Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu tới dao động xoắn trong hệ thống truyền lực ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỞNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGÔ XUÂN CHUYỂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU TỚI DAO ĐỘNG XOẮN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ LUẬN VĂN THẠC S

Trang 1

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

NGÔ XUÂN CHUYỂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU TỚI DAO ĐỘNG XOẮN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – Năm 2017

Trang 2

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

NGÔ XUÂN CHUYỂN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU TỚI DAO ĐỘNG XOẮN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS NGUYỄN TRỌNG HOAN

Hà Nội – Năm 2017

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan Các kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng bảo vệ ở bất kỳ học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2017

Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan Ngô Xuân Chuyển

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan – thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, định hướng và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này với sự tận tâm, trách nhiệm, sáng suốt và khoa học cao

Tôi rất cảm ơn và trân trọng sự hỗ trợ của Phòng thí nghiệm Ô tô - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ trợ, tạo điều kiện về phương tiện và trang thiết bị thí nghiệm góp phần thực hiện thành công luận văn

Xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy của Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội với những góp ý rất thiết thực trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp vì sự giúp đỡ thiết thực cho luận văn này

Xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới gia đình tôi, những người đã luôn bên cạnh tôi động viên, chia sẻ những khó khăn và là động lực để tôi hoàn thành luận văn

Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2017

Tác giả luận văn

Ngô Xuân Chuyển

Trang 5

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1 Hệ thống truyền lực 3

1.1.1 Vai trò của hệ thống truyền lực 3

1.1.2 Các bộ phận chính của hệ thống truyền lực cơ khí trên ô tô tải 5

1.2 Các nghiên cứu về hệ thống truyền lực 6

1.2.1 Xác định tải trọng động trong hệ thống truyền lực 6

1.2.2 Dao động, rung và ồn 7

1.2.3 Ảnh hưởng của dao động xoắn trong hệ thống truyền lực tới độ êm dịu chuyển động của xe 8

1.2.4 Phối hợp hoạt động hệ thống truyền lực với động cơ đốt trong 8

1.3 Các phương pháp nghiên cứu hệ thống truyền lực 9

1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết 9

1.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm 13

1.4 Dao động xoắn trong hệ thống truyền lực, tần số riêng và phương pháp tính toán 15

1.4.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực ô tô 15

1.4.2 Tần số riêng và phương pháp tính toán 18

1.5 Vấn đề nghiên cứu, mục đích và nội dung luận văn 20

1.5.1 Vấn đề nghiên cứu 20

1.5.2 Mục đích của đề tài 20

1.5.3 Nội dung luận văn 20

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ 21

2.1 Phương pháp mô phỏng hệ thống truyền lực 21

2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực ô tô 21

2.2.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống 21

2.2.2 Xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống 28

2.3 Tần số riêng và phương pháp tính toán 36

2.3.1 Mô men kích thích từ động cơ 36

Trang 6

2.3.2 Sơ đồ tính toán 37

2.3.3 Tính toán tần số 38

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN KHẢO SÁT HTTL Ô TÔ BẰNG MÔ HÌNH 5 KHỐI LƯỢNG 40

3.1 Nội dung nghiên cứu 40

3.2 Các số liệu tính toán 40

3.3 Tính toán tần số riêng HTTL cho một số loại xe cụ thể 41

3.3.1 Phương trình 41

3.3.2 Giải phương trình bằng Matlab 41

3.3.3 Kết quả tính toán 42

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến tần số riêng 44

3.4.1 Ảnh hưởng của độ cứng c 1 44

3.4.2 Ảnh hưởng của độ cứng c 2 51

3.4.3 Ảnh hưởng của mô men quán tính 54

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

Trang 8

graph

12

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực và sơ đồ mô phỏng hệ thống

truyền lực

23

Hình 3.1 Quy luật biến thiên tần số riêng 4 khi thay đổi độ cứng c1

Trang 9

Hình 3.14 Quy luật biến thiên của các tần số riêng khi thay đổi độ

cứng c2 ở tay số 2

54

Trang 10

MỞ ĐẦU

“Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035” của Chính phủ đã nêu rõ: “Chú trọng phát triển dòng xe tải nhỏ phục vụ cho sản xuất…” nhằm đạt được sản lượng xấp xỉ 100.000 xe vào năm 2020, đáp ứng 78% nhu cầu tiêu thụ nội địa

Nhiệm vụ trên đây đặt ra đối với ngành công nghiệp ô tô Việt Nam là rất nặng nề, bởi vì hiện trạng của lĩnh vực sản xuất ô tô trong nước, mặc dù được hưởng nhiều chính sách ưu đãi nhưng lại đang ở trong một tình trạng không mấy khả quan Các doanh nghiệp lớn như Công ty Cổ phần ô tô Trường Hải, Tổng Công

ty VEAM, Nhà máy ô tô Vinaxuki,… cũng mới chỉ sản xuất được một số sản phẩm khung vỏ, thùng bệ và một số chi tiết khác Toàn bộ phần máy móc từ động cơ, hệ thống truyền lực đến các hệ thống điều khiển,… đều được nhập khẩu từ nước ngoài, trong đó phần lớn là từ Trung Quốc Chất lượng các sản phẩm còn rất thấp so với các loại xe nhập khẩu

Trước tình hình trên, để có thể tự sản xuất được các bộ phận chính như động

cơ, hệ thống truyền lực (HTTL), hệ thống lái, hệ thống phanh,… và tiến tới sản xuất toàn bộ ô tô, thì ngành công nghiệp ô tô Việt Nam còn rất nhiều việc phải làm Trong đó, một trong những ưu tiên hàng đầu phải được dành cho việc xây dựng và hoàn thiện quy trình thiết kế

HTTL là một bộ phận quan trọng trên ô tô Trong những năm gần đây, nhiều doanh nghiệp sản xuất trong nước và một số cơ sở nghiên cứu đã đặt vấn đề thiết kế chế tạo các bộ phận của hệ thống này trong nước, nhưng chưa đạt được kết quả mong muốn Khó khăn lớn đầu tiên mà các nhà sản xuất gặp phải chính là khâu thiết kế

Trước tình hình trên, luận văn đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu tới dao động xoắn trong hệ thống truyền lực ô tô nhằm góp phần tạo dựng

cơ sở để có thể nghiên cứu, tính toán và đề xuất các giải pháp nhằm tránh cộng

Trang 11

hưởng với động cơ đốt trong phục vụ cho việc hoàn thiện quy trình thiết kế hệ thống

Mục đích của luận văn

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu tới dao động xoắn trong

hệ thống truyền lực ô tô phục vụ cho việc hoàn thiện quy trình thiết kế tính toán ô

tô

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn được lựa chọn là 3 ô tô tải Zil-130,

Trang 12

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Hệ thống truyền lực

1.1.1 Vai trò của hệ thống truyền lực

Hệ thống truyền lực trên ô tô đóng vai trò của bộ phận kết nối động cơ với các bánh xe chủ động, giúp cho xe có thể chuyển động trên các loại đường xá theo điều kiện sử dụng cụ thể

Về bản chất, HTTL là hệ thống truyền lực công suất của động cơ tới các bánh xe chủ động Với công suất tối đa của động cơ là , vận tốc chuyển động của ô tô là và hiệu suất của HTTL là , thì lực kéo tại các bánh xe chủ động được tính như sau:

và vận tốc tại các bánh xe phải luôn thay đổi để đáp ứng các điều kiện chuyển động

cụ thể Với đặc tính kéo như trên hình 1.1 thì vùng làm việc khả dĩ của ô tô nằm bên dưới đường đặc tính lý tưởng và đường giới hạn khả năng bám

Hình 1.1 Đặc tính kéo lý tưởng của ô

tô và khả năng đáp ứng của động cơ đốt trong

Trang 13

Tuy nhiên, động cơ sử dụng trên ô tô hiện nay chủ yếu vẫn là động cơ đốt trong, tồn tại dưới hai dạng là động cơ xăng và động cơ diesel Các loại động cơ này không đáp ứng được vùng làm việc mong muốn theo đặc tính lý tưởng, mà nó chỉ

có thể cung cấp lực kéo trong phạm vi giới hạn của đặc tính làm việc của nó (vùng trắng trên hình 1.1)

Như vậy, HTTL phải thực hiện chức năng biến đổi đặc tính của động cơ sao cho đặc tính quy dẫn của nó gần nhất có thể với đặc tính lý tưởng Thông số thực hiện chức năng biến đổi này chính là tỷ số truyền của HTTL Để đảm bảo vùng phủ của đặc tính quy dẫn của động cơ đủ rộng, tỷ số truyền của HTTL phải biến thiên trong một dải rộng giữa các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất ( và )

Hiện nay, HTTL của ô tô thay đổi tỷ số truyền theo hai cách sau:

- Biến đổi theo cấp: HTTL có số tỷ số truyền xác định, mỗi tỷ số truyền tương ứng với một cấp số

- Biến đổi vô cấp: tỷ số truyền của HTTL thay đổi một cách liên tục trong

Hầu hết các loại ô tô tải cỡ nhỏ và trung bình hiện nay vẫn sử dụng HTTL kiểu truyền thống, đó là HTTL cơ khí có cấp, trong đó hộp số đảm nhận chức năng thay đổi tỷ số truyền

HTTL cơ khí có cấp với một số lượng tỷ số truyền nhất định có thể mở rộng vùng làm việc khả dĩ của ô tô nhằm đáp ứng các điều kiện chuyển động Trên hình 1.2 thể hiện vùng làm việc của ô tô có trang bị hệ thống truyền lực cơ khí có 4 cấp

số (vùng màu trắng trên hình vẽ) Có thể nhận thấy rằng HTTL có cấp chỉ tạo được vùng làm việc theo đúng đặc tính kéo lý tưởng nếu có vô số cấp Trên thực tế điều này không thể thực hiện được Vì vậy, tùy theo mục đích sử dụng và điều kiện làm việc của từng loại ô tô người ta lựa chọn số cấp số HTTL sao cho phù hợp

Trang 14

Hình 1.2 Vùng làm việc của ô tô với hệ thống truyền lực cơ khí có 4 cấp

Đối với ô tô tải loại nhỏ và trung bình, số lượng tỷ số truyền thường nằm trong khoảng từ 5 đến 8 Các hộp số có ít cấp số (5-6 cấp) được sử dụng khá phổ biến trên các ô tô tải nhỏ và trung bình do có kết cấu đơn giản, rẻ tiền, độ tin cậy và tuổi thọ cao HTTL của các loại ô tô cỡ lớn thường có tỷ số truyền lớn hơn nhiều (8 – 16 cấp thậm chí lớn hơn)

1.1.2 Các bộ phận chính của hệ thống truyền lực cơ khí trên ô tô tải

HTTL cơ khí của ô tô tải gồm những bộ phận chính như mô tả trên hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống truyền lực ô tô 1- Động cơ; 2 – Ly hợp; 3 – hộp số; 4 – truyền động các đăng; 5 – cầu chủ động

Ly hợp (2) là bộ phận có nhiệm vụ ngắt và nối đường truyền công suất từ động cơ tới hệ thống truyền lực và giúp cho xe có thể khởi hành từ trạng thái đứng yên Hiện nay, trong HTTL cơ khí sử dụng chủ yếu loại ly hợp ma sát khô với một hoặc hai đĩa bị động

Trang 15

Hộp số (3) là bộ phận đảm nhiệm chức năng thay đổi tỷ số truyền trong HTTL Phổ biến hơn cả trong HTTL hiện nay là hộp số 3 trục kiểu đồng trục nhờ khả năng tạo số truyền thẳng

Truyền động các đăng (4) đảm bảo việc kết nối trục ra của hộp số với trục vào cầu chủ động trong trường hợp động cơ đặt xa cầu chủ động và hai trục cần liên kết không đồng trục với nhau

Cầu chủ động (5) là bộ phận cuối cùng trong hệ thống, nó truyền mô men tới các bánh xe chủ động Trong cầu chủ động thường có ba bộ phận: truyền lực chính,

vi sai và các bán trục Truyền lực chính về bản chất là bộ phận giảm tốc, có nhiệm

vụ tăng tỷ số truyền cho hệ thống truyền lực Bộ vi sai được đặt giữa hai bán trục, nhờ nó mà các bán trục có thể quay với các vận tốc khác nhau khi ô tô quay vòng hoặc chuyển động trên mặt đường gồ ghề Các bán trục có nhiệm vụ truyền mô men tới các bánh xe chủ động

1.2 Các nghiên cứu về hệ thống truyền lực

Các hướng nghiên cứu về HTTL khá đa dạng, nhưng đều nhằm vào việc hoàn thiện hệ thống từ khâu thiết kế, chế tạo cho đến kỹ thuật điều khiển Trong khuôn khổ của luận văn, chỉ quan tâm đến những nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu tới dao động xoắn trong hệ thống truyền lực ô tô Dưới đây là một

số hướng nghiên cứu chính

1.2.1 Xác định tải trọng động trong hệ thống truyền lực

Tải trọng động là một trong những vấn đề đầu tiên được các nhà nghiên cứu quan tâm vì nó phục vụ trực tiếp cho quá trình thiết kế HTTL Do HTTL thực hiện chức năng truyền và biến đổi mô men của động cơ tới các bánh xe chủ động, nên tải trọng tính toán ban đầu thường được lấy từ mô men cực đại của động cơ Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong quá trình hoạt động của ô tô có thể xuất hiện các chế độ tải trọng với mô men xoắn trong HTTL lớn hơn nhiều so với mô men từ động cơ truyền qua nó Ví dụ: khi nhả ly hợp đột ngột, mô men trên một khâu bất

kỳ trong HTTL có thể lớn hơn gấp 2 lần (hoặc hơn) mô men truyền từ động cơ Vì

Trang 16

vậy, để xác định tải trọng tính toán nhằm đảm bảo HTTL có thể vận hành ở mọi điều kiện làm việc của ô tô, cần xác định được giá trị tải trọng động cực đại tất cả các khâu trong hệ thống [2, 4]

1.2.2 Dao động, rung và ồn

Rung và ồn do HTTL gây nên cũng được nghiên cứu từ rất sớm Năm 1965, Mazziotti [10] đã công bố công trình nghiên cứu về rung ồn trong HTTL ô tô tải với những vấn đề tổng thể liên quan đến rung và ồn của hệ thống động lực ô tô, trong

đó có vấn đề về dao động của mô men xoắn

Nhiều công trình sau đó đã công bố các kết quả nghiên cứu sâu hơn về những vấn đề liên quan đến rung và ồn do rung bằng phương pháp mô tả hệ thống động lực thông qua các khối lượng quán tính và các khâu nối có tính đàn hồi và ma sát nhớt Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của các thông số kết cấu trên tới hiện tượng rung do động cơ và HTTL gây nên [6, 16, 4] Trên cơ sở đó, người ta

đã đưa ra các giải pháp giảm rung và ồn do rung nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống

EI-Adl Mohammed Aly Rabei [5] (1997) đã thực hiện nghiên cứu về dao động HTTL gây nên rung và ồn Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng mô hình

mô phỏng HTTL dạng rút gọn để nghiên cứu dao động gây sai số không lớn, đồng thời giảm được nhiều khối lượng và thời gian tính toán Tác giả cũng cho rằng, đối với HTTL ô tô, có thể sử dụng mô hình với 4 khối lượng để xác định các tần số riêng và nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng Trên thực tế, việc tránh cộng hưởng do kích thích từ động cơ là không thực hiện được vì tần số kích thích thay đổi theo chế

độ động cơ Vì vậy, trong khi thiết kế HTTL cần xác định tần số riêng của HTTL và đưa ra các giải pháp tránh cộng hưởng, trong đó có giải pháp sử dụng hệ thống điều khiển tránh cộng hưởng

Các tác giả Yuanfeng Xia, Hongcheng Li, Xiong Tian, Hongying Wang và

Yu Tang (2005) [16] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán xác

Trang 17

định tần số riêng cho mô hình 5 khối lượng và đánh giá khả năng cộng hưởng ở các dạng riêng khác nhau

Magnus Pettersson [13], nghiên cứu dao động xoắn trong HTTL và đề xuất giải pháp điều khiển động cơ để tránh cộng hưởng trong HTTL Tác giả cũng đã kết luận rằng tải trọng lớn xuất hiện ở tần số thấp, còn tần số cao gây nên rung và ồn

Một hướng mới trong nghiên cứu rung ồn của HTTL là xem xét động cơ và HTTL trong mối quan hệ liên kết với hệ thống treo ô tô Dao động tổng thể của các

hệ thống trên (dao động xoắn của hệ thống động lực và dao động thẳng đứng của hệ thống treo) được mô phỏng, tính toán và đưa ra các kết quả phản ánh tính tương tác qua lại giữa chúng Trên cơ sở đó, các tác giả đã đưa ra các giải pháp giảm rung và

Mối quan hệ giữa các hệ thống: động cơ – HTTL – hệ thống treo cũng được nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng qua lại của dao động các hệ thống này

Trong một số công bố gần đây vào những năm 2007, 2008 nhiều nhà nghiên cứu đã thực hiện mô phỏng hệ thống dao động tổng thể gồm dao động xoắn trong HTTL và dao động của hệ thống treo Kết quả cho thấy ảnh hưởng qua lại của hai

hệ thống trên là khá lớn Trên cơ sở đó, các tác giả đã khuyến cáo về việc cần xem xét một cách tổng thể để có được độ chính xác cao hơn

1.2.4 Phối hợp hoạt động hệ thống truyền lực với động cơ đốt trong

Vấn đề phối hợp hoạt động của động cơ đốt trong và HTTL ngày càng được quan tâm nhiều và người ta có xu hướng xem xét chúng trong một tổ hợp gọi là hệ

Trang 18

thống động lực (powertrain) Mục đích của việc phối hợp hai bộ phận trên là tăng tỷ

lệ thời gian hoạt động của động cơ ở vùng có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, nhờ đó

mà giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và giảm ô nhiễm do khí xả [9]

Đối với HTTL cơ khí có cấp, giải pháp chính để đạt được mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu là tăng số lượng tỷ số truyền và phân bố chúng một cách hợp lý Tuy nhiên tăng số cấp số đồng nghĩa với việc tăng mức độ phức tạp, tăng khối lượng và giá thành của HTTL Vì vậy, hướng nghiên cứu này thường mang lại hiệu quả không cao đối với HTTL cơ khí có cấp do số lượng tỷ số truyền hạn chế [7, 9]

1.3 Các phương pháp nghiên cứu hệ thống truyền lực

Hiện nay, các nghiên cứu về HTTL được thực hiện song song bằng cả hai phương pháp lý thuyết và thực nghiệm

1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết

Trong nghiên cứu lý thuyết, phổ biến hơn cả vẫn là phương pháp mô hình hóa và mô phỏng HTTL và tính toán động lực học hệ thống Các chi tiết của HTTL thực hiện chuyển động quay, vì vậy người ta mô tả một chi tiết bất kỳ thông qua 3 thông số đặc trưng (hình 1.4): mô men quán tính, độ cứng và hệ số nội ma sát (ma sát nhớt)

Hình 1.4 Mô tả chi tiết quay của HTTL I: mô men quán tính; C: hệ số độ cứng; B: hệ số ma sát nhớt

Các mô men tác dụng lên chi tiết bao gồm 3 thành phần chính:

- Mô men quán tính: I ;

- Mô men đàn hồi: C( - );

Trang 19

- Mô men cản nhớt: B( - )

Hệ số độ cứng C có thể được thay bằng hệ số đàn hồi E=1\C

Bằng phương pháp mô tả như trên, một HTTL với sơ đồ như trên hình 1.5a được mô tả bằng sơ đồ mô phỏng như trên hình 1.5b Trong đó, và là mô men quán tính và độ đàn hồi của các chi tiết tương ứng trong HTTL; và mô men quán tính và độ đàn hồi của các chi tiết được quy về một trục trong hệ thống

Ví dụ trên hình 1.5 cho thấy, để giảm bớt độ phức tạp của bài toán, người ta thường bỏ qua các thông số có ảnh hưởng không lớn Chẳng hạn, chi tiết có khối lượng và đường kính lớn (bánh đà, bánh răng,…) có độ cứng rất lớn, nên chúng có thể coi là cứng tuyệt đối Trong trường hợp này, chi tiết được mô tả bằng một thông

số duy nhất là mô men quán tính Ngược lại, đối với các trục có đường kính và khối

Trang 20

lượng nhỏ nhưng lại có chiều dài lớn thì thông số có tính áp đảo lại là độ đàn hồi và khi đó chi tiết được mô tả thông qua độ đàn hồi (hoặc độ cứng) cùng với hệ số cản nhớt Tùy theo mục đích nghiên cứu và yêu cầu của bài toán mà người ta cũng có thể bỏ qua cản nhớt như trên sơ đồ hình 1.5b

Dựa trên mô hình mô phỏng, người ta xây dựng hệ phương trình mô tả hệ thống Khi đó, những sơ đồ quá phức tạp có thể được đơn giản hóa bằng cách gộp các khâu trên mô hình lại với nhau Chẳng hạn, mô hình mô phỏng trên hình 1.5b

có thể rút gọn thành sơ đồ với 6 khối lượng quán tính và 4 khâu đàn hồi

Hình 1.6 Mô hình mô phỏng đơn giản hóa

Việc xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống được thực hiện theo các nguyên lý chung của cơ học

Phương pháp nghiên cứu mô tả trên đây có thể được sử dụng để tính toán các chế độ làm tải trọng động tác dụng lên HTTL ô tô và khảo sát dao động xoắn trong HTTL Khi đòi hỏi độ sát thực của mô hình cao hơn thì người sử dụng buộc phải dùng mô hình có độ phức tạp cao hơn, dẫn đến những khó khăn lớn trong việc giải bài toán

Phương pháp nghiên cứu thứ hai được sử dụng trong mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực là sử dụng sơ đồ liên kết để mô tả công suất, trong đó được sử dụng phổ biến hơn cả là Bond Graphs [15, 12, 11]

Bond Graphs được Henry M Paynter, Giáo sư trường Đại học Công nghệ Massachuset (Massachusetts Institute of Technology – MIT) công bố vào ngày 24/4/1959 Bond Graphs là một phương pháp mô tả một hệ thống động lực (cơ học, điện, thủy lực, khí nén,…) dưới dạng sơ đồ (graph) liên kết (bond) thể hiện sự

Trang 21

truyền tải năng lượng Phương pháp này được xây dựng dựa trên nguyên lý bảo toàn năng lượng

Các phần tử chính trong sơ đồ hệ thống gồm: phần tử (Element) hay còn gọi

là nút (Vertice), thể hiện một đối tượng vật lý (chi tiết cơ khí, các phần tử trong hệ thống điện, cơ cấu chấp hành thủy lực,…) và liên kết (edge), mô tả dòng năng lượng, hay cụ thể là tác động của nút này lên nút khác Tương tác giữa các nút được thể hiện qua 2 thông số: dòng (flow) và lực (effort) Dòng thể hiện sự biến đổi của lượng theo thời gian (ở đây chính là vận tốc góc) Lực thể hiện cường độ của tương tác (ở đây là mô men) Tích của lưu lượng và cường độ chính là công suất:

đồ liên kết của hệ thống bằng Bond Graphs, trong đó 1 và 0 là các nút

Dựa trên sơ đồ liên kết (Bondgraph) người ta xây dựng các phương trình mô

tả hệ thống tại các nút

Hình 1.7 Mô hình hóa và mô phỏng HTTL ô tô hybrid bằng Bond graph

Trang 22

Ngoài phương pháp trên, để mô hình hóa và mô phỏng HTTL người ta còn

sử dụng các phần mềm chuyên dụng như CarSIM, TruckSIM, SimDriveline (Matlab)…

1.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm thường cho kết quả chính xác và có độ tin cậy cao hơn so với nghiên cứu lý thuyết nhờ đo trực tiếp các thông số quan tâm Tuy nhiên, chi phí để thực nghiệm thường cao hơn rất nhiều và đòi hỏi phải có trang thiết bị phù hợp Đối với HTTL, người ta thường thực hiện thí nghiệm với mục đích sau:

- Xác định các chế độ tải trọng trong HTTL;

- Đo hiệu suất của các bộ phận và của HTTL;

- Đo rung ồn của các bộ phận HTTL;

- Xác định các thông số và đánh giá hoạt động của các cụm trong hệ thống;

- Xác định độ bền lâu và tuổi thọ của các bộ phận trong HTTL

Các thí nghiệm có thể được thực hiện trên các bệ thử chuyên dùng hoặc trên đường Các thông số cơ bản trong các thí nghiệm trên được đo bằng các thiết bị chuyên dùng có độ chính xác cao

Một trong những khó khăn trong các thí nghiệm trên là đo mô men trên các trục quay Ngày nay, việc đo mô men có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp và thiết bị khác nhau Phương pháp thông dụng hơn cả vẫn là sử dụng các điện trở tenzo dán trực tiếp lên trục cần đo mô men [8] Các đường dây điện được kết nối với nguồn và thiết bị bên ngoài thông qua các bộ tiếp điện hoặc các bộ phận thu phát không dây Phương pháp đo này đòi hỏi phải lấy chuẩn thiết bị Mô men xoắn cũng có thể được đo bằng thiết bị đo chuyên dụng Tuy nhiên, để lắp đặt thiết bị cần phải cắt trục và chế tạo đồ gá cho phù hợp Hơn nữa, dải đo của thiết bị phải tương ứng với vùng biến thiên mô men trên trục cần đo

Trang 23

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp đo mô men bằng tenzo

1 - Điện trở tenzo dán trên trục; 2 - Các chổi than; 3 - Các vành đồng;

4 - Bộ tiếp điện; 5 - Cầu đo; 6 - Trục cần đo mô men

Trên hình 1.8 là một ví dụ về phương pháp đo mô men xoắn trên trục bằng điện trở tenzo Điện trở được dán trực tiếp lên trục cần đo, các đầu dây được dẫn ra ngoài nhờ bộ tiếp điện kiểu chổi than – vành đồng và nối cầu đo kiểu Weatstone Cầu đo được cấp nguồn nuôi E, khi chưa có mô men trên trục cầu đo phải ở trạng thái cân bằng (điện áp đo lúc này bằng 0) Khi đo, mô men xoắn trên trục làm thay đổi giá trị điện trở và vì vậy, cầu đo mất cân bằng làm xuất hiện điện áp đo tương ứng với mô men xoắn trục

Thông số thứ hai được đo trong các thí nghiệm HTTL là vận tốc góc của các chi tiết quay Hiện nay, có rất nhiều dạng thiết bị đo vận tốc góc, nhưng chúng hoạt động dựa trên nguyên lý chung là đếm xung Các cảm biến đo vận tốc góc có thể là điện từ, quang, cảm biến Hall,… [8] Một số ví dụ về cảm biến đo vận tốc góc được thể hiện trên hình 1.9

Thiết bị trên hình 1.9a hoạt động dựa trên sự biến thiên của từ trường đi qua cuộn dây: mỗi khi đỉnh răng đi qua gần lõi sắt, một xung điện xuất hiện trong cuộn dây và được truyền đến thiết bị xử lý Thiết bị trên hình 1.9b Hoạt động dựa trên nguyên lý quang điện: tia sang phát ra từ nguồn được phản hồi nhờ một tấm phản

Trang 24

quan dán trên trục sau đó đi vào thiết bị thu nhận và xử lý Mỗi lần tia sáng chiếu vào cảm biến quang sẽ tạo nên một xung điện

Tín hiệu ra của các cảm biến trên đều có dạng xung điện có tần số tỷ lệ thuận với vận tốc quay của trục Bộ xử lý thực hiện việc chuyển đổi các tín hiệu này thành giá trị vận tốc góc để hiển thị và lưu trữ kết quả

a) Cảm biến đo vận tốc góc kiểu điện từ b) Thiết bị đo vận tốc góc bằng quang học

1 - Đĩa răng; 2 - Cuộn dây có lõi sắt; 1 - Trục quay; 2 - Tấm phản quang;

3 - Nam châm vĩnh cửu 3 - Đầu thu phát quang;

4 - Thiết bị xử lý hiển thị Hình 1.9 Thiết bị đo số vòng quay

1.4 Dao động xoắn trong hệ thống truyền lực, tần số riêng và phương pháp tính toán

1.4.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực ô tô

Hiện nay có rất nhiều phương pháp mô phỏng HTTL, mỗi phương pháp đều

có ưu nhược điểm riêng và được sử dụng tùy theo trường hợp cụ thể Để nghiên cứu các chế độ tải tác dụng lên HTTL, phương pháp thích hợp hơn cả là mô phỏng HTTL bằng sơ đồ dao động xoắn Phương pháp được thực hiện theo các bước sau:

- Từ kết cấu cụ thể của HTTL xây dựng sơ đồ của hệ thống (còn gọi là mô hình cơ học);

Trang 25

- Chuyển đổi mô hình cơ học thành sơ đồ động lực và dựa trên những giả thiết tính toán đặt để đơn giản hóa sơ đồ động lực thành sơ đồ tính toán;

- Thiết lập hệ phương trình mô tả hoạt động của hệ thống

Các sơ đồ động lực có hai dạng: sơ đồ với các thông sô phân bố và sơ đồ với các thông số tập trung Để cho đơn giản người ta thường gọi chúng là các sơ đồ phân bố (liên tục) và sơ đồ tập trung (rời rạc) Trong các sơ đồ phân bố, mỗi phần tử được đặc trưng bởi 2 tính chất: quán tính và đàn hồi

Tất cả các hệ thống thực đều là hệ thống phân bố, nhưng để cho đơn giản, trong quá trình phân tích người ta thường tìm cách quy chúng về dạng sơ đồ tập trung bằng cách bỏ qua tính chất ít quan trọng hơn của các phần tử

Hệ thống truyền lực của ô tô là hệ thống dạng phân bố, nhưng khi sơ đồ hóa

nó, người ta thường thể hiện dưới dạng sơ đồ dao động tập trung Việc quy đổi dạng phân bố về tập trung được thực hiện dựa trên các cơ sở sau: các dao động xoắn trong HTTL có phổ không liên tục với tần số riêng nằm trong miền dưới 300Hz Vì vậy, có thể sử dụng các sơ đồ dạng tập trung để tính toán các quá trình dao động xoắn trong miền tần số trên

Trong các hệ thống đã được quy về dạng tập trung, các khối lượng được coi

là tập trung và chỉ có tính quán tính Các chi tiết trong hệ thống có nhiệm vụ nối các khối lượng với nhau có dạng phần tử đàn hồi và được đặc trưng bởi một độ cứng nhất định Trong quá trình nghiên cứu dao động xoắn, người ta coi các phần tử có kích thước dọc trục quay không quá 2 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 Việc lập sơ đồ tập trung của HTTL được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu kỹ cấu tạo các cụm hệ thống để từ đó phân các chi tiết thành hai loại: loại chỉ có tính quán tính (khối lượng tập trung) và loại chỉ có tính đàn hồi (phần tử nối)

Những phần tử có khối lượng tập trung thường là các bánh răng, các đĩa của

ly hợp, bánh đà, các mặt bích, các chi tiết của ổ bi, các chi tiết vỏ

Trang 26

Những phần tử chỉ có tính đàn hồi là các trục và một số chi tiết đàn hồi chuyên dụng trong hệ thống truyền lực

Trong quá trình lập sơ đồ tính toán, việc phân loại và xác định các thông số của các phần tử một cách chính xác đóng vai trò quyết định và ảnh hưởng trực tiếp tới kết quả Chẳng hạn, các bánh răng có độ đàn hồi rất nhỏ nên thường được coi là các khối lượng tập trung, nhưng khi nghiên cứu dao động tần số cao thì tính đàn hồi của nó phải được tính đến Lốp xe là những phần tử đặc biệt, chúng vừa có độ đàn hồi cao lại có khối lượng lớn, khi sơ đồ hóa, chúng thường được thể hiện bằng một khối lượng tập trung nối với một phần tử đàn hồi

Nếu xét một cách tổng quát, ô tô được sơ đồ hóa như một hệ thống dao động bao gồm tập hợp những khối lượng tập trung được nối với nhau bằng các khâu đàn hồi không quán tính Trên sơ đồ này thể hiện tất cả những mối liên hệ động học giữa các trục và các bộ phận được thực hiện bởi các bánh răng và cơ cấu truyền động

Việc lập sơ đồ tính toán nên thực hiện theo trình tự sau: Nghiên cứu kỹ lưỡng cấu tạo các bộ phận và của HTTL thông qua các bản vẽ cấu tạo và trên cơ sở

đó xây dựng mô hình cơ học; xác định các thông số của mô hình cơ học; từ mô hình

cơ học xác định các thông số của hệ thống truyền lực; đơn giản hóa sơ đồ động lực của hệ thống thành sơ đồ tính toán

Mô hình cơ học là sơ đồ động học của hệ thống, trong đó thể hiện các phần

tử của hệ thống dưới dạng sơ đồ hóa Ngoài các phần tử đã kể trên, trên sơ đồ còn

có các phần tử khối lượng liên kết phản lực Khối lượng liên kết phản lực là các phần tử vỏ được nối đàn hồi với khung của ô tô và do vậy có tham gia vào quá trình dao động xoắn của HTTL 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 ô tô

Các thông số cơ bản của sơ đồ cơ học là mô men quán tính của các khối lượng tính theo trục quay của chúng và độ đàn hồi của các phần từ đàn hồi Độ đàn hồi của phần tử đàn hồi là đại lượng nghịch đảo của độ cứng và được tính bằng góc

Trang 27

quay của một trong những mặt cắt của trục khi nó phải chịu mô men xoắn bằng 1 N.m đặt vào một đầu trục trong khi đầu kia bị ngàm cứng Độ đàn hồi của trục và

mô men quán tính của các khối lượng được xác định bằng phương pháp thực nghiệm hoặc tính theo các bản vẽ cấu tạo Ngày nay, với các phần mềm máy tính chuyên dụng, việc tính toán một cách chính xác mô men quán tính của chi tiết dựa trên hình vẽ của nó trở nên đơn giản hơn

Khi nghiên cứu những quá trình quá độ xảy ra trong thời gian rất ngắn, người ta có thể bỏ qua sự thất thoát năng lượng (ví dụ như khi tính tải động cực đại) Nhưng khi nghiên cứu các quá trình liên quan tới các dao động ổn định thì ảnh hưởng của việc thất thoát năng lượng trở nên đáng kể Vì vậy, trong những trường hợp này cần phải tính đến các phần tử tiêu thụ năng lượng

Trong quá trình dao động, năng lượng dao động bị mất mát trong bản thân các chi tiết, trong quá trình, trong các mối ghép then, then hoa, trong các ổ đỡ trục, trong các vết ăn khớp bánh răng, trong các phớt làm kín và trong các cơ cấu giảm chấn

1.4.2 Tần số riêng và phương pháp tính toán

1.4.2.1 Mô men kích thích từ động cơ

Mô men xoắn của động cơ chính là hàm kích thích tác động vào HTTL Mô men trên trục của các loại động cơ đốt trong trên ô tô hiện nay đều thay đổi theo chu

kỳ, nên nó có thể được mô tả bằng tổng của vô số hàm điều hòa nhờ phân tích Fourier Như vậy, mô men của động cơ có thể được mô tả thông qua phổ với các tần

số đặc trưng Các thông số của các dao động điều hòa phụ thuộc vào chế độ vận hành của động cơ Vì vậy, để giảm bớt khối lượng tính toán, người ta chỉ chọn một chế độ đặc trưng làm chế độ tính toán Để đánh giá tải trọng từ động cơ tác dụng lên HTTL người ta thường chọn chế độ tính toán tương ứng với trường hợp động cơ đạt được mô men xoắn cực đại

Mô men của động cơ có thể được biểu diễn thông qua các hàm điều hòa như sau:

Trang 28

(1.3)

trong đó Mi là biên độ của cấp điều hòa thứ I và I là pha tương ứng, M0 là giá trị

mô men trung bình và là tần số cơ sở

Nếu một trong các cấp điều hòa của mô men động cơ trùng với một trong các tần số riêng của HTTL thì sẽ xảy ra cộng hưởng Khi đó biên độ dao động của các khối lượng quán tính trong hệ thống tăng đột ngột cùng với độ ồn và rung cũng tăng mạnh Hiện tượng này có thể gây quá tải tới mức làm gãy, vỡ các chi tiết trong HTTL Hiện tượng cộng hưởng thường xảy ra ở các tần số riêng thứ 3 hoặc thứ 4 của HTTL

Để tránh hiện tượng này, người ta thường tính toán, lựa chọn độ cứng của giảm chấn một cách hợp lý Việc tính toán xác định các tần số riêng có thể sử dụng

mô hình với 5 hoặc 6 khối lượng quán tính

1.4.2.2 Sơ đồ tính toán

Các chi tiết trong hệ thống truyền lực ô tô được mô tả dưới dạng các khối lượng quán tính liên kết với nhau bằng các khâu đàn hồi Mỗi khối lượng thực hiện dao động với một tần số riêng nào đó Tuy nhiên, HTTL gồm rất nhiều chi tiết, nên nếu mô tả nó một cách chính xác và đầy đủ thì sơ đồ tính toán trở nên rất phức tạp

Vì vậy, người ta thường rút gọn các sơ đồ ở các mức độ khác nhau Để xác định các tần số riêng của HTTL, có thể sử dụng sơ đồ 5 khối lượng như trên hình 1.10

I1- động cơ và phần chủ động ly hợp; I2- phần bị động ly hợp, hộp số và các đăng; I3- cầu chủ động so; I4- các bánh xe; I5- khối lượng tịnh tiến của ô tô

Trang 29

Phương pháp tính toán sẽ trình bày cụ thể ở chương II

1.5 Vấn đề nghiên cứu, mục đích và nội dung luận văn

Trang 30

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN

LỰC Ô TÔ 2.1 Phương pháp mô phỏng hệ thống truyền lực

Hệ thống truyền lực là một bộ phận của ô tô và nằm trong mối quan hệ chặt chẽ với tất cả các bộ phận khác trên xe Tải trọng động lên HTTL được xác định bởi các kích động tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động và các thông số động lực học của ô tô

Để có thể xác định được tải tác dụng lên hệ thống truyền lực ô tô trong các trường hợp cụ thể, cần xây dựng được sơ đồ mô tả hoạt động của hệ thống và thiết lập được các phương trình thể hiện các quá trình vật lý xảy ra trong hệ thống Việc làm này được gọi là mô phỏng hệ thống

2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực ô tô

2.2.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống

Hiện nay có rất nhiều phương pháp mô phỏng HTTL, mỗi phương pháp đều

có ưu nhược điểm riêng và được sử dụng tùy theo trường hợp cụ thể Để nghiên cứu các chế độ tải tác dụng lên HTTL, phương pháp thích hợp hơn cả là mô phỏng HTTL bằng sơ đồ dao động xoắn Phương pháp được thực hiện theo các bước sau:

- Từ kết cấu cụ thể của HTTL xây dựng sơ đồ của hệ thống (còn gọi là mô hình cơ học);

- Chuyển đổi mô hình cơ học thành sơ đồ động lực và dựa trên những giả thiết tính toán đặt để đơn giản hóa sơ đồ động lực thành sơ đồ tính toán;

- Thiết lập hệ phương trình mô tả hoạt động của hệ thống

Các sơ đồ động lực có hai dạng: sơ đồ với các thông số phân bố và sơ đồ với các thông số tập trung Để cho đơn giản người ta thường gọi chúng là các sơ đồ phân bố (liên tục) và sơ đồ tập trung (rời rạc) Trong các sơ đồ phân bố, mỗi phần tử được đặc trưng bởi 2 tính chất: quán tính và đàn hồi

Trang 31