Xây dựng mô hình động lực học của ô tô sử dụng hộp số tự động

Hộp số tự động thực hiện việc lựa chọn số một cách tự động và thích hợp nhất với chế độ vận hành của xe thông qua sự can thiệp của hệ thống điều khiển thủy lực và các thiết bị cơ khí phứ

Lêi cam ®oan

1.2.2 C¬ cÊu hµnh tinh kiÓu Simson 10

1.4.3 Cảm biến nhiệt độ, nhiệt độ dầu, áp suất dầu 17

2.4 Các đặc tính cơ bản của biến mô, hiệu suất và mô men 32

Chương 4 Sử dụng Matlab simulink và stateflow

khảo sát động lực học của ô tô MITsubishi tiburon 2004

73

4.1 Các số liệu về xe ô tô và hệ thống truyền lực 73

LờI NóI ĐầU

Trong quá trình phát triển của nghành công nghiệp ôtô, xu hướng phát triển về mặt hình thức, độ an toàn, tính tiện dụng và tính kinh tế nhiên liệu ngày càng được chú trọng hơn để đáp ứng những nhu cầu của con người ô tô

được sử dụng rất rộng rãi và có xu hướng ngày càng gia tăng, các tính năng để tăng tính tiện nghi sử dụng đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu càng được quan tâm nhiều hơn, vì vậy đòi hỏi các nhà sản xuất phải nghiên cứu, chế tạo cải tiến các cụm, các hệ thống sao cho đáp ứng được tiêu chí phát triển

Nhằm ứng dụng công nghệ nâng cao chất lượng của hệ thống truyền lực

để tăng tính động lực học, tiết kiệm nhiên liệu, đơn giản hóa thao tác trong khi lái xe thì hộp số tự động được trang bị ngày càng nhiều xe du lịch Đặc tính

động lực học của xe lắp hộp số tự động là khác hoàn toàn sơ với xe lắp hộp số thường

Với mong muốn nghiên cứu nắm bắt được sự khác biệt đặc về tính động lực học giữa hộp số tự động và hộp số cơ khí thường nhằm góp phần nhỏ nâng cao chất lượng nghiên cứu, giảng dạy, học tập ở các trường đại học, trung tâm nghiên cứu chuyên ngành, trung tâm dạy lái xe, đề tài : “ Xây dựng mô hình

động lực học của ô tô sử dụng hộp số tự động ” được thực hiện Đề tài chọn phương pháp khảo sát bằng phần mềm mô phỏng matlap simulink, vì với phần mềm này đã cơ bản mô phỏng được mô hình động lực học của xe ô tô

Dưới sự hướng dẫn của PGS TSP Phạm Hữu Nam và các Thầy trong bộ môn, Trung tâm Đào tạo sau đại học và các bạn đồng nghiệp khác, đề tài đã

được thực hiện tại bộ môn Ô tô và xe máy chuyên dụng - Viện cơ khí động lực Trường ĐHBK Hà Nội Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn cũng như

sự đóng góp ý kiến quý báu để bản luận văn được hoàn thành, rất mong sự góp

ý, bổ sung của các nhà kỹ thuật để luận văn được hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 11 năm 2008 Tác giả

Đặt vấn đề nghiên cứu

Cùng với việc nâng cao chất lượng an toàn kỹ thuật của xe ô tô thì việc tăng tính tiện nghi sử dụng cũng không ngừng được cải tiến Các cụm, hệ thống như truyền lực, treo, lái, phanh, được thiết kế tối ưu hơn Hệ thống truyền lực trang bị hộp số tự động ngày càng được ứng dụng rộng rãi vì nó nâng cao

được chất lượng động lực học của xe hơn so với hộp số cơ khí thường, đồng thời tiện nghi khi sử dụng hơn cho người lái

Như hộp số tay, chức năng của hộp số tự động là thay đổi tỷ số truyền của hệ thống truyền lực để tạo ra lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động sao cho phù hợp giữa chế độ làm việc của động cơ với lực cản tổng cộng của đường, cắt dòng truyền mô men từ động cơ đến hệ thống truyền lực và thay đổi chiều chuyển động để tạo chuyển động lùi cho xe Hộp số tự động thực hiện việc lựa chọn số một cách tự động và thích hợp nhất với chế độ vận hành của xe thông qua sự can thiệp của hệ thống điều khiển thủy lực và các thiết bị cơ khí phức tạp bên trong hộp số Ngày nay các nhà sản xuất khi đưa ra một dòng sản phẩm cùng chủng loại, mẫu mã thì thường có 2 loại hộp số trang bị ở hệ thống truyền lực là hộp số cơ khí thường ( MT- Manual transmission ) và hộp số tự

động ( AT - Auto transmission), với những xe trang bị AT thì thường có giá thành cao hơn xe trang bị MT, điều này chứng tỏ giá trị về mặt kỹ thuật và tính tiện nghi sử dụng được đánh giá cao hơn Việc xây dựng mô hình động lực học của xe ô tô trang bị hộp số tự động để khảo sát sẽ giúp ta biết được quy luật điều khiển và trạng thái chuyển số, từ đó có phương pháp nghiên cứu

điều khiển tối ưu quá trình chuyển số nhằm tăng được tính động lực học nhưng lại giảm được chi phí nhiên liệu

Nội dung và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Đặc tính động lực học của, hệ thống truyền lực của ô tô lắp hộp số tự động, vai trò của hộp số và ý nghĩa của thời điểm chuyển số Chuyển số hợp lý làm

tăng tính năng động lực học và kinh tế nhiên liệu cho ô tô Trên các xe con hiện đại ngày nay sử dụng phổ biến hộp số tự động điều khiển điện tử

- Mục tiêu nghiên cứu :

+ Quá trình điều khiển chuyển số

+ Quy luật chuyển số và các trạng thái chuyển số

+ Khảo sát sự dao động của mô men trong quá trình chuyển số

Luận văn cao học : “ Xây dựng mô hình động lực học của ô tô sử dụng hộp số

tự động ” là một đề tài mới, do hạn chế về mặt thời gian và kinh phí nên đề tài mới chỉ dừng lại ở việc xây dựng mô hình động lực học của ô tô sử dụng hộp

số tự động Đề tài còn hướng phát triển nghiên cứu thuật toán điều khiển tối

ưu thời điểm chuyển số của hộp số tự động

Ngoài phần lời nói đầu và tổng quan, đề tài được phân thành 4 chương:

- Chương 1: Đặc tính động lực học của ô tô khi sử dụng hộp số tự động

- Chương 2: Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực ô tô dùng hộp số tự động

- Chương 3: Mô phỏng động lực học hệ thống truyền lực ô tô bằng phần mền Matlab- Simulik và Stateflow

- Chương 4: Khảo sát, và đánh giá kết quả

- Kết luận và những kiến nghị

Nội dung của đề tài có thể hình thành các tài liệu giảng dạy, nghiên cứu cho các trường, trung tâm dậy nghề…

đổi giá trị mômen

Trong hộp số tự động, quá trình chuyển số được thực hiện tự động hoàn toàn, người lái không phải điều khiển chuyển số nên giảm thiểu được các thao tác khi lái xe Tự động chuyển số nên xe luôn hoạt động ở chế độ phù hợp nhất tương ứng với điều kiện của tải, địa hình, tốc độ, tận dụng được công suất và mô men do vậy tránh được tổn hao công suất cũng như nhiên liệu, tăng tính kinh tế trong quá trình vận hành Với hộp số thường thì qúa trình chuyển số là theo cảm nhận của người lái nên phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm của người lái

- Mômen xoắn được chuyển đến các bánh xe chủ động một cách êm dịu và gần như liên tục tương ứng với lực cản chuyển động và tốc độ chuyển động của ô tô Không xảy ra hiện tượng thay đổi tốc độ đột ngột hoặc rung giật xe khi tăng hoặc giảm số như ở hộp số thường,

- Hộp số tự động giúp tăng được khả năng động lực học của ô tô Giảm được tải trọng tác dụng lên các chi tiết của hệ thống truyền lực Tránh được quá tải cho động cơ và hệ thống truyền lực vì giữa chúng được nối với nhau bằng biến mô thủy lực

- Các cặp bánh răng của bộ truyền hành tinh luôn ăn khớp với nhau nên quá trình sang số là việc đóng mở các van điều khiển và đường dầu nên không có hiện tượng va đập của các bánh răng khi chuyển số và không cần có bộ đồng tốc để giải quyết việc ăn khớp của các cặp bánh răng Trong hộp số tự động người ta sử dụng áp suất thuỷ lực để tự động chuyển các tay số tuỳ theo các tốc độ xe, góc mở bướm ga và vị trí cần số

Đặc điểm của hộp số tự động

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống truyền lực của xe có hộp số tự động

Trên hình 1.1 mô tả hệ thống truyền lực của xe có hộp số tự động, ta thấy sự khác biệt với hộp số cơ khí thường ở bộ biến mô, hộp số hành tinh và

hệ thống thuỷ lực

1.1 Bộ biến mô thuỷ lực

Hình 1.2 : Cấu tạo biến mô thuỷ lực

Biến mô thuỷ lực được lắp ở đầu vào của hộp số và được bắt bằng bulông vào trục sau của trục khuỷu thông qua tấm truyền động Nó có vai trò làm tăng mômen do động cơ tạo ra, truyền mô men này đến hộp số hoặc đóng vai trò như một khớp nối thuỷ lực truyền mômen đến hộp số, hấp thụ các dao

động xoắn của động cơ và hệ thống truyền lực

Biến mô có cấu tạo gồm ba phần cơ bản: phần chủ động gọi là bánh bơm (B) nối với trục khuỷu động cơ, phần bị động gọi là bánh tuabin (T) nối với trục vào động cơ, phần phản ứng gọi là bánh dẫn hướng (D) được lắp giữa bánh bơm và bánh tua bin

Cấu tạo bên trong của bánh bơm B, bánh tuabin T, bánh đẫn hướng D đều

có cánh, các cánh này được sắp xếp sao cho ở trạng thái làm việc chất lỏng chuyển động theo hình xuyến xoắn ốc tạo nên bởi các cánh Biên dạng không gian làm việc phải đảm bảo tổn thất năng lượng là ít nhất khi chất lỏng đi từ cánh của bánh này sang cánh của bánh kia

1.1.1 Bánh bơm(B)

Bánh bơm được bố trí trong vỏ bộ biến mô và nối với trục khuỷu qua

đĩa dẫn động, nó có rất nhiều cánh hình cong được lắp bên trong bánh bơm một vòng dẫn hướng được lắp trên mép trong của các cánh để dẫn dòng dầu

được êm Vỏ biến mô được nối với trục khuỷu động cơ qua tấm dẫn động

Hình 1.3: Kết cấu bánh bơm

1.1.2 Bánh tuabin(T)

Cũng như bánh bơm bánh tuabin cũng có rất nhiều cánh dẫn động được lắp bên trong, hướng cong của các cánh này ngược chiều với hướng cong của các bánh bơm, bánh tua bin được lắp trên trục sơ cấp của hộp số sao cho các cánh bên trong nó đối diện các cánh của bánh bơm với một khe hở rất nhỏ ở giữa, bánh tuabin quay cùng trục sơ cấp của hộp số

Hình 1.4: Kết cấu bánh tuabin

1.1.3 Bánh dẫn hướng (D)

Bánh dẫn hướng được đặt giữa bánh bơm và bánh tuabin Thông qua khớp dẫn động một chiều nối bánh dẫn hướng và trục của bánh dẫn hướng Trục của bánh dẫn hướng lắp cố định với vỏ hộp số, do các cánh của bánh dẫn hướng đặt giữa bánh bơm và bánh tuabin nên dòng dầu qua cánh của bánh dẫn hướng bị đổi chiều hướng đến mặt sau các cánh của bánh bơm bổ sung lực đẩy của bánh bơm do đó mô men bánh bơm tăng lên

Ba bộ phận của biến mô tạo nên vòng khép kín để chất lỏng chảy qua Khi cánh bơm được dẫn động quay từ trục khuỷu động cơ, dầu trong cánh bơm sẽ quay cùng với cánh bơm Khi tốc độ của cánh bơm tăng lên, lực ly tâm làm cho dầu bắt đầu văng ra và chảy từ trong ra ngoài dọc theo các bề mặt của cánh dẫn Khi tốc độ của cánh bơm của cánh bơm tăng lên nữa, dầu sẽ đẩy ra khỏi cánh bơm và đập vào các cánh dẫn của rôto tuabin làm cho rôto tuabin

bắt đầu quay cùng một hướng với cánh bơm Do góc nghiêng của cánh dẫn stato được bố trí sao cho dòng dầu ra khỏi cánh dẫn stato sẽ có hướng trùng với hướng quay của cánh bánh bơm vì vậy cánh bơm không những chỉ được truyền mômen từ động cơ mà nó còn được bổ sung một lượng mômen của chất lỏng từ stato tác dụng vào, và một chu kì mới lại tiếp tục Điều đó có nghĩa là cánh bơm đã được cường hoá và sẽ khuếch đại mômen đầu vào để truyền đến rôto tuabin

1.1.4 Khớp dẫn động một chiều của stato

Khớp một chiều cho phép bánh dẫn hướng quay cùng chiều với trục khuỷu động cơ Tuy nhiên nếu bánh dẫn hướng có xu hướng quay theo chiều ngược lại, khớp một chiều sẽ khoá stato lại không cho nó quay Do vậy stato quay hay bị khoá phụ thuộc vào hướng của dòng dầu đập vào cánh dẫn của

nó

Khi tốc độ quay của cánh bơm và rôto tuabin có sự chênh lệnh tương đối lớn (tốc độ của cánh bơm lớn hơn tốc độ của rôto tuabin ) thì dòng dầu sau khi ra khỏi rôto tuabin vào cánh dẫn của stato sẽ tác dụng lên stato một mômen có xu hướng làm stato quay theo hướng ngược với cánh bơm Để tạo

ra hướng dòng dầu sau khi ra khỏi cánh dẫn của stato tác dụng lên cánh dẫn của cánh bơm theo đúng chiều quay của cánh bơm thì khi này stato phải được

cố định tức là khớp một chiều khoá

Khi tốc độ quay của rôto tuabin đạt gần đến tốc độ của cánh bơm, lúc này tốc độ quay của dòng dầu sau khi ra khỏi rôto tuabin tác dụng lên cánh dẫn của stato có xu hướng làm stato quay theo hướng cùng chiều cánh bơm, vì vậy nếu stato vẫn ở trạng thái cố định thì không những không có tác dụng cường hoá cho cánh bơm mà còn gây cản trở sự chuyển động của dòng chất lỏng gây tổn thất tăng Vì vậy ở chế độ này stato được giải phóng để quay cùng với rôto tuabin và cánh bơm (khớp một chiều mở) Lúc này biến mô làm việc như một ly hợp thuỷ lực thông thường

1.2 Hộp số hành tinh

Hộp số hành tinh làm nhiệm vụ biến đổi mô men, thay đổi tốc độ (điều khiển giảm tốc, đảo chiều, nối trực tiếp và tăng tốc) chuyển động của xe Bộ truyền hành tinh bao gồm các cụm chi tiết như cơ cấu bánh răng hành tinh (ăn khớp trong hoặc ngoài), cơ cấu ly hợp C, cơ cấu phanh B và khớp một chiều F Hộp số hành tinh là kết hợp của các bộ truyền hành tinh

Trên các xe ô tô hiện nay cơ cấu hành tinh được dùng chủ yếu là kiểu Wilson và kiểu Simson

1.2.1 Cơ cấu hành tinh kiểu Wilson

Hình 1.5: Cơ cấu hành tinh Wilson

Là bộ truyền bánh răng ăn khớp trong và ngoài, các chi tiết bao gồm: một bánh răng mặt trời có vành răng ngoài S đặt trên một trục quay một bánh răng ngoại luân có vành răng ngoài R đặt trên một trục quay khác cùng đường tâm với trục của S các bánh răng hành tinh T nằm giữa S và R và đồng thời ăn khớp với S và R, trục của bánh răng T ăn khớp với nhau trên giá hành tinh C

và chuyển động quay xung quanh đường tâm trục của S và R, trục của C là trục thứ ba của cơ cấu hành tinh

Cơ cấu hành tinh có ba phần tử: Bánh răng hành tinh T được coi là khâu liên kết giữa bánh răng mặt trời S và bánh răng bao R Để có thể xác lập một tỉ

số truyền thì phải có một phần tử chủ động và một phần tử bị động do đó để xác lập tỉ số truyền có hai khả năng

Khoá một phần tử với vỏ hộp số ; khoá hai phần tử với nhau

Gọi nS, nR, nc là số vòng quay của bánh răng mặt trời, bánh răng bao, cần dẫn,

s

ω , ωR, ωC là vận tốc góc của bánh răng mặt trời, bánh răng bao, cần dẫn Khi đó tỷ số truyền của bộ bánh răng hành tinh khi cần dẫn được cố định tính bằng công thức i =

c R

c s

n n

n n

−

c R

c s

ω ω

ω ω

Giá trị của i được xác định qua bán kính vòng lăn r hoặc số răng Z

Với ZR, ZS, : Số răng của bánh răng bao, số răng của bánh răng mặt trời

Bảng 1.1: Trạng thái và sơ đồ bố trí của cơ cấu hành tinh wilson

ra

vào n

n

=

vào

ra M

M

=

cd

bd Z Z

S và C

Tỷ số truyền bằng 1

1.2.2 Cơ cấu hành tinh kiểu Simson

Cơ cấu hành tinh kiểu simpson gồm 2 cơ cấu hành tinh Wilson liên kết với nhau Các phần tử R1, C1, S1 thuộc dẫy hành tinh thứ nhất, R2, C2, S2 thuộc dẫy hành tinh thứ 2 chúng được ghép nối với nhau như hình 1.6

Hình 1.6 : Cơ cấu hành tinh kiểu Simpson

1.3 Hệ thống thuỷ lực

Ta xem xét sơ đồ cấu tạo của một hệ thống thuỷ lực sau:

Hình 1.7: Sơ đồ cấu tạo của hệ thống thuỷ lực

Trong đó : 1, 4, 5 là ly hợp số lùi, số thấp và số cao

2,3 là các phanh LR và 2ND

7, 8, 9 là các cơ cấu chấp hànhcho 2ND, UD, và OD

15, 16, 17, 18 là các van điều khiển áp suất tương ứng với LR, 2ND, UD, và OD

20, 21, 22, 23, 24 là các van điện từ ứng với LR, 2ND, UD và OD

24 là van điều khiển áp suất biến mô

Nhiệm vụ của hệ thống thuỷ lực như sau:

- Tạo áp suất dầu: trong hệ thống có bơm dầu dẫn động cơ khí (cặp bánh răng) qua vỏ biến mô để cấp dầu cho các bộ phận trong hộp số

- Điều chỉnh áp suất công tác bằng các van điều áp sơ cấp, van bướm ga

- Điều khiển đóng mở các ly hợp và phanh để thực hiện chuyển số Với hệ thống điều khiển điện tử, các tín hiệu điều khiển từ ECT ECU làm đóng mở các van điện từ, các van điện từ này làm nhiệm vụ đóng mở đường dầu tương ứng

Các bộ phận chính của hệ điều khiển thuỷ lực hộp số gồm có: bơm dầu, hộp van, van điều áp sơ cấp, van điều khiển, van chuyển số, van điện từ, van bướm ga

Hình 1.8: Các chức năng điều khiển của hệ thống thuỷ lực

1.3.1 Van điều áp sơ cấp: làm nhiệm vụ điều chỉnh trị số áp suất công tác tới

các bộ phận Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van trình bày trên hình (1.9)

Hình 1.9: Van điều áp sơ cấp Hình 1.10: Van điều khiển

1.3.2 Van điều khiển chọn tay số: được nối với cần chuyển số Khi thay đổi

vị trí chọn số sẽ làm chuyển mạch đường dầu tương ứng đến các tay số đó (hình 1.8)

Vị trí gài tay số Đường dầu được van nối tới

C1 C1, B1 C1, B3

1.3.3 Van chuyển số

Van chuyển số làm chuyển mạch đường dầu dẫn tới các phanh và ly hợp

Có các van chuyển số 1-2, 2-3, 3-4 Hình 1.9 mô tả nguyên lý hoạt động của van chuyển số 1-2 Khi van điện từ chưa làm việc, áp suất dầu tác dụng lên mặt trên của van, thắng lực lò xo, van ở vị trí dưới, các đường dầu tới các ly

hợp và phanh bị ngắt Lúc này hộp số ở vị trí số 1 Khi có tín hiệu tới điều khiển van điện từ mở, áp suất dầu tác dụng lên mặt trên van mất đi, lò xo đẩy van lên mở các đường dầu có áp tới phanh B2 và hộp số chuyển sang số 2

Hình 1.11: Van chuyển số

1.3.4 Van điện từ

Van điện từ sử dụng để điều khiển sự làm việc của van chuyển số Có 2 loại van điện từ: van điện từ điều khiển chuyển số và van điện từ tuyến tính để điều khiển tăng giảm áp suất dầu theo dòng điện điều khiển từ ECU Van điện từ chuyển số có 2 vị trí ví dụ số 1, số 2 còn van điện từ tuyến tính chỉ có một trạng thái làm việc như các van SLT sử dụng thay cho van bướm ga Van SLU

điều khiển khoá biến mô

Hình 1.12: Các loại van điện từ

1.3.5 Van bướm ga

Hình 1.13: Van bướm ga Van bướm ga làm nhiệm vụ điều chỉnh áp suất dầu cấp từ bơm (sau khi

đã qua van điều áp sơ cấp) theo mức độ tải của động cơ tới điều khiển các van chuyển số

Có các loại van bướm ga: van cơ khí và van điện từ Van cơ khí được dẫn

động thông qua cơ cấu cam và cáp nối với bàn đạp ga Van điện từ tuyến tính SLT làm việc theo tín hiệu điều khiển từ ECU

1.3.6 Van điều biến bướm ga

Do áp suất do van bướm ga tạo ra có đặc tính tuyến tính song áp suất trên

đường dầu (do bơm sinh ra) là phi tuyến (hình 1.14) nên thường bố trí thêm van điều biến áp suất bướm ga để làm giảm bớt áp suất khi bướm ga mở lớn

1.3.7 Bộ tích năng

Bộ tích năng (hình 1.15) có tác dụng giảm chấn trong quá trình chuyển

số Piston của van có dạng bậc để áp suất dầu trong quá trình chuyển số không tăng đột ngột Trong các hệ điều khiển ECT sử dụng van điện từ tuyến tính để

điều khiển áp suất dầu tác dụng lên bộ tích năng nhờ đó quá trình chuyển số

được êm dịu hơn

Hình1.14: Van điều biến bướm ga Hình 1.15: Bộ tích năng

1.4 Hệ thống điều khiển

ECU động cơ và ECT nhận tín hiệu từ các cảm biến và các các công tắc lắp trên động cơ và hộp số tự động để điều khiển các van điện từ của bộ điều khiển thuỷ lực thực hiện thời điểm chuyển số và khoá biến mô phù hợp với công suất của động cơ, trạng thái tải và điều kiện đường

ECT ECU trên các xe hiện nay được tổ hợp chung trong bộ ECU điều khiển chung cả động cơ, hệ thống truyền lực và các hệ thống điều khiển điện

tử khác

Hình 1.16: Nguyên lý hệ thống điều khiển điện tử ECT

Các cảm biến chính: cảm biến vị trí bướm ga, công tắc bàn đạp ga, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến tốc đọ ôtô, cảm biến tốc độ các trục sơ cấp và thứ cấp hộp số, cảm biến nhiệt độ nước, cảm biến nhiệt độ dầu hộp số

1.4.1 Cảm biến tốc độ : chuyển động của ôtô tạo ra tín hiệu tương ứng với

tốc độ chuyển động của ôtô để gửi về ECT điều khiển quá trình chuyển số

1.4.2 Cảm biến bướm ga : Cảm nhận vị trí bướm ga và gửi thông tin về ECT

Chuyển đổi thành tín hiệu cơ khí thành tín hiệu điện

1.4.3 Cảm biến nhiệt độ, nhiệt độ dầu, áp suất dầu : Cảm biến nhiệt độ

nước, nhiệt độ dầu dựa vào sự thay đổi điện trở của hạt điện trong cảm biến Khi điện trở thay đổi làm mất cân bằng của mạch cầu ta đo sự thay đổi này

đem khuếch đại chuẩn hoá và tính toán ta có được nhiệt độ hiện thời

Cảm biến áp suất dầu tương tự như hai cảm biến trên song sự biến đổi của

điện trở dựa vào hiệu ứng biến tenzô Khi có lực tác dụng sẽ làm cho độ dài của điện trở tenzô thay đổi dẫn đến điện trở thay đổi do vậy làm mất cân bằng

điện

Các chức năng điều khiển chính

1.4.4 Điều khiển thời điểm chuyển số

Hình 1.17: Nguyên lý điều khiển thời điểm chuyển số

ECT ECU được nạp các chương trình về phương thức (thuật toán) điều khiển chuyển số tối ưu cho mỗi vị trí cần số và mỗi chế độ tải trọng của xe, công suất động cơ Sau khi tiếp nhận các tín hiệu của các công tắc, cảm biến

về trạng thái làm việc của xe, động cơ, vị trí tay số ECU sẽ xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển tới các van điện từ điều khiển sự làm việc các van chuyển

số

Hình 1.18: Mô tả thời điểm chuyển số Thời điểm chuyển số phụ thuộc vào các thông số chính là tốc độ xe và độ

mở bướm ga Khi xe chuyển động, với độ mở bướm ga không đổi mà tốc độ

xe tăng lên ECT sẽ điều khiển tự động chuyển lên số trên Trên hình 1.16, khi bàn đạp ga được nhả ở điểm A mà tốc độ xe vẫn tăng thì thời điểm độ mở bướm ga ở điểm B thì hộp số tự động chuyển từ số 3 lên O/D Nếu ở điểm A tiếp tục ấn bàn đạp ga mà tốc độ xe giảm thì khi độ mở bướm ga đạt tới điểm

C hộp số tự động giảm số từ 3 và 2 Tốc độ xe mà ở đó hộp số thực hiện chuyển số (từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp) xảy ra trong một khoảng

tốc độ nhất định (gọi là độ trễ) Độ trễ này cần thiết để tranh cho việc tăng giảm số xảy ra liên tục

Hình 1.19: Thời điểm chuyển số ở các phương thức lái khác nhau

Thời điểm chuyển số còn phụ thuộc vị trí của công tắc chọn phương thức lái Ví dụ đối với chế độ tăng tốc, điểm chuyển số và điểm khoá biến mô được

đặt ở chế độ tốc độ động cơ cao hơn so với ở chế độ bình thường (hình 1.19)

1.4.5 Điều khiển khoá biến mô

ECT ECU được lập trình điều khiển sự làm việc của ly hợp khoá biến mô phù hợp với từng vị trí công tắc chọn phương thức lái

ECU điều khiển thời điểm khoá biến mô nhằm giảm bớt chấn động khi chuyển số Nếu hộp số chuyển số trong khi khoá biến mô đang đóng thì ECU

sẽ điều khiển nhả khoá biến mô để giảm chấn động khi chuyển số Sau khi chuyển số hoàn tất, ECU lại điều khiển cho khoá biến mô hoạt động trở lại

Hình 1.20: Chức năng điều khiển khoá biến mô

1.4.6 Điều khiển tối ưu áp suất cơ bản

ECU sử dụng tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga để phát hiện góc mở bàn

đạp ga và điều khiển áp suất cơ bản của hệ thống thuỷ lực Việc điều khiển này phù hợp với công suất động cơ cũng như các điều kiện vận hành khác của

xe làm cho chuyển số được êm và giảm tải cho bơm dầu Một van điện từ tuyến tính (SLT) được sử dụng để nhận tín hiệu từ ECU tới điều khiển áp suất cơ bản Nếu van này bị hỏng, lõi van bên trong được cố địnhở vị trí trên (vị trí Hi) do đó chấn động sẽ lớn hơn trong khi chuyển số

Hình 1.21 Van SLT điều khiển áp suất cơ bản Trong các hộp số tự động điều khiển thuỷ lực, áp suất cơ bản được điều khiển qua van bướm ga (dẫn động từ bàn đạp ga qua cáp tới van bướm ga trong hộp số)

1.4.7 Điều khiển tối ưu áp suất ly hợp

Sử dụng van điện từ tuyến tính để điều khiển tối ưu áp suất dầu cấp cho các ly hợp phù hợp với công suất động cơ và tốc độ ở trục turbine nhằm giúp cho quá trình chuyển số không bị rung giật

Hình 1.22: Van điều khiển tối ưu áp suất ly hợp Ngoài ra, khi chuyển số sẽ xảy ra quá trình giảm áp ở phần tử này, tăng áp

ở phần tử kia Để chuyển số được êm ECU phát tín hiệu tới một van SLT và

điều chỉnh tối ưu áp suất dầu ở phía đối áp của bộ tích năng

1.4.8.Điều khiển mô men động cơ

Việc ăn khớp của các li hợp và phanh của bộ truyền bánh răng hành tinh trong hộp số được điều khiển một cách trơn chu bằng cách làm chậm thời

điểm đánh lửa của động cơ khi hộp số đang được lên số hoặc xuống số Khi ECU quyết định thời điểm chuyển số theo các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, nó sẽ kích hoạt các van điện từ điều khiển chuyển số để thực hiện chuyển số Khi việc chuyển số bắt đầu thì ECU làm muộn thời điểm đánh lửa

động cơ để giảm mômen động cơ Kết quả là lực làm ăn khớp các li hợp và phanh của bộ truyền bánh răng hành tinh bị yếu đi, và việc chuyển số sẽ được

êm

1.5 Kết luận :

Trên cơ sở phân tích động lực học của xe ô tô trang bị hộp số tự động và đặc

điểm kết cấu kết cấu của hộp số tự động (AT), ta nhận thấy:

Quá trình chuyển số của xe AT được thực hiện một cách tự động trên cơ sở các tham số tín hiệu gửi về hệ thống điều khiển Các cặp bánh răng của bộ truyền hành tinh luôn ở trạng thái ăn khớp nên việc sang số được thực hiện một cách tự động nhờ hệ thống điều khiển thuỷ lực đóng hoặc mở các bộ ly hợp và phanh thuỷ lực tương ứng Mômen của động cơ qua biến mô được tăng lên đáng kể khi truyền đến bộ truyền hành tinh Không xảy ra hiện tượng rung giật xe hoặc tăng giảm đột ngột vận tốc khi chuyển số

Nội dung chương 2 sẽ xây dựng mô hình hệ thống truyền lực của ô tô dùng hộp số tự động để nghiên cứu các đặc tính đặc trưng cũng như các trạng thái làm việc ở các tay số trong quá trình chuyển số

Chương 2: Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực ôtô dùng hộp số tự

động 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực

Sơ đồ hệ thống truyền lực của ôtô sử dụng biến mô men và hộp số hành tinh được trình bày trên hình 2.1 Khác với sơ đồ hệ thống truyền lực của ôtô

sử dụng hộp số cơ khí, trên sơ đồ hình 2.1, thay vào vị trí của ly hợp ma sát là

bộ biến đổi mô men thuỷ lực, thay vào vị trí của hộp số cơ khí thông thường là hộp số hành tinh

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực ôtô dùng biến mô và hộp số tự động

2.2 Phân tích các đặc trưng động học

Hình 2.2 là sơ đồ nối ghép động lực học các thành phần trong hệ thống truyền lực Mỗi thành phần trong hệ thống truyền lực được biểu diễn bằng khối ("black box") có các thông số tốc độ góc và mô men tác dụng ở đầu vào

và đầu ra

Hình 2.2 Sơ đồ động học các thành phần của hệ thống truyền lực

- Động cơ

Các mô men tác động lên trục động cơ gồm có mô men Me do các lực khí thể sinh ra trong quá trình đốt cháy hỗn hợp công tác trong các xi lanh, mô men ma sát Mfr1của các chi tiết chuyển động quay và tịnh tiến trong các cơ cấu của động cơ, mô men cản Mp từ đầu trục bánh bơm của biến mô thuỷ lực Phương trình động học của động cơ được viết theo định luật Newton 2 có dạng:

J eω e =M e −M fr1−M p (2.1) Mô men Me của động cơ phụ thuộc vào chế độ tải (độ mở bướm ga) và tốc độ động cơ Trong khi vận hành xe, động cơ làm việc ở các chế độ tải khác nhau vì vậy khi tính toán không chỉ sử dụng đường đặc tính ngoài mà phải sử dụng cả họ các đường đặc tính cục bộ nữa Họ các đường đặc tính mô men của động cơ được xác định bằng thực nghiệm

- Biến mô thuỷ lực

Mô men từ động cơ truyền tới bánh bơm, quan hệ giữa mô men trên trục bánh bơm và mô men trên trục turbine xác định theo công thức:

p M

M =

Không kể đến ma sát cơ khí và thuỷ lực trong biến mô, mô men trên trục

đầu ra của bánh turbine là hàm của vận tốc góc tương đối và gia tốc góc tương

đối giữa bánh bơm và bánh turbine

) ,

, ,

(

3 tr pr tr pr f

đầu ra của bộ truyền có dạng:

) ,

, ,

(

5 f w f w d

Trong phương trình 2.7, lực kéo Fk phát huy bởi bánh xe chủ động cân bằng với tổng các lực cản chuyển động bao gồm lực cản không khí Fω, lực cản lăn Ff, lực cản dốc ma.g.sinα và lực cản tăng tốc

Phương trình cân bằng mô men kéo ở bánh xe chủ động có dạng:

frw w

k w w

trong đó, Cω, AL, ρa lần lượt là nhân tố cản, diện tích cản chính diện và mật độ không khí, v là vân tốc chuyển động của ôtô

) (c1 c 2v m

F f = a r + r (2.10)

cr1 và cr2 là các hệ số cản lăn và hệ số cản phụ thuộc vào áp suất lốp xe Công thức quan hệ giữa vân tốc của ôtô và vận tốc góc bánh xe có dạng:

w w

r

v

=

Thay các giá trị từ công thức (2.6) tới (2.9) vào (2.10) thu được công thức:

α ω

ω ρ

2

1 ).

(J w+m a r w2 w =M w−M frw− C A L a r w3 w2 −r w m a c r1+c r2r w w −r w m a g

(2.12) Công thức (2.12) liên hệ các lực cản chuyển động (trong mặt phẳng dọc xe) với mô men kéo phát huy tại bánh xe chủ động

Nhận xét

Hệ thống truyền lực của ôtô dùng hộp số tự động (AT) khác với hệ thống truyền lực trên ôtô sử dụng ly hợp ma sát và hộp số cơ khí ở các điểm sau: + Mô men truyền tới đầu vào hộp số là mô men từ bánh turbine của biến mô thuỷ lực, trị số của mô men Mt trên bánh turbine lớn hơn trị số mô men Me

của động cơ và có qui luật biến đổi khác với mô men động cơ

+ Trong hộp số tự động, các cặp bánh răng gài số luôn ở trạng thái ăn khớp, việc sang số thực hiện một cách tự động nhờ hệ thống điều khiển thuỷ lực đóng / mở các bộ ly hợp và phanh thuỷ lực tương ứng Đối với hệ truyền lực ôtô dùng ly hợp ma sát và hộp số cơ khí, việc giảm va đập, rung động do chênh lệch mô men và tốc độ giữa phần chủ động và bị động được thực hiện bằng thao tác điều khiển ly hợp của người lái Trong hệ truyền lực AT điều khiển thời điểm mở các bộ ly hợp và phanh dẫn động cặp bánh răng ở tay số trước và thời điểm đóng các ly hợp và phanh dẫn động cặp bánh răng ở tay số sau có ý nghĩa quyết định đến các va đập và rung động do chênh lệch mô men

và tốc độ của các phần chủ động và bị động trong hệ thống truyền lực này + Để nghiên cứu các đặc điểm hệ thống truyền lực ôtô dùng AT cần xây dựng mô hình động học của biến mô và hộp số hành tinh

2.3 Mô hình động học của biến mô

Biến mô làm nhiệm vụ biến đổi tăng mô men truyền từ động cơ đến hộp

số hành tinh Hình 2.3 mô tả các thành phần chính của biến mô gồm có bánh

bơm, bánh turbine và bánh phản ứng (còn gọi là stator) Các bánh công tác của biến mô có gắn các cánh có biên dạng (profin) đặc biệt để hướng dòng dầu truyền từ bánh bơm tới bánh turbine và bánh phản ứng nhằm tăng thêm mô men

Hình 2.3 Sơ đồ biến mô thuỷ lực Gọi wb1, vb1, ub1 lần lượt là tốc độ tương đối, tốc độ tuyệt đối, tốc độ theo của một phần tử chất lỏng khi đi vào đĩa bơm Khi ra khỏi đĩa bơm ta có các tốc

được giữ không đổi Như vậy mô men động lượng của dòng chất lỏng khi đi

ra khỏi đĩa bơm bằng mô men động lượng của dòng chất lỏng khi đi vào đĩa tua bin nghĩa là:

vb1 Ob’= vb2 Ob Nếu các cánh của đĩa tuabin cong nhiều thì dòng chất lỏng khi đi ra khỏi đĩa tuabin với tốc độ vt2 sẽ chuyển động ngược chiều quay của tuabin lúc này nếu

kể đến hướng âm của vt2 thì mô men trục tuabin sẽ là

Hình 2.4 : Sơ đồ biến mô thủy lực và vận tốc của phần tử chất lỏng Tương tự như trên ta có mô men trên trục của đĩa dẫn hướng là:

Từ ba phương trình (2.13), (2.14), (2.15) đem cộng lại ta có :

- Mt = Mb + MD

Dấu trừ chứng tỏ tuabin nhận mô men của dòng chất lỏng trong khi bánh bơm

và bánh dẫn hướng lại tác dụng lên dòng chất lỏng

Giá trị Mt > Mb là đặc trưng của biến mô thủy lực

+ Xây dựng đường đặc tính ngoài của biến mô:

Do mô men xoắn trên trục chủ động và bị động là khác nhau nên các đường

đặc tính của biến mô thường gồm có đặc tính mô men trên bánh bơm, đặc tính mô men trên bánh tuabin hiệu suất của biến mô, hệ số của biến mô phụ thuộc vào tốc độ quay của bánh tua bin

Đường đặc tính ngoài của biến mô được xác định bằng thực nghiệm

Giá trị hiệu suất biến mô thay đổi theo đường cong bậc hai parabol và đạt giá trị lớn nhất tại ηtη, khi K>1, hiệu suất biến mô lớn hơn giá trị hiệu suất ly hợp thủy động đường ηt sau đó do mất mát năng lượng qua cánh stato hiệu suất biến mô giảm nhanh

Theo lý thuyết về các máy có cánh quan hệ giữa mô men truyền qua cánh và thông số kích thước cánh có dạng :

Vớiγ : trọng lượng riêng của chất lỏng, λb,λt là hệ số mô men xoắn

D: đường kính lớn nhất của cánh,

mô men của bộ biến mô là lớn nhất tại điểm dừng (thường trong phạm vi từ 1,7 đến 2,5 ) hiệu suất truyền động bằng 0

Điểm ly hợp : khi bánh tuabin bắt đầu quay và tỉ số truyền tốc độ tăng lên, sự chệnh lệch tốc độ quay giữa bánh tua bin và bánh bơm bắt đầu giảm xuống Tuy nhiên, ở thời điểm này hiệu suất truyền động tăng Hiệu suất truyền động đạt lớn nhất ngay trước điểm ly hợp Khi tỷ số tốc độ đạt tới một trị số nào đó thì tỉ số truyền mômen trở nên gần bằng 1:1 Nói cách khác, Stato bắt đầu quay ở điểm ly hợp và bộ biến mô sẽ hoạt động như một khớp nối thuỷ lực để ngăn không cho tỷ số truyền mômen tụt xuống dưới 1 như vậy vùng làm việc của biến mô có thể chia làm 2 phần :

Vùng làm việc trong đó có kèm theo khuếch đại mô men đây là dải biến mô Vùng làm việc ở đó chỉ thuần túy diễn ra việc truyền mô men không có khuếch đại đây là dải khớp nối

2.4 Các đặc tính cơ bản của biến mô, hiệu suất và mô men

2.4.1.Hệ số khuyếch đại của biến mô :

Kbm =

Mb Mt

Hệ số khuếch đại biến mô phụ thuộc vào điều kiện làm việc của biến mô, khi lực cản chuyển động tăng lên, số vòng quay của trục tuabin giảm xuống dẫn đến Mt tăng lên do vậy Kbm tăng lên, nó có giá trị lớn nhất khi roto tuabin

đứng yên tức là nt = 0 Ngược lại khi khi lực cản chuyển động giảm xuống, vận tốc ô tô tăng lên thì hệ số khuếch đại biến mô giảm xuống

2.4.2 Tỷ số truyền của biến mô

Tỷ số truyền của biến mô (ibm) là tỷ số giữa số vòng quay của trục bánh tuabin nt và số vòng quay của trục bánh bơm nb

ibm =

b

t

n n

2.4.3.Hiệu suất của biến mô

Hiệu suất của biến mô cho biết có bao nhiêu năng lượng được truyền một cách hiệu quả từ cánh bơm tới cánh tuabin

ηbm =

b b

t t b

T

n M

n M N

N

.

.

= = Kbm.ibm

Trong đó - NT : Công suất phát ra trên trục bánh tua bin của biến mô

- Nb : Công suất trên trục bánh bơm của biến mô

Trong đó :

λ'

1 : Hệ số biến đổi mômen tại số vòng quay của bánh tuabin K = 1

λ 1 : Hệ số biến đổi mômen tại số vòng quay của bánh tuabin nt = 0

Trên cơ sở phân tích động lực học của biến mô, ta xem xét đến đặc tính kéo của xe có trang bị hộp số cơ khí thường và hộp số tự động Mục đích của tính toán sức kéo ở đây là kiểm tra chất lượng động lực học của ôtô sau khi đã lắp đặt hộp số tự động Qua đó ta có thể biết được với những tải trọng, sức cản của mặt đường khác nhau ở từng tay số mà xe có thể khắc phục được

+ Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo :

Phân tích chất lượng động lực học của ôtô, ngoài mối quan hệ về công suất ta còn có thể dựa vào mối quan hệ về lực kéo Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động của ô tô được sử dụng để khắc phục các lực cản chuyển

động của xe Trong trường hợp xe không kéo moóc, chuyển động lên dốc có gia tốc thì phương trình cân bằng lực kéo có dạng :

Pk = Pf ± Pi ± Pj + Pω = Pϕ ± Pω ± Pj (2.16)

+ G.f

=

Pk

g

G

6 , 3

.

2

2

v F

K Trong đó : Pk : Mk/rb = (Me.ih.i0.ηt)/rb

Là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động

Pf = f.G.cosα : Là lực cản lăn khi xe lên dốc vớ i góc nghiêng α

Pi = G.sinα : Là lực cản chuyển động khi xe lên dốc

Pϕ = Pf + Pi = G (f.cosα ± sinα) = G ϕ : là lực cản tổng cộng của

đường (ϕ là hệ số cản tổng cộng của đường)

Pω =

6 , 3

.

2

2

v F

Pf = G.f (KG)

Tính lực cản của không khí

Ta có : Pω =

6 , 3

.

2

2

v F

K (KG)

Giá trị của Pωphụ thuộc vào vận tốc theo quan hệ bậc hai do đó để xây dựng được đường cong Pω = f(v) ta cần phải tính một số giá trị Pω ở các giá trị vận tốc của xe khác nhau

Trên cơ sở tính toán Pk với xe sử dụng hộp số cơ khí thường thì ta có công thức : Pk = Mk/rb = (Me.ih.i0.ηt)/rb (2.17)

Hình 2.8 : Đồ thị lực kéo của xe lắp MT Với xe sử dụng hộp số tự động có lắp biến mô thì :

Pk = Mk/rb = (M2.ih.i0.ηt)/rb

M2 = Me Kbm

Kbm : hệ số của biến mô

Mk : mô men kéo tại bánh xe chủ động

Mtb : mô men trên trục tua bin

Do đó Pk = Mk/rb = (Me Kbm.ih.i0.ηt)/rb (2.18) Xuất phát từ phương trình cân bằng lực kéo của ô tô , ta biểu diễn dưới dạng

đồ thị Quan hệ giữa lực kéo phát ra tại các bánh xe chủ động Pk và các lực

cản chuyển động phụ thuộc vào vân tốc chuyển động của ô tô v, nghĩa là P = f(v) Trục tung là các giá trị của lực và trục hoành là các giá trị của vận tốc,

đồ thị biểu diến quan hệ các lực đó và vận tốc của ô tô chính là đồ thị cân bằng lực kéo của ô tô

Hình 2.9 : Đồ thị cân bằng lực kéo của xe lắp AT Trong nhiều trường hợp ở ô tô, lực kéo tiếp tuyến phát ra ở các bánh xe chủ động là rất lớn so với ô tô cùng loại nhưng lắp hộp số cơ khí Phần lực kéo dư này đảm bảo làm tốt hơn lên tính chất động lực học của ô tô có lắp biến mô thủy lực Tuy nhiên hiệu suất của biến mô thủy lực không phải là không đổi và ở khu vực tốc độ góc lớn thì hiệu suất nhỏ Vì vậy trong thực tế thì lực kéo iếp tuyến phát ra ở các bánh xe chủ động khi có biến mô thủy lực

được thay đổi và nhỏ hơn so với lực kéo khi có hộp số cơ khí

2.4 Mô hình động học của hộp số hành tinh

4 Mô hình động học của hộp số hành tinh

Cơ cấu bánh răng hành tinh đơn giản là bộ truyền bánh răng gồm có 3

thành phần (khâu động học) là bánh răng mặt trời, bánh răng bao, bánh răng hành tinh và tay quay (hình 2.6) Cơ cấu hành tinh là cơ cấu động học có hai