Nghiên cứu CVT và tính toán sức kéo của xe sử dụng CVT

Hộp số CVT cho phép thay đổi tỉ số truyền của hệ thống một cách liên tục mà không cần phải ngắt dòng công suất, đảm bảo cho hệ thống truyền lực luôn có được tỉ số truyền thích hợp để độn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 10

1.1 Các vấn đề về sức kéo của ô tô 10

1.1.1 Động cơ đốt trong 10

1.1.2 Hệ thống truyền lực 12

1.2 Kết cấu cơ bản của một số loại hộp số sử dụng trên ô tô 17

1.2.1 Hộp số tay (MT - Manual Transmission) 17

1.2.2 Hộp số tự động (AT – Automatic Transmission ) 20

1.2.3 Hộp số vô cấp (CVT - Continuously Variable Transmission) 24

1.3 Một số công trình nghiên cứu về sức kéo của ô tô 26

1.4 Nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài 27

1.4.1 Nội dung 27

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 28

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 28

CHƯƠNG II: HỘP SỐ VÔ CẤP 29

2.1 Hộp số vô cấp (CVT) 29

2.2 Lịch sử phát triển của hộp số CVT 29

2.3 Các dạng cấu trúc của CVT 30

2.3.1 Hộp số vô cấp CVT với puly và đai truyền 30

2.3.2 Hộp số vô cấp CVT sử dụng đĩa và con lăn (Toroidal CVT) 34

2.3.3 Hộp số vô cấp thủy tĩnh (Hydrostatic CVT) 35

2.4 Ưu điểm và nhược điểm của hộp số vô cấp CVT 36

2.4.1 Ưu điểm 36

2.4.2 Nhược điểm 37

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN SỨC KÉO CỦA Ô TÔ SỬ DỤNG CVT 38

3.1 Lựa chọn động cơ xe tham khảo có sử dụng CVT 38

3.2 Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo của ô tô 39

3.2.1 Tỉ số truyền của hệ thống truyền lực 40

3.2.2 Tỉ số truyền của truyền lực chính 41

3.2.3 Tỉ số truyền của CVT 42

3.3 Xác định chỉ tiêu về nhân tố động lực học D 47

3.3.1 Xác định nhân tố động lực học D khi ô tô chở định mức 47

3.3.2 Xác định nhân tố động lực học DX khi tải trọng của ô tô thay đổi 50

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨUĐỀ XUẤT SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CVT 52

4.1 Mục tiêu của việc điều khiển CVT 52

4.2 Đề xuất sách lược điều khiển CVT 53

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 59

1 KẾT LUẬN 59

2 KIẾN NGHỊ 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 62

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

và chưa hề được sử dụng để bảo vệ trong một học vị nào

thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Trần Ngọc Anh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ihi Tỉ số truyền ở tay số thứ i của hộp số

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Lực kéo ở các tay số theo tốc độ xe

Bảng 3.2: Lực cản không khí Pωvà lực cản lăn Pftheo tốc độ ô tô

Bảng 3.3: Nhân tố động lực học D

Bảng 3.4: Tính % tải trọng của ô tô

Bảng 4.1:Bảng tính toán tỉ số truyền tối ưu của CVT theo vận tốc mong muốn của người lái

Bảng 4.2: Bảng các giá trị tỉ số truyền tối ưu được lựa chọn cho việc điều

khiển

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Đồ thị quan hệ Pk - v

Hình 1.2: Một số sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực trên ô tô thường dùng

Hình 1.3: Sơ đồ tổng quát xe sử dụng hộp số tay

Hình 1.4: Sơ đồ động hộp số tay 5 cấp

Hình 1.5: Sơ đồ tổng quát xe sử dụng hộp số tự động

Hình 1.6: Cấu tạo biến mô thủy lực

Hình 1.7: Cơ cấu hành tinh Wilson

Hình 1.8: Cơ cấu hành tinh kiểu Simpson

Hình 1.9: Sơ đồ tổng quát xe sử dụng hộp số vô cấp

Hình 1.10: Kết cấu CVT tiêu biểu sử dụng dây đai

Hình 2.1: Hộp số vô cấp CVT với puly và đai truyền

Hình 2.2: Đai chữ V bằng cao su dùng trong hộp số CVT

Hình 2.3: Đai chữ V bằng kim loại dùng trong hộp số CVT

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của hộp số CVT dùng dây đai

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của hộp số CVT dùng đĩa và con lăn

Hình 4.1: Sơ đồ điều khiển CVT

Đồ thị 4.2: Đồ thị đặc tính đầy đủ của động cơ

MỞ ĐẦU

Nước ta với nền kinh tế mới hội nhập và phát triển, số lượng ô tô nhập khẩu, sản xuất trong nước ngày càng nhiều đặc biệt là xe con, xe du lịch Theo

dự báo của hiệp hội sản xuất ô tô Việt Nam (VAMA) năm 2012 sẽ có 150.000

xe ô tô được tiêu thụ trong nước, bên cạnh đó ngành công nghiệp sản xuất ô tô đang phát triển rất mạnh mẽ Số lượng ô tô tăng nhanh dẫn đến mật độ lưu

cao, các ô tô được thiết kế với công suất lớn, tốc độ cao và ngày càng tiện nghi hơn Trong những năm gần đây, có nhiều nguồn năng lượng mới đã và đang được nghiên cứu để dùng trên ô tô, nhưng nguồn năng lượng được dùng chủ yếu vẫn là dầu mỏ

Hộp số CVT cho phép thay đổi tỉ số truyền của hệ thống một cách liên tục mà không cần phải ngắt dòng công suất, đảm bảo cho hệ thống truyền lực luôn có được tỉ số truyền thích hợp để động cơ làm việc ở vùng tối ưu Việc nghiên cứu hộp số vô cấp (CVT) nói chung và nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển tỉ số truyền CVT nói riêng có ý nghĩa rất quan trọng Nó góp phần nâng cao khả năng vận hành của xe trên các dạng địa hình khác nhau và góp phần giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu, qua đó giảm lượng khí thải ra môi trường Đó là vấn đề đang được thế giới rất quan tâm trong bối cảnh nguồn nhiên liệu không tái sinh là dầu mỏ đang dần cạn kiệt

Với mong muốn góp một phần nhỏ để giải quyết các vấn đề nêu trên,

đề tài “ Nghiên cứu CVT và tính toán sức kéo của xe sử dụng CVT ” được

thực hiện

Việc nghiên cứu sức kéo của xe sử dụng CVT được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết Kết quả đạt được của đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các đề tài khác có liên quan

Dưới sự hướng dẫn của TS Lê Thanh Tùng, các thầy trong Bộ môn Ô

Đề tài thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng

tận tụy của TS Lê Thanh Tùng, sự đóng góp ý kiến quý báu của PGS TS Hồ

Hữu Hải và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn thành

Do thời gian hạn chế nên bản luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, tháng 6 năm 2012

Tác giả

Trần Ngọc Anh

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Các vấn đề về sức kéo của ô tô

Lịch sử phát triển ngành ô tô đã chứng kiến nhiều loại động cơ khác nhau ra đời, nhưng hiện nay nguồn động lực chính dùng trên ô tô vẫn là loại động cơ đốt trong piston tịnh tiến

Các thông số đánh giá khả năng động lực học của xe gồm có:

• Công suất: Nói chung công suất của động cơ càng lớn, ô tô càng có tính năng động lực học cao Tuy nhiên, tính năng động lực học của xe bị giới hạn bởi điều kiện mặt đường mà xe đang hoạt động,

học của xe,

• Thời gian tăng tốc từ 0 đến 100 km/h và đến vận tốc tối đa,

• Quãng đường tăng tốc đến 100 km/h và đến vận tốc tối đa

Khả năng động lực học của một xe phụ thuộc vào động cơ, tỉ số truyền của hệ thống truyền lực, phương thức điều khiển tỉ số truyền, bố trí chung của

ô tô và phân bố khối lượng trên các cầu xe Trong các điều kiện hoạt động cụ thể, nó phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe với mặt đường

1.1.1 Động cơ đốt trong

• Các loại động cơ đốt trong chính:

kết hợp với nhau chuyển động tịnh tiến trong lòng xilanh để sinh công Trong loại động cơ này sẽ sử dụng cơ cấu phân phối khí để nạp không khí (hoặc hỗn hợp không khí - nhiên liệu) và thải khí xả khi động cơ làm việc

lòng xilanh để sinh công, đồng thời nó cũng có tác dụng tương tự cơ cấu phân phối khí ở loại động cơ piston chuyển động tịnh tiến

• Các thông số chính của động cơ đốt trong:

- Công suất cực đại / số vòng quay

- Mômen xoắn cực đại / số vòng quay

- Thứ tự làm việc của xilanh

- Suất tiêu thụ nhiên liệu

- Chiều dài thanh truyền

- Khối lượng piston

• Đặc tính của động cơ đốt trong:

Để xác định lực, mômen tác dụng lên các bánh xe chủ động của ô tô cần phải nghiên cứu đường đặc tính tốc độ của động cơ sử dụng trên ô tô

Đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ là các đồ thị biểu diễn quan

hệ giữa công suất có ích Ne, mômen xoắn có ích Me, lượng tiêu hao nhiên liệu trong 1 giờ Gt và suất tiêu hao nhiên liệu Ge theo số vòng quay n hoặc theo tốc

độ góc trục khuỷu

Có 2 loại đường đặc tính tốc độ của động cơ đốt trong:

Đường đặc tính tốc độ ngoài, gọi tắt là đường đặc tính ngoài động cơ Đường đặc tính tốc độ động cơ nhận được bằng cách thí nghiệm động cơ trên

bệ thử Khi thí nghiệm động cơ trên bệ thử ở chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại tức là mở bướm ga hoàn toàn đối với động cơ xăng hoặc đặt thanh răng của bơm cao áp ứng với chế độ cấp nhiên liệu hoàn toàn đối với động cơ diesel Chúng ta nhận được đường đặc tính ngoài của động cơ

Đường đặc tính cục bộ thể hiện khi bướm ga hoặc thanh răng ở vị trí trung gian

Vì vậy đối với mỗi động cơ đốt trong sẽ có một đường đặc tính tốc độ ngoài và vô vàn đường đặc tính cục bộ tùy theo vị trí bướm ga hay vị trí của thanh răng

1.1.2 Hệ thống truyền lực

Hệ thống truyền lực của ô tô là hệ thống tập hợp tất cả các cơ cấu nối từ động cơ đến bánh xe chủ động, bao gồm các cơ cấu truyền, cắt, đổi chiều quay, biến đổi giá trị mômen truyền Hệ thống truyền lực có các nhiệm

vụ cơ bản sau:

+ Truyền, biến đổi và phân bố chuyển động từ động cơ tới các bánh

xe chủ động của ô tô Sự thay đổi này được thực hiện nhờ bằng tỉ số truyền và được xác định thông qua: tỉ số giữa vận tốc quay trục khuỷu động cơ với vận tốc quay của bánh xe chủ động

Trên hình 1.1 là đồ thị mối quan hệ lực kéo Pk và vận tốc chuyển động của ô tô v

Hình 1.1: Đồ thị quan hệ P k - v

Trên đồ thị ta có thể nhận thấy: ứng với mỗi tốc độ khác nhau của ô tô

v, sẽ có các giá trị lực kéo Pk tương ứng Nhờ có hệ thống truyền lực nói chung và hộp số nói riêng sẽ tạo ra các tỉ số truyền để ô tô với khả năng hạn

Pk

v

chế của động cơ có thể khắc phục được các điều kiện chuyển động nặng nhọc khác nhau

+ Cắt dòng truyền trong thời gian ngắn hoặc dài

+ Thực hiện đổi chiều chuyển động nhằm tạo nên chuyển động lùi cho ô tô

+ Tạo khả năng chuyển động ‘‘ mềm mại ” và tính năng việt dã cần thiết trên đường

• Các thông số chính của hệ thống truyền lực

- Số lượng số truyền của hộp số

- Tỉ số truyền ở các tay số của hộp số chính

- Tỉ số truyền của truyền lực chính

• Các loại hệ thống truyền lực và ưu nhược điểm:

- Hệ thống truyền lực cơ khí có cấp: đây là hệ thống truyền lực tiêu biểu,

có lịch sử lâu đời và được sử dụng rộng rãi trên ô tô Chúng có ưu điểm là kết cấu đơn giản, hiệu suất cao, giá thành chế tạo thấp Nhược điểm chính là chỉ

có thể tạo ra một số hữu hạn cấp số truyền, khi chuyển số phải cắt dòng truyền công suất, thao tác phức tạp, hay phát sinh hỏng hóc và phát ra tiếng ồn khi

làm việc

- Hệ thống truyền lực cơ khí vô cấp: đây là hệ thống truyền lực mới được phát triển nhưng đã tỏ rõ ưu thế vượt trội Chúng có thể tạo ra vô hạn tỉ số truyền khác nhau trong một vùng nhất định, thao tác đơn giản, hoạt động êm Nhược điểm chính của chúng là bị tổn hao công suất do xảy ra hiện tượng trượt, chế tạo phức tạp và giá thành khá cao

chế tạo xe hơi rất chú trọng phát triển bởi các ưu thế so với hệ thống truyền lực cơ khí có cấp Chúng hoạt động êm dịu, giảm thao tác cho người lái, tải trọng động nhỏ, có tỉ số truyền thay đổi liên tục trong một vùng nhất định

Nhược điểm chính là hiệu suất thấp, chế tạo tương đối phức tạp và giá thành tương đối cao

- Hệ thống truyền lực điện: đây là hệ thống truyền lực mới được phát triển Đây là hệ thống rất thân thiện với môi trường trong bối cảnh vấn đề khí thải gây ô nhiễm môi trường đang rất được quan tâm Nhược điểm duy nhất của chúng là quãng đường xe chạy được cho một lần nạp điện là không xa, phải dừng lại để nạp điện khi cần xe chạy trên một quãng đường khá dài

kết quả của sự kết hợp hài hòa giữa cơ khí và điện Chúng khắc phục được nhược điểm của các hệ thống phát triển trước đó Tuy nhiên hệ thống này được chế tạo rất phức tạp nên giá thành rất cao

• Một số cách bố trí hệ thống truyền lực và ưu nhược điểm

5321

S ơ đồ a

S ơ đồ b

1 2

35

4

4

55

6

- Với sơ đồ a : Động cơ, ly hợp, hộp số đặt hàng dọc phía trước đầu xe, cầu chủ động đặt sau xe, trục các đăng nối giữa hộp số và cầu chủ động Chiều dài từ hộp số đến cầu sau khá lớn nên giữa trục phải đặt ổ treo Sơ đồ này thông dụng và quen thuộc trên nhiều xe

chủ động Toàn bộ cụm truyền lực làm liền khối Trọng lượng khối động lực nằm lệch hẳn về phía trước đầu xe giảm đáng kể độ nhạy cảm của ô tô với lực bên nhằm nâng cao khả năng ổn định ở tốc độ cao Trong cầu chủ động: bộ truyền bánh răng trụ thay thế cho bộ truyền bánh răng côn

- Với sơ đồ c : Động cơ, ly hợp, hộp số, cầu chủ động làm thành một khối gọn ở phía sau xe, cầu chủ động Cụm động cơ nằm sau cầu chủ động Cấu trúc này hiện nay ít gặp trên xe 4, 5 chỗ ngồi, tuy nhiên vẫn còn tồn tại vì

lí do công nghệ truyền thống của các hãng sản xuất, hoặc thực hiện trên các loại xe minibus Cấu trúc loại này rất phù hợp cho việc tăng lực kéo của xe, tức là đảm bảo khả năng tăng tốc xe tốt, hạ thấp chiều cao đầu xe, phù hợp với việc tạo dáng khí động học cho ô tô cao tốc

- Với sơ đồ d : Động cơ, ly hợp, hộp số chính, hộp phân phối đặt dọc phía đầu xe, cầu trước và cầu sau chủ động Nối giữa hộp phân phối và các cầu là các trục các đăng Sơ đồ này thường gặp ở ô tô có khả năng việt dã cao,

ô tô chạy trên đường xấu

Công suất phát ra của động cơ một phần tiêu hao cho ma sát trong hệ thống truyền lực, phần còn lại để khắc phục sức cản, khả năng tải, tốc độ cần

có của động cơ khi làm việc

Ô tô chạy ở các chế độ khác nhau và làm việc ở các chế độ có tính kinh

tế nhiên liệu tốt nhất Khi chạy ở các chế độ và tải khác nhau tức là để ô tô chạy ổn định ở các chế độ khác nhau chúng ta cần thay đổi số truyền của hệ thống truyền lực

Đối với tỉ số truyền của truyền lực chính

Từ công thức nhân tố động lực học D nhận thấy tỉ số truyền i0 có ảnh hưởng đến chất lượng động lực học của ô tô và vận tốc của chúng Khi i0tăng thì D tăng nghĩa là khắc phục sức cản chuyển động của ô tô cũng tăng lên Tuy nhiên khi i0 tăng thi vận tốc lớn nhất của ô tô ở mỗi số truyền bị giảm xuống dẫn đến số vòng quay trục khuỷu cho một đơn vị quãng đường chạy tăng lên dẫn đến tiêu hao nhiên liệu tăng lên và giảm tuổi thọ của các chi tiết động cơ Tùy theo loại xe cần chọn thông số i0 cho thích hợp Việc chọn i0 được nghiên cứu bằng sự cân bằng công suất ô tô và được tính toán ở phần sau khi tính toán

Số lượng số truyền trong hộp số:

Số lượng số truyền trong hộp số ảnh hưởng đến tính chất động lực học của ô tô Để tiện khi so sánh 2 loại ô tô có đặc tính động lực học như nhau, nhưng ô tô thứ nhất với hộp số có 3 số truyền và thứ hai có 4 số truyền chúng đều có tỉ số truyền thứ nhất và cuối cùng bằng nhau

Nếu 2 ô tô cùng chuyển động trên cùng một loại đường có hệ số cản tổng như nhau là φ2 khi đó vận tốc lớn nhất của ô tô có hộp số 3 cấp nhỏ hơn vận tốc của ô tô có hộp số 4 cấp

Cần xác định tỉ số truyền của hộp số: hộp số đặt trong hệ thống truyền lực của ô tô nhằm đảm bảo khả năng khắc phục lực cản của mặt đường luôn thay đổi như vậy cần xác định tỉ số truyền của từng số trong hộp số

1.2 Kết cấu cơ bản của một số loại hộp số sử dụng trên ô tô

1.2.1 Hộp số tay (MT - Manual Transmission)

Ở hộp số tay, việc chuyển đổi qua lại giữa các số được thực hiện bằng tay Mômen xoắn của động cơ được truyền dẫn tới hộp số qua cơ cấu ly hợp, việc thay đổi tỉ số truyền được thực hiện bằng cách thay đổi sự ăn khớp giữa các bánh răng có đường kính khác nhau được bố trí trong hộp số

Hộp số Động cơ

Ly hợp

Bánh xe

Hình 1.4: Sơ đồ động hộp số tay 5 cấp

Trên hình 1.4 là cấu trúc tiêu biểu của hộp số tay 3 trục 5 cấp số Bánh răng 4, 6, 8, 10, 12 luôn quay trơn trục thứ cấp và các bánh răng này luôn ăn khớp với các bánh răng 3, 5, 7, 9, 11 của trục trung gian Hộp số được trang bị 3 bộ đồng tốc, số tiến hoặc lùi được gài bằng cách di chuyển bộ đồng tốc

Hộp số 5 cấp tốc độ được thiết kế cho động cơ cỡ nhỏ, công suất thấp

và thường được trang bị trên xe du lịch Bốn cấp số đầu tiên giúp cho xe tăng tốc nhanh chóng, số 5 giữ cho tốc độ động cơ giảm khi chạy đường trường để tăng tính kinh tế và tăng tuổi thọ

Đẩy tay số làm cho bộ đồng tốc II di chuyển về phía trước, các răng của

bộ đồng tốc ăn khớp với vành răng của bánh răng số 6 trục thứ cấp Mômen truyền từ bánh răng 1 , 2 , 5 , 6 truyền ra các đăng

Số 3:

Đẩy tay số làm cho bộ đồng tốc I di chuyển về phía sau và ăn khớp vào bánh răng bánh răng 8 của trục thứ cấp, mômen truyền từ bánh răng 1 , 2 , 7, 8 truyền ra các đăng

Số 4:

Đẩy tay số làm cho bộ đồng tốc I di chuyển về phía trước ăn khớp với bánh số 1 của trục sơ cấp làm cho trục sơ cấp và thứ cấp nối với nhau, trục trung gian không tham gia vào việc truyền mômen xoắn

Số 5:

Đẩy tay số cho bộ đồng tốc III di chuyển về phía sau ăn khớp với bánh răng số 10 của trụv thứ cấp Lúc này một bánh răng lớn của trục trung gian sẽ kéo bánh răng nhỏ của trục thứ cấp tạo nên một tỉ số truyền nhỏ hơn 1

Số lùi:

Đẩy tay số làm cho bộ đồng tốc III di chuyển về phía trước ăn khớp với bánh răng 12 của trục thứ cấp, mômen sẽ truyền từ 1, 2, 11, 13, 12 làm cho

trục thứ cấp quay ngược chiều với trục sơ cấp

Trên xe du lịch nói riêng có nhiều loại hộp số với các tay số khác nhau nhưng thường không quá 6 tay số Do việc chuyển đổi qua lại giữa các số được thực hiện bằng tay nên thao tác của người lái có phần phức tạp Khi chuyển số cần phải cắt ly hợp để ngắt dòng công suất Các bánh răng của hộp

số bị va đập trong quá trình chuyển số, xe sẽ xuất hiện hiện tượng rung, giật khi tăng số hoặc giảm số nếu thao tác của người lái không nhuần nhuyễn Việc đồng tốc bị trượt làm tổn hao công suất, dòng công suất sẽ bị ngắt quãng trong quá trình chuyển đổi qua lại giữa các số

1.2.2 Hộp số tự động (AT – Automatic Transmission )

Hộp số tự động trên ô tô bao gồm 1 bộ biến mô thủy lực và một hộp số hành tinh có cấp

Biến mô thuỷ lực được lắp ở đầu vào của hộp số và được 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 mômen này đến hộp số hoặc đóng vai trò như 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 hướng (D) được lắp giữa bánh bơm và bánh tua bin

Cấu tạo bên trong của bánh bơm B, bánh tuabin T, bánh dẫn hướng D

có các cánh được 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 lượng là ít nhất khi chất lỏng đi từ cánh của bánh này sang cánh của bánh kia

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 như 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 được dùng chủ yếu là kiểu Wilson và kiểu Simson

Cơ cấu hành tinh kiểu Wilson

Hình 1.7: C ơ 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 S đặt trên một trục quay một bánh răng ngoại luân có vành răng ngoài R đặt trên một trục quay khác cùng đường

tâm với trục của S các bánh răng hành tinh T nằm giữa S và R và đồng thời ăn khớp với S và R, trục của bánh răng T ăn khớp với nhau trên giá hành tinh C

và chuyển động quay xung quanh đường 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 được 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 hộp số, khoá hai phần tử với nhau

Gọi nS, nR, nc là số vòng quay của bánh răng mặt trời, bánh răng bao, cần dẫn, ωs, ωR, ωC là vận tốc góc của bánh răng mặt trời, bánh răng bao, cần dẫn

định tính bằng công thức:

i =

c R

c s

n n

n n

−

−

=

c R

c s

ωω

ωω

Giá trị của i được xác định qua bán kính vòng lăn r hoặc số răng Z

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

Cơ cấu hành tinh kiểu Simson

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 được ghép nối với nhau như hình 1.8

Hình 1.8: Cơ cấu hành tinh kiểu Simpson

Trong hộp số tự động, quá trình chuyển số được thực hiện tự động hoàn toàn, người lái không phải điều khiển chuyển số nên giảm thiểu được các thao tác khi lái xe Tự động chuyển số nên xe luôn hoạt động ở chế độ phù hợp nhất

tương ứng với điều kiện của tải, địa hình, tốc độ, tận dụng được công suất và

mô men do vậy tránh được tổn hao công suất cũng như nhiên liệu, tăng tính kinh tế trong quá trình vận hành Với hộp số thường thì quá trình chuyển số là theo cảm nhận của người lái nên phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm của người lái

Mômen xoắn được tăng lên đáng kể nhờ có biến mô, truyền đến các bánh xe chủ động một cách êm dịu và gần như liên tục tương ứng với lực cản chuyển động và tốc độ chuyển động của ô tô Không xảy ra hiện tượng thay đổi tốc độ đột ngột hoặc rung giật xe khi tăng hoặc giảm số như ở hộp số thường,

Hộp số tự động giúp tăng được khả năng động lực học của ô tô Giảm được tải trọng tác dụng lên các chi tiết của hệ thống truyền lực Tránh được quá tải cho động cơ và hệ thống truyền lực vì giữa chúng được nối với nhau bằng biến mô thủy lực Tạo ra số truyền tăng OD, có thể dừng xe mà không phải chuyển số về số 0 ( số Mo ) Hiệu suất truyền lực tăng đáng kể ở chế độ khoá biến mô

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 đường dầu nên không

có hiện tượng 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 người ta sử dụng áp suất thuỷ lực để tự động chuyển các tay số tuỳ theo các tốc độ xe, góc mở bướm ga và vị trí cần số

1.2.3 Hộp số vô cấp (CVT - Continuously Variable Transmission)

Khác với hai loại hộp số nêu trên Hộp số vô cấp ( CVT ) không sử dụng hệ thống bánh răng để thay đổi tỉ số truyền Thay vào đó, hộp số vô cấp

sử dụng hai puly có thể thay đổi đường kính khác nhau Puly chủ động sẽ dẫn động puly bị động bằng dây đai cao su hoặc dây đai kim loại Việc điều khiển thay đổi đường kính của hai puly sẽ tạo nên các “ cấp số ” của hộp số Do đường kính của hai puly được thay đổi một cách liên tục trong suốt quá trình hoạt động của xe nên sẽ tạo nên vô số các tỉ số truyền ứng với từng điều kiện vận hành

Nhờ vào việc thay đổi tỉ số truyền, CVT có thể làm cho động cơ xe vận hành với mức năng lượng tối thiểu, do đó làm giảm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu hao CVT có thể chuyển đổi mỗi điểm trên đường cong hoạt động của động cơ với một điểm tương ứng trên đường cong biểu diễn hoạt động của riêng nó Đối với các loại hộp số khác, dòng công suất vẫn bị ngắt quãng trong quá trình tăng hoặc giảm số Nhưng đối với CVT, hiện tượng này không xảy

ra, và do được dẫn động bằng dây đai nên hiện tượng xe bị rung, giật khi tăng hoặc giảm số không xuất hiện Nhược điểm lớn nhất của CVT là việc dây đai

bị trượt trong quá trình làm việc dẫn đến một phần nhỏ công suất bị tổn hao

Với các tính năng ưu việt kể trên, ngay từ khi ra xuất hiện lần đầu tiên cho tới thời điểm hiện tại, các hãng xe đã không ngừng nghiên cứu phát triển, cải tiến và khắc phục các nhược điểm của CVT Sau đây là một số thành tựu

đã đạt được:

dây đai cao su

- Hệ thống thủy lực tiên tiến điều khiển đường kính puly cùng với các bộ cảm biến và vi mạch xử lý tốc độ cao được đưa vào sử dụng nhằm tối

ưu hóa điều kiện, thời gian phản ứng của CVT với từng điều kiện hoạt động của xe

để chế tạo ra thế hệ CVT mới được hứa hẹn là sẽ tiết kiệm nhiên liệu, tăng hiệu suất và gọn nhẹ hơn Thế hệ CVT mới kết hợp CVT truyền thống với một hộp số phụ và có một tỉ số truyền tăng lên đáng kể, cao hơn khoảng 20% so với những dòng CVT khác Theo Nissan, nó nằm trong số những CVT có tỉ số truyền cao nhất dành cho ô tô

- Loại CVT mới có tỉ số truyền 7,3 : 1, cao hơn so với tỉ số truyền trung bình của hộp số tự động 7 cấp được trang bị cho những xe nhỏ gọn có dung tích xi lanh lớn Với hệ thống Adaptive Shift Control (ASC), nó

có khả năng tăng hiệu suất bằng cách tự động lựa chọn tỉ số truyền phù hợp nhất cho các quá trình hoạt động của xe như: khởi động, tăng tốc, lên dốc và xuống dốc

- CVT thế hệ mới cũng dùng đai dẫn động giống như của một CVT thông thường nhưng hoạt động kết hợp với hộp số phụ Nó cũng giảm được khối lượng 10% và 13% so với những chiếc CVT cùng loại Nissan cũng sử dụng những phụ tùng có khối lượng nhẹ được để giảm bớt chi phí nhiên liệu

1.3 Một số công trình nghiên cứu về sức kéo của ô tô

- Adaptive control system for continuously variable transmission (CVT)

tác giả W.Seidel, J.Petersmann, U.Hickmann, W Mollers – 1992 – F Porsche

AG, Germany Tác giả đã đề cập đến tính ưu việt và liên hệ mật thiết giữa cách thức hoạt động của CVT với tính năng hoạt động của động cơ ô tô

truyền lực thuỷ lực thể tích điều chỉnh tự động áp dụng trên xe EO-3323 " Hội

nghị quốc tế về Công nghệ ô tô cho Việt Nam: ICAT’96

- Automative transmissios – tác giả Gisbert Lechner, Harla Naunheimer –

hộp số tự động và xây dựng sơ đồ động học cũng như các phương trình vi phân liên hệ động học và mômen trong các cơ cấu hành tinh đơn giản

- Nguyễn Trọng Hoan, ‘‘Mô phỏng và tính toán tải trọng cực đại tác

dụng lên hệ thống truyền lực ô tô’’, Tạp chí Công nghiệp, số 6 năm 2004

M.Steinbuch và P.A.Veenhuizen – 12/2005 - TU Eindhoven Den Dolech

vùng tiêu thụ nhiên liệu tối ưu của động cơ khi sử dụng CVT Tác giả cũng đề xuất ý tưởng về một đường tối ưu trong quá trình hoạt động của CVT

- Control of hydraulic motive system for improvement of fuel

consumption - Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học kỹ thuật số

hệ thống động lực trên ô tô và xe chuyên dụng để cải thiện tính năng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ ô tô Trong công trình này tác giả mới quan tâm đến bộ truyền vô cấp là hệ thống thủy lực thể tích thường được áp dụng trên các xe - máy chuyên dụng

1.4 N ội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài

1.4.1 Nội dung

CVT

Đề xuất phương pháp tính toán sức kéo xe sử dụng CVT

thiện suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ

Với nội dung nghiên cứu trên, đề tài được trình bày trong 4 chương:

- Chương I Tổng quan về đề tài

- Chương II Hộp số vô cấp

- Chương III Tính toán sức kéo của ô tô sử dụng CVT

- Chương IV Nghiên cứu đề xuất sách lược điều khiển CVT

Kết quả của đề tài có thể làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về việc tìm ra phương pháp khác nhau trong việc tính tính sức kéo của xe sử dụng CVT một cách tối ưu nhất

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Do hạn chế về thời gian và kinh phí nên đề tài mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết của việc tính toán sức kéo và đề xuất thuật toán điều khiển tối ưu hóa tỉ số truyền của xe sử dụng CVT

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Sử dụng phương pháp số để tính toán sức kéo của xe sử dụng CVT, từ

đó xây dựng các đồ thị sức kéo, đề xuất phương pháp chung để tính toán sức kéo và phương thức điều khiển tỉ số truyền của CVT tối ưu

CHƯƠNG II: HỘP SỐ VÔ CẤP 2.1 Hộp số vô cấp (CVT)

Không giống như những hộp số tự động truyền thống, hộp số vô cấp CTV không có các cặp bánh răng để tạo tỉ số truyền Điều này có nghĩa là nó

không có sự ăn khớp giữa các bánh răng Hộp số vô cấp CVT ( Continuously

Variable Transmission – hộp số biến thiên liên tục ) là loại hộp số có khả năng thay đổi tự động và liên tục tỉ số truyền, nó có khả năng biến thiên vô hạn giữa

số cao nhất và số thấp nhất mà không có sự ngắt quãng giữa các bước số Khi

xe sử dụng hộp số CVT dòng công suất được truyền liên tục, không có sự ngắt quãng như các loại hộp số khác

2.2 Lịch sử phát triển của hộp số CVT

Leonardo DaVinci phác thảo lần đầu CVT vào năm 1490 Hãng sản

vào cuối những năm 1950, nhưng kĩ thuật không cho phép tạo ra bộ CVT lớn hơn 100 mã lực Vào cuối thập niên 80 và đầu thập niên 90, Subaru đề xuất

tiếp tục được phát triển trong các năm tiếp theo, và CVT bây giờ có thể được tìm thấy trong hầu hết các xe Nissan, Audi, Honda, Ford, GM, và nhiều nhà sản xuất khác

- 1490 - Leonardo Da Vinci phác thảo những ý tưởng đầu tiên về CVT

- 1886 - Hộp số CVT đầu tiên được đăng ký bản quyền

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

- 1958 - Nhà sản xuất xe hơi Daf (Hà Lan) sản xuất CVT cho xe hơi

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

bị CVT

- 2002 - Xe Saturn Vue lắp CVT được giới thiệu

- 2004 - Ford bắt đầu đưa CVT vào sản xuất

- 2004 đến nay hộp số CVT được ứng dụng rất rộng rãi và phổ biến trên các dòng xe Đi đầu trong công nghệ phát triển hộp số CVT là hãng Nissan của Nhật Bản

2.3 Các dạng cấu trúc của CVT

2.3.1 Hộp số vô cấp CVT với puly và đai truyền

1 Puly đầu vào; 2 Puly đầu ra; 3 Dây đai truyền

Loại CVT thông thường nhất hoạt động trên một hệ thống puli (ròng rọc) và dây đai Nếu ở hộp số tự động kiểu hành tinh ta sẽ thấy sự phức tạp của cả một “ thế giới ” bánh răng, phanh và các đĩa ly hợp cùng các thiết bị điều khiển hoạt động thì ở hộp số vô cấp CVT lại đơn giản hơn nhiều Hầu hết hộp số vô cấp CVT đều có 3 phần tử cơ bản:

- Đai truyền bằng kim loại hoặc cao su có công suất cao

- Một hệ puly có đầu vào thay đổi gắn với trục quay động cơ

- Một hệ puly đầu ra dẫn đến bánh xe

1

2

3

CVT cũng có bộ vi xử lý và các cảm biến để theo dõi và điều khiển nhưng ba phần tử chính trên là những nhân tố chìa khóa cho phép ý tưởng này trở thành hiện thực

Dây đai hình chữ V bằng cao su được sử dụng trong hôp số CVT để làm tăng ma sát, hạn chế trượt khi vận hành Tuy dây đai cao su sử dụng đều

là loại dây đai cao su chất lượng tốt và đàn hồi thấp nhưng nó vẫn bị trượt và kéo dãn ra do đó giảm đi hiệu quả làm việc

Những loại vật liệu mới cũng được giới thiệu để chế tạo ra hộp số vô cấp CVT có độ tin cậy và hiệu quả làm việc cao hơn nữa Một trong những cải tiến quan trọng nhất đó là thiết kế và phát triển một dây đai mới nối giữa hai puly Đây là loại dây phức hợp được làm từ một vài lá thép mỏng ( khoảng từ

chặt lấy các lá kim loại Dây đai bằng kim loại không bị trượt và có độ bền cao hơn, cho phép CVT có thể làm việc với mômen động cơ cao hơn và êm hơn so với dây đai cao su