Mô hình hóa hệ thống truyền lực ô tô

Bài viết xác định chính xác giá trị tải trọng động tác dụng lên các chi tiết của HTTL là một bài toán rất phức tạp. Để đơn giản trong việc tính toán chúng ta cần tìm các giải pháp mô hình hóa hệ thống từ nhiều cụm nhiều chi tiết phức tạp để có thể đưa về sơ đồ tính toán đơn giản. Mời các bạn cùng tham khảo!

1488

MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ

Nguyễn Văn Bản, Nguyễn Đỗ Minh Triết

Viện Kỹ thuật HUTECH, trường Đại học Công nghệ TP.HCM (HUTECH)

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ô tô là một hệ thống động lực học rất phức tạp, khi chuyển động với vận tốc khác nhau trên nhiều loại đường thì tình trạng chịu tải của các chi tiết thay đổi Khi tính toán độ bền của các bộ phận và chi tiết ô tô, ngoài tải trọng tĩnh chúng ta phải xét đến tải trọng động Tải trọng động tác dụng lên các chi tiết trong thời gian ngắn nhưng có giá trị lớn hơn tải trọng tĩnh rất nhiều

Tải trọng động xuất hiện trong các bộ phận và chi tiết của hệ thống truyền lực (HTTL) khi mô men xoắn của động cơ thay đổi, khi đóng ly hợp đột ngột, khi gài số trong quá trình tăng tốc, khi phanh đột ngột bằng phanh tay, hay khi phanh gấp không mở ly hợp … Giá trị tải trọng động có thể thay đổi do điều kiện mặt đường và trạng thái chuyển động của xe Xác định chính xác giá trị tải trọng động tác dụng lên các chi tiết của HTTL là một bài toán rất phức tạp Để đơn giản trong việc tính toán chúng ta cần tìm các giải pháp mô hình hóa hệ thống từ nhiều cụm nhiều chi tiết phức tạp để có thể đưa về sơ đồ tính toán đơn giản

2 NỘI DUNG

HTTL (gồm các chi tiết như ly hợp, hộp số, các đăng, cầu chủ động…) là một bộ phận của ô tô và có tác dụng tương hỗ với các phần tử khác của xe Tính chất tải trọng động của HTTL được xác định bởi các tham số rất đa dạng tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động, kể cả các tham số động lực học của ô

tô Hệ thống động lực học thông thường là các tham số phân bổ và tham số rời rạc Trong hệ thống tham

số phân bổ, mỗi phần tử (thí dụ: trục) được đặc trưng bởi hai tính chất: quán tính và đàn hồi

Tất cả các hệ thống thực tế là ở dạng phân bố, khi phân tích từng hệ thống người ta có xu hướng đưa về dạng rời rạc và bỏ qua những sai số có tính chất thứ yếu

Ô tô nói chung, HTTL và các cụm tổng thành nói riêng là một hệ thống với các thông số phân bổ Khi mô hình hóa chúng, ta thường đưa về các hệ thống dao động rời rạc Phần lớn các dao động trong HTTL mà

có phổ rời rạc thường dao động với tần số nhỏ hơn 300 Hz Các hệ thống rời rạc có thể được dùng để tính toán quá trình dao động trong dải tần số này

Trong các hệ thống đưa về dạng rời rạc thì khối lượng được coi là khối lượng tập trung và chỉ có một tính chất, đó là quán tính Các bộ phận nối với khối lượng này có dạng là phần tử đàn hồi được đặc trưng bởi một độ cứng xác định Khi phân thích dao động xoắn, các khối lượng có kích thước theo chiều trục quay không vượt quá hai lần đường kính thì được coi là khối lượng tập trung khi tính toán xoắn Khối lượng được coi là phân bố nếu nó nhỏ hơn so với khối lượng tập trung Sự rời rạc hóa khi tính toán HTTL được tiến hành bằng cách nghiên cứu kỹ bản vẽ chi tiết của HTTL và phân chia thành các phần tử có khối lượng tập trung và phần tử chỉ có tính đàn hồi

Bánh đà, đĩa ly hợp, mặt bích, các bánh răng, vỏ hộp số và vỏ các chi tiết sẽ được coi là khối lượng tập trung Các phần tử chỉ có tính đàn hồi, trước tiên phải kể tới là các trục trong HTTL và các cụm chi tiết đàn hồi của hệ thống treo Việc xác định đúng độ cứng của các phần tử liệt kê ở trên có một ý nghĩa rất quan trọng khi thành lập sơ đồ tính toán HTTL tương đương

Các ăn khớp răng, các gối tựa cơ khí có tính đàn hồi tương đối nhỏ nhưng phải tính toán một cách c n thận khi tính dao động ở tần số cao Lốp và các khớp đàn hồi vừa có khối lượng lớn vừa có tính đàn hồi

1489

cao Khi mô hình hóa thì được thay bằng một khối lượng tập trung và nối vào nó bằng một chi tiết đàn hồi

Ô tô là một hệ dao động cơ khí gồm rất nhiều khối lượng tập trung và liên kết với nhau bằng các khâu đàn hồi không có quán tính Các hệ thống này biểu diễn mối quan hệ động học giữa trục và các cụm tổng thành tạo nên HTTL (bộ truyền bánh răng, cơ cấu điều khiển hộp số), biểu diễn lực và mômen tác dụng lên hệ thống Trong đó có cả lực ma sát và năng lượng mất mát ra môi trường

Từ các giả thuyết trên, ta có mô hình kết cấu của HTTL ô tô công thưc bánh xe 4 2 (hình 1a) và mô hình tính toán của chúng (hình 1b)

a)

b)

Hình 1: Mô hình tính toán HTTL

I’ i và I i lần lượt là các mômen quán tính của mô hình cơ khí và của hệ tương đương:

Các chi số i = 0 _ động cơ và bánh đà; i = 1 _ đĩa bị động ly hợp; i = 2, 3, 4, 5, 6 _ các chi tiết hộp số; i = 7,8 _ truyền lực chính; i = 9,10 _ bánh xe chủ động; I = p _ mômen quán tính phản lực cầu chủ động

e’ j và e j lần lượt lần lượt là độ đàn hồi của mô hình cơ khí và của hệ tương đương:

Các chỉ số j = 12 _ trục sơ cấp của hộp số; j = 23, 34, 45, 46 _ là của các chi tiết hộp số; j = 57 _ trục các đăng; j = 78 _ cầu chủ động; j = 89, 8.10 _ bán trục; j = p _ hệ thống treo cầu sau khi quay trong mặp

ph ng dọc của xe

Trong đó: Mômen quán tính và độ đàn hồi sẽ được xác định bằng thực nghiệm hoặc được xác định theo bản vẽ chi tiết

Có nhiều phương pháp để giản đơn Trong đó phổ biến nhất là phương pháp rời rạc từng phần Với phương pháp này không mất quá nhiều thời gian nhưng vẫn nhận được một hệ thống tính toán mà ở đó tần

số dao động riêng và dạng dao động nằm trong khoảng tần số quan tâm Khi tính toán với hệ tương đương vẫn cho ta kết quả tương đối chính xác phù hợp với đặc tính của hệ thống được thay thế

Để đơn giản hóa hệ thống động lực học, trong hệ thống rời rạc người ta phân ra nhiều hệ thống riêng phần nhỏ hơn như trên hình 1.a Mỗi một hệ rời rạc này được đặc trưng bởi một tần số riêng Bình phương của các tần số dao động riêng của hệ rời rạc có chỉ số k được xác định theo biểu thức:

ωk2 = (etđ Itđ)-1

1490

1

I

I I





45

e





trong đó: ω là tần số dao động,

etđ là độ đàn hồi tương đương

Itđ mômen quán tính tương đương

Nếu hệ thống tương đương được chia thành hệ thống rời rạc một khối lượng thì độ đàn hồi và mô men quán tính được xác định theo công thức:

1 1

k k k k td

k k k k

e e e



 ; Itđ = Ik

Đối với hệ hai khối lượng: d d . 1

1

; k k k

I I







Trong đó: I k-1 ; I k ; I k+1 lần lượt là mômen quán tính của khâu có chỉ số k-1, k và k+1

e k-1 ; e k ; e k+1 lần lượt là độ đàn hồi của khâu có chỉ số k-1, k và k+1

a)

b)

c)

45 4

34 45

e I

;I e

e e

60 6

; I e

e  e 6 56

; I e

d)

`

e)

Hình 2: Đơn giản hóa hệ thống động lực học

I I

I I

I

I I

I

I I

I I

I

23 34 45 56

I

12 23 34 45 56 60

I I

I1+ I2

I

I e34+ e45 e56 + e60

I1+ I2

1491

Hệ thống rời rạc mà có tần số riêng lớn hơn rất nhiều giới hạn trên của khoảng tần số đang nghiên cứu thì được thay thế bằng hệ thống tương đương một khối lượng hoặc hai khối lượng Nếu là hệ thống một khối lượng chúng ta thay thế bằng hệ thống hai khối lượng bằng cách chia khối lượng đó ra làm hai và gộp khâu đàn hồi bên phải và bên trái hệ thống và tách trục đàn hồi (hình 2c) Trên hình vẽ đó cũng ghi các công thức tính của hệ tương đương

Các kinh nghiệm thành lập hệ thống động lực học tính toán đã chỉ ra rằng Khi tính toán dao động trong HTTL có tần số dưới 250 Hz thì mô men các chi tiết chuyển động quay của động cơ được thay thế bằng một mô men có khối lượng tổng cộng Nếu tải trọng đặt lên các bánh xe chuyển động là bằng nhau, độ bám đường giống nhau và ma sát trong ổ vi sai không lớn lắm thì hệ thống động lực học trong đoạn từ truyền lực chính tới bánh xe là đối xứng Một cách khác, có thể đơn giản hóa bằng cách gộp các nhánh song song lại với nhau và ta nhận được một hệ thống động lực học ở đó các mô men quán tính

và độ cứng bằng tổng các thông số tương đương của các nhánh song song

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Hữu C n – Phan Đình Kiên, Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo, Nhà xuất bản Đại học và trung học chuyên nghiệp Hà Nội, 1987, 208 trang

[2] Nguyễn Hữu C n, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng Lý thuyết ô tô máy kéo Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2000, 359 Trang

[3] Nguyễn Nước, Kết cấu và tính toán ô tô, tập 1, ĐH Giao Thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh,

2011, 131 trang

[4] Grishkevich A.I.Proektirovanie transmissy avtomobiley Spravochnik, MOSKVA

"MASHINOSTROENIE, 1984, 268 trang

[5] Grishkevich AI Vavula V.A etal Avtomobili, konstruktsiya, konstruirovanie u raschet, transmissiya M: Vysheyshaya shkola, 1985 - 240 trang

[6] N A Buharin, VS Prozorov, M SchSchukin, Pod ed NA Buharina - Avtomobili Konstruktsiya, nagruzochnye rezhimy, rabochie protsessy, prochnost gregatov avtomobilya, Mashinostroenie, 1973

- 504 trang

[7] Reza N Jazar, Vehicle Dynamics theory and application, Springer, 2008, 1022 trang

[8] Harald Naunheimer –Bernd Bertsche- Joachim Ryborz – Wolfgang Novak, Automotive tránmissions, Springer, 2010, 742 trang