cứu quá trình đóng mở

ly hợp ảnh hưởng đến chế độ tải trọng của hệ thống truyền lực nhưng trong thực tế

hệ thống truyền lực còn chịu ảnh hưởng của các thông số kết cấu như độ cứng, mô men quán tính của các cụm, chi tiết và chế độ làm việc khác

Tác giả Nguyễn Mạnh Trường với luận văn cao học “Xác định các chế độ tải trọng động và đánh giá độ bền hộp số được thiết kế và chế tạo theo dự án

KC.05.DA.02” đã tập trung khảo sát ảnh hưởng của quá trình đồng tốc đến hộp số,

chưa phản ánh đầy đủ những ảnh hưởng của các chế độ, thông số lên toàn bộ hệ thống

Các nghiên cứu ngoài nước

Việc nghiên cứu dao động xoắn hệ thống truyền lực ôtô được tiến hành từ rất lâu, nhiều công trình của hàng trăm tác giả

Năm 1970 Mischle đã biên soạn tập trung với các nghiên cứu dao động lại thành tác phẩm nổi tiếng của mình là: "Dynamik der Fahrzeuge" Tác giả đã đề cập đến hầu hết các loại mô hình dao động cơ bản về đối tượng là xe con Vào năm

1980, Schiehlen đã cho ra đời phương pháp hệ nhiều vật, môđun hoá các cơ hệ cơ học theo xu thế nghiên cứu dao động bằng mô phỏng máy tính

изграждане на структурни модели на елементи от трансмисията на колесни возила của tác giả Петко веселинов Синапов

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận văn

Đề tài đặt vấn đề nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định các chế độ tải trọng, những nhân tố ảnh hưởng phục vụ cho việc thiết kế và đánh giá độ bền của hệ thống truyền lực ôtô tải trung bình sản xuất tại Việt Nam

Mô phỏng hệ thống truyền lực bằng mô hình dao động xoắn với mức độ chi tiết hoá cao hơn, trong đó mô hình hệ thống truyền lực được tách ra thành nhiều khối lượng theo cấu tạo của chúng

Mỗi một phần tử khối lượng tập trung được đặc trưng bởi cả 3 thông số là khối lượng quán tính I, độ cứng C và hệ số cản nhớt b Các phần tử nối được đặc trưng bởi 2 thông số là độ cứng C và hệ số cản nhớt b

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: hệ thống truyền lực ôtô tải trung bình, khảo sát với xe tải lắp ráp tại Chi nhánh công ty MEKONG Auto Xưởng lắp ráp Nhà máy ôtô Cổ Loa đang được thiết kế lắp ráp và chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam

Phạm vi nghiên cứu: xây dựng mô hình dao động xoắn của hệ thống truyền lực, khảo sát các trường hợp tải trong, các nhân tố ảnh hưởng đến hệ thống

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn là nghiên cứu lý thuyết, tính toán mô phỏng trên phần mềm Matlab, nghiên cứu khảo sát sử dụng một số thông số thực để kiểm chứng và đánh giá

Cách thức tiến hành là tách từng cụm trong hệ thống để nghiên cứu mô phỏng, trên cơ sở các cụm đã được xây dựng mô hình nghiên cứu ghép nối các cụm thành

hệ thống truyền lực hoàn chỉnh

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

Hệ thống truyền lực cơ khí của ôtô tải bao gồm các cụm từ Ly hợp, Hộp số cơ khí và Cầu chủ động của ôtô

Hình 1.1 Sơ đồ bố trí chung hệ thống truyền lực cơ khí ôtô 4x2

Hệ thống truyền lực cơ khí (hình 1.1) được dùng phổ biến trên các ôtô tải đang

được lắp ráp chế tạo ở Việt Nam do nó có các ưu điểm là:

- Cấu tạo đơn giản, dễ bảo dưỡng, sửa chữa và chế tạo

- Hiệu suất truyền động cao, giá thành sản phẩm hạ

- Có thể thay đổi mô men truyền đến bánh xe chủ động trong một phạm vi yêu cầu

Chức năng chính của hệ thống truyền lực ôtô là thay đổi tỷ số truyền nhằm khắc phục nhược điểm cố hữu của động cơ đốt trong là hệ số thích ứng rất thấp

Hệ số thích ứng của động cơ được xác định bằng công thức

k = emax

eN

M M

Trong đó:

Động cơ xăng k = 1,2÷1,25 Động cơ Diesel k = 1,1÷1,15

1

4

5 6

Để mở rộng vùng điều chỉnh mô men trong hệ thống truyền lực sử dụng hộp

số cơ khí Hộp số cơ khí thường được tính toán để đảm bảo tạo ra ở các bánh xe chủ động lực kéo nhỏ nhất Pkmin (ứng với vmax) và lực kéo lớn nhất Pkmax được chọn trước Trong khoảng từ Pkmin÷Pkmax hộp số có từ 4 đến 6 cấp số (thông thường các

xe ôtô hiện nay hộp số có 5 cấp số)

Đối với ly hợp thường sử dụng ly hợp ma sát khô, đơn và thường đóng do chúng có kết cấu đơn giản dễ chăm sóc bảo dưỡng

Đối với trục các đăng hệ thống truyền lực sử dụng các đăng khác tốc loại kép Đối với cầu chủ động sử dụng cầu chủ động đơn, vi sai côn đối xứng Thực

tế, trên các ôtô ở Việt Nam hiện nay nhất là các xe tải cỡ trung bình hệ thống truyền lực là cơ khí

Các chi tiết trong hệ thống truyền lực là các chi tiết quay truyền mô men từ động cơ xuống bánh xe thực hiện quá trình chuyển động của xe, để khảo sát hệ thống truyền lực ta xây dựng và mô phỏng hệ thống theo mô hình dao động xoắn Tính toán động lực học của các hệ thống nói chung cho phép xác định được các thông số như lực, mô men tác dụng lên hệ thống trong quá trình hệ thống làm việc Các thông số này là cơ sở đánh giá chất lượng của hệ thống Đối với hệ thống

đã được thiết kế sẵn, các thông số này có tính chất kiểm nghiệm, đối với hệ thống thiết kế chế tạo mới thông số này có ý nghĩa hết sức quan trọng cho việc tìm ra kết cấu tối ưu cho hệ thống

Việc tính toán động lực học của các hệ thống có nhiều phương pháp khác nhau, công nghệ hiện nay với sự hỗ trợ của các máy tính có các cấu hình mạnh, việc tính toán động lực học cho các hệ thống đã rút ngắn đáng kể về thời gian và chi phí cho các quá trình đó

Trước khi tính toán động lực học và các tính toán khác đối với một hệ thống, thường phải sơ đồ hoá hệ thống cần tính toán, với mục tiêu của từng bài toán, với các giả thiết khác nhau Để đơn giản hoá hệ thống ban đầu, việc đơn giản hoá sao

cho, các thông số nhận được từ quá trình tính toán trên hệ thống tương đương có sai

số nằm trong phạm vi cho phép với việc tính toán trên hệ thống thực

Như vậy, hệ thống tương đương đã mô phỏng lại hệ thống thực ban đầu với một độ chính xác nhất định Kết quả tính toán phụ thuộc nhiều vào phương pháp mô phỏng Như vậy, trình tự để giải bài toán mô phỏng hệ thống thông thường như sau:

- Xây dựng mô hình cơ học

- Xây dựng sơ đồ động lực học từ mô hình cơ học đã có

1.2 Xây dựng mô hình cơ học

Mô hình cơ học của một hệ thống chính là sơ đồ động học của hệ thống đó Trong mô hình cơ học các phần tử của hệ thống được thể hiện dưới dạng sơ đồ hoá

và có hai dạng:

- Mô hình với các thông số tập trung

- Mô hình với các thông số phân bố

Tất cả các hệ thống thực là hệ thống phân bố, nhưng nếu xây dựng mô hình với các thông số là phân bố sẽ vô cùng phức tạp, không thể xây dựng được Để đơn giản trong quá trình phân tích, người ta quy chúng về dạng thông số tập trung bằng cách, bỏ bớt những tính chất ít quan trọng và ảnh hưởng không lớn của các phần tử

đó trong hệ thống

Việc quy đổi từ dạng phân bố về dạng tập trung (còn gọi là rời rạc hoá) được thực hiện trên cơ sở, các dao động xoắn của hệ thống truyền lực có phổ không liên tục, có tần số riêng nằm trong miền dưới 300Hz, có thể sử dụng sơ đồ dạng tập trung để tính toán các quá trình dao động xoắn trong miền tần số trên Các hệ thống được quy về dạng tập trung có các mức độ phức tạp khác nhau

- Mô hình tập trung đầy đủ

- Mô hình tập trung được đơn giản hoá

1.2.1 Mô hình tập trung đầy đủ

Là mô hình được xây dựng trên cơ sở chi tiết các chi tiết máy có trong hệ thống, mỗi phần tử được ứng xử như một hệ đàn hồi có quán tính I, có độ cứng C và

độ cản nhớt b

Hình 1.2 Mô hình một chi tiết có đủ 3 thông số đặc trưng

I: là mô men quán tính của chi tiết

C: là độ cứng chi tiết

b: là hệ số cản nhớt của chi tiết

Nghiên cứu dao động xoắn người ta coi các phần tử có kích thước dọc theo trục quay không vượt quá hai lần đường kính là các phần tử tập trung Khối lượng phân bố của các phần tử này được tính đến một cách tương đối chính xác bằng cách quy chúng về khối lượng tập trung (các bánh răng, đĩa ly hợp )

Các phần tử nối giữa các khối lượng được coi là phần tử đàn hồi không quán tính, có độ cứng C và độ cản nhớt b

Hình 1.3 Mô hình phần tử nối các khối lượng tập trung ( trục)

C: là độ cứng chi tiết trục nối

b: là hệ số cản nhớt của chi tiết trục nối

I

Trong hệ thống truyền lực của ôtô, ngoài các phần tử đàn hồi các phần tử quán tính còn có các khối lượng liên kết phản lực Đó là các phần tử vỏ nối với khung xe

và tham gia vào quá trình dao động của hệ thống truyền lực như vỏ ly hợp, vỏ hộp

số, vỏ cầu xe

Các khối lượng liên kết phản lực được thể hiện trên sơ đồ dưới dạng lò xo xoắn Một đầu nối với vỏ của cơ cấu, đầu kia nối với khung xe và được xem là cố định

Như vậy hệ thống truyền lực trên ôtô được mô hình hoá thành một hệ dao động bao gồm tập hợp các các khối lượng tập trung, các phần tử nối các khối lượng tập trung, đặt vào đó các thông số cần thiết cho quá trình nghiên cứu

Hình 1.4 Mô hình cơ học hệ thống truyền lực 1.2.2 Mô hình tập trung đơn giản hoá

Mô hình này được xây dựng trên cơ sở mô hình tập trung Các tính chất của chi tiết được xét đến như mô hình tập trung đầy đủ, nhưng khi xét toàn bộ hệ thống, một số chi tiết để đơn giản hơn trong quá trình xây dựng mô hình cũng như thiết lập các phương trình vi phân mô tả hoạt động của hệ thống có thể không tính đến trong

mô hình

Ở mô hình này cũng có thể bỏ bớt các thông số đặc trưng, mô men quán tính I,

độ cứng C hay cản nhớt b tuỳ thuộc vào mục tiêu của quá trình nghiên cứu

1.2.3 Mô hình cặp bánh răng ăn khớp:

Mô hình cặp bánh răng ăn khớp được coi là đầy đủ khi kể đến các thông số

độ đàn hồi quy về bánh răng quy dẫn và thông số cản nhớt tại bề mặt ăn khớp

bc,

M 1 ;ϕ 1

M 2 ;ϕ 2

r r

r r

rc1, rc2: bán kính vòng cơ sở của bánh răng chủ động và bánh răng bị động

r1, r2: Bán kính vòng lăn của bánh răng chủ động và bánh răng bị động

w

α : Góc ăn khớp

1, 2

ϕ ϕ : Góc quay của bánh răng chủ động và bánh răng bị động

M1, M2: Mô men trên các bánh răng chủ động và bị động

1.3 Cách tính các thông số của mô hình

1.3.1 Mô men quán tính khối lượng, độ cứng xoắn của các đoạn trục, độ cản nhớt, độ đàn hồi được tính như sau:

- Chuyển vị của vật rắn trong chuyển động quay được đo bằng toạ độ góc quay Mô men phục hồi trong dao động xoắn là sự đàn hồi của trục

- Mô men quán tính khối lượng đĩa được tính bằng công thức sau:

ξmlà hệ số thực nghiệm ξm= 0,3 đối với vật liệu thép

Cản nhớt có thể xuất hiện ở phần tử nối các khối lượng hoặc phần tử khối lượng tập trung

Độ đàn hồi của phần tử đàn hồi là đại lượng nghịch đảo của độ cứng và được tính bằng góc quay (rad) của một trong những mặt cắt của trục khi chịu mô men xoắn bằng 1N.m đặt vào một đầu trục khi đầu kia bị ngàm cứng

Độ đàn hồi và mô men quán tính của các chi tiết được xác định bằng thực nghiệm hoặc tính theo bản vẽ cấu tạo, có thể sử dụng các phần mềm chuyên dụng

để xác định mô men quán tính của các chi tiết

- Trường hợp các trục ghép nối tiếp với nhau thì độ cứng là tổng nghịch đảo các độ cứng thành phần và độ đàn hồi tổng được tính

- Trường hợp các trục ghép song song độ cứng là tổng các độ cứng thành phần

và độ đàn hồi được tính như sau

kT: hệ số tuỳ thuộc vào mối ghép then

d: đường kính mối ghép then

l: chiều dài mối then

h: chiều cao then

kbr = 6.10-11 đối với bánh răng thẳng;

kbr = 3,6.10-11 đối với bánh răng nghiêng;

b: bề rộng làm việc của bánh răng

R: bán kính vòng chia của bánh răng trên trục quy dẫn

Trong công thức trên, các kích thước được tính bằng mét (m), lực được tính bằng newton (N) và độ đàn hồi được tính bằng rad/N.m Khi nghiên cứu quá trình dao động ổn định trong một thời gian dài thì việc thất thoát năng lượng là đáng kể

vì vậy khi tính toán phải tính đến các phần tử tiêu thụ năng lượng

Khi nghiên cứu quá trình dao động quá độ xảy ra trong thời gian ngắn là tổn thất do ma sát, sự thất thoát năng lượng không đáng kể thể bỏ qua khi tính toán Năng lượng dao động bị mất mát trong bản thân các chi tiết, các mối nghép then, then hoa, các ổ lăn, các phớt, đệm làm kín và trong các cơ cấu giảm chấn

1.3.2 Tải tác động lên hệ thống

- Tải tác động từ động cơ:

Mô men của động cơ được xác định theo đặc tính ngoài của động cơ và là hàm của vận tốc góc Trong điều kiện của bài toán ta cho mô men của động cơ tại một vùng nhất định, ở đây xác định vùng mô men động cơ cực đại

Các công thức chuyển đổi:

Trên ôtô, các dao động xoắn của hệ thống truyền lực có mối liên hệ chặt chẽ với chuyển động tính tiến của khối lượng treo và khối lượng không được treo Vì vậy, khi nghiên cứu các chế độ tải trọng phải tính đến các khối lượng chuyển động tịnh tiến, các khối lượng chuyển động tịnh tiến thể hiện trên sơ đồ tính toán bằng một bánh đà tương đương với điều kiện là động năng của các bánh đà này bằng động năng của các khối lượng chuyển động tịnh tiến ta có:

2 2

m a: khối lượng chuyển động tịnh tiến của ôtô

I a : mô men quán tính của bánh đà tương đương (I a = m a r a 2)

v: vận tốc của khối lượng chuyến động tịnh tiến.

ω: vận tốc góc của bánh đà tương đương

r o : bán kính lăn của bánh xe trong điều kiện lăn không trượt

Quá trình truyền mô men từ bánh xe tới các khối lượng chuyến động tịnh tiến được thực hiện nhờ thành phần phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe theo phương dọc, và bị hạn chế bởi khả năng bám của bánh xe lên mặt đường Trong đó

độ đàn hồi của lốp là e L

Trên sơ đồ tính toán, bánh xe và các khối lượng chuyển động tịnh tiến được sơ

đồ hoá bằng hai bánh đà nối với bằng khâu đàn hồi tương ứng, với độ đàn hồi tiếp tuyến của lốp và có bộ truyền ma sát với nhiệm vụ hạn chế mô men truyền không quá mô men bám của bánh xe với mặt đường

Mϕ =ϕRΖr0 (1.14) Trong đó:

ϕ : hệ số bám bánh xe với mặt đường

R z: thành phần phản lực thẳng đứng của mặt đường tác dụng lên bánh xe Các mô men xoắn quy đổi tác dụng lên các phần tử của hệ thống truyền lực trên ôtô được xác định theo công thức:

i

M

M = / với M / là mô men xoắn trong mô hình cơ học

Mô men cản mô phỏng sức cản của không khí và lực cản lên dốc được đặt vào bánh đà tương đương của khối lượng chuyển động tịnh tiến trên ôtô

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CÁC CỤM CHI TIẾT

CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC

Hệ thống truyền lực của ôtô là hệ thống phân bố Mỗi phần tử của hệ thống được đặc trưng bởi hai hay nhiều tính chất đó là tính chất quán tính (mô men quán tính khối lượng I), tính chất đàn hồi (độ cứng của chi tiết C) , cản nhớt (độ cản nhớt b) Tải trọng tác động lên hệ thống truyền lực được phân bố trên toàn bộ hệ thống, nhưng để đơn giản khi phân tích ta quy chúng về dạng tập trung

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực của ôtô

2.1 Cụm ly hợp

2.1.1 Đặc điểm, sơ đồ cấu tạo của cụm ly hợp

Cụm ly hợp được mô phỏng là ly hợp ma sát khô, đơn, thường đóng Các khối lượng tập trung có quán tính là mô men quán tính phần chủ động, bị động ly hợp Các khối lượng quán tính này được xét đến cả độ cứng C và giảm chấn b Khi

đóng ly hợp xảy ra hiện tượng trượt giữa phần chủ động và phần bị động Các lò xo

ép tạo lực ép trên bề mặt đĩa ép

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo ly hợp ma sát khô một đĩa

1 - Bánh đà; 2 - Đĩa ma sát; 3 - đĩa ép; 4 - Lò xo ép; 5 - Vỏ ly hợp; 6 - bạc mở; 7 - Bàn đạp; 8 - Lò xo hồi vị bàn đạp; 9 - Đòn kéo; 10 - Càng mở; 11 - bi

"T" 12 - Đòn mở; 13 - Lò xo giảm chấn

- Phần chủ động: gồm bánh đà, vỏ ly hợp, đĩa ép, đòn mở và các lò xo ép Khi ly hợp mở hoàn toàn thì các chi tiết thuộc nhóm chủ động sẽ quay cùng bánh đà

- Phần bị động: gồm đĩa ma sát, trục ly hợp Khi ly hợp mở hoàn toàn các chi tiết thuộc nhóm bị động sẽ đứng yên

Theo sơ đồ cấu tạo (hình 2.2) Vỏ ly hợp 5 được bắt cố định với bánh đà 1 bằng các bulông, đĩa ép 3 có thể dịch chuyển tịnh tiến trong vỏ và có bộ phận truyền mô men từ vỏ 5 vào đĩa ép Các chi tiết bánh đà 1, đĩa ép 3, lò xo ép 4, vỏ ly hợp 5 được gọi là phần chủ động của ly hợp và chi tiết đĩa ma sát 2 là phần bị động của ly hợp Các chi tiết còn lại thuộc bộ phận dẫn động ly hợp

- Bộ phận dẫn động điều khiển ly hợp gồm: bàn đạp ly hợp, đòn dẫn động, càng mở ly hợp, đòn mở ly hợp và bạc mở ly hợp

Khi ly hợp đóng hoàn toàn, lực ép do lò xo ép tạo ra ép toàn bộ đĩa ép, đĩa ma sát vào bề mặt bánh đà động cơ Mô men được truyền từ động cơ xuống trục bị động của của ly hợp (trục chủ động của hộp số) Khi ngắt ly hợp bộ phận đẫn động

điều khiển kéo đĩa ép dịch chuyển ra ngoài, ép các lò xo ép lại, tạo khe hở giữa đĩa

ép, đĩa ma sát và bánh đà động cơ động lực không truyền xuống trục bị động của ly hợp

2.1.2 Xây dựng mô hình cơ học để mô phỏng ly hợp

Trên cơ sở cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ly hợp ma sát, ta xây dựng mô hình cơ học như sau Coi khối lượng của phần chủ động ly hợp được tập trung bằng một bánh đà tương đương được đặc trưng bằng mô men quán tính I1, khối lượng phần bị động của ly hợp được tập trung bằng một bánh đà tương đương, được đặc trưng bằng mô men quán tính I2 Phần tử nối các chi tiết phần chủ động và phần bị động được mô tả bằng các trục nối

Hình 2.3 Mô hình cơ học của khớp ma sát

M1- mô men phần chủ động của ly hợp

M2- mô men phần bị động của ly hợp

I1- mô men quán tính phần chủ động của ly hợp

I2 - mô men quán tính phần bị động của ly hợp

ϕ - góc quay của phần chủ động

ψ - góc quay của trục bị động ly hợp

Mlh là mô men ma sát của ly hợp:

Mlh max = µ.R.Flò xo max.i (2.1)

Khi ly hợp đóng hoàn toàn vận tốc góc giữa phần chủ động và bị động là bằng nhau (ϕ ψ&= &)

Khi Mlh max< Mlh khi đó mô men ly hợp được tính Mlh = +

R - bán kính trung bình của đĩa ma sát R =

r1 -bán kính trong của đĩa ma sát

r2 - bán kính ngoài của đĩa ma sát

r1

Hình 2.4 Đĩa ma sát

Flò xo - lực lò xo ép

i - số đôi bề mặt ma sát (i = 2.n với n là số đĩa ma sát)

Quá trình tính toán các chế độ tải trọng trong hệ thống truyền lực mô men ma sát của ly hợp được lấy theo quy luật như sau:

Mlh = Mlh max.(1 - e-kt) (2.4) Trong đó:

M I M I M

Mlh max là mô men tĩnh của ly hợp khi ở trạng thái ly hợp đóng hoàn toàn

k là hệ số đặc trưng cho tốc độ đóng ly hợp

k =3

c

t ; tc là thời gian đóng ly hợp

2.1.3 Mô hình dao động xoắn của ly hợp, hệ phương trình vi phân mô tả ly hợp

- Các khối lượng tập trung được đặc trưng bằng mô men quán tính Ii; độ cứng C và

hệ số cản nhớt b:

+ Mô men quán tính phần chủ động của ly hợp

+ Mô men quán tính phần bị động của ly hợp

- Phần tử nối giữa các khối lượng tập trung được đặc trưng bằng 2 thông số là độ

cứng C và cản nhớt b

Hình 2.5 Mô hình ly hợp

M1- mô men phần chủ động của ly hợp

M2- mô men phần bị động của ly hợp

I1- mô men quán tính phần chủ động của ly hợp

I2 - mô men quán tính phần bị động của ly hợp

ϕ - góc quay của phần chủ động

mô men xoắn vừa là thành phần đàn hồi cho phần chủ động của ly hợp, được thể hiện trên mô hình là trục nối, chúng được ứng xử là một thành phần đàn hồi có độ cứng C (N.m/rad) và hệ số cản nhớt b (N.m.s/rad)

Hình 2.6 Mô hình ly hợp

1 - mô men quán tính phần chủ động của ly hợp

2 - mô men quán tính phần bị động của ly hợp

3 - trục chủ động của ly hợp

4 - trục bị động của ly hợp

IĐC - mô men quán tính của động cơ được quy dẫn về bánh đà

IC - mô men quán tính của bánh đà tương đương thay cho khối lượng chuyển động tịnh tiến của ôtô

b1, C1 - hệ số cản xoắn và độ cứng của phần chủ động ly hợp

b2, C2 - hệ số cản xoắn và độ cứng trục bị động của ly hợp

ψ, ϕ - là các góc xoắn ở đầu trục và cuối trục

Tách phần chủ động và bị động của ly hợp, đặt các mô men, xét cân bằng của hệ và lập phương trình vi phân mô tả ly hợp

Hình 2.7 Sơ đồ động lực học của toàn bộ ly hợp

Hệ phương trình vi phân mô tả ly hợp như sau:

ψ ϕ ϕ ψ

c c

2.1.4 Giải hệ phương trình vi phân mô tả ly hợp

Sử dụng Mathlab simulink để giải hệ phương trình vi phân (2.6) với các điều kiện của (2.7) và điều kiện đầu vào là Mdc, Moto như quy luật trên ta có:

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc simulink mô phỏng ly hợp

Thời gian mô phỏng hệ thống trong 6 giây với các kết quả thu được như sau:

Hình 2.9 Mô men M đc từ động cơ đưa vào ly hợp

Hình 2.10 Mô men M1 phần chủ động của ly hợp