T Ổ NG QUAN V Ề H Ệ TH Ố NG TRUY Ề N L Ự C Ô TÔ
Hộp số ô tô có hai nhiệm vụ chính: đầu tiên là điều chỉnh mô men động cơ để phù hợp với lực kéo cần thiết cho xe, vì đặc tính kéo của ô tô phụ thuộc vào
Hệ truyền lực xe tải cần có khả năng biến thiên lực kéo lớn và tăng tốc hiệu quả, do đó hộp số xe tải phải có nhiều cấp số Để đạt được tỷ số truyền lớn mà không làm hộp số trở nên cồng kềnh, hệ thống truyền lực được phân cấp thành các phần: Hộp số phụ trước, Hộp số chính, Hộp số phụ sau, Truyền lực cuối và Truyền lực cạnh Qua đó, các miền số khác nhau hay còn gọi là miền lực kéo và miền vận tốc được hình thành, giúp việc sang số trở nên linh hoạt với chỉ 4 đến 6 cấp số, trong đó các hộp số phụ được chọn một lần trong từng miền nhất định.
Hệ thống truyền lực gồm các cụm sau:
(i) Ly hợp ma sát hoặc biến mô thủy lực BM;
Hộp số, bao gồm trục cố định hoặc trục quay hành tình, có chức năng điều chỉnh mô men và số vòng quay của động cơ để đáp ứng yêu cầu sử dụng.
(iv) Các đăng: mối các cụm trong hệ truyền lực với nhau;
(v) Cầu xe: Truyền lực chính và vi sai, thay đổi hướng truyền mô men;
(vi) Hốp phân phối: chia mô men ra các cầu chủđộng, vi sai giữa
Tổng quan về các hộp số
Xe tải có khả năng kéo lớn và hoạt động hiệu quả trên nhiều loại đường khác nhau, đòi hỏi tỷ số truyền ngoài của hộp số phải lớn Hộp số chính không nên có quá nhiều tay số để tránh cồng kềnh, khó khăn trong việc sang số và giảm hiệu suất khi di chuyển qua các khu vực có hệ số bám thay đổi Do đó, cần phân chia miền tỷ số truyền ra các khâu khác nhằm giảm tối thiểu tỷ số truyền cho hộp số chính Các tỷ số truyền có thể được phân loại như sau:
- Hộp số phụđặt trước hệ số chính
- Hộp số phụđặt sau hệ số chính
- Cầu xe với 2 hoặc 3 cấp số
Hệ thống truyền lực của xe tải rất phức tạp, với việc sang số hộp số phụ được lựa chọn tùy theo miền sử dụng Vận tốc ô tô được điều chỉnh thông qua hộp số chính, trong khi các hệ số phụ thường có 2 loại: số truyền thẳng và số truyền tăng, và trong một số trường hợp có thể lên tới 4 số.
Thường là các tỷ số truyền cho hộp số phụđược chọn trước theo kinh nghiệm
Hộp số chính được xác định theo 3 phương pháp:Điều hòa, cấp số nhân, cấp số điều chỉnh hỗn hợp
Trong phần này, chúng tôi sẽ phân tích các cấu trúc hộp số và hệ thống để hỗ trợ việc lựa chọn thiết kế Hình (2.1) minh họa các hộp số cơ khí với các cấp độ khác nhau (a, b, c, d, e).
Hình 1.1 Các hộp sốcơ khí có cấp (z)
Hộp số thủy cơ, bao gồm biến mô thủy lực và hộp số hành tinh, là một hệ thống truyền động tự động hiệu quả Biến mô thủy lực một cấp có khả năng tăng mô men lên 2,1 lần, mang lại đặc tính tương tự như ô tô Hộp số hành tinh, với thiết kế gọn nhẹ và độ cứng vững cao, cho phép dễ dàng bố trí và điều khiển thông qua các phanh giải và ly hợp Sự kết hợp giữa biến mô và hộp số hành tinh tạo ra hộp số thủy cơ, cung cấp tỷ số truyền thay đổi linh hoạt cho các phương tiện.
Hình 1.2 Hộp số thủy cơ
Hộp số thủy cơ vô cấp bao gồm ba bộ phận chính: biến mô thủy lực ở đầu, hộp số hành tinh ở giữa, và bộ truyền đai ở sau, tạo ra tỷ số vô cấp Hệ thống này cho phép tăng tỷ số truyền nhờ vào hộp số hành tinh, trong khi biến mô và truyền đai có tỷ số truyền hạn chế Sự kết hợp giữa bộ truyền hành tinh và bơm pít tông mang lại đặc tính gần lý tưởng cho xe, thường được sử dụng trong các xe chuyên dụng với bánh xe truyền lực độc lập Bên cạnh đó, bộ truyền bánh răng quay tương tự như truyền đai cũng là một phần trong thiết kế này.
Hình 1.3 Hộp số vô cấp
Hộp số lai (Hybrid transmission system) là một hệ thống kết hợp giữa động cơ điện và hộp số cơ khí Hệ thống này bao gồm một động cơ điện, tiếp theo là hộp số hành tinh, và cuối cùng là hộp số cơ khí thông thường Hình 1.4 minh họa cấu trúc này, trong đó có sử dụng máy phát, bộ hành tinh và động cơ điện.
Hình 1.4 Hệ truyền lực lại/ Hybrid transmission system
Hình 1.5 Sơ đồ hệ truyển lực chung
Hệ truyền lực tổng quat bao gồm các thành phần chính như Ly hợp ma sát LH, Hộp số phụ đặt trước, Hộp số chính, Hộp số phụ sau, hộp phân phối, cầu chủ động và truyền lực cạnh Đối với xe tải cỡ lớn, hệ truyền lực được thiết kế đầy đủ các khâu, trong khi đó, xe con có cấu trúc đơn giản hơn như sơ đồ hình (1.1).
Bài viết này trình bày hai vấn đề chính: (i) lý thuyết phân chia tỷ số truyền trong hệ truyền lực và (ii) tiêu chí lựa chọn sơ đồ cấu trúc trong thiết kế Đặc điểm nổi bật của hệ thống xe con là khả năng bố trí hệ truyền lực đa dạng.
CƠ SỞ LÝ THUY Ế T PHÂN CHIA T Ỷ S Ố TRUY Ề N H Ệ
Xây dựng đặc tính động cơ
Để tính toán sức kéo, việc có đường đặc tính động cơ là rất quan trọng, vì đây là thông số đầu vào cho mọi tính toán tiếp theo Nếu đã có một động cơ cụ thể, ta có thể sử dụng đặc tính động cơ đầy đủ hoặc một số thông số đặc trưng từ Catalog, bao gồm số vòng quay tối thiểu, số vòng quay tối đa, mô men cực đại và công suất cực đại tương ứng với các vòng quay đó.
Hình 2.1 Đặc tính động cơ
Khi chưa có đầy đủ đặc tính động cơ đốt trong, chúng ta có thể xây dựng đường đặc tính dựa trên một số thông số cơ bản Dưới đây là một số phương pháp để thực hiện điều này Tất cả các phương pháp đều dựa trên nhận định kinh nghiệm rằng đường đặc tính của động cơ đốt trong có hình dạng tương tự như đường bậc.
3 Với một số điểm hữu hạn lấy từ thực nghiệm ta có thể xây dựng đường đặc tính khá phù hợp cho các tính toán ban đầu
Để hiểu rõ về số vòng quay cực tiểu và cực đại, chúng ta cần xác định công suất cực đại P_max tương ứng với số vòng quay n_P_max Đường công suất được biểu diễn theo số vòng quay với công thức P_e = P_e(2πn_e); ω_e = 2πn_e; M_e = P_e/ω_e.
P e = P 1 ω e +P 2 ω e 2 −P 3 ω e 3 (2.1) Với động cơ xăng ta có: max
Với động cơ Diesel phun gián tiếp ta có: max
= (2.7) Với động cơ Diesel phun trực tiếp:
Viết lại các công thưc tinh công suât:
(ii) Động cơ Diesel phun gián tiếp
(iii) Động cơ Diesel phun trực tiếp
Từ đặc tính công suất ta suy ra đặc tính mô men theo quan hệ:
Từ đó ta viết lại công thức tính đặc tính mô men cho các loại động cơ:
(i) Động cơ xăng max max max 2
(ii) Động cơ Diesel phun gian tiếp max max max 2
(iii) Động cơ Diesel phun trực gian tiếp max max max 2
(b) Tính theo Le-đec-man có hiệu chỉnh
Công thức Le-đéc-man là một hàm bậc 3 có dang:
Các hệ số a, b, c là các hệ số đặc trưng cho từng loại động cơ và được xác định theo công thức của [18] như sau:
(c) Tính theo Le-đec-man hiệu chỉnh theo [6]
Nhiều tài liệu tại Việt Nam sử dụng công thức Le-đec-man để xác định đặc tính động cơ đốt trong cùng với các hệ số a, b, c Tuy nhiên, do sự phát triển của công nghệ động cơ như tăng áp và phun xăng hỗn hợp, các hệ số này đã trở nên không còn phù hợp Khi một động cơ được giới thiệu ra thị trường, các thông số cơ bản như số vòng quay cực tiểu, cực đại, mô men và công suất cực đại thường được công bố Đường đặc tính mô men là một đường bậc 2 phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ, cho phép xác định các hệ số a, b, c khi biết giá trị cực trị tại mô men cực đại và các giá trị tại hai điểm của số vòng quay cực tiểu và cực đại.
Thông thường, để xác định dáng điệu của M n e ( ) và e P n e ( ) e, ta cần 3 điểm quan trọng Với một đường bậc 2, việc có 3 điểm này cho phép xác định hoàn toàn đường công suất và mô men.
( ) ( ) ( ) e e e e e e m e Pem e Pem e Pem e e e e e Pem e Pem e Pem n n n
• Điểm 3:( M e Pem , ax ; n e Pe m , ax )
Trong cách tính này được tìm trên cơ sơ sử dụng các công thức nội suy Lagrange Đưa (2.21) về dạng : y= a+b+cx 2
= Ta tính tọa độ cho 3 điểm trên đường cong y=f(x):
= M Áp dụng công thức Lagrang đối với 3 điểm (y1,x1), (y2,x2), (y3,x3) ta có:
Sau khi biến đổi ta xác định được các hệ sốa,b,c như sau:
Do thiếu số liệu thực tế về đặc tính ngoài của động cơ, chỉ có các thông số tại hai điểm đặc biệt (n eM, M e max) và (n eN, M eN) được sử dụng Các thông số này được trích dẫn từ tài liệu của xe.
Lấy đạo hàm M e theo n e ta có: e 0 e dM dn =
= + c Mặt khác khi ta có n e = n eN thì N e = N em ax theo Lây đéc man:
Trong đó: k m : là hệ số thích ứng của động cơ theo mô men.
Cơ sở phân chia tỷ số truyền
Hầu hết ô tô hiện nay sử dụng động cơ đốt trong, bao gồm động cơ xăng và Diesel, nhờ vào những ưu điểm như tỷ lệ công suất-khối lượng lớn, hiệu suất cao và khả năng tích tụ năng lượng dễ dàng Tuy nhiên, động cơ đốt trong cũng gặp phải ba hạn chế chính.
Động cơ đốt trong khác với động cơ hơi nước và động cơ điện ở chỗ nó không cung cấp mô men xoắn ở tốc độ thấp, do đó không có khả năng tạo ra mô men khi khởi động xe.
(ii) Công suất lớn nhất chỉ đạt được tại một số vòng quay nhất định; công suất cực đại không cùng số vòng quay với mô men cực đại
(iii) Tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc nhiều vào các điểm làm việc của động cơ.
Với một công suất cực đại Pmax, ta đạt một vận tốc v, tương ứng lực kéo F k id , Trong toàn miền ta có đặc tính xe lý tưởng
Biểu thị trên đồ thị, đặc tính của động cơ đốt trong hình thành một Hyperbol Lực kéo mà động cơ cung cấp không đáp ứng biểu thức (2.24), dẫn đến đặc tính thực tế của động cơ đốt trong có dạng khác biệt.
Ngoài ra, lực kéo còn bị giới hạn bởi khả năng bám giữa lốp và đường Các quan hệ (2.24), (2.25) được biểu diễn như trong hình (2.2)
Hình 2.2 Đường đặc tính kéo lý tưởng và thực tế
Để tối ưu hóa đặc tính của động cơ đốt trong, cần thiết phải có một cơ cấu phù hợp, giúp đưa các đặc tính này gần với lý tưởng Bộ phận đảm nhiệm vai trò này trong ô tô được gọi là Hộp số.
Hình 2.3 Đặc tính kéo thực tế (4 số) và đặt tính kéo lý tưởng
Như vậy nhiệm vụ hệ thống truyền lực là
(i) Thay đổi vận tốc xe thông qua ly hợp ma sát hoặc ly hợp thủy lực
(ii) Thay đổi mô men theo vận tốc nhờ hộp số có cấp hoặc vô cấp
Hộp số có cấp giúp động cơ hoạt động gần với đặc tính lý tưởng hơn khi số tay cao, trong khi hộp số vô cấp là lựa chọn duy nhất để đạt được đặc tính lý tưởng Khi khởi động, động cơ đốt trong không tạo ra mô men, nhưng việc sử dụng ly hợp ma sát hoặc biến mô thủy lực có thể tạo ra lực đẩy cần thiết trong quá trình khởi hành.
Khi xe di chuyển, động cơ cần cung cấp một lực kéo đủ lớn cho bánh xe chủ động để vượt qua bốn loại lực cản chính: lực cản không khí, lực cản lặn, lực cản khi lên dốc và lực gia tốc.
F = η i i i i M r (2.26) là công thức mô tả lực kéo tại bánh xe chủ động, trong đó F đại diện cho lực kéo, η là hiệu suất, và các tỷ số truyền i w, i j, i p, i o lần lượt tương ứng với biến mô thủy lực, hộp số cơ khí, hộp số phụ và cầu xe.
M n e ( e ) Mô men động cơ phụ thuộc số vòng quay r bán hinhd bánh xe
Ta có phương trình cân bằng lực kéo:
Trong đó: m khôi lượng toàn bộ của xe (kg); g gia tốc trọng trường (m/s 2 ); α St góc dốc; ρ L mật độ không khí (kg/m 3 ); c L Hệ số cản không khí ;v vận tốc
(m/s); λ Hệ sốảnh hưởng khối lượng quay trong hệ truyền lực ô tô; a gia tốc xe (m/s 2 ) Điều kiện chuyển động không trượt:
Trong đó: F ϕ ϕ m ax là trọng lượng bám và hệ số bám
2.2.1 Cơ sở chọn tỷ số truyền hệ truyền lực
Here is a rewritten paragraph that meets SEO rules and conveys the meaning of the original content:Khi thiết kế hộp số, cần xác định ba tỷ số truyền quan trọng, bao gồm tỷ số truyền biến mô thủy lực (iw = 2,1), tỷ số truyền cầu xe (io) và tỷ số truyền hốp số cơ khí (ij) Để đảm bảo hiệu suất của hộp số, cần xác định tỷ số truyền cầu xe, số tay sô j và quy luật thay đổi số của các số trung gian Theo công thức, iT = ii0jw, việc tính toán và lựa chọn tỷ số truyền phù hợp là bước quan trọng trong thiết kế hộp số.
- Tỷ số truyền phụ thuộc mức biến thiên vận tốc và lực kéo
- Tỷ số truyền in1 phải tạo ra lực kéo lớn nhất
(2.32) i1 phải chọn thỏa mản điều kiện bám ϕ η M e max 0 1 i i = ϕ max F r (2.33) ϕ ϕ
M i (2.34) Vậy i1 phải thỏa mãn điều kiện sau: α ϕ η η
M i M i (2.35) Tính io: io được xác định nhờ điều kiện cân bằng lực kéo ở tay số cao nhất, thường là truyền thẳng và tại đó xe đạt vmax η 0 = + 1ρ max 2
Số tay có thể chọn theo kinh nghiệm và phân chia các số trung gian theo cấp số nhân và sau đó hiệu chỉnh
Trong phần tìm tỷ số truyền cho hệ truyền lực, việc xác định số tay số và chọn bước nhảy của các số là rất quan trọng Công thức để xác định số tay số được dựa trên nguyên tắc Jante.
Hình 2.4 Đặc tính động cơ và đặc tính kéo của xe
Hình 2.5 Đặc tính động và các điểm là việc lý tưởng
Hình 2.4 minh họa ba đặc tính động cơ ở phía trên và ba đặc tính đầu ra của hộp số ở phía dưới Khi động cơ có đặc tính dạng Parabol (hình trái), xe chỉ cần một số truyền Nếu động cơ hoạt động tại một số vòng quay nhất định (hình giữa), hộp số cần có nhiều số truyền Cuối cùng, nếu động cơ có đặc tính như hình phía phải, hộp số chỉ cần một số hữu hạn, cụ thể là ba số truyền như trong hình.
(2.5) và vì vậy, trên thực tế chỉ cần hộp số có một số số hữu hạn là có thể biến đặc tính của nó thành đặc tính lý tưởng
Đường nét đứt trong hình (2.5) thể hiện đặc tính mô men của động cơ, trong khi đường hyberbol biểu diễn đặc tính mô men lý tưởng M e (2π n e ) = P e c ons t Chỉ có một khoảng ( n k n m ax ) gần với đặc tính lý tưởng, được gọi là miền biến thiên trong Đường nét đậm tương tự như phần bên phải của hình (2.4) Trong thực tế, ô tô cần một khoảng biến thiên lực kéo rộng hơn, do đó cần thêm số cấp số (khoảng biến thiên ngoài) Số tay số được xác định bởi khoảng lực kéo (F k m , ax F k ,min ) và vận tốc tương ứng (v A v B ) Đồ thị (2.6) thể hiện sơ đồ thiết kế tỷ số hộp số Vận tốc cực đại là thông số bắt buộc, với lực cản tối thiểu tính theo hệ số cản lăng f = 0,02 (2%) và phải vượt dốc q = 0,3; lực kéo riêng cực đại đạt 32% Đường hyberbol là đặc tính kéo lý tưởng của xe ứng với một công suất, với hệ số sử dụng công suất γ Pe = P e / P e m , ax Khoảng AB là miền thay đổi vận tốc (lực kéo) của xe, do sự thay đổi số vòng quay động cơ (miền biến thiên trong) và tỷ số truyền hộp số (miền biến thiên ngoài) Tỷ số toàn miền được tính bằng α chung = ( v nk 4 / v nk 1 ) = ( v n m , ax4 / v n m , ax1 ) = ( v B / v A ) (2.38).
Trong thực tế người ta có thể không thiết kế v m ax t ạ i n s mà t ại đó n s