Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công suất trên xe ô tô quân sự

Sự ña dạng hoá và mức ñộ phức tạp ngày càng cao của hệ thống truyền lực trên xe ñặt ra cho các nhà chuyên môn kỹ thuật những yêu cầu ngày càng khắt khe, ñòi hỏi phải có những phương pháp

ðẶT VẤN ðỀ

ðất nước ñang trong thời kỳ phát triển, yêu cầu về công nghiệp hoá và hiện ñại hoá ðất nước ngày càng ñược chú trọng Việc phát triển kinh tế ñưa ðất nước tiến lên theo con ñường của hội nhập và phát triển cùng với phát triển quốc phòng

ñể bảo ñảm giữ vững ñược ñộc lập, chủ quyền và duy trì sự ổn ñịnh xã hội ñược ðảng, Nhà nước và quân ñội ta ngày càng chú trọng Thực hiện nhiệm vụ của quân ñội trong thời kỳ ñổi mới, ngành kỹ thuật xe máy quân ñội ñã và ñang ñi từng bước nâng cao chất lượng nghiên cứu khoa học kỹ thuật, ñồng thời khai thác sử dụng tốt những trang thiết bị hiện có trong quân ñội

Sự ña dạng hoá và mức ñộ phức tạp ngày càng cao của hệ thống truyền lực trên xe ñặt ra cho các nhà chuyên môn kỹ thuật những yêu cầu ngày càng khắt khe, ñòi hỏi phải có những phương pháp nghiên cứu hợp lý, những công cụ phù hợp ñể giải những bài toán phức tạp mang tính quá trình, ví dụ như bài toán tuần hoàn công suất trong hệ thống truyền lực

Tuần hoàn công suất là một trong những hiện tượng tương ñối ñặc trưng xảy

ra trong quá trình hoạt ñộng của xe có nhiều cầu chủ ñộng Tuần hoàn công suất có thể xảy ra trong một quá trình liên tục hoặc gián ñoạn, với những mức ñộ khác nhau Tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố kết cấu và sử dụng, có tác dụng hai mặt tới hoạt ñộng của hệ thống truyền lực Việc nghiên cứu tuần hoàn công suất trong cả quá trình hoạt ñộng của hệ thống truyền lực là một cơ sở trong thiết kế các chi tiết tham gia truyền công suất, xây dựng các quy chế sử dụng, và ở mức ñộ cao hơn nữa là xác ñịnh quy luật ñiều khiển ñể giảm thiểu tác hại và phát huy triệt ñể mặt tích cực của tuần hoàn công suất

Xuất phát từ những yêu cầu trên, với sự hướng dẫn của PGS.TS Vũ ðức Lập, sự giúp ñỡ của các thầy giáo trong Bộ môn Xe quân sự, tôi ñã chọn ñề tài

nghiên cứu với nội dung “Nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công suất trên xe ô

tô quân sự”

Nội dung chính của ñề tài bao gồm:

- ðặt vấn ñề

- Chương 1: Tổng quan về vấn ñề nghiên cứu, tính cấp thiết của ñề tài

- Chương 2: Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực

- Chương 3: Nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công suất trên xe ô tô quân sự

- Kết luận

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ðỀ TÀI 1.1 Tổng quan về lý thuyết dòng lực và hiện tượng tuần hoàn công suất

1.1.1 Lý thuyết dòng lực và phương pháp dòng lực

Theo tài liệu [10], lý thuyết dòng lực dựa trên ba khái niệm cơ bản: Nhân tố lực, nhân tố vận tốc và nhân tố công suất của dòng năng lượng truyền ñi trong một ñơn vị thời gian Khi ñó một dòng mang năng lượng từ vị trí này ñến một vị trí khác ñược gọi là dòng có hướng, nếu năng lượng chỉ khuếch tán trong không gian thì ñược gọi là dòng khuếch tán ðối với hệ thống truyền lực cơ khí, nhân tố lực của dòng có hướng là mô men xoắn M ñặt trên trục truyền, nhân tố vận tốc là vận tốc góc ω của trục quay Khi ñó nhân tố công suất N của dòng truyền qua trục sẽ ñược tính theo công thức 1.1

ω

M

Lý thuyết dòng lực cũng chỉ ra rằng, cho dù kết cấu biến ñổi có trong hệ thống truyền lực ô tô có ña dạng ñến mức ñộ nào ñi nữa, tất cả chúng ñều bao gồm các phần tử của hai dạng sau ñây:

- Kết cấu biến ñổi nhân tố lực khi không thay ñổi nhân tố vận tốc

- Kết cấu biến ñổi nhân tố vận tốc khi không thay ñổi nhân tố lực

Các kết cấu này ñược liên kết với nhau thông qua các trục truyền dẫn năng lượng, tổng hợp lại chúng tạo ta các nút này hoặc nút khác của hệ thống truyền lực hay bộ truyền

Chúng ta có thể phát biểu hai nguyên lý của lý thuyết dòng lực như sau:

- Tổng giá trị các nhân tố công suất của các dòng tuyệt ñối và dòng tương ñối của một ñiểm nút bằng không (công thức 1.2)

- Tổng giá trị các nhân tố lực của các dòng ñồng nhất của ñiểm nút bằng không (công thức 1.3)

1 ' 1

Trong ñó:

qk: Véc tơ nhân tố lực của dòng thứ k

uk: Véc tơ nhân tố vận tốc của dòng thứ k

Np’: Nhân tố công suất của dòng tương ñối thứ p

Với:

2 1 2 ,

2 , 1 '

u q

Trong ñó:

u1, u2: Nhân tố vận tốc tuyệt ñối của hai dòng vô hướng 1 và 2

u1,2: Nhân tố vận tốc tương ñối của dòng 1 so với dòng 2

Hình 1.1 Ký hiệu các nhân tố của dòng lực

Phương pháp dòng lực ra ñời từ những năm 50 của thế kỷ XX, nhưng vì các

hệ thống truyền lực lúc ñó còn ở dạng ñơn giản, nên phương pháp này ít ñược chú ý

và sử dụng trong ngành kỹ thuật xe máy Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, xuất hiện nhiều loại xe có hệ thống truyền lực phức tạp và có chất lượng vượt trội như hệ thống truyền lực thuỷ cơ, hệ thống truyền lực thay ñổi liên tục (CVT), hệ thống truyền lực nhiều dòng công suất v.v., thì việc tính toán các hệ thống truyền lực ñó bằng phương pháp lực trở lên khó khăn Phương pháp dòng lực bắt ñầu ñược sử dụng ngày một rộng rãi và ñược khẳng ñịnh là một phương pháp

tiên tiến, ñáp ứng ñược các yêu cầu tính toán khắt khe của các hệ thống truyền lực phức tạp

Phương pháp dòng lực là phương pháp tính toán dựa trên cơ sở sơ ñồ hoá hệ thống truyền lực bằng các nút và các dòng truyền, trong ñó ñiểm nút là ñiểm thay ñổi trạng thái và dạng chuyển ñộng, các dòng truyền công suất trong hệ toạ ñộ không gian và thời gian ñược gọi là dòng lực

Sự thay ñổi trạng thái dòng lực ñược hình thành tại các nút nhánh Nút nhánh ñược ñặc trưng bởi nhân tố lực Sự thay ñổi dạng dòng lực ñược hình thành tại các nút ñộng lực Nút ñộng lực ñược ñặc trưng bởi nhân tố vận tốc Tuy nhiên, khi thiết lập sơ ñồ dòng lực, không phải lúc nào cũng cần thiết phải biểu diễn các ñiểm nút là nút nhánh hay nút ñộng lực Trong nhiều trường hợp có thể và cần phải thiết lập sơ

ñồ dòng lực với những ñiểm nút tổng quát Tại nút tổng quát ñồng thời diễn ra sự thay ñổi trạng thái và dạng của dòng lực ðặc tính của các ñiểm nút tổng quát ñược thể hiện bằng các ñẳng thức phản ánh tính chất của chúng

Hình 1.2 Ký hiệu chung của các ñiểm nút

a Nút nhánh; b Nút ñộng lực; c Nút tổng quát

Nếu như nút nhánh chỉ tồn tại ở hai dạng là nút phân công suất và nút hợp công suất, thì nút ñộng lực ña dạng hơn rất nhiều và ñược sử dụng thường xuyên trong mô hình hệ thống truyền lực Các dạng ñặc trưng của nút ñộng lực trong mô hình hệ thống truyền lực là nút trượt, nút phanh, nút không tải, nút xuyên suốt, nút biến ñổi dạng chuyển ñộng

a, u=const

q=var

b, q=const u=var

c, q=var u=var

Hình 1.3 Một số dạng nút ñộng lực

a Nút biến ñổi dạng chuyển ñộng; b Nút trượt;

c Nút không tải; d Nút xuyên suốt

Các yếu tố lực và vận tốc của mọi dòng lực ñều tuân theo hai nguyên tắc cơ bản sau là nguyên tắc cân bằng ñộng lực và nguyên tắc bảo toàn vận tốc tương ñối của dòng lực kín Tuy nhiên, cần phải lưu ý rằng dòng lực cuối cùng không phải ñược ñặc trưng bởi yếu tố lực hay vận tốc, mà bằng công suất Hai nguyên tắc cơ bản và ñặc tính của các ñiểm nút cho phép ta thiết lập một hệ phương trình kín biểu diễn chuyển ñộng của dòng lực Giải hệ phương trình này ta tìm ñược các giá trị yếu

tố lực và vận tốc theo giá trị các yếu tố ban ñầu, và ñó chính là bản chất của phương pháp dòng lực

Vì dòng lực là mô hình hoá sự truyền lực giữa các vật thể tương tác, nên phương pháp dòng lực là phương pháp chung ñể tính toán dòng lực ñối với mọi truyền ñộng, bất kể ñó là truyền ñộng cơ khí, ñiện hay thuỷ lực Biểu diễn hình học các ñiểm nút và dòng truyền ta sẽ ñược sơ ñồ dòng lực Dòng truyền bao giờ cũng

có hướng từ khâu chủ ñộng (nơi có công suất cao) ñến khâu bị ñộng (nơi có công suất thấp hơn) với tổn hao nào ñó (ñược tính thông qua hiệu suất η) Phương pháp dòng lực là một trong những phương pháp rất thuận lợi trong việc biểu diễn, phân tích và tính toán các hệ thống truyền lực phức tạp, nhiều dòng công suất, ñặc biệt là trong hệ thống truyền lực có dòng lực kín, tuần hoàn công suất Phương pháp này cho phép lập trình ñể tính toán hệ thống truyền lực một cách linh hoạt, dễ dàng thay ñổi tuỳ theo kết cấu của hệ thống và thông số ñiều khiển, làm cơ sở cho việc giải các bài toán tối ưu về thiết kế và ñiều khiển

Từ các phân tích trên, ta thấy phương pháp dòng lực có nhiều ưu ñiểm trong việc tính toán hệ thống truyền lực, ñặc biệt là nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công suất trong hệ thống truyền lực của ô tô có hai hay nhiều cầu chủ ñộng Ngày nay, sự phát triển của công nghệ thông tin với sự xuất hiện của nhiều công cụ tính toán hiện ñại ñã mang lại nhiều thuận lợi cho việc nghiên cứu một cách tương ñối ñầy ñủ các quá trình hoạt ñộng của những hệ thống truyền lực phức tạp sát với ñiều kiện hoạt ñộng thực tế

Một trong những công cụ như vậy ñã ñược sử dụng rộng rãi chính là mô ñun SimDriverLine của phần mềm Matlab

1.1.2 Hiện tượng tuần hoàn công suất

Theo [10], việc tồn tại dòng lực kín trong hệ thống truyền lực là ñiều kiện cần ñể xảy ra hiện tượng tuần hoàn công suất ðiều ñó tức là trong hệ thống truyền lực phải có ít nhất một nút phân công suất và một nút hợp công suất Trong trường hợp chiều của dòng công suất chính không thay ñổi, khi nút phân công suất biến ñổi thành nút hợp công suất và ngược lại thì ñó là dấu hiệu của hiện tượng tuần hoàn công suất Như vậy, có thể hiểu hiện tượng tuần hoàn công suất là hiện tượng một phần công suất không ñược tiêu thụ hết mà quay trở về nhập vào dòng công suất chính ñược truyền xuống từ nguồn sinh công suất

Hình 1.4 Sơ ñồ dòng lực khi chưa có tuần hoàn công suất

Trên hình 1.4 thể hiện sơ ñồ dòng lực với dòng lực kín nhưng chưa xảy ra hiện tượng tuần hoàn công suất Quan sát hình 1.4, nhận thấy rằng trong hệ thống truyền lực có nút phân công suất D2, và nút hợp công suất C Dòng công suất chính với hai yếu tố ñặc trưng là M và ω qua nút phân công suất D2 chia sang cho hai cầu

xe chủ ñộng ñược mô men M1 và M2, sau ñó qua hai nút tổng quát k'1 và k'2 rồi hợp lại tại nút hợp công suất C Tổng cộng hai giá trị lực phát sinh tại nút biến ñổi dạng chuyển ñộng (bánh xe) là P1 và P2 hợp tại nút hợp công suất C truyền lên khung xe làm cho xe chuyển ñộng với vận tốc V và thẳng lực cản tổng cộng R

Hình 1.5 Tuần hoàn công suất trong dòng lực kín

Trên hình 1.5 thể hiện sơ ñồ dòng lực có dòng lực kín và có hiện tượng tuần hoàn công suất Nhận thấy rằng, nút k'2 là bánh xe chủ ñộng nhận công suất từ ñộng

cơ rồi truyền ra khung xe qua tương tác mặt tựa với nền ñường, nút k'1 là bánh xe bị ñộng nhận công suất từ khung truyền sang Do k'1 và k'2 có liên hệ ñộng học với nhau qua hệ thống truyền lực nên công suất truyền từ k'1 sang k'2 thành một vòng lực kín, như vậy nút phân công suất D2 trở thành nút hợp công suất (một phần công suất ñược quay trở lại hợp với dòng công suất chính truyền từ nguồn sinh công suất)

và nút hợp công suất C trở thành nút phân công suất ðây chính là hiện tượng tuần hoàn công suất

Phương trình cân bằng lực tại nút phân nhánh C:

R P

Phương trình vận tốc:

2 2 1

1

2 1 1

1

λ λ

λ λ

λ

λ

+

∆+

=+

−+

2 1 1 2

1

2 1 1

2

λ λ

λ λ

1.1

cầu xe thì hiện tượng tuần hoàn công suất luôn xảy ra tuỳ thuộc vào mối quan hệ theo công thức 1.13

Lực cản R phụ thuộc vào loại ñường, R càng nhỏ thì xác suất xuất hiện hiện tượng tuần hoàn công suất càng lớn Khi mà R = 0, ta có P1=-P2, tức là luôn có hiện tượng tuần hoàn công suất trong hệ thống truyền lực

Mặt khác, nếu có chêch lệch trọng lượng hoặc áp suất hơi lốp của các bánh

xe quá lớn cũng xảy ra hiện tượng tuần hoàn công suất

1.1.3 Ảnh hưởng của hiện tượng tuần hoàn công suất

Trên xe ô tô, trong hệ thống truyền lực, hiện tượng tuần hoàn công suất xuất hiện có hai mặt tác dụng lợi và hại

Phân tích nhân tố lực, nếu ta coi như tổng các lực cản ΣR=const, từ ñó phương trình cân bằng lực như sau:

onst c R P

P

Như vậy nếu có hiện tượng tuần hoàn công suất xảy ra, tức là có tồn tại một giá trị Pj < 0, khi ñó các giá trị lực khác Pi phải tăng lên ñể ñảm bảo ñược ñúng theo ñiều kiện 1.14, như vậy tải trọng tác dụng lên các cầu xe sẽ tăng lên gây quá tải cho các cầu

Mặt khác, tại ñiểm nút biến ñổi chuyển ñộng quay thành chuyển ñộng tịnh tiến theo tài liệu [2], ta có:

rci: Bánh kính lăn tự do của bánh xe

rk: Bán kính lăn thực tế của bánh xe P: Nhân tố lực tịnh tiến của bánh xe

λ: Hệ số ñàn hồi dọc của bánh xe Với bánh xe chủ ñộng ta có P > 0, nên khi P tăng thì rk giảm, dẫn ñến Vtt<Vlt, bánh xe bị trượt lết gây ra hiện tượng mòn lốp

Từ những tác hại trên của hiện tượng tuần hoàn công suất, ñể loại bỏ hiện tượng này, trong hệ thống truyền lực của ô tô, người ta thường sử dụng bộ vi sai giữa các bánh xe và vi sai giữa các cầu xe (với các xe có nhiều cầu chủ ñộng) Do tính chất ñặc biệt của vi sai chỉ có hai phương án dòng lực ñó là nút phân công suất hoặc hợp công suất, chứ không có công suất truyền từ trục 1 sang trục 2

Hình 1.6 Sơ ñồ thể hiện tính chất ñộng lực học của vi sai

Tính chất này ñược sử dụng ñể khử hiện tượng tuần hoàn công suất Tuy vậy nhược ñiểm chính của vi sai là mô men chủ ñộng luôn ñược phân phối ñến các bánh

xe chủ ñộng (hoặc các cầu chủ ñộng) và phụ thuộc vào ñiều kiện bám của bánh xe với mặt ñường Lực kéo lớn nhất có thể sinh ra tại một cầu xe là:

k ms

Trong ñó:

Pkmax: Lực kéo lớn nhất có thể tại một cầu

Pϕmin: Lực bám nhỏ nhất tại một cầu

Mms: Mô men ma sát trong của vi sai

Tuỳ thuộc vào ñiều kiện ñường mà Pϕmin rất nhỏ thậm chí bằng 0 (Khi một bánh hoặc một cầu bị sa lầy), lúc ñó Pkmax cũng xấp xỉ bằng 0 ðể khắc phục ñiều này, sử dụng bộ vi sai có ma sát trong cao hoặc cơ cấu khoá vi sai khi cần thiết, tức

là sử dụng mặt tích cực của hiện tượng tuần hoàn công suất

Những ảnh hưởng xấu của hiện tượng tuần hoàn công suất ñã ñược nêu ở trên là rất lớn, tuy nhiên trong một số trường hợp, hiện tượng tuần hoàn công suất còn có những tác dụng tích cực

Ví dụ như với xe có nhiều cầu chủ ñộng không có vi sai giữa các cầu, khi một bánh xe trên một cầu hoặc cả cầu xe ñó nằm trên ñịa hình có hệ số bám rất thấp (có thể mất bám hoàn toàn), công suất tuần hoàn từ cầu ñó về các cầu còn lại làm tăng công suất cho các cầu còn lại, chính nhờ lý do ñó mà có thể xe vẫn chuyển ñộng ñược Như vậy hiện tượng tuần hoàn công suất làm tăng khả năng thông qua của xe trên các ñịa hình phức tạp, ñiều này là rất phù hợp ñối với xe quân sự thường xuyên hoạt ñộng trên những ñịa hình có ñường hoặc không có ñường

Một ví dụ khác nữa về tác dụng tốt của hiện tượng tuần hoàn công suất ñó là với xe tăng thiết giáp khi sử dụng cơ cấu quay vòng hành tinh hai bậc, nhờ có hiện tượng tuần hoàn công suất, khi quay vòng có một phần công suất tuần hoàn từ dải xích dừng sang bên phía dải xích chạy, do vậy làm giảm tải cho ñộng cơ và khả năng quay vòng của xe ñược cải thiện hơn rất nhiều

1.2 Tình hình nghiên cứu về hiện tượng tuần hoàn công suất

Hiện tượng tuần hoàn công suất giữa các bánh xe trên một cầu chủ ñộng hoặc giữa các cầu chủ ñộng với nhau ñã ñược ñề cập trong một số tài liệu, ñặc biệt

là các tài liệu chính thống về lý thuyết ô tô cũng như kết cấu tính toán ô tô Trong một số tài liệu, khi tính toán thiết kế hệ thống truyền lực, ñối với hiện tượng tuần hoàn công suất chỉ ñược tính toán ở các trạng thái cân bằng, và tính toán ở từng trạng thái một, không thể hiện ñược kết quả tính toán theo thời gian ở tất cả các trạng thái ñặc biệt là trạng thái quá ñộ

Ở Việt Nam cũng ựã có một số ựề tài nghiên cứu về ảnh hưởng của hiện tượng tuần hoàn công suất gây nên việc gia tăng tải trọng lên các chi tiết truyền tải của hệ thống truyền lực trên xe, từ ựó nghiên cứu khả năng chịu tải của các chi tiết khi có hiện tượng tuần hoàn công suất Tuy nhiên, phương pháp tắnh toán là tắnh toán ở trạng thái cân bằng, chọn giá trị mô men tắnh toán thực tế trên chi tiết hoặc cụm chi tiết ựó

1.3 Tắnh cấp thiết của ựề tài

Xuất phát từ tình hình nghiên cứu về hiện tượng tuần hoàn công suất, ta thấy cần thiết phải nghiên cứu và thể hiện ựược hiện tượng tuần hoàn công suất trong hệ thống truyền lực của ô tô quân sự ở tất cả các trạng thái, trong cả quá trình hoạt ựộng của hệ thống truyền lực

Mặt khác, trên quan ựiểm của lý thuyết ựộng lực học truyền thống, khi tắnh toán ta tắnh với các trạng thái cân bằng và ở các ngưỡng Ngày nay, mục tiêu ựòi hỏi khi nghiên cứu không chỉ là ựể ựạt ựược các chỉ tiêu ựặt ra tại các ngưỡng cần thiết

vắ dụ như vận tốc chuyển ựộng lớn nhất, ựộ bền của các chi tiết khi chịu tải trọng tác dụng lớn nhất mà ựặt ra việc cần thiết phải kiểm soát ựược quá trình, theo dõi ựược quá trình thậm chắ còn có yêu cầu ựiều khiển quá trình ựể ựạt ựược những chỉ tiêu tối ưu cụ thể Vì vậy việc nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công suất theo cả một quá trình bao gồm các trạng thái quá ựộ và trạng thái ổn ựịnh là rất cần thiết

Với các công cụ và phần mềm mô phỏng như hiện nay, ựể giảm thiểu chi phắ cho công việc nghiên cứu, hầu hết các quá trình ựều thông qua một bước quan trọng với sự trợ giúp của máy tắnh số đó là mô phỏng các quá trình trên máy tắnh, kiểm soát và thay ựổi, lựa chọn các thông số tối ưu rồi mới chuyển qua giai ựoạn chế thử đối với hệ thống truyền lực của các xe quân sự nhiều cầu, hiện tượng tuần hoàn công suất trên từ trước ựến nay chưa ựược ựưa vào nghiên cứu với mô hình ựộng lực học của toàn xe, do vậy ựó cũng là một yêu cầu cấp thiết ựặt ra phải mô phỏng ựược ựộng lực học toàn xe khi có hiện tượng tuần hoàn công suất với các trạng thái khác nhau

1.4 Mục ựắch, nhiệm vụ, phương pháp thực hiện và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Mục ựắch

Mục ựắch ựặt ra của ựề tài là nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công suất có thể xảy ra trong quá trình khai thác sử dụng, ựánh giá ựược ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và sử dụng tới hiện tượng tuần hoàn công suất trên ô tô quân sự và

xe bọc thép bánh lốp Mô phỏng ựược ựộng lực học toàn xe khi có hiện tượng tuần hoàn công suất xuất hiện ở các trạng thái

1.4.2 Nhiệm vụ

Các nhiệm vụ cụ thể của ựề tài là:

- Mô phỏng hệ thống truyền lực xe ô tô quân sự và xe bọc thép bánh lốp

- Trên cơ sở mô hình mô phỏng tiến hành phân tắch hoạt ựộng của hệ thống truyền lực, tập trung vào các trạng thái hoạt ựộng có thể xảy ra hiện tượng tuần hoàn công suất

- Nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công suất

- đánh giá về ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và sử dụng tới hiện tượng tuần hoàn công suất, từ ựó ựưa ra một số kiến nghị về giải pháp kết cấu và sử dụng

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu và lựa chọn công cụ thực hiện

- Phân tắch hệ thống dựa trên cơ sở lý thuyết dòng lực

- Tắnh toán và nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng

- Chọn công cụ thực hiện là SimDriveLine trong Matlab-Simulink

1.4.4 Phạm vi nghiên cứu

Nội dung chắnh của ựề tài tập trung nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công suất trên xe ô tô quân sự và xe bọc thép bánh lốp, cụ thể chọn ba ựối tượng xe ựiển hình ựể nghiên cứu ựó là xe GAZ66, ZIL131, BTR60PB

Nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công suất trong trường hợp xe chuyển ñộng thẳng với quá trình tăng tốc từ 0-Vmax, khi có sự thay ñổi của bán kính bánh

xe, hệ số bám của ñường, và một thông số kết cấu của hệ thống truyền lực là hệ số

ma sát trong của cơ cấu vi sai

Việc nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công suất ñược thực hiện trên mô hình

mô phỏng hệ thống truyền lực, mô hình mô phỏng ñược xây dựng bằng công cụ SimDriveLine, dựa trên mô hình vật lý thực và mô hình toán học tính toán hệ thống

Mô hình toán học của hệ thống ñược xây dựng trên cơ sở lý thuyết dòng lực và sử dụng phương pháp mô phỏng ñể tính toán

ðối tượng nghiên cứu cụ thể ñược chon là xe GAZ66(4x4), ZIL131(6x6), BTR60PB(8x8) Phạm vi nghiên cứu ñược giới hạn ñối với chuyển ñộng thẳng của

xe, ñiều ñó có nghĩa là mô hình mô phỏng ñược xây dựng cho mô hình phẳng

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC

Nhiệm vụ chính của chương 2 là xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực cho phép tính toán, khảo sát hệ thống thực dựa trên cơ sở lý thuyết dòng lực ñã ñược nêu trong chương 1 Thông qua mô hình mô phỏng, có thể tính toán ñược những số liệu cần thiết phục vụ cho việc khảo sát hiện tượng tuần hoàn công suất trên ô tô quân sự Mô hình mô phỏng ñược xây dựng trên cơ sở mô hình vật lý của hệ thống thực và mô hình toán học, ñể xây dựng ñược mô hình mô phỏng phải tiến hành xây dựng mô hình toán học của hệ thống từ mô hình vật lý trên cơ sở của

lý thuyết dòng lực

2.1 Nhiệm vụ xây dựng mô hình hệ thống

2.1.1 Khái quát chung

ðiều ñầu tiên khi thực hiện tính toán hệ thống truyền lực là phải xây dựng ñược mô hình toán học của hệ thống Các mối quan hệ toán học trong mô hình toán ñược xây dựng sẽ mô tả các trạng thái hoạt ñộng của hệ thống truyền lực, chúng ñược biểu diễn dưới dạng các ñẳng thức, phương trình, bất phương trình qua ñó

mô tả ñược bản chất vật lý của hệ thống theo ñúng yêu cầu và phạm vi nghiên cứu

Mô hình toán học là cơ sở ñể thực hiện tất cả các nhiệm vụ tính toán khi tiến hành khảo sát hệ thống truyền lực Mô hình toán học phản ánh ñầy ñủ, trung thực bản chất vật lý của hệ thống sẽ cho kết quả tính toán ñầy ñủ và chính xác

Mô hình toán của hệ thống truyền lực ñược xây dựng dựa trên các cơ sở sau:

- Yêu cầu nhiệm vụ của bài toán

- Mô hình vật lý của hệ thống

- Tính chất của tín hiệu ñầu vào, tín hiệu trạng thái và tín hiệu ñầu ra

- Các giả thiết ñược sử dụng trong tính toán

- Phương pháp biểu diễn và tính toán hệ thống truyền lực

- Khả năng của người thực hiện

Các thông số ñầu ra chính là cái ñích cần ñạt ñược của quá trình tính toán Việc xác ñịnh thông số ñầu ra là gì lại căn cứ vào yêu cầu nhiệm vụ của bài toán cụ thể Ví dụ, nếu yêu cầu của bài toán chỉ là xây dựng ñặc tính kéo của xe, thì thông

số ñầu ra chỉ là xác ñịnh quy luật thay ñổi giá trị lực kéo ñơn vị theo vận tốc chuyển ñộng của xe Nhưng nếu bài toán yêu cầu ñánh giá chất lượng xe theo các chỉ tiêu tăng tốc, tính việt dã, tính kinh tế nhiên liệu, ñộ êm dịu chuyển ñộng v.v, thì thông

số ñầu ra sẽ là một tập hợp các giá trị hay miền giá trị khác nhau ðể có ñược một thông số ñầu ra cần phải xây dựng một hoặc một số phương trình tính toán Hiển nhiên rằng càng nhiều thông số ñầu ra cần xác ñịnh thì số lượng phương trình cần thiết sẽ càng nhiều hơn, tức là quy mô của mô hình toán học sẽ lớn hơn

Mô hình toán học phải ñược xây dựng theo mô hình vật lý và các ñặc ñiểm

cụ thể của hệ thống truyền lực Các dạng hệ thống truyền lực khác nhau sẽ ñòi hỏi các phương pháp biểu diễn và tính toán khác nhau, có những phương trình và số lượng phương trình khác nhau, từ ñó sẽ có những mô hình toán học khác nhau

Hiện nay, khi tiến hành khảo sát hệ thống truyền lực trên xe, người ta thường

sử dụng các phương pháp biểu diễn và tính toán hệ thống truyền lực sau:

- Biểu diễn và tính toán theo phương pháp lực

- Biểu diễn và tính toán theo phương pháp dòng lực

- Biểu diễn và tính toán theo phương pháp mô hình liên kết

- Biểu diễn và tính toán theo phương pháp mô phỏng

Phương pháp lực, phương pháp dòng lực và phương pháp mô hình liên kết cũng chính là những phương pháp thường ñược sử dụng ñể phân tích hệ thống và xây dựng mô hình toán học của hệ thống truyền lực

Hệ thống truyền lực của xe bao gồm rất nhiều các cụm và các phần tử với các chức năng và nhiệm vụ khác nhau Thông thường, trên ô tô quân sự, hệ thống truyền lực bao gồm: Ly hợp, hộp số, hộp số phân phối, truyền lực các ñăng, truyền lực chính, cầu xe và các bánh xe

Với ô tô quân sự, một ñặc ñiểm nổi bật nhất ñó là ñể ñảm bảo cho ô tô hoạt ñộng trên các ñịa hình có ñường hoặc không có ñường, thông thường các xe ñều có tất cả các cầu ñều là cầu chủ ñộng Ví dụ như các xe có công thức bánh xe là 4x4 như UAZ469, GAZ66…, các xe có công thức bánh xe là 6x6 như ZIL131, ZIL157K…

Cùng ñó, ñể ñảm bảo tăng tính năng thông qua cho các xe khi hoạt ñộng trên các loại ñịa hình phức tạp, trong cơ cấu vi sai giữa các bánh xe hoặc vi sai giữa các cầu xe thường có thiết kế với hệ số ma sát trong cao hoặc có cơ cấu khoá vi sai

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, với ñối tượng nghiên cứu là các xe

ô tô quân sự và xe bọc thép bánh lốp, khi hoạt ñộng trên các ñịa hình phức tạp với kết cấu của hệ thống truyền lực có tất cả các cầu ñều là cầu chủ ñộng, hiện tượng tuần hoàn công suất sẽ xuất hiện ñối với xe có bộ vi sai có ma sát trong cao hoặc khi khoá vi sai ñang trong trạng thái hoạt ñộng, các bánh xe trên cùng một cầu hoặc trên các cầu có bán kính lăn khác nhau, hệ số bám khác nhau giữa hai bánh xe trên cùng một cầu hoặc trên các cầu

Do ñó, nội dung chính của chương này tập trung xây dựng mô hình của các phần tử trong hệ thống truyền lực như ñộng cơ, mô hình cụm truyền lực chính và vi sai giữa hai bánh xe, mô hình cụm vi sai cầu xe, mô hình thân xe có các cầu ñều chủ ñộng, mô hình lốp có với tương tác mặt ñường, và mô hình ñộng lực học toàn xe cho các loại xe có công thức bánh xe là 4x4, 6x6, 8x8 ðối tượng nghiên cứu hiện tượng toàn hoàn công suất cụ thể là xe GAZ66 với vi sai cam ma sát trong cao giữa hai bánh xe trên một cầu chủ ñộng, xe ZIL131 với bộ truyền ñộng liên thông giữa các cầu và không có vi sai cầu, và xe BTR60PB

Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng là ñi xây dựng các mô ñun mô phỏng các cụm, các cơ cấu riêng biệt trong hệ thống truyền lực, sau ñó bằng cách tổ hợp hệ thống, nối ghép các cụm theo kết cấu thực của hệ thống truyền lực cụ thể ñể

có ñược mô hình mô phỏng hoàn thiện

2.1.2 Khái quát chung về mô phỏng, phần mềm Matlab-Simulink và mô ñun SimDriveline

a Khái quát chung về mô phỏng

Trong kỹ thuật có thể hiểu mô phỏng là sự nghiên cứu hệ thống thực thông qua mô hình trạng thái, ñảm bảo tính tương tự giữa kết quả trên mô hình và kết quả của hệ thống thực trong cùng một ñiều kiện khảo sát với một sai số có thể chấp nhận ñược

Hạn chế lớn nhất của mô phỏng chính là sự thiếu chính xác của kết quả giữa

mô hình và hệ thống thực Mức ñộ chính xác của quá trình mô phỏng phụ thuộc vào nhiều yếu tố Thứ nhất, tính trung thực khi mô tả các tính chất vật lý của hệ thống ñược nghiên cứu; thứ hai, mức ñộ sai số ñược lựa chọn; thứ ba, công cụ ñược sử dụng ñể tiến hành mô phỏng; và thứ tư là phương pháp tính toán khi tiến hành mô phỏng

b Khái quát về phần mềm Matlab-Simulink và mô ñun SimDriveline

Simulink là một Toolbox của MATLAB dùng ñể mô hình hoá, mô phỏng và phân tích một hệ thống ñộng Thông thường Simulink ñược dùng ñể thiết kế hệ thống ñiều khiển, hệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục và gián ñoạn ðể mô hình hoá, Simulink cung cấp một giao diện ñồ hoạ ñể sử dụng và xây dựng mô hình với thao tác “nhấn và kéo” chuột Với giao diện ñồ họa,

có thể xây dựng và khảo sát mô hình một cách trực quan hơn ðây là sự khác biệt với các phần mềm khác mà người sử dụng phải ñưa vào các phương trình vi phân

và sai phân bằng ngôn ngữ lập trình ðể sử dụng tốt Simulink, người sử dụng phải

có kiến thức cơ bản về ñiều khiển, xây dựng mô hình toán học theo quan ñiểm của

lý thuyết ñiều khiển và từ ñó thành lập nên mô hình bài toán

Ưu ñiểm của Simulink trong MATLAB là khả năng kết tích hợp hệ thống rất mạnh mẽ Simulink làm việc dựa trên cơ sở giải các phương trình toán học Vì vậy với một hệ thống có nhiều cụm có tính chất vật lý khác nhau (cơ khí, thuỷ lực, ñiện,

khí ) nếu có thể mô tả bằng các phương trình toán học ñều ñược giải kết hợp trong cùng một mô hình Việc sử dụng Simulink cho phép kết hợp các hệ thống (khác nhau về phương diện vật lý nhưng biểu diễn ñược bằng các phương trình toán học) trong cùng một mô hình

Khi tiến hành mô phỏng, Simulink có thể thực hiện việc giải hệ phương trình

vi phân mô tả ñộng học hệ thống bằng các phương pháp như Ơle, Runge-Kutta3, Runge-Kutta5, LinSim, Gear, Euler vv tuỳ theo lựa chọn của người thực hiện

SimDriveline cũng là một Toolbox của MATLAB giao tiếp với Simulink qua các khối chuyển ñổi ñặc biệt ðặc ñiểm của Simulink là tín hiệu ñi theo chiều qui ñịnh và trong các mô hình Closeloop có tín hiệu phản hồi Một ñiểm khác biệt cơ bản của SimDriveline so với Simulink là không qui ñịnh chiều ñi của tín hiệu, tín hiệu phản hồi ñi chung trong cùng một ñường truyền tín hiệu ðiều này làm mô hình mô phỏng gần với thực tế hơn

Trong thư viện của SimDriveline có các khối cơ bản của xe như ñộng cơ, biến mô thủy lực, ly hợp, hộp số thủy cơ, cơ khí, các trục truyền, vi sai, các cặp bánh răng ăn khớp, bánh xe, thân xe… Tùy thuộc vào kết cấu của xe khác nhau, sử dụng các khối ghép nối với nhau ñể xây dựng mô hình cho phù hợp

2.2 Xây dựng mô hình hệ thống

2.2.1 Xây dựng mô hình khối ñộng cơ

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, khối ñộng cơ ñược xây dựng dựa trên cơ sở khối Gasoline Engine trong thư viện sẵn có của mô ñun SimDriveline Tuy nhiên, ñường ñặc tính mô men và công suất của ñộng cơ ñược xây dựng bằng cách sử dụng công thức thực nghiệm Lây ñéc man cho ñộng cơ xăng có bộ hạn chế tốc ñộ tối ña (theo tài liệu [2]) Tín hiệu ñầu vào ñiều khiển của khối ñộng cơ là tín hiệu phần trăm góc mở bướm ga và tốc ñộ thực tế của xe ñược ñưa trở lại ñể so sánh và tìm ñược giá trị mô men tương ứng với chế ñộ hoạt ñộng ở bước tiếp theo

Theo tài liệu [2], ta có, công thức thực nghiệm của S.R.Lâyñécman:

2

N e N

e eN

e

n

n c n

n b a M

Trong ñó:

MeN – Mô men xoắn ứng với công suất hữu ích cực ñại của ñộng cơ

Me – Mô men xoắn ứng với tốc ñộ quay bất kỳ của trục khuỷu trên ñồ thị ñặc tính ngoài

nN - Tốc ñộ quay của trục khuỷu ñộng cơ tương ứng với công suất cực ñại

ne - Tốc ñộ quay của trục khuỷu ñộng cơ tương ứng với công suất Ne và mô men xoắn Me

a,b,c - Các hệ số thực nghiệm của ñộng Với các loại ñộng cơ có các thông

số kỹ thuật chính như Nemax, Memax và số vòng quay trục khuỷu tại các vị trí ñó

Ta có thể xác ñịnh các hệ số a, b, c một cách chính xác, bằng phương pháp giải tích như sau:

1 ) 2 (

1 ) 2 (

w w

M

k k

k k

k

w k

a b

5 , 0 1

Với:

N

e M

n

Memax - Mô men xoắn cực ñại ñộng cơ

nM - Tốc ñộ quay trục khuỷu tại vị trí ñạt mô men xoắn cực ñại

Công suất ñộng cơ ñược tính theo công thức sau ñây:

30 1000

81 ,

e

n M

ðoạn mã xây dựng ñặc tính cho ñộng cơ xăng có bộ hạn chế tốc ñộ tối ña sử dụng ñể xây dựng mô hình mô phỏng khối ñộng cơ ñược thể hiện trên hình 2.1 Hình 2.2 thể hiện hộp thoại giao diện nhập dữ liệu ñầu vào cho khối ñộng cơ

Hình 2.1 ðoạn mã xây dựng ñường ñặc tính của ñộng cơ xăng theo Lây ñéc man

Hình 2.2 Hộp thoại nhập thông số chính của ñộng cơ

Các thông số chính ñược nhập vào ñó là công suất lớn nhất (Maximum power), tốc ñộ ứng với công suất lớn nhất (Speed at maximum power), tốc ñộ lớn nhất (Maximum speed), tốc ñộ nhỏ nhất (Minimum speed) Mô hình mô phỏng khối ñộng cơ ñược xây dựng trong SimDriveLine ñược biểu thể hiện như hình 2.3

1 Tor

Vel

T ransducer Peak torque

-K-1

T hrottle

Hình 2.3 Mô hình mô phỏng khối ñộng cơ ñược trong SimDriveLine

Tín hiệu ñầu vào là phần trăm góc mở bướm ga, ñưa vào và tra bảng ñặc tính, tìm ñược giá trị mô men, giá trị mô men ñược ñưa tới bộ chuyển ñổi năng lượng Transducer, và ñược ñưa ñến cổng kết nối ra phần tiếp theo của hệ thống truyền lực Mô men của ñộng cơ sinh ra ñược cân bằng với mô men truyền từ mặt ñường lên trên trục kết nối cứng, giá trị tốc ñộ thực tế của trục cứng (từ bánh xe) ñược ñưa trở lại tra bảng tìm ñược giá trị mô men của ñộng cơ tương ứng ở trạng thái tiếp theo Như vậy quá trình hoạt ñộng của khối ñộng cơ ñược mô phỏng là phù hợp với quá trình hoạt ñộng thực tế

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Dac tinh ngoai dong co tren xe GAZ66

Hình 2.4 ðồ thị ñặc tính ngoài ñộng cơ GAZ66

Các thông số chính của ñộng cơ lắp trên các xe GAZ66, ZIL131, BTR60PB ñược cho trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Thông số chính của ñộng cơ lắp trên các xe khảo sát

Loại xe STT Thông số

1 Loại ñộng cơ Xăng, 4 kỳ, 8 xi

lanh, chữ V

Xăng, 4 kỳ, 8 xi lanh, chữ V

Xăng, 4 kỳ, 6 xi lanh, 1 hàng

2.2.2 Xây dựng mô hình khối ly hợp

Trong việc mô phỏng hệ thống truyền lực, việc mô phỏng các trạng thái hoạt ñộng của khối ly hợp là rất khó khăn

Theo lý thuyết dòng lực, ly hợp là một nút trượt khi tốc ñộ của hai khâu chủ ñộng và bị ñộng không bằng nhau nhưng không ngắt hoàn toàn, là nút xuyên suốt khi tốc ñộ giữa hai khâu bằng nhau (không có trượt), và là nút không tải khi ngắt hoàn toàn Trạng thái không trượt xảy ra khi mô men của khâu chủ ñộng nhỏ hơn

hoặc bằng mô men ma sát của ly hợp Trong trường hợp ñó toàn bộ công suất ñược truyền qua ly hợp, khâu bị ñộng nhận giá trị mô men bằng mô men của khâu chủ ñộng Tốc ñộ của khâu chủ ñộng và tốc ñộ của khâu bằng nhau

Khi mô men của khâu chủ ñộng lớn hơn mô men ma sát, ly hợp rơi vào trạng thái trượt Mô men trên khâu bị ñộng nhận giá trị bằng mô men ma sát, và ñó cũng chính là giá trị mô men cản chất lên khâu chủ ñộng Sự chênh lệch giữa mô men chủ ñộng và mô men cản tạo gia tốc cho khâu chủ ñộng Phương trình tính toán tốc

ñộ khâu chủ ñộng như sau :

M M

cd cd

Mcd: Mô men của phần chủ ñộng ly hợp

Mc: mô men cản chất lên phần chủ ñộng Phương trình lực mô tả hoạt ñộng của li hợp như sau [2] :

z R P

0

M

M M

M M

f cd

f

f cd

Trong thuật toán tắnh toán ly hợp xuất hiện ựẳng thức (2.10) thể hiện phép so sánh mô men của khâu chủ ựộng với mô men ma sát của ly hợp đó là ựiều kiện ựể chuyển kênh tắnh giá trị mô men trên khâu bị ựộng Trong trường hợp có trượt, giá trị này mới ựược gán cho Mc và ựược ựưa vào phương trình (2.8) ựể xác ựịnh vận tốc của khâu chủ ựộng Phương trình (2.8) cũng là phương trình ựặc trưng tại các ựiểm cân bằng lực khi xây dựng mô hình toán học hệ thống truyền lực Bằng cách

sử dụng khối Controllable Friction Clutch trong thư viện của mô ựun SimDriveLine, việc mô tả các trạng thái hoạt ựộng của ly hợp ma sát ựược thực hiện một cách dễ dàng Hộp thoại giao diện nhập dữ liệu cho khối ly hợp ựược thể hiện trên hình 2.5

Hình 2.5 Hộp thoại nhập các thông số ựầu vào của ly hợp

Với thuộc tắnh ly hợp có tác dụng hai chiều (Bidirection), nhập vào các thông

số như ựĩa ma sát (Number of friction dicks), bán kắnh tác dụng trung bình (Effective torque radius), lực ép trên bề mặt ựĩa ma sát (Pick normal force), hệ số

ma sát (Coefficient of friction table), Ầ, mô hình mô phỏng khối ly hợp chắnh ựược thể hiện như trên hình 2.6

4 mode_out

3 loss_out

2 slip_out

1 capacity_out mu

LossP

-K 1 Factor

Hình 2.6 Mô hình mô phỏng khối ly hợp chính

2.2.3 Xây dựng mô hình khối hộp số

Thực chất mô phỏng khối hộp số là mô phỏng ñộng lực học một cặp bánh răng ăn khớp với tỷ số truyền nhất ñịnh Theo quan ñiểm của lý thuyết dòng lực, hộp số có thể ñược biểu diễn với hai dạng nút ñó là nút không tải (khi tỷ số truyền bằng 0) và nút xuyên suốt (khi tỷ số truyền khác 0)

Mô hình vật lý khối hộp số biểu diễn trên hình 2.7

Hình 2.7 Mô hình vật lý mô tả khối hộp số

Trong ñó

Mv Mô men vào hệ thống

Mc Mô men cản trong hệ thống

J1,J2 Mô men quán tính các bánh răng

i Tỷ số truyền của cặp bánh răng ăn khớp

ε1,ε2 Gia tốc góc của bánh răng chủ ñộng và bị ñộng

Áp dụng nguyên lý D’lembert áp dụng cho hệ 2 vật quay quanh hai trục song song với liên kết bánh răng:

i

J J

1 1

B

Subtract3 Subtract2 Subtract1 Subtract

So4 So3 So2 So1

P

B F

P

B F

P

B F

2 1

1 0 1 0 1 0

4 3

1

0 1

Speed

Level

Hình 2.8 Mô hình mô phỏng khối hộp số cơ khí lắp trên xe GAZ66

Mô men chủ ñộng ñầu vào ñược ñưa vào cổng kết nối chủ ñộng B1 (Base) và ñược ñưa ñến trục kết nối của các ly hợp xác ñịnh trạng thái số ñó ñược gài hay không gài Tín hiệu tay số ñược ñưa vào cổng tín hiệu Speed Level 1, tín hiệu này làm tín hiệu ñiều khiển xe ở tay số 1, số 2, số 3 hay số 4, và tiếp tục là tín hiệu ñiều khiển cho các khối chuyển mạch Swich (So1, So2, So3, So4) hoạt ñộng Tín hiệu này ñược so sánh với hai tín hiệu chuẩn có giá trị là 0 và 1, nếu tín hiệu này sau khi trừ ñi các giá trị hằng số tương ứng khác 0 thì ly hợp trạng thái số ở số tương ứng

mở, số ñó không ñược gài, nếu tín hiệu này bằng 0, ly hợp trạng thái số ở số tương ứng ñóng, số ñó ñược gài Ưu ñiểm của việc mô phỏng hoạt ñộng của hộp số cơ khí như trên là có thể xác ñịnh ñược cả trạng thái tay số ở số 0

Bảng 2.2 Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực trên các xe khảo sát

STT Thông số HTTL trên xe

GAZ66

HTTL trên xe ZIL131

HTTL trên xe BTR60PB

1 Loại HTTL Cơ khí có cấp Cơ khí có cấp Cơ khí có cấp

2 Loại ly hợp Ma sát khô, 1

ñĩa, dẫn ñộng cơ khí

Ma sát khô, 1 ñĩa, dẫn ñộng cơ khí

Ma sát khô, 1 ñĩa, dẫn ñộng cơ khí

3 Loại hộp số Cơ khí, 4 cấp,

ñồng tốc ở số III,

IV

Cơ khí, 5 cấp, ñồng tốc ở số II,III, IV,V

Cơ khí, 4 cấp, ñồng tốc ở số III,

IV

4 Tỷ số truyền

hộp số

6.55 – 3.09 – 1.71 – 1.00 – L:7.77

7.44 - 4.1- 2.29 - 1.47 – 1.00 -L:7.09

6.55 – 3.09 – 1.71 – 1.00 – L:7.77

5 Hộp số phân

phối

2 cấp 1.00 - 1.982

2 cấp 1.00 - 2.08

2 cấp 1.00 – 1.982

6 Truyền lực

chính

ðơn Hypoit 6.83

Kép, cặp bánh răng côn trụ 7.39

ðơn Hypoit 1.843

7 Truyền ñộng

bánh xe

4.55

2.2.4 Xây dựng mô hình khối thân xe

Trong quá trình khảo sát chuyển ñộng thẳng của ô tô, ñối với ô tô quân sự, theo tài liệu [2], thừa nhận một số giả thiết sau ñây:

- Xe có tất cả các cầu ñều là chủ ñộng

- Không kéo moóc và chuyển ñộng trên ñường bằng

- Mô hình khi thiết lập ở dạng mô hình phẳng, coi kết cấu là ñối xứng qua mặt phẳng dọc giữa xe

Bảng 2.3 Thông số chính về các xe khảo sát

1 Chiều rộng toàn bộ (m) 2.322 2.50 2.37

2 Chiều cao toàn bộ (m) 2.44 2.975 2.055

3 Chiều dài cơ sở (m) 3.30 3.35+1.25 4.24

4 Chiều cao trọng tâm (m) 1.25 1.5 1.05

Trọng lượng xe không tải

a Mô hình thân xe với công thức bánh xe 4x4 (GAZ66)

Hình 2.9 Sơ ñồ lực ngoại lực tác dụng lên xe khi chuyển ñộng thẳng

Mục ñích của phần này là ñưa ra ñược mô hình vật lý ñặc trưng cho các xe

có công thức bánh xe 4x4, 6x6, 8x8 Từ các mô hình vật lý ñó xác ñịnh ñược mối quan hệ giữa các thành phần lực tác dụng

Sử dụng các giả thiết ñã nêu ở trên, cân bằng tất cả các lực và mô men, ta tính toán ñược phản lực pháp tuyến của ñường tác dụng lên bánh xe

h P h P b G

R1 . − j. g − w. w

L

h P h P a G

R2 . + j. g + w. w

dt

dv g

G

) 1 (

05 0

G f

Trong ñó:

R1, R2: Phản lực pháp tuyến của ñường

G: Trọng lượng xe không tải

a, b: Khoảng cách từ trọng tâm xe ñến tâm cầu trước và sau L: Chiều dài cơ sở của xe

f: Hệ số cản lăn của ñường

hg, hw: Chiều cao tác dụng quy dẫn của lực quán tính và lực cản không khí (ñể ñơn giản trong tính toán lấy hg = hw)

Pf: Lực cản lăn tổng cộng quy dẫn

Pk: Lực kéo tổng cộng trên các bánh xe

Với cách mô hình toán như vậy, mô hình mô phỏng khối thân xe GAZ66 ñược thể hiện như trong hình 2.10

sin

Signed square

Force

beta F_zf

F_zr

Load transfer

1 s

1 s

[Sx]

[Vx]

[Fz_r] [Fz_f] -K-

-K-F

Frontal area [Fx_RR] [Fx_RL] [Fx_FR] [Fx_FL]

K

Drag coefficient

0

Beta

0.5 1 0.5

Hình 2.10 Mô hình mô phỏng khối thân xe GAZ66

Tín hiệu ñầu vào cho việc tính toán là các lực kéo từ các bánh xe (ñược tính toán từ mô hình lốp) qua các khối From (Fx_RR, Fx_RL, Fx_FR, Fx_FL) và góc dốc của ñường ñược ñưa qua khối Beta (ở ñây khảo sát xe chuyển ñộng trên ñường bằng nên giá trị góc dốc β bằng không) Các giá trị tín hiệu trên sau khi ñược quy chuẩn ñơn vị lực thông qua các khối hệ số (Gain), ñược tính toán cùng với lực cản không khí tính thông qua công thức 2.17 với các thông số nhập vào là diện tích cản chính diện F (Front Area), hệ số cản không khí K (Drag Coefficient), hàm Signed Square xác ñịnh giá trị bình phương của vận tốc xe

Khối tính toán giá trị phản lực từ ñường lên từng lốp xe là khối Load Transfer, tín hiệu ñầu vào là giá trị lực và góc dốc Qua ñó tính toán ñược các giá trị

R1 và R2 theo các công thức 2.13 và 2.14, trong mô hình mô phỏng, hai giá trị này ñược ký hiệu là Fz_F và Fz_R Chính các giá trị này lại là các giá trị ñầu vào cho khối mô phỏng ñộng lực học bánh xe ñể tính toán ñược các giá trị lực kéo Như vậy quá trình tính toán là một chu trình khép kín có phản hồi ngược

Các thông số chính của mô hình mô phỏng ñược nhập vào như sau:

Hình 2.11 Hộp thoại nhập thông số chính về xe GAZ66

b Mô hình thân xe với công thức bánh xe 6x6 (ZIL131)

Hình 2.12 Sơ ñồ tính toán phản lực với xe ZIL131 (treo cân bằng ở cầu sau)

Khi khảo sát ñể xác ñịnh phản lực pháp tuyến từ ñường lên bánh xe ñối với

xe ZIL131, với hệ treo sau là hệ treo cân bằng, do vậy khi xác ñịnh phản lực pháp tuyến tiến hành tương tự như ñối với xe 2 cầu, bước ñầu tính toán ñược phản lực R1

và tổng phản lực tác dụng lên trục cân bằng RT (theo hình 2.12), sau ñó ta tính toán tiếp các giá trị phản lực R2 và R3

R R

Hình 2.13 Mô hình mô phỏng khối thân xe ZIL131

Phân tích mô hình tương tự ñối với mô hình mô phỏng khối thân xe GAZ66, với các thông số ñầu vào là các giá trị lực kéo tại các bánh xe ñược tính toán từ mô hình lốp ñưa ngược lại, lực kéo tại bánh xe cầu trước là Fx_FL và Fx_FR, lực kéo

từ các bánh xe cầu giữa Fx_RL1, và Fx_RR1, lực kéo từ các bánh xe cầu sau là Fx_RL2 và Fx_RR2 Giá trị của các phản lực mặt ñường ñược tính toán trong khối Load Tranfer theo các công thức 2.13, 2.14, 2.19 và 2.20 Như vậy ñây cũng là một

mô hình tính toán khép kín có phản hồi ngược

c Mô hình thân xe với công thức bánh xe 8x8 (BTR60PB)

ðối với xe nhiều cầu, số lượng phản lực pháp tuyến cần xác ñịnh nhiều hơn tổng số phương trình tĩnh học cần thiết ñã ñược thành lập, do vậy ñể tính toán phản lực pháp tuyến phải thành lập thêm các phương trình ñàn hồi của hệ treo Nhưng ñể giải quyết ñược vấn ñề này, cần thiết phải biết ñược ñặc tính của hệ treo của tất cả các bánh xe

Khi xác ñịnh phản lực pháp tuyến ñối với xe nhiều cầu thường thừa nhận các giả thiết sau ñây:

- Các bánh xe chỉ dịch chuyển theo phương thẳng ñứng, do vậy khoảng cách theo phương nằm ngang là không thay ñổi

- Các bánh xe ñược liên kết với khung xe thông qua các lò xo trụ ñặt ñứng

- Chiều dài của tất cả các lò xo ở trạng thái không tải ban ñầu là như nhau

và bằng khoảng cách tính từ ñường (0-0) ñược thể hiện trên hình 2.14 ñến trục bánh xe (h0)

- ðối với vấn ñề khảo sát, trong phạm vi của luận văn, coi hệ treo của tất

cả các bánh xe là tuyến tính

Hình 2.14 Sơ ñồ tính toán phản lực pháp tuyến ñối với xe nhiều cầu

Khi khảo sát xe có công thức bánh xe 8x8 ta có ñược thêm các phương trình ñàn hồi của hệ treo như sau:

i i

ci: ðộ cứng của hệ treo của bánh xe trên cầu thứ i

hi: Chuyển dịch thẳng ñứng của bánh xe trên cầu thứ i

li: Khoảng cách tính toán (hình 2.13)

θ: Góc nghiêng dọc của thân xe Như vậy, với xe có công thức bánh 8x8, chúng ta có thêm ñược 4 phương trình ñàn hồi (2.21) Cùng với các phương trình tĩnh học ñược thành lập như sau:

4 3 2

Thành lập hệ phương trình bao gồm các phương trình từ 2.21 ñến 2.24 với 9

ẩn số cần xác ñịnh trong 9 phương trình ñó là: các phản lực pháp tuyến Ri, các chuyển dịch hi, góc nghiêng dọc của xe θ, hoàn toàn có thể tính toán ñược các phản lực pháp tuyến của ñường

Hình 2.15 Mô hình mô phỏng khối thân xe BTR60PB

2.2.5 Xây dựng mô hình khối vi sai

ðể ñảm bảo ñược mục tiêu phân chia mô men xoắn cho các bánh xe trên cùng một cầu, phân chia mô men xoắn cho các cầu, ñảm bảo cho xe quay vòng, tránh hiện tượng tuần hoàn công suất, trong hệ thống truyền lực của ô tô người ta sử dụng bộ vi sai Với các bánh xe trên cùng một cầu, có bộ vi sai cầu xe, thông thường là loại vi sai bánh răng côn, có thể sử dụng vi sai cam hoặc một số loại khác Với các cầu chủ ñộng khác nhau, trên một số xe ñể tránh hiện tượng tuần hoàn công suất giữa các cầu chủ ñộng, có thêm bộ vi sai giữa các cầu

Theo quan ñiểm lý thuyết dòng lực vi sai cơ cấu ba khâu Phương trình của nút ñược xây dựng trên cơ sở các phương trình cân bằng năng lượng và phương trình ñộng học ñặc trưng Mô hình cơ cấu vi sai theo lý thuyết dòng lực như trên hình 1 Nếu không bỏ qua khâu quán tính của các thành phần của cơ cấu vi sai thì

mô men quán tính qui dẫn của giá hành tinh – vi sai có thể tính theo công thức:

2 0

'

R m J

Trong ñó:

J0 – Mô men quán tính qui dẫn của giá hành tinh – vi sai

J0’ – Mô men quán tính của giá hành tinh so với trục quay chính

mht - Khối lượng của bánh răng hành tinh

Rht - Khoảng cách giữa trục quay chính và bánh răng hành tinh

Hình 2.16 Mô hình khối vi sai

Phương trình cân bằng năng lượng của nút vi sai theo [10] như sau:

=

−+

=

−+

0

0

0

2 2

' 2 2

1 1

' 1 1

0 0

' 0 0

dt

ω

d J M M

dt

ω

d J M M

dt

ω

d J M M

=+

++

0

0

' 2

' 1

' 0

' ' '

2 2

' 1 1

' 0 0

M M M

Trong ñó :

M0, ω0- Mô men và vận tốc góc trên vỏ vi sai

M1, ω1,M2, ω2- Mô men và vận tốc góc tương ứng của bán trục bên trái, phải

Jc – Mô men quán tính của bánh răng hành tinh

ωc’ - Vận tốc góc của bánh răng hành tinh quanh trục của nó

HT bt

M

Như vậy thì tổng công suất truyền ñến các nửa trục sẽ bằng công suất trên vỏ

vi sai trừ bớt ñi công suất ma sát và ta có:

0 2 2 1 1

ωω

2 1

M

M M

M M

Qua ñó cho thấy khi sử dụng vi sai có ma sát trong cao, nếu mô men trên một trong hai bán trục bằng không thì mô men trên bán trục còn lại sẽ khác không ðiều này làm tăng khả năng thông qua của xe trên ñường trơn trượt khi một trong các

bánh xe chủ ñộng bị mất bám với ñường, xe vẫn tiếp tục chuyển ñộng nhờ mô men kéo ở các bánh xe còn lại

Trong hệ thống truyền lực của ô tô có nhiều cầu chủ ñộng, bộ vi sai giữa các cầu thông thường ñược sử dụng là vi sai không có ma sát trong cao Việc mô tả ñộng lực học của bộ vi sai này tương tự như khi mô tả cho bộ vi sai có ma sát trong cao, trong quá trình hoạt ñộng, Mms có giá trị bằng 0

Trên hình 2.17 thể hiện mô hình mô phỏng khối vi sai cam lắp trên xe GAZ66 Mô men ñầu vào ñược truyền thông qua một cặp bánh răng với tỷ số truyền của bộ truyền lực chính i0, sau ñó mô men ñược chia ra cho hai bán trục thông qua

bộ truyền bánh răng hành tinh, khối ly hợp nối hai trục ra tạo mô men bằng với mô men ma sát sinh ra trong cụm vi sai Hai ñầu ra cho hai bán trục bánh xe hai bên ñược ñưa qua hai cổng kết nối (1) và (3) Với khối vi sai thường, chỉ cần ñưa vào tín hiệu ñiều khiển cho khối ly hợp mở làm cho Mms có giá trị bằng 0

Hình 2.17 Mô hình mô phỏng khối vi sai cam trên xe GAZ66

1.Cổng kết nối mô men dầu vào; 2.Khối mô tả cặp bánh răng truyền lực chính; 3.Khối tạo ma sát trong của vi sai; 4,10 Khối mô tả cặp bánh răng hành tinh; 5,8.Khối mô tả cặp bánh răng tạo tỷ số truyền bán trục; 6,7 Cổng kết nối mô men

ra hai bán trục phải và bán trục trái; 9 Khối bánh răng tạo ñiều kiện ñộng lực học

2.2.6 Xây dựng mô hình lốp có tương tác với ñường

Theo quan ñiểm của lý thuyết dòng lực, lốp ñược xem như một nút biến ñổi dạng chuyển ñộng, nút này bao gồm hai nút ñó là nút phản lực và nút trượt Khi