Nghiên cứu ảnh hưởng của qúa trình chuyển số đến sự tổn hao công suất trong hộp số tự động

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Nghiên cứu ảnh hưởng trình chuyển số ®Õn sù tỉn hao c«ng st hép sè tù động Phạm văn thoan Hà nội - 2006 Mục lục Nội dung Trang Lới nói đầu Ch­¬ng 1: Tổng quan hộp số tự động ôtô 1.1 Hép sè ®iỊu khiĨn thủ lùc hoµn toµn 1.1 1.2 Hép sè tù ®éng ®iỊu khiĨn b»ng thủ lùc kÕt hỵp víi ®iƯn tư Chương 2: Cấu tạo nguyên lý làm viƯc cđa hép sè tù ®éng 2.1 Các phận chức cđa chóng 2.2 BiÕn m«men thuû lùc 2.2.1 Chức biến m« thủ lùc 2.2.2 Cấu tạo biến mômen thuỷ lực 2.2.3 Nguyên lý làm viƯc cđa biÕn m«men 2.2.4 Đặc tính làm việc biến mômen 10 2.3 Hép sè hµnh tinh 15 2.3.1 Cơ cấu hành tinh kiểu Wilson ®éc lËp 15 2.3.2 Cơ cấu hành tinh kiểu Simpson 21 2.3.3 Cơ cấu hành tinh kiÓu Ravigneaux 22 2.4 HƯ thèng ®iỊu khiĨn 23 2.4.1 Ly hợp khoá 24 2.4.2 Phanh d¶i 27 2.5 HÖ thèng ®iỊu khiĨn thủ lùc - ®iƯn tõ cđa hép sè tù ®éng 29 2.5.1 HƯ thèng ®iỊu khiĨn thuû lùc 30 2.5.2 Nguồn cung cấp lượng 30 2.5.2.1 Bơm dầu 31 2.5.2.2 Van điều tiết áp suất 32 2.5.3 Bé chuyÓn ®ỉi vµ trun tÝn hiƯu sè 33 2.5.4 Bé van thủ lùc chun sè 35 2.5.5 Bộ tích giảm chấn 36 2.6 HƯ thèng ®iỊu khiĨn ®iƯn tõ cđa hép sè tù ®éng EAT 37 2.6.1 Cảm biến vị trí 38 2.6.2 Cảm biến đo nhiệt độ 39 2.6.3 Cảm biến đóng mạch điện 39 2.6.4 Cảm biến tốc độ vòng quay 40 2.6.5 C¬ cÊu thõa hµnh 40 2.6.6 CÊu t¹o cơm van thủ lực điện từ kết hợp 41 2.7 Giới thiệu cấu tạo nguyên lý làm viƯc cđa hép sè tù ®éng 42 2.7.1 CÊu t¹o 42 2.7.2 Các phần tử chức chúng 43 2.7.3 D·y “N” vµ “P” 43 2.7.4 D·y “D1” vµ “21” 44 2.7.5 D·y D·y “D2”, “12” vµ “22” 45 2.7.6 D·y “D3” 47 2.7.7 D·y “D4” (OD) 48 2.7.8 D·y “11” 50 2.7.9 D·y “R” 51 2.8 KÕt luËn ch­¬ng 52 Ch­¬ng 3: Lý thuyÕt ®éng lùc häc c¸c hƯ thèng dÉn ®éng thủ lùc 54 3.1 Các phương pháp tính toán 54 3.2 M« h×nh trun sãng 54 3.2.1 Mô hình đàn hồi 55 3.2.2 Mô hình không đàn hồi 56 3.3 Các phương pháp mô tả hệ thống 56 3.4 Phương trình dòng chảy chất lỏng 58 3.4.1 Tổn thất đường ống tiết diện tròn 59 3.4.2 Tỉn thÊt cơc bé 61 3.5 Mô hình toán học đàn hồi 62 3.6 C¸c toán mô 65 3.6.1 Bài toán phần tử ®µn håi 65 3.6.2 Bài toán phần tử đàn hồi 70 3.6.3 Bµi toán phần tử đàn hồi 72 3.7 KÕt luËn 76 Chương 4: Đánh giá tổn hao công suất trình chuyển số hộp số tự động 77 4.1 Mô trình chuyển số 77 4.1.1 Mô tả trình 77 4.1.2 Trạng thái đóng ly hợp (nạp chất lỏng) 78 4.1.3 Trạng thái mở ly hợp (xả chất láng) 81 4.2 Đánh giá tổn thất công suất hộp số tự ®éng 82 4.2.1 Tr­êng hỵp có cản tự mặt đường 84 4.2.2 Trường hợp có cản tự mặt đường có cản ly hợp nhả số 84 4.2.3 Xét trường hợp điều khiển đóng, mở không đồng thời ly hợp đến công trượt 86 4.3 KÕt luËn ch­¬ng 87 Lêi kÕt luËn 88 -1- Lời nói đầu Việt nam dần bắt kịp với trình độ phát triển giới mặt, có lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo sử dụng ôtô, đề tìm hiểu mặt kết cấu, ảnh hưởng kết cấu ®Õn hiƯu st trun cđa hƯ thèng trun lùc cÇn quan tâm mức Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng trình chuyển số đến tổn hao công suất hộp số tự động thực hiƯn víi mong mn tham gia gãp mét phÇn nhá lĩnh vực nghiên cứu vấn đề tổn hao công suất trình chuyển số hộp số tự động ôtô Đề tài thực Bộ môn Ôtô - Xe chuyên dùng Viện Động lực Trường Đại học Bách khoa Hà nội hướng dẫn Thầy, cô chuyên ngành, đến đà hoàn thành Những kết đạt đà giúp cho tác giả hiểu biết thêm vấn đề liên quan đến hộp số tự động ôtô tổn hao công suất trình chuyển số định hướng cho nghiên cứu Song thời gian có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót cần bổ sung hoàn thiện Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan đà tận tình giúp đỡ, định hướng nghiên cứu cho đề tài đà giúp đỡ h­íng dÉn gi¶i qut tõng néi dung thĨ Xin cảm ơn Thầy, cô, cán Bộ môn Ôtô - Xe chuyên dùng Viện Động lực Trung tâm Đào tạo sau Đại học đà tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình học tập thực đề tài Tác giả xin kính chúc Thầy cô mạnh khoẻ có nhiều cống hiến cho phát triển ngành Giao thông Vận tải nói chung ngành Công nghiệp ôtô nói riêng Việt nam./ -2- Chương 1: tổng quan hộp số tự động ôtô Cho đến nửa đầu thập kỷ 70 hộp số tự động giới thiệu nhiều dòng xe du lịch TOYOTA, BMV, NISSAN Ngày nay, hộp số tự động thấy chí xe 4WD (loại hai cầu chủ động) xe tải nhỏ Hộp số tự động chia thành hai loại, chúng khác hệ thống sử dụng để điều khiển chuyển số thời điểm khoá biến mô Một loại điều khiển hoàn toàn thuỷ lực, sử dụng thuỷ lực để điều khiển, loại loại điều khiển thuỷ lực kết hợp với điện tử Loại điều khiển thuỷ lực kết hợp với điện bao gồm chức chẩn đoán dự phòng chức điều khiển số thời điểm khoá biến mô gọi hộp số điều khiển điện tử ký hiệu ECT AT (Loại điều khiển thuỷ lực hoàn toàn) AT Điều khiển chuyển số thời điểm khoá biến mô Chẩn đoán ECT Dự phòng Các chức khác Các phận trun lùc cđa hép sè tù ®éng ®iỊu khiĨn thủ lực hộp số tự động ECT giống nhau, phương pháp điều khiển sang số rÊt kh¸c nhau, thĨ chóng ta cã thĨ so sánh qua hai sơ đồ sau: -3- 1.1 Hộp số điều khiển thuỷ lực hoàn toàn Van ly tâm Van ly tâm sinh áp suất dầu tỷ lệ với tốc độ xe (gọi tắt áp suất ly tâm) có tác dụng tín hiệu tốc độ xe đến bé ®iỊu khiĨn thủ lùc B­ím ga B­ím ga điều khiển thuỷ lực sinh áp suất điều khiển thuỷ lực tỷ lệ với mức độ đạp chân ga; áp suất gọi áp suất bướm ga có tác dụng tín hiệu tải động đến bé ®iỊu khiĨn thủ lùc Bé ®iỊu khiĨn thủ lùc áp suất ly tâm áp suất bướm ga làm van chuyển số điều khiển thuỷ lực hoạt động, độ lớn áp suất điều khiển chuyển động van chuyển số, van lại điều khiển áp suất thuỷ lực tác dụng lên ly hợp phanh cụm bánh hành tinh để điều khiển việc chuyển số Bàn đạp ga Cáp chân ga Cảm biến tốc độ ôtô Bộ biến mô Bộ bánh hành tinh Tín hiệu tốc độ xe (áp suất ly tâm) Hộp điều khiển thuỷ lực Tín hiệu tải động (áp suất bu ? m ga) C¸c van sang sè Van bu ? m ga Vi sai Cáp bu ớm ga Hình 1.1: Sơ đồ khèi hép sè tù ®éng ®iỊu khiĨn b»ng thủ lùc hoàn toàn -4- 1.2 Hộp số tự động điều khiển thuỷ lực kết hợp với điện tử: Cảm biến tốc độ xe Cảm biến tốc độ xe phát tốc độ xe gửi tín hiệu tới ECU dạng tín hiệu điện Cảm biến vị trí bướm ga Góc mở bướm ga phát cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến biến đổi tín hiệu thành tín hiệu điện gửi đến ECU qua ECU động ECU ECU định thời điểm chuyển số sở tín hiệu tốc độ ôtô góc mở bướm ga, điều khiển van điện điều khiển thuỷ lực điều khiển chuyển động van chuyển số Những van lại điều khiển áp suất thuỷ lực đến ly hợp phanh cụm bánh hành tinh để điều khiển việc chuyển số Bàn đạp ga Cáp chân ga Cảm biến tốc độ ôtô Bộ biến mô Cảm biến vị trí buớm ga Hộp điều khiển thuỷ lực Các van sang số Cáp buớm ga Bộ bánh hành tinh Các van điện từ Vi sai ECT ECU ECU động Hình 1.2: Sơ đồ khối hộp số tự động điều khiển điện tử -5- Với phát triển mạnh số lượng chất lượng, hộp số tự động ngày hoàn thiện chất lượng hiệu nó, cụ thể là: Tăng số lượng số truyền cho hộp số hành tinh Khả truyền mô men lớn Khả tăng tốc nhanh Quá trình chuyển số nhanh êm dịu tốc độ Tránh cho động chiết hệ thống truyền lực bị tải nối với biÕn m« thủ lùc Cịng hƯ thèng trun lùc cã sư dơng khíp nèi thủ lùc cho nªn tránh khỏi việc mát công suất Ngoài việc mát công suất có truyền động thuỷ lực, bị tổn hao công suất hộp số hành tinh Vì vậy, để tìm nguyên nhân gây tổn hao công suất hộp số tự động nói riêng vấn đề quan trọng ngành sản xuất ôtô, sở nhằm nâng cao khả kéo ôtô Để làm điều trước hết phải nắm cấu tạo, đặc điểm kết cấu hộp số tự động, phân tích đánh giá trình điều khiển viƯc chun sè hép sè -6- Ch­¬ng 2: cấu tạo nguyên lý làm việc hộp số tự động 2.1 Các phận chức chúng Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo hộp số tự động 1: Biến mômen; 2: Bơm dầu; 3: Cơ cấu hành tinh; 4: Cảm biến tốc độ ôtô 5: Cảm biến tốc độ bánh răng; 6: Cảm biến tốc độ bánh tuabin 7: Các cảm biến; 8: ECU động ECT; 9: Van điện từ; 10: Khối thuỷ lực11: Cần chọn vị trí chức điều khiển hộp số Để trình chuyển số diễn tự động theo sức cản đường tải trọng động cách êm dịu, dứt khoát hộp số phải có phận sau: + Biến mô thuỷ lực + Bộ bánh hành tinh + Hệ thống điều khiển -78- Hình 4.3: Sơ đồ điều khiển trình sang số Trong trường hợp này, dầu có áp suất p max cấp từ bơm dầu tới van phân phối h(t), qua đường ống tới xylanh chấp hành đặt ly hợp phanh dải p1,x1 h(t) (1) z p2 R m l (2) f 1(p1) Hình 4.4: Sơ đồ mô trình đóng ly hợp p2 V2 F2 -79- Hệ phương trình vi phân mô phỏng: d z1 dz1  dz1   dz  P + a3   sgn   + z = p1 a1 + a dt  dt   dt  F2  dt  2( p max − p1 ) dz  (4-5) = F2 µbh(t ) ρ dt   d 2z m 21 + p1 F pt − Pz =  dt   F k ρl F F Víi: a1 = ρl ; a = 27,5ρυl 22 ; a3 =  0,433 ε + 0,5ζυ  f f f   f   (4-6)  Giải hệ phương trình ta tìm quy luật dịch chuyển z (t) quy luật biến thiên áp suất p (t) Để giải hệ phương trình vi phân ta sử dụng phần mềm Matlab Simulink: áp suất (N/m^2) áp suất điều khiển đóng ly hợp (N/m^2) t (s) Hình4.5: áp suất điều khiển đóng ly hợp -80- 4.1.3 Trạng thái mở ly hợp (xả chất lỏng) Fpt pz h (t) p1 p0 Hình 4.6: Hệ phương trình vi phân mô phỏng:  2( p1 − p ) dz = F2 µbh(t ) dt ρ    d z1 m  dt + p1 F pt − Pz = (4-7) áp suất (N/m^2) áp suất điều khiển mở ly hợp (N/m^2) t (s) Hình 4.7: áp suất điều khiển mở ly hợp -81- áp suất (N/m^2) áp suất điều khiển mở ly hợp (N/m^2) t (s) Hình 4.8: áp suất điều khiển đóng, mở ly hợp đồng thời 4.2 Đánh giá tổn thất công suất hộp số tự động Để đánh giá tổn thất trình chuyển số hộp số tự động ta đánh giá thông qua công trượt trình chuyển số Trong trình chuyển số từ sè i sang sè i+1 th× hép sè thùc hiƯn đồng thời trình: trình thứ đóng ly hợp (phanh dải), trình thứ hai mở ly hợp khác (hoặc phanh dải khác) Như trình đóng mở ly hợp phanh dải có quay tương tốc độ xảy trình trượt ly hợp phanh dải Trong phần này, ta tính công trượt ly hợp nhiều đĩa Để xác định công trượt ly hợp nhiều đĩa ta mô hình hoá thành dạng sau: đĩa chủ động ly hợp ghép lại thành đĩa nối với bánh đà động có khối lượng quán tính I cđ tương đương với -82- quán tính chi tiết chuyển động quay động với biến mômen Các đĩa bị động ghép lại thành đĩa nối với bánh đà có mômen quán tính I bđ tương đương với lượng chuyển động tịnh tiến ôtô với chi tiết hệ thống truyền lực bánh xe quy trục thø cÊp cđa hép sè I c® I b® mψ m c ( t) Mđc đc a Hình 4.9: Sơ đồ tính toán Trong đó: - M đc mômen xoắn từ động truyền qua biến mô tới trục vào hộp số tự động - đc vần tốc góc trục vào; - a vần tốc góc đĩa bị động ly hợp; - M mô men cản chuyển động ôtô quy dẫn trơc thø cÊp sè; - M c m«men ma sát ly hợp tính theo công thức 4-1 Công trượt ly hợp ma sát tính sau: Wµ = ∫ M c (t )(ω dc − ω a )dt (4-8) Trong đc, a hàm thời gian xác định theo biểu thøc sau:  I cd ω cd = M c − M ψ (4-9)   I bd ω a = M dc − M c -83- µrµ − ( AB) z (1 + A) M c = M µ = F1 rµ − AB + µµ1 rt (4-10) 4.2.1 Trường hợp có cản tự mặt đường Trường hợp công thức 4-9 tån t¹i Mψ = ψ.Gψ.rbx; Víi ψ = f +tgα ( góc dốc mặt đường) Giải hệ phương trình vi phân 4-9 phương trình 4-8, ta kết sau: Công trượt (MJ Đồ thị công trượt (MJ) Công trượt (MJ) t (s) t (s) Hình 4.10: Đồ thị quan hệ công trượt với thời gian (trường hợp có M) 4.2.2 Trường hợp có cản tự mặt đường có cản ly hợp nhả số Trường hợp công thức 4-9 cản mặt đường M càn có cản ly hợp nhả số Khi nhả ly hợp có trượt, mômen ma sát trượt ảnh hưởng đến công trượt ly hợp đóng Mômen ma sát trượt nhả ly hợp xác định theo biểu thức 4-1, với áp suất nhả ly hợp xác định theo đồ thị hình 4.7 -84- Tương tự ta có quan hệ công trượt với thời gian sau: Công trượt (MJ) Đồ thị công trượt (MJ) t (s) Hình 4.11: Công trượt ly hợp có tính đến trình nhả ly hợp Công trượt (MJ) Đồ thị công trượt có tính đến trình nhả ly hợp Đồ thị công trượt không tính đến trình nhả ly hợp t (s) Hình 4.12: Đồ thị so sánh có tính đến mở ly hợp ly hợp -85- 4.2.3 Xét trường hợp điều khiển đóng, mở không đồng thời ly hợp đến công trượt Giả sử ly hợp trình mở ly hợp điều khiển mở diễn sớm điều khiển ly hợp đóng t trường hợp ta xác định công trượt trình chuyển số ứng với thời gian t Sử dụng phần mềm Matlab cho khoảng thời gian t thay đổi ta có giá trị b¶ng sau: B¶ng 4.1: B¶ng sè liƯu quan hƯ công trượt thời gian t 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 21 20.9 20.8 20.5 20.3 20 19.7 Công trượt MJ t(t) Hình 4.13: Sự thay đổi công trượt theo thời gian t -86- 4.3 Kết luận chương Như qua phần khảo sát công trượt trình chuyển số ta thấy rằng: - Công trượt trình chuyển số phụ thuộc vào nhiều yếu tố - Trong trường hợp không tính đến ảnh hưởng ly hợp điều khiển công trượt giảm nhiều so với trường hợp có kể đến ảnh hưởng ly hợp điều khiển mở - Khi -87- Lời kÕt ln KÕt ln vỊ tÝnh khoa häc cđa ph­¬ng pháp nghiên cứu kết Đề tài nghiên cứu số vấn đề lý luận giải pháp kỹ thuật hộp số tự động ôtô tiến hành thời gian ngắn, đà đề cập số vấn đề mà ôtô đại thường quan tâm Việc nghiên cứu tiến hành từ bước tìm hiểu cấu tạo, phân tích dạng kết cấu thường dùng hộp số tự động, đặc biệt hệ thống điều khiển số cấu chấp hành Đề tài đà đề cập đến vấn đề liên quan đến việc chuyển số phương pháp tính toán động lực hệ thống dẫn động thuỷ lực, sở tính toán phân tích kết thu Trong phần tính toán thực nghiệm, luận văn đà xây dựng chương trình tính toán ảnh hưởng thông số kết cấu đến tổn hao công suất hộp số thông qua công trượt Về phần nghiên cứu thực nghiệm khó khăn đối tượng nghiên cứu nên điều kiện để tiến hành thử nghiệm đo đạc để lấy số liệu Trong giải pháp kỹ thuật cụ thể, luận văn đà phân tích tính cần thiết đặc điểm kết cấu số hệ thống kỹ thuật cao nhằm giúp cho người quản lý sử dụng ôtô thêm hiểu biết kỹ thuật việc sử dụng việc bảo dưỡng sửa chữa Đề tài đà chọn số kết cấu điển hình xe TOYOTA, NISSAN BMW với cụm kết cấu mà số nhà ssản xuất xe Việt nam sử dựng Kết luận chung Toàn luận văn cấu trúc nhằm mục đích lya giải kiểm chứng sở lý luận kết cấu thực tế áp dụng ôtô, kết dùng để mở rộng nghiên cứu khảo sát sâu Tuy nhiên với phạm vi giới hạn luận văn nội dung trình bày chi tiết cụm kết cấu nguyên lý làm việc phần lý luận trình bày hết vấn đề lý thuyết liên quan đến sù tỉn thÊt c«ng st cđa hép -88- sè tù động ôtô Tuy nhiên qua tác giả hiểu thêm cặn kẽ vấn đề hệ thống điều khiển, bổ xung vào hiểu biết vấn đề liên quan đến tổn thất công suất hộ số tự động Hy vọng luận văn đem lại điều bổ ích cho đối tượng hoạt động lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế, quản lý sử dụng ôtô./ -89- Tài liệu tham khảo Nguyễn Hữu Cẩn Phan Đình Kiên, Thiết kế tính toán ôtô máy kéo, Nhà xuất giáo dục Trần Văn Nghĩa, Tin học ứng dụng thiết kế khí, Nhà xuất giáo dục Nguyễn Trọng Hoan, Bài giảng Động lực học hệ thống thuỷ khí ôtô, Bộ môn ôtô - Trường Đại học Bách khoa Hà nội TOYOTA Service Training, Tài liệu đào tạo Tập 4, Tập Hộp số tự động Giai đoạn Kalton C Lahue, Electronic and automatic transmissions, Glencoe, New York, New York Columbus -90- Các thông số tính toán - khối lượng riêng chất lỏng công tác (dầu hộp số tự động), = 850kg/m3; l- chiều dài đường ống dẫn dầu, l = 7,5cm; F2- diƯn tÝch cđa piston chÊp hµnh, F2= 7.06 cm2; f diện tích mặt cắt ngang đường èng, f = 3.5 cm2; υ - hƯ sè ®é nhít ®éng häc, υ = 6.82*10-4; λ = 0.025; ζ - hệ số cản cục bộ, = à2 ; - hệ số lưu lượng, = 0.6 b- bề rộng cửa sổ trượt van phân phèi, b = 0.35 cm; h(t)- dÞch chun cđa trượt, h(t) = 4.10-3 t (giả thiết tuyến tính) pmax- áp suất lớn mà bơm cung cấp cho ®­êng èng, pmax = 10.105 N/m2; p0- ¸p suÊt d­ đường ống, p0 = 0.3 105 N/m2; m=20*10^-3;%kg Khối lượng piston k=10000N/m; Độ cứng lò xo hồi vị zo=10*10-3m; độ nén ban đầu lò xo r1=94*10^-3m; bán kính đĩa ma sát r2=128*10^-3m; bán kính đĩa ma sát M = 100Nm; Mô men cản mặt đường quy dẫn trục hộp số; Me=300Nm; Mô men động quy dẫn trục vào hộp số; Jbd=0.0045 (MNms2); Jcd=0.03(MNms2); nbd=120*pi/30 vòng/phút; -91- Khối điều khiển mở ly hợp Khối điều khiển đóng ly hợp -92- Khối tính công trượt ... tìm hiểu mặt kết cấu, ảnh hưởng kÕt cÊu ®Õn hiƯu st trun cđa hƯ thèng trun lực cần quan tâm mức Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng trình chuyển số đến tổn hao công suất hộp số tự động ®­ỵc thùc hiƯn... chuyên ngành, đến đà hoàn thành Những kết đạt đà giúp cho tác giả hiểu biết thêm vấn đề liên quan đến hộp số tự động ôtô tổn hao công suất trình chuyển số định hướng cho nghiên cứu Song thời... Chương 1: tổng quan hộp số tự động ôtô Cho đến nửa đầu thập kỷ 70 hộp số tự động giới thiệu nhiều dòng xe du lịch TOYOTA, BMV, NISSAN Ngày nay, hộp số tự động thấy chí xe 4WD (loại hai cầu chủ động)