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

bộ giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hµ néi -  Luận văn thạc sỹ khoa học Xây dựng mô hình động lực học ô tô sử dụng hộp số tự động ngành: khí động lực Lê tuấn hải Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHạM HữU Nam Hà nội - 2008 mục lục Néi dung Trang Trang Lêi cam ®oan Mơc lơc Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ đồ thị Tổng quan Lời mở đầu Chương Đặc tính động lùc häc cđa « t« sư dơng hép số tự động Hệ thống truyền lực ô tô trang bị hộp số tự động Đặc điểm hộp số tự động 1.1 Bộ biến mô thuỷ lực 1.1.1 Bánh bơm(B) 1.1.2 Bánh tuabin(T) 1.1.3 Bánh dẫn hướng (D) 1.1.4 Khớp dẫn động mét chiỊu cđa stato 1.2 Hép sè hµnh tinh 1.2.1 Cơ cấu hành tinh kiểu Wilson 1.2.2 Cơ cấu hành tinh kiểu Simson 10 1.3 Hệ thống thuỷ lực 11 1.3.1 Van điều áp sơ cấp 13 1.3.2 Van ®iỊu khiĨn chän tay sè: 13 1.3.3 Van chun sè 13 1.3.4 Van ®iƯn tõ 14 1.3.5 Van b­ím ga 15 1.3.6 Van ®iỊu biÕn b­ím ga 15 1.3.7 Bộ tích 15 1.4 Hệ thống điều khiển 16 1.4.1 Cảm biến tốc độ 17 1.4.2 Cảm biÕn b­ím ga 17 1.4.2 C¶m biÕn b­ím ga 17 1.4.3 Cảm biến nhiệt độ, nhiệt độ dầu, áp suất dầu 17 1.4.4 Điều khiển thời điểm chuyển số 17 1.4.5 Điều khiển khoá biến mô 19 1.4.6 Điều khiển tối ưu áp suất 20 1.4.7 Điều khiển tối ưu áp suất ly hợp 21 1.4.8.Điều khiển mô men động 22 1.5 Kết luận 22 Chương Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực 23 ôtô dùng hộp số tự động 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực 23 2.2 Phân tích đặc trưng động học 23 2.3 Mô hình động học biến mô 27 2.4 Các đặc tính biến mô, hiệu suất mô men 32 2.4.1.Hệ số khuyếch đại cđa biÕn m« 32 2.4.2 Tû sè trun cđa biÕn m« 32 2.4.3.HiƯu st cđa biÕn m« 32 2.4.4.HƯ sè độ nhạy 33 2.4.5 Hệ số khả dự trữ mômen 33 2.5 Mô hình động học hộp số hành tinh 36 2.5 Mô hình ly hợp phanh 55 2.6 Mô hình ôtô hệ truyền lực Chương3 Mô động lực học hệ thống truyền 61 lực ôtô phần mềm MATLAB SIMULINK STATEFLOW 3.1 Giíi thiƯu chung vỊ MATLAB SIMULINK 61 3.1.1 Matlab 61 3.1.2 Simulink 61 3.1.3 Các nhóm chức c¸c khèi th­ viƯn 62 3.1.4 C¸c b­íc thùc hiƯn trình mô 63 3.2 Giới thiệu Matlab - State flow 65 3.2.1 Kh¸i niƯm Stateflow 65 3.2.2 Phân mô hình máy 66 3.3 Sử dụng công cụ Simulink phần mềm MATLAB để mô 69 trình chuyển số xe trang bị AT 3.3.1 Mô khối động 69 3.3.2 Mô khối biến mô 70 3.3.4 Mô hìng động học xe 71 Chương Sử dụng Matlab simulink stateflow 73 khảo sát động lực học ô tô MITsubishi tiburon 2004 4.1 Các số liệu xe ô tô hệ thống truyền lực 73 4.2 Các chế độ mô 74 Kết Luận 80 LờI NóI ĐầU Trong trình phát triển nghành công nghiệp ôtô, xu hướng phát triển mặt hình thức, độ an toàn, tính tiện dụng tính kinh tế nhiên liệu ngày trọng để đáp ứng nhu cầu người ô tô sử dụng rÊt réng r·i vµ cã xu h­íng ngµy cµng gia tăng, tính để tăng tính tiện nghi sử dụng đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu quan tâm nhiều hơn, đòi hỏi nhà sản xuất phải nghiên cứu, chế tạo cải tiến cụm, hệ thống cho đáp ứng tiêu chí phát triển Nhằm ứng dụng công nghệ nâng cao chất lượng hệ thống truyền lực để tăng tính động lực học, tiết kiệm nhiên liệu, đơn giản hóa thao tác lái xe hộp số tự động trang bị ngày nhiều xe du lịch Đặc tính động lực học xe lắp hộp số tự động khác hoàn toàn sơ với xe lắp hộp số thường Với mong muốn nghiên cứu nắm bắt khác biệt đặc tính động lực học hộp số tự động hộp số khí thường nhằm góp phần nhỏ nâng cao chất lượng nghiên cứu, giảng dạy, học tập trường đại học, trung tâm nghiên cứu chuyên ngành, trung tâm dạy lái xe, đề tài : Xây dựng mô hình động lùc häc cđa « t« sư dơng hép sè tù động thực Đề tài chọn phương pháp khảo sát phần mềm mô matlap simulink, với phần mềm đà mô mô hình động lực học xe ô tô Dưới hướng dẫn PGS TSP Phạm Hữu Nam Thầy môn, Trung tâm Đào tạo sau đại học bạn đồng nghiệp khác, đề tài đà thực môn Ô tô xe máy chuyên dụng - Viện khí động lực Trường ĐHBK Hà Nội Tác giả xin chân thành cảm ơn hướng dẫn đóng góp ý kiến quý báu để luận văn hoàn thành, mong góp ý, bổ sung nhà kỹ thuật để luận văn hoàn thiện Hà Nội, tháng 11 năm 2008 Tác giả Đặt vấn đề nghiên cứu Cùng với việc nâng cao chất lượng an toàn kỹ thuật xe ô tô việc tăng tính tiện nghi sử dụng không ngừng cải tiến Các cụm, hệ thống truyền lực, treo, lái, phanh, thiết kế tối ưu Hệ thống truyền lực trang bị hộp số tự động ngày ứng dụng rộng rÃi nâng cao chất lượng động lực học xe so với hộp số khí thường, đồng thời tiện nghi sử dụng cho người lái Như hộp số tay, chức hộp số tự động thay đổi tỷ số truyền hệ thống truyền lực để tạo lực kéo tiếp tuyến bánh xe chủ động cho phù hợp chế độ làm việc động với lực cản tổng cộng đường, cắt dòng truyền mô men từ động ®Õn hƯ thèng trun lùc vµ thay ®ỉi chiỊu chun ®éng ®Ĩ t¹o chun ®éng lïi cho xe Hép sè tự động thực việc lựa chọn số cách tự động thích hợp với chế độ vận hành xe thông qua can thiệp hệ thống điều khiển thủy lực thiết bị khí phức tạp bên hộp số Ngày nhà sản xuất đưa dòng sản phẩm chủng loại, mẫu mà thường có loại hộp số trang bị hệ thống truyền lực hép sè c¬ khÝ th­êng ( MT- Manual transmission ) hộp số tự động ( AT - Auto transmission), với xe trang bị AT thường có giá thành cao xe trang bị MT, điều chứng tỏ giá trị mặt kỹ thuật tính tiện nghi sử dụng đánh giá cao Việc xây dựng mô hình động lực học xe ô tô trang bị hộp số tự động để khảo sát giúp ta biết quy luật điều khiển trạng thái chuyển số, từ có phương pháp nghiên cứu điều khiển tối ưu trình chuyển số nhằm tăng tính động lực học lại giảm chi phí nhiên liệu Nội dung mục tiêu nghiên cứu đề tài - Đặc tính động lực học của, hệ thống truyền lực ô tô lắp hộp số tự động, vai trò hộp số ý nghĩa thời điểm chuyển số Chuyển số hợp lý làm tăng tính động lực học kinh tế nhiên liệu cho ô tô Trên xe đại ngày sử dụng phổ biến hộp sè tù ®éng ®iỊu khiĨn ®iƯn tư - Mơc tiêu nghiên cứu : + Quá trình điều khiển chuyển số + Quy luật chuyển số trạng thái chuyển số + Khảo sát dao động mô men trình chuyển số Luận văn cao học : Xây dựng mô hình động lực học ô tô sử dụng hộp số tự động đề tài mới, hạn chế mặt thời gian kinh phí nên đề tài dừng lại việc xây dựng mô hình động lực học ô tô sử dụng hộp số tự động Đề tài hướng phát triển nghiên cứu thuật toán ®iỊu khiĨn tèi ­u thêi ®iĨm chun sè cđa hép số tự động Ngoài phần lời nói đầu tổng quan, đề tài phân thành chương: - Chương 1: Đặc tính động lực học ô tô sử dụng hộp số tự động - Chương 2: Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực ô tô dùng hộp số tự động - Chương 3: Mô động lực học hệ thống truyền lực ô tô phần mền Matlab- Simulik Stateflow - Chương 4: Khảo sát, đánh giá kết - Kết luận kiến nghị Nội dung đề tài hình thành tài liệu giảng dạy, nghiên cứu cho trường, trung tâm dậy nghề CHƯƠNG I : Đặc tính động lực học ô tô sử dụng hộp số tự động Hệ thống truyền lực ô tô lắp hộp số tự động Hệ thống truyền lực ôtô tập hợp tất cấu nối từ động tới bánh xe chủ động, bao gồm cấu truyền, cắt, đổi chiều quay, biến đổi giá trị mômen Trong hộp số tự động, trình chuyển số thực tự động hoàn toàn, người lái điều khiển chuyển số nên giảm thiểu thao tác lái xe Tự động chuyển số nên xe hoạt động chế độ phù hợp tương ứng với điều kiện tải, địa hình, tốc độ, tận dụng công suất mô men tránh tổn hao công suất nhiên liệu, tăng tính kinh tế trình vận hành Với hộp số thường qúa trình chuyển số theo cảm nhận người lái nên phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm người lái - Mômen xoắn chuyển đến bánh xe chủ động cách êm dịu gần liên tục tương ứng với lực cản chuyển động tốc độ chuyển động ô tô Không xảy tượng thay ®ỉi tèc ®é ®ét ngét hc rung giËt xe tăng giảm số hộp số thường, - Hộp số tự động giúp tăng khả động lực học ô tô Giảm tải trọng tác dụng lên chi tiết hệ thống truyền lực Tránh tải cho động hệ thống truyền lực chúng nối với biến mô thủy lực - Các cặp bánh truyền hành tinh ăn khớp với nên trình sang số việc đóng mở van điều khiển đường dầu nên tượng va đập bánh chuyển số không cần có đồng tốc để giải việc ăn khớp cặp bánh Trong hộp số tự động người ta sử dụng áp suất thuỷ lực ®Ĩ tù ®éng chun c¸c tay sè t theo c¸c tốc độ xe, góc mở bướm ga vị trí cần số Đặc điểm hộp số tự động Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống truyền lực xe có hộp số tự động Trên hình 1.1 mô tả hƯ thèng trun lùc cđa xe cã hép sè tù động, ta thấy khác biệt với hộp số khí thường biến mô, hộp số hành tinh hệ thống thuỷ lực 1.1 Bộ biến mô thuỷ lực Hình 1.2 : Cấu tạo biến mô thuỷ lực Biến mô thuỷ lực lắp đầu vào hộp số bắt bulông vào trục sau trục khuỷu thông qua truyền động Nó có vai trò làm tăng mômen động tạo ra, truyền mô men đến hộp số đóng vai trò khớp nối thuỷ lực truyền mômen đến hộp số, hấp thụ dao động xoắn động hệ thống truyền lực Biến mô có cấu tạo gồm ba phần bản: phần chủ động gọi bánh bơm (B) nối với trục khuỷu động cơ, phần bị động gọi bánh tuabin (T) nối với trục vào động cơ, phần phản ứng gọi bánh dẫn hướng (D) lắp bánh bơm bánh tua bin Cấu tạo bên bánh bơm B, bánh tuabin T, bánh đẫn hướng D có cánh, cánh xếp cho trạng thái làm việc chất lỏng chuyển động theo hình xuyến xoắn ốc tạo nên cánh Biên dạng không gian làm việc phải đảm bảo tổn thất lượng chất lỏng từ cánh bánh sang cánh bánh 1.1.1 Bánh bơm(B) Bánh bơm bố trí vỏ biến mô nối với trục khuỷu qua đĩa dẫn động, có nhiều cánh hình cong lắp bên bánh bơm vòng dẫn hướng lắp mép cánh để dẫn dòng dầu êm Vỏ biến mô nối với trục khuỷu động qua dẫn động Hình 1.3: Kết cấu bánh bơm 70 Hình 3.3: Sơ đồ mô khối động 3.3.2 Mô khối biến mô Các thông số đầu vào đầu biến mô xem hàm tốc độ động biến mô Phương trình thể mối quan hệ ®ã nh­ sau ntb ntb n2e TQ = f = R k f Mb = ; ne ne ; k Hình 3.4 : Sơ đồ mô khối biến mô 3.3.3 Mô tỷ số truyền - Phương tình mô tỷ số truyền Mout = RTQ.Min nin = RTQ.nout 71 RTQ : tû sè m« men Víi : Min, Mout: Mô men đầu vào đầu hộp số nin, nout : Tốc độ đầu vào đầu hộp số Hình 3.5 : Sơ ®å m« pháng tû sè trun cđa hép sè 3.3.4 Mô động học xe Phương trình thể biến đổi động lực , mô men truyền lực ci cïng víi ®éng lùc cđa xe Iv.Nω = Rfd ( M out − M load ) Iv : qu¸n tính xe ; N : Tốc độ bánh xe Rfd : Tû sè trun cđa trun lùc ci Mload : mô men tải - Phương trình thể mô men tải , gồm mômen phanh mômen cản đường Mô men cản đường gồm tổng ma sát tổn thất động lực học - Mload = v(Rload0 +Rload2.v2 + Mbrake) Rload0 ,Rload2 : HÖ sè ma sát hệ số động lực kéo Mload , Mbrake : Mô men tải mô men phanh v : vận tốc xe 72 Hình 3.6: Sơ đồ mô khối động học xe Mô hình chương trình thể thời điểm chuyển số Với ®é më b­ím ga t­¬ng øng víi mét sè, chØ có tốc độ xe mà thời điểm tăng số xảy Tương tự với thời điểm giảm số Hình 3.7: Sơ đồ mô thời điểm chuyển số 73 Chương 4: Sử dụng MatLab Simulink State flow khảo sát động lực học ôtô Mitsubishi Tiburon 2004 Sử dụng phương trình vi phân mô tả trình động lực học hệ thống truyền lực ôtô chương mô hình mô MatLab Simulink State flow trình bày chương 3, chương thực tính toán mô khảo sát trình động lực häc cđa mét «t« thĨ (xe Tiburon 2004 cđa hÃng Mitsubisshi) 4.1 Các số liệu xe ôtô hệ thống truyền lực đưa vào tính toán - Khối lượng xe: ma = 1650 kg - Dung tích động cơ: 1975 cm3 - Họ đường đặc tính mô men động Hình 4.1: Các đường đặc tính mô men - Đặc tính biến mô: 74 Hình 4.2: Đường đặc tính biến mô - Bán kính bánh xe rw = 0,3214 m - Tû sè trun c¸c tay sè : Sè 1: ih1 = 2,842; Sè 2: ih2 = 1,529; Sè 3: ih3= 1; Sè 4: ih4 = 0,712; Sè lïi: ihR = 2,48 - Tû sè trtrun cđa trun lực chính: i0 = 3,77 - Mô men quán tính: + Động Ie = 0,087 kg.m2 + Bánh bơm Ip = 0,058 kg.m2 + B¸nh turbine It = 0,05623 kg.m2 + Các phần tử cấu hành tinh vµ IS1 = 0,00102 kg.m2; IR2 = 0,00902 kg.m2; IS2 = 0,0,00452 kg.m2 ; IC2 = 0,00581 kg.m2 C¸c hƯ sè tÝnh to¸n: RS1 = 0,2955; RR1 = 0,7045; RS2 = 0,3621; RR2 = 0,6379 4.2 Các chế độ mô 75 Tham số điều khiển chương trình mô chế độ tải (độ mở bướm ga) động Khi thay đổi trị số thông số điều khiển đặc tính động lực học hệ thống thay đổi Ngoài ra, trình chuyển số tự động, chế độ chuyển số cho trước hình 4.3 + Khảo sát đặc tính động lực học xe độ mở bướm ga 100% Các đồ thị hình 4.4 4.5, 4.6 biểu diễn đặc tính kéo bánh xe chủ động, biến thiên mô men động cơ, mô men bánh bơm, bánh turbine, mô men trục hộp số cho động làm việc đường đặc tính Từ đồ thị có nhận xét sau: Hình 4.3: Đồ thị biểu thị lực kéo tay số - Đồ thị mô quan hệ lực kéo Pk mô men Me động 76 Hình 4.4: Đồ thị lực kéo Pk mô men Me - Sơ đồ mô quan hệ tốc độ động lực kéo Pk Hình 4.5: Sơ đồ thể mối quan hệ Pk ne 77 - Sơ đồ mô quan hệ mô men Me Mt Hình 4.6: Sơ đồ thể mối quan hệ mô men lực kéo - Sơ đồ mô quan hệ mô men Mt mô men trục hộp số Mr - Hình 4.7: Sơ đồ mô quan hệ Mt Mr 78 + Khảo sát đặc tính động lực học xe độ mở bướm ga 100% - Trường hợp lực kéo Pk mô men Me 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 10 12 14 16 18 20 Hình 4.8: Đồ thị lực kéo Pk mô men Me - Trường hợp quan hệ tốc độ động lực kéo Pk 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 20 40 60 80 100 Hình 4.9: Đồ thị lực kéo Pk mô men ne 120 79 -Trường hợp quan hệ mô men Me Mt 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10 12 14 16 18 20 H×nh 4.10: Đồ thị quan hệ mô men Mr Mt - Trường hợp quan hệ mô men Mt mô men trªn trơc cđa hép sè Mr 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 10 12 14 16 Hình 4.11: Đồ thị quan hệ Mt Mr 18 20 80 Kết luận Qua nội dụng đà trình bày trên, luận văn đà đạt số kết sau : Đà phân tích đặc điểm kết cấu vận hành ô tô sử dụng hộp số tự động so với ô tô sử dụng ly hợp ma sát hộp số khí Nhờ sử dụng biến mô nên mô men truyền từ động đến hệ thống truyền lực tăng lên, dòng công suất biến đổi liên tục trình vận hành giai đoạn điều khiển đóng ngắt ly hợp xe sử dụng MT Trên xe dùng hộp số AT việc chuyển số thực cách tự động nhờ việc đóng ngắt ly hợp phanh đĩa thuỷ lực tương ứng Tuy nhiên việc chuyển số tự động gây dao động mô men truyền từ động đến phận hệ thống truyền lực Đà xây dựng phương trình vi phân mô tả độnglực học biến mô hộp số hành tinh, đặc biệt đà phân tích giai đoạn trình chuyển số, ý nghĩa biến đổi mô men pha mô men pha quán tính trình chuyển số Đà sử dụng công cụ Matlab- simulink stateflow ®Ĩ m« pháng hƯ thèng trun lùc cđa « t« sử dụng hộp số tự động Đà ứng dụng mô hình mô để giải toán động lực học với ô tô cụ thể Các kết chạy chương trình cho thấy: - Đặc tính kéo ô tô sử dụng AT tốt MT điểm cụ thể có trị số lực kéo biến đổi liên tục tay số - Chế độ tải động ( độ mở bướm ga ) có ảnh hưởng lớn đến dao động mô men hệ thống truyền lực trình chuyển số Việc chọn chiến lược điều khiển tải động trình chuyển số hợp lý giảm đáng kể độ biến ®éng cđa m« men hƯ thèng trun lùc nhê làm cho trình chuyển số êm dịu làm tăng độ bền chi tiết hệ thống 81 + Hướng phát triển tiếp đề tài Mô hình khảo sát xây dựng đề tài mô hình điều khiển kiểu vòng hở , để chọn chế độ điều khiển bướm ga hợp lý giảm tải trọng động trình chuyển số cần nghiên cứu bổ sung thêm thuật toán điều khiển tối ưu chương trình điều kiển theo vòng kín Các chương trình điều khiển tối ưu « t« hiƯn sư dơng hƯ thèng ®iỊu khiĨn điện tử để điều khiển tự động trình chuyển số Đà sử dụng thuật toán tối ưu chu trình điều khiển kiểu vòng kín Trong thời gian học tập làm luận văn , hướng dẫn Thầy giáo thân tác giả đà có nhiều cố gắng học tập, nghiên cứu nỗ lực tâm cao để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu đề Tuy nhiên hạn chế mặt thời gian, tài liệu tham khảo, điều kiện khảo nghiệm thực tế nên luận văn khiếm khuyết Tác giả luận văn mong nhận sử bảo góp ý Thầy giáo Tóm tắt Luận văn Xây dựng mô hình động lực học xe ô tô trang bị hộp số tự động đà phân tích tính chất động lực học xe ô tô trang bị hộp số tự động , khảo sát nghiên cứu trình chuyển số xây dựng mô hình động lực học xe phần mềm matlab simulink- stateflow Những phân tích cho thấy khác biệt hai loại hộp số khác hoàn toàn thời điểm chuyển số Mô men dòng truyền lực xe lắp hộp số tự động lớn mômen dòng truyền lực lắp hộp số khí thường nhờ có biến mô, cải thiện lực kéo bánh xe chủ động , nâng cao chất lượng động lực học xe Đề tài đà hoàn thành, nhiên mở hướng nghiên cứu sau với vấn đề thuật toán điều khiển chuyển số Hà Nội, 11/2008 Tác giả Summary The research work Constructing model transmission system of automobile installed automatic transmission” has analysed dynamical particulaly of automobile installed automatic transmission, studied the changing gear moment, and constructed Modulating dynamics of automobile installed automatic transmission system by matlab simulink and stateflow software The research shown the difference between automatic transmission (AT) and manual transmission (MT) at rule of changing gear time Dynamical particulaly of AT is better than MT Moment of transmission system is not moment of engine , that is momen of turbin of moment torqe, so the force at wheeldrive of AT is better than MT vehicle, enhance the dynamical particulaly of automobile installed automatic transmission The problem of essay has solved, however in the infuture the research work can be studied deeply by algorithm control HaNoi, 11/2008 Author ... 1: Đặc tính động lực học ô tô sử dụng hộp số tự động - Chương 2: Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực ô tô dùng hộp số tự động - Chương 3: Mô động lực học hệ thống truyền lực ô tô phần mền Matlab-... xây dựng mô hình động học biến mô hộp số hành tinh 2.3 Mô hình động học biến mô Biến mô làm nhiệm vụ biến đổi tăng mô men truyền từ động đến hộp số hành tinh Hình 2.3 mô tả thành phần biến mô gồm... điểm hộp số tự động Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống truyền lực xe có hộp số tự động Trên hình 1.1 mô tả hệ thống truyền lực xe có hộp số tự động, ta thấy khác biệt với hộp số khí thường biến mô, hộp số