Xây dựng quy trình thiết kế và đánh giá hệ thống truyền lực vô cấp sử dụng bộ truyền đai kiểu CVT

Được ví như trái tim của hệ thống truyền lực, hộp số biến đổi mô-men, tốc độ làm việc của động cơ sao cho phù hợp với điều kiện làm việc của bánh xe trên đường.. Còn HTTL vô cấp thường b

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô và xe chuyên dụng

1.1 Giới thiệu chung về sự phát triển của ô tô và hệ thống truyền lực 11

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHỐI HỢP ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐỐT

3

Chương 3 TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC PHỐI HỢP GIỮA ĐỘNG CƠ VÀ

HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC VÔ CẤP KIỂU CVT 60

3.2.2 Xác định tỷ số truyền cho các cụm chi tiết trong HTTL vô cấp CVT 72

3.3 So sánh đặc tính kéo của ô tô khi lắp HTTL cơ khí thường và khi có

4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Những nội dung trình bày trong luận văn này do chính tôi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS.Nguyễn Trọng Hoan, các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng với sự giúp đỡ của các bạn bè, đồng nghiệp Nội dung của Luận văn hoàn toàn phù hợp với tên Đề tài đã được đăng ký và phê duyệt của Hiệu trưởng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Bạch Thảo Nguyên

6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 3.2 Kết quả tính toán đặc tính ngoài động cơ xe Altis 1.6 62

Bảng 3.8 Bảng so sánh chất lượng động lực học HTTL cơ khí và HTTL vô cấp 79 Bảng 3.9 Giá trị công suất, mô men động cơ theo số vòng quay trục khuỷu

7

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo hộp số vô cấp kiểu Continusly variable transaxle 22 Hình 1.8 Các trạng thái làm việc hộp số Continusly variable transaxle 23 Hình 1.9 Hệ thống truyền lực ECVT trên ô tô LANCIA Y 10 Selectronic 24

Hình 1.11 Đặc tính động cơ đốt trong với các đường đẳng nhiên liệu của

Hình 2.5 Biểu đồ động cơ (sơ đồ hình củ hành), lượng tiêu hao nhiên liệu

Hình 2.7 Giá trị tham khảo tỷ số truyền hộp số với những dạng xe khác nhau 41 Hình 2.8 Những tốc độ thiết kế xác định iA, min cho hệ thống truyền lực 43

Hình 2.10 Lựa chọn các tỷ số truyền của hệ thống truyền lực dưới số vòng

Hình 2.11 Đồ thị tốc độ động cơ của xe buýt 8 số 2 dải truyền lực 47 Hình 2.12 Các bước số Ảnh hưởng của đồ thị lực kéo và đồ thị vận tốc/tốc

8

Hình 2.14 Đồ thị đặc tính không thứ nguyên của biến mô thủy lực 53 Hình 2.15 Đặc tính tải trọng của hệ thống động cơ- biến mô thủy lực 54 Hình 2.16 Đường đặc tính ra của hệ thống động cơ- biến mô thủy lực 55

Hình 2.19 Đồ thị đặc tính động lực học của ô tô có HTTL vô cấp 59

Hình 3.8 Đồ thị lực kéo của ôtô khi lắp CVT ở chế độ tiết kiệm nhiên liệu nhất 81 Hình 3.9 Vùng lực kéo của ô tô ứng với đường đặc tính tiết kiệm nhiên liệu 82

9

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền lực vô cấp sử dụng bộ truyền đai kiểu CVT (continuously variable

transmission), một khái niệm do Leonardo da Vinci đưa ra từ hơn 500 năm trước

Tuy nhiên phải đến năm 1989 thì mới xuất hiện chiếc xe đầu sử dụng hộp số vô cấp CVT Ngày nay hộp số vô cấp CVT đang dần thay thế cho hộp số cơ khí có cấp và hộp số tự động sử dụng bánh răng hành tinh ở một số loại xe Có rất nhiều hãng ô

tô, bao gồm: General Motors, Audi, Honda và Nissan đang sử dụng hệ thống truyền động CVT cho các dòng xe của mình

Loại hộp số CVT có điểm chung là vận hành trên một hệ thống bánh đai ròng rọc (pulley) thông minh, cho phép thay đổi tỉ số truyền một cách liên tục trong giới hạn nhất định mà không không có sự ngắt quãng giữa các bước số So với số sàn (HTTL cơ khí có cấp) thì thấy số tự động có những ưu điểm nổi bật như: tự động đổi số, mô-men được truyền liên tục, động lực không bị ngắt quãng Thích nghi với mọi loại đường, điều khiển dễ dàng, an toàn thoải mái cho người sử dụng; tải trọng động nhỏ, tuổi thọ chi tiết cao Kết cấu gọn nhẹ, vận hành êm dịu không có hiện tượng “giật” khi sang số, khả năng đáp ứng tốt với các loại tải trọng cũng như điều kiện đường xá

Tuy vậy CVT cũng có rất nhiều nhược điểm đó là kết cấu phức tạp, giá thành cao, khó sửa chữa và nhược điểm lớn nhất của loại hộp số này là phạm vi công suất

bị giới hạn bởi khả năng tải của dây đai, độ bền và tuổi thọ của dây đai Kiểu hộp số CVT về cấu tạo có vẻ đơn giản nhưng thực tế việc tính toán thiết kế và công nghệ chế tạo lại hết sức phức tạp Các chi tiết phải được tính toán thiết kế rất chính xác, đặc biệt là phải lựa chọn được chế độ phối hợp làm việc tốt giữa động cơ với HTTL

vô cấp CVT

Trong thiết kế HTTL thì giữa động cơ- HTTL- ô tô có mối liên hệ chặt chẽ

và kết quả cuối cùng của quá trình thiết kế HTTL được đánh giá bằng vận tốc của ô

tô Do đó vấn đề đặt ra khi thiết kế HTTL là trong quá trình làm việc của ô tô thì động cơ hoạt động ở chế độ tốt nhất (mô men lớn nhất để tạo lực kéo lớn và tăng

10

tốc nhanh, lượng tiêu hao nhiên liệu nhỏ, độ hao mòn thấp) Đây là vấn đề tương đối khó khăn, nhất là đối với xe sử dụng HTTL vô cấp CVT vì trong hệ thống này thường bao gồm các cụm chi tiết phức tạp như bộ biến mô men và hộp số sử dụng dây đai Việc tính toán, thiết kế và ghép nối phối hợp làm việc giữa chúng với động

cơ để đạt được chất lượng động lực học tốt nhất cho xe là vấn đề đặc biệt khó khăn, cần phải có những nghiên cứu sâu rộng để giải quyết điều này

Xuất phát từ thực tế trên, tôi chọn đề tài: “Xây dựng quy trình thiết kế và

đánh giá hệ thống truyền lực vô cấp sử dụng bộ truyền đai kiểu CVT” Với mục

đích là “trên cơ sở lý thuyết chung về HTTL ô tô và hiểu biết của bản thân về HTTL

vô cấp từ đó phân tích đưa ra một quy trình thiết kế HTTL vô cấp kiểu CVT hợp lý nhất và đánh giá những ưu nhược điểm của HTTL này” Đây là một lĩnh vực nghiên cứu khá mới mẻ và tương đối phức tạp, hy vọng kết quả của đề tài sẽ góp phần đáng

kể trong khai thác, sử dụng các loại xe ô tô có HTTL kiểu CVT

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS.Nguyễn Trọng Hoan, các

thầy giáo, cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng với sự giúp đỡ của các bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này!

Hà nội, ngày 01 tháng 01 năm 2013

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

11

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung về sự phát triển của ô tô và hệ thống truyền lực

Chiếc xe ô tô đầu tiên chạy bằng động cơ xăng (động cơ Otto) được Karl Benz phát minh ra ở Đức năm 1885 Đây là “chiếc ô tô đầu tiên được thiết kế và chế tạo theo đúng nghĩa” Mặc dù Karl Benz được công nhận là người sáng tạo ra chiếc

ô tô hiện đại, nhưng nhiều kỹ sư người Đức khác cũng đã làm việc để chế tạo ra những chiếc ô tô khác trong cùng thời gian như: Gottlieb Daimler và Wilhelm Maybach ở Stuttgart năm 1886 Trong số những thiết bị mà Karl Benz phát minh cho xe hơi có chế hoà khí, hệ thống điều chỉnh tốc độ cũng được gọi là chân ga, đánh lửa sử dụng các tia lửa điện từ một ắc quy, bugi, khớp ly hợp, sang số, và làm mát bằng nước Ông đã chế tạo thêm các phiên bản cải tiến năm 1886 và 1887, đưa vào sản xuất năm 1888 chiếc xe hơi đầu tiên trên thế giới Chúng được lắp các động

cơ bốn thì theo thiết kế của riêng ông

Chiếc ô tô Hoa Kỳ đầu tiên bằng động cơ đốt trong chạy nhiên liệu gas đã được thiết kế năm 1877 bởi George Selden ở Rochester- New York Ông đã xin cấp bằng sáng chế cho một chiếc ô tô năm 1879

Hình 1.1 Chiếc xe do George Selden thiết kế vào năm 1877

12

Ngày 5 tháng 11 năm 1895, George B Selden được trao bằng sáng chế của Hoa Kỳ cho một động cơ ô tô hai thì Bằng sáng chế này gây trở ngại nhiều hơn là góp phần phát triển ôtô ở Mỹ Các ôtô dùng động cơ hơi nước, điện và xăng đã cạnh tranh với nhau trong nhiều thập kỷ, cuối cùng động cơ xăng đốt trong đã giành ưu thế áp đảo trong thập niên 1910

Ransom E Oldsmobile, người sáng tạo ra dây chuyền lắp ráp và sản xuất ô

tô lớn đầu tiên năm 1902, sau này được Henry Ford phát triển thêm trong thập kỷ

1910 Kỹ thuật ô tô phát triển nhanh chóng, một phần nhờ sự cạnh tranh lẫn nhau giữa hàng trăm nhà sản xuất Những phát triển quan trọng gồm hệ thống đánh lửa

và tự khởi động điện, bộ treo độc lập và phanh bốn bánh Các loại xe ngày càng được cải tiến và thay đổi về thiết kế Xe hơi không chỉ đơn thuần là một công cụ cơ khí được hoàn thiện mà kể từ những năm 1920 gần như tất cả đã được sản xuất hàng loạt để đáp ứng nhu cầu thị trường và yêu cầu của người dùng Alfred P Sloan

là người thiết lập ý tưởng nhiều kiểu xe được sản xuất bởi một hãng Những kiểu khác nhau này dùng chung một số linh kiện do vậy số lượng sản xuất nhiều sẽ làm giảm giá thành cho từng mệnh giá khác nhau

Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô luôn gắn liền với sự ra đời và phát triển của các loại HTTL nói chung và hộp số nói riêng Được ví như trái tim của hệ thống truyền lực, hộp số biến đổi mô-men, tốc độ làm việc của động cơ sao cho phù hợp với điều kiện làm việc của bánh xe trên đường Kể từ khi phát minh nổi tiếng của George Selden về bộ truyền động cầu trước kết hợp với động cơ 3 xi lanh đặt nằm ngang trở thành thiết kế trên xe hơi, có rất ít ý tưởng mới phù hợp Bản phác thảo đầu tiên của hộp số cận đại do hai kỹ sư người Pháp, Louis-Rene Panhard và Emile Levassor đưa ra vào năm 1894 Thời kì đó, kết cấu truyền động khá đơn giản bằng bộ truyền đai hoặc bộ truyền bánh răng côn Xe chỉ có thể chạy với tốc độ đa

32 km/h Khi gặp vật cản trên đường, tài xế phải dừng lại gài số thấp Panhard and Levassor nổi danh không những chỉ với riêng hộp số mà còn toàn bộ hệ thống truyền lực Lần này, họ đã có chiếc xe đầu tiên sẵn sàng chạy khi đạp ga Bên cạnh

đó họ cũng đã có rất nhiều thay đổi về ý tưởng Thực tế, nó là một mẫu đã đáp ứng

13

được hầu hết các yêu cầu của xe được xây dựng vào những năm 90 và cả những năm sau đó Không giống như mẫu xe hiện thời, thiết kế mới có động cơ đặt dọc phía trước, truyền công suất ra cầu sau thông qua ly hợp và hộp số trượt 3 cấp và cầu chuyển động bằng xích Nó gần giống như hệ thống truyền lực trên các xe hiện đại, nhưng chưa có vi sai và bán trục chủ động

Vào năm 1898, Louis Renault kết nối công suất thành công từ động cơ đặt dọc, qua hộp số tới cầu sau “sống” bằng trục kim loại Cầu sau “sống” hay còn gọi

là vi sai cầu sau Vì đã khắc phục vấn đề mòn lốp, nên phát minh này được hầu hết các nhà sản xuất ôtô áp dụng Vi sai bao gồm một cụm bánh răng ăn khớp làm nhiệm vụ phân chia công suất cho hai bánh của cầu sau Nó cho phép bánh phía ngoài quay nhanh hơn bánh trong khi xe quay vòng

Năm 1904, hộp số sàn sang số trượt của Panhard-Levassor đã được hiện thực hóa bởi hầu hết các nhà sản xuất ôtô Dù tồn tại dưới dạng này hay dạng khác thì chúng vẫn còn được sử dụng cho đến thời gian gần đây và đã có những cải tiến, thay đổi quan trọng nhất là trang bị bộ đồng tốc cho phép quá trình ăn khớp giữa cách bánh răng diễn ra một cách dễ dàng, không phát sinh va đập Khoảng thời gian

kể từ khi hộp số sàn xuất hiện cho đến thời điểm phát minh ra bộ đồng tốc, có một phát minh khác cũng nhằm đơn giản quá trình sang số Đó chính là hộp số có cấu tạo từ bộ truyền bánh răng hành tinh, xuất hiện lần đầu tiên trên mẫu Ford Model T

1908 Ngày nay, bộ truyền hành tinh được sử dụng trên hộp số tự động là chủ yếu

Kể từ khi hộp số Panhard-Levassor ra đời, tất cả các phát minh hay cải tiến khác đều nhằm mục đích làm cho quá trình sang số dễ dàng hơn Tất nhiên dễ nhất

là quá trình chuyển số được thực hiện một cách tự động Sturtevant, giới thiệu hộp

số tự động đầu tiên vào năm 1904 Quả văng ly tâm điều khiển sự ăn khớp của các bánh răng theo tốc độ Quá trình sang số không cần đến sự đóng mở của ly hợp Tuy nhiên bộ truyền này gặp lỗi, trọng lượng thường lệch bề một bên

Reo đã có một sự cố gắng đầy ý nghĩa vào năm 1934 khi cho ra đời hộp số Reo Self-Shifter gồm hai bộ truyền mắc nối tiếp Bộ truyền thứ nhất tự động chuyển

số bằng cách điều khiển quá trình đóng mở ly hợp ma sát nhiều đĩa theo tốc độ xe

14

Bộ truyền thứ 2 được điều khiển bằng tay nhưng chỉ sử dụng khi động cơ cần tỷ số truyền thấp

Năm 1937, Oldsmobile tung ra hộp số bán tự động 4 cấp được gọi là “ hộp số

an toàn tự động” Tài xế không cần sử dụng tới bàn đạp ly hợp và cần số khi xe chuyển từ số 1 sang số 2 hoặc từ 3 lên 4 Áp suất dầu điều khiển bộ truyền hành tinh Điểm sang số được thiết lập sẵn theo tốc độ động cơ Đã có 28.000 chiếc Oldsmobile

1938 trang bị hộp số này Khía cạnh an toàn mà các nhà sản xuất đưa ra ở đây: lái xe

có thể tập trung trên đường nhiều hơn vì không cần thao tác chuyển số Trên cơ sở đó hộp số GM Hydra-Matic xuất hiện vào năm 1939 Hydra-Matic gồm 3 bộ truyền bánh răng hành tinh, điều khiển thủy lực Bộ kết nối thủy lực làm nhiệm vụ truyền công suất từ động cơ sang hộp số thay cho ly hợp Tuy đây không phải hộp số tự động, nhưng nó là hộp số tiêu chuẩn cùng kết nối thủy lực, không có ly hợp

Ý tưởng đã có từ lâu, nhưng đến năm 1948 hộp số tự động hoàn toàn mới xuất hiện, sử dụng biến mô thủy lực và bộ truyền bánh răng hành tinh như ngày nay Chiếc Buick Roadmaster vinh dự là mẫu xe đầu tiên trang bị Dynaflow, một trong những mẫu hộp số tự động hiện đại

Các nhà nghiên cứu về ô tô cho rằng phát triển cuối cùng có lẽ là hộp số tự động vô cấp kiểu CVT Một điều thú vị là sau hơn 100 năm phát triển, người ta lại quay trở về với bộ truyền động đai Quá trình hình thành và phát triển của CVT có thể tóm tắt như sau:

+ Năm 1490- Leonardo da Vinci phác thảo những ý tưởng đầu tiên về CVT + Năm 1886 - Hộp số CVT đầu tiên được đăng ký bản quyền

+ Năm 1935 - Adiel Dodge đã đăng ký bản quyền CVT tại Mỹ

+ Năm 1939 - Hộp số tự động hoàn toàn đầu tiên dựa trên hệ bánh răng hành tinh

+ Năm 1958 - Nhà sản xuất xe hơi Daf (Hà Lan) sản xuất CVT cho xe hơi hộp số với tên gọi Variomatic

+ Năm 1989 - Subaru Justy GL là chiếc xe đầu tiên được bán tại Mỹ có trang

bị CVT

15

+ Năm 2002 - Saturn Vue lắp CVT được giới thiệu

+ Năm 2004- Ford bắt đầu đưa CVT vào dõy truyền sản xuất của mỡnh + Hiện nay Nissan, Toyota là hai hóng đi đầu trong cụng nghệ CVT khi đưa thiết bị này lờn hầu hết cỏc mẫu sedan và thể thao đa dụng SUV

Như vậy hệ thống truyền lực vụ cấp sử dụng bộ truyền đai kiểu CVT đúng một vai trũ đặc biệt quan trọng trong sự phỏt triển ngành ụ tụ Nú được xem là phỏt minh cuối cựng, đỉnh cao nhất trong tương lai cho HTTL trờn ụ tụ Do đú việc nghiờn cứu, đỏnh giỏ HTTL vụ cấp CVT một cỏch toàn diện cú ý nghĩa to lớn đối với cỏc kỹ sư ngành ụ tụ

1.2 Giới thiệu về hệ thống truyền lực núi chung

HTTL bao gồm cỏc cụm nối giữa động cơ và bỏnh xe chủ động Hệ thống truyền lực của ụ tụ cú tỏc dụng truyền chuyển động (tốc độ gúc, lực hoặc mụ men xoắn) từ động cơ đến cỏc bỏnh xe chủ động Trị số của lực hay mụ men xoắn này cú thể thay đổi, tựy theo điều kiện làm việc của ụtụ đảm bảo thay đổi lực kéo và tốc

độ của xe trong dải rộng

Hỡnh 1.2 Hệ thống truyền lực trờn ụ tụ

Cú rất nhiều loại HTTL khỏc nhau, đối với cỏc xe ụ tụ hiện nay thường sử dụng hai loại chớnh là HTTL cơ khớ cú cấp và HTTL vụ cấp

16

HTTL cơ khí có cấp thông thường bao gồm: Li hợp, hộp số chính, hộp phân phối, cầu chủ động, trục các đăng, bánh xe Còn HTTL vô cấp thường bao gồm các cụm chính là: Bộ biến mô men, hộp số vô cấp và có thể có ly hợp

Công dụng chính của hệ thống truyền lực là:

- Truyền và biến đổi mô men xoắn từ động cơ đến bánh xe chủ động sao cho phù hợp giữa chế độ làm việc của động cơ và mô men cản sinh ra trong quá trình ô tô chuyển động

- Cắt dòng công suất trong thời gian ngắn hoặc dài

- Thực hiện đổi chiều chuyển động giúp ô tô chuyển động lùi

- Tạo khả năng chuyển động êm dịu và thay đổi tốc độ cần thiết trên đường

1.2.1 Ly hợp

Ly hợp được đặt giữa động cơ và hộp số Có nhiệm vụ đóng và ngắt công

suất từ động cơ đến hệ thống truyền lực Cắt truyền động từ động cơ đến hệ thống

truyền lực nhanh và dứt khoát trong những trường hợp cần thiết như khi chuyển số một cách êm dịu Nó cũng cho phép động cơ hoạt động khi xe dừng và không cần

chuyển hộp số về số trung gian

Công dụng chính của li hợp:

- Nối động cơ với hệ thống truyền lực một cách êm dịu và ngắt truyền động đến hộp số một cách nhanh chóng, dứt khoát trong những trường hợp cần thiết (khi chuyển số, khi phanh)

- Khi chịu tải quá lớn ly hợp đóng vai trò như một cơ cấu an toàn nhằm tránh quá tải cho hệ thống truyền lực và động cơ

1.2.2 Hộp số

Mô men sinh ra bởi động cơ hầu như không đổi Tuy nhiên khi khởi động hoặc khi lên dốc xe đòi hỏi mô men quay phải lớn hơn, còn khi xe chạy ở tốc độ cao mô men quay lớn lại không cần thiết nữa Hộp số là cụm đặt trên ô tô để giải quyết vấn đề này bằng cách thay đổi tỷ số truyền nhằm biến công suất đầu ra của động cơ thành mô men và tốc độ quay phù hợp với điều kiện xe chạy Công dụng chính của hộp số là:

17

- Biến đổi mô men xoắn của động cơ truyền tới các bánh xe sao cho phù hợp với các chế độ tải

- Tăng mô men dẫn động bánh xe khi ôtô khởi động và leo dốc

- Dẫn động các bánh xe đạt được tốc độ cao khi cần thiết

- Đảo chiều chuyển động của ôtô

- Cắt chuyển động từ động cơ đến bánh xe chủ động (tay số N)

Hiện nay trên các xe ô tô dùng hai loại hộp số là: Hộp số cơ khí thường và hộp số tự động Với hộp số tự động lại được chia làm hai loại là hộp số tự động có cấp và hộp số tự động vô cấp Khi tài xế dang lái xe có hộp số thường, cần sang số được sử dụng để chuyển số khi đạp chân ga nhằm mục đích tăng tốc độ xe Khi lái

xe lên dốc hay khi động cơ không có đủ lực để leo dốc tại số đang chạy, hộp số được chuyển về số thấp Vì các lý do trên, nên điều cần thiết với lái xe là phải thường xuyên nhận biết tải và tốc độ động cơ để chuyển số một cách phù hợp Ở hộp số tự động, những nhận biết như vậy của lái xe là không cần thiết, lái xe không cần phải chuyển số mà việc chuyển số lên hay xuống đến số thích hợp nhất được thực hiện một cách tự động tại thời điểm thích hợp nhất theo tải động cơ và tốc độ xe

1.2.3 Trục các đăng

Truyền động các đăng dùng để truyền mô men xoắn giữa các trục không nằm trên cùng một đường thẳng, mà cắt nhau dưới một góc α nào đó (trị số góc α thay đổi), tức là dùng để truyền mô men quay từ trục của hộp số (hộp phân phối) đến các cầu chủ động và các bánh xe chủ động

1.2.4 Cầu chủ động

Cầu chủ động nhận công suất từ động cơ truyền tới để phân phối đến các bánh xe theo phương vuông góc Cầu xe nâng đỡ các phần gắn lên nó như hệ thống treo, sắc xi

Công dụng chính của cầu xe:

- Truyền công suất từ trục chủ động đến các bánh xe sau

- Thay đổi hướng quay của trục chủ động một góc 900 để quay trục bánh xe

- Tạo ra sự giảm tốc cuối cùng giữa trục truyền động và bánh xe thông qua các bánh răng truyền động cuối cùng

18

- Chia tổng mụ men xoắn tới cỏc bỏnh xe chủ động

- Cho phộp sai lệch tốc độ giữa cỏc bỏnh xe khỏc nhau trong khi xe quay vũng

- Nõng đỡ trọng lượng cầu sau, toàn bộ hệ thống treo và sắt xi

- Tỏc động như một thành phần mụ men xoắn khi cú gia tốc

1.3 Tổng quan về hệ thống truyền lực vụ cấp kiểu CVT

Truyền động vụ cấp cú nhiều loại: truyền động bằng đai, truyền động ma sỏt, truyền động thuỷ tĩnh, truyền động hỗn hợp,…Truyền động vụ cấp ma sỏt và một số dạng truyền động vụ cấp khỏc thỡ hiệu suất thấp, khụng đỏp ứng được cỏc chỉ tiờu của ngành ụ tụ bờn cạnh đú lại cú những nhược điểm lớn nờn ớt được sử dụng Truyền động vụ cấp CVT loại truyền động đai được ứng dụng nhiều hơn cả trong ngành ụ tụ

HTTL vụ cấp kiểu CVT sử dụng trờn ụ tụ thường bao gồm cỏc cụm chớnh là:

Bộ biến mụ men thủy lực, hộp số vụ cấp và cú thể cú ly hợp

Hỡnh 1.3 Cỏc cụm chi tiết chớnh của HTTL vụ cấp

Điểm khỏc biệt lớn nhất giữa HTTL cơ khớ cú cấp và HTTL vụ cấp sử dụng

bộ truyền đai kiểu CVT đú là trong HTTL vụ cấp cú sử dụng hộp số vụ cấp CVT Hụp số CVT cú đầy đủ chức năng của một hộp số thụng thường như: truyền, biến

đổi mô men và số vòng quay từ động cơ đến bánh xe chủ động, đảm bảo khởi

động và quay không tải với thời gian tuỳ ý (cắt dòng công suất từ động cơ đến bánh chủ động với thời gian tuỳ ý), đảm bảo lùi xe, trích công suất ra các cụm chuyờn dụng Ngoài ra hộp số CVT cũn cú một số tớnh năng khỏc như:

- Điều khiển tốt hơn trong dải tốc độ cho phép của động cơ

1.3.1 Nguyên lý hoạt động của CVT

Nguyên lý hoạt động của CVT dựa trên nguyên lí làm việc chung của bộ truyền động đai Sơ đồ nguyên lý chung của bộ truyền đai trong HTTL vô cấp kiểu CVT như sau:

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của truyền động đai

Truyền động đai có cấu tạo gồm bánh đai chủ động, bánh đai bị động và đai truyền có chiều dài không đổi Bánh đai chủ động và bánh đai bị động đều được cấu tạo từ hai khối hình nón, một khối cố định và một khối có thể dịch chuyển theo dọc trục và thay đổi khoảng cách giữa hai khối hình nón Do vậy khi một nửa bánh đai làm việc tăng bán kính và một bánh đai khác giảm bán kính để cho dây đai luôn luôn bám chặt vào giữa hai khối hình nón Ta có tỷ số truyền là tỷ số của bán kính quay trên bánh đai chủ động và bán kính quay trên bánh đai bị động:

Tỷ số truyền i: i = d2/d1

d2: Đường kính của bánh đai bị động

d1: Đường kính của bánh đai chủ động

Nguyên lý hoạt động của CVT: Khi động cơ hoạt động thì làm cho bánh đà quay, li hợp nhận chuyển động từ bánh đà và truyền chuyển động quay tới puli chủ động, chuyển động quay hay năng lượng được truyền tới puli bị động thông qua đai

20

truyền Ở đây năng lượng được truyền tới cơ cấu vi sai và qua các bán trục tới bánh

xe chủ động Kết quả là làm cho xe chuyển động Việc thay đổi tỷ số truyền được thực hiện bằng cách thay đổi bán kính làm việc của hệ puli do hệ thống thủy lực hay

bi văng và xi lanh chân không điều khiển Việc đảo chiều quay của hệ puli được thực hiện bằng hệ bánh răng hành tinh

Hộp số CVT loại truyền động đai có bánh đai chủ động 2, có thể dịch chuyển

ra vào nửa bánh đai cố định, quay với vận tốc góc ω1, bánh đai di động 1 cũng có nửa bánh đai di động thể dịch chuyển ra xa hay lại gần nửa cố định, quay với vận tốc góc ω2 và thay đổi đường kính làm việc của đai, từ đó thay đổi tỷ số truyền của

hộp số Tỷ số truyền là tỷ số của bán kính quay trên bánh đai chủ động và bán kính quay trên bánh đai bị động

1.3.2 Các dạng HTTL vô cấp kiểu CVT

Bộ phận quan trọng nhất trong HTTL vô cấp kiểu CVT là hộp số vô cấp sử

dụng bộ truyền động đai CVT Do đó khi phân loại HTTL vô cấp kiểu CVT người

ta căn cứ vào kiểu hộp số CVT Trên một số xe hiện đại ngày nay thường dùng một

số loại hộp vô cấp CVT sau:

a) Hộp số vô cấp CVT kiểu “VaRiomatic”

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo hộp số vô cấp kiểu VaRiomatic

21

Hộp số vô cấp kiểu “VaRiomatic” sử dụng bộ truyền động đai, có khả năng thay đổi đường kính làm việc Cấu tạo chính của nó là hai bộ truyền đai hình thang cao su có bánh đai tự động thay đổi đường kính truyền lực Hai bánh đai chủ động

có bộ truyền đai cao su riêng, các bánh đai được cấu tạo từ hai nửa Phần cố định và phần di động, bằng hệ thống bi văng li tâm, các nửa bánh đai di động có thể tiến gần hay tách xa nửa bánh đai cố định, thay đổi đường kính làm việc của bộ truyền đai Nhờ có thay đổi được tỷ số truyền liên tục, tức là thực hiện biến đổi vô cấp trong hệ thống truyền lực Động lực của xe truyền từ động cơ qua li hợp ma sát khô, làm việc theo nguyên lý li hợp tự động ly tâm Giữa li hợp và bộ truyền đai có bộ truyền bánh răng côn gồm hai bánh răng bị động với một bánh răng chủ động, làm việc ở hai chế độ tiến, lùi

Bộ truyền bánh răng côn có tỷ số truyền cố định là cặp bánh răng thường khớp (hình 1.6)

Hình 1.6 Cơ cấu đảo chiều quay của Variomatic

1 Bánh răng côn dẫn hướng; 2,3 Bánh răng côn quay lồng không trên trục chủ

động của CVT; 4 Trục chủ động của hộp số; 5 bánh đai chủ động

Các bánh răng côn lớn đặt quay trơn trên trục ngang thông qua các ổ bi Các bánh răng côn truyền lực tới các bán trục ngang bằng khớp răng di trượt A Khớp

răng A gắn then hoa trên trục ngang và có thể di trượt về hai phía nhờ một nạng gạt, tương ứng với trạng thái tiến và lùi của xe Các vành răng ngoài của khớp răng ăn

22

khớp với vành răng trong của bánh răng côn lớn Khi khớp răng ở vị trí trung gian tương ứng với trạng thái ngắt dòng truyền lực tới các bộ truyền đai, khi đó hệ thống truyền lực không truyền mô men tới bánh xe và có thể tiến hành điều chỉnh động

cơ Nếu chuyển sang số tiến hoặc lùi khi động cơ có số vòng quay nhỏ, xe đứng yên, nếu tăng số vòng quay động cơ có thể gây nên đóng li hợp tự động và ô tô sẽ

chuyển động

b) Hộp số vô cấp “Continusly variable transaxle”

Vào những năm đầu của thập niên 80, đã sử dụng dây đai bằng kim loại có khả năng uốn mềm mại thay thế cho dây đai cao su Để tăng hiệu quả truyền lực kéo cho dây đai kim loại thì cấu tạo dây đai kim loại có răng và các phần tử làm việc ở trạng thái chịu nén ban đầu Hiệu suất truyền lực tăng đáng kể khoảng 95% so với hộp số có cấp

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo hộp số vô cấp kiểu Continusly variable transaxle

1 Bánh đai chủ động; 2 đai truyền; 3 vi sai; 4 cơ cấu đảo chiều quay; 5 bánh đai

bị động

23

Hộp số này lắp trên xe FORD FIESTA Động cơ nằm ngang, cầu trước chủ động theo hướng truyền mô men trên bánh đà động cơ

Hình 1.8 Các trạng thái làm việc hộp số Continusly variable transaxle

a) Trạng thái khi xe tiến; b) Trạng thái khi xe lùi

Các li hợp khóa có kết cấu tương tự như trong hộp số hành tinh dạng li hợp nhiều đĩa và được ép bởi hệ thống điều khiển thủy lực Li hợp 2 khóa bộ truyền hành tinh lại, toàn bộ cơ cấu hành tinh thành một khối cứng và tạo nên chuyển động tiến Mô men truyền trực tiếp tới bánh đai chủ động không gây tổn thất truyền lực Bánh răng ngoại luân của cơ cấu hành tinh nối với li hợp khóa 4 Khi khóa cứng bánh răng ngoại luân với vỏ hộp số, đồng thời li hợp khóa 3 mở nên trục bị động của cơ cấu hành tinh cùng các phần phía sau của hệ thống truyền lực quay ngược chiều, thực hiện chuyển động lùi Bộ truyền hành tinh làm nhiệm vụ đổi chiều quay của ô tô

Cấu tạo chính của hộp số vô cấp kiểu CTX là bộ truyền động đai: Bánh đai

có cấu tạo hai nửa Với bánh đai chủ động, nửa cố định liên kết cứng trên trục ra của cơ cấu hành tinh, nửa di động có thể di trượt dọc trục Với bánh đai bị động nửa

cố định gắn liền với trục ra (tức là bánh răng chủ động của hộp giảm tốc) Nửa di động luôn luôn chịu lực ép ban đầu bởi lò xo trụ trong buồng thủy lực của xy lanh điều khiển các nửa bánh đai di động chịu tác động của hệ thống thủy lực

24

c) Hộp số vô cấp (Elek Continously Variable Transmission ) ECVT

Các bộ phận chính của vô cấp ECVT bao gồm: Bánh đai chủ động, đai

truyền kim loại, bánh đai bị động, li hợp điện từ, cầu chủ động (hình 1.9)

Hình 1.9 Hệ thống truyền lực ECVT trên ô tô LANCIA Y 10 Selectronic

1 Li hợp điện từ; 2.Bánh đai bị động; 3 Dây đai kim loại; 4 Bánh đai chủ động; 5

Bộ truyền số lùi; 6 Bộ truyền lực cầu xe

Li hợp dùng cho hộp số này là li hợp điện từ Li hợp điện từ bao gồm tang trống ngoài gần với bánh đà động cơ, rôto bên trong có các cuộn dây quấn gắn với hộp số Giữa tang trống và rôto là lớp bột kim loại ép Hoạt động của li hợp điện từ được thực hiện nhờ bộ điều khiển điện từ theo nguyên lý: điều chỉnh dòng điện trong rôto và làm thay đổi lực từ tường giữa phần chủ động và bị động phụ thuộc vào các tín hiệu lấy từ các cảm biến của cần chọn số (để ở D hay L) thì li hợp mở, bánh xe không có lực kéo Khi tăng lượng cung cấp nhiên liệu, dòng điện trong rôto tăng lên, kích hoạt tấm bột kim loại từ hóa đóng li hợp và dẫn tới khởi hành ô tô

Quá trình này được thực hiện theo cả hai chiều: động cơ tới HTTL và ngược lại Tuy nhiên, trong thực tế, đặc tính của động cơ cần được ưu tiên đáp ứng, vì vậy quá trình đồng bộ phải tập trung vào việc điều chỉnh đặc tính của HTTL cho phù hợp với đặc tính của động cơ

Hệ thống truyền lực nằm trung gian giữa động cơ và mặt đường, nó biến đổi các yêu cầu từ mặt đường sao cho phù hợp với khả năng đáp ứng của động cơ Nghĩa là, vùng tốc độ làm việc của động cơ phải phù hợp với dải tốc độ của xe Tương tự như vậy, đặc tính mô men của động cơ phải đáp ứng được các yêu cầu về lực kéo tại các bánh xe chủ động Đặc tính của động cơ cùng với vùng biến thiên tỷ

số truyền của HTTL được kết hợp với nhau để hình thành vùng đáp ứng về lực kéo của tổ hợp động cơ – HTTL Một trong những tiêu chí cơ bản của quá trình kết hợp động cơ với HTTL là duy trì động cơ hoạt động trong vùng tiết kiệm nhiên liệu

26

Mômen và tốc độ động cơ có thể được tự do lựa chọn với truyền động vô cấp nhưng chúng phải được xác định trên đường đặc tính công suất yêu cầu và trong biểu đồ hoạt động xác định bởi tỷ số truyền tổng của hộp số Ở đây, tốc độ động cơ

và tỷ số truyền của hệ thống truyền lực có quan hệ trực tiếp với nhau

Mức tiêu hao nhiên liệu chịu ảnh hưởng lớn của tỷ số truyền của HTTL Trong chế độ vận hành không gia tốc, trạng thái làm việc được thể hiện trên đồ thị bằng cả vùng đối với truyền lực vô cấp – CVT nằm giữa các đường lực cản TB từ tỷ

số truyền nhỏ nhất đến tỷ số truyền lớn nhất của HT động lực Biểu đồ làm việc thay đổi theo tốc độ tăng hoặc giảm khi có gia tốc, vì khi đó lực cản sẽ thay đổi

HTTL vô cấp CVT cho phép lựa chọn điểm làm việc của động cơ trên các đường hyperbol công suất yêu cầu theo một cơ chế được xác định trước Điểm hoạt động được lấy từ giao của đường T(P) với đường cong đặc trưng điều khiển Về

Hình 1.11 Đặc tính động cơ đốt trong với các đường đẳng nhiên liệu của động cơ xăng 2.0l Các đường lực cản ứng với tỷ số truyền nhỏ nhất (i A, min ) và lớn nhất (i A, max ) tạo thành vùng các điểm làm việc với chế độ không gia tốc

27

nguyên tắc cơ bản những điểm bên trong biểu đồ hoạt động đã bao phủ bằng toàn

bộ tỉ số truyền hộp số được đã được chọn (Hình 1.12) Trong trạng thái chuyển động ổn định trên một cấp số truyền, tất cả điểm điều hoạt động là bên trong biểu đồ hoạt động

Các tiêu chí điều khiển: Định hướng lượng tiết kiệm nhiên liệu

Định hướng công suất Sự trung hòa

Hình 1.12 Đặc tính động cơ với các tiêu chí điều khiển đối với HTTL vô cấp

Kết quả của sự khác nhau của đặc tính điều khiển, được định hướng theo hai tiêu chí là công suất hoặc lượng tiêu hao tối ưu (Hình 1.12) Đặc tính điều khiển tối

ưu trong điều kiện lượng tiêu hao nhiên liệu được cho bởi đường cong của lượng tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất Đặc tính điều khiển cho công suất tối ưu làm tăng lực kéo dư ở tất cả các điểm hoạt động

Hiệu suất truyền động là yếu tố quan trọng đối với HTTL Trong quá trình thiết kế HTTL vô cấp CVT cần đặc biệt quan tâm đến chỉ tiêu này Nhưng để nâng cao hiệu suất cho HTTL vô cấp là vấn đề rất khó khăn vì chúng ta đều biết các cụm

28

cơ cấu trong HTTL này như bộ biến mô men và hộp số CVT đều là các cụm có hiệu

suất rất thấp so với truyền động bánh răng

Như vậy qua những phân tích trên đây ta nhận thấy khi thiết kế HTTL vô cấp kiểu CVT thì việc phối hợp hoạt động giữa động cơ và CVT để cùng lúc đạt được các chỉ tiêu tốt nhất về công suất, lượng tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất truyền động

là không thể thực hiện được Ta chỉ có thể đáp ứng các yêu cầu đó trong một giới hạn nào đó (thể hiện bằng một vùng theo đặc tính điều khiển) Do đó cần có những phân tích, đánh giá cụ thể để có thể đưa ra được phương án thết kế tối ưu cho HTTL

vô cấp CVT

1.4 Ưu nhược điểm của HTTL vô cấp kiểu CVT

Truyền động vô cấp CVT là truyền động biến thiên liên tục- dạng biến đổi mômen và tốc độ mà tỷ số truyền của nó có thể biến đổi liên tục không ngắt quãng dòng công suất Với sự tích hợp hệ thống điều khiển thông minh động cơ- truyền động, truyền động CVT có thể khai thác được toàn bộ hiệu suất của động cơ theo đúng đường cong đặc tính

1.4.1 Ưu điểm của CVT

So sánh với số sàn (HTTL cơ khí có cấp) thì thấy CVT có những ưu điểm nổi bật như tự động đổi số, mô-men được truyền liên tục, động lực không bị ngắt quãng Thích nghi với mọi loại đường, điều khiển dễ dàng, an toàn thoải mái cho người sử dụng; tải trọng động nhỏ, tuổi thọ chi tiết cao Kết cấu gọn nhẹ, vận hành

êm dịu không có hiện tượng “giật” khi sang số, khả năng đáp ứng tốt với các loại tải trọng cũng như điều kiện đường xá, không bị tổn hao công suất khi leo lên dốc Những ưu điểm cụ thể của HTTL vô cấp kiểu CVT so với HTTL có cấp là:

+ Nâng cao vận tốc trung bình của xe

HTTL vô cấp CVT có tỷ số truyền biến thiên liên tục nên vận tốc trung bình

sẽ tăng hơn hộp số thường

+ Nâng cao tính chất động lực học

Việc nâng cao chất lượng động lực học của hộp số CVT là do hộp số này có

tỷ số truyền thay đổi phù hợp với việc thay đổi nhân tố động lực học

29

+ Nâng cao mức độ sử dụng công suất của động cơ

+ Cải thiện đường đặc tính kéo của xe

Truyền động vô cấp cho phép thay đổi liên tục trong một khoảng giới hạn giá trị mô men và tốc độ góc của bánh xe chủ động sao cho phù hợp với đường đặc tính kéo Nếu người điều khiển giữ nguyên vị trí bàn đạp cung cấp nhiên liệu, công suất động cơ ổn định tại một giá trị, khi đó đường đặc tính kéo của ô tô biến thiên gần đúng với đường hyperpol

+ Truyền động êm

Do không có sự ăn khớp giữa các chi tiết truyền động, tỷ số truyền liên tục nên lực kéo khi thay đổi tỷ số truyền phát ra tại các bánh xe chủ động là thay đổi giá trị không lớn lắm

+ Giữ cho các chi tiết trong hệ thống truyền lực an toàn

Khi tốc độ quay của trục chủ động không thay đổi, lực cản lăn tại các bánh

xe chủ động lớn hơn giá trị của lực kéo phát ra tại các bánh xe chủ động, thì đai truyền sẽ bị trượt với bánh đai

+ Khả năng tăng tốc giữa xe lắp CVT cao

Khi nhấn bàn đạp ga của chiếc xe có lắp CVT thì có sự khác biệt ngay tức thì Đồng hồ tăng tốc độ vòng quay động cơ (RPM) tiến về giá trị tốc độ vòng quay

mà nó tạo ra nhiều công suất nhất và dừng lại ở con số này Ngay sau đó chiếc xe tăng tốc một cách từ từ mà chắc chắn không cần phải vào số Theo lý thuyết chiếc

xe với CVT có thể đạt tốc độ 100 km/h nhanh hơn 25% so với xe cùng động cơ nhưng hộp số thường Bởi vì hộp số vô cấp CVT luôn tận dụng được tối đa công suất của động cơ Xe lắp hộp số CVT cũng có hiệu quả khi lên dốc và xe không bị giật bởi vì CVT có tỷ số truyền thay đổi biến thiên liên tục trong một giới hạn cố định, do hộp số tự động chuyển số hay do người lái điều khiển

So với hộp số tự động có cấp (AT) dùng trên các dòng xe cao cấp kiểu hộp

số tự động vô cấp (CVT) có độ êm dịu tốt hơn hẳn Vì việc biến đổi tỷ số truyền trong hộp số tự động kiểu AT vẫn là sự thay đổi tỷ số truyền thống qua cơ cấu bánh răng hành tinh, trong khi đó hộp số CVT sử dụng bộ truyền đai thay đổi tỷ số truyền

vô cấp nên việc chuyển đổi êm hơn

30

1.4.2 Nhược điểm

Nhược điểm cơ bản của CVT là kết cấu phức tạp, giá thành cao, và khó sửa chữa Kiểu hộp số CVT về cấu tạo có vẻ đơn giản nhưng thực tế công nghệ chế tạo lại hết sức phức tạp Các chi tiết kim loại phải được tính toán và chế tác chính xác trong khi hệ thống điều khiển phải đảm bảo hộp số tương thích với tính năng của động cơ

Việc tính toán, thiết kế và ghép nối phối hợp làm việc giữa động cơ và CVT

để đạt được chất lượng động lực học tốt nhất cho xe là vấn đề đặc biệt khó khăn, cần phải có những nghiên cứu sâu rộng để giải quyết điều này

Bên cạnh đó, một trong những nhược điểm lớn nhất của loại hộp số này là phạm vi công suất bị giới hạn bởi khả năng tải của dây đai, độ bền và tuổi thọ của dây đai chưa cao, chính vì vậy, CVT chỉ phổ biến trên xe máy Hiện nay, cùng với

sự phát triển của khoa học và công nghệ, với những vật liệu được cải thiện giúp tăng tuổi thọ, khả năng chịu kéo của dây đai, hệ thống thủy lực tân tiến, và mới đây nhất là các bộ cảm biến và mạch vi xử lý cao tốc đang hứa hẹn một tương mới cho loại HTTL này

1.5 Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận văn

1.5.1 Mục tiêu của luận văn

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết chung về HTTL ô tô và HTTL vô cấp CVT, trong đó tập trung đi sâu nghiên cứu về sự phối hợp làm việc giữa động cơ với CVT

từ đó đưa ra được quy trình thiết kế hợp lý HTTL vô cấp sử dụng bộ truyền đai kiểu CVT nhằm đảm bảo trong quá trình làm việc động cơ hoạt động ở chế độ tốt nhất Ngoài ra trong luận văn còn khảo sát và xây dựng đặc tính kéo chuyển động thẳng của ô tô sử dụng HTTL cơ khí thông thường và HTTL vô cấp kiểu CVT để đưa ra kết quả và những đánh giá chung đối với kiểu HTTL này

1.5.2 Nội dung của luận văn

Luận văn được trình bày gồm ba chương:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Trong chương này luận văn đề cập đến những vấn đề chung về sự phát triển ngành công nhiệp ô tô, sự hình thành

và phát triển của HTTL vô cấp kiểu CVT từ đó thấy được tầm quan trọng của

31

HTTL vô cấp kiểu CVT Phân tích các dạng HTTL vô cấp CVT, đặc điểm phối hợp làm việc giữa động cơ và CVT, bên cạnh đó đánh giá những ưu nhược điểm của HTTL kiểu CVT và đưa ra vấn đề cần nghiên cứu cho luận văn

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về phối hợp đặc tính động cơ đốt trong với HTTL Trong chương này trình bày lý thuyết chung về đặc tính của động cơ đốt trong, về HTTL ô tô nói chung và HTTL vô cấp nói riêng làm cơ sở cho việc xây dựng quy trình thiết kế và đánh giá HTTL vô cấp CVT

Chương 3: Tính toán chế độ làm việc phối hợp giữa động cơ và HTTL vô

cấp kiểu CVT

Từ việc lựa chọn xe cơ sở và chọn tỷ số truyền của bộ truyền đai ta đi xác định tỷ số truyền của hộp giảm tốc và tỷ số truyền của truyền lực chính (cầu chủ động) Từ đó xây dựng đặc tính kéo cho HTTL kiểu CVT (đồ thị lực kéo, gia tốc, nhân tố động lực học) Cuối cùng ta có thể đánh giá được tính năng động lực học của ô tô và so sánh với dạng HTTL cơ khí thông thường Trong luận văn, tác giả đã khảo sát HTTL vô cấp sử dụng bộ truyền đai CVT của một xe cụ thể (xe Toyota corolla Altis 1.6)

1.5.3 Phương pháp nghiên cứu

Trong luận văn tác giả chủ yếu dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với sử dụng phần mềm chuyên dụng để khảo sát đặc tính kéo của xe ô tô có HTTL cơ khí và HTTL vô cấp kiểu CVT (sử dụng phần mềm Matlab để tính toán, khảo sát đặc tính kéo)

32

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHỐI HỢP ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

VỚI HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC

Để có thể xây dựng được quy trình thiết kế và đánh giá hệ thống truyền lực

vô cấp sử dụng bộ truyền đai kiểu CVT trước hết ta cần đi nghiên cứu tổng quan về đặc tính làm việc của động cơ, việc phân chia và lựa chọn tỉ số truyền cho các cụm trong HTTL, tính toán sức kéo của ô tô Nghiên cứu đặc tính làm việc của bộ biến

mô men và đặc tính làm việc của CVT làm cơ sở xây dựng đặc tính làm việc phối hợp của toàn bộ hệ thống

2.1 Đặc tính của động cơ đốt trong

Động cơ đặt trên các máy kéo và ô tô chủ yếu là động cơ đốt trong loại pitông Các chỉ tiêu năng lượng và tính kinh tế của động cơ được thể hiện rõ trên đường đặc tính làm việc của nó Tính chất hoạt động của động cơ ảnh hưởng rất lớn đến tính năng sử dụng của ô tô máy kéo Vì vậy cần thiết phải nắm vững các đường đặc tính của động cơ để giúp cho việc giải quyết vấn đề cơ bản trong lý thuyết ô tô máy kéo như nghiên cứu các tính năng kéo và tính năng động lực học của ô tô, máy kéo Các đường đặc tính của động cơ có thể chia làm 2 loại: đường đặc tính tốc độ

và đường đặc tính tải trọng

Đường đặc tính tốc độ là đồ thị chỉ sự phụ thuộc của công suất hiệu dụng Ne,

mô men quay Me, chi phí nhiên liệu giờ GT và chi phí nhiên liệu riêng ge (lượng chi phí nhiên liệu để sản ra một đơn vị công suất hiệu dụng) theo số vòng quay n hoặc theo tốc độ góc  của trục khuỷu

Các loại động cơ điezen lắp trên máy kéo đều có bộ điều tốc (máy điều chỉnh tốc độ) để duy trì tốc độ quay của trục khuỷu khi tải trọng ngoài (mô men cản Mc) thay đổi Đường đặc tính tốc độ của động cơ điezen phụ thuộc rất lớn vào đặc tính của bộ điều tốc, do đó nó còn gọi là đường đặc tính tự điều chỉnh

Có hai loại đường đặc tính tốc độ :

− Đường đặc tính tốc độ ngoài, gọi tắt là đường đặc tính ngoài

− Đường đặc tính cục bộ

33

Các đường đặc tính của động cơ nhận được bằng cách khảo nghiệm trên các thiết bị chuyên dùng

2.1.1 Đường đặc ngoài của động cơ

Đường đặc tính ngoài nhận được khi khảo nghiệm động cơ ở chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại, tức là khi đặt tay thước nhiên liệu (ở động cơ điêden) ở vị trí cực đại hoặc mở hoàn toàn bướm ga (ở động cơ xăng) Nếu tay thước nhiên liệu hoặc

bướm ga đặt ở vị trí trung gian sẽ nhận được đường đặc tính cục bộ Như vậy ở các

động cơ lắp bộ điều tốc đa chế (máy điều chỉnh mọi chế độ) sẽ có một đường đặc tính ngoài và vô vàn đường đặc tính cục bộ tùy thuộc vào vị trí tay ga

Trên hình 2.1 biểu diễn đường đặc tính ngoài tự điều chỉnh của động cơ điêzen

Qua đó ta thấy rằng, ở chế độ tốc độ nn công suất động cơ đạt giá trị cực đại

Nemax và chi phí nhiên liệu riêng đạt giá trị cực tiểu gemin, khi đó động cơ làm việc có hiệu quả nhất và được gọi là chế độ làm việc danh nghĩa hoặc chế độ làm việc định mức ở chế độ này các chỉ tiêu của động cơ cũng có tên gọi tương ứng: công suất định mức Nn = Nemax, mô men quay định mức Mn và số vòng quay định mức nn Khoảng biến thiên tốc độ từ số vòng quay định mức nn đến số vòng quay chạy không nck phụ thuộc vào độ không đồng đều của bộ điều tốc Phần đồ thị tương ứng

Hình 2.1 Đường đặc tính tự điều chỉnh của động cơ điêzen

34

khoảng tốc độ nn - nck được gọi là nhánh tự điều chỉnh (các đường đồ thị có dạng đường thẳng), còn tương ứng với vùng tốc độ nhỏ hơn nn là nhánh không có điều tốc hoặc nhánh quá tải (các đồ thị có dạng đường cong) Ở nhánh quá tải công suất của động cơ giảm còn chi phí nhiên liệu riêng tăng, tức là động cơ làm việc kém hiệu quả Ngoài ra, các chi tiết của động cơ sẽ chịu tải trọng lớn hơn đồng thời sự bôi trơn các chi tiết cũng kém đi do tốc độ quay của trục khuỷu thấp dẫn đến tăng tốc độ mài mòn các chi tiết và còn một số nhược điểm khác nữa Do vậy không nên

sử dụng động cơ ở nhánh quá tải trong thời gian dài, chỉ được phép sử dụng để khắc phục các hiện tượng quá tải tức thời

Ở nhánh quá tải, mô men quay vẫn tiếp tục tăng nhưng chậm và sau khi đạt giá trị cực đại Mmax nếu tải trọng tiếp tục tăng lên thì mô men động cơ Me và tốc độ quay n sẽ giảm dần rồi ngừng quay vì lúc đó quá trình tự đốt cháy nhiên liệu không thực hiện được Do vậy động cơ chỉ có thể hoạt động được với tải trọng Mc < Mmax

tương ứng với tốc độ quay n > nM

Đối với động cơ xăng, đường đặc tính cũng có có dạng tương tự như động cơ điêden, tuy nhiên nó cũng có những đặc điểm khác nhau nhất định Trên hình 2 là đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ xăng khi không có bộ phận hạn chế số vòng quay (a) và khi có bộ phận hạn chế số vòng quay (b)

a) b)

Hình 2.2 Đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ xăng

a− không có hạn chế số vòng quay; b− có bộ hạn chế số vòng quay

35

Để đánh giá khả năng khắc phục hiện tượng quá tải hay còn gọi là khả năng thích ứng của động cơ đối với sự tăng tải, người ta đưa ra hệ số thích ứng theo mô men quay và được xác định như sau:

Mn - mô men quay định mức của động cơ

Động cơ nào có hệ số thích ứng càng lớn thì khả năng khắc phục hiện tượng quá tải càng tốt

Ở động cơ xăng (cacbuaratơ) có đường cong Me dốc hơn ở động cơ diesel nên

trong đó : Ne, n - công suất hiệu dụng và tốc độ quay của động cơ ứng với

một điểm bất kỳ trên đường đặc tính ngoài;

Nn, nn - công suất định mức (công suất cực đại) và số vòng quay

36

Giá trị của mô men quay được xác định theo công thức :

n e

trong đó: Ne - công suất động cơ, KW;

n - số vòng quay của trục khuỷu, v/ph;

Me - mô men quay của động cơ, Nm

Như vậy, nhờ sử dụng các công thức (2.2) và (2.3) ta có thể xây dựng được một cách gần đúng các đường cong Ne = f(n) và Me = f(n)

2.1.2 Đường đặc tính tốc độ cục bộ hay đường đặc tính bộ phận

Thông thường động cơ cácbuaratơ ở ôtô thường làm việc theo đường đặc tính cục bộ Đường đặc tính ngoài dựng với điều kiện mở 100% bướm ga, còn đường đặc tính cục bộ dựng với từng phần (độ mở bướm ga dưới 100% ví dụ 25%, 30%,….) Tại mỗi độ mở bướm ga ta

phải tiến hành thí nghiệm mới

dựng được đường đặc tính cục bộ

Ở đây chỉ dựng các đường

cong chủ yếu: Ne, Me, và ge (hình

2.3)

Đối với động cơ điedel,

người ta thay dần vị trí thanh răng

điều chỉnh nhiên liệu để giảm dần

+ Hệ số nạp giảm nhanh (b ướm ga đóng dần)

+ Mất mát tương đối công cơ học tăng (Nch =const mà Ne giảm dần)

37

+ Mất mát tuyệt đối về công bơm tăng ở động cơ cácbuaratơ

+ Mất mát tương đối về nhiệt tăng

2 Càng giảm phụ tải, xuất hiện tiêu hao nhiên liệu càng tăng (gemin tăng về phía trái vì khi tốc độ không đổi, phụ tải càng giảm công suất chỉ thị Ni giảm mà công suất cơ học Nm = const nên công suất thực tế Ne giảm, ở 100% phụ tải ge = 180

250 g/kW.h và không tải ge =

3 Động cơ làm việc ở chế độ toàn tải thì tiết kiệm cao nhất nhưng phụ tải cơ học và phụ tải nhiệt sẽ rất lớn, động cơ giảm độ bền Chỉ khi rất cần thiết mới mở 100% bướm ga, còn thông thường phải làm việc theo các đường đặc tính cục bộ (mở bướm ga <100%)

2.1.3 Tính kinh tế nhiên liệu

Mức tiêu hao nhiên liệu là một nhân tố chủ yếu quyết định hiệu suất của ô tô

Sự tiêu hao nhiên liệu của ô tô được thể hiện dưới dạng:

- Mức tiêu hao nhiên liệu trên khoảng cách di chuyển bs l/100km , hoặc

- Mức tiêu hao nhiên liệu trên đơn vị thời gian bt l/h

Thực tế trên thế giới lượng tiêu hao nhiên liệu tính toán khác nhau từ những tiêu chuẩn kiểm tra đó của xe, tác động của cách lái xe và điều kiện giao thông, đường xá, những nhân tố môi trường và điều kiện và trang thiết bị của xe Lái xe có ảnh hưởng lớn: tốc độ và cấp số anh ta chọn quyết định đến điểm vận hành của động cơ và vì thế lượng tiêu hao nhiên liệu cũng thay đổi

Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ đốt trong có thể được biểu diễn bằng một hàm số thể hiện sự tương quan giữa mô men và tốc độ động cơ Một đường đặc tính tiêu thụ nhiên liệu thuộc loại này được thể hiện trong hình 2.4; Lượng tiêu thụ tuyệt đối babs được biểu thị bằng g/h Nó tăng theo công suất động cơ Nếu lượng

tiêu thụ riêng b e được biểu thị bằng g/kWh, thuật ngữ "biểu đồ hình củ hành" được

sử dụng (Hình 2.5) Có một đường tiêu thụ tối thiểu be,min ngay bên dưới đường cong đầy tải, ở dải tốc độ động cơ thấp Vị trí chính xác phụ thuộc vào động cơ Trong trường hợp của động cơ xăng trên ô tô chở khách có lượng tiêu thụ tối thiểu là

khoảng 250 g/kWh, và với động cơ diesel xe thương mại, nó vào khoảng 190g/kWh

38

Hình 2.4 Biều đồ tiêu thụ của động cơ xăng Lượng tiêu thụ tuyệt đối b abs (g/h)

Giống như đặc tính động cơ, biểu đồ lượng tiêu hao nhiên liệu là cơ sở quan trọng cho sự phù hợp giữa động cơ, hộp số với phương tiện Sự truyền động tận dụng những khu vực tiêu hao nhiên liệu thấp trên biểu đồ đặc tính động cơ Hình

2.5 biểu diễn những đường đồng mức thể hiện mức tiêu hao nhiên liệu riêng b e

không đổi (hình củ hành) cũng như các đường đặc tính mô men/tốc độ động cơ ở

công suất động cơ không đổi (đường hyperbol công suất yêu cầu) T(P=cont)

Hình 2.5 Biểu đồ động cơ (sơ đồ hình củ hành), lượng tiêu hao nhiên liệu riêng b e được tính bằng g/kWh Biểu đồ lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ xăng 2.0,

công suất danh định 111 kW, 6 xi-lanh, 24 xuppap

39

Trong trường hợp này, cùng một công suất động cơ có thể tạo ra nhiều giá trị

mô men/tốc độ động cơ khác nhau – điểm 1 và 2 trên biểu đồ - và vì vậy có những mức tiêu thụ nhiên liệu khác nhau Điểm tiêu hao nhiên liệu tối thiểu được tìm thấy trên đường hyperbol công suất Đường cong nối các điểm này gọi là đường tiêu hao

nhiên liệu tối thiểu

2.2 Hệ thống truyền lực trên ô tô

Khi tính toán, thiết kế hệ thống truyền lực ô tô nhiệm vụ quan trọng nhất là phải xác định tỷ số truyền cho các cụm trong HTTL Hệ thống truyền lực phải cung cấp các tỷ số truyền giữa tốc độ quay của động cơ và vận tốc bánh xe trên mặt đường để xe có thể đạt được các yêu cầu sau:

- Vượt qua các điều kiện xấu của đường,

- Đạt được vận tốc lớn nhất theo yêu cầu

- Hoạt động ở dải hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao nhất của động cơ

2.2.1 HTTL cơ khí có cấp

Trong HTTL cơ khí có cấp tỷ số truyền lớn nhất theo yêu cầu iA, max được xác định bởi điều kiện vượt qua các điều kiện xấu của đường Điều kiện đạt được vận tốc lớn nhất theo yêu cầu và hoạt động ở dải hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao nhất của động cơ cho ta một khái niệm đó là tỷ số truyền ở vận tốc lớn nhất của xe iA(vmax, th)

Tỷ số truyền nhỏ nhất của hệ thống truyền lực iA, min được xác định bởi điều kiện ba Hình 2.6 thể hiện sự thay đổi tốc độ của đầu ra hộp số ứng với tốc độ vòng quay động

cơ Dải tốc độ vòng quay động cơ (tốc độ sơ cấp) được thay đổi bởi hộp số để thành dải tốc độ thứ cấp Phạm vi hoạt động nằm giữa các giới hạn tỷ số truyền

40

Tỷ số truyền của hộp số lớn là yêu cầu đặc biệt quan trọng đối với ô tô cỡ lớn cùng với động cơ công suất lớn và hệ số cản khí động thấp, cần:

- Tỷ số truyền mô men lớn iA, max để vượt chướng ngại vật và tăng tốc,

- Tỷ số truyền nhỏ nhất thấp iA, min để chỉ cần tốc độ động cơ thấp khi chạy trên đường cao tốc nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu

a) Tỷ số truyền của hộp số

Tỷ số truyền của hộp số, thường được quy vào tỉ lệ của các tỷ số, là tỉ lệ giữa

tỷ số truyền cao nhất và tỷ số truyền thấp nhất iG, tot = iG, max/iG, min = i1/iz với các số

từ 1 đến z

Tỷ số truyền của hộp số phụ thuộc vào:

- Công suất riêng ở đầu ra của xe (Pmax/(mF + mpayload) đơn vị kW/t,

- Tỷ số truyền của động cơ, và mục đích sử dụng

Những xe có công suất riêng ở đầu ra thấp, ví dụ như các xe chở hàng, cần có tỷ số truyền của hộp số lớn hơn Cũng áp dụng như vậy đối với xe lắp động cơ diesel là những xe có khoảng biến thiên tốc độ động cơ hẹp Các giá trị tham khảo của tỷ số truyền hộp số cho các dòng xe khác nhau được thể hiện ở trên hình 2.7

Xe t¶i > 16t

Xe t¶i < 16t

Xe kh¸ ch ®u êng dài

Xe con ví i lôa chän gia tèc vµ tiª u hao NL

Tỷ số truyền iG, tot

Hình 2.7 Các giá trị tham khảo của tỷ số truyền hộp số với những dạng xe khác nhau Trong trường hợp hộp số tự đông, hệ số chuyển đổi của bộ biến mô (max

2-3) sẽ được tính thêm vào