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

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

Lêi cam ®oan

1.2.2 C¬ cÊu hµnh tinh kiÓu Simson 10

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

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

2 Mô hình động học của hộp số hành tinh5 36

3.3 Sử dụng công cụ Simulink trong phần mềm MATLAB để mô

phỏng quá trình chuyển số của xe trang bị AT

69

Chơng 4 Sử dụng Matlab simulink và stateflow

khảo sát động lực học của ô tô MITsubishi tiburon 2004

73

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

LờI NóI ĐầU

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

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

Nhằm ứng dụng công nghệ nâng cao chất lợng của hệ thống truyền lực

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

động lực học của xe lắp hộp số tự động là khác hoàn toàn sơ với xe lắp hộp số thờng

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

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

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

đợc thực hiện tại bộ môn Ô tô và xe máy chuyên dụng - Viện cơ khí động lực Trờng ĐHBK Hà Nội Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hớng dẫn cũng nh

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

ý, bổ sung của các nhà kỹ thuật để luận văn đợc hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 11 năm 2008 Tác giả

Đặt vấn đề nghiên cứu

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

đợc chất lợng động lực học của xe hơn so với hộp số cơ khí thờng, đồng thời tiện nghi khi sử dụng hơn cho ngời lái

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

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

điều khiển tối u quá trình chuyển số nhằm tăng đợc tính động lực học nhng lại giảm đợc chi phí nhiên liệu

Nội dung và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

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

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

- Mục tiêu nghiên cứu :

+ Quá trình điều khiển chuyển số

+ Quy luật chuyển số và các trạng thái chuyển số

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

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

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

số tự động Đề tài còn hớng phát triển nghiên cứu thuật toán điều khiển tối

u thời điểm chuyển số của hộp số tự động

Ngoài phần lời nói đầu và tổng quan, đề tài đợc phân thành chơng: 4

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

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

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

- Chơng 4: Khảo sát, và đánh giá kết quả

- Kết luận và những kiến nghị

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

đổi giá trị mômen

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

- Mômen xoắn đợc chuyển đến các bánh xe chủ động một cách êm dịu và gần nh liên tục tơng ứng với lực cản chuyển động và tốc độ chuyển động của ô tô Không xảy ra hiện tợng thay đổi tốc độ đột ngột hoặc rung giật xe khi tăng hoặc giảm số nh ở hộp số thờng,

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

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

Đặc điểm của hộp số tự động

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

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

hệ thống thuỷ lực

1.1 Bộ biến mô thuỷ lực

Hình 1.2 : Cấu tạo biến mô thuỷ lực

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

động xoắn của động cơ và hệ thống truyền lực

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

Cấu tạo bên trong của bánh bơm B bánh tuabin T bánh đẫn hớng D đều , ,

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

1.1.1 Bánh bơm(B)

Bánh bơm đợc bố trí trong vỏ bộ biến mô và nối với trục khuỷu qua

đĩa dẫn động nó có rất nhiều cánh hình cong đợc lắp bên trong bánh bơm , một vòng dẫn hớng đợc lắp trên mép trong của các cánh để dẫn dòng dầu

đợc êm Vỏ biến mô đợc nối với trục khuỷu động cơ qua tấm dẫn động

Hình 1.3: Kết cấu bánh bơm

1.1.2 Bánh tuabin(T)

Cũng nh bánh bơm bánh tuabin cũng có rất nhiều cánh dẫn động đợc lắp bên trong, hớng cong của các cánh này ngợc chiều với hớng cong của các bánh bơm, bánh tua bin đợc lắp trên trục sơ cấp của hộp số sao cho các cánh bên trong nó đối diện các cánh của bánh bơm với một khe hở rất nhỏ ở giữa, bánh tuabin quay cùng trục sơ cấp của hộp số

Hình 1.4: Kết cấu bánh tuabin

1.1.3 Bánh dẫn hớng ( D)

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

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

bắt đầu quay cùng một hớng với cánh bơm Do góc nghiêng của cánh dẫn stato đợc bố trí sao cho dòng dầu ra khỏi cánh dẫn stato sẽ có hớng trùng với hớng quay của cánh ánh bơm ì vậy cánh bơm không những chỉ đợc b vtruyền mômen từ động cơ mà nó còn đợc bổ sung một lợng mômen của chất lỏng từ stato tác dụng vào, và một chu kì mới lại tiếp tục Điều đó có nghĩa là cánh bơm đã đợc cờng hoá và sẽ khuếch đại mômen đầu vào để truyền đến rôto tuabin

1.1.4 Khớp dẫn động một chiều của stato

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

nó

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

ra hớng dòng dầu sau khi ra khỏi cánh dẫn của stato tác dụng lên cánh dẫn của cánh bơm theo đúng chiều quay của cánh bơm thì khi này stato phải đợc

cố định tức là khớp một chiều khoá

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

1.2 Hộp số hành tinh

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

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

1.2.1 Cơ cấu hành tinh kiểu Wilson

Hình 1.5: Cơ cấu hành tinh Wilson

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

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

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

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

Khoá một phần tử với vỏ h p số ; khoá hai phần tử với nhau ộ

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

s

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

c R

c s

n n

n n

−

− =

c R

c s

ω ω

ω ω

Giá trị của i đợc xác định qua bán kính vòng ăn r hoặc số răng Zl

S

R

Z Z

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

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

S và C

Tỷ số truyền bằng 1

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

thuộc dẫy hành tinh thứ 2 chúng đợc ghép nối với nhau nh hình 1.6

6 Hình 1 : Cơ cấu hành tinh kiểu Simpson

1.3 Hệ thống thuỷ lực

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

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

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

2,3 là các phanh LR và 2ND

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

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

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

24 là van điều khiển áp suất biến mô

Nhiệm vụ của hệ thống thuỷ lực nh sau:

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

- Điều chỉnh áp suất công tác bằng các van điều áp sơ cấp, van bớm ga

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

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

Hình 1 Các chức năng điều khiển của hệ thống thuỷ lực8:

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

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

Hình 1 Van điều áp sơ cấp9 : Hình 1.10: Van điều khiển

1.3.2 Van điều khiển chọn tay số: đợc nối với cần chuyển số Khi thay đổi

vị trí chọn số sẽ làm chuyển mạch đờng dầu tơng ứng đến các tay số đó (hình 1.8)

Vị trí gài tay số Đờng dầu đợc van nối tới

C1 C1, B1 C1, B3

1.3.3 Van chuyển số

Van chuyển số làm chuyển mạch đờng dầu dẫn tới các phanh và ly hợp

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

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

Hình 1.11: Van chuyển số

1.3.4 Van điện từ

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

điều khiển khoá biến mô

Hình 1.12: Các loại van điện từ

1.3.5 Van bớm ga

Hình 1.13 :Van bớm gaVan bớm ga làm nhiệm vụ điều chỉnh áp suất dầu cấp từ bơm (sau khi

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

Có các loại van bớm ga: van cơ khí và van điện từ Van cơ khí đợc dẫn

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

1.3.6 Van điều biến bớm ga

Do áp suất do van bớm ga tạo ra có đặc tính tuyến tính song áp suất trên

đờng dầu (do bơm sinh ra) là phi tuyến (hình 1.1 ) nên thờng bố trí thêm 4van điều biến áp suất bớm ga để làm giảm bớt áp suất khi bớm ga mở lớn

1.3.7 Bộ tích năng

Bộ tích năng (hình 1.1 ) có tác dụng giảm chấn trong quá trình chuyển 5

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

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

đợc êm dịu hơn

Hình1.1 Van điều biến bớm ga4 : Hình 1.15 :Bộ tích năng

1.4 Hệ thống điều khiển

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

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

tử khác

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

Các cảm biến chính: cảm biến vị trí bớm ga, công tắc bàn đạp ga, cảm

biến tốc độ động cơ, cảm biến tốc đọ ôtô, cảm biến tốc độ các trục sơ cấp và thứ cấp hộp số, cảm biến nhiệt độ nớc, cảm biến nhiệt độ dầu hộp số

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

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

1.4.2 Cảm biến bớm ga : Cảm nhận vị trí bớm ga và gửi thông tin về ECT Chuyển đổi thành tín hiệu cơ khí thành tín hiệu điện

1.4.3 Cảm biến nhiệt độ, nhiệt độ dầu, áp suất dầu : Cảm biến nhiệt độ nớc, nhiệt độ dầu dựa vào sự thay đổi điện trở của hạt điện trong cảm biến Khi điện trở thay đổi làm mất cân bằng của mạch cầu ta đo sự thay đổi này

đem khuếch đại chuẩn hoá và tính toán ta có đợc nhiệt độ hiện thời

Cảm biến áp suất dầu tơng tự nh hai cảm biến trên song sự biến đổi của

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

điện

Các chức năng điều khiển chính

1.4.4 Điều khiển thời điểm chuyển số

Hình 1.17 :Nguyên lý điều khiển thời điểm chuyển số

ECT ECU đợc nạp các chơng trình về phơng thức (thuật toán) điều khiển chuyển số tối u cho mỗi vị trí cần số và mỗi chế độ tải trọng của xe, công suất động cơ Sau khi tiếp nhận các tín hiệu của các công tắc, cảm biến

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

số

Hình 1.1 8: Mô tả thời điểm chuyển sốThời điểm chuyển số phụ thuộc vào các thông số chính là tốc độ xe và độ

mở bớm ga Khi xe chuyển động, với độ mở bớm ga không đổi mà tốc độ

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

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

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

Hình 1.19: Thời điểm chuyển số ở các phơng thức lái khác nhau

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

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

1.4.5 Điều khiển khoá biến mô

ECT ECU đợc lập trình điều khiển sự làm việc của ly hợp khoá biến mô phù hợp với từng vị trí công tắc chọn phơng thức lái

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

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

Hình 1.20: Chức năng điều khiển khoá biến mô

1.4.6 Điều khiển tối u áp suất cơ bản

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

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

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

Hình 1.21 Van SLT điều khiển áp suất cơ bảnTrong các hộp số tự động điều khiển thuỷ lực, áp suất cơ bản đợc điều khiển qua van bớm ga (dẫn động từ bàn đạp ga qua cáp tới van bớm ga trong hộp số)

1.4.7 Điều khiển tối u áp suất ly hợp

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

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

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

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

1.4.8.Điều khiển mô men động cơ

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

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

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

êm

1.5 Kết luận :

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

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

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

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

Chơng 2: Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực ôtô dùng hộp số tự

động 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực

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

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

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

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

2.2 Phân tích các đặc trng động học

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

và đầu ra

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

- Động cơ

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

Jeω e = Me − Mfr1 − Mp (2.1)Mô men Me của động cơ phụ thuộc vào chế độ tải (độ mở bớm ga) và tốc độ động cơ Trong khi vận hành xe, động cơ làm việc ở các chế độ tải khác nhau vì vậy khi tính toán không chỉ sử dụng đờng đặc tính ngoài mà phải sử dụng cả họ các đờng đặc tính cục bộ nữa Họ các đờng đặc tính mô men của động cơ đợc xác định bằng thực nghiệm

- Biến mô thuỷ lực

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

p M

M =

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

đầu ra của bánh turbine là hàm của vận tốc góc tơng đối và gia tốc góc tơng

đối giữa bánh bơm và bánh turbine

) ,

, ,

(

3 tr pr tr pr f

đầu ra của bộ truyền có dạng:

) ,

, ,

(

5 f w f w d

v m

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

Phơng trình cân bằng mô men kéo ở bánh xe chủ động có dạng:

frw w

k w w

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

) ( c1 c 2v m

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

α ω

ω ρ

2

1 ).

( Jw+ mar 2w w= Mw− Mfrw− C AL arw3 2w − rwma cr1+ cr2rw w − rwmag

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

Nhận xét

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

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

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

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

2.3 Mô hình động học của biến mô

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

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

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

G là trọng lợng của chất lỏng đi qua các cánh của đĩa bơm

trong một giây ta có mômen trên trục đĩa bơm là:

đợc giữ không đổi Nh vậy mô men động lợng của dòng chất lỏng khi đi

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

vb1 Ob’= vb2ObNếu các cánh của đĩa tuabin cong nhiều thì dòng chất lỏng khi đi ra khỏi đĩa tuabin với tốc độ vt2 sẽ chuyển động ngợc chiều quay của tuabin lúc này nếu

kể đến hớng âm của vt2 thì mô men trục tuabin sẽ là

Từ ba phơng trình (2.13), (2.14), (2.15) đem cộng lại ta có :

- Mt = Mb + MD

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

và bánh dẫn hớng lại tác dụng lên dòng chất lỏng

Giá trị Mt > Mb là đặc trng của biến mô thủy lực

+ Xây dựng đờng đặc tính ngoài của biến mô:

Do mô men xoắn trên trục chủ động và bị động là khác nhau nên các đờng

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

Đờng đặc tính ngoài của biến mô đợc xác định bằng thực nghiệm

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

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

Vớiγ : trọng lợng riêng của chất lỏng, λb,λ t là hệ số mô men xoắn

D: đờng kính lớn nhất của cánh,

λ và η=

b

t λ

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

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

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

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

2.4.1.Hệ số khuyếch đại của biến mô :

Kbm =

Mb Mt

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

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

2.4.2 Tỷ số truyền của biến mô

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

ibm =

b

t

n n

2.4.3.Hiệu suất của biến mô

Hiệu suất của biến mô cho biết có bao nhiêu năng lợng đợc truyền một cách hiệu quả từ cánh bơm tới cánh tuabin

ηbm =

b b

t t b

T

n M

n M N

N

.

.

= = Kbm.ibm

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

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

Trong đó :

λ'

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

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

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

+ Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo :

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

động của xe Trong trờng hợp xe không kéo moóc, chuyển động lên dốc có gia tốc thì phơng trình cân bằng lực kéo có dạng :

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

+ G.f

=

Pk

g

G

6 , 3

Khi xe chuyển động với vận tốc cực đại vmax, trên đờng bằng (α = 0) thì phơng trình (3.3) có dạng :

Pk = = Pf + Pω = G.f +

6 , 3

.

2

2

v F

K

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

Là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động

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

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

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

đờng ( là hệ số cản tổng cộng của đờng).ϕ

Pω =

6 , 3

.

2

2

v F

Pf = G.f (KG)

Tính lực cản của không khí

Ta có : Pω =

6 , 3

.

2

2

v F

K (KG)

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

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

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

Pk = Mk/rb = (M2.ih.i0.ηt)/rb

M2 = Me Kbm

Kbm : hệ số của biến mô

Mk: mô men kéo tại bánh xe chủ động

Mtb : mô men trên trục tua bin

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

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

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

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

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

đợc thay đổi và nhỏ hơn so với lực kéo khi có hộp số cơ khí

2.4 Mô hình động học của hộp số hành tinh

4 Mô hình động học của hộp số hành tinh

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

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